氨制冷劑冷庫當前發(fā)展趨勢

趙育川

（上海市食品（集團）公司設計所，上海 200336）

氨制冷劑冷庫當前發(fā)展趨勢

趙育川*

（上海市食品（集團）公司設計所，上海 200336）

文章主要針對冷庫泄氨發(fā)生的嚴重事故，指出目前已建設或正在建設冷庫應在制冷系統(tǒng)中減少氨充注量，加強氨液微量泄漏檢測和提高管道施工質(zhì)量。

制冷劑；全球變暖潛能；臭氧消耗潛能；充注量

0　引言

氨（NH3）作為一種天然制冷劑，環(huán)保、價格低廉，廣泛應用于世界各冷庫中。在國際上，歐美國家的冷凍冷藏行業(yè)，氨作為制冷劑的使用率達到90%以上，歐美甚至還有很多氨應用于商業(yè)建筑空調(diào)的案例［1］。目前、由于全球變暖問題的突出，臭氧層破壞嚴重，而制冷劑氨全球變暖潛能值（GWP）為零，臭氧消耗潛能值（ODP）為零，因此它的應用更廣泛，并作為替代HCFCs制冷劑（例R22、R404、R507等）的首選。

但氨具有毒性，當人們吸入氨氣時會出現(xiàn)流淚、咽痛、咳嗽、胸悶、呼吸困難等情況，嚴重者會發(fā)生肺水腫、急性呼吸窘迫綜合征，若吸入高濃度的氨氣可迅速死亡。當氨氣在空氣混臺物中濃度達到16%～25%時，遇明火會發(fā)生燃燒和爆炸。

因此，近幾年來隨著人們對環(huán)境保護要求的提高，尤其是：2013年8月3l日，上海翁牌冷藏實業(yè)有限公司發(fā)生氨泄漏事故，造成15人死亡、7人重傷，18人輕傷［2-3］。經(jīng)專家論證事故原因是：除了業(yè)主公司的違規(guī)設計、違規(guī)施工和違規(guī)生產(chǎn)外，相關(guān)政府監(jiān)管部門也負有履職不力的責任。在涉及氨制冷企業(yè)和監(jiān)管部門中引起了不安，致使有的在滬美國食品加工企業(yè)，原使用氨為制冷劑已十余年的也廢棄原有制冷系統(tǒng)、新購氟利昂機組重建制冷系統(tǒng)；有的大型物流配送中心雖氨制冷系統(tǒng)設計已經(jīng)完成，也停止施工，并要求設計院重新設計，采用氟利昂機組進行基本建設。這種倒退、逆潮流的做法引起了從事制冷的科技工作者的不滿。

針對上述技術(shù)上倒退現(xiàn)象，2013年11月國家安監(jiān)總局發(fā)文明確指出：在專項治理過程中，應嚴格避免產(chǎn)生以“氟利昂制冷劑代替氨制冷劑”的簡單化做法所帶來的環(huán)境問題；應通過科學的技術(shù)手段和監(jiān)管措施，充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢，確保其安全可靠運行，注重提升涉氨制冷企業(yè)的技術(shù)、管理水平，促進涉氨制冷企業(yè)的健康發(fā)展［4］，為當前冷庫建設應選用何種制冷劑提出了明確規(guī)定。

除了氨制冷劑外，還被看好的是二氧化碳（CO2），它的ODP為0，GWP為l，無毒、不可燃。已故的前國際制冷學會主席、挪威Lorentzen教授曾大聲疾呼：不要花那樣大的代價去開發(fā)具有潛在危險的其它新型化合物作制冷劑，還是以天然物質(zhì)作制冷劑好［5］！事實證明NH3和CO2必將在制冷行業(yè)中廣泛應用。但CO2在冷庫制冷工況下，氣體壓力比較高，即使在NH3/CO2復疊制冷系統(tǒng)中，處于低壓級CO2的壓縮機、容器和管道要具有45 MPa壓力承受能力，另還有一些技術(shù)難點，如CO2中回油等問題需進一步優(yōu)化。目前國際、國內(nèi)正處于研究、開發(fā)和鞏固階段。因此在冷庫設計、安裝和管理中，如何安全應用好氨制冷劑是制冷科技人員當前重要課題。

綜上所述，氨雖是環(huán)保制冷劑，但由于其毒性、可燃性和爆炸性，在冷庫建設中有一定規(guī)定。在《冷庫設計規(guī)范》（GB 50072-2010）中“對使用氨作制冷劑的冷庫制冷系統(tǒng)，其氨制冷劑的充注量不應超過40，000 kg”［6］。當時是針對建設一個2萬噸冷庫，采用頂、墻排管制冷設備時需要的充注量。在《危險化學品重大危險源辨識》（GB 18218-2009）第 42條規(guī)定：毒性氣體氨的臨界量為 10噸。超過規(guī)定的臨界量，即被定為重大危險源［7］。這規(guī)定也引起了從事氨制冷事業(yè)的企業(yè)和科技工作者重視［8-10］。

1　在制冷系中減少氨的充注量

在冷庫建設中如何盡可能減少其充注量，是建設單位首先關(guān)注的、有些企業(yè)還把此作為制冷系統(tǒng)建設項目招標的要求，設計和安裝單位必須做到。回顧最近新建或正在建設的冷庫有以下一些做法。

1）采用重力供液系統(tǒng)，機房設置桶泵機組。桶的作用為氨液分離用，當桶內(nèi)液面僅到桶容積20%左右時，低于一般正常液位設置的33%，即關(guān)閉向庫房直供總閥，開啟氨泵把桶內(nèi)液體送至庫房內(nèi)的冷風機。液面下降后即停止氨泵運轉(zhuǎn)、開啟直供總閥門。重力供液系統(tǒng)中的桶泵機組見圖1。

圖1　重力供液系統(tǒng)中的桶泵機組

為了減少氨的充注量，庫內(nèi)冷風機不設置氨液分離器，僅加粗冷風機供液和回氣管的垂直總管，在供液直管上方裝一液位控制器，與供液電磁閥連動控制液位。圖2為實際使用中冷風機照片。

在重力供液系統(tǒng)中冷風機蒸發(fā)盤管的制冷量與蒸發(fā)盤管允許每通路長度和制冷劑液位高度有關(guān)，因此這種冷風機結(jié)構(gòu)應專門設計，不能用一般冷風機替代。

此系統(tǒng)供液和回氣的流量都比較少，僅是氨泵再循環(huán)流量的1/3～1/4。

由于直接供液管流速高，所需供液量又比氨泵小，所以管徑比氨泵供液系統(tǒng)細，存氨量少；回氣管按單相流量考慮管徑也細；機房內(nèi)低壓桶的存氨量低；庫內(nèi)冷風機又不設氨液分離器，使整個系統(tǒng)降低了氨充注量。一個公稱容積39萬m3的可貯藏4.8萬噸食品的冷庫，氨充注量不到6噸。

圖2　冷風機照片

2）采用中冷帯負荷系統(tǒng)。目前新建和在建的一些冷庫，由于含有能貯藏冰淇淋、海鮮品的低溫冷藏庫，冷間溫度要在-25℃以下。制冷系統(tǒng)一般為雙級壓縮系統(tǒng)，由于單機的雙級壓縮機比較貴，一般均采用單級壓縮機組成雙級壓縮系統(tǒng)。為減少氨的充注量，不再設置中壓部份的低壓循環(huán)桶，直接在中冷器下也設置氨泵。中冷器除了要吸收低壓級壓縮機排出冷凝負荷，還要用氨泵向穿堂、高溫庫等冷間供液，替代原本要設置的低壓循環(huán)桶、吸收穿堂和高溫庫的熱負荷。

3）引入不凍液作載冷劑，采用氨液充注量極少的板式熱交換器、用氨液蒸發(fā)冷卻乙二醇等不凍液，再送至穿堂和食品加工車間空調(diào)裝置制冷，這樣既降低了氨充注量，又避免了這些空間泄氨的危險。上海最近正在建的一個港口冷庫，庫容量約 5萬噸，在穿堂和高溫冷藏庫中采用乙二醇間接冷卻后，使整個制冷系統(tǒng)氨的充注量低于10噸。

CO2也可作為載冷劑，即用氨制冷劑通過板式換熱器冷卻CO2蒸汽，使其冷卻為CO2液體，用泵送至庫房中空氣冷卻器，CO2由液體蒸發(fā)為氣體，吸收庫房中熱量，稱為NH3/CO2載冷劑制冷系統(tǒng)。與上述乙二醇不凍液不同的是，乙二醇不凍液是利用不凍液溫度變化來吸熱的，而CO2是用相變制冷的，單位容積制冷量大，但管內(nèi)、容器和冷風機壓力高。相比NH3/CO2的二級復疊式使用CO2更簡單。目前上海吳淞正在新建一萬噸冷庫，采用這種系統(tǒng)，在上海物流冷庫中使用CO2走出了可喜的一步。這樣既在制冷系統(tǒng)中降低了氨的充注量，庫內(nèi)僅有CO2載冷劑的存在，又保證了操作人員和商品的安全。

4）在制冷系統(tǒng)中減少貯存氨液的容器，降低氨充注量。

a）取消高壓貯液器，圖3為前幾年建于上海松江開發(fā)區(qū)一個生產(chǎn)性冷庫高壓部分系統(tǒng)圖。在該系統(tǒng)中，將蒸發(fā)式冷凝器冷卻后氨液通過浮球閥直供至中冷器，用于穿堂與食品冷卻裝置；再把中冷器內(nèi)的中壓氨液通過浮球閥供至低壓循環(huán)桶，直接用于庫房和凍結(jié)裝置的制冷。這樣減少一個高壓貯液器就減少了2噸氨液的充注量。

高壓貯液器的大小，一般是根據(jù)制冷裝置每小時氨液總循環(huán)量、冷庫大小、蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)忙閑等因素來決定的，在設計計算中其修正系數(shù)可從0.3至1.2。取消高壓貯液器即取0，需設計人員從整個制冷系統(tǒng)平衡來正確考慮。

b）把輔助貯液器與高壓貯液器合并為一體。制冷系統(tǒng)中釆用氨液冷卻螺桿壓縮機潤滑油時，需要一只輔助貯液器來保證它優(yōu)于其它設備得到氨液，因此在系統(tǒng)中又多了一個容器及其連接管、增加了氨充注量。

去年在上海新建的一個貯藏量6萬噸的高貨架冷庫中，安裝單位技術(shù)人員將傳統(tǒng)的臥式高壓貯液器改為立式的，在容器內(nèi)部壇加擋板等，把二個容器合并為一個容器。由于采用了立式結(jié)構(gòu)，桶上油冷卻出液位置較高，既滿足了螺桿壓縮機油冷卻進液需求的靜液柱要求，又二合一減少了系統(tǒng)中氨充注量（見圖4）。由于使用效果良好，緊接著在河北、浙江寧波項目中都采用了此方案。

圖3　無高壓貯液器的制冷系統(tǒng)

圖4　立式貯液器

2　加強氨液泄漏的檢測

GB 50072-2010冷庫設計規(guī)范［6］中要求：“氨制冷機房應設置氨氣體濃度報警裝置，當空氣中氨氣濃度達到100 ppm或150 ppm時，應自動發(fā)出報警信號，并應自動開啟制冷機房內(nèi)的事故風機。”

庫房等其它部位，冷庫設計規(guī)范只是對快速凍結(jié)設備提出了，“…裝置出口處的上方應安裝氨氣濃度傳感器，在加工間內(nèi)應布置氨氣濃度報警裝置。當氨氣濃度達到100 ppm或150 ppm時，應自動發(fā)出報警信號，并應自動開啟事故排風機，自動停止成套凍結(jié)裝置的運行，漏氨信號應同時傳送至制冷機房控制室報警。”

目前在建的一些大型冷庫中要求更高，是按下面方法設置氨氣泄漏檢測的。

1）壓縮機房內(nèi)設置二組探頭檢測。其中，一組設檢測濃度為50 ppm ～150 ppm，有數(shù)支探頭分別設置在壓縮機、高壓貯液器、桶泵機組、調(diào)節(jié)閥站等較易泄氨處的上方，當檢測到氨氣濃度大于設定值時，報警并開啟防爆的排氣風機。還有一組的數(shù)支探頭安裝在壓縮機房、設備間上部，設檢測濃度為15，000 ppm左右（氨和空氣混合遇明火發(fā)生爆炸的1/10濃度），當檢測到此濃度時，即報警、開啟設置在機房頂上事故風機、停止壓縮機和整個制冷系統(tǒng)運轉(zhuǎn)［11］。

2）氨的微量泄漏還要影響到商品質(zhì)量，因此在庫房冷風機的吸入和排出端（或庫房中部）都設置氨濃度的探頭。當檢測到氨氣濃度達到100 ppm或150 ppm時即停止冷風機運轉(zhuǎn)，報警。

3）庫房冷風機的熱氨融霜都是自動化的，一臺冷風機有十幾個閥門集中在一起，雖然閥組在庫外或?qū)Ｓ梅块g內(nèi)，也設置了一個氨濃度探頭。這些探頭的濃度設在50 ppm～150 ppm，當探頭檢測到濃度大于設定值，即報警。

庫內(nèi)冷風機和氨閥組處檢測到微量氨泄漏，在報警同時關(guān)閉含有定壓控制的熱氨總閥，禁止庫內(nèi)再進行熱氨融霜，再關(guān)閉對應冷風機的風機，開啟管道的抽氣電磁閥等。

4）為保證氨檢測裝置始終能正常工作，該系統(tǒng)采用UPS不間斷電源。

3　加強對氨管選材、焊接

氨用管道材質(zhì)在冷庫設計規(guī)范中已有了明確的規(guī)定，應選用標準號GB/T-8163，牌號為10、20的管材。

1）冷庫投產(chǎn)數(shù)年后，最容易銹蝕而泄漏的管道是工作在氨泵、冷凝器等設備旁潮濕環(huán)境下的小口徑管子，因此有些工程對口徑Φ18 mm以下管道均采用不銹鋼管，避免這些管子因銹蝕而泄漏，也不需要為今后更新帶來麻煩。

2）為防止一般氨管長期使用后發(fā)生銹蝕泄漏，管道采用美國加厚標準，相比國內(nèi)的標準，管道平均厚度要高15%～20%，由于管道在制冷系統(tǒng)中投資占比例很小，與長期使用、安全相比，采用加厚管還是值得的。

3）提高對管道焊縫的拍片檢測。

“熱氨融霜管道和低壓側(cè)壓力管道的對接焊接接頭應進行100%射線檢測合格，角焊縫應100%磁粉或滲透檢測合格；高壓側(cè)壓力管道不少于 20%射線檢測，角焊縫應100%磁粉或滲透檢測合格［12］?！焙鸵酝?guī)定相比，較大幅度地提高了對管道檢測范圍。對整個制冷系統(tǒng)，只剩下 80%的高壓連接管可不拍片用射線檢測。

對于一些施工質(zhì)量要求比較高的工程隊，不再分熱氨、低壓和高壓管道，對制冷系統(tǒng)中所有制冷管道 100%拍片射線檢查。同時還要求英國勞氏船級社對材料供應、管道焊接、X光拍片和壓力測試進行監(jiān)管。

4　結(jié)束語

氨作為制冷劑，在我國冷藏企業(yè)中已廣泛應用幾十年。2013年由于氨泄漏事件發(fā)生，造成了普遍的社會恐慌。隨著幾起重大氨事故具體責任調(diào)查報告的公示，業(yè)內(nèi)對氨系統(tǒng)的擔憂勢必在一定程度上得到平息。

通過合理設計、安裝和技術(shù)解決方案降低液氨充注量，加強對氨泄漏檢測和管道施工質(zhì)量的提高，降低安全隱患。氨作為制冷劑，未來將在大中型制冷項目中牢牢占據(jù)主導地位。

［1］ PACHAI A C， 齊曉霞， 奚華， 等. 氨制冷系統(tǒng)的安全設計和維護分折［J］. 制冷技術(shù)， 2014， 34（3）: 1-7.

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［3］ 司春強， 唐俊杰， 馬進， 等. 我國氨系統(tǒng)冷庫安全現(xiàn)狀及發(fā)展建議［J］. 制冷技術(shù)， 2014， 34（3）: 15-17.

［4］ 國家安全監(jiān)管總局監(jiān)管四司. 涉氨制冷企業(yè)液氨使用專項治理技術(shù)指導書（試行）［EB/OL］. http://www. chinasafety.gov.cn/newpage/contents/channel_20006/201 3/1206/227303/files_founder_2964024691/1759218095.p df.

［5］ 施駿業(yè)， 瞿曉華， 謝晶， 等. CO2在食品加工和冷藏業(yè)中的應用前景［J］. 冷藏技術(shù)， 2004（1）: 9-14.

［6］ GB 50072-2010 冷庫設計規(guī)范［S］.

［7］ GB 18218-2009 危險化學品重大危險源辨識［S］.

［8］ 馬一太， 顧昊翔. 氨冷庫熱氣融霜和液錘的探討［J］.制冷技術(shù)， 2014， 34（3）: 8-14.

［9］ 張建一. 英國某氨系統(tǒng)冷庫安全與節(jié)能技術(shù)分析［J］.制冷技術(shù)， 2014， 34（3）: 18-21.

［10］ 中國制冷學會， 佰世越. 2014年度中國制冷行業(yè)發(fā)展分析報告［J］. 制冷技術(shù)， 2015， 34（S1）: 1-82.

［11］ 中國制冷學會， 國際氨制冷學會. 2008中美氨制冷技術(shù)研討會［C］. 上海: ［出版者不詳］， 2008.

［12］ 質(zhì)檢總局特種設備局. 質(zhì)檢總局特種設備局關(guān)于氨制冷裝置特種設備專項治理工作的指導意見（質(zhì)檢特函〔2013〕61號）［EB/OL］. http://www.aqsiq.gov.cn/xxgk_ 13386/tzdt/zztz/201312/t20131230_392479.htm.

Current Development Trend of Cold Storage Using Ammonia as Refrigerant

ZHAO Yu-chuan*
（Design Institute， Shanghai Food（Group）Co. Shanghai 200336， China）

Aiming at the serious accident leakage of ammonia refrigerator， the viewpoints were put forward in the present study that， the refrigerant charge amount in the refrigeration system for the building or built cold storages should be decreased， and the ammonia liquid leak detection and the quality of pipeline construction must be enhanced

Refrigeration； GWP（global warming potential）； ODP（ozone depleting potential）； Refrigerant charge

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.04.207

*趙育川（1943-），男，高級工程師。研究方向：氨制冷系統(tǒng)設計、施工和運行管理。聯(lián)系電話：13701785475。E-mail：13701785475@163.com。