英國某氨系統冷庫安全與節能技術分析

張建一

(集美大學機械與能源工程學院,福建廈門 361021)

英國某氨系統冷庫安全與節能技術分析

張建一*

(集美大學機械與能源工程學院,福建廈門 361021)

根據現場考察和交流,介紹分析了英國某冷庫氨制冷系統的若干新技術。通過采用減少系統充氨量的系列新技術,可以使系統的充氨量大大減少,安全性大大提高。通過采用自動控制、按需除霜、回收余熱加熱地坪、冷風機合理配置等新技術,可以明顯提高運行的能效。

冷庫;氨制冷系統;安全;節能

0 引言

發達國家在冷庫氨制冷系統安全和節能方面,有許多技術和措施。本文根據筆者的現場考察和公開發布的資料[1],介紹分析英國某冷庫氨制冷系統安全和節能方面新技術。

1 采用自動化控制減少人員與氨系統接觸

筆者在英國所考察冷庫名稱為“Kuehne + Nagel”,2008年12月投產。表1是冷庫和系統主要設備的基本情況。該系統采用全自動控制,機房不設專職值班人員。自控系統設有遠程登錄,運行情況每天檢查一次。

表1 英國某冷庫和系統主要設備基本情況

圖1為控制/配電室中PLC屏幕上的系統全部設備與流程。由圖1可見,作為一個大型物流配送型冷庫(庫容大于2萬噸),該制冷系統的流程十分簡潔。流程簡潔使管路系統簡單,管路長度短,阻力小,系統效率高。

圖2右側為該冷庫的機房,為封閉式無人操作。可以看出機房緊貼冷庫,面積很小。由于操作人員與氨系統/設備很少直接接觸,安全性大大提高。

圖1 控制/配電室中PLC屏幕上的制冷系統流程圖

圖2 冷庫機房、高壓/低壓貯液桶現場照片。

2 減少制冷系統充氨量

該冷庫是一個配送中心。制冷系統采用氨制冷劑兩級壓縮,泵循環供液系統。該冷庫采取以下技術措施,有效地減少了系統的充氨量。

2.1 采用冷風機,取消高壓貯液桶

該冷庫取消高壓貯液桶,使系統的貯氨量明顯減少。即冷凝器出口的制冷劑直接引入循環桶。我國的冷庫傳統上采用冷卻盤管,由于其傳熱系數小,需要的傳熱面積大。這樣造成消耗大量的鋼材。更嚴重的問題是冷卻盤管的內容積很大,系統需要很大的充氨量。由于系統充氨量很大,負荷變化時制冷劑的流量變化也大,就需要有高壓貯液桶起調節作用。這樣,造成大型冷庫制冷系統的充氨量動輒數十噸,使安全隱患大大增加。

所考察冷庫的低溫庫容量超過1萬噸,但僅采用4臺冷風機(4×1,454 m2)。高溫冷庫庫容量也超過 1萬噸,但僅采用 7臺冷風機(2×914 m2和5×532 m2)。因此,系統的內容積很小,大大減少了系統的充氨量。由此可見,要減少系統的充氨量,推廣采用冷風機是重要措施之一。這樣,就可取消高壓貯液桶,大大減少系統的充氨量。

2.2 中間冷卻器與高壓級循環桶合并

在兩級壓縮系統中,中間冷卻器是一個必不可少的設備(容器)。該冷庫將中間冷卻器與高壓級循環桶合并,即循環桶兼任中間冷卻器。這就減少了系統中的一個貯氨設備,使系統的充氨量進一步減少。進一步的分析還發現這樣做使液體管道也減少了,從冷凝器到高壓級循環桶(兼中間冷卻器)僅一條液體管,管路十分簡潔。

該系統對高壓級循環桶(兼中間冷卻器)的供液采用高壓側控制,在冷凝器的出口設置浮球控制液體和中間冷卻器的膨脹閥。據介紹,設計時將高壓級循環桶(中間冷卻器)的液面設計為盡可能低,以保證氣液的分離效果,避免液體進入壓縮機。

2.3 取消排液桶

該系統采用熱氨融霜,但取消排液桶,將排液直接排入低壓級循環桶。這就使系統又減少了一個貯氨設備,使系統的充氨量進一步減少。國內冷庫設計時,傳統上為了方便熱氨沖霜操作,通常設置排液桶。目前,熱氨融霜將排液直接排入循環桶,或者排入中間冷卻器,都有實例。因此,取消排液桶的做法應該引起設計人員的重視。

2.4 減少壓縮機臺數、盡量縮短管道長度

所考察冷庫通過采用螺桿式壓縮機,減少壓縮機臺數。全系統僅配置4臺螺桿式壓縮機,其中兩臺低壓級,兩臺高壓級。由于壓縮機臺數少,相應地縮短了系統的管道長度。由于采用計算機自動控制,實現了無人值守,機房緊貼冷庫。因此最大限度地減少機房與蒸發器的距離,即最大限度地縮短管道長度,減少了系統的內容積(充氨量)。圖 3為該冷庫的機房和庫房平面。由圖3可見,該系統通過合理布置,最大限度地縮短了管道長度。由于減少了壓縮機臺數,簡化了系統,實現了無人值守,結合圖2和圖3可見,機房的面積大大減小。

通過以上措施,該系統的設備大大減少,冷庫全系統的充氨量僅2,938 kg。我國冷庫制冷系統通常設置設備間,其中設備多、管道復雜、閥門多,相當復雜。

圖3 冷庫的機房和庫房平面布置示意圖

3 制冷設備露天布置和安全措施落實

3.1 制冷設備露天布置

據英國工程師介紹,貯氨設備采用露天布置,可以大大降低氨泄漏的危害。露天屬于大空間,氨氣很容易擴散,不容易形成高濃度。對人的危害性降低,燃燒和爆炸的危險性也大大降低。

我國冷庫制冷系統通常設置設備間,其中各種設備和管道閥門相當復雜,發生事故時不易處理,也不利于逃生。由圖2可見,該冷庫的貯氨設備僅兩個循環桶,直接放置于室外采用露天布置,取消了設備間。這樣既減少投資,又大大提高了安全性。我國可以考慮借鑒該思路,將設備間設計成開放或者半開放式。例如設備間圍墻用鐵欄桿替代等。

3.2 安全措施落實到位

關于氨制冷系統的安全,我國從設計、安裝,到操作管理,均有許多標準、規范。最大的問題在于這些標準規范沒有認真落實。發達國家則十分認真地落實。例如,該英國冷庫機房每臺壓縮機均設置氨氣檢測傳感器、機房設置事故通風、門上設置各種警告告示、機房外設置人淋浴/洗眼裝置等。

因此,認真落實標準規范中的安全措施及細節,嚴格實行技術考核上崗制度,加強行業內氨制冷從業人員的安全防范教育和培訓,冷庫氨制冷系統的安全水平就會大大提高。

4 冷風機按需除霜技術

所考察冷庫采用熱氨融霜。據介紹,熱氨融霜過程采用 PLC時間控制。典型的除霜間隔時間為12 h,除霜過程約30 min。該冷庫在平面設計方面有一定特殊之處。冷庫所屬企業是一個大型物流企業,除了低溫物流,還有常溫物流。冷庫實際是建在常溫物流的建筑內。另一方面,高溫庫部分設置了17個卷簾式裝卸門(配升降臺)。由于冷庫門的位置和裝卸工作頻率的不平衡,冷庫中各區間溫度將不同,各臺冷風機的運行時間不相同,結霜程度也不同。

考慮上述這些因素,該冷庫的冷風機除霜控制不是僅按照定時進行,而是同時與各臺冷風機的運行累計時間相聯系。即當冷風機到了定時除霜時間時,如果該冷風機的運行累計時間少于設定時間,則該冷風機跳過定時除霜過程,不進行除霜。據介紹,該冷庫的冷風機除霜控制效果很好,達到了高效節能。

5 回收余熱加熱地坪技術

所考察冷庫利用余熱加熱冷庫地坪,余熱加熱系統利用壓縮機排氣的熱量,采用乙二醇溶液在冷庫地坪下循環。乙二醇進入地坪的設計溫度為5 ℃,出口設計溫度為4 ℃。乙二醇的循環采用時間控制器,運行1 h后停機3 h。如果運行1 h后而乙二醇后出口沒有達到4 ℃,則系統繼續運行直到溫度達到設計溫度。

乙二醇溶液的熱量取自壓縮機油冷卻器。油冷卻器的冷卻回路起到蓄熱的作用,即雖然制冷壓縮機一天中沒有全天運行,但油冷卻回路中的熱量己足夠停機時加熱冷庫地坪之用。圖4和圖5為乙二醇溶液的管路現場照片。由圖4可見,乙二醇溶液進出均采用并聯式,在進液總管和回液總管上各并聯多路聚乙烯塑料管。由圖5還可以看出,加熱回路間距比較小,各回路采用一進一出。

我國的土建冷庫通常采用架空地坪來解決地坪凍臉問題。根據現場考察和介紹,這種利用制冷系統冷凝熱來加熱冷庫地坪技術特別適合裝配式冷庫對我國常用的土建冷庫也是值得借鑒的。實際上,由于它減少了冷凝熱負荷,還可以提高運行效率。

圖4 乙二醇溶液的進出總管和分管

圖5 乙二醇溶液進出地坪的管路

6 冷風機的配置位置和氣流組織

在冷庫設計中采用冷風機時,冷風機的安裝位置是需要考慮的問題。尤其對于層高很高,開間很大的冷間,必須保證氣流組織的均勻。該冷庫低溫庫部分層高15 m,冷風機采用一側吊頂安裝,見圖6。該冷庫冷間的寬度達到 69.5 m。顯然,冷間的氣流組織是需要重點考慮的問題。該冷庫采用了在冷間中部配置風機接力的方式,實現了不需要風道而氣流比較均勻的效果。

由圖6照片可見,接力風機采用軸流式。軸流式風機設在總寬度的中點,即 35 m處。采用在冷間中部配置風機接力送風的方式,免除了風道,又可以實現氣流比較均勻的效果。這種方式值得我國深入探討借鑒。

圖6 高層冷庫的冷風機及風機布置

7 結論

由該英國冷庫實例可見,通過采用減少系統充氨量的系列新技術(包括采用冷風機;取消高壓貯液桶;中間冷卻器與高壓級循環桶合并;取消排液桶;減少壓縮機臺數;盡量縮短管道長度),可以使系統的充氨量大大減少,安全性大大提高。該冷庫全系統的充氨量僅2,938 kg。通過采用自動控制、高效熱氨融霜、回收余熱加熱地坪、冷風機合理配置等新技術,可以明顯提高運行的能效。由此可見,發達國家氨系統冷庫的安全技術和節能先進技術和經驗,值得我國深入分析借鑒。

致謝:本文得到Rob Lamb博士提供的許多詳細信息,特此致謝。Lamb博士為英國Star制冷公司市場部經理,考察冷庫時現場介紹人。所考察冷庫由該公司設計安裝。

[1] Star Refrigeration. Case study number 56: KUEHNE + NAGEL, October, 2009. http://www.star-ref.co.uk.

Analysis on Some Safety and Energy Saving Technologies from an Ammonia Cold Storage in UK

ZHANG Jian-yi*
(College of Mechanical & Energy Engineering, Jimei University, Xiamen, Fujian 361021, China)

Some safety and energy saving technologies for an ammonia cold storage in UK is introduced based on author’s field inspection. By means of a series of new technologies for reducing charge of refrigerant, the ammonia charge is greatly reduced and the system security is improved. The operating efficiency can be improved by using new techniques, including autocontrol, defrost on demand, heat recovery for the underfloor heater mat and reasonable configuration of air coolers.

Cold storage; Ammonia refrigeration system; Safety; Energy saving

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.03.104

*張建一(1953-),男,教授,工學碩士。研究方向:制冷空調系統優化與節能。聯系地址:福建省廈門市集美區石鼓路 9號,郵編:361021。聯系電話:0592-6180597。E-mail:jyzhang@jmu.edu.cn。

福建省科技創新平臺資助項目(2009H2006)