化工用壓縮式冷水機組的選型

肖興均

中國成達工程有限公司　成都　610041

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化工用壓縮式冷水機組的選型

肖興均*

中國成達工程有限公司成都610041

摘要壓縮式冷水機組是化工裝置冷水系統的核心設備。介紹不同類型冷凝器、蒸發器、膨脹節流裝置結構特點；分析對比制冷劑特性，螺桿式冷水機組和離心式冷水機組的冷量范圍、負荷調節、COP值(名義工況性能系數)。

關鍵詞壓縮式冷水機組制冷劑冷凝器蒸發器膨脹節流

化工用壓縮式冷水機組一般安放于冷凍站內，主要由壓縮機、蒸發器、冷凝器、膨脹節流裝置組成，見圖1。根據機組采用的壓縮機類型可分為：活塞式冷水機組、螺桿式冷水機組和離心式冷水機組。活塞式冷水機組用于小冷量，維修率較高、效率較低的場合，目前在化工裝置冷水系統中極少采用。螺桿式冷水機組已取代了在小冷量范圍應用的活塞式冷水機組，覆蓋了中小冷量范圍；離心式冷水機組則主要應用在大冷量范圍。

圖1　壓縮式冷水機組

1制冷劑的選擇

R22作為壓縮式冷水機組用制冷劑已經被廣泛采用，但是ODP值為0.055，會破壞臭氧層。據《蒙特利爾議定書》及相關會議文件規定，HCFCs制冷劑(含R22)于2040年在發展中國家100%禁用。因此在新的項目中應盡量避免使用R22，應采用替代制冷劑，如R134a、R410A、R507等，其特性見表1。

R507為共沸點混合冷劑，理論COP最高， 但是GWP值為R22的兩倍多，且機組的系統設計壓力高，設備采購成本較高，性價比不高，在追求高COP時可采用。R410A為近共沸點混合冷劑，系統

表1　制冷劑特性

注：①理論COP基于：蒸發溫度4℃，冷凝溫度40℃；②系統設計壓力：最高環境溫度+10℃對應的制冷劑飽和蒸汽壓力。

設計壓力高，理論COP低，設備采購成本和使用成本都高，不宜采用。R134a的ODP值為0，GWP值低，系統設計壓力低，理論COP與R22接近，R134a綜合性能優良。目前國內主要的壓縮式冷水機組生產商都可采用R134a替代R22。R134a已經成為壓縮式冷水機組的主流制冷劑。

2機組型式的選擇

壓縮式冷水機組的壓縮機可選用活塞壓縮機、螺桿壓縮機、離心壓縮機。活塞式冷水機組能耗高，維修量大，且只適用于小冷量工況，因此在化工裝置中應用很少。目前化工裝置中，壓縮式冷水機組基本采用穩定性好、能耗低、維護量小的螺桿式冷水機組和離心式冷水機組。

冷量1000kW以內，采用螺桿式冷水機組。

冷量在1000kW～1500kW，離心式冷水機組、螺桿式冷水機組均可采用。離心式冷水機組COP值略高于螺桿式冷水機組，但是螺桿式冷水機組成本較低，性價比高，因而推薦使用螺桿式冷水機組。

冷量在1500kW～2000kW，多數供貨商采用多機頭的螺桿式冷水機組，其成本與離心式冷水機組相差不大，但是離心式冷水機組COP值高，離心式冷水機組在該冷量范圍長期運行成本低，性價比高。

冷量>2000kW，對于單機頭螺桿式冷水機組，由于吸氣量大，螺桿壓縮機成本較高，多數供貨商放棄了單機頭方案，采取多機頭螺桿式冷水機組。離心式冷水機組的COP值高于螺桿式冷水機組，價格上離心式冷水機組也略有優勢，且價格優勢會隨著冷量的增大而放大。大冷量工況采用離心式冷水機組。各品牌離心式冷水機組都能達到單臺冷量6000kW，單臺最大冷量可超過10000kW。機組特性見表2。

表2　機組特性

3負荷調節配置

化工裝置的生產負荷會進行調節，冷水用量會變化，配套的冷水機組負荷也要隨之進行調節，因此冷水機組必須設置負荷調節系統。負荷調節范圍見表3。

表3　負荷調節范圍　(%)

離心式冷水機組采用進口導葉+出口擴壓器寬度調節；螺桿式冷水機組采用滑閥調節。配備熱氣旁通，兩種型式機組負荷調節可達到0～100%。

離心式冷水機組比螺桿式冷水機組部分負荷性能曲線平緩，見圖2。離心式冷水機組COP變化率較小，部分負荷能耗低。因為60%額定負荷以下時，滑閥調節的螺桿壓縮機在低于50%額定流量工況，螺桿有效長度變短，內壓比大幅降低，使等容壓縮到排氣壓力的附加功耗加大，機組負荷雖降低，但是壓縮機軸功率下降相對較小，機組效率陡降。

圖2　部分負荷性能曲線

離心式冷水機組負荷調節還可采用：變頻+進口導葉+出口擴壓器寬度調節(簡稱變頻調節)，見圖3。變頻調節的部分負荷COP優于進口導葉+出口擴壓器寬度調節方式，變負荷能耗更低，而且變頻調節使機組的高效區擴大，機組穩定性增強。變頻調節需要增加變頻器，配變頻電機，機組配套成本較高。對于大冷量的離心式冷水機組，采用變頻調節能耗低的優勢會很明顯，可考慮采用。

圖3　離心機組部分負荷性能曲線

4冷凝器選擇

冷凝器分為空冷式冷凝器、水冷式冷凝器和蒸發式冷凝器，其特性見表4。

表4　冷凝器特性

空冷式冷凝器采用空氣冷卻壓縮后的氣態制冷劑，風冷的傳熱系數小，制冷劑冷凝溫度高和冷凝壓力高，會降低機組的效率。但是，空冷式冷凝器不需要冷卻水，因此適用于缺水地區。

水冷式冷凝器采用循環水冷卻制冷劑，冷凝溫度中等，換熱效率較高，維護成本低，穩定性好。雖然水耗高，但是由于循環水系統提供冷卻水，成本較低，因此水冷式冷凝器在化工用壓縮式冷水機組中廣泛應用。

蒸發式冷凝器以冷卻管外水的顯熱交換和空氣冷卻制冷劑。蒸發式冷凝器比水冷式蒸發器蒸發溫度低約3℃，對應的蒸發壓力降低，壓縮機的軸功率下降，機組效率提高。因此，其具備換熱效率高，電耗和水耗低的優點。蒸發式冷凝器若冷卻管外表面結垢，換熱效率會大幅降低，因此對環境中空氣質量和冷卻水要求高，而化工項目現場環境一般都比較差，再加之其價格是同功率其他型式蒸發器的2倍以上，雖然其能耗低，但是性價比不高，在化工工程上應用很少。

5蒸發器選擇

蒸發器分為：干式蒸發器、降膜式蒸發器、滿液式蒸發器，其特性見表5。

表5　蒸發器特性

干式蒸發器指制冷劑在冷卻管內完全汽化的蒸發器，管內有效沸騰面積為管內表面積的30%，傳熱系數較低；結構上可分為板式蒸發器和管殼式蒸發器。板式蒸發器又分為可拆卸式和整體釬焊板式。可拆卸板式蒸發器設計壓力最高25bar(G)，維修、清洗方便；整體釬焊板式換熱器，承壓能力較高，但是清洗維護困難；管殼式蒸發器，承壓能力較高，清洗維護容易，但是成本較高。小冷量機組，可結合制冷劑的蒸發壓力、蒸發溫度、維護及成本綜合考慮，合理選用。

降膜式蒸發器，制冷劑從蒸發器頂部分配器均勻分配到換熱管表面，形成薄膜，與管內冷水進行換熱，未蒸發的制冷劑沉積在蒸發器底部，滿液蒸發與冷水換熱或用泵加壓再次噴淋。該型式蒸發器具有換熱效率高，制冷劑充注量小的優點；但是其結構復雜，成本比滿液式蒸發器高，技術并不成熟，應用也較少。需要在制冷劑分配及換熱模型上完善，將其高效換熱的優勢充分體現，并降低成本，才可推廣使用。

滿液式蒸發器，制冷劑在管外沸騰與管內冷水換熱，有效沸騰面積為管外表面積的100%，傳熱系數高，結構緊湊，可靠性高，維修方便。雖然制冷劑充注量大、成本較高，回油差，但在化工用壓縮式冷水機組中應用極為廣泛。

小冷量機組可采用干式蒸發器，而中大冷量機組選用滿液式蒸發器性價比高。

6膨脹節流裝置選擇

膨脹節流裝置在冷水系統中起節流和調節進入蒸發器制冷劑流量的作用。節流膨脹裝置分為熱力膨脹閥、電子膨脹閥、浮球閥和固定孔板。

電子膨脹閥控制精度高于熱力膨脹閥，調節范圍大，但是價格比熱力膨脹閥高出數倍；浮球閥為機械式，價格低于熱力膨脹閥。固定孔板是最簡單的節流膨脹裝置，因其價格低廉，在壓縮式冷水機組中有應用，但是不具備自動調節功能，有供液不足的缺陷，會導致機組的效率衰減。因此，部分供貨商又推出了與電子膨脹閥類似的可變孔板，可實現高效、可靠的自動控制。

干式蒸發器需要精確控制蒸發器出口過熱度和進入蒸發器的制冷劑量，所以需要配置具備精確調節能力的熱力膨脹閥、電子膨脹閥或可變孔板；滿液式蒸發器配置電子膨脹閥、浮球閥或可變孔板，在追求低成本時，為彌補固定孔板供液不足，可配置固定孔板+手動/自動調節閥的組合。

7機組選型注意事項

(1)由于壓縮式冷水機組供貨商產品系列開發主要基于工商業空調制冷，因此大多數供貨商產品普遍低于化工行業對設備及配套附件的技術要求。對于壓縮機、壓力容器、儀表、電氣等的技術要求都必須滿足項目的設計規范及技術要求。

(2)離心式冷水機組的負荷調節范圍雖然最小能到15%(小氣量最小調到20%)額定冷量，但離心式冷水機組低負荷還是存在喘振的風險，因此低負荷狀態下不宜長時間運行。

(3)根據財稅[2008]48號文件：“企業自2008年1月1日起購置并實際使用列入《目錄》范圍內的環境保護、節能節水和安全生產專用設備，可以按專用設備投資額的10%抵免當年企業所得稅應納稅額”。若選用1級能效機組，業主可享受政策，節省設備成本。

(4)化工項目中壓縮式冷水機組設計參數一般會有正常冷量、最大冷量。正常冷量應為所選機型額定冷量的80%以上，以保證機組長期穩定運行在高效區。最大冷量一般是裝置開車或事故等非正常狀態的冷量，出現的概率低和持續時間短。最大冷量一般比正常冷量大很多，甚至是倍數關系，因此必須在設計選型時弄清楚各工況的情況，力求在保證穩定運行的前提下，投資最少，運行成本最低。舉例說明：某項目用14.5℃冷水系統，正常冷量2813kW；最大冷量7700kW(開車或事故狀態所需)。方案一、二主要參數見表6。

表6　方案一、二主要參數

方案一采用3臺2813kW離心式冷水機組，總冷量8439kW。

方案二采用2臺3100kW離心式冷水機組和1臺1500kW螺桿式冷水機組，總冷量7700kW。

方案二是方案一成本的90%，方案二的運行能耗略好于方案一，且方案二在低負荷只運行1500kw螺桿式冷水機組，調節能力更強，也能從根本上避免小負荷時離心壓縮機發生喘振。方案一采用同型號機組，備件可通用，而方案二采用兩種類型機組，備件多一些，但是兩種類型機組備件消耗和維修量都比較小。總的看來，方案二性價比更高，業主分析對比后采用了此方案。

(5)IPLV-綜合部分負荷性能系數、NPLV-非標準部分負荷性能系數， 權重在75%和50%部分負荷，是空氣調節用冷水機組核心考核參數。

化工用冷水系統負荷相對穩定，受外界環境溫度影響較小。所以，壓縮式冷水機組考核指標應為正常或額定負荷的COP，IPLV或NPLV不宜作為評價化工用冷水機組的核心指標。

(6)壓縮式冷水機組部分負荷時，改變冷水流量，對機組的效率幾乎沒有影響。因此，冷水系統負荷調節與冷水變流量可結合設計，節能效果明顯。在冷水系統上設置流量計及調節裝置與機組聯鎖控制部分負荷冷水量對于降低冷水系統部分負荷能耗是必要的，其具體設定參數需要冷水系統設計者與機組控制設計者共同確定。

(7)多機頭機組即兩個及以上獨立的壓縮制冷循環并聯在同一個機組上，冷凝器及蒸發器制冷劑側被分成與壓縮機數量對應的獨立空間，通過法蘭連接成一個整體，而冷卻水和冷水側公用。獨立的壓縮制冷循環，優點在于負荷調節能力強，一臺壓縮機的故障不會導致整機停機，目前多機頭機組國內外供貨商基本都采用此結構型式。

8結語

本文結合化工項目特點，對化工用壓縮式冷水機組選型各要點進行詳細的分析，旨在通過分析，找出可靠性強，且最具性價比的設計方案，對工程設計人員和用戶選型和使用具有參考價值。

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(收稿日期2015-09-07)

*肖興均：工程師。2007年畢業于蘭州理工大學流體機械及工程專業。從事化工機泵設備設計工作。聯系電話：(028)65537136。

E-mail：xiaoxingjun@chengda.com。