氨制冷系統中不凝性氣體的產生及其排除的研究探討

房世環

(中國石化濟南分公司，山東 濟南 250101)

隨著社會經濟的發展，石蠟產品的應用越來越廣泛，為了擴大生產規模以滿足社會需求，中石化濟南分公司分別于2007年和2012年新上兩套加工量各為3.0萬t/a石蠟成型裝置，與之配套的石蠟冷卻系統分別采用武冷和煙冷提供氨制冷系統。在氨系統運行中，不可避免的要出現不凝性氣體越積越多，這樣就會造成氨壓機能量提高、負荷增加、出口溫度升高、氨系統高壓部分壓力過高，嚴重時會引起安全閥起跳。在氨制冷系統中，所謂的不凝性氣體是指在氨系統工作時，在蒸發冷凝器中特定的溫度、壓力下，氣體不能冷凝成液體而是以氣體狀態存在于氨系統中，這些氣體主要包括氮氣、氧氣、氫氣、二氧化碳、碳氫氣體以及其他惰性氣體等。針對氨系統中不凝性氣體的危害，現將就氨制冷系統在使用、管理、維護過程中不凝性氣體的混入，對氨制冷系統的正常運行帶來的危害、如何避免氨制冷系統混入不凝性氣體以及如何安全高效地排除不凝性氣體展開討論研究。

1 不凝性氣體的產生

1.1 在液氨儲罐充注液氨前，氨制冷系統抽真空不充分或者系統密封沒做好，導致在保負壓期間空氣乘虛而入

在對液氨儲罐充注液氨之前，要對氨系統高、低壓部分用高壓氮氣進行24 h保正壓氣密試壓；在正壓氣密試壓合格后，再對氨系統高、低壓部分進行抽真空24 h保負壓試壓。正負壓試壓均合格后才能對氨儲罐進行液氨充注，并對氨系統高、低壓部分依次補入液氨，但是有時會因為各種主、客觀因素的影響，致使氨系統的抽真空不充分或者系統密封沒做好，導致氨系統內仍殘留少量的氮氣或空氣等。

1.2 液氨儲罐補充液氨時帶入氨系統中

在液氨儲罐充注液氨之前，液氨槽車與液氨儲罐的連接管線中充滿了空氣，這種情況會不可避免地將這部分空氣順便帶入到氨系統內

1.3 在氨系統設備檢修時混入不凝性氣體

由于氨系統長時間運行，周期較長，在檢修屏蔽泵、更換閥門、安全閥檢測、更換氨壓機密封、更換油分器濾芯等，都會不可避免的把空氣帶入到氨系統中。

1.4 氨系統脫油時，操作不慎會有空氣串入

如果集油器脫油時操作不慎，會有空氣串入集油器，當設備再次脫油時，空氣會隨氨氣的回收串入到系統中。

1.5 氨的化學反應會生成不凝性氣體

在氨制冷系統中，氨在一定溫度和壓力下會分解為氨氣和氫氣；如果系統中有水，氨遇水會生產氨水，氨水又會對金屬設備造成腐蝕，氨與設備中的氧化物反應會產生氮氣。

1.6 冷凍機油的氧化、分解也會產生不凝性氣體

在氨制冷系統中使用的冷凍機油，由于氨壓機的排氣溫度較高，有可能會引起冷凍機油的氧化、分解，并產生多種碳氫氣體，這些碳氫氣體就會混入氨系統中，當然這也與冷凍機油的化學穩定性和熱氧化穩定性有關系。

2 不凝性氣體的分布

在氨系統中，當低壓系統中有不凝性氣體時，這些氣體就會隨氨氣一起被氨壓機吸入壓縮送入高壓系統。所以，通常不凝性氣體主要聚集在高壓系統的蒸發冷凝器、熱虹吸罐和高壓氨罐中，在蒸發冷凝器中不凝性氣體會附著在蒸發冷凝盤管的內壁上。如圖1所示；而熱虹吸罐、高壓氨罐中的不凝性氣體，主要集中在遠離進氣口處氣流速度很低的上部空間內，如圖2所示。

圖1 蒸發冷凝器中不凝性氣體的分布

圖2 熱虹吸罐、高壓氨罐中不凝性氣體的分布

3 不凝性氣體的危害

3.1 氨系統制冷量下降

不凝性氣體聚集在蒸發冷凝器中，占據一定的空間，使得換熱面積減少，同時不凝性氣體在氨和蒸發冷凝器內壁之間形成熱阻，且這種熱阻很高，使得傳熱效率降低、氨系統中的熱量不能及時散發出去，從而造成氨系統制冷量下降。

3.2 裝置能耗提高

由于氨系統中不凝性氣體的存在，蒸發冷凝器內氣氨的溫度、壓力都會升高，這樣不僅會增加除鹽水的消耗量，同時氨壓機的能量值自然就會升高，負荷加大，電耗也增加。

3.3 易造成氨壓機損壞

由于氨系統中不凝性氣體的存在，造成氨制冷低壓系統壓力增大，氨壓機負荷增加，能量聚升，這樣長時間運行，使氨壓機和驅動電機軸承磨損加劇，會造成氨壓機超負荷運行而損壞。

3.4 引起高壓系統安全閥起跳

在夏季由于氨壓機能量提高，蒸發冷凝器管壁熱阻值提高，氣溫、水溫升高，如果氨系統中不凝性氣體不能及時排除，會引起氨系統壓力升高，造成安全閥起跳。

3.5 造成冷室溫度升高，影響板蠟的冷卻效果，致使板蠟粘盤

由于氨系統不凝性氣體的存在，造成蒸發冷凝器管壁熱阻值提高，這樣蒸發冷凝器的散熱效果就差，高壓液氨的溫度就會提高，液氨蒸發吸熱的效果隨之降低，致使冷室溫度升高，影響板蠟的冷卻，會使板蠟粘盤，自動脫落困難，甚至出現粘包現象，造成質量事故。

4 不凝性氣體的排除

4.1 氨制冷系統中有不凝性氣體的現象

⑴氨壓機排氣壓力異常升高；

⑵氨壓機排氣溫度異常升高；

⑶低壓氨罐壓力高，氨壓機入口壓力高，氨壓機能量值自動升高，負荷加大；

⑷蒸發冷凝器出口壓力異常高；

⑸冷室溫度升高，蠟板變軟，粘板。

4.2 手動排除法

在實際生產操作中主要通過手動排除不凝性氣體，這種方法是根據氨系統高壓氨罐壓力的高低、氨壓機排氣壓力的高低、氨壓機正常工況下能量負荷的高低變化及冷室溫度的高低、蠟板的冷卻情況來判斷氨系統中是否含有較多的不凝性氣體。這種方法操作相對簡單易行 ，不凝性氣體排出更徹底，用時也短。通常在蒸發冷凝器器頂部氣氨入口處、高壓氨罐上部不凝氣容易積聚的部位都設有放空閥，可以打開放空閥將含有不凝性氣體的氨氣排向大氣，但是這種方法也存在氨的損耗較大、對環境污染較嚴重的缺點。在排放過程中會隨著不凝性氣體排出而攜帶大量的氨，既造成浪費又造成污染，還可能對操作人員造成傷害。

對于氨制冷系統中，廣泛使用的KFA系列套管式手動空氣分離器，說明如下：

(1)空氣分離器工作原理：氨制冷系統中空氣等不凝性氣體實際上是與氨氣混合存在的?？諝夥蛛x器的工作原理是利用降溫的方法，使混在不凝性氣體中的氨氣凝結成液氨，然后將不凝性氣體排出，減少氨氣隨著不凝性氣體的排除，既降低氨的損耗，又減少氨氣對周圍大氣的污染。

空氣分離器的形式很多，其工作原理基本上相同。

(2)KFA系列空氣分離器結構特征：由四根直徑不同的同心無縫鋼管套焊而成。從外向里順序排列的第一夾層與第三夾層相通，第二夾層與第四夾層相通。四層套管式空氣分離器安裝時應使進氨液的一端稍高些，約30～50 mm，以便分離下來的氨液能流進下部旁通管。

(3)KFA系列空氣分離器外形圖見圖3。

圖3 KFA系列空氣分離器外形圖

(4)KFA系列空氣分離器特點及用途：當制冷系統中存在的不凝性氣體較多時，將造成不正常的冷凝壓力，降低了冷凝器的傳熱，使壓縮機的排汽壓力和排氣溫度升高，既降低制冷量，又增加壓縮機的功耗。尤其對于氨制冷系統，氨和空氣混合后，高溫下還有爆炸的危險。因此，必須經常性地排出制冷系統中的不凝性氣體。而系統中的這些氣體總是和制冷劑混合在一起，如果直接排放，會造成制冷劑損失，既不安全又不經濟還不環保。一般情況下，均需設置空氣分離器。

4.3 自動排除法

在氨制冷系統中，氨氣和不凝性氣體隨著溫度的降低，氨氣大部分冷凝成液氨，其分壓也降低，不凝性氣體的分壓則升高，而總壓力保持不變。如表1所示。當溫度降到一定值時就可以將不凝性氣體排除，從而降低氨氣的攜帶排除。

表1 混合氣體溫度降低對空氣含量的影響

自動排除法就是根據溫度等參數來相對精確、安全地控制不凝性氣體的排放，同時盡可能地回收不凝性氣體中的氨，防止不凝性氣體排放中夾帶的氨氣對周圍環境造成污染。

圖4 空氣分離器工作原理圖

其工作原理是高壓液氨通過節流進入空氣分離器管程內，空氣分離器殼程內氨氣不斷被管程內的液氨蒸發吸熱、冷凝并通過底部的浮球節流裝置進入管程內重復蒸發吸熱，其他不凝性氣體則被留在殼程內并不斷積聚，當溫度降低到設定值時，通過殼程頂部的溫度連鎖控制，打開放空電磁閥，將不凝性氣體排入氨吸收水罐內與水混合，使不凝性氣體中夾帶的氨再次溶解入水中后，排出不凝性氣體。為了防止空氣分離器殼程內壓力過低而將氨吸收水罐的水倒灌，工藝上采用了連鎖保護裝置，當殼程內壓力降至20 kPa時，放空電磁閥自動關閉，排除不凝性氣體的操作完成。空氣分離器工作原理詳見圖4。

5 結論

在石蠟自動成型的氨制冷系統中，隨著系統的運行、維護，不凝性氣體的產生是生產中很常見的問題，如何能夠更安全高效地排除、保證系統安全長周期運行，需要在裝置的設計、系統建設安裝、特別是操作工的培訓及精細操作等各方面統籌管理，實際操作中還要視實際情況，采取正確方法，從而確保制冷系統高效節能地運行。