混凝土骨料集成式氟利昂制冷系統選型研究

中國水利水電第八工程局有限公司 趙軍帥

按照制冷系統的配置，混凝土骨料預冷風冷的方式一般分為氨制冷系統、氟利昂制冷系統。氨是環保型制冷劑（化學代號：R717），但對人體有毒且易燃易爆，溶于水的比例為700：1，幾乎完全不溶于油，傳熱系數高，系統對進入少量水份不敏感，氨的單位標準容積制冷量為520kcal/m3。氟利昂基本上均為烷烴的鹵代物，當前制冷效率最高的是R22，R22的單位標準容積制冷量為454kcal/m3,但R22對環境不友好，我國政府承諾在2035年后禁止生產和使用R22。而環保型制冷劑R404A、R407C、R507A等的熱功效率均低于R22，且該類制冷劑為混合制冷劑，如R404A環保型制冷劑由R125(44%)、R143a(52%)和R134A(4%)非 共 沸 點制冷劑混合而成的，適用于低溫工藝制冷，R407A環保型制冷劑是由R32(23%)、R125（25%）和R134A（38%）非共沸點制冷劑混合而成的，適用于空調冷水。R507C是 由R125(41.184%)和R143a(58.816%)混合而成，優點是共沸點，所以R507A相較與其他環保型制冷劑而言具有一定的使用優勢，但售價較高。

由于安全監管嚴格，氨系統體積較大，對操作氨制冷系統的人員水平要求較高，自動化控制成本較高等因素，氨制冷系統目前在水電混凝土溫控施工中逐漸作為次選方案，而氟利昂制冷劑的集成式制冷系統往往作為首選方案。

1 制冷系統選型分析

由于環保制冷劑是由數種非共沸點的制冷劑按一定比例混合而成，如采用傳統類似于氨制冷系統的結構形式，則氟制冷系統需由氟泵和低壓循環貯液器等部件組成，系統會較為龐大，不易察覺系統出現小的泄漏情況。采用共沸點的環保型制冷劑（如R507）會面臨同樣問題，系統出現小泄漏很難察覺、損失較大，因而從符合環保要求的角度、同時從使用效率上考慮，能否盡量壓縮制冷氟系統的容積大小、又可達到盡量使用高效率的制冷劑R22作為制冷系統制冷劑兩者兼顧的氟利昂制冷系統。

大藤峽水利樞紐項目的骨料風冷制冷系統運行要求條件：單個骨料預冷所需制冷量740～760kW，出風溫度-3℃～-8℃（-5℃），因此選擇制冷系統的蒸發溫度應為-13℃。冷凝器選擇近年水電站混凝土溫控中大量使用的蒸發式冷凝器，所以本系統也使用蒸發式冷凝器。

制冷系統的配置有兩個選項：一是高效空氣冷卻器做成制冷劑氟利昂直接蒸發式，暫不考慮氟泵供液系統，否則整個制冷系統又會變得龐大，不利于充分發揮氟利昂系統集成化、小型化的優勢，且供液管道和排氣管道均為GC2級壓力管道、要按照GC2級壓力管道監察規程進行監檢；另一個是高效空氣冷卻器做成類似于化工冷卻系統或有些冷凍冷藏采用的濃度為30%乙二醇水溶液（乙二醇水溶液濃度為29.6%時冰點溫度為-14℃）為載冷劑的制冷系統，這樣集成式氟利昂制冷系統可盡量實現小型化、集成化，既有利于環保，在使用中也有利于檢查系統泄漏問題，可使用當前氟利昂制冷效率最高的R22作為制冷系統制冷劑，且所有輸冷管道均為水系統管道，安裝成本和驗收成本充分降低，使用中安全系數也大大提高。

2 氟利昂集成化直膨式風冷制冷系統結構分析

氟利昂集成化直膨式風冷制冷系統以半封閉螺桿式壓縮機為制冷主機，避免開啟式螺桿壓縮機軸封易產生泄漏問題，螺桿壓縮機壓縮室噴液冷卻和電機室噴液冷卻作為冷凍油冷卻系統，再配裝一臺釬板式換熱器作為經濟器提升系統制冷量5%～8%（在壓縮機完全可滿足制冷量需求并有富余量時也可考慮不加裝板換經濟器），全部制冷風冷系統由半封閉螺桿壓縮機、二次油分離器、蒸發式冷凝器、儲液器、二個噴液冷卻膨脹閥及系統、主供液電磁閥、數個截止閥或球閥和熱力膨脹閥組成的高效冷卻器蒸發系統（配置一臺軸傳動方式的離心風機，減少離心風機在集裝箱內的體積）、氣液分離器、兩臺啟動控制柜（其中一個西門子PLC控制箱）、一個國標集裝箱組成的集成式系統。

大藤峽水利樞紐大壩項目部的整體式氟利昂骨料風冷系統結構選型如下。

2.1 制冷壓縮機的選型

按照該系統所需運行條件，需對半封閉螺桿制冷壓縮機進行選型。據上海精機股份有限公司提供的臺灣漢鐘半封閉螺桿壓縮機的選型軟件所設定的條件，冷凝方式采用蒸發式冷凝器時，壓縮機選型按照35℃冷凝溫度考慮，蒸發溫度-13℃條件下選擇漢鐘半封閉螺桿壓縮機RC2-710B-Z兩臺螺桿壓縮機組成本制冷系統，制冷量可達799.8kW（399.9×2）,輸入功率為250.6kW(125.3×2)，能效比達到3.2（COP值）。

2.2 蒸發式冷凝器、儲液器及系統閥門選型

根據壓縮機冷凝熱量為525.2×2=1050.2(kW)。按照壓縮機使用蒸發式冷凝器的設定條件，冷凝溫度35℃，仔細查閱項目所處廣西地區濕球溫度，桂平地區的濕球溫度應接近廣西梧州27.6℃，因此蒸發式冷凝器的選型按照國內生產廠家通用校正系數進行校正后選型，本系統蒸發式冷凝器應=1050.2×1.63≈1720（kW）,因此 該系統應配置國內蒸發式冷凝器生產企業生產的排熱量為1720kW蒸發式冷凝器。冷凝熱的排放效果對于整個制冷系統的制冷效果至關重要，而蒸發式冷凝器的選型，除須以壓縮機制冷量與軸功率之和的冷凝熱為選型基礎外，須按照使用地的濕球溫度對該系統的蒸發式冷凝器的實際冷凝熱進行校正，尤其是大藤峽項目所在地屬于濕熱氣候。

制冷系統的儲液器及系統閥門大小按照容器設計及流量和管道大小決定，在此不予詳述。

2.3 高效空氣冷卻器的選型

考慮到制冷系統要求的制冷量為740～760kW，根據水利水電施工中常用的鋼管鋁片或鋁管鋁片的蒸發段構造形式，其換熱效率的一般規律是：氨制冷劑的鋼管鋁片或鋁管鋁片為蒸發段材質的高效空冷卻器每平方米蒸發面積所能產生的制冷量，即換熱效率為0.27～0.28kW/m2，氟利昂制冷劑的鋼管鋁片或鋁管鋁片為蒸發段材質的高效空氣冷卻器每平方米蒸發面積所能產生的制冷量、即換熱效率為0.20～0.22kW/m2，載冷劑的鋼管鋁片或鋁管鋁片為蒸發段材質的高效空氣冷卻器每平方米蒸發面積所能產生的制冷量，即換熱效率為0.17～0.19kW/m2。因此所配高效空氣冷卻器約為3500m2蒸發面積。

這里需著重說明，為保證3500m2高效空氣冷卻器有較好制冷蒸發效果，制造商的生產過程中至少要將其蒸發段分成每500m2為一組、共分成7組，或每350m2為一組、共分成10組蒸發段，那么每一個蒸發段配裝一套優質熱力膨脹閥的同時，應在熱力膨脹閥的前端配裝一個球閥，以均勻調節每一個蒸發段的供液量，在高效空氣冷卻器的每組回氣端安裝一個回氣截止閥配合控制，系統再通過回氣總管連接到氣液分離器中。沖霜系統采用水沖霜，可將蒸發式冷凝器水箱里的水抽到高效空氣冷卻器的水箱內，再抽回到蒸發冷的水箱，達到節能利用的效果。氟利昂制冷系統管道要考慮方便回油問題。

2.4 離心式冷風機的選型及現場安裝

考慮到長12m、寬2.4m、高2.9m的集裝箱高柜為標準尺寸，為避免異型增加設備裝載成本，同時考慮到離心式冷風機的最好旋轉方向是上出風方向以減少風阻和安裝成本，因此應選擇軸傳動方向的離心式風機作為高效空氣冷卻器的配套設備。同時骨料預冷中考慮到特大石、大石體積較大密度小所需冷風主要作用是吹透，風壓要大、風量不需要很大，而中石和小石體積較小密度大，所需冷風主要作用也是吹透，風壓不能太大、風量相對需要較大，所以每個冷風模塊組離心風機的風量和風壓大小應有所側重，這樣既可將各個石的骨料預冷所配套的離心式風機的功率選型進行區別，又能從一定程度上節約運行成本。

集成式氟利昂冷風系統現場安裝部分主要是蒸發冷就位，高效空氣冷卻器上半部分與下半部分對接，以及送回風管道及保溫的制作。

3 氟利昂直膨式冷風系統優缺點

氟利昂直膨式冷風系統相較于傳統氟泵系統已達到極端小型化，但整個模塊與骨料預冷倉對接，以及下一次使用時的移裝工作量均較大，整個系統的氟利昂棄注量仍稍大，只能采用R507等環保制冷劑系統，系統結構過于緊湊，氟系統出現泄漏難以檢查和修理。所以建議采用乙二醇作為載冷劑的集裝箱移動冷水站作為冷源的集成式氟利昂制冷系統。

若采用利用乙二醇載冷劑和低溫型移動式冷水站配合的系統進行骨料風冷，骨料風冷的傳統結構形式不用改變，只需將高效冷卻器做成鋁管鋁片或鋼管鋁片式蒸發器，其蒸發面積應為4200m2,其配套的離心式風機和高效空氣冷卻器一同安裝于骨料預冷倉的傳統位置，采用低溫乙二醇冷水機組事先將30%乙二醇水溶液的溫度由常溫降至-10℃（其冰點溫度約在-15℃）儲存在一個較大的不銹鋼保溫水箱中（保溫層采用聚氨脂發泡）儲備冷量。乙二醇循環保溫水箱的容積大小確定方式：乙二醇冷水機組的冷凍水流量之和÷乙二醇循環水溫差×1.163=L(m3/h)，L÷乙二醇每小時循環次數=蓄冷保溫乙二醇循環水箱的容積（m3）。

廣西大藤峽水利樞紐工程位于珠江流域西江水系的黔江河段末端，壩址在廣西桂平市黔江彩虹橋上游6.6km處，主壩壩頂長1243.06m、壩頂高程64.00m、最大壩高81.51m。左岸混凝土生產系統承擔本工程約255.0萬m3（其中碾壓混凝土約43萬m3，常態混凝土約212.0萬m3），混凝土生產系統設置在左岸大壩軸線上游約1.2km，要求高溫季節混凝土出機口溫度為14℃。目前工程局選型的混凝土骨料制冷系統滿足了高溫期混凝土澆筑高峰月強度約9萬m3的供應，順利完成了左岸工程的主體施工，方案經濟成效顯著，為同類工程的設備選型管理提供了經驗。