Alexander Cohr PACHAI,齊曉霞,奚曄,徐小嬌

(1-江森自控有限公司丹麥薩布羅工廠,霍爾比格市 8270; 2-約克(中國(guó))商貿(mào)有限公司,上海 200060)

氨制冷系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)和維護(hù)分析

Alexander Cohr PACHAI1,齊曉霞*2,奚曄2,徐小嬌2

(1-江森自控有限公司丹麥薩布羅工廠,霍爾比格市 8270; 2-約克(中國(guó))商貿(mào)有限公司,上海 200060)

氨作為一種天然制冷劑,具有優(yōu)良的熱物理性能,且綠色環(huán)保、價(jià)格低廉,被廣泛用于全球制冷領(lǐng)域;但其有毒、易揮發(fā)、可燃,且在一定條件下會(huì)爆炸,引發(fā)重大安全事故。在安全問(wèn)題引起人們高度重視的今天,氨的使用倍受爭(zhēng)議。本文針對(duì)氨系統(tǒng)的安全性,從設(shè)計(jì)和維護(hù)等各方面進(jìn)行了分析。只要通過(guò)精確的系統(tǒng)設(shè)計(jì),減少氨的充注量,以及細(xì)致的安裝維護(hù)等措施,完全可以實(shí)現(xiàn)氨系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

氨制冷系統(tǒng);安全;低充注量

0 前言

2013年6月3日,吉林寶源豐禽業(yè)有限公司主廠房發(fā)生特別重大火災(zāi)爆炸事故,共造成121人死亡、76人受傷,17,234 m2主廠房及主廠房?jī)?nèi)生產(chǎn)設(shè)備被損毀,直接經(jīng)濟(jì)損失1.82億元。經(jīng)事故調(diào)查,查明事故發(fā)生的直接原因是:主廠房一車間女更衣室西面和毗連的二車間配電室的上部電氣線路短路,引燃周圍可燃物。當(dāng)火勢(shì)蔓延到氨設(shè)備和氨管道區(qū)域,燃燒產(chǎn)生的高溫導(dǎo)致氨設(shè)備和氨管道發(fā)生物理爆炸,大量氨氣泄漏,介入了燃燒[1]。

2013年8月31日,上海翁牌冷藏實(shí)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。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查,專家論證,事故的直接原因是:工人在熱氨融霜時(shí)嚴(yán)重違規(guī),導(dǎo)致發(fā)生液錘現(xiàn)象,壓力瞬間升高,致使存有嚴(yán)重焊接缺陷的單凍機(jī)回氣集管管帽脫落,造成液氨泄漏。除了業(yè)主公司的違規(guī)設(shè)計(jì)、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(fù)有履職不力的責(zé)任[2]。

在不到三個(gè)月的時(shí)間里,制冷界就接連發(fā)生兩起與氨有關(guān)的重大事故,舉國(guó)震驚痛心。更有媒體把矛頭指向氨,稱其為這兩起事故的“罪魁禍?zhǔn)住薄?/p>

其實(shí)不然,在國(guó)際上,歐美國(guó)家的冷凍冷藏行業(yè),氨作為制冷劑的使用率達(dá)到90%以上,歐美甚至還有很多氨應(yīng)用于商業(yè)建筑空調(diào)的案例。由于全球變暖和能源價(jià)格的上漲,歐美國(guó)家對(duì)高效環(huán)保制冷劑持續(xù)高度地關(guān)注,例如氨,一些安全事故發(fā)生后容易引起人們對(duì)氨使用的恐慌。其實(shí),人們總是會(huì)遺忘R22和HFC制冷劑在一定情況下也屬于易燃物質(zhì),易引起事故。

實(shí)際上,氨作為一種天然制冷劑,在全球己有一百五十多年的使用歷史。約克在中國(guó)安全用氨的歷史也有一百多年了[3]。在科技飛速發(fā)展的今天,氨因?yàn)槠鋬?yōu)良的熱物理性能、制冷效率高、低廉的價(jià)格和綠色環(huán)保,而被工業(yè)冷凍冷藏領(lǐng)域所青睞。為杜絕事故的發(fā)生,在全制冷行業(yè)內(nèi)樹(shù)立正確認(rèn)識(shí)和使用氨的理念,提高安全意識(shí),勢(shì)在必行。因此,本文旨在探討怎樣采取有效措施提高氨的安全使用,其中許多建議和措施同樣適用于其它制冷劑。

1 氨制冷劑的特點(diǎn)

氨是一種天然的中溫制冷劑,其優(yōu)點(diǎn)有:1)標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)較低(-33.3 ℃),臨界溫度較高(132.3 ℃),可用工作范圍廣,在常溫和普通低溫范圍內(nèi)壓力適中;2)單位容積制冷量大,汽化潛熱大,節(jié)流損失小,傳熱性能好,制冷系統(tǒng)COP高;3)吸水性強(qiáng),能防止管路“冰堵”;4)與潤(rùn)滑油基本上不互溶,且比油輕,系統(tǒng)排油容易;5)價(jià)格便宜,制取容易;6)常溫及低溫下化學(xué)和熱穩(wěn)定性高;7)有刺激性氣味,一旦泄漏,極易檢測(cè)出,空氣中含有 20 ppm的氨時(shí),人的嗅覺(jué)即可分辨,可以在達(dá)到危險(xiǎn)濃度之前及時(shí)采取防護(hù)措施;8)不破壞臭氧層,無(wú)溫室效應(yīng)。

氨(制冷劑名稱為R717)與幾種常見(jiàn)的制冷劑在-10 ℃蒸發(fā)溫度,+35 ℃冷凝溫度,0 ℃吸氣過(guò)熱度和 2 ℃過(guò)冷度工況下在某型號(hào)壓縮機(jī)的運(yùn)行COP的比較見(jiàn)表1。

但氨也有明顯的缺點(diǎn):1)有毒,易揮發(fā)——對(duì)人體粘膜組織(如眼、鼻、咽和肺等部位)有強(qiáng)烈的刺激作用,當(dāng)它在空氣中的體積含量達(dá)到1,700 ppm以上時(shí),人在其中停留30 min就會(huì)中毒甚至死亡,若有泄漏,還會(huì)污染食品或產(chǎn)品;2)可燃,易爆——當(dāng)氨在空氣中體積濃度達(dá)到11%～14%時(shí)即可點(diǎn)燃(燃點(diǎn)630 ℃),當(dāng)體積濃度達(dá)到16%～25%時(shí)遇明火可引起爆炸[4],因此,國(guó)家衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)中職業(yè)接觸限值的短時(shí)間接觸容許濃度PC-STEL為30 mg/m3[5]。

表1 相同工況(-10 ℃/+35 ℃)下同型號(hào)壓縮機(jī)采用不同制冷劑的性能對(duì)比

2 制冷劑的選擇

環(huán)境和能源問(wèn)題是當(dāng)今人類面臨的兩大問(wèn)題,而臭氧層問(wèn)題和全球氣候變暖則是世界關(guān)注的兩大主要環(huán)境問(wèn)題。目前,全球變暖問(wèn)題聚焦于人造溫室氣體對(duì)氣候的影響。根據(jù)2007年的IPCC報(bào)告指出,超過(guò)10%的溫室效應(yīng)與制冷空調(diào)系統(tǒng)中的人造溫室氣體有關(guān)[6]。各國(guó)和非政府組織都在研究減少溫室氣體排放的途徑。圖1所示為幾種常見(jiàn)的制冷劑的GWP值的比較。

R22即將在全球范圍內(nèi)面臨被淘汰。由圖1可知,在人造制冷劑中,只有R407C和R134a的GWP值比R22小,而天然制冷劑則更具優(yōu)勢(shì)。但在一些場(chǎng)合,R22反而被GWP值更高的HFC制冷劑所替代;而常見(jiàn)的 R22替代方案是用 GWP值稍小的HFC制冷劑來(lái)替換GWP值較高的制冷劑,但這并不見(jiàn)得是很好的解決方案。目前,多個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家己經(jīng)開(kāi)始征收“碳稅”。例如,在丹麥,HFC制冷劑的使用稅是以CO2排放來(lái)計(jì)量的,當(dāng)前的CO2排放稅是DKK 0.15/kg CO2[7],如果用戶使用R404A的制冷設(shè)備,就需要付出約DKK 588/kg R404A的碳稅。征稅被證明是一項(xiàng)控制使用HFC的有效措施。根據(jù)國(guó)家發(fā)改委和財(cái)政部的調(diào)研報(bào)告,我國(guó)也將在近年逐步推出并完善二氧化碳排放稅的征收和對(duì)節(jié)能環(huán)保行業(yè)和企業(yè)進(jìn)行補(bǔ)貼的政策[8]。

既然天然制冷劑非常環(huán)保,那么它們得不到大規(guī)模應(yīng)用的障礙又是什么呢?首要原因是因?yàn)樵O(shè)計(jì)者和使用者缺乏相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí);另一個(gè)重要原因則是成本。以氨為例,由于其危害性,受到一些法律法規(guī)的限制,在建筑、設(shè)備和工程應(yīng)用方面的門檻和成本也相應(yīng)提高。一般來(lái)說(shuō),氨系統(tǒng)的初投資比其它HFC制冷劑要高。

當(dāng)成本成為決定性因素時(shí),我們就需要有長(zhǎng)遠(yuǎn)的眼光慎重地選擇。我們推薦引入全生命周期成本(life cycle cost)這個(gè)概念來(lái)對(duì)系統(tǒng)的初投資、運(yùn)行成本和維護(hù)成本等來(lái)進(jìn)行全面的分析。

舉例說(shuō)明,圖2所示為使用R404A的系統(tǒng)1和使用R717的系統(tǒng)2在地中海氣候條件下的全年運(yùn)行能耗的對(duì)比情況。兩個(gè)系統(tǒng)采用同型號(hào)的壓縮機(jī),R404A系統(tǒng)(系統(tǒng)1)的制冷量為302.7 kW, R717系統(tǒng)(系統(tǒng)2)的制冷量為335.2 kW;R717系統(tǒng)的制冷量略高于R404A。由圖可知系統(tǒng)2比系統(tǒng)1全年運(yùn)行能耗平均低約20%,如果制冷量相同的情況下,R717系統(tǒng)能耗將更低。

圖1 幾種常見(jiàn)制冷劑的GWP的比較

圖2 使用R404A的系統(tǒng)1和使用R717的系統(tǒng)2在地中海氣候條件下全年運(yùn)行能耗對(duì)比

圖3 使用R404A的系統(tǒng)1和使用R717的系統(tǒng)2的全生命周期成本計(jì)算

經(jīng)過(guò)進(jìn)一步計(jì)算(圖3),當(dāng)我們考慮全生命周期成本,假定設(shè)備預(yù)期壽命為10年,R717系統(tǒng)比R404A系統(tǒng)的全生命周期成本低約10%,即使R717系統(tǒng)比R404A系統(tǒng)的初投資高出了17%,R717系統(tǒng)的投資回收期也只有三年,這是一般客戶可以接受的。如果考慮稅收政策、政府補(bǔ)貼,以及制冷劑價(jià)格上漲等因素,這個(gè)投資回收期還可能更短。而且,一般工業(yè)制冷系統(tǒng)的預(yù)期壽命可達(dá)20年以上,這樣,使用氨制冷劑帶來(lái)的長(zhǎng)遠(yuǎn)收益將更加豐厚。因此,在選擇制冷劑的時(shí)候需要以可持續(xù)發(fā)展的眼光慎重考慮,僅僅考慮初投資是不可取的,這樣有可能給企業(yè)帶來(lái)不良的運(yùn)營(yíng)管理和損失。

3 氨制冷系統(tǒng)的安全應(yīng)用

當(dāng)設(shè)計(jì)制冷系統(tǒng),尤其是采用新型制冷劑時(shí),安全性是首要考慮的因素。如果設(shè)計(jì)者能夠正確認(rèn)識(shí)制冷劑的特性,設(shè)計(jì)合理可靠的系統(tǒng)方案,施工單位能夠進(jìn)行正確的安裝,用戶尤其是操作人員能夠定期接受培訓(xùn)和考核、遵守操作規(guī)程,并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行必要的維護(hù)保養(yǎng),那么使用氨等天然制冷劑的危險(xiǎn)性就會(huì)大大降低。

3.1 減少氨充注量

減少制冷劑的充注量是從根本上降低泄漏危險(xiǎn)的途徑。以氨制冷系統(tǒng)為例,常規(guī)減少氨充注量的方法有:1)除了氣液分離器外,盡可能減少壓力容器的數(shù)量和尺寸;2)盡可能將氨設(shè)備局限在一個(gè)有限空間內(nèi),輸送到冷庫(kù)或工藝車間的冷媒盡量使用載冷劑,通過(guò)間接冷卻來(lái)實(shí)現(xiàn):既可以采用乙二醇等無(wú)相變的載冷劑,也可以采用CO2等有相變的載冷劑;3)盡可能降低換熱溫差,提高換熱效率,盡量彌補(bǔ)間接冷卻帶來(lái)的制冷量損失;4)設(shè)計(jì)自動(dòng)液位控制系統(tǒng)等。

基于對(duì)氨系統(tǒng)的深入研究以及市場(chǎng)需求的應(yīng)對(duì),約克率先在本世紀(jì)初推出了氨充注量極少的高效緊湊型PAC(packaged ammonia chiller)氨冷水機(jī)組如圖4所示。其性能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有以下幾點(diǎn)。

1) 氨充注量極少,在機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)工況下(冷卻水進(jìn)出口溫度 25 ℃/30 ℃,冷凍水供回水溫度6 ℃/12 ℃)標(biāo)準(zhǔn) PAC機(jī)組的氨的充注量可達(dá)0.10 kg/kW。

2) 所有氨制冷劑僅僅局限于放置在機(jī)房的PAC撬塊內(nèi)(組裝在同一鋼底座上的機(jī)組),不進(jìn)入庫(kù)房或工藝車間,有效避免了人身傷害,以及污染食品或產(chǎn)品。

3) 冷量范圍廣,在標(biāo)準(zhǔn)工況下冷量從 90 kW到6,200 kW,幾乎可涵蓋所有常見(jiàn)冷凍應(yīng)用的冷量需求。

4) 配置靈活,根據(jù)不同需求,既可提供基于螺桿機(jī)的PAC機(jī)組,也可提供基于活塞機(jī)的PAC機(jī)組;即可提供標(biāo)準(zhǔn)冷水機(jī)組,又可提供基于乙二醇水溶液的標(biāo)準(zhǔn)鹽水機(jī)組,還可根據(jù)不同需要提供丙二醇、酒精水、CaCl2水溶液等鹽水選項(xiàng)。

5) 冷凝器和蒸發(fā)器均采用高效板式換熱器,浮球閥供液,省去儲(chǔ)液器,有效的液位控制元件和優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)氨充注量極少的保證。

6) 用重力供液的板式蒸發(fā)器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的滿液式蒸發(fā)器,既減少了氨充注量,又減小了換熱溫差,過(guò)量供液增強(qiáng)了換熱效果,提高了系統(tǒng)COP。

7) 氣液分離器具有雙重功能,既能有效保護(hù)壓縮機(jī),避免液擊,又能在發(fā)生氨泄漏等緊急情況下儲(chǔ)存整個(gè)系統(tǒng)氨制冷劑。

8) 整個(gè)冷水機(jī)組在工廠組裝在同一鋼底座上,所有電氣設(shè)備的接線都己在工廠完成,客戶現(xiàn)場(chǎng)接管和電氣接線工作量極少;撬塊便于整體移動(dòng)或易地安裝,現(xiàn)場(chǎng)操作簡(jiǎn)便。

圖4 基于螺桿壓縮機(jī)的PAC機(jī)組

目前,約克冷凍三大生產(chǎn)基地中國(guó)無(wú)錫工廠、美國(guó)Frick和丹麥Sabroe均己規(guī)?；a(chǎn)基于同一設(shè)計(jì)理念的PAC機(jī)組,以供全球用戶的需求。隨著先進(jìn)換熱技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,例如采用板殼式換熱器,可使制冷劑充注量進(jìn)一步降低。秉承同樣的設(shè)計(jì)理念,約克Sabroe還相繼推出了基于全焊板殼式高效換熱器的ChillPAC機(jī)組(圖5)。將PAC機(jī)組的緊湊和低氨充注量的特點(diǎn)發(fā)揮到極致,只有不到1 m的“一門”之寬。相對(duì)于PAC機(jī)組更可減少氨充注量達(dá)58%。而采用板殼式換熱器(其中蒸發(fā)器帶內(nèi)置氣液分離器)更大大提高了系統(tǒng)COP。

圖5 Sabroe ChillPAC機(jī)組

這種低充注量的高效緊湊型氨冷水機(jī)組己廣泛用于歐洲的空調(diào)領(lǐng)域。例如倫敦希思羅國(guó)際機(jī)場(chǎng)5號(hào)航站樓的的空調(diào)系統(tǒng)就采用了約克的氨PAC冷水機(jī)組供冷[7],見(jiàn)圖 6。該系統(tǒng)采用了四套螺桿式PAC冷水機(jī)組,每套制冷量為6.6 MW,而氨的充注量?jī)H為1,370 kg。為了防止大量氨泄漏到通風(fēng)系統(tǒng)中,機(jī)房配置了一臺(tái)空氣洗滌器,利用水霧吸收和阻止氨的逃逸。因?yàn)榘焙退袠O高的親和力,在0 ℃、1.3 bar時(shí),1 L水大約能吸收約560 L氨蒸氣。該制冷系統(tǒng)自2008年啟用以來(lái),一直安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖6 倫敦希思羅國(guó)際機(jī)場(chǎng)5號(hào)航站樓使用的PAC氨冷水機(jī)組

此外,在一些歐洲國(guó)家還有不計(jì)其數(shù)的小型商場(chǎng)采用了氨制冷機(jī)組。例如2009年,丹麥Aarhus市的一家購(gòu)物中心原有的一臺(tái)R12冷水機(jī)組被替換為三臺(tái)變頻控制的ChillPAC氨冷水機(jī)組[7]。該系統(tǒng)總制冷量約為3 MW。由于當(dāng)?shù)卣畬?duì)機(jī)組HFC類制冷劑充注量的限制,迫使該用戶不得不考慮采用氨制冷劑,用能耗更少更現(xiàn)代化的系統(tǒng)非常成功地替換掉原有含1,200 kg的臭氧層破壞物質(zhì)的系統(tǒng),新系統(tǒng)每套氨的充注量?jī)H為56 kg。表3和表4為客戶提供的新舊兩套系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的對(duì)比,可見(jiàn)新的氨系統(tǒng)比舊的R12系統(tǒng)平均每年減少碳排放118.69 t,而且新系統(tǒng)比舊系統(tǒng)能耗降低約58%。該系統(tǒng)運(yùn)行至今,一直未出現(xiàn)過(guò)安全事故。

表3 丹麥某購(gòu)物中心新舊兩套系統(tǒng)的碳排放對(duì)比

表4 丹麥某購(gòu)物中心新舊兩套系統(tǒng)運(yùn)行能耗對(duì)比

丹麥Aarhus市的國(guó)會(huì)中心和旅館早在1995年就采用了氨冷水機(jī)組為空調(diào)系統(tǒng)供冷[7]。

由此可見(jiàn)通過(guò)合理的設(shè)計(jì)和必要的安全措施,如配置空氣洗滌器,這種新型低充注量的氨系統(tǒng)可用于相對(duì)敏感的場(chǎng)合,如醫(yī)院和賓館,從而合理地利用了氨這種高效制冷劑,既綠色環(huán)保,又節(jié)能。

3.2 全自動(dòng)系統(tǒng)的推廣應(yīng)用

隨著自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)和傳感器等技術(shù)的進(jìn)步,中國(guó)的制冷系統(tǒng),尤其是冷庫(kù)自動(dòng)化技術(shù)有了飛速的發(fā)展。國(guó)內(nèi)用戶認(rèn)識(shí)到冷庫(kù)自動(dòng)化的重要性,主要是受到用工成本上漲的壓力,提高生產(chǎn)效率和提升裝備技術(shù)檔次等的考慮。殊不知,全自動(dòng)系統(tǒng)最重要的作用就是提高制冷系統(tǒng)的安全性:以正確次序啟停特定設(shè)備,并提供必要的電氣聯(lián)鎖,防止誤操作造成設(shè)備事故。

合理設(shè)計(jì)的全自動(dòng)系統(tǒng)不僅可以在季節(jié)或工藝轉(zhuǎn)換時(shí)能自適應(yīng),從而在最佳狀態(tài)下運(yùn)行,使能耗水平降低,優(yōu)化熱力資源的分配;更具有安全保護(hù),故障隔離,故障記錄等功能。

在安全考慮中,人員安全應(yīng)該首先考慮。因此,我們應(yīng)該設(shè)計(jì)能夠快速準(zhǔn)確檢測(cè)和減緩氨泄漏的系統(tǒng)。必須做到:第一步,檢漏;第二步,確保操作人員能夠盡快撤離;第三步,提供足夠的通風(fēng);第四步,停止泄漏。而設(shè)計(jì)合理的全自動(dòng)安全保護(hù)系統(tǒng)能夠?qū)⑸鲜霾襟E有效結(jié)合起來(lái)。

在一般的工業(yè)冷凍系統(tǒng)中,無(wú)論采用氨等有毒可燃易爆制冷劑還是其他氟利昂制冷劑,我們都推薦安裝制冷劑氣體探測(cè)儀,因?yàn)榧词共捎梅褐评鋭?操作人員也有因窒息而傷亡的危險(xiǎn)。探測(cè)儀的安裝數(shù)量根據(jù)系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量、容積、布置等確定,而安裝位置根據(jù)制冷劑氣體的特性和人員操作位置而定。制冷機(jī)房中都必須設(shè)事故通風(fēng)系統(tǒng),并有規(guī)定的事故通風(fēng)量[9]。另外,我們還推薦在機(jī)房?jī)?nèi),以及機(jī)房每個(gè)出入口都安裝聲光報(bào)警裝置。系統(tǒng)在上述必要的探測(cè)裝置的基礎(chǔ)上,應(yīng)設(shè)全自動(dòng)安全回路監(jiān)控(與事故風(fēng)機(jī)和系統(tǒng)供電連鎖),在不同制冷劑氣體泄漏濃度等級(jí)時(shí)啟動(dòng)不同緊急預(yù)案,保證系統(tǒng)和操作人員的安全。

不同的國(guó)家和地區(qū),以及不同的用戶根據(jù)他們的使用經(jīng)驗(yàn),對(duì)氨泄漏等級(jí)啟動(dòng)的緊急預(yù)案的規(guī)定各有不同。中國(guó)的規(guī)范規(guī)定:當(dāng)空氣中氨氣濃度達(dá)到100 ppm或150 ppm時(shí),應(yīng)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào),并應(yīng)自動(dòng)開(kāi)啟制冷機(jī)房?jī)?nèi)的事故排風(fēng)機(jī)[9]。實(shí)際設(shè)計(jì)中,我們還規(guī)定在更高的氨濃度等級(jí)時(shí)除了繼續(xù)發(fā)出報(bào)警信號(hào)和繼續(xù)事故通風(fēng)以外,還應(yīng)對(duì)主要的氨電氣設(shè)備,如壓縮機(jī)、氨泵等實(shí)行緊急斷電。 另外,某些更加嚴(yán)格的設(shè)計(jì)還會(huì)在主要的氨流通管路上安裝自動(dòng)隔斷閥(block-in valve),在氨泄漏時(shí)緊急關(guān)閉,從而更便于查找泄漏點(diǎn),防止或減緩氨的擴(kuò)散,縮小危險(xiǎn)范圍。

而且,全自動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用于冷風(fēng)機(jī)等蒸發(fā)器的融霜系統(tǒng),尤其是熱氣融霜系統(tǒng),其安全方面的優(yōu)勢(shì)更是傳統(tǒng)的手動(dòng)融霜系統(tǒng)無(wú)法比擬的。在系統(tǒng)調(diào)試結(jié)束時(shí),設(shè)計(jì)人員將完善的融霜控制程序輸入自控系統(tǒng),并儲(chǔ)存起來(lái)。在實(shí)際運(yùn)行中,設(shè)備能按照預(yù)先設(shè)定的步驟執(zhí)行供液制冷和融霜過(guò)程,既可以有效避免上海 8.31事故中由于管道中液氨還未排除干凈,就開(kāi)始通熱氣,引發(fā)液錘現(xiàn)象,造成泄漏;又可以避免因氨調(diào)節(jié)站布局不合理,操作人員在熱氨融霜控制閥門時(shí),無(wú)法同時(shí)對(duì)融霜的關(guān)鍵計(jì)量設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)[2],而延誤了采取必要措施的時(shí)機(jī)。

另外,采用全自動(dòng)系統(tǒng),并設(shè)定不同等級(jí)的安全密碼,可有效防止非專業(yè)人員修改系統(tǒng)設(shè)定參數(shù),影響系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

3.3 制冷劑閥門的設(shè)計(jì)和維護(hù)

在制冷系統(tǒng)中,閥門是泄漏危險(xiǎn)點(diǎn),要盡量減少不必要的閥門。正常運(yùn)行時(shí),還需設(shè)置必要的標(biāo)識(shí),甚至鎖定手柄,防止誤操作產(chǎn)生危險(xiǎn)。

除了選用密封性好,不易泄漏的閥門外,還必須設(shè)計(jì)合理的閥門安裝位置,預(yù)留足夠的操作和維護(hù)空間,在發(fā)生危險(xiǎn)情況下,使操作人員能第一時(shí)間接觸閥門并進(jìn)行操作,或迅速撤離。

安全閥除了應(yīng)選用質(zhì)量可靠,具有合理的通流面積和開(kāi)啟壓力的安全閥外,在日常使用過(guò)程中還應(yīng)進(jìn)行妥善的維護(hù)保養(yǎng),至少每年進(jìn)行一次國(guó)家安全機(jī)構(gòu)的校準(zhǔn)檢查和測(cè)試,確保閥體在設(shè)定壓力開(kāi)啟。如果安全閥年檢時(shí),系統(tǒng)還需正常運(yùn)行,一般需要配備帶可切換閥座的一用一備的雙安全閥。

另外,冷庫(kù)的凍結(jié)間、冷卻間和冷藏間內(nèi)不宜設(shè)制冷閥門[9],一般設(shè)計(jì)中采取在冷間的屋頂安裝閥站,來(lái)代替室內(nèi)工作區(qū)的懸吊管和閥門。既便于集中操作維護(hù),又減少了室內(nèi)泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。

氨與潤(rùn)滑油互溶性差,且一般潤(rùn)滑油比氨重,常聚集在容器底部,需定期對(duì)系統(tǒng)排油。我們推薦采用內(nèi)置彈簧的排油閥,在操作人員離開(kāi)時(shí)閥門能在彈簧力的作用下自動(dòng)關(guān)閉;或?qū)⒂团欧诺綄Ｓ玫挠突厥杖萜?從而避免了人為操作失誤帶來(lái)的氨泄漏的危險(xiǎn)。

3.4 容器和管路的防腐蝕

設(shè)備的保溫也存在安全隱患。如果低溫容器和管路在保溫前沒(méi)有被妥善處理,在若干年后,就可能存在以下風(fēng)險(xiǎn):水開(kāi)始腐蝕管路,并最終導(dǎo)致爆炸并引起致命事故。曾發(fā)生過(guò)類似的事故,管路被腐蝕并在使用 30年后突然破裂。行內(nèi)很多人認(rèn)為只要容器和管路用現(xiàn)場(chǎng)發(fā)泡,外包鋁皮的保溫方式就不會(huì)有意外發(fā)生,其實(shí)不然。因?yàn)橹灰嬖诤芪⑿〉目p隙,水就能一點(diǎn)一點(diǎn)地通過(guò)保溫層開(kāi)始腐蝕管路。據(jù)估計(jì),優(yōu)良保溫層的使用壽命大約為 20年。應(yīng)當(dāng)定期檢查保溫層是否有任何損傷,尤其在閥門和其它開(kāi)口等重點(diǎn)部位,因?yàn)檫@些部位最容易發(fā)生水蒸汽的擴(kuò)散聚集,從而斷裂。

腐蝕問(wèn)題也是造成氨系統(tǒng)發(fā)生意外的主要原因之一,必須引起足夠的重視。應(yīng)當(dāng)定期檢查容器和管路的表面是否有損傷。如果條件允許,最好能用紅外線熱像儀進(jìn)行定期檢查。這是一種能夠檢測(cè)保溫層和設(shè)備表面溫度變化并以此來(lái)判斷設(shè)備腐蝕程度的有效方式。

在保溫之前,應(yīng)在容器和管路表面涂刷油漆進(jìn)行保護(hù)。對(duì)于應(yīng)當(dāng)刷幾層油漆以及油漆的厚度,不同的國(guó)家有不同的規(guī)定。如有必要,除了保溫層之外,容器和管路還應(yīng)加敷防潮層。另外,在選擇保溫材料時(shí)還應(yīng)考慮熱脹冷縮。如果保溫材料不能適應(yīng)管路的熱脹冷縮變化時(shí),保溫層就有可能產(chǎn)生裂縫,使水蒸汽侵入,從而破壞保溫層,或者腐蝕管道。尤其在特定的容器和管道材料,或管路特別長(zhǎng),容器外表面積特別大,或表面溫度變化范圍大的場(chǎng)合,特別需要謹(jǐn)慎選擇保溫材料和設(shè)計(jì)保溫層。

不論在運(yùn)輸還是在運(yùn)行期間,必須保證系統(tǒng)和管路的潔凈度和干燥度。必要時(shí),一些容器和管路在安裝前還要進(jìn)行充氮保護(hù)。系統(tǒng)的焊接也必須由有資質(zhì)的、有經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)人士,嚴(yán)格按照相關(guān)操作規(guī)程實(shí)施。良好的焊接質(zhì)量是系統(tǒng)零泄漏的基礎(chǔ)。

3.5 制冷機(jī)房的系統(tǒng)流程(P&ID)圖

機(jī)房易于觀看的位置應(yīng)當(dāng)貼上系統(tǒng)流程圖。圖上應(yīng)按流程標(biāo)識(shí)清楚系統(tǒng)中所有的管路和閥門,并應(yīng)是最新版本。這是件經(jīng)常容易被忽視的事。但其實(shí)業(yè)主花費(fèi)一定精力和費(fèi)用去維護(hù)該類文檔,包括系統(tǒng)和設(shè)備的安全、操作維護(hù)手冊(cè),設(shè)備的資質(zhì)證明文件和年檢保護(hù),以及系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)和調(diào)試報(bào)告等,是很有必要的。尤其是當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行多年以后,需要改造或擴(kuò)建時(shí),方便設(shè)計(jì)人員和工程公司更快速準(zhǔn)確地了解系統(tǒng),制定合理有效的方案;更方便業(yè)主能夠順利通過(guò)安全或技術(shù)監(jiān)督機(jī)構(gòu)的相關(guān)審查,不因人員變動(dòng)而受影響。

3.6 引導(dǎo)公眾正確認(rèn)識(shí)氨

從全球范圍來(lái)看,氨的產(chǎn)量是非常巨大的。氨是一種自然界天然存在的物質(zhì),它無(wú)處不在。此外,氨也可以由動(dòng)物產(chǎn)生。從世界范圍來(lái)看,據(jù)IFA估計(jì)2015年,全球合成氨產(chǎn)量將達(dá)1.887億噸[10],約有85%的氨用于化肥行業(yè)[11],還有一些用于塑料生產(chǎn)和其它領(lǐng)域。每年被用作制冷劑的氨只有不超過(guò)40,000噸。但當(dāng)其它氨相關(guān)行業(yè)發(fā)生問(wèn)題時(shí),制冷行業(yè)也會(huì)受到影響。盡管我們不時(shí)會(huì)聽(tīng)到一些氨意外事故的發(fā)生,但是總的來(lái)說(shuō),每年的事故總數(shù)呈下降趨勢(shì)。因此,在使用氨的過(guò)程中,既要懷有敬畏心理,杜絕人為濫用,又要樹(shù)立正確合理利用的自信,不能把氨“妖魔化”,因噎廢食。

4 結(jié)論

通過(guò)減少氨的充注量和采用切實(shí)可行的必要措施是可以實(shí)現(xiàn)氨系統(tǒng)的安全正常運(yùn)行的。許多措施不僅適用于氨,也適用于其它制冷劑。除了嚴(yán)格遵守國(guó)家和行業(yè)的相關(guān)建設(shè)、設(shè)計(jì)、施工安裝、驗(yàn)收和運(yùn)行管理的法律法規(guī)以外,一些基本應(yīng)用常識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)也很重要。

隨著我國(guó)冷凍冷藏行業(yè)的飛速發(fā)展,氨制冷劑的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。必須提高整個(gè)行業(yè)的專業(yè)素養(yǎng),規(guī)范從業(yè)人員的資質(zhì),強(qiáng)化專業(yè)培訓(xùn)和監(jiān)督,加強(qiáng)公眾的安全意識(shí),不斷完善氨制冷系統(tǒng),使氨這種古老的制 冷劑煥發(fā)新的生機(jī)。

[1] 吉林省長(zhǎng)春市寶源豐禽業(yè)有限公司“6·3”特別重大火災(zāi)爆炸事故調(diào)查報(bào)告[EB/OL]. http://www.chinasafety. gov.cn/newpage/Contents/Channel_20132/2013/0711/212 464/content_212464.htm.

[2] 上海翁牌冷藏實(shí)業(yè)有限公司“8·31”重大氨泄漏事故調(diào)查報(bào)告[EB/OL]. http://www.shanghai.gov.cn/shanghai/ node2314/node2319/node12344/u26ai36933.html.

[3] 黃慶鴻. 耄耋老人話液氨[J]. 中國(guó)制冷簡(jiǎn)報(bào), 2013(6): 12-12.

[4] 彥啟森, 石文星, 田長(zhǎng)青. 空氣調(diào)節(jié)用制冷技術(shù)[M]. 3版. 北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2004.

[5] GBZ 2.1-2007. 中華人民共和國(guó)國(guó)家職業(yè)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)[S].

[6] IPCC. Climate Change 2007: the AR4 Synthesis Report [EB/OL]. http://www.ipcc.ch/pdf/assessment-report/ar4/ syr/ar4_syr_cn.pdf.

[7] PACHAI A C, WITULSKI H, HARRAGHY P. Achieving the green dream by the use of natural refrigerants[J]. Ecolibrium, 2009(9):13-13.

[8] 經(jīng)濟(jì)參考報(bào). 我國(guó)可能在2012年前后開(kāi)征二氧化碳排放稅[EB/OL]. [2010-5-11]. http://news.sina.com.cn/c/ 2010-05-11/053620244192.shtml.

[9] GB 50072-2010. 冷庫(kù)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[10] 龐利萍. IFA《全球肥料展望 2011～2015》報(bào)告解讀[EB/OL]. [2011-10-13]. http://www.cinic.org.cn/site951/ schj/2011-10-13/505545.shtml.

[11] 百度文庫(kù). 世界合成氨生產(chǎn)及市場(chǎng)分析[EB/OL]. http://wenku.baidu.com/view/7d1f2aed0975f46527d3e18 9.html.

Safety Design and Maintenance Analysis of Ammonia Refrigeration System

Alexander Cohr PACHAI1, QI Xiao-xia2, XI Ye2, Xü Xiao-jiao2
(1-Johnson Controls Denmark, Hoejbjerg 8270, Denmark; 2-York (China) Commercial Co., Ltd, Shanghai 200060, China)

Ammonia, as a natural refrigerant, has great thermal physical properties. It has been widely used in the global refrigeration field because it is green and cheap. However, it is poisonous, easy to volatilize and flammable, and it will blow up under certain conditions, and cause serious accidents. Nowadays, people pay high attention on safety, and the use of ammonia is very controversial. Based on ammonia system’s safety, this article analyzes different aspects, including design, safeguard and so on. Ammonia system can absolutely run safely only through some measures such as accurate system design, decreasing ammonia charge, meticulous installing maintenance.

Ammonia refrigeration system; Safety; Low charge

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.03.101

*齊曉霞(1977-),女,工程師,碩士。研究方向:食品冷凍系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用。聯(lián)系地址:上海市西康路1255號(hào)10層,郵編:200060。聯(lián)系電話:021-62766509。E-mail:jennifer.xiaoxia.qi@jci.com。