混凝土骨料集成式氟利昂制冷系统选型研究

中国水利水电第八工程局有限公司 赵军帅

按照制冷系统的配置，混凝土骨料预冷风冷的方式一般分为氨制冷系统、氟利昂制冷系统。氨是环保型制冷剂（化学代号：R717），但对人体有毒且易燃易爆，溶于水的比例为700：1，几乎完全不溶于油，传热系数高，系统对进入少量水份不敏感，氨的单位标准容积制冷量为520kcal/m3。氟利昂基本上均为烷烃的卤代物，当前制冷效率最高的是R22，R22的单位标准容积制冷量为454kcal/m3,但R22对环境不友好，我国政府承诺在2035年后禁止生产和使用R22。而环保型制冷剂R404A、R407C、R507A等的热功效率均低于R22，且该类制冷剂为混合制冷剂，如R404A环保型制冷剂由R125(44%)、R143a(52%)和R134A(4%)非 共 沸 点制冷剂混合而成的，适用于低温工艺制冷，R407A环保型制冷剂是由R32(23%)、R125（25%）和R134A（38%）非共沸点制冷剂混合而成的，适用于空调冷水。R507C是 由R125(41.184%)和R143a(58.816%)混合而成，优点是共沸点，所以R507A相较与其他环保型制冷剂而言具有一定的使用优势，但售价较高。

由于安全监管严格，氨系统体积较大，对操作氨制冷系统的人员水平要求较高，自动化控制成本较高等因素，氨制冷系统目前在水电混凝土温控施工中逐渐作为次选方案，而氟利昂制冷剂的集成式制冷系统往往作为首选方案。

1 制冷系统选型分析

由于环保制冷剂是由数种非共沸点的制冷剂按一定比例混合而成，如采用传统类似于氨制冷系统的结构形式，则氟制冷系统需由氟泵和低压循环贮液器等部件组成，系统会较为庞大，不易察觉系统出现小的泄漏情况。采用共沸点的环保型制冷剂（如R507）会面临同样问题，系统出现小泄漏很难察觉、损失较大，因而从符合环保要求的角度、同时从使用效率上考虑，能否尽量压缩制冷氟系统的容积大小、又可达到尽量使用高效率的制冷剂R22作为制冷系统制冷剂两者兼顾的氟利昂制冷系统。

大藤峡水利枢纽项目的骨料风冷制冷系统运行要求条件：单个骨料预冷所需制冷量740～760kW，出风温度-3℃～-8℃（-5℃），因此选择制冷系统的蒸发温度应为-13℃。冷凝器选择近年水电站混凝土温控中大量使用的蒸发式冷凝器，所以本系统也使用蒸发式冷凝器。

制冷系统的配置有两个选项：一是高效空气冷却器做成制冷剂氟利昂直接蒸发式，暂不考虑氟泵供液系统，否则整个制冷系统又会变得庞大，不利于充分发挥氟利昂系统集成化、小型化的优势，且供液管道和排气管道均为GC2级压力管道、要按照GC2级压力管道监察规程进行监检；另一个是高效空气冷却器做成类似于化工冷却系统或有些冷冻冷藏采用的浓度为30%乙二醇水溶液（乙二醇水溶液浓度为29.6%时冰点温度为-14℃）为载冷剂的制冷系统，这样集成式氟利昂制冷系统可尽量实现小型化、集成化，既有利于环保，在使用中也有利于检查系统泄漏问题，可使用当前氟利昂制冷效率最高的R22作为制冷系统制冷剂，且所有输冷管道均为水系统管道，安装成本和验收成本充分降低，使用中安全系数也大大提高。

2 氟利昂集成化直膨式风冷制冷系统结构分析

氟利昂集成化直膨式风冷制冷系统以半封闭螺杆式压缩机为制冷主机，避免开启式螺杆压缩机轴封易产生泄漏问题，螺杆压缩机压缩室喷液冷却和电机室喷液冷却作为冷冻油冷却系统，再配装一台钎板式换热器作为经济器提升系统制冷量5%～8%（在压缩机完全可满足制冷量需求并有富余量时也可考虑不加装板换经济器），全部制冷风冷系统由半封闭螺杆压缩机、二次油分离器、蒸发式冷凝器、储液器、二个喷液冷却膨胀阀及系统、主供液电磁阀、数个截止阀或球阀和热力膨胀阀组成的高效冷却器蒸发系统（配置一台轴传动方式的离心风机，减少离心风机在集装箱内的体积）、气液分离器、两台启动控制柜（其中一个西门子PLC控制箱）、一个国标集装箱组成的集成式系统。

大藤峡水利枢纽大坝项目部的整体式氟利昂骨料风冷系统结构选型如下。

2.1 制冷压缩机的选型

按照该系统所需运行条件，需对半封闭螺杆制冷压缩机进行选型。据上海精机股份有限公司提供的台湾汉钟半封闭螺杆压缩机的选型软件所设定的条件，冷凝方式采用蒸发式冷凝器时，压缩机选型按照35℃冷凝温度考虑，蒸发温度-13℃条件下选择汉钟半封闭螺杆压缩机RC2-710B-Z两台螺杆压缩机组成本制冷系统，制冷量可达799.8kW（399.9×2）,输入功率为250.6kW(125.3×2)，能效比达到3.2（COP值）。

2.2 蒸发式冷凝器、储液器及系统阀门选型

根据压缩机冷凝热量为525.2×2=1050.2(kW)。按照压缩机使用蒸发式冷凝器的设定条件，冷凝温度35℃，仔细查阅项目所处广西地区湿球温度，桂平地区的湿球温度应接近广西梧州27.6℃，因此蒸发式冷凝器的选型按照国内生产厂家通用校正系数进行校正后选型，本系统蒸发式冷凝器应=1050.2×1.63≈1720（kW）,因此 该系统应配置国内蒸发式冷凝器生产企业生产的排热量为1720kW蒸发式冷凝器。冷凝热的排放效果对于整个制冷系统的制冷效果至关重要，而蒸发式冷凝器的选型，除须以压缩机制冷量与轴功率之和的冷凝热为选型基础外，须按照使用地的湿球温度对该系统的蒸发式冷凝器的实际冷凝热进行校正，尤其是大藤峡项目所在地属于湿热气候。

制冷系统的储液器及系统阀门大小按照容器设计及流量和管道大小决定，在此不予详述。

2.3 高效空气冷却器的选型

考虑到制冷系统要求的制冷量为740～760kW，根据水利水电施工中常用的钢管铝片或铝管铝片的蒸发段构造形式，其换热效率的一般规律是：氨制冷剂的钢管铝片或铝管铝片为蒸发段材质的高效空冷却器每平方米蒸发面积所能产生的制冷量，即换热效率为0.27～0.28kW/m2，氟利昂制冷剂的钢管铝片或铝管铝片为蒸发段材质的高效空气冷却器每平方米蒸发面积所能产生的制冷量、即换热效率为0.20～0.22kW/m2，载冷剂的钢管铝片或铝管铝片为蒸发段材质的高效空气冷却器每平方米蒸发面积所能产生的制冷量，即换热效率为0.17～0.19kW/m2。因此所配高效空气冷却器约为3500m2蒸发面积。

这里需着重说明，为保证3500m2高效空气冷却器有较好制冷蒸发效果，制造商的生产过程中至少要将其蒸发段分成每500m2为一组、共分成7组，或每350m2为一组、共分成10组蒸发段，那么每一个蒸发段配装一套优质热力膨胀阀的同时，应在热力膨胀阀的前端配装一个球阀，以均匀调节每一个蒸发段的供液量，在高效空气冷却器的每组回气端安装一个回气截止阀配合控制，系统再通过回气总管连接到气液分离器中。冲霜系统采用水冲霜，可将蒸发式冷凝器水箱里的水抽到高效空气冷却器的水箱内，再抽回到蒸发冷的水箱，达到节能利用的效果。氟利昂制冷系统管道要考虑方便回油问题。

2.4 离心式冷风机的选型及现场安装

考虑到长12m、宽2.4m、高2.9m的集装箱高柜为标准尺寸，为避免异型增加设备装载成本，同时考虑到离心式冷风机的最好旋转方向是上出风方向以减少风阻和安装成本，因此应选择轴传动方向的离心式风机作为高效空气冷却器的配套设备。同时骨料预冷中考虑到特大石、大石体积较大密度小所需冷风主要作用是吹透，风压要大、风量不需要很大，而中石和小石体积较小密度大，所需冷风主要作用也是吹透，风压不能太大、风量相对需要较大，所以每个冷风模块组离心风机的风量和风压大小应有所侧重，这样既可将各个石的骨料预冷所配套的离心式风机的功率选型进行区别，又能从一定程度上节约运行成本。

集成式氟利昂冷风系统现场安装部分主要是蒸发冷就位，高效空气冷却器上半部分与下半部分对接，以及送回风管道及保温的制作。

3 氟利昂直膨式冷风系统优缺点

氟利昂直膨式冷风系统相较于传统氟泵系统已达到极端小型化，但整个模块与骨料预冷仓对接，以及下一次使用时的移装工作量均较大，整个系统的氟利昂弃注量仍稍大，只能采用R507等环保制冷剂系统，系统结构过于紧凑，氟系统出现泄漏难以检查和修理。所以建议采用乙二醇作为载冷剂的集装箱移动冷水站作为冷源的集成式氟利昂制冷系统。

若采用利用乙二醇载冷剂和低温型移动式冷水站配合的系统进行骨料风冷，骨料风冷的传统结构形式不用改变，只需将高效冷却器做成铝管铝片或钢管铝片式蒸发器，其蒸发面积应为4200m2,其配套的离心式风机和高效空气冷却器一同安装于骨料预冷仓的传统位置，采用低温乙二醇冷水机组事先将30%乙二醇水溶液的温度由常温降至-10℃（其冰点温度约在-15℃）储存在一个较大的不锈钢保温水箱中（保温层采用聚氨脂发泡）储备冷量。乙二醇循环保温水箱的容积大小确定方式：乙二醇冷水机组的冷冻水流量之和÷乙二醇循环水温差×1.163=L(m3/h)，L÷乙二醇每小时循环次数=蓄冷保温乙二醇循环水箱的容积（m3）。

广西大藤峡水利枢纽工程位于珠江流域西江水系的黔江河段末端，坝址在广西桂平市黔江彩虹桥上游6.6km处，主坝坝顶长1243.06m、坝顶高程64.00m、最大坝高81.51m。左岸混凝土生产系统承担本工程约255.0万m3（其中碾压混凝土约43万m3，常态混凝土约212.0万m3），混凝土生产系统设置在左岸大坝轴线上游约1.2km，要求高温季节混凝土出机口温度为14℃。目前工程局选型的混凝土骨料制冷系统满足了高温期混凝土浇筑高峰月强度约9万m3的供应，顺利完成了左岸工程的主体施工，方案经济成效显著，为同类工程的设备选型管理提供了经验。