英国某氨系统冷库安全与节能技术分析

张建一

(集美大学机械与能源工程学院,福建厦门 361021)

英国某氨系统冷库安全与节能技术分析

张建一*

(集美大学机械与能源工程学院,福建厦门 361021)

根据现场考察和交流,介绍分析了英国某冷库氨制冷系统的若干新技术。通过采用减少系统充氨量的系列新技术,可以使系统的充氨量大大减少,安全性大大提高。通过采用自动控制、按需除霜、回收余热加热地坪、冷风机合理配置等新技术,可以明显提高运行的能效。

冷库;氨制冷系统;安全;节能

0 引言

发达国家在冷库氨制冷系统安全和节能方面,有许多技术和措施。本文根据笔者的现场考察和公开发布的资料[1],介绍分析英国某冷库氨制冷系统安全和节能方面新技术。

1 采用自动化控制减少人员与氨系统接触

笔者在英国所考察冷库名称为“Kuehne + Nagel”,2008年12月投产。表1是冷库和系统主要设备的基本情况。该系统采用全自动控制,机房不设专职值班人员。自控系统设有远程登录,运行情况每天检查一次。

表1 英国某冷库和系统主要设备基本情况

图1为控制/配电室中PLC屏幕上的系统全部设备与流程。由图1可见,作为一个大型物流配送型冷库(库容大于2万吨),该制冷系统的流程十分简洁。流程简洁使管路系统简单,管路长度短,阻力小,系统效率高。

图2右侧为该冷库的机房,为封闭式无人操作。可以看出机房紧贴冷库,面积很小。由于操作人员与氨系统/设备很少直接接触,安全性大大提高。

图1 控制/配电室中PLC屏幕上的制冷系统流程图

图2 冷库机房、高压/低压贮液桶现场照片。

2 减少制冷系统充氨量

该冷库是一个配送中心。制冷系统采用氨制冷剂两级压缩,泵循环供液系统。该冷库采取以下技术措施,有效地减少了系统的充氨量。

2.1 采用冷风机,取消高压贮液桶

该冷库取消高压贮液桶,使系统的贮氨量明显减少。即冷凝器出口的制冷剂直接引入循环桶。我国的冷库传统上采用冷却盘管,由于其传热系数小,需要的传热面积大。这样造成消耗大量的钢材。更严重的问题是冷却盘管的内容积很大,系统需要很大的充氨量。由于系统充氨量很大,负荷变化时制冷剂的流量变化也大,就需要有高压贮液桶起调节作用。这样,造成大型冷库制冷系统的充氨量动辄数十吨,使安全隐患大大增加。

所考察冷库的低温库容量超过1万吨,但仅采用4台冷风机(4×1,454 m2)。高温冷库库容量也超过 1万吨,但仅采用 7台冷风机(2×914 m2和5×532 m2)。因此,系统的内容积很小,大大减少了系统的充氨量。由此可见,要减少系统的充氨量,推广采用冷风机是重要措施之一。这样,就可取消高压贮液桶,大大减少系统的充氨量。

2.2 中间冷却器与高压级循环桶合并

在两级压缩系统中,中间冷却器是一个必不可少的设备(容器)。该冷库将中间冷却器与高压级循环桶合并,即循环桶兼任中间冷却器。这就减少了系统中的一个贮氨设备,使系统的充氨量进一步减少。进一步的分析还发现这样做使液体管道也减少了,从冷凝器到高压级循环桶(兼中间冷却器)仅一条液体管,管路十分简洁。

该系统对高压级循环桶(兼中间冷却器)的供液采用高压侧控制,在冷凝器的出口设置浮球控制液体和中间冷却器的膨胀阀。据介绍,设计时将高压级循环桶(中间冷却器)的液面设计为尽可能低,以保证气液的分离效果,避免液体进入压缩机。

2.3 取消排液桶

该系统采用热氨融霜,但取消排液桶,将排液直接排入低压级循环桶。这就使系统又减少了一个贮氨设备,使系统的充氨量进一步减少。国内冷库设计时,传统上为了方便热氨冲霜操作,通常设置排液桶。目前,热氨融霜将排液直接排入循环桶,或者排入中间冷却器,都有实例。因此,取消排液桶的做法应该引起设计人员的重视。

2.4 减少压缩机台数、尽量缩短管道长度

所考察冷库通过采用螺杆式压缩机,减少压缩机台数。全系统仅配置4台螺杆式压缩机,其中两台低压级,两台高压级。由于压缩机台数少,相应地缩短了系统的管道长度。由于采用计算机自动控制,实现了无人值守,机房紧贴冷库。因此最大限度地减少机房与蒸发器的距离,即最大限度地缩短管道长度,减少了系统的内容积(充氨量)。图 3为该冷库的机房和库房平面。由图3可见,该系统通过合理布置,最大限度地缩短了管道长度。由于减少了压缩机台数,简化了系统,实现了无人值守,结合图2和图3可见,机房的面积大大减小。

通过以上措施,该系统的设备大大减少,冷库全系统的充氨量仅2,938 kg。我国冷库制冷系统通常设置设备间,其中设备多、管道复杂、阀门多,相当复杂。

图3 冷库的机房和库房平面布置示意图

3 制冷设备露天布置和安全措施落实

3.1 制冷设备露天布置

据英国工程师介绍,贮氨设备采用露天布置,可以大大降低氨泄漏的危害。露天属于大空间,氨气很容易扩散,不容易形成高浓度。对人的危害性降低,燃烧和爆炸的危险性也大大降低。

我国冷库制冷系统通常设置设备间,其中各种设备和管道阀门相当复杂,发生事故时不易处理,也不利于逃生。由图2可见,该冷库的贮氨设备仅两个循环桶,直接放置于室外采用露天布置,取消了设备间。这样既减少投资,又大大提高了安全性。我国可以考虑借鉴该思路,将设备间设计成开放或者半开放式。例如设备间围墙用铁栏杆替代等。

3.2 安全措施落实到位

关于氨制冷系统的安全,我国从设计、安装,到操作管理,均有许多标准、规范。最大的问题在于这些标准规范没有认真落实。发达国家则十分认真地落实。例如,该英国冷库机房每台压缩机均设置氨气检测传感器、机房设置事故通风、门上设置各种警告告示、机房外设置人淋浴/洗眼装置等。

因此,认真落实标准规范中的安全措施及细节,严格实行技术考核上岗制度,加强行业内氨制冷从业人员的安全防范教育和培训,冷库氨制冷系统的安全水平就会大大提高。

4 冷风机按需除霜技术

所考察冷库采用热氨融霜。据介绍,热氨融霜过程采用 PLC时间控制。典型的除霜间隔时间为12 h,除霜过程约30 min。该冷库在平面设计方面有一定特殊之处。冷库所属企业是一个大型物流企业,除了低温物流,还有常温物流。冷库实际是建在常温物流的建筑内。另一方面,高温库部分设置了17个卷帘式装卸门(配升降台)。由于冷库门的位置和装卸工作频率的不平衡,冷库中各区间温度将不同,各台冷风机的运行时间不相同,结霜程度也不同。

考虑上述这些因素,该冷库的冷风机除霜控制不是仅按照定时进行,而是同时与各台冷风机的运行累计时间相联系。即当冷风机到了定时除霜时间时,如果该冷风机的运行累计时间少于设定时间,则该冷风机跳过定时除霜过程,不进行除霜。据介绍,该冷库的冷风机除霜控制效果很好,达到了高效节能。

5 回收余热加热地坪技术

所考察冷库利用余热加热冷库地坪,余热加热系统利用压缩机排气的热量,采用乙二醇溶液在冷库地坪下循环。乙二醇进入地坪的设计温度为5 ℃,出口设计温度为4 ℃。乙二醇的循环采用时间控制器,运行1 h后停机3 h。如果运行1 h后而乙二醇后出口没有达到4 ℃,则系统继续运行直到温度达到设计温度。

乙二醇溶液的热量取自压缩机油冷却器。油冷却器的冷却回路起到蓄热的作用,即虽然制冷压缩机一天中没有全天运行,但油冷却回路中的热量己足够停机时加热冷库地坪之用。图4和图5为乙二醇溶液的管路现场照片。由图4可见,乙二醇溶液进出均采用并联式,在进液总管和回液总管上各并联多路聚乙烯塑料管。由图5还可以看出,加热回路间距比较小,各回路采用一进一出。

我国的土建冷库通常采用架空地坪来解决地坪冻脸问题。根据现场考察和介绍,这种利用制冷系统冷凝热来加热冷库地坪技术特别适合装配式冷库对我国常用的土建冷库也是值得借鉴的。实际上,由于它减少了冷凝热负荷,还可以提高运行效率。

图4 乙二醇溶液的进出总管和分管

图5 乙二醇溶液进出地坪的管路

6 冷风机的配置位置和气流组织

在冷库设计中采用冷风机时,冷风机的安装位置是需要考虑的问题。尤其对于层高很高,开间很大的冷间,必须保证气流组织的均匀。该冷库低温库部分层高15 m,冷风机采用一侧吊顶安装,见图6。该冷库冷间的宽度达到 69.5 m。显然,冷间的气流组织是需要重点考虑的问题。该冷库采用了在冷间中部配置风机接力的方式,实现了不需要风道而气流比较均匀的效果。

由图6照片可见,接力风机采用轴流式。轴流式风机设在总宽度的中点,即 35 m处。采用在冷间中部配置风机接力送风的方式,免除了风道,又可以实现气流比较均匀的效果。这种方式值得我国深入探讨借鉴。

图6 高层冷库的冷风机及风机布置

7 结论

由该英国冷库实例可见,通过采用减少系统充氨量的系列新技术(包括采用冷风机;取消高压贮液桶;中间冷却器与高压级循环桶合并;取消排液桶;减少压缩机台数;尽量缩短管道长度),可以使系统的充氨量大大减少,安全性大大提高。该冷库全系统的充氨量仅2,938 kg。通过采用自动控制、高效热氨融霜、回收余热加热地坪、冷风机合理配置等新技术,可以明显提高运行的能效。由此可见,发达国家氨系统冷库的安全技术和节能先进技术和经验,值得我国深入分析借鉴。

致谢:本文得到Rob Lamb博士提供的许多详细信息,特此致谢。Lamb博士为英国Star制冷公司市场部经理,考察冷库时现场介绍人。所考察冷库由该公司设计安装。

[1] Star Refrigeration. Case study number 56: KUEHNE + NAGEL, October, 2009. http://www.star-ref.co.uk.

Analysis on Some Safety and Energy Saving Technologies from an Ammonia Cold Storage in UK

ZHANG Jian-yi*
(College of Mechanical & Energy Engineering, Jimei University, Xiamen, Fujian 361021, China)

Some safety and energy saving technologies for an ammonia cold storage in UK is introduced based on author’s field inspection. By means of a series of new technologies for reducing charge of refrigerant, the ammonia charge is greatly reduced and the system security is improved. The operating efficiency can be improved by using new techniques, including autocontrol, defrost on demand, heat recovery for the underfloor heater mat and reasonable configuration of air coolers.

Cold storage; Ammonia refrigeration system; Safety; Energy saving

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.03.104

*张建一(1953-),男,教授,工学硕士。研究方向:制冷空调系统优化与节能。联系地址:福建省厦门市集美区石鼓路 9号,邮编:361021。联系电话:0592-6180597。E-mail:jyzhang@jmu.edu.cn。

福建省科技创新平台资助项目(2009H2006)