張建一

(集美大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院,福建廈門 361021)

英國某氨系統(tǒng)冷庫安全與節(jié)能技術(shù)分析

張建一*

(集美大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院,福建廈門 361021)

根據(jù)現(xiàn)場考察和交流,介紹分析了英國某冷庫氨制冷系統(tǒng)的若干新技術(shù)。通過采用減少系統(tǒng)充氨量的系列新技術(shù),可以使系統(tǒng)的充氨量大大減少,安全性大大提高。通過采用自動控制、按需除霜、回收余熱加熱地坪、冷風(fēng)機(jī)合理配置等新技術(shù),可以明顯提高運(yùn)行的能效。

冷庫;氨制冷系統(tǒng);安全;節(jié)能

0 引言

發(fā)達(dá)國家在冷庫氨制冷系統(tǒng)安全和節(jié)能方面,有許多技術(shù)和措施。本文根據(jù)筆者的現(xiàn)場考察和公開發(fā)布的資料[1],介紹分析英國某冷庫氨制冷系統(tǒng)安全和節(jié)能方面新技術(shù)。

1 采用自動化控制減少人員與氨系統(tǒng)接觸

筆者在英國所考察冷庫名稱為“Kuehne + Nagel”,2008年12月投產(chǎn)。表1是冷庫和系統(tǒng)主要設(shè)備的基本情況。該系統(tǒng)采用全自動控制,機(jī)房不設(shè)專職值班人員。自控系統(tǒng)設(shè)有遠(yuǎn)程登錄,運(yùn)行情況每天檢查一次。

表1 英國某冷庫和系統(tǒng)主要設(shè)備基本情況

圖1為控制/配電室中PLC屏幕上的系統(tǒng)全部設(shè)備與流程。由圖1可見,作為一個(gè)大型物流配送型冷庫(庫容大于2萬噸),該制冷系統(tǒng)的流程十分簡潔。流程簡潔使管路系統(tǒng)簡單,管路長度短,阻力小,系統(tǒng)效率高。

圖2右側(cè)為該冷庫的機(jī)房,為封閉式無人操作?？梢钥闯鰴C(jī)房緊貼冷庫,面積很小。由于操作人員與氨系統(tǒng)/設(shè)備很少直接接觸,安全性大大提高。

圖1 控制/配電室中PLC屏幕上的制冷系統(tǒng)流程圖

圖2 冷庫機(jī)房、高壓/低壓貯液桶現(xiàn)場照片。

2 減少制冷系統(tǒng)充氨量

該冷庫是一個(gè)配送中心。制冷系統(tǒng)采用氨制冷劑兩級壓縮,泵循環(huán)供液系統(tǒng)。該冷庫采取以下技術(shù)措施,有效地減少了系統(tǒng)的充氨量。

2.1 采用冷風(fēng)機(jī),取消高壓貯液桶

該冷庫取消高壓貯液桶,使系統(tǒng)的貯氨量明顯減少。即冷凝器出口的制冷劑直接引入循環(huán)桶。我國的冷庫傳統(tǒng)上采用冷卻盤管,由于其傳熱系數(shù)小,需要的傳熱面積大。這樣造成消耗大量的鋼材。更嚴(yán)重的問題是冷卻盤管的內(nèi)容積很大,系統(tǒng)需要很大的充氨量。由于系統(tǒng)充氨量很大,負(fù)荷變化時(shí)制冷劑的流量變化也大,就需要有高壓貯液桶起調(diào)節(jié)作用。這樣,造成大型冷庫制冷系統(tǒng)的充氨量動輒數(shù)十噸,使安全隱患大大增加。

所考察冷庫的低溫庫容量超過1萬噸,但僅采用4臺冷風(fēng)機(jī)(4×1,454 m2)。高溫冷庫庫容量也超過 1萬噸,但僅采用 7臺冷風(fēng)機(jī)(2×914 m2和5×532 m2)。因此,系統(tǒng)的內(nèi)容積很小,大大減少了系統(tǒng)的充氨量。由此可見,要減少系統(tǒng)的充氨量,推廣采用冷風(fēng)機(jī)是重要措施之一。這樣,就可取消高壓貯液桶,大大減少系統(tǒng)的充氨量。

2.2 中間冷卻器與高壓級循環(huán)桶合并

在兩級壓縮系統(tǒng)中,中間冷卻器是一個(gè)必不可少的設(shè)備(容器)。該冷庫將中間冷卻器與高壓級循環(huán)桶合并,即循環(huán)桶兼任中間冷卻器。這就減少了系統(tǒng)中的一個(gè)貯氨設(shè)備,使系統(tǒng)的充氨量進(jìn)一步減少。進(jìn)一步的分析還發(fā)現(xiàn)這樣做使液體管道也減少了,從冷凝器到高壓級循環(huán)桶(兼中間冷卻器)僅一條液體管,管路十分簡潔。

該系統(tǒng)對高壓級循環(huán)桶(兼中間冷卻器)的供液采用高壓側(cè)控制,在冷凝器的出口設(shè)置浮球控制液體和中間冷卻器的膨脹閥。據(jù)介紹,設(shè)計(jì)時(shí)將高壓級循環(huán)桶(中間冷卻器)的液面設(shè)計(jì)為盡可能低,以保證氣液的分離效果,避免液體進(jìn)入壓縮機(jī)。

2.3 取消排液桶

該系統(tǒng)采用熱氨融霜,但取消排液桶,將排液直接排入低壓級循環(huán)桶。這就使系統(tǒng)又減少了一個(gè)貯氨設(shè)備,使系統(tǒng)的充氨量進(jìn)一步減少。國內(nèi)冷庫設(shè)計(jì)時(shí),傳統(tǒng)上為了方便熱氨沖霜操作,通常設(shè)置排液桶。目前,熱氨融霜將排液直接排入循環(huán)桶,或者排入中間冷卻器,都有實(shí)例。因此,取消排液桶的做法應(yīng)該引起設(shè)計(jì)人員的重視。

2.4 減少壓縮機(jī)臺數(shù)、盡量縮短管道長度

所考察冷庫通過采用螺桿式壓縮機(jī),減少壓縮機(jī)臺數(shù)。全系統(tǒng)僅配置4臺螺桿式壓縮機(jī),其中兩臺低壓級,兩臺高壓級。由于壓縮機(jī)臺數(shù)少,相應(yīng)地縮短了系統(tǒng)的管道長度。由于采用計(jì)算機(jī)自動控制,實(shí)現(xiàn)了無人值守,機(jī)房緊貼冷庫。因此最大限度地減少機(jī)房與蒸發(fā)器的距離,即最大限度地縮短管道長度,減少了系統(tǒng)的內(nèi)容積(充氨量)。圖 3為該冷庫的機(jī)房和庫房平面。由圖3可見,該系統(tǒng)通過合理布置,最大限度地縮短了管道長度。由于減少了壓縮機(jī)臺數(shù),簡化了系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了無人值守,結(jié)合圖2和圖3可見,機(jī)房的面積大大減小。

通過以上措施,該系統(tǒng)的設(shè)備大大減少,冷庫全系統(tǒng)的充氨量僅2,938 kg。我國冷庫制冷系統(tǒng)通常設(shè)置設(shè)備間,其中設(shè)備多、管道復(fù)雜、閥門多,相當(dāng)復(fù)雜。

圖3 冷庫的機(jī)房和庫房平面布置示意圖

3 制冷設(shè)備露天布置和安全措施落實(shí)

3.1 制冷設(shè)備露天布置

據(jù)英國工程師介紹,貯氨設(shè)備采用露天布置,可以大大降低氨泄漏的危害。露天屬于大空間,氨氣很容易擴(kuò)散,不容易形成高濃度。對人的危害性降低,燃燒和爆炸的危險(xiǎn)性也大大降低。

我國冷庫制冷系統(tǒng)通常設(shè)置設(shè)備間,其中各種設(shè)備和管道閥門相當(dāng)復(fù)雜,發(fā)生事故時(shí)不易處理,也不利于逃生。由圖2可見,該冷庫的貯氨設(shè)備僅兩個(gè)循環(huán)桶,直接放置于室外采用露天布置,取消了設(shè)備間。這樣既減少投資,又大大提高了安全性。我國可以考慮借鑒該思路,將設(shè)備間設(shè)計(jì)成開放或者半開放式。例如設(shè)備間圍墻用鐵欄桿替代等。

3.2 安全措施落實(shí)到位

關(guān)于氨制冷系統(tǒng)的安全,我國從設(shè)計(jì)、安裝,到操作管理,均有許多標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范。最大的問題在于這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范沒有認(rèn)真落實(shí)。發(fā)達(dá)國家則十分認(rèn)真地落實(shí)。例如,該英國冷庫機(jī)房每臺壓縮機(jī)均設(shè)置氨氣檢測傳感器、機(jī)房設(shè)置事故通風(fēng)、門上設(shè)置各種警告告示、機(jī)房外設(shè)置人淋浴/洗眼裝置等。

因此,認(rèn)真落實(shí)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中的安全措施及細(xì)節(jié),嚴(yán)格實(shí)行技術(shù)考核上崗制度,加強(qiáng)行業(yè)內(nèi)氨制冷從業(yè)人員的安全防范教育和培訓(xùn),冷庫氨制冷系統(tǒng)的安全水平就會大大提高。

4 冷風(fēng)機(jī)按需除霜技術(shù)

所考察冷庫采用熱氨融霜。據(jù)介紹,熱氨融霜過程采用 PLC時(shí)間控制。典型的除霜間隔時(shí)間為12 h,除霜過程約30 min。該冷庫在平面設(shè)計(jì)方面有一定特殊之處。冷庫所屬企業(yè)是一個(gè)大型物流企業(yè),除了低溫物流,還有常溫物流。冷庫實(shí)際是建在常溫物流的建筑內(nèi)。另一方面,高溫庫部分設(shè)置了17個(gè)卷簾式裝卸門(配升降臺)。由于冷庫門的位置和裝卸工作頻率的不平衡,冷庫中各區(qū)間溫度將不同,各臺冷風(fēng)機(jī)的運(yùn)行時(shí)間不相同,結(jié)霜程度也不同。

考慮上述這些因素,該冷庫的冷風(fēng)機(jī)除霜控制不是僅按照定時(shí)進(jìn)行,而是同時(shí)與各臺冷風(fēng)機(jī)的運(yùn)行累計(jì)時(shí)間相聯(lián)系。即當(dāng)冷風(fēng)機(jī)到了定時(shí)除霜時(shí)間時(shí),如果該冷風(fēng)機(jī)的運(yùn)行累計(jì)時(shí)間少于設(shè)定時(shí)間,則該冷風(fēng)機(jī)跳過定時(shí)除霜過程,不進(jìn)行除霜。據(jù)介紹,該冷庫的冷風(fēng)機(jī)除霜控制效果很好,達(dá)到了高效節(jié)能。

5 回收余熱加熱地坪技術(shù)

所考察冷庫利用余熱加熱冷庫地坪,余熱加熱系統(tǒng)利用壓縮機(jī)排氣的熱量,采用乙二醇溶液在冷庫地坪下循環(huán)。乙二醇進(jìn)入地坪的設(shè)計(jì)溫度為5 ℃,出口設(shè)計(jì)溫度為4 ℃。乙二醇的循環(huán)采用時(shí)間控制器,運(yùn)行1 h后停機(jī)3 h。如果運(yùn)行1 h后而乙二醇后出口沒有達(dá)到4 ℃,則系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行直到溫度達(dá)到設(shè)計(jì)溫度。

乙二醇溶液的熱量取自壓縮機(jī)油冷卻器。油冷卻器的冷卻回路起到蓄熱的作用,即雖然制冷壓縮機(jī)一天中沒有全天運(yùn)行,但油冷卻回路中的熱量己足夠停機(jī)時(shí)加熱冷庫地坪之用。圖4和圖5為乙二醇溶液的管路現(xiàn)場照片。由圖4可見,乙二醇溶液進(jìn)出均采用并聯(lián)式,在進(jìn)液總管和回液總管上各并聯(lián)多路聚乙烯塑料管。由圖5還可以看出,加熱回路間距比較小,各回路采用一進(jìn)一出。

我國的土建冷庫通常采用架空地坪來解決地坪凍臉問題。根據(jù)現(xiàn)場考察和介紹,這種利用制冷系統(tǒng)冷凝熱來加熱冷庫地坪技術(shù)特別適合裝配式冷庫對我國常用的土建冷庫也是值得借鑒的。實(shí)際上,由于它減少了冷凝熱負(fù)荷,還可以提高運(yùn)行效率。

圖4 乙二醇溶液的進(jìn)出總管和分管

圖5 乙二醇溶液進(jìn)出地坪的管路

6 冷風(fēng)機(jī)的配置位置和氣流組織

在冷庫設(shè)計(jì)中采用冷風(fēng)機(jī)時(shí),冷風(fēng)機(jī)的安裝位置是需要考慮的問題。尤其對于層高很高,開間很大的冷間,必須保證氣流組織的均勻。該冷庫低溫庫部分層高15 m,冷風(fēng)機(jī)采用一側(cè)吊頂安裝,見圖6。該冷庫冷間的寬度達(dá)到 69.5 m。顯然,冷間的氣流組織是需要重點(diǎn)考慮的問題。該冷庫采用了在冷間中部配置風(fēng)機(jī)接力的方式,實(shí)現(xiàn)了不需要風(fēng)道而氣流比較均勻的效果。

由圖6照片可見,接力風(fēng)機(jī)采用軸流式。軸流式風(fēng)機(jī)設(shè)在總寬度的中點(diǎn),即 35 m處。采用在冷間中部配置風(fēng)機(jī)接力送風(fēng)的方式,免除了風(fēng)道,又可以實(shí)現(xiàn)氣流比較均勻的效果。這種方式值得我國深入探討借鑒。

圖6 高層冷庫的冷風(fēng)機(jī)及風(fēng)機(jī)布置

7 結(jié)論

由該英國冷庫實(shí)例可見,通過采用減少系統(tǒng)充氨量的系列新技術(shù)(包括采用冷風(fēng)機(jī);取消高壓貯液桶;中間冷卻器與高壓級循環(huán)桶合并;取消排液桶;減少壓縮機(jī)臺數(shù);盡量縮短管道長度),可以使系統(tǒng)的充氨量大大減少,安全性大大提高。該冷庫全系統(tǒng)的充氨量僅2,938 kg。通過采用自動控制、高效熱氨融霜、回收余熱加熱地坪、冷風(fēng)機(jī)合理配置等新技術(shù),可以明顯提高運(yùn)行的能效。由此可見,發(fā)達(dá)國家氨系統(tǒng)冷庫的安全技術(shù)和節(jié)能先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn),值得我國深入分析借鑒。

致謝:本文得到Rob Lamb博士提供的許多詳細(xì)信息,特此致謝。Lamb博士為英國Star制冷公司市場部經(jīng)理,考察冷庫時(shí)現(xiàn)場介紹人。所考察冷庫由該公司設(shè)計(jì)安裝。

[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

*張建一(1953-),男,教授,工學(xué)碩士。研究方向:制冷空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化與節(jié)能。聯(lián)系地址:福建省廈門市集美區(qū)石鼓路 9號,郵編:361021。聯(lián)系電話:0592-6180597。E-mail:jyzhang@jmu.edu.cn。

福建省科技創(chuàng)新平臺資助項(xiàng)目(2009H2006)