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冷冻冷藏项目NH3/CO2复叠制冷系统的6大设计特点

发布时间:2020-04-13


 中物联冷链目前,在大型冷冻冷藏行业中使用最广泛的制冷剂依然是NH3和卤代烃类物质。但是,高ODP值的CFCs制冷剂已全面淘汰,ODP值较低的HCFCs制冷剂的加速淘汰在《蒙特利尔议定书》及其修正案也有明确的规定。目前零ODP的HFCs制冷剂虽然是HCFCs制冷剂的主流替代工质,但是采用HFCs制冷剂的制冷系统效率普遍低于HCFCs制冷剂和NH3,而且HFCs制冷剂的高GWP值使其在《蒙特利尔议定书》基加利修正案中被确定为受控物质,也有了明确的削减时间表。



NH3作为性价比优良、使用最广泛的自然工质,因为近年来多起因设计或安装缺陷、操作不当、管理不善等原因所造成的安全事故,在一段时间、一些地方受到“一刀切”式的非理性限制。要提高NH3制冷系统的安全性,一方面,可以通过系统控制的自动化来降低人为误操作的几率,也可通过设置一些安全措施来降低事故发生的几率或减小事故造成的影响;另一方面,可通过采用NH3直接膨胀系统、NH3/CO2复叠或载冷系统,尽可能地减少系统的NH3充注量。


NH3/CO2复叠或载冷系统使用的NH3和CO2均为自然工质,不受环保政策的限制。NH3作为高温级制冷剂仅在机房系统内运行,充注量小,并利用了其在高温工况下换热性能好的优点;CO2作为安全无毒、不燃的低温级制冷剂或载冷剂进入冷间蒸发器换热,利用了其在低温工况下换热性能仍然良好的优点,并避免了其在高温工况下压力较高的缺点。两种制冷剂扬长避短,相得益彰,在安全、环保、节能方面的优势,使得NH3/CO2复叠或载冷系统得到了越来越广泛的应用。本文所介绍的是近年来我公司设计、施工并交付使用的规模最大的冷冻冷藏项目NH3/CO2复叠制冷系统。




项目概况


本项目总建筑面积约15万平方米,其中3个冷冻加工车间共计2万平方米,6座单层冷库共计10万平方米,2个制冷机房及附属泵房、控制室共计2200平方米。3个冷冻加工车间共有冲击板带速冻装置5台,板式搁架冻结装置7台,冻结间20间,每班冻结加工能力近500吨。6座单层冷库总贮存吨位达10.4万吨。由于冻结加工量大,而且冻结加工的蒸发温度均在-40℃以下,冻结系统均采用在该工况下比NH3双级压缩制冷系统效率高的NH3/CO2复叠制冷系统[1];而冷库的蒸发温度是-32℃,虽然NH3/CO2复叠制冷系统在该工况下比NH3配搭双级系统效率略低,但是考虑其面积近7.25万平方米排管的巨大容积和热气融霜的需要,仍然采用了NH3/CO2复叠制冷系统。2个制冷机房的NH3总充注量仅为9.4吨,未超过10吨的临界量。而如果采用全NH3系统,其NH3总充注量将超过370吨,对系统设计、安装施工、操作维护、政府监管等都是巨大的挑战。



系统设计特点


1、双制冷机房设置


本项目无论从车间、冷库面积、距离以及各系统制冷量,相对其他项目都比较巨大,如果制冷设备集中布置在一个制冷机房内,对机房面积、设备数量、管路布置、系统控制和操作管理的要求都将很高。按照建筑功能分区、适宜的管道距离、总平面布局的合理性,制冷系统设置了2个制冷机房。

其中3个车间内冻结间、速冻装置和3座冷库共用1#制冷机房,机房一端设置控制室,另一端设置蒸发冷平台和水泵房、循环水池。该机房共设置15台CO2螺杆制冷压缩机组,13台NH3螺杆制冷压缩机组,共计28台主机。6台远置水泵型蒸发式冷凝器,17台CO2桶泵机组,4台大型冷凝蒸发撬块。

另3座冷库共用设在其中一座冷库月台二层的2#制冷机房,机房一端设置控制室,另一端设置水泵房、循环水箱,蒸发冷设于该机房屋顶。该机房共设置3台CO2螺杆制冷压缩机组,3台NH3螺杆制冷压缩机组,共计6台主机。2台远置水泵型蒸发式冷凝器,3台CO2桶泵机组,1台大型冷凝蒸发撬块。

两个机房均采用集散式自动控制系统,对本机房制冷系统实现动态模拟、实时监控、参数设定、数据管理、报表生成、故障报警等过程自动控制功能。其中1#机房控制系统设为主控系统,2#机房控制系统通过以太网与主控系统实现高速通讯。


2、冻结与冷藏分设复叠系统中间温度


冻结加工蒸发温度均在-40℃以下,而冷库的蒸发温度是-32℃,两者的最佳中间温度不一致,并且两者制冷量都很大,如采用同一中间温度,其中一个系统的效率必然较低。因此,将冻结加工温度相近的冲击板带速冻装置、板式搁架冻结装置和冻结间,设置为同一中间温度的复叠系统,而将多座冷库设置为另一中间温度的复叠系统,使冻结系统和冷藏系统均运行在效率较高的最佳工况。


3、板带单冻机低压系统“一对一”设计


本项目冲击板带速冻装置数量较多,虽然冻结加工温度相同,但是考虑各速冻装置工作时间、加工品种、冲霜操作等方面的差异,如多台对应同一低压循环桶和低温级CO2压缩机组,将造成冻结生产过程中系统蒸发压力的波动,引起单冻机内冻结温度的波动而使冻结产品质量不稳定。因此,在低压系统设计中,采用了单冻机、低压循环桶和低温级CO2压缩机组的“一对一”设计,避免了各系统蒸发压力的互相干扰,保证了单冻机内冻结温度的恒定和产品质量的稳定。


4、CO2顶排管和CO2搁架排管采用高效全自动热工质融霜


由于该项目冻结间搁架排管和冷库顶排管的总换热面积达10万平方米,如完全采用人工除霜,除霜效率低、效果差,劳动强度大,因此,采用定期全自动热工质融霜,除霜速度快,安全高效,利于回油,节省大量人力。
系统设计若干CO2制冷压缩机组兼做融霜压缩机组,正常制冷时排气主管电磁阀ICS+EVM(NO)处于开启状态,排气支管电磁阀ICS+EVM(NC)处于关闭状态。切换融霜状态时,开启缩机排气支管电磁阀ICS+EVM(NC),关闭排气主管电磁阀ICS+EVM(NO),融霜压缩机根据排气压力和电机电流自动限载进行融霜运转。融霜结束后,压缩机转入制冷状态前,先开启管径较小的旁路泄压电磁阀ICS+EVM(NC),防止压缩机前后压差过大造成冲击。
CO2排管全自动热工质融霜的末端供液、回气、热气、排液阀组配置与氨系统排管配置基本相同,但是要求选用阀门最大工作压力达到52bar。


5、简单实用的辅助冷却保压系统设计


对于NH3/CO2复叠或载冷系统,如果系统有故障或长时间停机,由于系统与环境之间必有的温差,其CO2低压循环桶和CO2贮液器内压力必然因吸热而升温、升压。常用的保压措施是为其设置辅助冷却盘管蒸发器和采用HFCs制冷剂的小型辅助制冷机组,在系统压力升高至设定压力时,启动辅助制冷机组,对系统内CO2气体进行冷却、冷凝,确保系统压力在安全范围内。

本项目与生产加工紧密相关的冻结系统CO2低压循环桶和CO2贮液器数量众多,其运行受生产的季节性、周期性影响,存在长期停机的可能性,如采用通常的辅助制冷机组,数量多、故障点多、维护工作量大。我们考虑本项目另一个特点就是冷库规模大,而且全年运行,其所配置NH3/CO2复叠制冷系统与冻结系统NH3/CO2复叠制冷系统又在同一机房且两系统NH3制冷压缩机组设有相互桥接管路,因此,仅在冻结系统CO2低压循环桶上设置辅助冷却盘管蒸发器,利用冷库系统运行时经济器过冷高压液体直接膨胀制冷降压,冻结系统CO2贮液器则由过桥连接的冷库系统NH3制冷压缩机组通过其连接的冷凝蒸发器制冷降压,摒弃常用的辅助制冷机组做法,节省了投资、简化了系统。


6、综合应用物联网技术

制冷技术

手机终端库温曲线图


通过设置的各种模拟量、数字量信息传感器,实时采集系统各部位压力、温度、液位等信息,实时监控系统的运行情况,并通过接入互联网/局域网,实现邮件/电脑/手机短信/微信等智能终端访问,支持多客户同时浏览,支持任何时间、任何地点对运行数据的监控。数据历史记录可以曲线或表格的形式查询。报警信息实时提示,对关键故障及报警信息实时推送,可向多个接收者同时自动发送短信、邮件、微信等信息提示,大大提高了系统运行管理的安全性和可靠性,大幅提升业主的设备管理水平和维保能力。未来还可与冷链物联网实现互联互通,实现食品冷链的全程监控,保证食品质量安全。

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手机终端动态流程模拟图