冷库制冷系统安全分析

杜娟丽，田 绅，田长青

(1．中国科学院低温工程学重点实验室 理化技术研究所，北京 100190;

2．河南牧业经济学院，河南 郑州 450011)

0 前言

冷库作为冷链物流发展的核心基础设施和保障食品低温流通的中枢，是冷链物流建设的重点内容。目前我国冷库的总容量为700 多万m3，每年全国对冷库的需求量正在以30%的速度增长，预计到2017年，我国冷库的容量增加至1．4 亿m3，未来几年冷库建设仍处于蓬勃发展时期。但随着近年来我国冷库事故的频频发生，见表1，“血”的教训唤起了人们对冷库安全的高度重视，冷库的安全研究成为了保障冷链物流健康发展的首要任务之一。

表1 2012 ～2013 年部分氨制冷剂泄露造成事故统计表

本文从安全角度对冷库中制冷剂选择进行分析，同时针对目前我国冷库中广泛应用的集中式氨制冷系统，总结减少氨制冷剂充注量的方法和措施，并给出了减少氨使用量的不同制冷系统，以提高其安全性能，为旧冷库的改造、新冷库的建设提供参考，为促进提高我国冷链物流安全体系发展提供理论依据。

1 冷库制冷剂的选择及安全性分析

制冷剂是制冷系统的“血液”，其可燃性、毒性等安全指标直接影响到冷库制冷系统的安全性。因此，本文基于冷库中制冷剂的应用现状及发展趋势，对NH3(氨)、R22 和CO2制冷剂进行安全分析，其性能见表2。

1．1 冷库制冷系统常用制冷剂

目前，我国冷库系统中最常用的制冷剂有NH3和R22。其中80%的冷库以氨为制冷剂，20%的冷库(大部分是中、小型冷库)采用R22 制冷剂［1］。但近年来一起起氨泄露产生的事故影响，造成一些人“谈氨色变”，很多企业的冷库投标工程也放弃了氨制冷剂的选择而转向R22。但R22 属于HCFCs 系列，对臭氧层有破坏作用，是《维也纳公约》和《蒙特利尔议定书》中规定要逐步淘汰的制冷剂。并且在2007 年9 月，《蒙特利尔议定书》第19 次缔约方会议通过了加速淘汰HCFCs 的调整方案，方案规定发达国家2010 年削减75%，2015 年削减90%，2020 ～2030 年允许保留0．5%;发展中国家2015 年要完成削减基线水平10%的任务，2020 年削减35%，2020年削减67． 5%，到2030 ～2040 年也仅允许保留2.5%的维修用量［2］。由此可见，我国减少HCFCs的使用也近在咫尺，R22 不适合作为我国冷库发展的长久选择［3］。

虽然氨与其他制冷剂相比安全性能较低，但它属于自然工质，具有优良的物性和良好的运行特性(见表2)，距今已有百年历史，且其毒性、易燃可爆性也可通过技术手段来降低甚至消除。如氨系统中一般装设有氨气检测报警系统用以检测氨泄露问题;机房内设置有安全标示和安全通道、紧急泄氨器、水喷淋装置、防爆风机等安全保护装置［4］。因此，氨制冷剂仍然是国内外冷库中冷制剂的主流［5］。

CO2制冷剂早在19 世纪90 年代开始应用于冷链系统，但由于当时技术不成熟，制冷能力较低，机械制造能力达不到要求，缺乏安全意识等因素，CO2制冷技术自1931 年CFCs 制冷剂产生后发展非常缓慢［6］，直到1989 年前国际制冷学会主席挪威的G．Lorentzen 设计了跨临界二氧化碳循环系统，提倡并推广CO2制冷系统后［7］，CO2制冷剂又重新成为了近期研究的热点。目前CO2技术在欧盟各国市场发展迅速。我国一些企业及科研机构也在积极研究该项目，并在一些食品、物流企业开始实施，系统均运行可靠。

1．2 制冷剂安全性分析

1．2．1 NH3制冷剂

NH3制冷剂的OEL 值最小，LFL 值和HOC 值最高，且Std 34 safety group 等级为B2，说明氨的综合危险性最高，它具有较强的毒性、可燃性和易爆性。毒性对人体的伤害见图1 所示［12］，该图用于有毒物质排放情景模拟，图的左边线对应于由易感人群(老年人，体弱者和小孩)可忍耐的最大浓度，在该浓度范围内，人体健康不受损伤;右边的两条线是指对易感人群造成死亡影响的不同风险值;图中心较短的线条是指技术人员从事工作活动时的风险范围;一旦浓度超出了图中所示的线，会对人身健康产生影响。氨的可燃性和易爆性，当氨蒸气在空气中容积浓度达到11% ～14%时，即可点燃，当浓度达到16%一25%时，遇明火爆炸。除此之外，当系统泄露时，飞溅到人体的液氨会对人体产生冻伤。鉴于此，国外很多国家对氨制冷剂的使用做了相关的安全规范，如表3 所示［3］。我国《重大危险源辨识》:GB18218 －2000 中规定氨的临界量为40 t，而在《危险化学品重大危险源辨识》:GB18218 －2009中重新规定了有毒气体氨的临界量为10 t，严格控制了氨的充注量。

1．2．2 CO2制冷剂

CO2无毒，不可燃，对臭氧层无影响，温室效应也较小。但通过物性参数和运行参数分析，CO2吸排气压差非常大，而压比相对较小，且临界温度接近于环境温度，这样会造成CO2的运行工况比其他制冷剂更接近于临界点，使得系统运行压力较高，是一般普通制冷剂的5 ～10 倍［14］，这样会对设备、管道及阀件等的承压能力要求较高，对安全性能产生一定影响;虽然CO2视为无毒、环保气体，但当特定空间内CO2体积浓度达到2% ～3%时，会造成人的呼吸率增加，浓度达至4%便会影响人体的健康和生命［15］，浓度达到10%便会致人死亡［16］，在应用中，空间内最大允许的体积浓度一般设定为5%［17］;由于CO2属于酸性气体，当泄露于空气中时容易产生酸雨。

表2 NH3、R22、CO2制冷剂性能分析［8－11］

表3 几个典型国家氨制冷剂的典型规范［13］

但Man －Hoe Kima，Jostein Pettersen［14］等学者通过研究提出，CO2三相点的压力为0．52 MPa，在大气环境下，系统泄露CO2会结成干冰固体，不会出现冻伤现象，且CO2制冷系统采用的设备及元器件制造是基于运行负荷、使用寿命、材料的结构和处理工艺等理论为基础，可以达到安全标准，国外一些企业已经生产出了配套的压缩机和零部件，因此CO2的危险系数可以控制。

图1 NH3浓度暴露限值［12］

1．2．3 R22 制冷剂R22 与其他两种制冷剂相比其安全性能最高，但它产生的温室效应最大，对大气臭氧层有破坏作用，对环境造成的影响是无法弥补的。目前还无法通过技术手段来解决。因此，目前R22 仅作为过渡制冷剂应用于中小型冷库制冷系统中。

由此可见，NH3仍然是冷库制冷剂的主流，R22仅作为过渡且不适用于大系统，CO2有发展潜力。

2 冷库制冷系统安全性分析

制冷剂充注量的多少主要取决于制冷系统。目前我国冷库以大中型氨系统居多，主要采用的是集中式氨泵强制供液制冷系统，因此，下文以集中式氨制冷系统为基础，分析提高冷库制冷系统安全性的方法和措施。

2．1 集中式氨制冷系统

集中式氨制冷系统是指将制冷装置的主要机器、设备集中安装于特定的机房内，通过气、液调节站，回气、供液管道将各库房的冷却设备连接起来。该系统一般应用于大型冷库系统中，其系统如图2所示。这种系统供冷量大，且供冷均匀，但设备多、系统复杂，制冷剂充注量大，管道长，管道阻力大，自动控制化程度低［18］。因此，系统泄漏率较高，危险性较大。

2．2 集中式氨制冷系统的安全性措施

要提高集中式制冷系统安全性，可通过简化系统、管路以降低泄露概率，优化系统、设备来减少制冷剂充注量，提高系统自动化程度降低人为因素发生的事故率。如库内蒸发器选用高效变片距不锈钢盘管冷风机代替光排管，在相同冷量下制冷剂充注量只占传统光滑排管注氨量的5%，减少95%注氨量［1］;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，尽量缩短管道长度等措施，在简化系统的同时，可减少氨的充注量［19］。但这些方法对系统安全性的提高是有限的。

2．3 减少氨充注量的制冷系统

2．3．1 分散式直接膨胀制冷系统

分散式制冷系统是指将压缩机、冷凝器、节流装置等设备组装为一体，通过管路直接与库房内的冷却设备进行连接。这种分散式系统不需要机房，布置灵活，其系统如图3 所示。这种系统通常采用直接膨胀式，具有系统简单、设备少、管路短、制冷剂充注量少、自动化程度高、安全性能好等优点。但制冷量较小，适合应用于小型冷库系统。这种制冷系统目前主要是采用R22 作为制冷剂，但随着螺杆式氨压缩机的出现，板式换热器、干式蒸发器的使用，氨膨胀阀及与氨互溶的润滑油的研制成功，使得氨制冷系统中小型化成为可能。据研究表明，采用干式蒸发器取代传统的满液式蒸发器可减少氨充注量90% ～95%［20］。为了增大分散式冷库的制冷能力，该分散式直接膨胀氨制冷系统可采用多机头并联机组，它秉承了分散式系统的优点，同时兼备了集中式系统的长处，具有很好的应用前景。

图2 集中式氨泵供液制冷系统图

图3 分散式直接膨胀制冷系统图

2．3．2 二次回路载冷系统

二次回路载冷系统是由主回路氨制冷剂循环系统和载冷剂循环系统两个独立子系统组成，载冷剂可以采用乙二醇水溶液、盐水溶液、氨等。CO2载冷系统如图4 示，该系统与盐水溶液、乙二醇水溶液等常规载冷系统相比，具有明显的节能优势(如图5示);与直接冷却式制冷系统相比较，系统设计简单，缩短了制冷剂系统的循环管路，减少了制冷剂的充注量和泄漏率。Delventura 对超市制冷系统采用二次回路系统与传统直接蒸发制冷系统进行比较，其结果见表4 所示［21］，二次回路中制冷剂侧的充注量仅是直接膨胀式制冷剂充注量的10%，制冷剂排放量仅是直接膨胀系统的1/6。可见安全性能获得了显著提高。

表4 直接蒸发式制冷系统与二次回路系统的比较［22］

图4 二次回路CO2载冷系统图

图5 相同500 kW 冷量下，NH3直冷式与常规载冷系统和CO2载冷系统压缩机功耗比较图［22］

2．3．3 CO2/NH3复叠式制冷系统

CO2/NH3复叠式制冷系统是由两个独立的制冷系统组成，其系统如图6 示。NH3制冷剂应用于高压端，可避免低温(－50℃)下，系统产生负压而使空气渗入带来的一系列问题;CO2应用于低压端，避免冷凝压力超临界，起到了扬长避短的功效。如图7 示，CO2/NH3复叠制冷系统与NH3直冷系统在相同冷量下的压缩机功耗图［23］，随着温度的降低，CO2/NH3复叠式制冷循环系统机组的功耗越来越接近于直冷式机组的功耗，当温度低于－ 34℃时，CO2/NH3机组功耗逐渐低于直冷式。

因此，CO2/NH3复叠系统不仅具有二次回路的优点，同时低温下更节能，更安全。如某工况:CO2的蒸发温度为－42℃，冷凝温度－11℃，CO2充注量2 500 kg，NH3的充注量240 kg;CO2回路配备两台往复式压缩机，制冷量分别为210 kW 和140 kW，循环贮液器4．745 m3，采用壳管式冷凝—蒸发器;将该系统与相应的两级压缩式NH3/NH3系统进行安全性能分析，其结果见表5 所示［23］。

图6 CO2/NH3复叠式制冷系统图

图7 相同500 kW 冷量下，NH3 直冷系统与NH3/CO2系统压缩机功耗对比图［23］

表5 CO2/NH3复叠式制冷系统与传统两级压缩氨系统的安全水平比较［23］

3 结论

通过前述对冷库制冷剂和制冷系统的综合分析，可得到以下结论:

(1)冷库中制冷剂:NH3仍然是主流，R22 仅作为过渡且不适用于大系统，CO2有发展潜力;

(2)集中式氨制冷系统:简化系统、减少充注量、加强泄漏检测，可提高系统安全性;

(3)系统改变:采用分散直膨式、二次回路CO2载冷剂、CO2/NH3复叠式等制冷系统简化工艺，减少氨制冷剂充注量，提高系统自动化，增强系统安全性。

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