化工用压缩式冷水机组的选型

肖兴均

中国成达工程有限公司　成都　610041



化工用压缩式冷水机组的选型

肖兴均*

中国成达工程有限公司成都610041

摘要压缩式冷水机组是化工装置冷水系统的核心设备。介绍不同类型冷凝器、蒸发器、膨胀节流装置结构特点；分析对比制冷剂特性，螺杆式冷水机组和离心式冷水机组的冷量范围、负荷调节、COP值(名义工况性能系数)。

关键词压缩式冷水机组制冷剂冷凝器蒸发器膨胀节流

化工用压缩式冷水机组一般安放于冷冻站内，主要由压缩机、蒸发器、冷凝器、膨胀节流装置组成，见图1。根据机组采用的压缩机类型可分为：活塞式冷水机组、螺杆式冷水机组和离心式冷水机组。活塞式冷水机组用于小冷量，维修率较高、效率较低的场合，目前在化工装置冷水系统中极少采用。螺杆式冷水机组已取代了在小冷量范围应用的活塞式冷水机组，覆盖了中小冷量范围；离心式冷水机组则主要应用在大冷量范围。

图1　压缩式冷水机组

1制冷剂的选择

R22作为压缩式冷水机组用制冷剂已经被广泛采用，但是ODP值为0.055，会破坏臭氧层。据《蒙特利尔议定书》及相关会议文件规定，HCFCs制冷剂(含R22)于2040年在发展中国家100%禁用。因此在新的项目中应尽量避免使用R22，应采用替代制冷剂，如R134a、R410A、R507等，其特性见表1。

R507为共沸点混合冷剂，理论COP最高， 但是GWP值为R22的两倍多，且机组的系统设计压力高，设备采购成本较高，性价比不高，在追求高COP时可采用。R410A为近共沸点混合冷剂，系统

表1　制冷剂特性

注：①理论COP基于：蒸发温度4℃，冷凝温度40℃；②系统设计压力：最高环境温度+10℃对应的制冷剂饱和蒸汽压力。

设计压力高，理论COP低，设备采购成本和使用成本都高，不宜采用。R134a的ODP值为0，GWP值低，系统设计压力低，理论COP与R22接近，R134a综合性能优良。目前国内主要的压缩式冷水机组生产商都可采用R134a替代R22。R134a已经成为压缩式冷水机组的主流制冷剂。

2机组型式的选择

压缩式冷水机组的压缩机可选用活塞压缩机、螺杆压缩机、离心压缩机。活塞式冷水机组能耗高，维修量大，且只适用于小冷量工况，因此在化工装置中应用很少。目前化工装置中，压缩式冷水机组基本采用稳定性好、能耗低、维护量小的螺杆式冷水机组和离心式冷水机组。

冷量1000kW以内，采用螺杆式冷水机组。

冷量在1000kW～1500kW，离心式冷水机组、螺杆式冷水机组均可采用。离心式冷水机组COP值略高于螺杆式冷水机组，但是螺杆式冷水机组成本较低，性价比高，因而推荐使用螺杆式冷水机组。

冷量在1500kW～2000kW，多数供货商采用多机头的螺杆式冷水机组，其成本与离心式冷水机组相差不大，但是离心式冷水机组COP值高，离心式冷水机组在该冷量范围长期运行成本低，性价比高。

冷量>2000kW，对于单机头螺杆式冷水机组，由于吸气量大，螺杆压缩机成本较高，多数供货商放弃了单机头方案，采取多机头螺杆式冷水机组。离心式冷水机组的COP值高于螺杆式冷水机组，价格上离心式冷水机组也略有优势，且价格优势会随着冷量的增大而放大。大冷量工况采用离心式冷水机组。各品牌离心式冷水机组都能达到单台冷量6000kW，单台最大冷量可超过10000kW。机组特性见表2。

表2　机组特性

3负荷调节配置

化工装置的生产负荷会进行调节，冷水用量会变化，配套的冷水机组负荷也要随之进行调节，因此冷水机组必须设置负荷调节系统。负荷调节范围见表3。

表3　负荷调节范围　(%)

离心式冷水机组采用进口导叶+出口扩压器宽度调节；螺杆式冷水机组采用滑阀调节。配备热气旁通，两种型式机组负荷调节可达到0～100%。

离心式冷水机组比螺杆式冷水机组部分负荷性能曲线平缓，见图2。离心式冷水机组COP变化率较小，部分负荷能耗低。因为60%额定负荷以下时，滑阀调节的螺杆压缩机在低于50%额定流量工况，螺杆有效长度变短，内压比大幅降低，使等容压缩到排气压力的附加功耗加大，机组负荷虽降低，但是压缩机轴功率下降相对较小，机组效率陡降。

图2　部分负荷性能曲线

离心式冷水机组负荷调节还可采用：变频+进口导叶+出口扩压器宽度调节(简称变频调节)，见图3。变频调节的部分负荷COP优于进口导叶+出口扩压器宽度调节方式，变负荷能耗更低，而且变频调节使机组的高效区扩大，机组稳定性增强。变频调节需要增加变频器，配变频电机，机组配套成本较高。对于大冷量的离心式冷水机组，采用变频调节能耗低的优势会很明显，可考虑采用。

图3　离心机组部分负荷性能曲线

4冷凝器选择

冷凝器分为空冷式冷凝器、水冷式冷凝器和蒸发式冷凝器，其特性见表4。

表4　冷凝器特性

空冷式冷凝器采用空气冷却压缩后的气态制冷剂，风冷的传热系数小，制冷剂冷凝温度高和冷凝压力高，会降低机组的效率。但是，空冷式冷凝器不需要冷却水，因此适用于缺水地区。

水冷式冷凝器采用循环水冷却制冷剂，冷凝温度中等，换热效率较高，维护成本低，稳定性好。虽然水耗高，但是由于循环水系统提供冷却水，成本较低，因此水冷式冷凝器在化工用压缩式冷水机组中广泛应用。

蒸发式冷凝器以冷却管外水的显热交换和空气冷却制冷剂。蒸发式冷凝器比水冷式蒸发器蒸发温度低约3℃，对应的蒸发压力降低，压缩机的轴功率下降，机组效率提高。因此，其具备换热效率高，电耗和水耗低的优点。蒸发式冷凝器若冷却管外表面结垢，换热效率会大幅降低，因此对环境中空气质量和冷却水要求高，而化工项目现场环境一般都比较差，再加之其价格是同功率其他型式蒸发器的2倍以上，虽然其能耗低，但是性价比不高，在化工工程上应用很少。

5蒸发器选择

蒸发器分为：干式蒸发器、降膜式蒸发器、满液式蒸发器，其特性见表5。

表5　蒸发器特性

干式蒸发器指制冷剂在冷却管内完全汽化的蒸发器，管内有效沸腾面积为管内表面积的30%，传热系数较低；结构上可分为板式蒸发器和管壳式蒸发器。板式蒸发器又分为可拆卸式和整体钎焊板式。可拆卸板式蒸发器设计压力最高25bar(G)，维修、清洗方便；整体钎焊板式换热器，承压能力较高，但是清洗维护困难；管壳式蒸发器，承压能力较高，清洗维护容易，但是成本较高。小冷量机组，可结合制冷剂的蒸发压力、蒸发温度、维护及成本综合考虑，合理选用。

降膜式蒸发器，制冷剂从蒸发器顶部分配器均匀分配到换热管表面，形成薄膜，与管内冷水进行换热，未蒸发的制冷剂沉积在蒸发器底部，满液蒸发与冷水换热或用泵加压再次喷淋。该型式蒸发器具有换热效率高，制冷剂充注量小的优点；但是其结构复杂，成本比满液式蒸发器高，技术并不成熟，应用也较少。需要在制冷剂分配及换热模型上完善，将其高效换热的优势充分体现，并降低成本，才可推广使用。

满液式蒸发器，制冷剂在管外沸腾与管内冷水换热，有效沸腾面积为管外表面积的100%，传热系数高，结构紧凑，可靠性高，维修方便。虽然制冷剂充注量大、成本较高，回油差，但在化工用压缩式冷水机组中应用极为广泛。

小冷量机组可采用干式蒸发器，而中大冷量机组选用满液式蒸发器性价比高。

6膨胀节流装置选择

膨胀节流装置在冷水系统中起节流和调节进入蒸发器制冷剂流量的作用。节流膨胀装置分为热力膨胀阀、电子膨胀阀、浮球阀和固定孔板。

电子膨胀阀控制精度高于热力膨胀阀，调节范围大，但是价格比热力膨胀阀高出数倍；浮球阀为机械式，价格低于热力膨胀阀。固定孔板是最简单的节流膨胀装置，因其价格低廉，在压缩式冷水机组中有应用，但是不具备自动调节功能，有供液不足的缺陷，会导致机组的效率衰减。因此，部分供货商又推出了与电子膨胀阀类似的可变孔板，可实现高效、可靠的自动控制。

干式蒸发器需要精确控制蒸发器出口过热度和进入蒸发器的制冷剂量，所以需要配置具备精确调节能力的热力膨胀阀、电子膨胀阀或可变孔板；满液式蒸发器配置电子膨胀阀、浮球阀或可变孔板，在追求低成本时，为弥补固定孔板供液不足，可配置固定孔板+手动/自动调节阀的组合。

7机组选型注意事项

(1)由于压缩式冷水机组供货商产品系列开发主要基于工商业空调制冷，因此大多数供货商产品普遍低于化工行业对设备及配套附件的技术要求。对于压缩机、压力容器、仪表、电气等的技术要求都必须满足项目的设计规范及技术要求。

(2)离心式冷水机组的负荷调节范围虽然最小能到15%(小气量最小调到20%)额定冷量，但离心式冷水机组低负荷还是存在喘振的风险，因此低负荷状态下不宜长时间运行。

(3)根据财税[2008]48号文件：“企业自2008年1月1日起购置并实际使用列入《目录》范围内的环境保护、节能节水和安全生产专用设备，可以按专用设备投资额的10%抵免当年企业所得税应纳税额”。若选用1级能效机组，业主可享受政策，节省设备成本。

(4)化工项目中压缩式冷水机组设计参数一般会有正常冷量、最大冷量。正常冷量应为所选机型额定冷量的80%以上，以保证机组长期稳定运行在高效区。最大冷量一般是装置开车或事故等非正常状态的冷量，出现的概率低和持续时间短。最大冷量一般比正常冷量大很多，甚至是倍数关系，因此必须在设计选型时弄清楚各工况的情况，力求在保证稳定运行的前提下，投资最少，运行成本最低。举例说明：某项目用14.5℃冷水系统，正常冷量2813kW；最大冷量7700kW(开车或事故状态所需)。方案一、二主要参数见表6。

表6　方案一、二主要参数

方案一采用3台2813kW离心式冷水机组，总冷量8439kW。

方案二采用2台3100kW离心式冷水机组和1台1500kW螺杆式冷水机组，总冷量7700kW。

方案二是方案一成本的90%，方案二的运行能耗略好于方案一，且方案二在低负荷只运行1500kw螺杆式冷水机组，调节能力更强，也能从根本上避免小负荷时离心压缩机发生喘振。方案一采用同型号机组，备件可通用，而方案二采用两种类型机组，备件多一些，但是两种类型机组备件消耗和维修量都比较小。总的看来，方案二性价比更高，业主分析对比后采用了此方案。

(5)IPLV-综合部分负荷性能系数、NPLV-非标准部分负荷性能系数， 权重在75%和50%部分负荷，是空气调节用冷水机组核心考核参数。

化工用冷水系统负荷相对稳定，受外界环境温度影响较小。所以，压缩式冷水机组考核指标应为正常或额定负荷的COP，IPLV或NPLV不宜作为评价化工用冷水机组的核心指标。

(6)压缩式冷水机组部分负荷时，改变冷水流量，对机组的效率几乎没有影响。因此，冷水系统负荷调节与冷水变流量可结合设计，节能效果明显。在冷水系统上设置流量计及调节装置与机组联锁控制部分负荷冷水量对于降低冷水系统部分负荷能耗是必要的，其具体设定参数需要冷水系统设计者与机组控制设计者共同确定。

(7)多机头机组即两个及以上独立的压缩制冷循环并联在同一个机组上，冷凝器及蒸发器制冷剂侧被分成与压缩机数量对应的独立空间，通过法兰连接成一个整体，而冷却水和冷水侧公用。独立的压缩制冷循环，优点在于负荷调节能力强，一台压缩机的故障不会导致整机停机，目前多机头机组国内外供货商基本都采用此结构型式。

8结语

本文结合化工项目特点，对化工用压缩式冷水机组选型各要点进行详细的分析，旨在通过分析，找出可靠性强，且最具性价比的设计方案，对工程设计人员和用户选型和使用具有参考价值。

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(收稿日期2015-09-07)

*肖兴均：工程师。2007年毕业于兰州理工大学流体机械及工程专业。从事化工机泵设备设计工作。联系电话：(028)65537136。

E-mail：xiaoxingjun@chengda.com。