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氨制冷系統在工業領域的成功應用

發表日期:2019/3/14 10:40:58 來源:《制冷與空調》 評論 總點擊量: 次

在過去的30年,由于對環境産生的不良影響,合成制冷劑的使用受到了諸多限制。這一趨勢下,人們将目光轉向了對地球生态系統無害的氨和二氧化碳。氨制冷在工業領域處于主導地位已長達150年。由于其獨特的制冷特性和高能效,氨一直是大型工業制冷的主流制冷劑。近年來,随着化學、材料科學、制冷技術和制造技術在工業領域的不斷發展,氨開始逐漸應用于小型制冷系統中。而在過去,這些小型制冷系統多采用其他制冷劑,如HFCs和HCFC。氨被定義為有毒和輕度可燃氣體,随着技術的發展,已經對其實施了安全要求。國際制冷安全标準有ASHRAE 15、EN 378和ISO 5149等,而每個國家都有其關于工作場所健康和安全的規則和條例。在歐洲國家,雖然有總體安全指導标準,但他們在不同國家的實施方法也不相同。

1  設計和安全要求

在計劃設計一個新的氨制冷系統時,工藝、安全和對環境産生的影響等要求都必須要考慮進去。系統要滿足對制冷量、溫度和能效的要求。對于大型氨制冷系統而言,其對安全的要求要比無毒制冷劑高出很多。在制冷系統建成和投入運行之前,需提供大量的資質文件。不同的國家機構所要求提供的文件的數量和内容不同,但對于基本安全和運營要求是一緻的。


幾十年來,從近似事故和确定事故中提取工業制冷的“最佳實踐”。這些信息已經在一些現有的規範、指令、标準、指南中成功地使用和實施。圖1為大型工業制冷系統的主要标準示意圖(“設計和安全三角形”),包含一些最常用的标準/指南。

理想的情況是所有制冷系統的設計、運行和維護都應該遵循“最佳實踐”。以下這些不同的标準和能力使什麼是“最佳實踐”有了更寬泛的解釋(表1)。


從系統設計要點開始,通用信息/标準要求可以在像EN 378、ISO 5149和ASHRAE 15标準中找到。這些标準非常實用,但需要注意的是,他們不能作為設計手冊或指南使用。IIAR是最常用的設計指南,由國際氨制冷學會的專家編輯,對氨制冷系統安全有專門的标準和規範。

EN 378是完整體系中的唯一标準,覆蓋了對系統部件以及材料的要求(包括鑄造要求、焊接要求)。标準中規定産品必須符合包含質量要求在内的所有基本要求,須由指定機構進行檢驗,并在産品上顯示CE标志。

管理方面,運行、維護、安全、風險評估和廠外安全的标準需遵循歐洲體系内的國家規範。EN 378中所描述的一些管理問題,其可接受等級由各國當局決定。在美國,ASHRAE 15與EN378中的标準要求類似,但除此之外OSHA(職業安全與健康管理署)還對運營安全要求規定了标準,即PSM(工藝安全管理)。該标準适用于氨的充注量達10 000磅(4 536 kg)以上的系統。 PSM考慮到了所有影響氨制冷系統安全的因素(表2),涵蓋了非常全面的規則和要求,以确保系統可以安全運行。

由IIAR開發的特定标準和指南可以滿足所有标準要求,從而作為非常重要的工具被工廠設計人員廣泛使用,以确保“最佳實踐”在設計和系統運行中得到實施。

廠外安全主要考慮的是系統與工廠的安全距離(表3)。盡管工廠運營的設計和安全都遵循了廠外安全的标準要求(特别是人口密集地區),然而許多國家的安全标準在一直提升。不同的國家,安全距離也不一樣。系統中液氨的存儲量所在的位置位于系統的哪個部分是一個關鍵的安全因素。

2  安全系統設計

工程師在設計工業制冷系統時首要的基本要求是:

1)确保遵守所有相關安全規範并滿足所有标準要求。

2)确保系統高效,能滿足制冷量和溫度要求。

3)将具備探測功能的部件和設備安裝在便于操作的地方,以方便系統檢修和維護。

系統設計的第二個要點是最終的建造和安裝。最終設計要确保滿足所有的标準要求,這點非常重要。 設計文件無法羅列出所有細節,因此,需要經驗豐富的安裝人員和娴熟的安裝技術才能保障系統最終滿足所有标準要求。

工廠的安全運營方面,運營者必須充分了解工廠,當有罕見和突發情況發生時,能夠采取正确的應對措施。

3  設計方法和原則是決定整個系統安全的關鍵

以下的幾種操作方法可确保安全運營,但需多加留意系統的局部和配件。熱氣融霜是最重要也是最常見的标準操作之一,如圖2所示。該方法快速、可靠、經濟,但需要操作準确以保證安全。在熱氣融霜過程中,主要制冷回路被切斷,熱氣注入到冷的蒸發器中,此時有一些液體産生。在除霜過程中,壓力不斷上升,此時蒸發器的作用就像冷凝器一樣,将氣體液化。除霜後,系統回到正常操作模式,但如果閥門打開過快,高壓液體在大量熱氣的沖擊下,被蒸發器突然推出,會在管道内發生“液擊”。液擊會對部件和管道造成損壞,從而導緻安全事故。所以,“液擊”絕對不能發生。液位檢測、正确的閥門尺寸和有效的控制開關是保證熱氣融霜方案安全高效的關鍵。在分析以上融霜過程時,有一些易犯的錯誤需要特别注意。

階段“A”表示正常的制冷循環。蒸發器中存在大量的制冷劑,此時注入的熱氣會瞬間蒸發,從而沖擊液體向前移動。因此,應避免直接從制冷模式變為融霜模式。在文獻中記錄了這種模式改變所帶來的潛在“液擊”風險以及可能對蒸發器管路封蓋和/或閥門造成的損害。

針對蒸發器内殘留制冷劑的安全解決方案(階段B)是先關閉供液閥,根據蒸發器大小和溫度讓風機繼續運行10~15 min。在階段B之後,比較好的做法是用幾分鐘時間來平衡蒸發器,然後再進入階段C的熱氣注入。

從壓縮機機房到蒸發器通常有一段很長的距離,管道可能會通過寒冷區域,也就是說管路内可能會有一些冷凝液體。所以,要利用高壓浮球排液閥将液體從熱氣管路中排空。在熱氣管路上安裝一個慢開閥門,可以把熱氣通入冷的蒸發器時所産生的影響降到最低。平行安裝兩個電磁閥,逐個開啟,可實現閥門慢開功能。安裝出口壓力調節閥也是不錯的選擇(将熱氣壓力降低至比選定的除霜壓力高出約1bar)。

在融霜循環的末端,壓力很高,蒸發器中可能存在一些液體。如果回路中的閥門突然打開,液體就會突然沖出撞擊回氣管道,産生“液擊”。一個慢開閥門或一個兩步開啟式閥門可以有效避免液擊發生。

對于手動操作系統,必須嚴格遵守規定的安全操作步驟。熱氣融霜是氨制冷系統中一個例行的周期性操作,在人工操作系統中确保長久安全非常具有挑戰性。自動化系統帶有固定的融霜循環,能夠避免人工操作的失誤,提高整體安全性。然而系統設計必須遵循安全标準要求,包括正常的維護計劃。

值得強調的是,為了節省時間而減少融霜循環的步驟将會引起非常嚴重的後果。大的液擊是緻命的,而小的液擊不斷累積也會造成嚴重的後果。系統的可靠性和“安全屏障”與諸多因素相關,例如零部件的材料特性。零部件采用适合低溫應用的韌性材料要比采用脆性材料更加可靠。即使采用了韌性材質的設備和管道部件也不能保證永不斷裂。錯誤的連接方式也會導緻斷裂發生,例如即使是采用了韌性材質鋼材制作的管道,如果焊接不良,依然會有斷裂風險。

3.1  風險分析

要确保制冷系統安全運行,就要對風險和危害進行細節分析(圖3),包括對在系統投運前和投運後的“近似事故”進行研究調查。制冷系統運行風險評估的主要因素可參見上文提到的EN 378,ISO 5149,ASHRAE 15和IIAR,以及檢SOP(标準操作程序)中被描述為“最佳實踐”的部分。

氨制冷系統的氨充注量可能非常大。因此,進行洩漏事故廠外風險分析非常必要。廠外風險分析主要是預測“最壞情況洩露”所産生的影響。廠外風險分析标準要求通常依據當地或者本國的法規,有些标準隻屬于某一個地區,可能到了另外一個地區就不被接受。氨制冷系統包含非常多的指令。下面這個案例,講述了一個大型氨制冷系統如何将風險最小化,其中的方法已經備案并且被廣泛認可。

在确認了故障的潛在風險後,要分析出故障頻率以及所帶來的影響。結果是可以被量化(通過模拟)或定性的。将風險評估的結果與可接受風險的等級進行比較。

定量風險分析:定量風險分析是對系統所有可能失效部分進行風險評估,可以預估出失效風險概率及其所帶來的後果,在這一基礎上,取得位置風險和社會風險的具體數值。

定性風險分析:該術語的定義不如定量風險分析明确,涵蓋了數值評估以外的各種方法。 定性方法通常用于曆史數據無法獲取的罕見事故。

定量風險評估的最大的挑戰之一是獲取有文件記載的失效頻率。最全面的數據來源之一是DNV(挪威船級社)-(失效頻率指導)。DVN的數據來源于烴洩漏數據庫HCRD,由英國健康和安全協會(HSE)編輯,已經有20年之久。這個數據庫包含了英國大陸架石油天然氣安裝的4 000多個洩漏事故的細節。它涵蓋78種不同類型和尺寸的加工設備,記錄了洩漏量和洩漏面積。

根據上述失效頻率,Det Norke Veritas(DNV)進一步為丹麥環境部(環境保護局)開發了一個簡化的計算工具,并與DNV軟件和統一分散模型PHAST結合使用。

圖4為頻率-影響圖示。有一些不同的方法可以将某個确定風險降低到可接受等級。


3.2  廠外風險評估

廠外風險評估主要分析“最壞情況洩漏”發生時所帶來的影響。供液管路與桶泵連接處以及供液管路和與貯液器的連接部分,通常是評估“最壞情況洩漏”的主要源頭。

3.2.1  舉例

一套裝置,包含一個含有8 000 kg液氨的桶泵,一個口徑為DN 65,長350 m,包含520個法蘭連接,430個閥門和170個清管器收發裝置的供液管路。最壞的情況是管道破裂,制冷劑全部洩漏。基于這一假設,對在室内洩漏進行概率分析和洩漏調查。

如果計算出的管道破裂概率(表4)和結果分析顯示這套裝置的風險過高,那麼下面這些減輕方式可有效降低風險(圖5)。



在這個案例中,“最壞情況洩漏”的可能性在從2.3×10-3降低到2.3×10-7(圖6)。(每年事件)失效率2.3×10-7 在大多數情況下屬于允許風險等級。安全屏障要參照有備案的失效率。該案例中,失效率很大程度上取決于能否對執行機構發出的可靠的信号使其動作。所顯示的失效率符合SIL 1 (IEC 61508) 。

EN 378專門針對含氨量3 000 kg以上的氨制冷系統,規定供液管路中必須配備遠程控制開關裝置。遠程控制緊急切斷閥應安裝在泵的吸入口側。緊急切斷閥和遠程控制開關裝置,可以是同一組裝置,其安全功能已被記載。這個案例中的情況是室内洩漏,快速可靠的信号可以從一個或多個重要位置的氣體探測器發出。對于室外洩漏,由于氣體探測存在一定的困難,安全屏障的概率應降低,響應時間可延長。

另一個可以降低風險的辦法是減輕洩漏後果。在上面的例子中,如果貯液器被分成兩個獨立,在管道破裂時,一個貯液器不會對另外一個産生影響,洩漏量就會減少50%。同樣的原理可以用于其他的大型貯液器。要确定某個部分的管道破裂不會對系統的其他部分造成影響是有一定難度的。

氨的充注量對整個氨制冷系統的安全性有直接的影響,特别是對廠外風險評估。一些通過測試并且已經成熟的技術方案,可以把氨的充注量減小到可接受的水平。氨/二氧化碳複疊式制冷系統可以大量減少氨的充注量,并且對系統整體效率的影響很少,因而近來備受關注。對低溫系統而言,還可以提升其整體能效。氨/二氧化碳複疊制冷系統可以将氨布置在單獨的機房,用二氧化碳進行循環。

其他系統,例如直接膨脹系統和低壓貯液器系統也可以減少氨的充注量,但是這些系統尚未得到廣泛的應用,仍需繼續發展和完善。

4  結束語

氨是優質的天然工質,制冷效率高,但同時氨也是有毒氣體,因此系統的設計和安裝位置尤為重要。

建設一個大型的安全系統面臨諸多挑戰,多年來采取了諸多方法來不斷完善和發展技術标準和指導方針。各國當局對氨制冷風險的關注度在不斷上升。對位于人口密集地區的大型制冷系統進行風險評估并且備案已成為許多國家的強制性要求。要關注所有安全項,對所有的安全因素逐個評估,并确保最佳實踐得以實施,确保整個系統處于低風險等級。作為替代的其他解決方案,如氨/二氧化碳複疊制冷,也必須滿足系統的安全要求。

本文選自《制冷與空調》2019年1月刊61-66頁,作者:Niels P Vestergaard  Torben Funder-Kristensen  肖倫  黃志華;未經許可,不得轉載



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