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氨制冷系统在工业领域的成功应用

发表日期:2019/3/14 10:40:58 来源:《制冷与空调》 评论 总点击量:

在过去的30年,由于对环境产生的不良影响,合成制冷剂的使用受到了诸多限制。这一趋势下,人们将目光转向了对地球生态系统无害的氨和二氧化碳。氨制冷在工业领域处于主导地位已长达150年。由于其独特的制冷特性和高能效,氨一直是大型工业制冷的主流制冷剂。近年来,随着化学、材料科学、制冷技术和制造技术在工业领域的不断发展,氨开始逐渐应用于小型制冷系统中。而在过去,这些小型制冷系统多采用其他制冷剂,如HFCs和HCFC。氨被定义为有毒和轻度可燃气体,随着技术的发展,已经对其实施了安全要求。国际制冷安全标准有ASHRAE 15、EN 378和ISO 5149等,而每个国家都有其关于工作场所健康和安全的规则和条例。在欧洲国家,虽然有总体安全指导标准,但他们在不同国家的实施方法也不相同。

1  设计和安全要求

在计划设计一个新的氨制冷系统时,工艺、安全和对环境产生的影响等要求都必须要考虑进去。系统要满足对制冷量、温度和能效的要求。对于大型氨制冷系统而言,其对安全的要求要比无毒制冷剂高出很多。在制冷系统建成和投入运行之前,需提供大量的资质文件。不同的国家机构所要求提供的文件的数量和内容不同,但对于基本安全和运营要求是一致的。


几十年来,从近似事故和确定事故中提取工业制冷的“最佳实践”。这些信息已经在一些现有的规范、指令、标准、指南中成功地使用和实施。图1为大型工业制冷系统的主要标准示意图(“设计和安全三角形”),包含一些最常用的标准/指南。

理想的情况是所有制冷系统的设计、运行和维护都应该遵循“最佳实践”。以下这些不同的标准和能力使什么是“最佳实践”有了更宽泛的解释(表1)。


从系统设计要点开始,通用信息/标准要求可以在像EN 378、ISO 5149和ASHRAE 15标准中找到。这些标准非常实用,但需要注意的是,他们不能作为设计手册或指南使用。IIAR是最常用的设计指南,由国际氨制冷学会的专家编辑,对氨制冷系统安全有专门的标准和规范。

EN 378是完整体系中的唯一标准,覆盖了对系统部件以及材料的要求(包括铸造要求、焊接要求)。标准中规定产品必须符合包含质量要求在内的所有基本要求,须由指定机构进行检验,并在产品上显示CE标志。

管理方面,运行、维护、安全、风险评估和厂外安全的标准需遵循欧洲体系内的国家规范。EN 378中所描述的一些管理问题,其可接受等级由各国当局决定。在美国,ASHRAE 15与EN378中的标准要求类似,但除此之外OSHA(职业安全与健康管理署)还对运营安全要求规定了标准,即PSM(工艺安全管理)。该标准适用于氨的充注量达10 000磅(4 536 kg)以上的系统。 PSM考虑到了所有影响氨制冷系统安全的因素(表2),涵盖了非常全面的规则和要求,以确保系统可以安全运行。

由IIAR开发的特定标准和指南可以满足所有标准要求,从而作为非常重要的工具被工厂设计人员广泛使用,以确保“最佳实践”在设计和系统运行中得到实施。

厂外安全主要考虑的是系统与工厂的安全距离(表3)。尽管工厂运营的设计和安全都遵循了厂外安全的标准要求(特别是人口密集地区),然而许多国家的安全标准在一直提升。不同的国家,安全距离也不一样。系统中液氨的存储量所在的位置位于系统的哪个部分是一个关键的安全因素。

2  安全系统设计

工程师在设计工业制冷系统时首要的基本要求是:

1)确保遵守所有相关安全规范并满足所有标准要求。

2)确保系统高效,能满足制冷量和温度要求。

3)将具备探测功能的部件和设备安装在便于操作的地方,以方便系统检修和维护。

系统设计的第二个要点是最终的建造和安装。最终设计要确保满足所有的标准要求,这点非常重要。 设计文件无法罗列出所有细节,因此,需要经验丰富的安装人员和娴熟的安装技术才能保障系统最终满足所有标准要求。

工厂的安全运营方面,运营者必须充分了解工厂,当有罕见和突发情况发生时,能够采取正确的应对措施。

3  设计方法和原则是决定整个系统安全的关键

以下的几种操作方法可确保安全运营,但需多加留意系统的局部和配件。热气融霜是最重要也是最常见的标准操作之一,如图2所示。该方法快速、可靠、经济,但需要操作准确以保证安全。在热气融霜过程中,主要制冷回路被切断,热气注入到冷的蒸发器中,此时有一些液体产生。在除霜过程中,压力不断上升,此时蒸发器的作用就像冷凝器一样,将气体液化。除霜后,系统回到正常操作模式,但如果阀门打开过快,高压液体在大量热气的冲击下,被蒸发器突然推出,会在管道内发生“液击”。液击会对部件和管道造成损坏,从而导致安全事故。所以,“液击”绝对不能发生。液位检测、正确的阀门尺寸和有效的控制开关是保证热气融霜方案安全高效的关键。在分析以上融霜过程时,有一些易犯的错误需要特别注意。

阶段“A”表示正常的制冷循环。蒸发器中存在大量的制冷剂,此时注入的热气会瞬间蒸发,从而冲击液体向前移动。因此,应避免直接从制冷模式变为融霜模式。在文献中记录了这种模式改变所带来的潜在“液击”风险以及可能对蒸发器管路封盖和/或阀门造成的损害。

针对蒸发器内残留制冷剂的安全解决方案(阶段B)是先关闭供液阀,根据蒸发器大小和温度让风机继续运行10~15 min。在阶段B之后,比较好的做法是用几分钟时间来平衡蒸发器,然后再进入阶段C的热气注入。

从压缩机机房到蒸发器通常有一段很长的距离,管道可能会通过寒冷区域,也就是说管路内可能会有一些冷凝液体。所以,要利用高压浮球排液阀将液体从热气管路中排空。在热气管路上安装一个慢开阀门,可以把热气通入冷的蒸发器时所产生的影响降到最低。平行安装两个电磁阀,逐个开启,可实现阀门慢开功能。安装出口压力调节阀也是不错的选择(将热气压力降低至比选定的除霜压力高出约1bar)。

在融霜循环的末端,压力很高,蒸发器中可能存在一些液体。如果回路中的阀门突然打开,液体就会突然冲出撞击回气管道,产生“液击”。一个慢开阀门或一个两步开启式阀门可以有效避免液击发生。

对于手动操作系统,必须严格遵守规定的安全操作步骤。热气融霜是氨制冷系统中一个例行的周期性操作,在人工操作系统中确保长久安全非常具有挑战性。自动化系统带有固定的融霜循环,能够避免人工操作的失误,提高整体安全性。然而系统设计必须遵循安全标准要求,包括正常的维护计划。

值得强调的是,为了节省时间而减少融霜循环的步骤将会引起非常严重的后果。大的液击是致命的,而小的液击不断累积也会造成严重的后果。系统的可靠性和“安全屏障”与诸多因素相关,例如零部件的材料特性。零部件采用适合低温应用的韧性材料要比采用脆性材料更加可靠。即使采用了韧性材质的设备和管道部件也不能保证永不断裂。错误的连接方式也会导致断裂发生,例如即使是采用了韧性材质钢材制作的管道,如果焊接不良,依然会有断裂风险。

3.1  风险分析

要确保制冷系统安全运行,就要对风险和危害进行细节分析(图3),包括对在系统投运前和投运后的“近似事故”进行研究调查。制冷系统运行风险评估的主要因素可参见上文提到的EN 378,ISO 5149,ASHRAE 15和IIAR,以及检SOP(标准操作程序)中被描述为“最佳实践”的部分。

氨制冷系统的氨充注量可能非常大。因此,进行泄漏事故厂外风险分析非常必要。厂外风险分析主要是预测“最坏情况泄露”所产生的影响。厂外风险分析标准要求通常依据当地或者本国的法规,有些标准只属于某一个地区,可能到了另外一个地区就不被接受。氨制冷系统包含非常多的指令。下面这个案例,讲述了一个大型氨制冷系统如何将风险最小化,其中的方法已经备案并且被广泛认可。

在确认了故障的潜在风险后,要分析出故障频率以及所带来的影响。结果是可以被量化(通过模拟)或定性的。将风险评估的结果与可接受风险的等级进行比较。

定量风险分析:定量风险分析是对系统所有可能失效部分进行风险评估,可以预估出失效风险概率及其所带来的后果,在这一基础上,取得位置风险和社会风险的具体数值。

定性风险分析:该术语的定义不如定量风险分析明确,涵盖了数值评估以外的各种方法。 定性方法通常用于历史数据无法获取的罕见事故。

定量风险评估的最大的挑战之一是获取有文件记载的失效频率。最全面的数据来源之一是DNV(挪威船级社)-(失效频率指导)。DVN的数据来源于烃泄漏数据库HCRD,由英国健康和安全协会(HSE)编辑,已经有20年之久。这个数据库包含了英国大陆架石油天然气安装的4 000多个泄漏事故的细节。它涵盖78种不同类型和尺寸的加工设备,记录了泄漏量和泄漏面积。

根据上述失效频率,Det Norke Veritas(DNV)进一步为丹麦环境部(环境保护局)开发了一个简化的计算工具,并与DNV软件和统一分散模型PHAST结合使用。

图4为频率-影响图示。有一些不同的方法可以将某个确定风险降低到可接受等级。


3.2  厂外风险评估

厂外风险评估主要分析“最坏情况泄漏”发生时所带来的影响。供液管路与桶泵连接处以及供液管路和与贮液器的连接部分,通常是评估“最坏情况泄漏”的主要源头。

3.2.1  举例

一套装置,包含一个含有8 000 kg液氨的桶泵,一个口径为DN 65,长350 m,包含520个法兰连接,430个阀门和170个清管器收发装置的供液管路。最坏的情况是管道破裂,制冷剂全部泄漏。基于这一假设,对在室内泄漏进行概率分析和泄漏调查。

如果计算出的管道破裂概率(表4)和结果分析显示这套装置的风险过高,那么下面这些减轻方式可有效降低风险(图5)。



在这个案例中,“最坏情况泄漏”的可能性在从2.3×10-3降低到2.3×10-7(图6)。(每年事件)失效率2.3×10-7 在大多数情况下属于允许风险等级。安全屏障要参照有备案的失效率。该案例中,失效率很大程度上取决于能否对执行机构发出的可靠的信号使其动作。所显示的失效率符合SIL 1 (IEC 61508) 。

EN 378专门针对含氨量3 000 kg以上的氨制冷系统,规定供液管路中必须配备远程控制开关装置。远程控制紧急切断阀应安装在泵的吸入口侧。紧急切断阀和远程控制开关装置,可以是同一组装置,其安全功能已被记载。这个案例中的情况是室内泄漏,快速可靠的信号可以从一个或多个重要位置的气体探测器发出。对于室外泄漏,由于气体探测存在一定的困难,安全屏障的概率应降低,响应时间可延长。

另一个可以降低风险的办法是减轻泄漏后果。在上面的例子中,如果贮液器被分成两个独立,在管道破裂时,一个贮液器不会对另外一个产生影响,泄漏量就会减少50%。同样的原理可以用于其他的大型贮液器。要确定某个部分的管道破裂不会对系统的其他部分造成影响是有一定难度的。

氨的充注量对整个氨制冷系统的安全性有直接的影响,特别是对厂外风险评估。一些通过测试并且已经成熟的技术方案,可以把氨的充注量减小到可接受的水平。氨/二氧化碳复叠式制冷系统可以大量减少氨的充注量,并且对系统整体效率的影响很少,因而近来备受关注。对低温系统而言,还可以提升其整体能效。氨/二氧化碳复叠制冷系统可以将氨布置在单独的机房,用二氧化碳进行循环。

其他系统,例如直接膨胀系统和低压贮液器系统也可以减少氨的充注量,但是这些系统尚未得到广泛的应用,仍需继续发展和完善。

4  结束语

氨是优质的天然工质,制冷效率高,但同时氨也是有毒气体,因此系统的设计和安装位置尤为重要。

建设一个大型的安全系统面临诸多挑战,多年来采取了诸多方法来不断完善和发展技术标准和指导方针。各国当局对氨制冷风险的关注度在不断上升。对位于人口密集地区的大型制冷系统进行风险评估并且备案已成为许多国家的强制性要求。要关注所有安全项,对所有的安全因素逐个评估,并确保最佳实践得以实施,确保整个系统处于低风险等级。作为替代的其他解决方案,如氨/二氧化碳复叠制冷,也必须满足系统的安全要求。

本文选自《制冷与空调》2019年1月刊61-66页,作者:Niels P Vestergaard  Torben Funder-Kristensen  肖伦  黄志华;未经许可,不得转载



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