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氨作为一种天然制冷剂，一直是大型制冷系统的首选。因为其有毒、可燃的物理特性，所以采用氨制冷剂的关键是安全问题，降低制冷系统氨充注量是保证系统安全的重要方法之一。 以往对氨充注量的限定，均从氨为危险化学品的特性出发，如《冷库设计规范》中规定：对使用氨作制冷剂的冷库制冷系统，其氨制冷剂总的充注量不应超过40吨；《危险化学品重大危险源辨识》中规定：制冷系统氨充注量超过10吨，列为重大危险源。这些规定均是从氨特性本身出发，而从制冷系统的角度出发，最大限度降低充氨量，是保证氨系统安全运行的最佳方法。 欧美一直采用“低充注量系统”，虽然欧美的各种规范对氨低充注量系统”的限定值不同，但都远远低于国内氨制冷系统的充注量。如：美国OSHA《职业健康和安全管理条例》的工艺安全管理（PSM）计划提出氨充注量10 000磅（4.54吨）的临界值，在国外被广泛采用（图1）。同时如果氨充注量低于某规定值，可不受部分要求的限制，这也促进了“低充注量系统”的发展。 图1 国内外充氨量相关规定 我国《制冷系统和热泵安全和环境要求》对不同充氨量系统也提出了各种要求。但因为国内设计习惯、操作习惯、辅机标准化、手动控制过多等因素，国内氨制冷系统的充氨量远远高于国外发达国家（图2）。因此，发展氨“低充注量系统”，特别是发展充注量在1吨、3吨和4.5吨以内的制冷系统对氨工质应用的进一步拓展有深远意义。 图2 氨系统单位制冷量充氨量 大型氨系统中氨液主要集中在低压附属设备、高压附属设备、蒸发设备和制冷管道中。不同形式的制冷系统，氨液的量会有明显差异；系统的设计精细，自控程度高，也可减少氨的充注量。下面从制冷系统和制冷设备几个方面探讨降低充注量的措施。 2.1.1 氨直接膨胀供液系统 国内制冷成套设计习惯采用强制供液方式，此种形式供液均匀，传热效果较好，但充氨量大且自动控制时易发生滞后现象。直接膨胀供液系统取消了低压循环桶，采用电子膨胀阀，可向蒸发器直接供液，低压侧的充氨量可降低80%左右（图3）。 图3 某冷库强制供液与直接膨胀供液充氨量对比 直接膨胀供液系统设计难点在于向蒸发器均匀供液和电子膨胀阀的控制精度。2015年由笔者所在公司承建的湖北荆门多辉集团大型物流冷库（4 800吨0℃高温库，8 000吨－20℃低温库，33吨－35℃速冻库）采用氨直接膨胀供液系统，共计使用65套电子膨胀阀及组件，总需冷量2 338kW，总充氨量约6吨，单位制冷量充氨量为2.56kg/kW，远远低于国内“10吨”的重大危险源标准，极大提升了系统安全性，为企业经营管理创造了更多便利条件。 2.1.2 CO2系统 CO2是自然界天然存在的气体，具有非常稳定的化学性质，既不可燃也不助燃，运动粘度小，热力性质优良。采用CO2系统也是降低氨充注量方法之一，但CO2临界压力较高，CO2系统同样面临很多的挑战。 近些年，国内出现很多CO2系统的实际应用案例，笔者认为，撬块机组（图4）是CO2系统发展较理想的结构形式。一是CO2撬块机组系统结构紧凑，设备布局合理，减少沿程阻力且显著降低充氨量；二是CO2撬块机组工厂化生产组装，保证了产品质量。CO2系统压力等级高，对焊接工艺要求严格，工厂化生产组装可降低现场施工存在的安全隐患。 图4 某公司的撬块机组 冷库内的蒸发器形式主要有排管和冷风机，存氨量约占整个系统的10%～40%。 排管钢材消耗量大，管内容积大，对于大型冷库需要很大的氨充注量。排管系统的充氨量约为30kg/kW～35kg/kW。如果一个5万吨级的排管冷库，制冷量为2 000kW，冷库的充氨量将突破60吨。 2.2.1 低充注量排管 排管运行维护费用低，对于无包装食品干耗小，温度场较均匀。由于排管的一些优点，用户对排管仍有一定需求。低充注量排管（图5）在维持换热性能的前提下将循环倍率由原来的4降低为2左右，其充注量比传统排管降低约40%，氨泵功率减少50%，不仅降低了氨充注量，而且节约能耗，降低了运行费用。7万吨级的标准土建冷库的制冷系统充氨量可控制在9吨内，低充注量排管满足客户需求的同时降低了氨充注量。 图5 低充注量排管原理 2.2.2 冷风机 冷风机传热系数大，所需换热面积小，管内容积小，所以充氨量就很低。对于相同换热量，冷风机的充氨量为排管的4%（表1）。而近些年使用越来越广泛的不锈钢管铝片冷风机更有制冷效率高、重量轻、抗腐能力强、成本低、更环保等诸多优点，其单位冷量的制冷剂充注量比传统钢管钢片冷风机可进一步降低约30%。 表1 排管与冷风机充氨量对比 气液分离装置主要有低压循环桶、氨液分离器和辅助贮液器等。根据气液分离原理，气液分离速度决定了分离距离，进而影响气液分离装置的容积和充氨量（图6）。 图6 氨液分离器原理 2.3.1 气液分离速度 国内相关制冷手册已经给出气液分离设备的选型计算方法，但这些计算方法没有根据工况的变化及需要分离的制冷剂液滴大小进行界定，而是笼统地把气液分离速度取设计经验值0.5m/s～0.8m/s，这种界定不够严谨，在选型的过程中会造成较大的误差，造成桶内氨工质得不到充分利用。 2014 ASHRAE HANDBOOK REFRIGERATION 中规定了在不同温度、不同分离距离下相对应的制冷剂工质的分离速度。如氨制冷剂在-40℃，分离距离为910mm条件下，分离速度应为2.17m/s（表2）。按照2014 ASHRAE HANDBOOK REFRIGERATION 给出的分离速度与经验分离速度（0.5m/s）计算的桶径对比见图7。从图7中可以看出，例如，某100吨速冻间，按照上述分离速度计算出的充氨量降低73%（计算方法参照冷库设计手册）。 表2 不同温度、分离距离下制冷剂分离速度 图7 不同分离速度桶径对比 在相同桶径下，按照2014 ASHRAE HANDBOOK REFRIGERATION 给出的分离速度与经验分离速度（0.5m/s）计算的冷量对比对比见图8。从图8可以看出，蒸发温度-25 ℃、桶径为1 400mm，国内产品的制冷量约为870kW，而按照2014 ASHRAE HANDBOOK REFRIGERATION 计算出的制冷量约为2 100kW，制冷量提高到2.4倍。可见，气液分离速度的提升对于降低气液分离容器的容积至关重要（图8）。 2.3.2 新型分离技术 传统气液分离方式均为重力分离。气液分离器利用惯性碰撞作用，将气相中夹带的液滴捕捉并留在气液分离器中，而雾化氨液和较小液滴无法通过重力供液方式分离。此种分离形式往往分离速度较低，容器体积大，容器内存氨量多。 图8 不同分离速度制冷量对比 新型BUST系列冰水装置（图9）采用重力分离与离心分离相结合的分离方式，分离速度最高可达21.2m/s，同比氨充注量降低约85%。这种新型分离技术是未来实现极低充注量系统的技术之一。
图9 BS冰水装置与BUST冰水装置对比 高压附属设备主要包括冷凝器、贮氨器和辅助贮氨器。氨系统高压侧的存氨量占整个系统的30%左右。 2.4.1 高压浮球供液系统 对于负荷稳定的冷库，例如啤酒、乳制品、饮料等行业所需的冷库，高压侧采用高压浮球供液系统（图10）可省去高压储液器，大大减少系统氨充注量，并可以使系统精简优化，减少机房使用面积。
图10 高压浮球供液 2.4.2 高位贮液器与立式高压贮液器 对于变负荷系统可选择高位贮液器或立式高压贮液器，以降低系统氨充注量。高位贮液器的优点是省去了辅助贮液器，简化了系统结构。立式高压贮液器（图11）创新的结构形式，并具备辅助贮液器功能，且占地面积减小，相比同容积的高压贮液器氨充注量可减少约15%。
图11 立式高压贮液器 氨制冷系统中油和水对制冷系统都有巨大影响，对于低充注量系统，这种影响就会更加明显。低充注量系统的自动回油、自动排水等精细化设计是保证其安全稳定运行的关键。低充注量系统中可在油积存处设立油位传感装置和自动集油器（图12），实现油路系统全自动控制。用自动排水装置（图13）替代手动排水，保证低充注量系统运行更稳定、安全。
图12 自动集油油器
图13 自动排水装置 氨制冷剂优点众多，是大型制冷系统的首选工质，氨系统发展任重道远。探索新的制冷应用技术、研发低充氨量设备、制冷系统设计精细化，是未来中大型制冷系统的发展趋势。 摘自 《制冷与空调》2017年7期，作者：王程林 刁晓明 吴建毅 杨富华 张明秀 |
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