肖興均

中國成達(dá)工程有限公司　成都　610041

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化工用壓縮式冷水機(jī)組的選型

肖興均*

中國成達(dá)工程有限公司成都610041

摘要壓縮式冷水機(jī)組是化工裝置冷水系統(tǒng)的核心設(shè)備。介紹不同類型冷凝器、蒸發(fā)器、膨脹節(jié)流裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；分析對比制冷劑特性，螺桿式冷水機(jī)組和離心式冷水機(jī)組的冷量范圍、負(fù)荷調(diào)節(jié)、COP值(名義工況性能系數(shù))。

關(guān)鍵詞壓縮式冷水機(jī)組制冷劑冷凝器蒸發(fā)器膨脹節(jié)流

化工用壓縮式冷水機(jī)組一般安放于冷凍站內(nèi)，主要由壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、膨脹節(jié)流裝置組成，見圖1。根據(jù)機(jī)組采用的壓縮機(jī)類型可分為：活塞式冷水機(jī)組、螺桿式冷水機(jī)組和離心式冷水機(jī)組?；钊嚼渌畽C(jī)組用于小冷量，維修率較高、效率較低的場合，目前在化工裝置冷水系統(tǒng)中極少采用。螺桿式冷水機(jī)組已取代了在小冷量范圍應(yīng)用的活塞式冷水機(jī)組，覆蓋了中小冷量范圍；離心式冷水機(jī)組則主要應(yīng)用在大冷量范圍。

圖1　壓縮式冷水機(jī)組

1制冷劑的選擇

R22作為壓縮式冷水機(jī)組用制冷劑已經(jīng)被廣泛采用，但是ODP值為0.055，會破壞臭氧層。據(jù)《蒙特利爾議定書》及相關(guān)會議文件規(guī)定，HCFCs制冷劑(含R22)于2040年在發(fā)展中國家100%禁用。因此在新的項(xiàng)目中應(yīng)盡量避免使用R22，應(yīng)采用替代制冷劑，如R134a、R410A、R507等，其特性見表1。

R507為共沸點(diǎn)混合冷劑，理論COP最高， 但是GWP值為R22的兩倍多，且機(jī)組的系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力高，設(shè)備采購成本較高，性價(jià)比不高，在追求高COP時可采用。R410A為近共沸點(diǎn)混合冷劑，系統(tǒng)

表1　制冷劑特性

注：①理論COP基于：蒸發(fā)溫度4℃，冷凝溫度40℃；②系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力：最高環(huán)境溫度+10℃對應(yīng)的制冷劑飽和蒸汽壓力。

設(shè)計(jì)壓力高，理論COP低，設(shè)備采購成本和使用成本都高，不宜采用。R134a的ODP值為0，GWP值低，系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力低，理論COP與R22接近，R134a綜合性能優(yōu)良。目前國內(nèi)主要的壓縮式冷水機(jī)組生產(chǎn)商都可采用R134a替代R22。R134a已經(jīng)成為壓縮式冷水機(jī)組的主流制冷劑。

2機(jī)組型式的選擇

壓縮式冷水機(jī)組的壓縮機(jī)可選用活塞壓縮機(jī)、螺桿壓縮機(jī)、離心壓縮機(jī)?；钊嚼渌畽C(jī)組能耗高，維修量大，且只適用于小冷量工況，因此在化工裝置中應(yīng)用很少。目前化工裝置中，壓縮式冷水機(jī)組基本采用穩(wěn)定性好、能耗低、維護(hù)量小的螺桿式冷水機(jī)組和離心式冷水機(jī)組。

冷量1000kW以內(nèi)，采用螺桿式冷水機(jī)組。

冷量在1000kW～1500kW，離心式冷水機(jī)組、螺桿式冷水機(jī)組均可采用。離心式冷水機(jī)組COP值略高于螺桿式冷水機(jī)組，但是螺桿式冷水機(jī)組成本較低，性價(jià)比高，因而推薦使用螺桿式冷水機(jī)組。

冷量在1500kW～2000kW，多數(shù)供貨商采用多機(jī)頭的螺桿式冷水機(jī)組，其成本與離心式冷水機(jī)組相差不大，但是離心式冷水機(jī)組COP值高，離心式冷水機(jī)組在該冷量范圍長期運(yùn)行成本低，性價(jià)比高。

冷量>2000kW，對于單機(jī)頭螺桿式冷水機(jī)組，由于吸氣量大，螺桿壓縮機(jī)成本較高，多數(shù)供貨商放棄了單機(jī)頭方案，采取多機(jī)頭螺桿式冷水機(jī)組。離心式冷水機(jī)組的COP值高于螺桿式冷水機(jī)組，價(jià)格上離心式冷水機(jī)組也略有優(yōu)勢，且價(jià)格優(yōu)勢會隨著冷量的增大而放大。大冷量工況采用離心式冷水機(jī)組。各品牌離心式冷水機(jī)組都能達(dá)到單臺冷量6000kW，單臺最大冷量可超過10000kW。機(jī)組特性見表2。

表2　機(jī)組特性

3負(fù)荷調(diào)節(jié)配置

化工裝置的生產(chǎn)負(fù)荷會進(jìn)行調(diào)節(jié)，冷水用量會變化，配套的冷水機(jī)組負(fù)荷也要隨之進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此冷水機(jī)組必須設(shè)置負(fù)荷調(diào)節(jié)系統(tǒng)。負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍見表3。

表3　負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍　(%)

離心式冷水機(jī)組采用進(jìn)口導(dǎo)葉+出口擴(kuò)壓器寬度調(diào)節(jié)；螺桿式冷水機(jī)組采用滑閥調(diào)節(jié)。配備熱氣旁通，兩種型式機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)可達(dá)到0～100%。

離心式冷水機(jī)組比螺桿式冷水機(jī)組部分負(fù)荷性能曲線平緩，見圖2。離心式冷水機(jī)組COP變化率較小，部分負(fù)荷能耗低。因?yàn)?0%額定負(fù)荷以下時，滑閥調(diào)節(jié)的螺桿壓縮機(jī)在低于50%額定流量工況，螺桿有效長度變短，內(nèi)壓比大幅降低，使等容壓縮到排氣壓力的附加功耗加大，機(jī)組負(fù)荷雖降低，但是壓縮機(jī)軸功率下降相對較小，機(jī)組效率陡降。

圖2　部分負(fù)荷性能曲線

離心式冷水機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)還可采用：變頻+進(jìn)口導(dǎo)葉+出口擴(kuò)壓器寬度調(diào)節(jié)(簡稱變頻調(diào)節(jié))，見圖3。變頻調(diào)節(jié)的部分負(fù)荷COP優(yōu)于進(jìn)口導(dǎo)葉+出口擴(kuò)壓器寬度調(diào)節(jié)方式，變負(fù)荷能耗更低，而且變頻調(diào)節(jié)使機(jī)組的高效區(qū)擴(kuò)大，機(jī)組穩(wěn)定性增強(qiáng)。變頻調(diào)節(jié)需要增加變頻器，配變頻電機(jī)，機(jī)組配套成本較高。對于大冷量的離心式冷水機(jī)組，采用變頻調(diào)節(jié)能耗低的優(yōu)勢會很明顯，可考慮采用。

圖3　離心機(jī)組部分負(fù)荷性能曲線

4冷凝器選擇

冷凝器分為空冷式冷凝器、水冷式冷凝器和蒸發(fā)式冷凝器，其特性見表4。

表4　冷凝器特性

空冷式冷凝器采用空氣冷卻壓縮后的氣態(tài)制冷劑，風(fēng)冷的傳熱系數(shù)小，制冷劑冷凝溫度高和冷凝壓力高，會降低機(jī)組的效率。但是，空冷式冷凝器不需要冷卻水，因此適用于缺水地區(qū)。

水冷式冷凝器采用循環(huán)水冷卻制冷劑，冷凝溫度中等，換熱效率較高，維護(hù)成本低，穩(wěn)定性好。雖然水耗高，但是由于循環(huán)水系統(tǒng)提供冷卻水，成本較低，因此水冷式冷凝器在化工用壓縮式冷水機(jī)組中廣泛應(yīng)用。

蒸發(fā)式冷凝器以冷卻管外水的顯熱交換和空氣冷卻制冷劑。蒸發(fā)式冷凝器比水冷式蒸發(fā)器蒸發(fā)溫度低約3℃，對應(yīng)的蒸發(fā)壓力降低，壓縮機(jī)的軸功率下降，機(jī)組效率提高。因此，其具備換熱效率高，電耗和水耗低的優(yōu)點(diǎn)。蒸發(fā)式冷凝器若冷卻管外表面結(jié)垢，換熱效率會大幅降低，因此對環(huán)境中空氣質(zhì)量和冷卻水要求高，而化工項(xiàng)目現(xiàn)場環(huán)境一般都比較差，再加之其價(jià)格是同功率其他型式蒸發(fā)器的2倍以上，雖然其能耗低，但是性價(jià)比不高，在化工工程上應(yīng)用很少。

5蒸發(fā)器選擇

蒸發(fā)器分為：干式蒸發(fā)器、降膜式蒸發(fā)器、滿液式蒸發(fā)器，其特性見表5。

表5　蒸發(fā)器特性

干式蒸發(fā)器指制冷劑在冷卻管內(nèi)完全汽化的蒸發(fā)器，管內(nèi)有效沸騰面積為管內(nèi)表面積的30%，傳熱系數(shù)較低；結(jié)構(gòu)上可分為板式蒸發(fā)器和管殼式蒸發(fā)器。板式蒸發(fā)器又分為可拆卸式和整體釬焊板式?？刹鹦栋迨秸舭l(fā)器設(shè)計(jì)壓力最高25bar(G)，維修、清洗方便；整體釬焊板式換熱器，承壓能力較高，但是清洗維護(hù)困難；管殼式蒸發(fā)器，承壓能力較高，清洗維護(hù)容易，但是成本較高。小冷量機(jī)組，可結(jié)合制冷劑的蒸發(fā)壓力、蒸發(fā)溫度、維護(hù)及成本綜合考慮，合理選用。

降膜式蒸發(fā)器，制冷劑從蒸發(fā)器頂部分配器均勻分配到換熱管表面，形成薄膜，與管內(nèi)冷水進(jìn)行換熱，未蒸發(fā)的制冷劑沉積在蒸發(fā)器底部，滿液蒸發(fā)與冷水換熱或用泵加壓再次噴淋。該型式蒸發(fā)器具有換熱效率高，制冷劑充注量小的優(yōu)點(diǎn)；但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本比滿液式蒸發(fā)器高，技術(shù)并不成熟，應(yīng)用也較少。需要在制冷劑分配及換熱模型上完善，將其高效換熱的優(yōu)勢充分體現(xiàn)，并降低成本，才可推廣使用。

滿液式蒸發(fā)器，制冷劑在管外沸騰與管內(nèi)冷水換熱，有效沸騰面積為管外表面積的100%，傳熱系數(shù)高，結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高，維修方便。雖然制冷劑充注量大、成本較高，回油差，但在化工用壓縮式冷水機(jī)組中應(yīng)用極為廣泛。

小冷量機(jī)組可采用干式蒸發(fā)器，而中大冷量機(jī)組選用滿液式蒸發(fā)器性價(jià)比高。

6膨脹節(jié)流裝置選擇

膨脹節(jié)流裝置在冷水系統(tǒng)中起節(jié)流和調(diào)節(jié)進(jìn)入蒸發(fā)器制冷劑流量的作用。節(jié)流膨脹裝置分為熱力膨脹閥、電子膨脹閥、浮球閥和固定孔板。

電子膨脹閥控制精度高于熱力膨脹閥，調(diào)節(jié)范圍大，但是價(jià)格比熱力膨脹閥高出數(shù)倍；浮球閥為機(jī)械式，價(jià)格低于熱力膨脹閥。固定孔板是最簡單的節(jié)流膨脹裝置，因其價(jià)格低廉，在壓縮式冷水機(jī)組中有應(yīng)用，但是不具備自動調(diào)節(jié)功能，有供液不足的缺陷，會導(dǎo)致機(jī)組的效率衰減。因此，部分供貨商又推出了與電子膨脹閥類似的可變孔板，可實(shí)現(xiàn)高效、可靠的自動控制。

干式蒸發(fā)器需要精確控制蒸發(fā)器出口過熱度和進(jìn)入蒸發(fā)器的制冷劑量，所以需要配置具備精確調(diào)節(jié)能力的熱力膨脹閥、電子膨脹閥或可變孔板；滿液式蒸發(fā)器配置電子膨脹閥、浮球閥或可變孔板，在追求低成本時，為彌補(bǔ)固定孔板供液不足，可配置固定孔板+手動/自動調(diào)節(jié)閥的組合。

7機(jī)組選型注意事項(xiàng)

(1)由于壓縮式冷水機(jī)組供貨商產(chǎn)品系列開發(fā)主要基于工商業(yè)空調(diào)制冷，因此大多數(shù)供貨商產(chǎn)品普遍低于化工行業(yè)對設(shè)備及配套附件的技術(shù)要求。對于壓縮機(jī)、壓力容器、儀表、電氣等的技術(shù)要求都必須滿足項(xiàng)目的設(shè)計(jì)規(guī)范及技術(shù)要求。

(2)離心式冷水機(jī)組的負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍雖然最小能到15%(小氣量最小調(diào)到20%)額定冷量，但離心式冷水機(jī)組低負(fù)荷還是存在喘振的風(fēng)險(xiǎn)，因此低負(fù)荷狀態(tài)下不宜長時間運(yùn)行。

(3)根據(jù)財(cái)稅[2008]48號文件：“企業(yè)自2008年1月1日起購置并實(shí)際使用列入《目錄》范圍內(nèi)的環(huán)境保護(hù)、節(jié)能節(jié)水和安全生產(chǎn)專用設(shè)備，可以按專用設(shè)備投資額的10%抵免當(dāng)年企業(yè)所得稅應(yīng)納稅額”。若選用1級能效機(jī)組，業(yè)主可享受政策，節(jié)省設(shè)備成本。

(4)化工項(xiàng)目中壓縮式冷水機(jī)組設(shè)計(jì)參數(shù)一般會有正常冷量、最大冷量。正常冷量應(yīng)為所選機(jī)型額定冷量的80%以上，以保證機(jī)組長期穩(wěn)定運(yùn)行在高效區(qū)。最大冷量一般是裝置開車或事故等非正常狀態(tài)的冷量，出現(xiàn)的概率低和持續(xù)時間短。最大冷量一般比正常冷量大很多，甚至是倍數(shù)關(guān)系，因此必須在設(shè)計(jì)選型時弄清楚各工況的情況，力求在保證穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，投資最少，運(yùn)行成本最低。舉例說明：某項(xiàng)目用14.5℃冷水系統(tǒng)，正常冷量2813kW；最大冷量7700kW(開車或事故狀態(tài)所需)。方案一、二主要參數(shù)見表6。

表6　方案一、二主要參數(shù)

方案一采用3臺2813kW離心式冷水機(jī)組，總冷量8439kW。

方案二采用2臺3100kW離心式冷水機(jī)組和1臺1500kW螺桿式冷水機(jī)組，總冷量7700kW。

方案二是方案一成本的90%，方案二的運(yùn)行能耗略好于方案一，且方案二在低負(fù)荷只運(yùn)行1500kw螺桿式冷水機(jī)組，調(diào)節(jié)能力更強(qiáng)，也能從根本上避免小負(fù)荷時離心壓縮機(jī)發(fā)生喘振。方案一采用同型號機(jī)組，備件可通用，而方案二采用兩種類型機(jī)組，備件多一些，但是兩種類型機(jī)組備件消耗和維修量都比較小?？偟目磥?，方案二性價(jià)比更高，業(yè)主分析對比后采用了此方案。

(5)IPLV-綜合部分負(fù)荷性能系數(shù)、NPLV-非標(biāo)準(zhǔn)部分負(fù)荷性能系數(shù)， 權(quán)重在75%和50%部分負(fù)荷，是空氣調(diào)節(jié)用冷水機(jī)組核心考核參數(shù)。

化工用冷水系統(tǒng)負(fù)荷相對穩(wěn)定，受外界環(huán)境溫度影響較小。所以，壓縮式冷水機(jī)組考核指標(biāo)應(yīng)為正?；蝾~定負(fù)荷的COP，IPLV或NPLV不宜作為評價(jià)化工用冷水機(jī)組的核心指標(biāo)。

(6)壓縮式冷水機(jī)組部分負(fù)荷時，改變冷水流量，對機(jī)組的效率幾乎沒有影響。因此，冷水系統(tǒng)負(fù)荷調(diào)節(jié)與冷水變流量可結(jié)合設(shè)計(jì)，節(jié)能效果明顯。在冷水系統(tǒng)上設(shè)置流量計(jì)及調(diào)節(jié)裝置與機(jī)組聯(lián)鎖控制部分負(fù)荷冷水量對于降低冷水系統(tǒng)部分負(fù)荷能耗是必要的，其具體設(shè)定參數(shù)需要冷水系統(tǒng)設(shè)計(jì)者與機(jī)組控制設(shè)計(jì)者共同確定。

(7)多機(jī)頭機(jī)組即兩個及以上獨(dú)立的壓縮制冷循環(huán)并聯(lián)在同一個機(jī)組上，冷凝器及蒸發(fā)器制冷劑側(cè)被分成與壓縮機(jī)數(shù)量對應(yīng)的獨(dú)立空間，通過法蘭連接成一個整體，而冷卻水和冷水側(cè)公用。獨(dú)立的壓縮制冷循環(huán)，優(yōu)點(diǎn)在于負(fù)荷調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，一臺壓縮機(jī)的故障不會導(dǎo)致整機(jī)停機(jī)，目前多機(jī)頭機(jī)組國內(nèi)外供貨商基本都采用此結(jié)構(gòu)型式。

8結(jié)語

本文結(jié)合化工項(xiàng)目特點(diǎn)，對化工用壓縮式冷水機(jī)組選型各要點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的分析，旨在通過分析，找出可靠性強(qiáng)，且最具性價(jià)比的設(shè)計(jì)方案，對工程設(shè)計(jì)人員和用戶選型和使用具有參考價(jià)值。

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(收稿日期2015-09-07)

*肖興均：工程師。2007年畢業(yè)于蘭州理工大學(xué)流體機(jī)械及工程專業(yè)。從事化工機(jī)泵設(shè)備設(shè)計(jì)工作。聯(lián)系電話：(028)65537136。

E-mail：xiaoxingjun@chengda.com。