对制冷装置的节能降耗论述
摘要：从制冷流程的选择和配置、制冷剂的比较、换热效率、循环冷却水温度、惰气分离、油分离、管道阻力降、保冷材料选择等方面论述了制冷装置在节能降耗方面的影响，为制冷装置的节能降耗提出改进方向和措施。 引言
当前，环境和资源是摆在人类面前的两大难题。党的十六届五中全会提出把节约资源作为基本国策，“十一五”规划《纲要》进一步把“十一五”时期单位GDP能耗降低20%左右作为约束性指标。节能降耗的理念需要大力的宣传，节能降耗的技术和手段更需要各企业去探索和研究。本文要叙述的就是制冷装置节能的影响因素，节能降耗的措施和手段。
1 制冷流程比较：
1.1 封胶机氨压缩制冷工艺：
流程短，制冷量规模可以做的很大，工艺比较成熟。但是无论选择电动压缩机或者蒸汽透平压缩机都要使用等级比较高的能源。比较适合制冷量很小或很大的场合。 1.2 氨吸收制冷工艺
流程比较长，设备比较多，但在中等规模制冷量的情况下投资要比氨冰机要少，运行费用也要少。
吸收制冷工艺的特点：
a. 有利于热能的综合利用。
由于吸收制冷蒸发器加热所需要的热源温度较低，故可以充分利用低温热源，从而节约能量，大大降低了生产成本，特别是在低温热源较多，供电紧张的地方，具有明显的优点。
b. 负荷调节范围大。
通常负荷变化在30～100％的范围内，吸收制冷系统都可以正常运行，而采用压缩制冷时
负荷变化范围较小，有时负荷低于70％就无法正常运行，因此采用吸收制冷系统不但操作方便，而且可节约自动控制费用。
c. 维修简单，易于管理。
大部分为静设备，不像压缩制冷需要压缩机等复杂机组。
d. 吸收制冷也有它的缺点，如冷却水耗量、钢材用量都比压缩制冷大，且占地面积大。
压缩制冷和吸收制冷各有优缺点，要根据项目具体情况来选择制冷方案。但是如果把两种制冷方案结合起来，在大型合成氨尿素项目中，主要依靠压缩制冷提供冷量，同时配套增加一套吸收式制冷装置，利用工艺余热，提供冷量，降低循环冷却水的温度，从而降低压缩功，既利用的余热，也节省了压缩机透平高位能蒸汽消耗。
2 制冷剂比较：
目前，在新建的冷冻装置中，除采用传统的氨制冷压缩机外，丙烯制冷压缩机也逐渐增多，特别是在煤制烯烃项目中，采用丙烯制冷压缩机更具有其优势。现将两种制冷剂比较如下：
两种制冷剂的参数对比表（数据来自Engineer’s Aide SiNET）
项目 | 氨 | 丙烯 | 比较结论 |
气相传热系数/w(m.℃)-1 -40℃ | 1.7×10-2 | 1.12×10-2 | 气相传热系数氨优于丙烯，但供冷器内热阻主要在于换热管 |
液相传热系数/w(m.℃)-1 -40℃ | 0.629 | 0.127 | 供冷器内主要是气相传热 |
气化潜热/kJ.mol-1 | 23.6 | 18.03 | 氨大于丙烯 |
气相粘度/cp | 7.75*10-3 | 6.67*10-3 | 电麻机 丙烯优于氨，粘度低易于传热 |
液相粘度/cp | 0.28 | 0.16 | 丙烯优于氨，粘度低易于传热 |
绝热指数k | 1.29 | 1.17 | 丙烯绝热指数小于氨，更易于压缩 |
饱和蒸汽压/kpa -40℃ | 72 | 142 | 达到-40℃冷量时丙烯饱和蒸汽压高，即供冷器内压力高，用氨冷时，供冷器内为负压 |
在38℃液化时饱和蒸汽压/kpa | 1465 | 1584 | 在同样的液化温度下丙烯压缩的出口压力高 |
压缩比 | 20.35 | 11.15 | 氨的压缩比约为丙烯压缩比的2倍 |
危害性 | 强烈刺激性气味，有毒 | 丙烯无毒性，无腐蚀性 | |
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下面通过具体计算来比较丙烯压缩制冷和氨压缩制冷耗功与制冷量的关系。
采用AspenPlus计算丙烯压缩制冷和氨压缩制冷的功耗与制冷量关系如下：
进压缩机的制冷剂流量为1000kmol/h，冷凝温度均为38℃，其他参数见下表，采用AspenPlus计算的压缩机耗功、制冷量、能效比如下：
制冷剂 | 进口压力乐谱架/kPa | 进口温度/℃ | 出口压力/kPa | 冷凝温度/℃ | 耗功/kw | 制冷量/kw | 能效比 |
氨 | 交通事故现场图57 | -38 | 1465 | 38 | 3557 | 4427 | 1.24 |
丙烯 | 142 | -38 | 1584 | 38 | 2421 | 3233 | 1.34 |
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注：能效比为压缩机制冷量与功耗的比值。
由上表可知，在能效比方面，丙烯压缩制冷比氨压缩制冷高。
结论：
a. 耗能方面：
在同样的运行工况下面，制冷剂在38℃液化，在－38℃蒸发，氨的压缩比约为丙烯压缩比的2倍，丙烯的绝热指数小于氨，更易于压缩，且丙烯的摩尔潜热只比氨的摩尔潜热小23.6%，所以用丙烯做制冷剂更节能。
b. 压缩机制造：
氨作为制冷剂需要的压缩比为丙烯的一倍，氨压缩机的离心级数也大一倍，压缩机制造成本更高，且较高的压缩比容易导致压缩机内漏，降低压缩效率，增加功耗。
c. 供冷器和管道的设计：
采用氨做制冷剂，氨冷器以及压缩机进口管道均为负压，设备和管道设计要考虑负压，另外空气等惰性气体容易渗入，降低制冷效率。但是由于氨的摩尔气化潜热比丙烯大一些，同样的制冷量，用丙烯做制冷剂时，循环的制冷剂摩尔量更多，供冷器和管道需要设计大些，材料成本稍高。
d. 安全性：
氨为无、具有强烈刺激性气味的有毒物质，空气中含量达5.3ppm时，人员即可以有所感觉。氨对水的溶解度极高，溶解后成强碱性，有较强腐蚀性；而丙烯无毒性，不会对人体产生危害，无腐蚀性，可安全使用。
下面举出两个分别使用氨压缩制冷和丙烯压缩制冷的项目具体情况：
丙烯压缩制冷和氨压缩制冷比较表
类 别 | 沈鼓报价 | 约克报价 |
压缩机形式 | 离心式压缩机 | 离心式压缩 机 |
制冷剂 | 氨 | 丙烯 |
价 格 万RMB | 2656（初步报价） | 3105（初步报价） |
制冷量 kcal/h | 5270000 | 5270000 |
制冷剂循环量 kmol/h | 1404 | 1607 |
驱动方式 | 蒸汽透平驱动 | 蒸汽透平驱动 |
| 龙脑抑菌剂 压缩机轴功率 | 4970 | 4950 |
进口压力 MPa(A) | 0.07 | 0.14 |
压缩比 | 25 | 12.5 |
省功器闪蒸温度 ℃ | -4 | -20 |
蒸汽消耗 t/h | 24（3.7MPa, 435℃） | 22（3.7MPa, 435℃） |
蒸发温度 ℃ | 38ggg-38 | -40 |
冷却水用量 t/h | 2270 | 1736 |
备注 | 压缩机与汽轮机均国产 | 压缩机与汽轮机均进口 |
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通过以上表格不难看出，对于大制冷量的离必式压缩机，在相同制冷量的情况下，丙烯压缩机消耗蒸汽小，循环水用量小，且提供的冷量温度更低。只是由于丙烯压缩机国内暂时不能生产，需要进口，所以一次投资比较高，可喜的是2009年5月19日，沈阳鼓风机集团有限公司研制的，用于镇海100万吨乙烯项目的丙烯制冷压缩机通过性能试验，经过对试验数据的分析表明，机组整体技术水平达到了国际先进水平，国产化后产品价格将会显著降低。
3 提高换热效率：
3.1 改善循环水水质，加强水冷器的清洗
循环水中加入杀菌剂后、细菌尸体附着在水冷器的管程表面、增大了热阻，降低了换热效率，严重时还可造成设备堵塞。
3.2 改进换热器材质和换热器结构
使用石墨等高效传热材料，选用传热面更大翅片式或螺旋板换热器，提高换热效率与冷却冷凝效果。
3.3 加强制冷剂蒸汽在换热器内的湍动，增加导热能力
4 降低循环水温度：
以下通过具体的计算，以氨制冷压缩机为例，说明循环水温度降低与压缩机耗功的曲线关系。
压缩机入口气氨流量为1000kmol/h，温度为-40℃，进口压力为57kPa(A)，采用AspenPlus做敏感性分析计算的压缩机耗功与对应的冷凝温度如下：
进口压力/kPa | 出口压力/kPa | 功率/kw | 冷凝温度/℃ |
57 | 1000 | 3337 | 25 |
57 | 1100 | 3479 | 28.4 |
57 | 1200 | 3611 | 31 |
57 | 1300 | 3734 | 33.8 |
57 | 1400 | 3850 | 36.4 |
57 | 1500 | 3950 | 38.6 |
57 | 1600 | 4061 | 41.2 |
57 | 1700 | 4159 | 43.4 |
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由图可以看出，压缩同样摩尔量的气体，循环水温度降低，可以降低压缩机出口压力，从而节省压缩功，循环水温度降低与压缩功降低几乎成线性关系。
降低循环水温度，可以采取溴化锂吸收式制冷技术。利用尿素、合成氨生产过程的低位能余热（热水、蒸汽冷凝液、放空气等），采用热水型溴化锂吸收式冷水机组制取低温冷水，降低循环水温度，降低压缩机负荷，达到增产、降耗的效果，在夏天高温季节效果尤为明显。
5 尽可能接近等温压缩
等温压缩耗功最小，可以增设段间冷却器，让压缩过程尽可能接近等温压缩。
6 降低管道阻力降
所有制冷剂不管是蒸气还是液体状态，流过制冷回路时都会产生压降。当压力变化时，制冷剂的温度也会改变，改变多少依赖于制冷剂本身。考虑到在吸气和排气管路上的压降，要保持蒸发器和冷凝器中的合适压力，流道压降将会增加压缩机的压缩比。而且，对于多数制冷剂来说，吸气管路的压降造成的温度变化比排气管路压降造成的温度变化更加显著。
7 惰性气的分离
制冷系统中不凝性气体的来源 制冷机在运行过程中，系统中的不凝性气体主要来自以下几个方面：
a. 在投产前或大修后充灌制冷剂时，未将系统内的空气彻底抽净。
b. 补充润滑油及制冷剂时操作不慎，必然会有少量的空气进入系统。
c. 当制冷装置在蒸发压力低于大气压力下运转时，外界的空气即有可能从不严密处
(如压缩机的轴封处、各法兰连接处、阀门的填料处等等)进入系统中。
d. 润滑油及制冷剂在很高的排气温度下也会少量分解产生一些其它不凝性气体。
制冷系统存有不凝性气体时，将妨碍冷凝器的传热，并使压缩机的排气压力和排气温度升高，因而使功耗随之增加，因此这些气体必须予以清除。
采用空气分离器，可排除制冷系统中不凝性气体(主要是空气)，并同时回收制冷剂的制冷剂。它通常只是在大中型的制冷装置主使用，因为大中型的制冷装置中不凝性气体的数量较多。而在小型制冷装置中通常不设置空气分离器，而直接从冷凝器、高压贮液器或排气管上的放空阀把空气等不凝气体放出，以力求系统的简化。
8 油分离
氨压缩机如果采用油密封，则系统液氨可能带油。大量油粘在换热管外壁，增大了换热器
的热阻，降低氨冷效率。
应设有排油装置，每次开停车都要排油，但不能从根本上解决液氨带油问题，所以目前氨压缩机一般采用气氨密封。如果密封气正常投用，不会有油渗入系统。
9 提高保冷效果
选择传热系数更小的保冷材料，并增加保冷材料的厚度，并注意定期修补破损的保冷材料，保持保冷材料的干燥。从现场看，应杜绝冷区严重的跑冷现象。冷区不该感觉出温度偏低，不该挂冰、冒冷气。
结束语
通过以上论述，明确了制冷装置节能降耗的方向和具体措施。为降低功耗，需要在流程配置、制冷剂研究、材料选择、设备管道设计、降低冷却水温度等方面进一步研究，每一个方向的进步都会显著降低制冷装置的能耗。
另外，在制冷剂的选择方面，要考虑项目的具体情况。针对氨合成项目，选择氨做制冷剂
更合适，因为氨库热损产生的气氨需要进入压缩机压缩液化；再者，氨制冷剂即使泄露，对氨合成系统没有影响，且在氨合成氨装置中，氨制冷剂来源方便。对于煤制烯烃项目以及乙烯裂解项目，选择丙烯做制冷剂有其优越性。
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