復(fù)合制冷循環(huán)間冷系統(tǒng)中的制冷劑的選擇論證

1、復(fù)合制冷循環(huán)間冷系統(tǒng)制冷復(fù)合制冷循環(huán)間冷系統(tǒng)制冷劑劑/工質(zhì)的選擇論證工質(zhì)的選擇論證第五屆全國火電空冷機(jī)組技術(shù)專題研討會第五屆全國火電空冷機(jī)組技術(shù)專題研討會東北電力大學(xué)東北電力大學(xué)節(jié)能與測控技術(shù)研究中心節(jié)能與測控技術(shù)研究中心楊善讓，雷揚(yáng)，趙波，盛杰，陳立軍楊善讓，雷揚(yáng)，趙波，盛杰，陳立軍20102010年年1212月月論文摘要論文摘要p基于已有眾多制冷劑應(yīng)用狀況的調(diào)研分析，闡明復(fù)合制冷基于已有眾多制冷劑應(yīng)用狀況的調(diào)研分析，闡明復(fù)合制冷循環(huán)間冷系統(tǒng)制冷劑循環(huán)間冷系統(tǒng)制冷劑/ /工質(zhì)的諸項(xiàng)要求；工質(zhì)的諸項(xiàng)要求；p選出能最大限度滿足復(fù)間冷對制冷劑選出能最大限度滿足復(fù)間冷對制冷劑/ /工質(zhì)諸項(xiàng)要求的自工

2、質(zhì)諸項(xiàng)要求的自然物質(zhì)然物質(zhì), ,即氨；即氨；p鑒于氨具有刺激性、可燃性，具體分析了其安全性，指出鑒于氨具有刺激性、可燃性，具體分析了其安全性，指出了其可防易防性，初步擬定了安全措施，并列舉了若干應(yīng)了其可防易防性，初步擬定了安全措施，并列舉了若干應(yīng)用例；用例；p展示了以氨為中間換熱介質(zhì)的復(fù)間冷系統(tǒng)的性價(jià)比遠(yuǎn)高于展示了以氨為中間換熱介質(zhì)的復(fù)間冷系統(tǒng)的性價(jià)比遠(yuǎn)高于其它物質(zhì)；其它物質(zhì)；p得出結(jié)論：在目前情況下，以氨作為復(fù)合制冷循環(huán)間冷系得出結(jié)論：在目前情況下，以氨作為復(fù)合制冷循環(huán)間冷系統(tǒng)的制冷劑統(tǒng)的制冷劑/ /工質(zhì)是最佳選擇。工質(zhì)是最佳選擇。內(nèi)容導(dǎo)航內(nèi)容導(dǎo)航p1 引言引言p2 復(fù)間冷系統(tǒng)制冷劑復(fù)間冷系

3、統(tǒng)制冷劑/ /工質(zhì)的要求工質(zhì)的要求p3 復(fù)間冷系統(tǒng)制冷劑復(fù)間冷系統(tǒng)制冷劑/ /工質(zhì)的篩選工質(zhì)的篩選 p4 氨作復(fù)間冷系統(tǒng)制冷劑氨作復(fù)間冷系統(tǒng)制冷劑/ /工質(zhì)的檢驗(yàn)工質(zhì)的檢驗(yàn)p5 氨的安全性、經(jīng)濟(jì)性分析氨的安全性、經(jīng)濟(jì)性分析 p6 結(jié)論結(jié)論一、引言一、引言1 1 引言引言p復(fù)合制冷循環(huán)用于電站間冷系統(tǒng)，高溫時(shí)段按制冷循復(fù)合制冷循環(huán)用于電站間冷系統(tǒng)，高溫時(shí)段按制冷循環(huán)運(yùn)行，低溫時(shí)段按動力循環(huán)運(yùn)行，中間換熱介質(zhì)必環(huán)運(yùn)行，低溫時(shí)段按動力循環(huán)運(yùn)行，中間換熱介質(zhì)必須同時(shí)滿足制冷和做功的要求；須同時(shí)滿足制冷和做功的要求；p當(dāng)今選擇制冷劑必須首先考慮環(huán)境的長期安全性，氟當(dāng)今選擇制冷劑必須首先考慮環(huán)境的長期安全

4、性，氟利昂時(shí)代告訴我們，重新啟用自然物質(zhì)是一種安全又利昂時(shí)代告訴我們，重新啟用自然物質(zhì)是一種安全又環(huán)保的選擇。環(huán)保的選擇。二、復(fù)間冷系統(tǒng)制冷劑二、復(fù)間冷系統(tǒng)制冷劑/工工質(zhì)要求質(zhì)要求2.1 復(fù)間冷系統(tǒng)簡介復(fù)間冷系統(tǒng)簡介圖1. 壓縮式復(fù)合循環(huán)間冷系統(tǒng)原理圖汽輪機(jī)排汽雙相變換熱器凝結(jié)水泵汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)電動機(jī)/小汽輪機(jī)MM壓縮機(jī)閥門閥門閥門低壓抽汽/煙氣膨脹機(jī)空冷散熱器空冷風(fēng)機(jī)儲液箱升壓泵閥門節(jié)流閥去回?zé)嵯到y(tǒng)氨氣過熱器發(fā)電機(jī)節(jié)流閥閥門2.2 復(fù)間冷系統(tǒng)對制冷劑復(fù)間冷系統(tǒng)對制冷劑/ /工質(zhì)的要求工質(zhì)的要求p1、可用性大：可用性大： 制冷能力大制冷能力大 ; 做功能力大。做功能力大。p2、匹配性好：蒸發(fā)參數(shù)

5、和沸騰參數(shù)合適、匹配性好：蒸發(fā)參數(shù)和沸騰參數(shù)合適; 臨界溫度應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)高于臨界溫度應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)高于50度。度。 2.2 2.2 復(fù)間冷系統(tǒng)對制冷劑復(fù)間冷系統(tǒng)對制冷劑/ /工質(zhì)的要求工質(zhì)的要求p3、流動性好：動力黏度小流動性好：動力黏度小 ； 比容小。比容小。p4、熱物性優(yōu)：熔點(diǎn)足夠低；熱物性優(yōu)：熔點(diǎn)足夠低； 汽化潛熱、定壓比熱大。汽化潛熱、定壓比熱大。p5、相容性良：不會與設(shè)備材料發(fā)生腐蝕。相容性良：不會與設(shè)備材料發(fā)生腐蝕。三、復(fù)間冷系統(tǒng)制冷劑三、復(fù)間冷系統(tǒng)制冷劑/工工質(zhì)篩選質(zhì)篩選3.1 3.1 環(huán)境接受性環(huán)境接受性表表1.1.常用單質(zhì)制冷劑常用單質(zhì)制冷劑/ /工質(zhì)的工質(zhì)的ODPODP和和GWPGWP名

6、稱名稱臭氧破壞潛勢臭氧破壞潛勢ODPODP全球變暖潛勢全球變暖潛勢 GWP(100GWP(100年年) )GWP(500GWP(500年年) )R125R1253 31010-5-525002500860860R134aR134a1.51.51010-5-512001200420420R227R2270 0R152aR152a0 01401404747R123R1230.020.0285852929R32R320 0220220R290R2900 03 33 3R600R6000 03 33 3R600aR600a0 03 33 3戊烷戊烷0 0丙酮丙酮0 0異丙醇異丙醇0 0二甲基醚二甲基醚

7、0 0氨氨0 00 00 0水水0 00 00 0二氧化碳二氧化碳0 00 01 1兩個(gè)硬指標(biāo)兩個(gè)硬指標(biāo)ODPODPGWP選出環(huán)保制冷劑六種。選出環(huán)保制冷劑六種。3.2 物性對復(fù)間冷系統(tǒng)匹配程度物性對復(fù)間冷系統(tǒng)匹配程度表表2. 2. 幾種環(huán)保型制冷劑和幾種環(huán)保型制冷劑和R134a參數(shù)參數(shù)名稱名稱 R290R290R600R600R600aR600aR134aR134aNHNH3 3H H2 2O O COCO2)2)分子量分子量44.144.158.1258.1258.1258.12102.03102.0317.0317.0318.0218.0244.0144.01熔點(diǎn)（熔點(diǎn)（）-188-18

8、8-138.4-138.4-159.2-159.2-101-101-77.7-77.70 0-56.6-56.6沸點(diǎn)（沸點(diǎn)（）-42-42-0.5-0.5-11.8-11.8-26.05-26.05-33.3-33.3100.0100.0-78.5-78.5飽和壓力飽和壓力(50,bar)(50,bar)17.11417.1144.9084.9086.9196.91913.17613.17620.3320.330.1230.123飽和壓力飽和壓力(-20,bar)(-20,bar)2.4242.4240.4540.4540.7280.7281.3301.3301.9011.9010.00130

9、.001319.72019.720汽化潛熱（汽化潛熱（1.013bar1.013bar，kJ/kgkJ/kg）4304303853853673672162161369136922582258液體密度液體密度(20,kg/m(20,kg/m3 3) )5005005785785575571378137868268295895815201520臨界溫度臨界溫度()()96.796.7152.0152.0135.0135.0101.1101.1132.2132.2374.2374.230.9530.95臨界壓力（臨界壓力（barbar）42.542.538.038.036.536.540.640.6

10、113.4113.4221.2221.273.873.8壓縮比壓縮比3.713.715.505.504.604.604.814.814.944.943.153.15制冷系數(shù)制冷系數(shù)4.744.744.684.684.554.554.424.424.844.842.962.963.2 物性對復(fù)間冷系統(tǒng)匹配程度物性對復(fù)間冷系統(tǒng)匹配程度表表3.3.幾種制冷工質(zhì)匹配性初步比較幾種制冷工質(zhì)匹配性初步比較名稱名稱是否匹配是否匹配如果不匹配，說明理由如果不匹配，說明理由若匹配，尚需綜合論證之處若匹配，尚需綜合論證之處R290R290是是潛熱低；易燃；做功能力。潛熱低；易燃；做功能力。R600R600否否-2

11、0-20飽和壓力遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)大氣飽和壓力遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓壓R600aR600a否否-20-20飽和壓力遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)大氣飽和壓力遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓壓R134aR134a是是GWPGWP高；做功能力。高；做功能力。NHNH3 3是是可燃性；刺激性；做功能力?？扇夹?；刺激性；做功能力。H H2 2O O否否沸點(diǎn)遠(yuǎn)高于汽輪機(jī)排汽沸點(diǎn)遠(yuǎn)高于汽輪機(jī)排汽COCO2 2否否臨界溫度和壓力過低臨界溫度和壓力過低初步選出三種參數(shù)匹配物質(zhì)：氨初步選出三種參數(shù)匹配物質(zhì)：氨、R290、R134a。3.3 逆制冷做功能力逆制冷做功能力-35-30-25-20-15-10-50510150510152025303540單位質(zhì)量做

12、功（KW）環(huán)境溫度（度） NH3 R290 R134a 圖圖2.單位質(zhì)量工質(zhì)做功能力比較單位質(zhì)量工質(zhì)做功能力比較氨的做功能力要遠(yuǎn)優(yōu)氨的做功能力要遠(yuǎn)優(yōu)于于R290R290和和R134aR134a。四、氨作復(fù)間冷系統(tǒng)制冷劑四、氨作復(fù)間冷系統(tǒng)制冷劑/工質(zhì)的檢驗(yàn)工質(zhì)的檢驗(yàn)4.1 氨的可用性最大氨的可用性最大p在相同原動機(jī)、相同初終參數(shù)下，單位質(zhì)量流量的做功在相同原動機(jī)、相同初終參數(shù)下，單位質(zhì)量流量的做功能力在前兩輪篩選中勝出的三種介質(zhì)中最大（圖能力在前兩輪篩選中勝出的三種介質(zhì)中最大（圖2 2）；）；p氨的制冷系數(shù)也是最大的，因而其制冷系統(tǒng)的壓縮設(shè)備、氨的制冷系數(shù)也是最大的，因而其制冷系統(tǒng)的壓縮設(shè)備、換

13、熱器的尺寸均較小，功率消耗也較小，有利于節(jié)省一換熱器的尺寸均較小，功率消耗也較小，有利于節(jié)省一次性投資和運(yùn)行費(fèi)用。次性投資和運(yùn)行費(fèi)用。4 .2 氨的匹配性優(yōu)秀氨的匹配性優(yōu)秀p-20對應(yīng)的飽和壓力為對應(yīng)的飽和壓力為1.901MPa，大于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，大于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，在在50時(shí)氨的飽和壓力為時(shí)氨的飽和壓力為2.033MPa。符合制冷要求，。符合制冷要求，且正、逆制冷循環(huán)均在高于大氣壓力下工作，無需采用且正、逆制冷循環(huán)均在高于大氣壓力下工作，無需采用真空系統(tǒng)。真空系統(tǒng)。p氨的臨界溫度氨的臨界溫度132.20 ，遠(yuǎn)高于，遠(yuǎn)高于500 ，遠(yuǎn)離制冷循，遠(yuǎn)離制冷循環(huán)工作區(qū)，節(jié)流損失小。環(huán)工作區(qū)，節(jié)流損失小。4

14、.3 4.3 氨的流動性良好氨的流動性良好p氨的動力粘度系數(shù)小，只有同溫度水蒸汽的氨的動力粘度系數(shù)小，只有同溫度水蒸汽的1/6.5，故其，故其流動阻力小，設(shè)備耗功少。流動阻力小，設(shè)備耗功少。 4.4 4.4 氨的熱物性優(yōu)氨的熱物性優(yōu)p首先，氨的汽化潛熱是除水以外最大的，因而作為傳熱首先，氨的汽化潛熱是除水以外最大的，因而作為傳熱介質(zhì)的需要量是最少的；其定壓比熱與水相近，因而顯介質(zhì)的需要量是最少的；其定壓比熱與水相近，因而顯熱相近；熱相近；p其次，氨的氣態(tài)比容只有同溫度水蒸汽的其次，氨的氣態(tài)比容只有同溫度水蒸汽的1/700，于是，于是，盡管氨氣的質(zhì)量流量是水蒸汽的盡管氨氣的質(zhì)量流量是水蒸汽的2

15、2倍，但通往空冷島的倍，但通往空冷島的管道尺寸只有同容量直冷機(jī)組的管道尺寸只有同容量直冷機(jī)組的1/350。 4.5 氨的設(shè)備相容性寬廣氨的設(shè)備相容性寬廣p不腐蝕除銅以外的任何金屬，與價(jià)廉物美、加工工藝成不腐蝕除銅以外的任何金屬，與價(jià)廉物美、加工工藝成熟、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)完備的碳鋼相容性優(yōu)良，既不腐蝕，也不熟、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)完備的碳鋼相容性優(yōu)良，既不腐蝕，也不結(jié)垢；與鋁、不銹鋼等常用金屬的相容性也很好。結(jié)垢；與鋁、不銹鋼等常用金屬的相容性也很好。5、氨的安全性、經(jīng)濟(jì)性分析、氨的安全性、經(jīng)濟(jì)性分析5.1 5.1 安全性分析安全性分析1 1、在空氣中，氨的體積濃度達(dá)到、在空氣中，氨的體積濃度達(dá)到15 %28 %時(shí)

16、有爆炸時(shí)有爆炸的可能，但是其引燃溫度高達(dá)的可能，但是其引燃溫度高達(dá)651，需要較高的能量，需要較高的能量，因此，在一般制冷系統(tǒng)中，只要不采用電、火焊，氨因此，在一般制冷系統(tǒng)中，只要不采用電、火焊，氨不可能被引燃；不可能被引燃；2 2、氨比空氣輕，一旦泄漏，容易上升，而且按其易溶于、氨比空氣輕，一旦泄漏，容易上升，而且按其易溶于水的特性，向泄漏處噴水或用水膜籠罩，即易控制其水的特性，向泄漏處噴水或用水膜籠罩，即易控制其擴(kuò)散，故氨實(shí)際上并不能算易燃易爆。擴(kuò)散，故氨實(shí)際上并不能算易燃易爆。3 3、在日本新瀉、仙臺等歷次地震中，氨制冷裝置遭受破、在日本新瀉、仙臺等歷次地震中，氨制冷裝置遭受破壞，但沒有

17、火災(zāi)爆炸事故的報(bào)告。壞，但沒有火災(zāi)爆炸事故的報(bào)告。可燃性可燃性5.1 5.1 安全性分析安全性分析p1 1、氨是低毒性。長時(shí)間吸入高濃度的氨可引起呼吸障礙、氨是低毒性。長時(shí)間吸入高濃度的氨可引起呼吸障礙, , 導(dǎo)致咽喉及支氣管痙攣；但是其刺激性氣味很易被人感導(dǎo)致咽喉及支氣管痙攣；但是其刺激性氣味很易被人感知，具有警示作用。知，具有警示作用。p2 2、我國的容許連續(xù)工作、我國的容許連續(xù)工作8 8小時(shí)安全濃度為小時(shí)安全濃度為40ppm，可當(dāng)，可當(dāng)濃度達(dá)濃度達(dá)5ppm時(shí)，嗅覺正常的人即可感知。時(shí)，嗅覺正常的人即可感知。p3 3、正確使用條件下、正確使用條件下, , 氨不會對人體產(chǎn)生傷害。氨不會對人體

18、產(chǎn)生傷害。毒性毒性5.1 5.1 安全性分析安全性分析表表4.世界各國對氨氣的允許濃度規(guī)定世界各國對氨氣的允許濃度規(guī)定中國中國40ppm(0.03mg/L)美國美國25ppm(0.018mg/L)英國英國100ppm（0.075 mg/L）日本日本25ppm（0.018 mg/L）德國德國50ppm（0.0375 mg/L）原蘇聯(lián)原蘇聯(lián)29ppm（0.022 mg/L）正確使用條件下，不正確使用條件下，不會對人體產(chǎn)生影響。會對人體產(chǎn)生影響。毒性毒性5.1 5.1 安全性分析安全性分析表表5.氨對人體氨對人體的影響的影響氣體濃度（氣體濃度（ppmppm）對無保護(hù)人員的影響對無保護(hù)人員的影響人為反

19、應(yīng)人為反應(yīng)時(shí)間時(shí)間5 5在溫度低于在溫度低于0 0 時(shí)時(shí), ,敏感人員能感到氣味敏感人員能感到氣味2020大部分人能感到氣味特殊難聞的氣味大部分人能感到氣味特殊難聞的氣味等于警告等于警告, , 對人無害對人無害無限制無限制5050明顯氣味明顯氣味, , 無經(jīng)驗(yàn)人員會立即反應(yīng)并離開現(xiàn)無經(jīng)驗(yàn)人員會立即反應(yīng)并離開現(xiàn)場場警告警告, , 無害無害在大部分國家允許每天工作在大部分國家允許每天工作8 8 h h100100對健康的人無害。氣味難聞對健康的人無害。氣味難聞, ,對無經(jīng)驗(yàn)的人對無經(jīng)驗(yàn)的人可能引起恐慌可能引起恐慌不應(yīng)比需要時(shí)間停留更長不應(yīng)比需要時(shí)間停留更長300300無害無害, ,但有經(jīng)驗(yàn)的人員不

20、會置之不理但有經(jīng)驗(yàn)的人員不會置之不理有經(jīng)驗(yàn)的人不會容忍有經(jīng)驗(yàn)的人不會容忍400400700700人的眼人的眼, , 鼻鼻, , 呼吸道立即發(fā)炎。習(xí)慣于氨的呼吸道立即發(fā)炎。習(xí)慣于氨的人也不能忍受。人也不能忍受。通常情況下通常情況下, , 在第一個(gè)小時(shí)中在第一個(gè)小時(shí)中, , 不會嚴(yán)重?fù)p傷不會嚴(yán)重?fù)p傷17001700咳嗽咳嗽, , 抽搐抽搐, , 以及眼以及眼, , 鼻鼻, , 呼吸道嚴(yán)重發(fā)炎。呼吸道嚴(yán)重發(fā)炎。半小時(shí)可能造成嚴(yán)重?fù)p傷半小時(shí)可能造成嚴(yán)重?fù)p傷2000200050005000咳嗽咳嗽, , 抽搐抽搐, , 以及眼以及眼, , 鼻鼻, ,呼吸道嚴(yán)重發(fā)炎。呼吸道嚴(yán)重發(fā)炎。半小時(shí)或更短的時(shí)間可能

21、導(dǎo)致半小時(shí)或更短的時(shí)間可能導(dǎo)致死亡死亡70007000癱瘓癱瘓, ,窒息幾分鐘內(nèi)便造成死亡窒息幾分鐘內(nèi)便造成死亡5.2 5.2 經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性p1 1、氨成本低廉。液氨目前市場價(jià)為、氨成本低廉。液氨目前市場價(jià)為27002700元元/ /噸；而噸；而R134aR134a由于受制于國外專利，高達(dá)由于受制于國外專利，高達(dá)4900049000元元/ /噸。噸。p2 2、其次，在復(fù)合循環(huán)間冷系統(tǒng)中采用氨是節(jié)省物耗和、其次，在復(fù)合循環(huán)間冷系統(tǒng)中采用氨是節(jié)省物耗和投資的。投資的。 因?yàn)闊o須真空系統(tǒng)，同時(shí)動力黏度小，因此因?yàn)闊o須真空系統(tǒng)，同時(shí)動力黏度小，因此阻力損失小。阻力損失小。p3 3、逆制冷循環(huán)（

22、動力循環(huán)）的收益大。、逆制冷循環(huán)（動力循環(huán)）的收益大。 5.3 5.3 應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和前景應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和前景p氨相變空冷系統(tǒng)作為美國氨相變空冷系統(tǒng)作為美國EPRI ATCEPRI ATC示范電站的研究項(xiàng)目，示范電站的研究項(xiàng)目，曾在加州克恩電站進(jìn)行了為期四年的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行；曾在加州克恩電站進(jìn)行了為期四年的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行； p氨制冷技術(shù)廣泛用于食品、化工，甚至對安全極為敏感氨制冷技術(shù)廣泛用于食品、化工，甚至對安全極為敏感的珠海機(jī)場冷庫等多個(gè)行業(yè)的珠海機(jī)場冷庫等多個(gè)行業(yè) ；p山東石橫電廠氨急冷氣缸已應(yīng)用了山東石橫電廠氨急冷氣缸已應(yīng)用了3030余年余年 ；p國外還有規(guī)模為國外還有規(guī)模為1200012000噸氨冷凝器系統(tǒng)的運(yùn)行報(bào)道噸氨冷凝器系統(tǒng)的運(yùn)行報(bào)道 。經(jīng)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)5.3 5.3 應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和前景應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和前景圖圖2 12000t2 12000t氨冷凝器系統(tǒng)航拍圖氨冷凝器系統(tǒng)航拍圖5.3 5.3 應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和前景應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和前景p聯(lián)合國環(huán)境保護(hù)署在聯(lián)合國環(huán)境保護(hù)署在1992年的年度報(bào)告中肯定了氨是一種年的年度報(bào)告中肯定了氨是一種性能非常良好制冷劑替代工質(zhì)；性能非常良好制冷劑替代工質(zhì)； p美國環(huán)保局認(rèn)為認(rèn)為氨是一種可行的替代工質(zhì)；美國環(huán)保局認(rèn)為認(rèn)為氨是一種可行的替代工質(zhì)； pASHARE一直認(rèn)為氨是一種理想的制冷劑，并始終鼓勵(lì)和一直認(rèn)