120萬大卡ｈ單機(jī)配打雙級(jí)壓縮冷凍站的設(shè)計(jì)

120萬大卡/ｈ單機(jī)配打雙級(jí)壓縮冷凍站的設(shè)計(jì)摘要：本文結(jié)合工程實(shí)例，介紹單機(jī)配打雙級(jí)壓縮制冷站的設(shè)計(jì)思路和過程。并針對(duì)設(shè)備運(yùn)行情況分析、總結(jié)設(shè)計(jì)過程中的得與失，為雙級(jí)壓縮制冷裝置的設(shè)計(jì)者提供經(jīng)驗(yàn)和參考。關(guān)鍵詞：雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)中間完全冷卻蒸發(fā)壓力

0、引言隨著我國國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，雙級(jí)壓縮制冷技術(shù)已在國防、科研、化工、醫(yī)院、冷凍等建筑中越來越廣泛的得到應(yīng)用。一些單位或工廠企業(yè)使用雙級(jí)壓縮制冷技術(shù)面較廣，冷量負(fù)何較大，采用傳統(tǒng)的單機(jī)雙級(jí)壓縮制冷或帶經(jīng)濟(jì)器的螺桿壓縮機(jī)已不是最佳方案，而采用單機(jī)配打雙級(jí)壓縮制冷機(jī)卻大有發(fā)展?jié)摿?。單機(jī)配打雙級(jí)壓縮制冷循環(huán)制冷系數(shù)高、節(jié)能、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、節(jié)省投資和運(yùn)行成本，是一種高效具有國際先進(jìn)水平的制冷循環(huán)方案。1、單機(jī)配打雙級(jí)壓縮制冷方案特點(diǎn)單機(jī)配打雙級(jí)(中冷帶負(fù)荷)壓縮制冷循環(huán)是近年來隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展而大量加以運(yùn)用的。特別是大中型氨螺桿壓縮機(jī)均配有自動(dòng)控制器，能精確地控制高、低壓機(jī)的能量比，使其達(dá)到-40℃低溫及-10℃中間溫度的系統(tǒng)工藝要求，穩(wěn)定蒸發(fā)溫度，達(dá)到設(shè)計(jì)目的。下面從空調(diào)制冷網(wǎng)引用大連冰山集團(tuán)具體實(shí)例來描述。工藝要求：(其性能參數(shù)對(duì)比見附表)

蒸發(fā)溫度：-40℃

冷凝溫度：38℃

制冷量：2500Kw

中冷負(fù)荷：700Kw性能參數(shù)對(duì)比表單機(jī)配打雙級(jí)

壓縮制冷循環(huán)帶經(jīng)濟(jì)器的螺桿

壓縮機(jī)制冷循環(huán)活塞壓縮機(jī)制冷循環(huán)壓縮機(jī)低壓級(jí)：11臺(tái)JZ2LG20

高壓級(jí)：5臺(tái)JZ2LG20低溫：17臺(tái)JJZ2LG20帶經(jīng)濟(jì)器

高溫：1臺(tái)JZ2LG20低溫：20臺(tái)8ASJ17

高溫：4AV17、6AW17各一臺(tái)制冷量-40℃：2543Kw

-10℃：700Kw-40℃：

-10℃：745Kw軸功率1700Kw-40℃：2058Kw

-10℃：206Kw

合計(jì)：2264Kw-40℃：1550Kw

-10℃：221Kw

合計(jì)：1771Kw電機(jī)功率2350Kw3330Kw2860Kw綜合上述分析，單機(jī)配打雙級(jí)壓縮制冷循環(huán)方案同帶經(jīng)濟(jì)器的螺桿壓縮機(jī)制冷循環(huán)方案相比：

①制冷系數(shù)提高約30%，

②總裝機(jī)容量減少980Kw，減少41%，

③制冷系統(tǒng)在獲得同樣制冷量的基礎(chǔ)上，少耗電864Kw,降低33%。針對(duì)上述數(shù)據(jù)我們可知：

①運(yùn)行成本降低30%～40%，

②投資減少，

③制冷系數(shù)提高，

④減少附屬設(shè)備臺(tái)數(shù)及相應(yīng)的自控元件、閥門，有利于壓縮機(jī)的通用性，系統(tǒng)工作穩(wěn)定性及相對(duì)節(jié)能效果，

⑤中冷帶負(fù)荷使中冷器與-10℃低壓循環(huán)泵組簡化合并，節(jié)約了一次性投資和機(jī)房占地面積。2、某化工企業(yè)120萬大卡/h雙級(jí)壓縮制冷站工程概況及方案考慮2.1工程概況：該冷凍站為某大型化工企業(yè)某車間工藝生產(chǎn)過程提供用冷量要求，冷凍站單獨(dú)建造，可提供三種不同溫度的用冷要求，總裝機(jī)容量達(dá)1000萬大卡/h的大型冷凍站。工藝用冷量要求分別為：①-40℃鹽水溫度，冷量約120萬大卡/h；

②-15℃鹽水溫度，冷量約600萬大卡/h；

③5℃低溫水，冷量約210萬大卡/h。下面以工藝用冷要求：-40℃鹽水溫度，冷量120萬大卡/h為例，介紹該冷凍站的設(shè)計(jì)思路和過程；2.2方案考慮：根據(jù)工藝生產(chǎn)提供的用冷溫度要求以及單機(jī)配打方案特點(diǎn)，該制冷系統(tǒng)應(yīng)采用單機(jī)配打雙級(jí)壓縮制冷循環(huán)裝置，制冷劑選擇R717。下面介紹兩個(gè)主要方案的比較：方案比較項(xiàng)目方案一方案二設(shè)計(jì)工況-45/45℃-45/40℃主要設(shè)備來源國內(nèi)廠家生家進(jìn)口設(shè)備冷卻方式蒸發(fā)式冷凝器循環(huán)水冷卻載冷劑載冷劑：CaCl2鹽水載冷劑：CCl4制冷循環(huán)型式一級(jí)節(jié)流中間完全冷卻一級(jí)節(jié)流中間完全冷卻蒸發(fā)器鹽水箱型蒸發(fā)器臥式殼管式蒸發(fā)器高低壓匹配方式高、低壓級(jí)均采用螺桿制冷機(jī)組高壓級(jí)螺桿制冷機(jī)組低壓級(jí)離心式制冷機(jī)組初投資較低較高運(yùn)行費(fèi)用高相對(duì)較低耗電量略高相對(duì)較低運(yùn)行可*性可滿足用冷溫度及冷量要求，運(yùn)行可*可滿足用冷溫度及冷量要求技術(shù)及管理技術(shù)成熟，廠方已有多年的螺桿機(jī)組設(shè)計(jì)、運(yùn)行、管理經(jīng)驗(yàn)用戶對(duì)于離心式制冷機(jī)組運(yùn)行、管理經(jīng)驗(yàn)相對(duì)欠缺任何一種冷凍站方案都不能盡善盡美。工程中要因地制宜，既要考慮冷凍站的初投資、運(yùn)行費(fèi)等經(jīng)濟(jì)性能，也要考慮冷凍站的噪聲、振動(dòng)、運(yùn)行、操作、維護(hù)管理等技術(shù)性能，與工程整體及周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)；既要考慮當(dāng)前投資效益，也要考慮長遠(yuǎn)利益，合理選擇冷凍站方案。經(jīng)過用戶再三綜合考慮，甲方最終選擇方案一。3、設(shè)計(jì)計(jì)算過程3.1最佳中間壓力(中間溫度)的選擇計(jì)算查閱有關(guān)文獻(xiàn)資料可知，因?yàn)椴淮嬖谥虚g冷負(fù)荷，中間壓力應(yīng)根據(jù)制冷系數(shù)最大的原則選取。制冷循環(huán)過程P-h圖如下：取比例中項(xiàng)值為參考中間溫度預(yù)選值。根據(jù)車間使用冷凍鹽水溫度要求為-40℃，設(shè)計(jì)工況為-45℃/45℃，單機(jī)配打雙級(jí)壓縮制冷機(jī)采用的制冷劑為R717（氨）。由以上條件查NH3的飽和液體及蒸汽的熱力性質(zhì)表可得：Tc＝45℃：h8＝1475.3KJ/Kｇ,h9=413.7KJ/Kｇ;Te＝-45℃：h1＝1397.7KJ/Kｇ；取過冷液體溫度T4=T10+5℃，計(jì)算時(shí)先按溫度的比例中項(xiàng)確定中間溫度，T中=（K）。具體步驟根據(jù)比例中項(xiàng)確定的中間溫度選取幾個(gè)不同的中間溫度Tm1，Tm2，Tm3，…，算出相應(yīng)的制冷系數(shù)ε1，ε2，ε3，…，找出對(duì)應(yīng)于最大ε值的中間溫度即為最佳中間溫度，然后根據(jù)制冷劑的熱力性質(zhì)表確定最佳中間壓力。根據(jù)T中=（K），計(jì)算比例中項(xiàng)溫度值為T中=-4℃。查NH3的P－h(huán)圖計(jì)算列表如下：(采用Excel公式功能計(jì)算)Tm（℃）h2（KJ/Kｇ）h3（KJ/Kｇ）h7（KJ/Kｇ）h4（KJ/Kｇ）ε517351461.716402501.945424452417281460.8716462451.945548523317211460.0316522401.945652691217141459.1716582351.945681634117071458.316642301.945689588017001457.7416702251.947434317-116931456.4516762201.945200995-216861455.516822151.944867827-316791454.516882101.944291352-416721453.5516942051.94402110-516651452.5417002001.943451447-616581451.517061951.942746809-716511450.517121901.942292413-816441449.417181851.941316251-916371448.317241801.940368936-1016301447.217301751.939450106-1116231446.117361701.938559407-1216161444.917421651.937144639-1316091443.717481601.935757142-1416021442.617541551.934948388-1515951441.417601501.933614345由上述計(jì)算可知設(shè)計(jì)工況最佳中間溫度約為0℃左右，查NH3的熱力性質(zhì)表可得對(duì)應(yīng)最佳中間壓力為0.43MPａ（表壓為0.33MPａ）。3.2根據(jù)制冷量計(jì)算高、低壓級(jí)實(shí)際輸氣量并選擇制冷壓縮機(jī)根據(jù)工藝條件冷量為：120萬大卡/h；取設(shè)計(jì)安全系數(shù)φ=1.15；設(shè)計(jì)總制冷量為：Q0＝120*1.15萬大卡/h＝1600（KW）；低壓級(jí)實(shí)際質(zhì)量輸氣量：mL=Q0/(h1-h4)=1.364kg/s；低壓級(jí)實(shí)際容積輸氣量：VL=mL*ν1=2.742m3/s；高低壓級(jí)質(zhì)量流量比：=1.413；高壓級(jí)實(shí)際質(zhì)量輸氣量：mH=1.364*1.413=1.927kg/s；高壓級(jí)實(shí)際容積輸氣量：VH=mH*ν3=0.554m3/s；下面為某單位開啟式噴油螺桿氨制冷壓縮機(jī)的部分性能參數(shù)：型號(hào)JZKA12.5CJZKA16JZKA20CJZKA25JZKA31.5轉(zhuǎn)子公稱直徑(mm)125160200250315轉(zhuǎn)子長度(mm)190240300421530轉(zhuǎn)速(r/min)2960理論排氣量(m3/h)263552106823954622能量調(diào)節(jié)范圍(%)10~100注：壓縮機(jī)的理論輸氣量也可查文獻(xiàn)資料計(jì)算。根據(jù)高、低壓級(jí)輸氣量的大小，選配制冷壓縮機(jī)組如下：①高壓級(jí)：兩臺(tái)JZKA25，一開一備。②低壓級(jí)：三臺(tái)JZKA31.5+一臺(tái)JZKA20C，其中三臺(tái)JZKA31.5機(jī)組為兩開一備，一臺(tái)JZKA20C機(jī)組可作為夏季工況（-45/48℃）使用，正常使用工況條件下可停機(jī)，以適應(yīng)季節(jié)性引起的變工況能量調(diào)節(jié)要求。3.3實(shí)際運(yùn)行中間壓力(中間溫度)的計(jì)算根據(jù)所選配的高、低壓級(jí)現(xiàn)有制冷壓縮機(jī)，其理論體積輸氣量VH和VL就均已確定，因而此時(shí)的約束條件應(yīng)是：（定值）。ξ－高、低壓級(jí)理論體積輸氣量之比；一方法也可用試算法求解，即先預(yù)取一系列的中間壓力值(可參見3.2中經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值作為預(yù)取值參考)，即Pm1，Pm2，Pm3，…，并計(jì)算出相應(yīng)的高壓級(jí)和低壓級(jí)的理論輸氣量之比，ξ1，ξ2，ξ3，…，繪制ξ和Pm的變化曲線，曲線同ξ=C定值的交點(diǎn)即給出所求的中間壓力Pm。此方法也可先預(yù)取一系列的中間溫度值Tm，繪出ξ和Tm的變化曲線，曲線同ξ=C定值的交點(diǎn)即給出所求的中間溫度Tm。由Tm可求出中間壓力Pm。由所選配的高、低壓級(jí)制冷壓縮機(jī)可求高、低壓級(jí)實(shí)際輸氣量之比為：ξ實(shí)=VH實(shí)/VL實(shí)=2395/(4622*2+1068)=0.232254由公式可簡化為：；高低壓級(jí)質(zhì)量流量比：；根據(jù)3.2計(jì)算結(jié)果，可預(yù)取值Tm=0℃，計(jì)算列表如下：Tm（℃）h2（KJ/Kｇ）h3（KJ/Kｇ）h4（KJ/Kｇ）νH（m3/Kｇ）ξ517351461.72500.241140.16994514417281460.872450.249610.175816755317211460.032400.258450.181943791217141459.172350.267660.188327783117071458.32300.277280.19499494017001457.742250.287310.201883091-116931456.452200.297740.209186693-216861455.52150.308740.216818103-316791454.52100.320170.224755056-416721453.552050.332120.233039086-516651452.542000.344610.241708075-616581451.51950.357680.250783892-716511450.51900.371350.260263327-816441449.41850.385650.270202257-916371448.31800.400630.280611113-1016301447.21750.416320.291510437-1116231446.11700.4331450.303197241-1216161444.91650.449970.314907054由ξ實(shí)=0.232254查得對(duì)應(yīng)中間溫度值約為：Tm實(shí)=-4℃。由NH3的熱力性質(zhì)表可得中間壓力值約為：Pm實(shí)=0.369MPa（表壓0.269MPa）。3.4計(jì)算設(shè)計(jì)工況下的制冷量軸功率等性能參數(shù)由上述所選擇的高低壓級(jí)壓縮機(jī)組，可得：低壓級(jí)實(shí)際容積輸氣量：VL實(shí)=(4622*2+1068)m3/h=2.864m3/s；低壓級(jí)實(shí)際質(zhì)量輸氣量：mL實(shí)=VL實(shí)/ν1=1.424kg/s；高壓級(jí)實(shí)際容積輸氣量：VH實(shí)=2395m3/h=0.665m3/s；高壓級(jí)實(shí)際質(zhì)量輸氣量：mH實(shí)=VH實(shí)/ν3=2.002kg/s；高低壓級(jí)質(zhì)量流量比：=1.406；設(shè)計(jì)總制冷量為：Q0＝（h1-h4）*mL=1698KW=146萬大卡/h；低壓級(jí)僅開兩臺(tái)JZKA31.5制冷機(jī)時(shí)的制冷量為：Q0`=（h1-h4）*mL`=1523KW=130萬大卡/h；低壓級(jí)壓縮機(jī)的理論功率：N0L=mL*ωL=391KW；高壓級(jí)壓縮機(jī)的理論功率：N0H=mH*ωH=480KW；各型號(hào)制冷壓縮機(jī)組匹配電機(jī)功率分別為：①高壓級(jí)：JZKA25，配電機(jī)560KW；②低壓級(jí)：JZKA31.5，配電機(jī)280KW；JZKA20C，配電機(jī)65KW。運(yùn)行電機(jī)總功率為：280*2+65+560=1185KW。低壓級(jí)壓縮比：ΠL=p2/p1=6.8；高壓級(jí)壓縮比：ΠH=p7/p2=4.8；制冷系數(shù):ε=1.944；COP值：1.411。4、附屬設(shè)備選型設(shè)計(jì)及簡易流程4.1各附制冷設(shè)備型號(hào)及數(shù)量如下表：4.2簡易流程序號(hào)設(shè)備型號(hào)設(shè)備各稱數(shù)量1CXV-309蒸發(fā)式冷凝器22ZA-8.0貯氨器13LZL-240立式蒸發(fā)器44AF-1200立式氨液分離器25虹吸罐16JY-500集油器17