120萬大卡ｈ單機配打雙級壓縮冷凍站的設計

120萬大卡/ｈ單機配打雙級壓縮冷凍站的設計摘要：本文結合工程實例，介紹單機配打雙級壓縮制冷站的設計思路和過程。并針對設備運行情況分析、總結設計過程中的得與失，為雙級壓縮制冷裝置的設計者提供經(jīng)驗和參考。關鍵詞：雙級壓縮制冷系統(tǒng)中間完全冷卻蒸發(fā)壓力

0、引言隨著我國國民經(jīng)濟和社會的發(fā)展，雙級壓縮制冷技術已在國防、科研、化工、醫(yī)院、冷凍等建筑中越來越廣泛的得到應用。一些單位或工廠企業(yè)使用雙級壓縮制冷技術面較廣，冷量負何較大，采用傳統(tǒng)的單機雙級壓縮制冷或帶經(jīng)濟器的螺桿壓縮機已不是最佳方案，而采用單機配打雙級壓縮制冷機卻大有發(fā)展?jié)摿Α螜C配打雙級壓縮制冷循環(huán)制冷系數(shù)高、節(jié)能、易于實現(xiàn)自動控制、節(jié)省投資和運行成本，是一種高效具有國際先進水平的制冷循環(huán)方案。1、單機配打雙級壓縮制冷方案特點單機配打雙級(中冷帶負荷)壓縮制冷循環(huán)是近年來隨著計算機控制技術的發(fā)展而大量加以運用的。特別是大中型氨螺桿壓縮機均配有自動控制器，能精確地控制高、低壓機的能量比，使其達到-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，達到設計目的。下面從空調制冷網(wǎng)引用大連冰山集團具體實例來描述。工藝要求：(其性能參數(shù)對比見附表)

蒸發(fā)溫度：-40℃

冷凝溫度：38℃

制冷量：2500Kw

中冷負荷：700Kw性能參數(shù)對比表單機配打雙級

壓縮制冷循環(huán)帶經(jīng)濟器的螺桿

壓縮機制冷循環(huán)活塞壓縮機制冷循環(huán)壓縮機低壓級：11臺JZ2LG20

高壓級：5臺JZ2LG20低溫：17臺JJZ2LG20帶經(jīng)濟器

高溫：1臺JZ2LG20低溫：20臺8ASJ17

高溫：4AV17、6AW17各一臺制冷量-40℃：2543Kw

-10℃：700Kw-40℃：

-10℃：745Kw軸功率1700Kw-40℃：2058Kw

-10℃：206Kw

合計：2264Kw-40℃：1550Kw

-10℃：221Kw

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

①制冷系數(shù)提高約30%，

②總裝機容量減少980Kw，減少41%，

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

①運行成本降低30%～40%，

②投資減少，

③制冷系數(shù)提高，

④減少附屬設備臺數(shù)及相應的自控元件、閥門，有利于壓縮機的通用性，系統(tǒng)工作穩(wěn)定性及相對節(jié)能效果，

⑤中冷帶負荷使中冷器與-10℃低壓循環(huán)泵組簡化合并，節(jié)約了一次性投資和機房占地面積。2、某化工企業(yè)120萬大卡/h雙級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)某車間工藝生產過程提供用冷量要求，冷凍站單獨建造，可提供三種不同溫度的用冷要求，總裝機容量達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，介紹該冷凍站的設計思路和過程；2.2方案考慮：根據(jù)工藝生產提供的用冷溫度要求以及單機配打方案特點，該制冷系統(tǒng)應采用單機配打雙級壓縮制冷循環(huán)裝置，制冷劑選擇R717。下面介紹兩個主要方案的比較：方案比較項目方案一方案二設計工況-45/45℃-45/40℃主要設備來源國內廠家生家進口設備冷卻方式蒸發(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)型式一級節(jié)流中間完全冷卻一級節(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、低壓級均采用螺桿制冷機組高壓級螺桿制冷機組低壓級離心式制冷機組初投資較低較高運行費用高相對較低耗電量略高相對較低運行可*性可滿足用冷溫度及冷量要求，運行可*可滿足用冷溫度及冷量要求技術及管理技術成熟，廠方已有多年的螺桿機組設計、運行、管理經(jīng)驗用戶對于離心式制冷機組運行、管理經(jīng)驗相對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、運行費等經(jīng)濟性能，也要考慮冷凍站的噪聲、振動、運行、操作、維護管理等技術性能，與工程整體及周圍環(huán)境相協(xié)調；既要考慮當前投資效益，也要考慮長遠利益，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、設計計算過程3.1最佳中間壓力(中間溫度)的選擇計算查閱有關文獻資料可知，因為不存在中間冷負荷，中間壓力應根據(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：取比例中項值為參考中間溫度預選值。根據(jù)車間使用冷凍鹽水溫度要求為-40℃，設計工況為-45℃/45℃，單機配打雙級壓縮制冷機采用的制冷劑為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℃，計算時先按溫度的比例中項確定中間溫度，T中=（K）。具體步驟根據(jù)比例中項確定的中間溫度選取幾個不同的中間溫度Tm1，Tm2，Tm3，…，算出相應的制冷系數(shù)ε1，ε2，ε3，…，找出對應于最大ε值的中間溫度即為最佳中間溫度，然后根據(jù)制冷劑的熱力性質表確定最佳中間壓力。根據(jù)T中=（K），計算比例中項溫度值為T中=-4℃。查NH3的P－h(huán)圖計算列表如下：(采用Excel公式功能計算)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由上述計算可知設計工況最佳中間溫度約為0℃左右，查NH3的熱力性質表可得對應最佳中間壓力為0.43MPａ（表壓為0.33MPａ）。3.2根據(jù)制冷量計算高、低壓級實際輸氣量并選擇制冷壓縮機根據(jù)工藝條件冷量為：120萬大卡/h；取設計安全系數(shù)φ=1.15；設計總制冷量為：Q0＝120*1.15萬大卡/h＝1600（KW）；低壓級實際質量輸氣量：mL=Q0/(h1-h4)=1.364kg/s；低壓級實際容積輸氣量：VL=mL*ν1=2.742m3/s；高低壓級質量流量比：=1.413；高壓級實際質量輸氣量：mH=1.364*1.413=1.927kg/s；高壓級實際容積輸氣量：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的部分性能參數(shù)：型號JZKA12.5CJZKA16JZKA20CJZKA25JZKA31.5轉子公稱直徑(mm)125160200250315轉子長度(mm)190240300421530轉速(r/min)2960理論排氣量(m3/h)263552106823954622能量調節(jié)范圍(%)10~100注：壓縮機的理論輸氣量也可查文獻資料計算。根據(jù)高、低壓級輸氣量的大小，選配制冷壓縮機組如下：①高壓級：兩臺JZKA25，一開一備。②低壓級：三臺JZKA31.5+一臺JZKA20C，其中三臺JZKA31.5機組為兩開一備，一臺JZKA20C機組可作為夏季工況（-45/48℃）使用，正常使用工況條件下可停機，以適應季節(jié)性引起的變工況能量調節(jié)要求。3.3實際運行中間壓力(中間溫度)的計算根據(jù)所選配的高、低壓級現(xiàn)有制冷壓縮機，其理論體積輸氣量VH和VL就均已確定，因而此時的約束條件應是：（定值）。ξ－高、低壓級理論體積輸氣量之比；一方法也可用試算法求解，即先預取一系列的中間壓力值(可參見3.2中經(jīng)驗公式計算值作為預取值參考)，即Pm1，Pm2，Pm3，…，并計算出相應的高壓級和低壓級的理論輸氣量之比，ξ1，ξ2，ξ3，…，繪制ξ和Pm的變化曲線，曲線同ξ=C定值的交點即給出所求的中間壓力Pm。此方法也可先預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、低壓級制冷壓縮機可求高、低壓級實際輸氣量之比為：ξ實=VH實/VL實=2395/(4622*2+1068)=0.232254由公式可簡化為：；高低壓級質量流量比：；根據(jù)3.2計算結果，可預取值Tm=0℃，計算列表如下：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=0.232254查得對應中間溫度值約為：Tm實=-4℃。由NH3的熱力性質表可得中間壓力值約為：Pm實=0.369MPa（表壓0.269MPa）。3.4計算設計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壓縮機組，可得：低壓級實際容積輸氣量：VL實=(4622*2+1068)m3/h=2.864m3/s；低壓級實際質量輸氣量：mL實=VL實/ν1=1.424kg/s；高壓級實際容積輸氣量：VH實=2395m3/h=0.665m3/s；高壓級實際質量輸氣量：mH實=VH實/ν3=2.002kg/s；高低壓級質量流量比：=1.406；設計總制冷量為：Q0＝（h1-h4）*mL=1698KW=146萬大卡/h；低壓級僅開兩臺JZKA31.5制冷機時的制冷量為：Q0`=（h1-h4）*mL`=1523KW=130萬大卡/h；低壓級壓縮機的理論功率：N0L=mL*ωL=391KW；高壓級壓縮機的理論功率：N0H=mH*ωH=480KW；各型號制冷壓縮機組匹配電機功率分別為：①高壓級：JZKA25，配電機560KW；②低壓級：JZKA31.5，配電機280KW；JZKA20C，配電機65KW。運行電機總功率為：280*2+65+560=1185KW。低壓級壓縮比：ΠL=p2/p1=6.8；高壓級壓縮比：ΠH=p7/p2=4.8；制冷系數(shù):ε=1.944；COP值：1.411。4、附屬設備選型設計及簡易流程4.1各附制冷設備型號及數(shù)量如下表：4.2簡易流程序號設備型號設備各稱數(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