120万大卡/ｈ单机配打双级压缩冷冻站的设计

2009年02月07 00:00:00 来源：中国制冷空调技术网

摘要：本文结合工程实例，介绍单机配打双级压缩制冷站的设计思路和过程。并针对设备运行情况分析、总结设计过程中的得与失，为双级压缩制冷装置的设计者提供经验和参考。

0、引言

随着我国国民经济和社会的发展，双级压缩制冷技术已在国防、科研、化工、医院、冷冻等建筑中越来越广泛的得到应用。一些单位或工厂企业使用双级压缩制冷技术面较广，冷量负何较大，采用传统的单机双级压缩制冷或带经济器的螺杆压缩机已不是最佳方案，而采用单机配打双级压缩制冷机却大有发展潜力。

单机配打双级压缩制冷循环制冷系数高、节能、易于实现自动控制、节省投资和运行成本，是一种高效具有国际先进水平的制冷循环方案。

1、单机配打双级压缩制冷方案特点

单机配打双级(中冷带负荷)压缩制冷循环是近年来随着计算机控制技术的发展而大量加以运用的。特别是大中型氨螺杆压缩机均配有自动控制器，能精确地控制高、低压机的能量比，使其达到-40℃低温及-10℃中间温度的系统工艺要求，稳定蒸发温度，达到设计目的。下面从空调制冷网引用大连冰山集团具体实例来描述。

工艺要求：(其性能参数对比见附表)

蒸发温度：-40℃

冷凝温度：38℃

制冷量：2500Kw

中冷负荷：700Kw

性能参数对比表

	单机配打双级压缩制冷循环	带经济器的螺杆压缩机制冷循环	活塞压缩机制冷循环
压缩机	低压级：11台 JZ2LG20 高压级： 5台 JZ2LG20	低温：17台 JJZ2LG20带经济器高温： 1台 JZ2LG20	低温：20台 8ASJ17 高温：4AV17、6AW17各一台
制冷量	-40 ℃： 2543Kw -10 ℃： 700Kw	-40 ℃： -10 ℃： 745Kw
轴功率	1700Kw	-40 ℃： 2058Kw -10 ℃： 206Kw 合计： 2264Kw	-40 ℃： 1550Kw -10 ℃： 221Kw 合计： 1771Kw
电机功率	2350Kw	3330Kw	2860 Kw

综合上述分析，单机配打双级压缩制冷循环方案同带经济器的螺杆压缩机制冷循环方案相比：

①制冷系数提高约30%，

②总装机容量减少980Kw，减少41%，

③制冷系统在获得同样制冷量的基础上，少耗电864Kw,降低33%。

针对上述数据我们可知：

①运行成本降低30%～40%，

②投资减少，

③制冷系数提高，

④减少附属设备台数及相应的自控元件、阀门，有利于压缩机的通用性，系统工作稳定性及相对节能效果，

⑤中冷带负荷使中冷器与-10℃低压循环泵组简化合并，节约了一次性投资和机房占地面积。

2、某化工企业120万大卡/h双级压缩制冷站工程概况及方案考虑

2.1工程概况：该冷冻站为某大型化工企业某车间工艺生产过程提供用冷量要求，冷冻站单独建造，可提供三种不同温度的用冷要求，总装机容量达1000万大卡/h的大型冷冻站。工艺用冷量要求分别为：

①-40℃盐水温度，冷量约120万大卡/h；

②-15℃盐水温度，冷量约600万大卡/h；

③5℃低温水，冷量约210万大卡/h。

下面以工艺用冷要求：-40℃盐水温度，冷量120万大卡/h为例，介绍该冷冻站的设计思路和过程；

2.2方案考虑：根据工艺生产提供的用冷温度要求以及单机配打方案特点，该制冷系统应采用单机配打双级压缩制冷循环装置，制冷剂选择R717。下面介绍两个主要方案的比较：

方案比较

项目	方案一	方案二
设计工况	-45/45℃	-45/40℃
主要设备来源	国内厂家生家	进口设备
冷却方式	蒸发式冷凝器	循环水冷却
载冷剂	载冷剂：CaCl2盐水	载冷剂： CCl4
制冷循环型式	一级节流中间完全冷却	一级节流中间完全冷却
蒸发器	盐水箱型蒸发器	卧式壳管式蒸发器
高低压匹配方式	高、低压级均采用螺杆制冷机组	高压级螺杆制冷机组低压级离心式制冷机组
初投资	较低	较高
运行费用	高	相对较低
耗电量	略高	相对较低
运行可靠性	可满足用冷温度及冷量要求，运行可靠	可满足用冷温度及冷量要求
技术及管理	技术成熟，厂方已有多年的螺杆机组设计、运行、管理经验	用户对于离心式制冷机组运行、管理经验相对欠缺

任何一种冷冻站方案都不能尽善尽美。工程中要因地制宜，既要考虑冷冻站的初投资、运行费等经济性能，也要考虑冷冻站的噪声、振动、运行、操作、维护管理等技术性能，与工程整体及周围环境相协调；既要考虑当前投资效益，也要考虑长远利益，合理选择冷冻站方案。经过用户再三综合考虑，甲方最终选择方案一。

3、设计计算过程

3.1 最佳中间压力(中间温度)的选择计算

查阅有关文献资料可知，因为不存在中间冷负荷，中间压力应根据制冷系数最大的原则选取。制冷循环过程P-h图如下：

取比例中项值为参考中间温度预选值。根据车间使用冷冻盐水温度要求为-40℃，设计工况为-45℃/45℃，单机配打双级压缩制冷机采用的制冷剂为R717（氨）。

由以上条件查NH3的饱和液体及蒸汽的热力性质表可得：

Tc＝45℃：h8＝1475.3KJ/Kｇ, h9=413.7 KJ/Kｇ;

Te＝-45℃：h1＝1397.7KJ/Kｇ；

取过冷液体温度T4=T10+5 ℃，计算时先按温度的比例中项确定中间温度，T中= （K）。具体步骤根据比例中项确定的中间温度选取几个不同的中间温度Tm1，Tm2，Tm3，…，算出相应的制冷系数ε1，ε2，ε3，…，找出对应于最大ε值的中间温度即为最佳中间温度，然后根据制冷剂的热力性质表确定最佳中间压力。

根据T中= （K），计算比例中项温度值为T中=-4℃。查NH3的P－h图计算列表如下：(采用Excel公式功能计算)

Tm（℃）	h2 （KJ/Kｇ）	h3 （ KJ/Kｇ）	h7 （KJ/Kｇ）	h4 （KJ/Kｇ）	ε
5	1735	1461.7	1640	250	1.945424452
4	1728	1460.87	1646	245	1.945548523
3	1721	1460.03	1652	240	1.945652691
2	1714	1459.17	1658	235	1.945681634
1	1707	1458.3	1664	230	1.945689588
0	1700	1457.74	1670	225	1.947434317
-1	1693	1456.45	1676	220	1.945200995
-2	1686	1455.5	1682	215	1.944867827
-3	1679	1454.5	1688	210	1.944291352
-4	1672	1453.55	1694	205	1.94402110
-5	1665	1452.54	1700	200	1.943451447
-6	1658	1451.5	1706	195	1.942746809
-7	1651	1450.5	1712	190	1.942292413
-8	1644	1449.4	1718	185	1.941316251
-9	1637	1448.3	1724	180	1.940368936
-10	1630	1447.2	1730	175	1.939450106
-11	1623	1446.1	1736	170	1.938559407
-12	1616	1444.9	1742	165	1.937144639
-13	1609	1443.7	1748	160	1.935757142
-14	1602	1442.6	1754	155	1.934948388
-15	1595	1441.4	1760	150	1.933614345

由上述计算可知设计工况最佳中间温度约为0℃左右，查NH3的热力性质表可得对应最佳中间压力为0.43MPａ（表压为0.33MPａ）。

3.2 根据制冷量计算高、低压级实际输气量并选择制冷压缩机

根据工艺条件冷量为：120万大卡/h；

取设计安全系数φ=1.15；

设计总制冷量为：Q0＝120*1.15万大卡/h＝1600（KW）；

低压级实际质量输气量：mL=Q0/(h1-h4)=1.364 kg/s；

低压级实际容积输气量：VL= mL *ν1=2.742 m3/s；

高低压级质量流量比： =1.413；

高压级实际质量输气量： mH=1.364*1.413=1.927 kg/s；

高压级实际容积输气量：VH= mH *ν3=0.554 m3/s；

下面为某单位开启式喷油螺杆氨制冷压缩机的部分性能参数：

型号	JZKA12.5C	JZKA16	JZKA20C	JZKA25	JZKA31.5
转子公称直径 (mm)	125	160	200	250	315
转子长度 (mm)	190	240	300	421	530
转速 (r/min)	2960
理论排气量 (m3/h)	263	552	1068	2395	4622
能量调节范围 (%)	10~100

注：压缩机的理论输气量也可查文献资料计算。

根据高、低压级输气量的大小，选配制冷压缩机组如下：

①高压级：两台JZKA25，一开一备。

②低压级：三台JZKA31.5+一台JZKA20 C，其中三台JZKA31.5机组为两开一备，一台JZKA20C机组可作为夏季工况（-45/48℃）使用，正常使用工况条件下可停机，以适应季节性引起的变工况能量调节要求。

3.3 实际运行中间压力(中间温度)的计算

根据所选配的高、低压级现有制冷压缩机，其理论体积输气量VH和VL就均已确定，因而此时的约束条件应是：

（定值）。

ξ－高、低压级理论体积输气量之比；

一方法也可用试算法求解，即先预取一系列的中间压力值 (可参见3.2中经验公式计算值作为预取值参考) ，即Pm1，Pm2，Pm3，…，并计算出相应的高压级和低压级的理论输气量之比，ξ1，ξ2，ξ3，…，绘制ξ和Pm的变化曲线，曲线同ξ=C定值的交点即给出所求的中间压力Pm。此方法也可先预取一系列的中间温度值Tm，绘出ξ和Tm的变化曲线，曲线同ξ=C定值的交点即给出所求的中间温度Tm。由 Tm可求出中间压力Pm。

由所选配的高、低压级制冷压缩机可求高、低压级实际输气量之比为：

ξ实=VH实/VL实=2395/(4622*2+1068)=0.232254

由公式可简化为：

；

高低压级质量流量比：；

根据3.2计算结果，可预取值Tm=0℃，计算列表如下：

Tm （℃）	h2 （KJ/Kｇ）	h3 （ KJ/Kｇ）	h4 （KJ/Kｇ）	νH （m3/Kｇ）	ξ
5	1735	1461.7	250	0.24114	0.16994514
4	1728	1460.87	245	0.24961	0.175816755
3	1721	1460.03	240	0.25845	0.181943791
2	1714	1459.17	235	0.26766	0.188327783
1	1707	1458.3	230	0.27728	0.19499494
0	1700	1457.74	225	0.28731	0.201883091
-1	1693	1456.45	220	0.29774	0.209186693
-2	1686	1455.5	215	0.30874	0.216818103
-3	1679	1454.5	210	0.32017	0.224755056
-4	1672	1453.55	205	0.33212	0.233039086
-5	1665	1452.54	200	0.34461	0.241708075
-6	1658	1451.5	195	0.35768	0.250783892
-7	1651	1450.5	190	0.37135	0.260263327
-8	1644	1449.4	185	0.38565	0.270202257
-9	1637	1448.3	180	0.40063	0.280611113
-10	1630	1447.2	175	0.41632	0.291510437
-11	1623	1446.1	170	0.433145	0.303197241
-12	1616	1444.9	165	0.44997	0.314907054

由ξ实=0.232254查得对应中间温度值约为：Tm实=-4℃。

由NH3的热力性质表可得中间压力值约为：

Pm实=0.369MPa（表压0.269MPa）。

3.4 计算设计工况下的制冷量轴功率等性能参数

由上述所选择的高低压级压缩机组，可得：

低压级实际容积输气量：VL实= (4622*2+1068)m3/h=2.864m3/s；

低压级实际质量输气量：mL实= VL实 /ν1=1.424kg/s；

高压级实际容积输气量：VH实= 2395 m3/h =0.665 m3/s；

高压级实际质量输气量：mH实= VH实 /ν3=2.002 kg/s；

高低压级质量流量比： =1.406；

设计总制冷量为：Q0＝（h1-h4）* mL =1698KW=146万大卡/h；

低压级仅开两台JZKA31.5制冷机时的制冷量为：

Q0`=（h1-h4）* mL`=1523KW=130万大卡/h；

低压级压缩机的理论功率：N0L= mL*ωL=391KW；

高压级压缩机的理论功率：N0H= mH*ωH=480KW；

各型号制冷压缩机组匹配电机功率分别为：

①高压级：JZKA25，配电机560KW；

②低压级：JZKA31.5，配电机280KW；

JZKA20C，配电机65KW。

运行电机总功率为：280*2+65+560=1185KW。

低压级压缩比：ΠL=p2/p1=6.8；

高压级压缩比：ΠH=p7/p2=4.8；

制冷系数: ε=1.944；

COP值：1.411。

4、附属设备选型设计及简易流程

4.1 各附制冷设备型号及数量如下表：

4.2 简易流程

序号	设备型号	设备各称	数量
1	CXV-309	蒸发式冷凝器	2
2	ZA-8.0	贮氨器	1
3	LZL-240	立式蒸发器	4
4	AF-1200	立式氨液分离器	2
5		虹吸罐	1
6	JY-500	集油器	1
7	XA-100	紧急泄氨器	1
8	KF-50	空气分离器	1
9	冷艺通-10	充氨站	1
10	ZL-25	中间冷却器	2
11	AX2B-10	氨液循环泵组	1