氨制冷系統(tǒng)的安全性分析

氨制冷系統(tǒng)的安全性分析

在過去30年中，由于環(huán)境惡劣，合成制劑的使用受到許多限制。這一趨勢下,人們將目光轉(zhuǎn)向了對(duì)地球生態(tài)系統(tǒng)無害的氨和二氧化碳。氨制冷在工業(yè)領(lǐng)域處于主導(dǎo)地位已長達(dá)150年。由于其獨(dú)特的制冷特性和高能效,氨一直是大型工業(yè)制冷的主流制冷劑。近年來,隨著化學(xué)、材料科學(xué)、制冷技術(shù)和制造技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的不斷發(fā)展,氨開始逐漸應(yīng)用于小型制冷系統(tǒng)中。而在過去,這些小型制冷系統(tǒng)多采用其他制冷劑,如HFCs和HCFC。氨被定義為有毒和輕度可燃?xì)怏w,隨著技術(shù)的發(fā)展,已經(jīng)對(duì)其實(shí)施了安全要求。國際制冷安全標(biāo)準(zhǔn)有ASHRAE15、EN378和ISO5149等,而每個(gè)國家都有其關(guān)于工作場所健康和安全的規(guī)則和條例。在歐洲國家,雖然有總體安全指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn),但他們在不同國家的實(shí)施方法也不相同。1氨制冷系統(tǒng)的最佳安全標(biāo)準(zhǔn)/指南在計(jì)劃設(shè)計(jì)一個(gè)新的氨制冷系統(tǒng)時(shí),工藝、安全和對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的影響等要求都必須要考慮進(jìn)去。系統(tǒng)要滿足對(duì)制冷量、溫度和能效的要求。對(duì)于大型氨制冷系統(tǒng)而言,其對(duì)安全的要求要比無毒制冷劑高出很多。在制冷系統(tǒng)建成和投入運(yùn)行之前,需提供大量的資質(zhì)文件。不同的國家機(jī)構(gòu)所要求提供的文件的數(shù)量和內(nèi)容不同,但對(duì)于基本安全和運(yùn)營要求是一致的。幾十年來,從近似事故和確定事故中提取工業(yè)制冷的“最佳實(shí)踐”。這些信息已經(jīng)在一些現(xiàn)有的規(guī)范、指令、標(biāo)準(zhǔn)、指南中成功地使用和實(shí)施。圖1為大型工業(yè)制冷系統(tǒng)的主要標(biāo)準(zhǔn)示意圖(“設(shè)計(jì)和安全三角形”),包含一些最常用的標(biāo)準(zhǔn)/指南。理想的情況是所有制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行和維護(hù)都應(yīng)該遵循“最佳實(shí)踐”。以下這些不同的標(biāo)準(zhǔn)和能力使什么是“最佳實(shí)踐”有了更寬泛的解釋(表1)。從系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)開始,通用信息/標(biāo)準(zhǔn)要求可以在像EN378、ISO5149和ASHRAE15標(biāo)準(zhǔn)中找到。這些標(biāo)準(zhǔn)非常實(shí)用,但需要注意的是,他們不能作為設(shè)計(jì)手冊或指南使用。IIAR是最常用的設(shè)計(jì)指南,由國際氨制冷學(xué)會(huì)的專家編輯,對(duì)氨制冷系統(tǒng)安全有專門的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范EN378是完整體系中的唯一標(biāo)準(zhǔn),覆蓋了對(duì)系統(tǒng)部件以及材料的要求(包括鑄造要求、焊接要求)。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定產(chǎn)品必須符合包含質(zhì)量要求在內(nèi)的所有基本要求,須由指定機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢驗(yàn),并在產(chǎn)品上顯示CE標(biāo)志。管理方面,運(yùn)行、維護(hù)、安全、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和廠外安全的標(biāo)準(zhǔn)需遵循歐洲體系內(nèi)的國家規(guī)范。EN378中所描述的一些管理問題,其可接受等級(jí)由各國當(dāng)局決定。在美國,ASHRAE15與EN378中的標(biāo)準(zhǔn)要求類似,但除此之外OSHA(職業(yè)安全與健康管理署)還對(duì)運(yùn)營安全要求規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn),即PSM(工藝安全管理)。該標(biāo)準(zhǔn)適用于氨的充注量達(dá)10000磅(4536kg)以上的系統(tǒng)。PSM考慮到了所有影響氨制冷系統(tǒng)安全的因素(表2),涵蓋了非常全面的規(guī)則和要求,以確保系統(tǒng)可以安全運(yùn)行由IIAR開發(fā)的特定標(biāo)準(zhǔn)和指南可以滿足所有標(biāo)準(zhǔn)要求,從而作為非常重要的工具被工廠設(shè)計(jì)人員廣泛使用,以確?！白罴褜?shí)踐”在設(shè)計(jì)和系統(tǒng)運(yùn)行中得到實(shí)施。廠外安全主要考慮的是系統(tǒng)與工廠的安全距離(表3)。盡管工廠運(yùn)營的設(shè)計(jì)和安全都遵循了廠外安全的標(biāo)準(zhǔn)要求(特別是人口密集地區(qū)),然而許多國家的安全標(biāo)準(zhǔn)在一直提升。不同的國家,安全距離也不一樣。系統(tǒng)中液氨的存儲(chǔ)量所在的位置位于系統(tǒng)的哪個(gè)部分是一個(gè)關(guān)鍵的安全因素。2探測設(shè)備安裝在合理的部位,以方便操作工程師在設(shè)計(jì)工業(yè)制冷系統(tǒng)時(shí)首要的基本要求是:1)確保遵守所有相關(guān)安全規(guī)范并滿足所有標(biāo)準(zhǔn)要求。2)確保系統(tǒng)高效,能滿足制冷量和溫度要求。3)將具備探測功能的部件和設(shè)備安裝在便于操作的地方,以方便系統(tǒng)檢修和維護(hù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第二個(gè)要點(diǎn)是最終的建造和安裝。最終設(shè)計(jì)要確保滿足所有的標(biāo)準(zhǔn)要求,這點(diǎn)非常重要。設(shè)計(jì)文件無法羅列出所有細(xì)節(jié),因此,需要經(jīng)驗(yàn)豐富的安裝人員和嫻熟的安裝技術(shù)才能保障系統(tǒng)最終滿足所有標(biāo)準(zhǔn)要求。工廠的安全運(yùn)營方面,運(yùn)營者必須充分了解工廠,當(dāng)有罕見和突發(fā)情況發(fā)生時(shí),能夠采取正確的應(yīng)對(duì)措施。3解決融霜循環(huán)需要注意事項(xiàng)以下的幾種操作方法可確保安全運(yùn)營,但需多加留意系統(tǒng)的局部和配件。熱氣融霜是最重要也是最常見的標(biāo)準(zhǔn)操作之一,如圖2所示。該方法快速、可靠、經(jīng)濟(jì),但需要操作準(zhǔn)確以保證安全。在熱氣融霜過程中,主要制冷回路被切斷,熱氣注入到冷的蒸發(fā)器中,此時(shí)有一些液體產(chǎn)生。在除霜過程中,壓力不斷上升,此時(shí)蒸發(fā)器的作用就像冷凝器一樣,將氣體液化。除霜后,系統(tǒng)回到正常操作模式,但如果閥門打開過快,高壓液體在大量熱氣的沖擊下,被蒸發(fā)器突然推出,會(huì)在管道內(nèi)發(fā)生“液擊”。液擊會(huì)對(duì)部件和管道造成損壞,從而導(dǎo)致安全事故。所以,“液擊”絕對(duì)不能發(fā)生。液位檢測、正確的閥門尺寸和有效的控制開關(guān)是保證熱氣融霜方案安全高效的關(guān)鍵。在分析以上融霜過程時(shí),有一些易犯的錯(cuò)誤需要特別注意。階段“A”表示正常的制冷循環(huán)。蒸發(fā)器中存在大量的制冷劑,此時(shí)注入的熱氣會(huì)瞬間蒸發(fā),從而沖擊液體向前移動(dòng)。因此,應(yīng)避免直接從制冷模式變?yōu)槿谒Ｊ健Ｔ谖墨I(xiàn)針對(duì)蒸發(fā)器內(nèi)殘留制冷劑的安全解決方案(階段B)是先關(guān)閉供液閥,根據(jù)蒸發(fā)器大小和溫度讓風(fēng)機(jī)繼續(xù)運(yùn)行10～15min。在階段B之后,比較好的做法是用幾分鐘時(shí)間來平衡蒸發(fā)器,然后再進(jìn)入階段C的熱氣注入。從壓縮機(jī)機(jī)房到蒸發(fā)器通常有一段很長的距離,管道可能會(huì)通過寒冷區(qū)域,也就是說管路內(nèi)可能會(huì)有一些冷凝液體。所以,要利用高壓浮球排液閥將液體從熱氣管路中排空。在熱氣管路上安裝一個(gè)慢開閥門,可以把熱氣通入冷的蒸發(fā)器時(shí)所產(chǎn)生的影響降到最低。平行安裝兩個(gè)電磁閥,逐個(gè)開啟,可實(shí)現(xiàn)閥門慢開功能。安裝出口壓力調(diào)節(jié)閥也是不錯(cuò)的選擇(將熱氣壓力降低至比選定的除霜壓力高出約1bar)。在融霜循環(huán)的末端,壓力很高,蒸發(fā)器中可能存在一些液體。如果回路中的閥門突然打開,液體就會(huì)突然沖出撞擊回氣管道,產(chǎn)生“液擊”。一個(gè)慢開閥門或一個(gè)兩步開啟式閥門可以有效避免液擊發(fā)生。對(duì)于手動(dòng)操作系統(tǒng),必須嚴(yán)格遵守規(guī)定的安全操作步驟。熱氣融霜是氨制冷系統(tǒng)中一個(gè)例行的周期性操作,在人工操作系統(tǒng)中確保長久安全非常具有挑戰(zhàn)性。自動(dòng)化系統(tǒng)帶有固定的融霜循環(huán),能夠避免人工操作的失誤,提高整體安全性。然而系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須遵循安全標(biāo)準(zhǔn)要求,包括正常的維護(hù)計(jì)劃。值得強(qiáng)調(diào)的是,為了節(jié)省時(shí)間而減少融霜循環(huán)的步驟將會(huì)引起非常嚴(yán)重的后果。大的液擊是致命的,而小的液擊不斷累積也會(huì)造成嚴(yán)重的后果。系統(tǒng)的可靠性和“安全屏障”與諸多因素相關(guān),例如零部件的材料特性。零部件采用適合低溫應(yīng)用的韌性材料要比采用脆性材料更加可靠。即使采用了韌性材質(zhì)的設(shè)備和管道部件也不能保證永不斷裂。錯(cuò)誤的連接方式也會(huì)導(dǎo)致斷裂發(fā)生,例如即使是采用了韌性材質(zhì)鋼材制作的管道,如果焊接不良,依然會(huì)有斷裂風(fēng)險(xiǎn)3.1廠外風(fēng)險(xiǎn)分析要確保制冷系統(tǒng)安全運(yùn)行,就要對(duì)風(fēng)險(xiǎn)和危害進(jìn)行細(xì)節(jié)分析(圖3),包括對(duì)在系統(tǒng)投運(yùn)前和投運(yùn)后的“近似事故”進(jìn)行研究調(diào)查。制冷系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的主要因素可參見上文提到的EN378,ISO5149,ASHRAE15和IIAR,以及檢SOP(標(biāo)準(zhǔn)操作程序)中被描述為“最佳實(shí)踐”的部分。氨制冷系統(tǒng)的氨充注量可能非常大。因此,進(jìn)行泄漏事故廠外風(fēng)險(xiǎn)分析非常必要。廠外風(fēng)險(xiǎn)分析主要是預(yù)測“最壞情況泄露”所產(chǎn)生的影響。廠外風(fēng)險(xiǎn)分析標(biāo)準(zhǔn)要求通常依據(jù)當(dāng)?shù)鼗蛘弑緡姆ㄒ?guī),有些標(biāo)準(zhǔn)只屬于某一個(gè)地區(qū),可能到了另外一個(gè)地區(qū)就不被接受。氨制冷系統(tǒng)包含非常多的指令。下面這個(gè)案例,講述了一個(gè)大型氨制冷系統(tǒng)如何將風(fēng)險(xiǎn)最小化,其中的方法已經(jīng)備案并且被廣泛認(rèn)可。在確認(rèn)了故障的潛在風(fēng)險(xiǎn)后,要分析出故障頻率以及所帶來的影響。結(jié)果是可以被量化(通過模擬)或定性的。將風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的結(jié)果與可接受風(fēng)險(xiǎn)的等級(jí)進(jìn)行比較。定量風(fēng)險(xiǎn)分析:定量風(fēng)險(xiǎn)分析是對(duì)系統(tǒng)所有可能失效部分進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,可以預(yù)估出失效風(fēng)險(xiǎn)概率及其所帶來的后果,在這一基礎(chǔ)上,取得位置風(fēng)險(xiǎn)和社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)的具體數(shù)值。定性風(fēng)險(xiǎn)分析:該術(shù)語的定義不如定量風(fēng)險(xiǎn)分析明確,涵蓋了數(shù)值評(píng)估以外的各種方法。定性方法通常用于歷史數(shù)據(jù)無法獲取的罕見事故。定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的最大的挑戰(zhàn)之一是獲取有文件記載的失效頻率。最全面的數(shù)據(jù)來源之一是DNV(挪威船級(jí)社)-(失效頻率指導(dǎo))根據(jù)上述失效頻率,DetNorkeVeritas(DNV)進(jìn)一步為丹麥環(huán)境部(環(huán)境保護(hù)局)開發(fā)了一個(gè)簡化的計(jì)算工具,并與DNV軟件和統(tǒng)一分散模型PHAST結(jié)合使用。圖4為頻率-影響圖示。有一些不同的方法可以將某個(gè)確定風(fēng)險(xiǎn)降低到可接受等級(jí)3.2發(fā)生時(shí)所帶來的影響廠外風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估主要分析“最壞情況泄漏”發(fā)生時(shí)所帶來的影響。供液管路與桶泵連接處以及供液管路和與貯液器的連接部分,通常是評(píng)估“最壞情況泄漏”的主要源頭3.2.1“最壞情況泄漏”的可能性一套裝置,包含一個(gè)含有8000kg液氨的桶泵,一個(gè)口徑為DN65,長350m,包含520個(gè)法蘭連接,430個(gè)閥門和170個(gè)清管器收發(fā)裝置的供液管路。最壞的情況是管道破裂,制冷劑全部泄漏?；谶@一假設(shè),對(duì)在室內(nèi)泄漏進(jìn)行概率分析和泄漏調(diào)查。如果計(jì)算出的管道破裂概率(表4)和結(jié)果分析顯示這套裝置的風(fēng)險(xiǎn)過高,那么下面這些減輕方式可有效降低風(fēng)險(xiǎn)(圖5)。在這個(gè)案例中,“最壞情況泄漏”的可能性在從2.3×10EN378專門針對(duì)含氨量3000kg以上的氨制冷系統(tǒng),規(guī)定供液管路中必須配備遠(yuǎn)程控制開關(guān)裝置。遠(yuǎn)程控制緊急切斷閥應(yīng)安裝在泵的吸入口側(cè)。緊急切斷閥和遠(yuǎn)程控制開關(guān)裝置,可以是同一組裝置,其安全功能已被記載。這個(gè)案例中的情況是室內(nèi)泄漏,快速可靠的信號(hào)可以從一個(gè)或多個(gè)重要位置的氣體探測器發(fā)出。對(duì)于室外泄漏,由于氣體探測存在一定的困難,安全屏障的概率應(yīng)降低,響應(yīng)時(shí)間可延長。另一個(gè)可以降低風(fēng)險(xiǎn)的辦法是減輕泄漏后果。在上面的例子中,如果貯液器被分成兩個(gè)獨(dú)立,在管道破裂時(shí),一個(gè)貯液器不會(huì)對(duì)另外一個(gè)產(chǎn)生影響,泄漏量就會(huì)減少50%。同樣的原理可以用于其他的大型貯液器。要確定某個(gè)部分的管道破裂不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的其他部分造成影響是有一定難度的。氨的充注量對(duì)整個(gè)氨制冷系統(tǒng)的安全性有直接的影響,特別是對(duì)廠外風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。一些通過測試并且已經(jīng)成熟的技術(shù)方案,可以把氨的充注量減小到可接受的水平。氨/二氧化碳復(fù)疊式制冷系統(tǒng)可以大量減少氨的充注量,并且對(duì)系統(tǒng)整體效率的影響很少,因而近來備受關(guān)注。對(duì)低溫系統(tǒng)而言,還可以提升其整體能效。氨/二氧化碳復(fù)疊制冷系統(tǒng)可以將氨布置在單獨(dú)的機(jī)房,用二氧化碳進(jìn)行循環(huán)。其他系統(tǒng),例如直接膨脹系統(tǒng)和低壓貯液器系統(tǒng)也可以減少氨的充注量,但是這些系統(tǒng)尚未得到廣泛的應(yīng)用,仍需繼續(xù)發(fā)展和完善。4制冷系統(tǒng)的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估氨是優(yōu)質(zhì)的天然工