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关于CO2制冷系统中管道安装的几点探讨

发表日期:2018/11/20 10:26:24 来源:《制冷与空调》 评论 总点击量:

由于ODP(消耗臭氧潜能值)和GWP(全球变暖潜能值)对大气环境造成影响的原因,淘汰氯氟烃类(CFCs)以及氢氯氟烃类(HCFCs)化合物的使用已成为全球共识,2007年9月,第19次蒙特利尔议定书缔约国大会通过了关于氢氯氟烃类(HCFCs)化合物加速淘汰的调整案。环保制冷剂及其应用系统的研究成为制冷行业重要的研究方向,考虑到NH3(R717)和丙烷(R290)等天然工质的安全性,CO2以其良好的传热传质性能与单位制冷量,被广泛的应用在现代制冷系统中,但CO2也有非常明显的优缺点:

1) 环境友好,ODP=0、GWP=1;安全无毒不可燃,化学性质稳定;廉价易获取;粘度低、导热系数高,具有良好流动和传热特性,可显著减小压缩机和系统的尺寸;

2) 由于CO2具有较低的临界温度(31.1 ℃)以及较高的临界压力(7.37 MPa),CO2制冷系统往往工作在较高的压力下,对制冷系统的设备、管道以及阀门的承压能力提出了一定的要求。

本文针对CO2制冷系统中管道的特殊要求,进行了从管道选型、焊接、吹污、无损检测、压力试验、抽真空实验、防腐、保温、CO2充注等一系列安装工艺上的探讨,以使整个CO2制冷系统能够在设定工况下正常、安全的运行,旨在建立一套安全、有序的CO2制冷系统管道安装规范。


1  CO2制冷系统

在现代制冷系统中,CO2制冷剂通常和其他制冷剂复合使用,形成一套复合系统,如CO2/NH3、CO2/R22、CO2/R290等复叠制冷系统,以及NH3/CO2载冷系统,不仅从一定程度上解决了CO2工质应用在极高压力工况下,压缩机稳定性与能效的问题,又可以针对低温冷库、冷链、食品加工等行业对较低温度供冷的需求,提供高效可行的制冷系统方案。其中,最常见的CO2制冷系统有两种模式:

1) NH3/CO2载冷系统(图1),其特点是:a.有效减少高温级制冷剂充注量(制冷剂R717、R507、R404A、R22等),可以降低常规制冷剂所带来的弊端(降低ODP、GWP和燃爆毒的风险);b.系统载冷侧为无油系统,且CO2在末端蒸发器换热时产生相变,使末端蒸发器的传热系数K值增大,换热效率提高;c.系统简单、CO2价格便宜、运行成本低;d.单位载冷量大,密度高等特点,可使系统充注量大幅减少。

2) NH3/CO2复叠系统(图2),其特点是:a.大幅减少高温级制冷剂充注量(R717、R507、R404A、R22等);b.在-40 ℃以下的制冷需求中效率极高,超过其他制冷技术;c.管路尺寸小;d.热气除霜的效率极高;e.很好地解决需要两个制冷温区的工况。




2  CO2制冷系统管道安装工艺2.1  管道选型及处理

CO2制冷系统管路选用304 L流体输送用无缝钢管,具体要求如下:

1) 制冷系统管道、管道元件的材质、规格、型号应符合图纸,满足设计压力和设计温度的要求。

2) 安装前必须检查每根管质量,清除内部锈迹,杂质和氧化皮,使内部出现金属光泽面(内除锈磨光),管道内必须十分清洁,清洁好及未焊接连接完毕的管子必须两端用木塞塞住或专用塑料管盖好,并用胶带粘好封闭,避免掉落影响除锈效果。

3) 到货的管材、管件运至仓库后,要有规律地摆放,所有工艺管材均封口盖帽。

4) 管道依据技术人员已转化的预制单线图纸进行划线、切割下料后进行坡口加工。坡口加工的管段应放置在加工台上用坡口机进行坡口加工;在现场进行坡口加工时,管段下面应加垫道木或其它可垫物;坡口附近30 mm氧化层都需打磨露出金属光泽。每天安装收工前将管道用木塞塞好或专用塑料管口盖好,以免水汽及杂物进入管内。雨天施工时,管道焊接后用干燥剂放在管道内吸水,完工前将干燥剂取出。

5) 二氧化碳制冷系统安全阀的泄压管出口应布置在室外安全处,远离门、窗、进风口和人员经常停留或经常通行的地点。

2.2  管道的焊接

管道的焊接工艺参照GB 50236—2011《现场设备、工业管道焊接工程施工规范》和GB/T 20801.1~6—2006《压力管道规范 工业管道》进行。

1) 管道的焊接必须由持有质量技术监督局颁发的特种设备焊接作业证的合格焊工担任,其持证项目应符合焊接工艺卡要求项目。

2) 焊工凭焊接工艺卡领取焊接材料并严格按工艺要求进行施焊,焊接现场应采用塑料焊接棚进行防风处理。

3) 焊接质检员根据焊接工艺卡要求,对坡口、组装质量和尺寸、施焊过程、焊后焊缝外观质量进行监督检测,并做好各项原始记录(图3,以某项目为例)。


2.3  管道吹扫及排污

1) 管道吹扫、排污时,应设置安全警戒标识,非操作人员不得进入操作区域。

2) 管道安装完成后,应用0.8 MPa(表压)的干燥氮气(减少水分混入系统中)对制冷系统管道进行分段吹扫、排污,并在距排污口300 mm处以白色标识板设靶检查,直至无污物排出为止,施工人员应逐次做好排污效果的记录。

3) 排污前,应将系统内的仪表、安全阀等加以保护,并将电磁阀、止回阀的阀芯以及过滤器滤网拆除,待排污合格后方可重新安装复位。

4) 系统排污洁净后,应拆卸可能积存污物的阀门,并将其清洗干净后重新组装。

2.4  管道无损检测

制冷系统管道焊缝的质量应按设计文件的规定进行无损检验。

1) 介质为二氧化碳的制冷系统管道的对接焊接接头应100%射线检测合格,角焊缝应100%磁粉或渗透检测合格。

2) 100%射线检测的焊缝质量合格标准不应低于现行国家标准NB/T 47013—2015规定的Ⅱ级合格,100%磁粉或渗透检测的焊缝质量合格标准不应低于国家现行标准NB/T 47013—2015规定的Ⅰ级。

3) 当抽样检测未发现需要返修的焊缝缺陷时,则本次抽样所代表的全部焊缝应认为全部合格;当抽样检测发现焊缝缺陷超出规定时,必须进行返修。焊缝返修后用原规定的方法进行检测,并按规定增加抽检样本数量。

2.5  管道压力试验(气压试验)

制冷系统管道应利用干燥氮气进行试压检漏以及气密性试验。

1) 制冷管道气压试验的试验压力应为其设计压力的1.15倍。

试验前应进行预试验,预试验的压力宜为0.2 MPa试验时,应逐级缓慢增加压力,当压力升至试验压力的50%时,应进行初始检查,如未发现异常或泄漏时,继续按试验压力的10%逐级升压,直至达到规定的试验压力,以某项目气压试验为例,如图4所示。


2) 气密性试验

系统压力升至试验压力并保持10 min后,将压力降至设计压力,以涂刷中性发泡剂的方法检查有无泄漏。如无泄漏则填写压力试验记录并保持压力24 h,以压力无下降为合格;如发现泄漏,必须将系统压力降至大气压力后方可补焊,严禁带压补漏焊接。

2.6  CO2系统抽真空试验

1) 二氧化碳系统抽真空试验应在系统气体压力强度试验和气密性试验合格后进行。

2) 制冷系统抽真空时,除关闭与外界有关的阀门外,还应将制冷系统中的其他阀门全部开启,系统抽真空操作应分数次进行。

3) 采用工业级真空泵,根据近年来几个大型CO2项目的现场测试经验,由于制冷系统管路长且复杂、抽真空时间长,为了达到较好的抽真空效果以及维护真空泵良好性能,抽真空过程中每4~6 h需要换一次油,当系统压力降下来后,换油时间延长至8~10 h。

4) 当二氧化碳系统的真空度需达到500 微米汞柱(6.67×10-1 mbar)时,停止抽气并维持3h,如果系统压力回升不高于650 微米汞柱(8.67×10-1 mbar),则为抽真空试验合格。如系统压力回升高于650 微米汞柱(8.67×10-1 mbar),则应查找系统中的泄漏点,消除泄漏点后,应重新进行系统管道的气密性试验和抽真空试验,直至完全合格。

5) 抽真空过程中,如果系统压力徘徊或维持在10 000~5 000 微米汞柱(13.6~6.67 mbar)时,说明系统里面还有水分,此时将干燥氮气充注系统,直至压力达到76 000 微米汞柱(0.1 bar),维持压力3 h后将氮气从系统最低处排出,然后继续抽真空试验。

2.7  CO2制冷设备及管道防腐、保冷

1) 制冷设备和管道防腐工程应在系统气密性试验合格后进行。

2) 制冷设备及管道保冷工程应符合设计文件的要求,并按隔热层、防潮层、保护层的顺序施工。

3) 设备和管道隔热层、防潮层、保护层的材料性能及施工技术要求应符合GB/T 8175—2008《设备及管道绝热设计导则》的有关规定。

4) 凡管道和设备有冷量损失的部位,可能产生凝结水滴部位以及形成冷桥部位均应进行保冷。

5) 不应将需要保冷的容器上的阀门,压力表及管件埋入容器隔热层内。

2.8  系统CO2的充注

1) 制冷系统充注用的二氧化碳(钢瓶装或槽车装)质量应符合现行国家标准GB 10621—2006《食品添加剂 液体二氧化碳》的有关规定,二氧化碳的体积分数不低于99.9%,水分的体积分数不高于20 ppm。

2) 充注二氧化碳时,应先充注二氧化碳气体,待系统压力达到0.7 MPa时,再充注二氧化碳液体。

3) 充注二氧化碳时应掌握系统所需二氧化碳液量,如制冷系统是初次充注二氧化碳,可先加入70%左右,待系统运行正常后再加入所需的全部二氧化碳液量。


3  结束语

CO2是绿色、安全、节能的环保制冷剂,CO2制冷正迎来很好的发展机遇,因此,建立一套安全、有序的CO2制冷系统管道安装规范显得非常重要。CO2制冷剂管道的连接和布置,在严格按照本文所述规范和准则来安装的情况下,才能更好的做到节能、环保和安全,使CO2制冷剂得到更好更广泛的应用。


本文选自《制冷与空调》2018年3月刊,作者:袁赖红  陈瀚  张瑜  范明升;未经许可,不得转载




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