首都国际机场制冷站设计剖析

李 薇 中国航空工业规划设计研究院四所

摘要：本文分析了电制冷，溴化锂制冷的特点以及首都国际机场的供热供冷情况，确定了最佳的制冷方案。并结合用冷单位具体情况，考虑到安装调试方便与运行安全可靠。详细介绍了系统内容。

一、概述

北京首都国际机场制冷站是机场航站区扩建工程的重要配套项目。制冷站位于首都机场境内，北接机场滑行道，西邻老候机楼，东靠机务办公楼和维修机库，位置显要。其占地面积2898平方米；建筑面积6672平方米，由主厂房和附楼组成。主厂房跨度33米，总长度81米，地上高度23米。地下一层为水泵间和配电间，地上一层为主机房，顶层安装了组合式冷却塔。附楼为四层建筑，地上三层，地下一层。分别设置了车库，食堂，办公用房以及维修间，金属零备件库等。

制冷站设计的总产冷量为68250KW(5250KW机组13台)，供应新老候机楼，新老食品公司，宾馆，华北局空调系统之冷冻水。蒸汽总消耗量为85.8t/h(P=0.8MPa)，总安装电功率：3302KW之多。冷却水量17500t/h(进水32℃；出水38℃)。这个制冷站规模之大在国内乃至亚洲都是前所未有的，它又处于特定的地理位置，要求在总体设计，设备选型，设备选型，自动控制，工艺布置，环境保护等方面秘须达到国内先进水平，争取赶上国际先进水平。

二、制冷方式确定

人工制冷方式的种类繁多，形式各异。制冷所用的能源也各有不同，有以电能为能源制冷的，如用氨，氟及其它工质实现制冷循环的压缩式制冷机；有以蒸汽为能源制冷的如蒸汽型溴化锂吸收式制冷机等；还有以其它热能为能源制冷的，如热水型溴化锂制冷机，直接燃烧油或天然气的溴化锂制冷机以及太阳能吸收式制冷机等。目前我国广泛使用的制冷方式，为压缩式制冷机，有活塞式，离心式，螺杆式制冷机；吸收式制冷机有溴化锂吸收式制冷机。

空调工程常用的压缩式制冷机，无论是活塞式、离心式还是螺杆式冷水机组，制冷原理均为制冷压缩机将蒸发器内的低压，低温的气工质(氨或氟里昂)吸入压缩机本内，经过压缩机的压缩作功，使之成为压力和温度都较高的气体排入冷凝器。在冷凝器内，高压高温的制冷剂气体与冷却水或空气进行热交换，把热量传给冷却水(水冷方式)或空气(风冷方式)，结果气态工质凝结为液体。高压淮体再经节流阀降压后进入蒸发器。在蒸发器内，低压制冷剂液体汽体，而汽化时必须吸取周围介质(如冷媒水)的热量，从而使冷媒水降低了温度，这就是所需制取的低温冷水。蒸发器中汽化形成的低压低温的气体又被制冷压缩机吸入压缩，这样周而复始，不断循环，连续制出冷水。

溴化锂吸收式制冷，同蒸气压缩制冷原理相同，也是利用液态制冷剂在低温，低压条件下，蒸发，汽化吸收载冷剂的热负荷，产生制冷效应。不同的是，溴化锂吸收式制冷是利用“溴化锂——水”组成二元溶液为工质，来完成制冷循环的。其中水为制冷剂，溴化锂为吸收剂，具体过程分为二部分：第一部分，溴化锂水溶液在发生器被热源加热沸腾，产生出制冷剂蒸汽在冷凝器中被被冷凝为冷剂水。冷剂水经U形管节流进入蒸发器，经蒸发器泵在低压条件下喷淋，冷剂水蒸发，吸收载冷剂的热量，产生制冷效应。冷凝过程产生的凝结热被冷却水携带到制冷系统外。第二部分，发生器流出的浓溶液。中间浓度溶液被吸收器泵输送并喷淋，吸收在蒸发器内由冷剂水蒸发出来的冷剂蒸汽变为稀溶液。稀溶液由发生器泵输送至发生器，重新被热源加热产生冷剂蒸汽再次形成浓溶液，进入下一个循环期。

制冷剂氨，对人体有刺激，并且易爆，在机场这个特定环境中是不可能使用的。而氟里昂11，12无毒，无味没有爆炸危险，而且热稳定性好；但氯氟烃物质中氯离子破坏大气臭氧层，使太阳部分有害紫外线直接照射在地球上，对人体的影响：将造成皮肤癌的增加；人眼睛易生白内障，减弱人的免疫力。对地球表面的影响：整体地球温室效应增强，气温升高，南北极冰的熔化，将造成海平面上升陆地减少，大雾增多。对生物的影响：300种农作物中的2/3将造成危害，特别是对薯类作物影响更大，臭氧层下降25%土豆产量下降20%；对海洋生物也有影响，如在20m内水深活动的鱼虾等将有所减少。于是产生了世界性的禁氟活动——即蒙物利尔协定书。1990年6月又在英国伦敦把确定的CFC限制使用时间表提前，发达国家2000年前不许使用，发展中国家可再延长10年。近年来，随着保护地球、保护人类的呼声无CFC替代品的研究已经有了很大的发展，新型无公害的替代品已得到应用。

溴化锂吸收式制冷机自二十世纪三十年代问世以来，历经半个多世纪，在机组结构，性能和型式各方面都有很大的变化和发展，而生产数量和应用范围更是突飞猛进的扩展。溴化锂水溶液是由固体的溴化锂溶质溶解在水溶剂中而成。它是理想的吸收式制冷机的工质，因为在常压下，水的沸点是100℃，而溴化锂的沸点为1265℃，两者相差甚大，因此，溶液沸腾时产生的蒸汽几乎都是水的成分，很少带有溴化锂的成分，这样就勿须进行蒸馏就可以得到纯冷剂蒸汽。水作为制冷剂有许多优点：价格低廉，取之方便，汽化潜热大，无毒，无味，不燃烧，不爆炸等。

综上所述两种制冷方式各有优缺点，虽然吸收式制冷机体积较大，但压缩制冷机单台制冷量小，选用的台数就要多于吸收机，就所占站房面积相差不多；况且近年来吸收机的发展使其体积已综小了许多；吸收机机体内无运动部件，只由几个换热器和泵组成，其噪音低，维修量也大大低于压缩机。另外虽然一次性投资吸收式制冷机的费用大一些，而其运行费比压缩机少很多，两者之和，吸收机费用小于压缩机。

又因首都国际机场航站区集中供热中心内，共有燃油燃气蒸汽锅炉(75t/h)九台。冬季用蒸汽换热水送往各用户。而夏季蒸汽供应很少，大部分设备闲置在那里。就机场制冷站特殊地理位置，以整体站房及现有蒸汽原的具体情况，采用蒸汽型双效溴化锂吸收式制冷方式。此方案除了制冷机，制冷剂本身优点之外，还有利用环境保护，充分发挥锅炉的使用效率。

三、工艺布置设计

首都国际机场制冷站工艺布置图见附录(一)。采用这样的工艺布置理由如下：依照常规首都国际机场制冷站需占地一方平方米以上，而机场所能提供的建设用地只有8100平方米。为不影响指挥塔视线建筑物限高24米。同时布置机房，泵房，冷却塔及管道困难很大，施工中困难也很多。于是站房设计采取了多层布置，并附带一个辅助楼，供办公及生活之用。主机房地上一层为制冷机房，地下一层即半地下室为水泵房。这样水泵噪音被控制在制冷站厂区内。顶层布置冷却塔，最高点距离地面23米。总占地面积2898平方米。

在工艺布置设计中最为困难的是管道的布置，站内流程中最粗的管道直径有1200mm，多数管道直径在350-1000mm之间。并且错综复地排列与联接在一起，如果采用单独支吊架形式安装，那么泵房和主机房内纵横的管道与参差不齐的支架交织在一起，必然杂乱无章，很不美观。采取统一整体布置管道势在必行，管道排列有序，站房整齐美观设计中在主机房水泵房之间增设了一管道夹层，这是本设计中很有特色的地方，为不增加建筑面积夹层高度定为2.2米。大管道在管道层内落地支承，支点距离根据管道的直径来决定，如ф800的管道支点距离在900-1000mm之间。使整个管道的重量均匀地分布于夹层地面上，也节约了大量支架用钢材。由于夹层内空间狭小，使得管道保温施工困难，而管道保温是制冷站保证送水温度关键的一个环节，阻燃型聚氨脂发泡保温材料是目前国际，国内较好的保温材料，施工中采用了专用模具发泡保温，局部施工困难地方采用聚氨脂保温瓦，外包镀锌钢板。在夹地板上，墙上开有通风孔，窗。使得整个管道夹层紧密而不乱，密布又有微风流动，银白色的镀锌板反射着从窗外透入的光线，增加了夹层内的照度。由于管道夹层的设置，使得水泵房，主机房内设备排列井井有条，管道林立整齐，为设备的安装，维修提供了方便。

四、空调冷水系统

首都国际机场制冷站为大型制冷站，它为航站区主要几大建筑物提供冷源。本站房空调水系统的输配用电，约占站房动力用电的30%。因此，降低空调水系统的输配用电量是节约用电的一个重要环节。各建筑物的用冷系数不同，而且冷负荷变化多样，具体情况如下：

(一)甲方提供的冷负荷为最大负荷，设计水流量时要根据最大的冷负荷设计。而实际上出现最大冷负荷的时间，即按满负荷运动时间很短。绝大部分时间是在部分负荷条件下运行。

(二)本制冷站供冷面积为44万平方米，分为三个大系统，距离远则一、二千米；近则几百米。如果按照各系统构成制冷体系，那么每个系统都得设计制冷备用量，将造成冷机组台数多，占据主机房面积大，冷水泵扬程高，耗电量大等问题。

(三)在本站提供冷源的三大系统中，建筑是由不同的设计单位于不同的年代设计的，有的在设计中，有的在改造中。每个系统的冷负荷都以各建筑物特性变化着。如新倏机楼为现代建筑，有大面积的玻璃幕墙，保温效果不好，失冷量将随室外温度变化而产生很大变化。新老候机楼大厅内的人流变化也很大，随飞机起落架次多与少，人流则大与小，冷负荷是一个随机值。又如宾馆，饭店中的冷负荷则随客流量的大小，客流的活动而变化。这都给运行调试带来困难。

国家标准(GB50189-93)《旅游，旅馆建筑热工与空气调节节能设计标准》中论述到：当遇到某个或几个与环路比其余环路压差相差悬殊(如阻力差10kPa以上者)，则这些环路就应增设二次循环水泵。采用变频调速装置对冷冻水泵进行交流量调节，会带来节电效果。例如在香山饭店选用变频调速装置，对水泵进行变流量调节，在两年内就全部回收投资。

为确保空调系统的参数，又节约能源，操作方便。本制冷站冷水系统采用闭式循环，双环路变流量系统。一环由初级泵和溴化锂制冷机组组成，为定流量系统；二环，由次级泵和冷冻水管网组成，为变流量系统，共三个。见附录(二)。

定流量系统，制冷机组和水泵均为满负荷工作，充分发挥制冷机组的效率。各系统均有公共制冷备用量。根据制冷机组冷冻水出口温度和设在冷冻水送、回水路间的旁通阀的回水量来控制制冷机组的运行台数。当回水量达6. 5℃时，可停止一台制冷机组及相应的初级泵和冷却水系统的运行。当冷冻水出口温度高于8℃时，启动一台制冷机组及其相应的初级泵和冷却水系统。

在三个变流量系统中采用了高效的变频调速装置，根据空调负荷的变化，通过设在各系统冷冻水送，回水管路间旁通流量信号来控制次级泵的运行台数。随着冷负荷的变化变频泵调节冷冻水流量的大小。当空调负荷变小时旁通回水量增加，变频调速装置下调频率，降低变频泵转速，减小冷冻水流量，变频高速装置上调频率，提高变频泵转速，增加冷冻水流量，当达到回流下限值时，启动一台该系统非变频泵。

整体空调水冷系统采用自动化控制，为了确保运行的正常进行，在冷冻水、冷却水、蒸汽等系统中的温度、压力、流量参数均由微机控制台进行远距离测量和显示，并能及时进行控制。补水系统、加药系统也采用了自动控制。

五、结论

综上所述，首都国际机场制冷站机组之多，系统之大在我院的动力设计项目中尚属首次，本设计现已完成，施工也在收尾，于1998年单系统试运行成功，将于1999年夏季全系统调试运行。上述仅为设计过程中三个很重要问题的分析，通过分析，可以得到如下结论：

第一，采用蒸汽型双效溴化锂吸收式制冷机是正确的设备选型，噪声低，节电，维修量小，有利于环境保护，操作方便，自动化控制程度高。

第二，工艺布置合理，紧凑，有特色。由于采用了管道夹层，制冷机房，水泵房设备及管道布置整齐，美观，节约了支撑管道材料，为维修提供了必要的空间。

第三，冷水系统采用一，二次循环，二次循环采用变频调节是国内大型冷水系统设计首创，一次循环满负荷运行，二次循环变流量运行可节约能源，为降低运行成本奠定了基础。

根据上述结论，可以认为首都国际机场制冷站设计在设备选型，工艺布置，冷水系统流程设计达到了国内先进水平，在自动控制方面达到了国际先进水平，满足用户要求，为我院赢得了声誉。