淺談啤酒制冷站氨制冷系統的創新設計應用

0啤酒制冷站的優化改造啤酒冷食站為啤酒生產過程中的冷卻提供冷源。啤酒生產工藝中的用冷環節有:制取2～4℃的冰水和脫氧水,啤酒激冷降溫,發酵罐降糖、保冷,酒花庫庫溫維持等。制冷壓縮機的蒸發溫度范圍在-7～+12℃。大型啤酒工廠要求的制冷量大,以湖北武漢地區為例,新建年產80萬千升啤酒項目,其制冷量需要約12000kW。結合制冷劑的特性,氨做制冷劑是大型啤酒工廠的最佳選擇。國內以往設計運行的啤酒制冷站存在幾點缺陷:制冷系統耗電大(南方地區全年平均千升酒耗電13～20kW·h),氨液充裝量大(以年產80萬千升啤酒項目為例,充氨量在15～100t),自動化程度低(采用人工操控為主,自動操控為輔的運行模式)。受國家對氨制冷企業的安全要求趨于嚴格、制冷站操作人工成本提升、啤酒產品的價格競爭激烈等因素的影響,急需對以往設計的氨制冷系統進行技術升級換代。尤其是根據氨液充裝量超過10t即為“危險化學品重大危險源”的規定,氨制冷企業急需將氨液充裝量降到10t以下。基于上述分析,對新建或改造的大型啤酒生產企業,需從降低制冷系統耗電、降低氨液充裝量、采用全自動控制運行模式等三個方面進行技術創新應用,解決現有問題,提高產品的競爭力。1kv的測定以湖北武漢某年產80萬千升啤酒項目為例,總制冷量為11964kW。其用冷工藝參數為:(1)冰水制取量為兩套70m(2)脫氧水制取量為兩套50m(3)啤酒激冷為三套60m(4)冷媒水降溫為兩套230m1.1蒸發冷系統設計制冷系統的電耗主要包含壓縮機電機、蒸發冷風扇和水泵的電機、冷媒水(乙二醇或丙二醇水溶液)內外循環泵電機等幾個方面做功用電。常規設計的制冷設備配電功率參數如表1所示。優化設計的制冷設備配電功率參數如表2所示。以上列舉了采用常規設計與優化設計兩種方式的設備配電功率表。表2中:壓縮機配電功率少了200kW,蒸發冷配電功率少了257kW,冷媒水泵配電功率少了67kW,配電功率總計少了524kW,配電總功率降低了16.4%。在保證總制冷量及其他輸入參數不變的前提下,降低制冷系統配電功率主要通過以下措施完成:(1)氨用螺桿壓縮機采用適用于啤酒高溫工況的高效型線,提高壓縮機的機械效率。壓縮機是制冷系統的核心部件,螺桿型線的效率很大程度上決定了制冷系統的能耗,效率越高說明壓縮機消耗同樣的電功率能獲取越多的制冷量。(2)氨用螺桿壓縮機采用內壓比自動調節技術,避免季節變化產生的過、欠壓縮損失,使壓縮機始終保持高效率運行。(3)采用三、四個壓縮機頭并聯的開啟式螺桿機組,每個蒸發溫度系統都帶變頻設計,避免壓縮機低載位低效率運行。壓縮機組采用壓差回油技術,每個并聯機組在第一臺壓縮機開啟后,停止油泵運行,靠壓差來保證每臺壓縮機的回油。(4)冰水、脫氧水系統采用兩段式降溫取代早期的一段式降溫方式。一段式降溫:將冰水、脫氧水直接從32℃降至2℃,氨側蒸發溫度為0℃,壓縮機COP值為5.15。兩段式降溫:先將冰水、脫氧水從32℃降至15.5℃,氨側蒸發溫度為12℃,該段壓縮機COP值為7.46;然后再將冰水、脫氧水從15.5℃降至2℃,氨側蒸發溫度為0℃,該段壓縮機COP值為5.15;兩段式降溫的壓縮機綜合COP值為6.38。采用兩段式比一段式的壓縮機COP值提高了約24%(表1常規設計方式中也是采用兩段式降溫,由于實際項目案例中還有很多南方地區是采用一段式降溫,所以特別說明。另外,夏季供水溫度低于20℃的地區,比較適合用一段式降溫)。(5)蒸發冷的耗電在制冷站的總耗電中占有較大比例,在7%～15%之間。在表2統計中,選用節能型蒸發冷,耗電功率少了257kW,以每天平均滿負荷運行12h,每年運行360天計算,全年節省電耗達110萬kW·h。即便選用節能型蒸發冷,增加一定的初投資,也能從兩年的運行節省電費中回收成本。另外,對節能型蒸發冷的風扇電機采用變頻設計,將進一步減少風扇電機的耗電。(6)冷媒循環水系統采用閉式設計,冷媒水罐采用自動溫度分層技術。以往水系統采用開式設計,循環水泵需要克服進出管路的高度差,增加泵的揚程和功耗。采用閉式設計后,水泵進出管路充滿水,管路內水位無高度差,減少了泵的揚程和功耗。冷媒循環水泵的電耗在制冷站的耗電量中占有較大比例,采用閉式設計,可將循環水泵的電耗降低約50%。設置兩套冷媒水內循環泵,將冷媒罐中的高溫冷媒水供至板冷模塊降溫,每套流量為230m設置三套冷媒水外循環泵,將冷媒罐中的低溫冷媒水供至發酵罐區降溫,每套流量為180m優化閉式設計的冷媒水內、外循環泵的電機功率總計節省了67kW。以每天運行24h,每年運行365天計算,全年節省電耗達58萬kW·h。(7)全自動控制運行模式,讓制冷系統在設定工況下運行,相比人工操作模式,更加節能高效。通過運行參數的設定,減少壓縮機部分荷載低效率運行時間。通過運行軟件自動計算最佳冷凝溫度,讓壓縮機和蒸發冷運行在最佳制冷效率的冷凝溫度工況,從而節省壓縮機和蒸發冷的無效電耗。1.2發酵罐區氨液充裝量的優化設計以往發酵罐大多采用氨直接冷卻的降溫方式,在制冷站設置大型循環桶泵機組,將氨液供至發酵罐區降溫。由于發酵罐數量多,板帶容積大,供液、回氣管道長,造成發酵罐區的氨液含量占整個制冷站氨液充裝量的50%～80%。因此,降低氨液充裝量首先要將發酵罐區降溫改為載冷劑間接冷卻方式。采用乙二醇或丙二醇水溶液為載冷劑,在制冷站設置氨與載冷劑的換熱板冷模塊,降溫后的載冷劑經循環泵供至發酵罐區。以年產80萬千升啤酒項目為例,發酵罐采用載冷劑冷卻后,整個項目的氨液充裝量就能控制在10～20t范圍。而后經過其他幾個技術的應用,可將氨液充裝量控制在6t左右。采用常規設計的制冷系統氨液充裝量計算如表3所示。采用優化設計的制冷系統氨液充裝量計算如表4所示。優化設計降低氨液充裝量的措施有:(1)制冷機組油冷卻器采用板殼式換熱器,降低油冷系統的氨液含量。板殼式油冷卻器的內容積比殼管式油冷卻器小。常規殼管式油冷卻器的供液倍率在3～5倍,采用板殼式油冷卻器的供液倍率為1.5倍,這就使油冷卻器及油冷供液管道的氨液含量降低了約60%。(2)采用新型板冷模塊設計(冰水、脫氧水、冷媒水、啤酒激冷系統),將板冷模塊的氨液分離器控制在低液位運行。采用快速靈敏的丹佛斯ICM電動閥配合AKS4100U電子連續性液位控制器使用,可快速反應大負荷波動的供液需量,從而讓氨液分離器可低液位運行。常規設計的氨液分離器控制液位大部分在50%,優化設計的運行液位在5%或更低。由于運行液位低,氨液分離器的選型也可變小。此項技術的應用使氨液分離器的氨液含量降低了70%。(3)減少高壓貯氨器的容積,并降低運行液位。將常規設計的兩臺10m1.3控制系統設計更符合自身發展需求。在壓力氨系統全自動運行一直是國內涉氨企業的難點。國內成熟的類似案例較少,用戶對全自動系統也存在一定的憂慮。我司技術團隊結合多年的全自動制冷系統設計經驗,經過不斷優化,得出了一套完整的氨系統全自動設計經驗,實現了真正意義上無人值守的全自動運行模式,降低了人工操作量,也同時減少了因人工誤操作帶來的安全風險,使系統運行更加安全。(1)采用小型多機頭并聯螺桿機替代大型翹塊式螺桿機,減少設備啟動電流對電網的沖擊。壓縮機采用軟啟動或變頻啟動設計,結合壓縮機組和啟動程序的設計,讓壓縮機在設定工況順利自動啟停及增減載位。(2)對制冷量波動范圍進行分級設定,分級對應壓縮機的開啟臺數。自控軟件將根據系統介質的流量及進出口溫度,自動計算需求制冷量并指令壓縮機等部件的動作程序。分級設定壓縮機運行程序,降低板冷模塊的凍脹風險,提高出水溫度的控制精度和穩定性。(3)根據實時監測的環境溫度、濕球溫度及制冷系統的運行工況,軟件程序自動計算最佳冷凝溫度,使冷凝器和壓縮機節能運行。(4)制冷系統采用丹佛斯、施耐德、西門子等優質品牌部件,保障系統部件的可靠性。(5)對啤酒工藝進行深入研究,了解用戶的生產工藝流程、使用習慣、工廠標準,使之與制冷系統程序設計相互兼容。投產后需要對項目進行長期跟蹤,根據實際情況實時調整運行程序,使之實現無人值守的運行模式。1.4蒸發冷氨液的蒸發冷蒸發上述內容中有幾個待改進的地方,望在以后的工程中得到新技術的應用。(1)從表2可以看出蒸發冷中含有接近50%比例的氨液,希望未來有新技術的應用可以降低蒸發冷的氨液含量,同時也可以進一步減小貯氨器的容積。(2)氨制冷系統中增加供液過冷技術,可使制冷壓縮機的COP值得到相應提高。2啤酒實際使用效果以上優化設計的創新技術已在武漢某啤酒新建工廠得到應用。項目已投產運行,一年多的運行跟蹤記錄顯示:(1)根據用戶電量統計,2018年全年平均千升酒耗電量低于11kW·h,比常規設計方式至少節能20%。按年產80萬千升啤酒計算,每年節省用電量約220萬kW·h。(2)項目實際氨液充裝量為5.0t,比常規設計方式節省約70%用氨量,大幅度降低了氨液充裝量,且低于“10t”的紅線,也為未來的擴建留下了余量空間。(3)實現真正意義上無人值守的全自動運行模式。其他常規機