引言

啤酒制冷站為啤酒工藝降溫提供冷源。啤酒生產(chǎn)工藝中的用冷環(huán)節(jié)有:制取2~4℃的冰水和脫氧水,啤酒激冷降溫,發(fā)酵罐降糖、保冷,酒花庫(kù)庫(kù)溫維持等。制冷壓縮機(jī)的蒸發(fā)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(qū)為例,新建年產(chǎn)80萬(wàn)千升啤酒項(xiàng)目,其制冷量需要約12000KW。結(jié)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(guó)內(nèi)以往設(shè)計(jì)運(yùn)行的啤酒制冷站存在幾點(diǎn)缺陷:制冷系統(tǒng)耗電大(南方地區(qū)全年平均千升酒耗電13~20KW·h),氨液充裝量大(以年產(chǎn)80萬(wàn)千升啤酒項(xiàng)目為例,充氨量在15~100t),自動(dòng)化程度低(采用人工操控為主,自動(dòng)操控為輔的運(yùn)行模式)。

受?chē)?guó)家對(duì)氨制冷企業(yè)的安全要求趨于嚴(yán)格、制冷站操作人工成本提升、啤酒產(chǎn)品的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)激烈等因素的影響,急需對(duì)以往設(shè)計(jì)的氨制冷系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)升級(jí)換代。尤其是根據(jù)氨液充裝量超過(guò)10t即為"危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源"的規(guī)定,氨制冷企業(yè)急需將氨液充裝量降到10t以下。

基于上述分析,對(duì)新建或改造的大型啤酒生產(chǎn)企業(yè),需從降低制冷系統(tǒng)耗電、降低氨液充裝量、采用全自動(dòng)控制運(yùn)行模式等三個(gè)方面進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用,解決現(xiàn)有問(wèn)題,提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。

1新型技術(shù)的創(chuàng)新與應(yīng)用

以湖北武漢某年產(chǎn)80萬(wàn)千升啤酒項(xiàng)目為例,總制冷量為11964KW。其用冷工藝參數(shù)為:

(1)冰水制取量為兩套70m3/h,進(jìn)/出水溫度32℃/2℃,制冷量為4724KW。

(2)脫氧水制取量為兩套50m3/h,進(jìn)/出水溫度32℃/2℃,制冷量為3374KW。

(3)啤酒激冷為三套60m3/h,進(jìn)/出水溫度31℃/-1.7℃,制冷量為1823KW。

(4)冷媒水降溫為兩套230m3/h,進(jìn)/出水溫度1℃/-5℃。用于發(fā)酵罐等系統(tǒng)降溫,制冷量為2043KW。

1.1降低制冷系統(tǒng)電耗技術(shù)

制冷系統(tǒng)的電耗主要包含壓縮機(jī)電機(jī)、蒸發(fā)冷風(fēng)扇和水泵的電機(jī)、冷媒水(乙二醇或丙二醇水溶液)內(nèi)外循環(huán)泵電機(jī)等幾個(gè)方面做功用電。

常規(guī)設(shè)計(jì)的制冷設(shè)備配電功率參數(shù)如表1所示。

優(yōu)化設(shè)計(jì)的制冷設(shè)備配電功率參數(shù)如表2所示。

以上列舉了采用常規(guī)設(shè)計(jì)與優(yōu)化設(shè)計(jì)兩種方式的設(shè)備配電功率表。表2中:壓縮機(jī)配電功率少了200KW,蒸發(fā)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(jì)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?yún)?shù)不變的前提下,降低制冷系統(tǒng)配電功率主要通過(guò)以下措施完成:

(1)氨用螺桿壓縮機(jī)采用適用于啤酒高溫工況的高效型線,提高壓縮機(jī)的機(jī)械效率。壓縮機(jī)是制冷系統(tǒng)的核心部件,螺桿型線的效率很大程度上決定了制冷系統(tǒng)的能耗,效率越高說(shuō)明壓縮機(jī)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(jī)采用內(nèi)壓比自動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù),避免季節(jié)變化產(chǎn)生的過(guò)、欠壓縮損失,使壓縮機(jī)始終保持高效率運(yùn)行。

(3)采用三、四個(gè)壓縮機(jī)頭并聯(lián)的開(kāi)啟式螺桿機(jī)組,每個(gè)蒸發(fā)溫度系統(tǒng)都帶變頻設(shè)計(jì),避免壓縮機(jī)低載位低效率運(yùn)行。壓縮機(jī)組采用壓差回油技術(shù),每個(gè)并聯(lián)機(jī)組在第一臺(tái)壓縮機(jī)開(kāi)啟后,停止油泵運(yùn)行,靠壓差來(lái)保證每臺(tái)壓縮機(jī)的回油。

(4)冰水、脫氧水系統(tǒng)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(cè)蒸發(fā)溫度為o℃,壓縮機(jī)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(cè)蒸發(fā)溫度為12℃,該段壓縮機(jī)COP值為7.46;然后再將冰水、脫氧水從15.5℃降至2℃,氨側(cè)蒸發(fā)溫度為0℃,該段壓縮機(jī)COP值為5.15;兩段式降溫的壓縮機(jī)綜合COP值為6.38。采用兩段式比一段式的壓縮機(jī)COP值提高了約24%(表1常規(guī)設(shè)計(jì)方式中也是采用兩段式降溫,由于實(shí)際項(xiàng)目案例中還有很多南方地區(qū)是采用一段式降溫,所以特別說(shuō)明。另外,夏季供水溫度低于20℃的地區(qū),比較適合用一段式降溫)。

(5)蒸發(fā)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(tǒng)計(jì)中,選用節(jié)能型蒸發(fā)冷,耗電功率少了257kw,以每天平均滿負(fù)荷運(yùn)行12h,每年運(yùn)行36o天計(jì)算,全年節(jié)省電耗達(dá)11o萬(wàn)kw·h。即便選用節(jié)能型蒸發(fā)冷,增加一定的初投資,也能從兩年的運(yùn)行節(jié)省電費(fèi)中回收成本。

另外,對(duì)節(jié)能型蒸發(fā)冷的風(fēng)扇電機(jī)采用變頻設(shè)計(jì),將進(jìn)一步減少風(fēng)扇電機(jī)的耗電。

(6)冷媒循環(huán)水系統(tǒng)采用閉式設(shè)計(jì),冷媒水罐采用自動(dòng)溫度分層技術(shù)。以往水系統(tǒng)采用開(kāi)式設(shè)計(jì),循環(huán)水泵需要克服進(jìn)出管路的高度差,增加泵的揚(yáng)程和功耗。采用閉式設(shè)計(jì)后,水泵進(jìn)出管路充滿水,管路內(nèi)水位無(wú)高度差,減少了泵的揚(yáng)程和功耗。冷媒循環(huán)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(shè)計(jì),可將循環(huán)水泵的電耗降低約5o%。

設(shè)置兩套冷媒水內(nèi)循環(huán)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230m3/h。常規(guī)開(kāi)式設(shè)計(jì)采用獨(dú)立高、低溫罐,內(nèi)循環(huán)泵的揚(yáng)程需要30m,單臺(tái)泵的電機(jī)功率為22.0KW。優(yōu)化閉式設(shè)計(jì)采用單獨(dú)溫度分層罐,內(nèi)循環(huán)泵的揚(yáng)程只需要12m,單臺(tái)泵的電機(jī)功率為11.0KW。兩種設(shè)計(jì)方式的內(nèi)循環(huán)泵電機(jī)功率相差22kw。

設(shè)置三套冷媒水外循環(huán)泵,將冷媒罐中的低溫冷媒水供至發(fā)酵罐區(qū)降溫,每套流量為180m3/h。常規(guī)開(kāi)式設(shè)計(jì)采用獨(dú)立高、低溫罐,內(nèi)循環(huán)泵的揚(yáng)程需要40m,單臺(tái)泵的電機(jī)功率為37.0KW。優(yōu)化閉式設(shè)計(jì)采用單獨(dú)溫度分層罐,外循環(huán)泵的揚(yáng)程只需要30m,單臺(tái)泵的電機(jī)功率為22.0KW。兩種設(shè)計(jì)方式的外循環(huán)泵電機(jī)功率相差45kw。

優(yōu)化閉式設(shè)計(jì)的冷媒水內(nèi)、外循環(huán)泵的電機(jī)功率總計(jì)節(jié)省了67kw。以每天運(yùn)行24h,每年運(yùn)行365天計(jì)算,全年節(jié)省電耗達(dá)58萬(wàn)kw·h。

(7)全自動(dòng)控制運(yùn)行模式,讓制冷系統(tǒng)在設(shè)定工況下運(yùn)行,相比人工操作模式,更加節(jié)能高效。通過(guò)運(yùn)行參數(shù)的設(shè)定,減少壓縮機(jī)部分荷載低效率運(yùn)行時(shí)間。通過(guò)運(yùn)行軟件自動(dòng)計(jì)算最佳冷凝溫度,讓壓縮機(jī)和蒸發(fā)冷運(yùn)行在最佳制冷效率的冷凝溫度工況,從而節(jié)省壓縮機(jī)和蒸發(fā)冷的無(wú)效電耗。

1.2降低氨液充裝量技術(shù)

以往發(fā)酵罐大多采用氨直接冷卻的降溫方式,在制冷站設(shè)置大型循環(huán)桶泵機(jī)組,將氨液供至發(fā)酵罐區(qū)降溫。由于發(fā)酵罐數(shù)量多,板帶容積大,供液、回氣管道長(zhǎng),造成發(fā)酵罐區(qū)的氨液含量占整個(gè)制冷站氨液充裝量的5o%~8o%。因此,降低氨液充裝量首先要將發(fā)酵罐區(qū)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(shè)置氨與載冷劑的換熱板冷模塊,降溫后的載冷劑經(jīng)循環(huán)泵供至發(fā)酵罐區(qū)。以年產(chǎn)8o萬(wàn)千升啤酒項(xiàng)目為例,發(fā)酵罐采用載冷劑冷卻后,整個(gè)項(xiàng)目的氨液充裝量就能控制在1o~2ot范圍。而后經(jīng)過(guò)其他幾個(gè)技術(shù)的應(yīng)用,可將氨液充裝量控制在6t左右。

采用常規(guī)設(shè)計(jì)的制冷系統(tǒng)氨液充裝量計(jì)算如表3所示。

采用優(yōu)化設(shè)計(jì)的制冷系統(tǒng)氨液充裝量計(jì)算如表4所示。

優(yōu)化設(shè)計(jì)降低氨液充裝量的措施有:

(1)制冷機(jī)組油冷卻器采用板殼式換熱器,降低油冷系統(tǒng)的氨液含量。板殼式油冷卻器的內(nèi)容積比殼管式油冷卻器小。常規(guī)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(shè)計(jì)(冰水、脫氧水、冷媒水、啤酒激冷系統(tǒng)),將板冷模塊的氨液分離器控制在低液位運(yùn)行。采用快速靈敏的丹佛斯ICM電動(dòng)閥配合AKs4100U電子連續(xù)性液位控制器使用,可快速反應(yīng)大負(fù)荷波動(dòng)的供液需量,從而讓氨液分離器可低液位運(yùn)行。常規(guī)設(shè)計(jì)的氨液分離器控制液位大部分在50%,優(yōu)化設(shè)計(jì)的運(yùn)行液位在5%或更低。由于運(yùn)行液位低,氨液分離器的選型也可變小。此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)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(yùn)行液位。將常規(guī)設(shè)計(jì)的兩臺(tái)10m3高壓貯氨器換成兩臺(tái)5m3的,并將運(yùn)行液位從50%降到20%。此部分設(shè)計(jì)需要結(jié)合自動(dòng)控制邏輯對(duì)多個(gè)用氨點(diǎn)的精準(zhǔn)控制,實(shí)現(xiàn)高壓貯氨器的低液位運(yùn)行,減少氨液充裝量。

1.3全自動(dòng)控制技術(shù)

氨系統(tǒng)全自動(dòng)運(yùn)行一直是國(guó)內(nèi)涉氨企業(yè)的難點(diǎn)。國(guó)內(nèi)成熟的類(lèi)似案例較少,用戶對(duì)全自動(dòng)系統(tǒng)也存在一定的憂慮。我司技術(shù)團(tuán)隊(duì)結(jié)合多年的全自動(dòng)制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),經(jīng)過(guò)不斷優(yōu)化,得出了一套完整的氨系統(tǒng)全自動(dòng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)了真正意義上無(wú)人值守的全自動(dòng)運(yùn)行模式,降低了人工操作量,也同時(shí)減少了因人工誤操作帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn),使系統(tǒng)運(yùn)行更加安全。

(1)采用小型多機(jī)頭并聯(lián)螺桿機(jī)替代大型翹塊式螺桿機(jī),減少設(shè)備啟動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊。壓縮機(jī)采用軟啟動(dòng)或變頻啟動(dòng)設(shè)計(jì),結(jié)合壓縮機(jī)組和啟動(dòng)程序的設(shè)計(jì),讓壓縮機(jī)在設(shè)定工況順利自動(dòng)啟停及增減載位。

(2)對(duì)制冷量波動(dòng)范圍進(jìn)行分級(jí)設(shè)定,分級(jí)對(duì)應(yīng)壓縮機(jī)的開(kāi)啟臺(tái)數(shù)。自控軟件將根據(jù)系統(tǒng)介質(zhì)的流量及進(jìn)出口溫度,自動(dòng)計(jì)算需求制冷量并指令壓縮機(jī)等部件的動(dòng)作程序。分級(jí)設(shè)定壓縮機(jī)運(yùn)行程序,降低板冷模塊的凍脹風(fēng)險(xiǎn),提高出水溫度的控制精度和穩(wěn)定性。

(3)根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的環(huán)境溫度、濕球溫度及制冷系統(tǒng)的運(yùn)行工況,軟件程序自動(dòng)計(jì)算最佳冷凝溫度,使冷凝器和壓縮機(jī)節(jié)能運(yùn)行。

(4)制冷系統(tǒng)采用丹佛斯、施耐德、西門(mén)子等優(yōu)質(zhì)品牌部件,保障系統(tǒng)部件的可靠性。

(5)對(duì)啤酒工藝進(jìn)行深入研究,了解用戶的生產(chǎn)工藝流程、使用習(xí)慣、工廠標(biāo)準(zhǔn),使之與制冷系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)相互兼容。投產(chǎn)后需要對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行長(zhǎng)期跟蹤,根據(jù)實(shí)際情況實(shí)時(shí)調(diào)整運(yùn)行程序,使之實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的運(yùn)行模式。

1.4未來(lái)期望改進(jìn)

上述內(nèi)容中有幾個(gè)待改進(jìn)的地方,望在以后的工程中得到新技術(shù)的應(yīng)用。

(1)從表2可以看出蒸發(fā)冷中含有接近50%比例的氨液,希望未來(lái)有新技術(shù)的應(yīng)用可以降低蒸發(fā)冷的氨液含量,同時(shí)也可以進(jìn)一步減小貯氨器的容積。

(2)氨制冷系統(tǒng)中增加供液過(guò)冷技術(shù),可使制冷壓縮機(jī)的CoP值得到相應(yīng)提高。

2應(yīng)用實(shí)例

以上優(yōu)化設(shè)計(jì)的創(chuàng)新技術(shù)已在武漢某啤酒新建工廠得到應(yīng)用。項(xiàng)目已投產(chǎn)運(yùn)行,一年多的運(yùn)行跟蹤記錄顯示:

(1)根據(jù)用戶電量統(tǒng)計(jì),2018年全年平均千升酒耗電量低于11kw·h,比常規(guī)設(shè)計(jì)方式至少節(jié)能20%。按年產(chǎn)80萬(wàn)千升啤酒計(jì)算,每年節(jié)省用電量約220萬(wàn)kw·h。

(2)項(xiàng)目實(shí)際氨液充裝量為5.0t,比常規(guī)設(shè)計(jì)方式節(jié)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(lái)的擴(kuò)建留下了余量空間。

(3)實(shí)現(xiàn)真正意義上無(wú)人值守的全自動(dòng)運(yùn)行模式。其他常規(guī)機(jī)房每班需要2~3人值班,該新建工廠制冷站基本無(wú)人值班,只需每天定時(shí)巡檢。

(4)該項(xiàng)目的新技術(shù)應(yīng)用得到甲方標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)委員會(huì)的高度認(rèn)可,將其作為該集團(tuán)啤酒項(xiàng)目制冷站的示范標(biāo)桿。

項(xiàng)目案例現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示。

3結(jié)語(yǔ)

本文所提到的相關(guān)創(chuàng)新技術(shù)在多個(gè)大型啤酒項(xiàng)目上得到應(yīng)用,對(duì)年產(chǎn)超過(guò)20萬(wàn)千升的啤酒項(xiàng)目,在降低制冷系統(tǒng)電耗、降低氨液充裝量、采用全自動(dòng)控制運(yùn)行等方面,具有非常重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。