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,酒花庫庫溫維持等。制冷壓縮機的蒸發(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(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(yè)的安全要求趨于嚴格、制冷站操作人工成本提升、啤酒產(chǎn)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(tǒng)進行技術升級換代。尤其是根據(jù)氨液充裝量超過10t即為"危險化學品重大危險源"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、采用全自動控制運行模式等三個方面進行技術創(chuàng)新應用,解決現(xiàn)有問題,提高產(chǎn)品的競爭力。

1新型技術的創(chuàng)新與應用

以湖北武漢某年產(chǎn)80萬千升啤酒項目為例,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/出水溫度32℃/2℃,制冷量為4724KW。

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

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

(4)冷媒水降溫為兩套230m3/h,進/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

制冷系統(tǒng)的電耗主要包含壓縮機電機、蒸發(fā)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(huán)泵電機等幾個方面做功用電。

常規(guī)設計的制冷設備配電功率參數(shù)如表1所示。

優(yōu)化設計的制冷設備配電功率參數(shù)如表2所示。

以上列舉了采用常規(guī)設計與優(yōu)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(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(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(jié)技術,避免季節(jié)變化產(chǎn)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(lián)的開啟式螺桿機組,每個蒸發(fā)溫度系統(tǒng)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(lián)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(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℃,氨側蒸發(fā)溫度為o℃,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(fā)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(fā)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(guī)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(qū)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(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,以每天平均滿負荷運行12h,每年運行36o天計算,全年節(jié)省電耗達11o萬kw·h。即便選用節(jié)能型蒸發(fā)冷,增加一定的初投資,也能從兩年的運行節(jié)省電費中回收成本。

另外,對節(jié)能型蒸發(fā)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(huán)水系統(tǒng)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(tǒng)采用開式設計,循環(huán)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(huán)水泵的電耗在制冷站的耗電量中占有較大比例,采用閉式設計,可將循環(huán)水泵的電耗降低約5o%。

設置兩套冷媒水內循環(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)開式設計采用獨立高、低溫罐,內循環(huán)泵的揚程需要30m,單臺泵的電機功率為22.0KW。優(yōu)化閉式設計采用單獨溫度分層罐,內循環(huán)泵的揚程只需要12m,單臺泵的電機功率為11.0KW。兩種設計方式的內循環(huán)泵電機功率相差22kw。

設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)開式設計采用獨立高、低溫罐,內循環(huán)泵的揚程需要40m,單臺泵的電機功率為37.0KW。優(yōu)化閉式設計采用單獨溫度分層罐,外循環(huán)泵的揚程只需要30m,單臺泵的電機功率為22.0KW。兩種設計方式的外循環(huán)泵電機功率相差45kw。

優(yōu)化閉式設計的冷媒水內、外循環(huán)泵的電機功率總計節(jié)省了67kw。以每天運行24h,每年運行365天計算,全年節(jié)省電耗達58萬kw·h。

(7)全自動控制運行模式,讓制冷系統(tǒng)在設定工況下運行,相比人工操作模式,更加節(jié)能高效。通過運行參數(shù)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(fā)冷運行在最佳制冷效率的冷凝溫度工況,從而節(jié)省壓縮機和蒸發(fā)冷的無效電耗。

1.2降低氨液充裝量技術

以往發(fā)酵罐大多采用氨直接冷卻的降溫方式,在制冷站設置大型循環(huán)桶泵機組,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,造成發(fā)酵罐區(qū)的氨液含量占整個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萬千升啤酒項目為例,發(fā)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1o~2ot范圍。而后經(jīng)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(guī)設計的制冷系統(tǒng)氨液充裝量計算如表3所示。

采用優(yōu)化設計的制冷系統(tǒng)氨液充裝量計算如表4所示。

優(yōu)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(tǒng)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(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計(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行。采用快速靈敏的丹佛斯ICM電動閥配合AKs4100U電子連續(xù)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(guī)設計的氨液分離器控制液位大部分在50%,優(yōu)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(guī)設計的兩臺10m3高壓貯氨器換成兩臺5m3的,并將運行液位從50%降到20%。此部分設計需要結合自動控制邏輯對多個用氨點的精準控制,實現(xiàn)高壓貯氨器的低液位運行,減少氨液充裝量。

1.3全自動控制技術

氨系統(tǒng)全自動運行一直是國內涉氨企業(yè)的難點。國內成熟的類似案例較少,用戶對全自動系統(tǒng)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(tǒng)設計經(jīng)驗,經(jīng)過不斷優(yōu)化,得出了一套完整的氨系統(tǒng)全自動設計經(jīng)驗,實現(xiàn)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(tǒng)運行更加安全。

(1)采用小型多機頭并聯(lián)螺桿機替代大型翹塊式螺桿機,減少設備啟動電流對電網(wǎng)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(shù)。自控軟件將根據(jù)系統(tǒng)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(wěn)定性。

(3)根據(jù)實時監(jiān)測的環(huán)境溫度、濕球溫度及制冷系統(tǒng)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(jié)能運行。

(4)制冷系統(tǒng)采用丹佛斯、施耐德、西門子等優(yōu)質品牌部件,保障系統(tǒng)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(chǎn)工藝流程、使用習慣、工廠標準,使之與制冷系統(tǒng)程序設計相互兼容。投產(chǎn)后需要對項目進行長期跟蹤,根據(jù)實際情況實時調整運行程序,使之實現(xiàn)無人值守的運行模式。

1.4未來期望改進

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(fā)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(fā)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(tǒng)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應用實例

以上優(yōu)化設計的創(chuàng)新技術已在武漢某啤酒新建工廠得到應用。項目已投產(chǎn)運行,一年多的運行跟蹤記錄顯示:

(1)根據(jù)用戶電量統(tǒng)計,2018年全年平均千升酒耗電量低于11kw·h,比常規(guī)設計方式至少節(jié)能20%。按年產(chǎn)80萬千升啤酒計算,每年節(jié)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(guī)設計方式節(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,也為未來的擴建留下了余量空間。

(3)實現(xiàn)真正意義上無人值守的全自動運行模式。其他常規(guī)機房每班需要2~3人值班,該新建工廠制冷站基本無人值班,只需每天定時巡檢。

(4)該項目的新技術應用得到甲方標準技術委員會的高度認可,將其作為該集團啤酒項目制冷站的示范標桿。

項目案例現(xiàn)場如圖1所示。

3結語

本文所提到的相關創(chuàng)新技術在多個大型啤酒項目上得到應用,對年產(chǎn)超過20萬千升的啤酒項目,在降低制冷系統(tǒng)電耗、降低氨液充裝量、采用全自動控制運行等方面,具有非常重要的理論意義和實際應用價值。