新型啤酒制冷站氨制冷技术应用

时间：2022-09-16 13:27:50

关键字：节能降耗超低氨液充装量全自动控制

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[导读]摘要:近年来上海开山冷冻系统技术有限公司承接了若干新建大型啤酒制冷站氨制冷系统工程的整包项目,技术团队对每个项目都进行了创新设计应用。针对已建成投产项目的制冷系统运行数据,总结出了一套针对啤酒制冷站氨制冷系统的全新应用技术。

引言

啤酒制冷站为啤酒工艺降温提供冷源。啤酒生产工艺中的用冷环节有:制取2~4℃的冰水和脱氧水,啤酒激冷降温,发酵罐降糖、保冷,酒花库库温维持等。制冷压缩机的蒸发温度范围在-7~＋12℃。大型啤酒工厂要求的制冷量大,以湖北武汉地区为例,新建年产80万千升啤酒项目,其制冷量需要约12000KW。结合制冷剂的特性,氨做制冷剂是大型啤酒工厂的最佳选择。

国内以往设计运行的啤酒制冷站存在几点缺陷:制冷系统耗电大(南方地区全年平均千升酒耗电13~20KW·h),氨液充装量大(以年产80万千升啤酒项目为例,充氨量在15~100t),自动化程度低(采用人工操控为主,自动操控为辅的运行模式)。

受国家对氨制冷企业的安全要求趋于严格、制冷站操作人工成本提升、啤酒产品的价格竞争激烈等因素的影响,急需对以往设计的氨制冷系统进行技术升级换代。尤其是根据氨液充装量超过10t即为"危险化学品重大危险源"的规定,氨制冷企业急需将氨液充装量降到10t以下。

基于上述分析,对新建或改造的大型啤酒生产企业,需从降低制冷系统耗电、降低氨液充装量、采用全自动控制运行模式等三个方面进行技术创新应用,解决现有问题,提高产品的竞争力。

1新型技术的创新与应用

以湖北武汉某年产80万千升啤酒项目为例,总制冷量为11964KW。其用冷工艺参数为:

(1)冰水制取量为两套70m3/h,进/出水温度32℃/2℃,制冷量为4724KW。

(2)脱氧水制取量为两套50m3/h,进/出水温度32℃/2℃,制冷量为3374KW。

(3)啤酒激冷为三套60m3/h,进/出水温度31℃/-1.7℃,制冷量为1823KW。

(4)冷媒水降温为两套230m3/h,进/出水温度1℃/-5℃。用于发酵罐等系统降温,制冷量为2043KW。

1.1降低制冷系统电耗技术

制冷系统的电耗主要包含压缩机电机、蒸发冷风扇和水泵的电机、冷媒水(乙二醇或丙二醇水溶液)内外循环泵电机等几个方面做功用电。

常规设计的制冷设备配电功率参数如表1所示。

优化设计的制冷设备配电功率参数如表2所示。

以上列举了采用常规设计与优化设计两种方式的设备配电功率表。表2中:压缩机配电功率少了200KW,蒸发冷配电功率少了257KW,冷媒水泵配电功率少了67KW,配电功率总计少了524KW,配电总功率降低了16.4%。在保证总制冷量及其他输入参数不变的前提下,降低制冷系统配电功率主要通过以下措施完成:

(1)氨用螺杆压缩机采用适用于啤酒高温工况的高效型线,提高压缩机的机械效率。压缩机是制冷系统的核心部件,螺杆型线的效率很大程度上决定了制冷系统的能耗,效率越高说明压缩机消耗同样的电功率能获取越多的制冷量。

(2)氨用螺杆压缩机采用内压比自动调节技术,避免季节变化产生的过、欠压缩损失,使压缩机始终保持高效率运行。

(3)采用三、四个压缩机头并联的开启式螺杆机组,每个蒸发温度系统都带变频设计,避免压缩机低载位低效率运行。压缩机组采用压差回油技术,每个并联机组在第一台压缩机开启后,停止油泵运行,靠压差来保证每台压缩机的回油。

(4)冰水、脱氧水系统采用两段式降温取代早期的一段式降温方式。一段式降温:将冰水、脱氧水直接从32℃降至2℃,氨侧蒸发温度为o℃,压缩机COP值为5.15。两段式降温:先将冰水、脱氧水从32℃降至15.5℃,氨侧蒸发温度为12℃,该段压缩机COP值为7.46;然后再将冰水、脱氧水从15.5℃降至2℃,氨侧蒸发温度为0℃,该段压缩机COP值为5.15;两段式降温的压缩机综合COP值为6.38。采用两段式比一段式的压缩机COP值提高了约24%(表1常规设计方式中也是采用两段式降温,由于实际项目案例中还有很多南方地区是采用一段式降温,所以特别说明。另外,夏季供水温度低于20℃的地区,比较适合用一段式降温)。

(5)蒸发冷的耗电在制冷站的总耗电中占有较大比例,在7%~15%之间。在表2统计中,选用节能型蒸发冷,耗电功率少了257kw,以每天平均满负荷运行12h,每年运行36o天计算,全年节省电耗达11o万kw·h。即便选用节能型蒸发冷,增加一定的初投资,也能从两年的运行节省电费中回收成本。

另外,对节能型蒸发冷的风扇电机采用变频设计,将进一步减少风扇电机的耗电。

(6)冷媒循环水系统采用闭式设计,冷媒水罐采用自动温度分层技术。以往水系统采用开式设计,循环水泵需要克服进出管路的高度差,增加泵的扬程和功耗。采用闭式设计后,水泵进出管路充满水,管路内水位无高度差,减少了泵的扬程和功耗。冷媒循环水泵的电耗在制冷站的耗电量中占有较大比例,采用闭式设计,可将循环水泵的电耗降低约5o%。

设置两套冷媒水内循环泵,将冷媒罐中的高温冷媒水供至板冷模块降温,每套流量为230m3/h。常规开式设计采用独立高、低温罐,内循环泵的扬程需要30m,单台泵的电机功率为22.0KW。优化闭式设计采用单独温度分层罐,内循环泵的扬程只需要12m,单台泵的电机功率为11.0KW。两种设计方式的内循环泵电机功率相差22kw。

设置三套冷媒水外循环泵,将冷媒罐中的低温冷媒水供至发酵罐区降温,每套流量为180m3/h。常规开式设计采用独立高、低温罐,内循环泵的扬程需要40m,单台泵的电机功率为37.0KW。优化闭式设计采用单独温度分层罐,外循环泵的扬程只需要30m,单台泵的电机功率为22.0KW。两种设计方式的外循环泵电机功率相差45kw。

优化闭式设计的冷媒水内、外循环泵的电机功率总计节省了67kw。以每天运行24h,每年运行365天计算,全年节省电耗达58万kw·h。

(7)全自动控制运行模式,让制冷系统在设定工况下运行,相比人工操作模式,更加节能高效。通过运行参数的设定,减少压缩机部分荷载低效率运行时间。通过运行软件自动计算最佳冷凝温度,让压缩机和蒸发冷运行在最佳制冷效率的冷凝温度工况,从而节省压缩机和蒸发冷的无效电耗。

1.2降低氨液充装量技术

以往发酵罐大多采用氨直接冷却的降温方式,在制冷站设置大型循环桶泵机组,将氨液供至发酵罐区降温。由于发酵罐数量多,板带容积大,供液、回气管道长,造成发酵罐区的氨液含量占整个制冷站氨液充装量的5o%~8o%。因此,降低氨液充装量首先要将发酵罐区降温改为载冷剂间接冷却方式。采用乙二醇或丙二醇水溶液为载冷剂,在制冷站设置氨与载冷剂的换热板冷模块,降温后的载冷剂经循环泵供至发酵罐区。以年产8o万千升啤酒项目为例,发酵罐采用载冷剂冷却后,整个项目的氨液充装量就能控制在1o~2ot范围。而后经过其他几个技术的应用,可将氨液充装量控制在6t左右。

采用常规设计的制冷系统氨液充装量计算如表3所示。

采用优化设计的制冷系统氨液充装量计算如表4所示。

优化设计降低氨液充装量的措施有:

(1)制冷机组油冷却器采用板壳式换热器,降低油冷系统的氨液含量。板壳式油冷却器的内容积比壳管式油冷却器小。常规壳管式油冷却器的供液倍率在3~5倍,采用板壳式油冷却器的供液倍率为1.5倍,这就使油冷却器及油冷供液管道的氨液含量降低了约60%。

(2)采用新型板冷模块设计(冰水、脱氧水、冷媒水、啤酒激冷系统),将板冷模块的氨液分离器控制在低液位运行。采用快速灵敏的丹佛斯ICM电动阀配合AKs4100U电子连续性液位控制器使用,可快速反应大负荷波动的供液需量,从而让氨液分离器可低液位运行。常规设计的氨液分离器控制液位大部分在50%,优化设计的运行液位在5%或更低。由于运行液位低,氨液分离器的选型也可变小。此项技术的应用使氨液分离器的氨液含量降低了70%。

(3)减少高压贮氨器的容积,并降低运行液位。将常规设计的两台10m3高压贮氨器换成两台5m3的,并将运行液位从50%降到20%。此部分设计需要结合自动控制逻辑对多个用氨点的精准控制,实现高压贮氨器的低液位运行,减少氨液充装量。

1.3全自动控制技术

氨系统全自动运行一直是国内涉氨企业的难点。国内成熟的类似案例较少,用户对全自动系统也存在一定的忧虑。我司技术团队结合多年的全自动制冷系统设计经验,经过不断优化,得出了一套完整的氨系统全自动设计经验,实现了真正意义上无人值守的全自动运行模式,降低了人工操作量,也同时减少了因人工误操作带来的安全风险,使系统运行更加安全。

(1)采用小型多机头并联螺杆机替代大型翘块式螺杆机,减少设备启动电流对电网的冲击。压缩机采用软启动或变频启动设计,结合压缩机组和启动程序的设计,让压缩机在设定工况顺利自动启停及增减载位。

(2)对制冷量波动范围进行分级设定,分级对应压缩机的开启台数。自控软件将根据系统介质的流量及进出口温度,自动计算需求制冷量并指令压缩机等部件的动作程序。分级设定压缩机运行程序,降低板冷模块的冻胀风险,提高出水温度的控制精度和稳定性。

(3)根据实时监测的环境温度、湿球温度及制冷系统的运行工况,软件程序自动计算最佳冷凝温度,使冷凝器和压缩机节能运行。

(4)制冷系统采用丹佛斯、施耐德、西门子等优质品牌部件,保障系统部件的可靠性。

(5)对啤酒工艺进行深入研究,了解用户的生产工艺流程、使用习惯、工厂标准,使之与制冷系统程序设计相互兼容。投产后需要对项目进行长期跟踪,根据实际情况实时调整运行程序,使之实现无人值守的运行模式。

1.4未来期望改进

上述内容中有几个待改进的地方,望在以后的工程中得到新技术的应用。

(1)从表2可以看出蒸发冷中含有接近50%比例的氨液,希望未来有新技术的应用可以降低蒸发冷的氨液含量,同时也可以进一步减小贮氨器的容积。

(2)氨制冷系统中增加供液过冷技术,可使制冷压缩机的CoP值得到相应提高。

2应用实例

以上优化设计的创新技术已在武汉某啤酒新建工厂得到应用。项目已投产运行,一年多的运行跟踪记录显示:

(1)根据用户电量统计,2018年全年平均千升酒耗电量低于11kw·h,比常规设计方式至少节能20%。按年产80万千升啤酒计算,每年节省用电量约220万kw·h。