食品行業氨制冷系統節能技術的探討

沈 嬌

（中國中輕國際工程有限公司，北京 100026）

隨著近年來生活水平的提高，食品和冷鏈行業蓬勃發展，我國的食品企業逐步走向集團化、規?；?、自動化。隨著規模的增長，人們需要有效地控制生產成本。而對于食品冷鏈行業，制冷系統的電耗占生產能耗的比例最高。如何有效地降低制冷系統電耗，降低成本，成為迫切需要解決的問題。

以啤酒行業為例，啤酒廠工藝冷凍水包括冰水、脫氧水，使用溫度為2℃。由于食品的特殊性，冷凍水的原水一般需要經過水處理、脫氧等工藝流程才能夠被冷卻、使用。原水引自自來水、井水，原水溫度一般在25～33℃。

1 啤酒廠工藝用冷計算

以某年產100萬t的啤酒廠為例，糖化鍋容積為75 m3（2套），按照1.2倍率制備冰水，則每批次投料所用水量為：75×1.2×2=180 m3。正常生產每天12次投料，則每日冰水需求量為：180×12=2 160 m3。

每日12次75 m3糖化鍋進行糖化，可以制備的原麥汁：12×75×2=1 800 m3。平均2 h就要進行一次糖化生產過程。按照1.65的稀釋比例，每日可生產啤酒：1 800×1.65=2 970 m3。每日需要脫氧水量：2 970-1 800=1 170 m3。

除此之外，啤酒廠冷負荷還包含了發酵負荷以及酒花冷庫、酵母擴培等（一般蒸發溫度-7℃，采用-5～0℃的冷媒作為載冷劑），此處不重點討論。

2 傳統制冷模式

2.1 選型計算

該地區地處南方，主要相關的氣象資料及溫度參數如表1所示[1]。

表1 室外空氣設計參數

冰水制備是經過處理的32℃釀造水制備為低溫釀造水的過程，該工廠每日需要制備2 160 m3的冰水，每日12次，平均2 h一次，即每2 h至少要制備180 m3的冰水，而冰水需要提前制備儲存在冰水罐內以保證使用，因此制備能力至少是180 m3/h，可選擇兩臺90 m3/h的模塊化制冷機組。

同理，脫氧水的制備至少需要達到100 m3/h，選擇兩臺50 m3/h的模塊化制冷機組。

核算氨制冷系統的制冷能力：冷量=溫差×比熱×質量流量（密度為1 000 kg/m3，比熱為4.18 kJ/（kg·℃））[2]。計算可得：

Q冰水=180×4.18×（32-2）×1 000/3 600=62 70 kW；

Q脫氧水=100×4.18×（34-2）×1 000/3 600=3 716 kW。

制冷系統采用氨螺桿壓縮機組，同時配置蒸發式冷凝器、高壓儲液器、輔助儲液器、模塊化制冷機組、集油器、不凝性氣體排除裝置、緊急泄氨器等[3]。傳統模式下氨制冷系統設備選型如表2所示。

表2 傳統模式下氨制冷系統設備選型

注：總電機功率為2 580 kW（按照輸入功率計，則為2 384.7 kW）。

2.2 運行費用計算

如果達到全天滿負荷用量，則每天制備冰水和脫氧水的系統都需要運行12 h。因此，夏季全天制冷運行電耗為2 384.7 kW×12 h=28 616.4 kW·h，即全負荷生產下，每天消耗28 616.4 kW·h電。每日生產酒量2 970 m3，則夏季每立方成品啤酒的電耗為：28 616.4 kW·h/2 970 m3=9.64 kW·h/m3。

由于冬季水溫較低（15℃左右），冬季冷負荷為4 162 kW，運行4臺螺桿壓縮機和5臺蒸發冷即可滿足要求，冬季運行輸入功率為1 050.7 kW。因此，冬季全天制冷運行電耗為1 050.7 kW×12 h=12 608.4 kW·h，即冬季生產，全天消耗12 608.4 kW·h電。每日生產酒量為2 970 m3，則冬季每立方成品啤酒的電耗為：12 608.4 kW·h/2 970 m3=4.25 kW·h/m3。

考慮到淡旺季變化，不可能每日都是全負荷生產，此處忽略過渡季節，按照冬季夏季各50%的比例計算。年產100萬m3啤酒的能力，全年耗電為：100×104×（9.64+4.25）/2=6.95×106kW·h。 該 地區實行峰谷電價制，全天按照24 h，8:8:8的比例分攤。

峰谷電價時間段及收費標準如表3所示。由于這種傳統方式并未考慮錯峰儲存冷量，隨著生產的進行按照工藝需求運行，電價按照平均價格來計算，即（1.35×4+0.85×4+0.35×4）/12=0.85元。因此，全年制備脫氧水、冰水所需電費為：6.95×106kW·h×0.85=590.4萬元。

表3 峰谷電價時間段及收費標準

3 分級冷卻節能模式

由制冷循環過程的特性，可以得出在相同的條件溫度下蒸發溫度與制冷效率、制冷能力的關系，以某型號氨制冷壓縮機為例說明，如表4所示。

表4 蒸發溫度與制冷效率、制冷能力的關系

圖1 制冷能力隨蒸發溫度變化的曲線

圖2 制冷系數隨蒸發溫度變化的曲線

由圖1、圖2可見，蒸發溫度越高，制冷能力和制冷效率越高。蒸發溫度每提高1℃，制冷能力提高3.9%，制冷系數提高3.8%。

當原水溫度在30℃以上時，可以提高氨蒸發溫度，以提高制冷效率，這就是分級冷卻技術。設定一個中間溫度，讓原水先冷卻到該溫度后，再進行二級冷卻，通過兩級冷卻達到工藝要求的溫度。這樣，一部分冷負荷提高到了高溫蒸發段，也就是高效段[3]。

4 峰谷電價蓄冷模式

在全國各地大部分實行峰谷電價的前提下，受到冰蓄冷空調的啟發，食品廠可以利用峰谷電價的間歇期，在谷電階段制備盡可能多地冷凍水并將其儲存在儲罐中，在峰平電階段使用。

5 采用分級冷卻模式和峰谷電價蓄冷模式的具體計算

5.1 蓄冷計算

以上述工程為例，該工程所在地區的谷電階段為夜間8 h。為了節省運行費用，宜盡量在該時段將全天的冰水，脫氧水制備完成。小時制備冰水能力為：2 160 m3/8 h=270 m3/h。小時制備脫氧水能力為：1 170 m3/8 h=146.25 m3/h。

需要增設容積足夠大的儲罐，相當于峰、平電階段的用量，2 160-（180×4）=1 440 m3，可配置三臺500 m3冰水儲罐；1 170-390=780 m3，可配置兩臺400 m3脫氧水儲罐。

5.2 分級冷卻計算

根據分級冷卻技術的節能原理，分別設置高溫段和低溫段的螺桿制冷壓縮機和制冷模塊。中間溫度的設定按照整個溫降區間的55%考慮，此溫度下的螺桿制冷壓縮機的出力最大，即中間溫度設定為（32-2）×55%=16.5℃。由于原水溫度在不同季節是變化的狀態，冬季該地區的原水溫度為15℃，可將中間溫度調整為15℃，這樣，冬季只需要運行低溫段螺桿機組即可滿足要求，計算如下。

一級冷卻：冰水溫差為32-15=17℃；流量為270 m3/h；負荷為5 330 kW。

脫氧水溫差為32-15=17℃；流量為147 m3/h；負荷為3 243kW。

二級冷卻：冰水溫差為15-2=13℃；流量為270 m3/h；負荷為4 076 kW。

脫氧水溫差為15-2=13℃；流量為147 m3/h；負荷為2 219 kW。

一級冷卻總負荷8 573 kW，二級冷卻總負荷6 295 kW。

表5 節能模式螺桿制冷壓縮機選型

表6 節能模式輔助設備選型

由表5、表6可知，傳統模式制冷系統的總冷負荷為9 986 kW，總輸入功率為2 384.7 kW，制冷性能系數為4.18。采用分級冷卻模式和峰谷電價蓄冷模式制冷系統的總冷負荷為9 986 kW，總輸入功率為2 384.7 kW，制冷性能系數為5.16。制冷性能系數提高了34.3%。

5.3 運行費用計算

如果達到全天用量，則冰水和脫氧水均在夜間制備。因此，全天制冷運行電耗為2651.4 kW×8 h=21 211.2 kW·h，即在夏季全負荷生產下，全天消耗21 211.2 kW·h電。每日生產酒量為2 970 m3，則每立方成品啤酒的電耗為21 211.2 kW·h/2 970 m3=7.14 kW·h/m3。

考慮到淡旺季變化，冬季只運行4臺低溫工段機組和5臺蒸發冷即可滿足要求，冬季運行輸入功率為1 393.3 kW。因此，冬季全天制冷運行電耗為1 393.3 kW×12 h=16 719.6 kW·h，即冬季生產，全天消耗16 719.6 kW·h電。每日生產酒量為2 970 m3，則冬季每立方成品啤酒的電耗為：16 719.6 kW·h/2 970 m3=5.63 kW·h/m3。

此處忽略過渡季節，按照全年冬夏季比例各50%計算。

按照年產100萬m3啤酒的能力，全年耗電為：100×104×（7.14+5.63）/2=6.385×106kW·h。那么全年耗電費用為：6.385×106×0.35=223.48萬元。相比傳統制冷模式，每年節省耗電費用為590.4-223.48=366.92萬元。值得注意的是，此處不含冷媒制備、酒花冷庫、酵母擴培等冷負荷。

5.4 初投資比較計算

由于將冷負荷集中在了谷電期間，增大了螺桿機和蒸發式冷凝器的型號，增加了兩臺模塊化換熱機組以及管路、電氣、自控原件等設施，增加了冰水罐和脫氧水罐的容積，所以初投資必將有所增加。傳統制冷模式與節能模式的初投資對比、能耗對比分別如 表7、表8所示。

表7 傳統制冷模式與節能模式的初投資對比

表8 傳統制冷模式與節能模式的能耗對比

6 結論

通過對傳統制冷模式和采用分級冷卻和蓄冷兩種技術的制冷模式進行對比，可見在采用節能技術后，工廠節能效果非常明顯，投資回收期只需要一年多的時間，占地面積并無大幅度增加，是節能減排的正確思路，值得提倡。

在全球氣候變暖的大背景下，如何降低排碳量成為一個工程的討論主題之一。食品行業的制冷系統電耗在整個生產過程中屬重中之重。除了分級冷卻技術和蓄冷技術外，食品廠還有利用凝結水余熱制冷、嚴寒地區利用天然冷源換熱制冷等節能方式，需要設計人員根據項目特點，合理選擇節能技術方案，為系統在運行過程中能夠處于最佳狀態打下基礎，為國家的節能降耗貢獻力量。