食品行業(yè)氨制冷系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)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(yè)蓬勃發(fā)展，我國的食品企業(yè)逐步走向集團(tuán)化、規(guī)模化、自動(dòng)化。隨著規(guī)模的增長，人們需要有效地控制生產(chǎn)成本。而對(duì)于食品冷鏈行業(yè)，制冷系統(tǒng)的電耗占生產(chǎn)能耗的比例最高。如何有效地降低制冷系統(tǒng)電耗，降低成本，成為迫切需要解決的問題。

以啤酒行業(yè)為例，啤酒廠工藝?yán)鋬鏊ū⒚撗跛?，使用溫度?℃。由于食品的特殊性，冷凍水的原水一般需要經(jīng)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(jì)算

以某年產(chǎn)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(chǎn)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(jìn)行糖化，可以制備的原麥汁：12×75×2=1 800 m3。平均2 h就要進(jìn)行一次糖化生產(chǎn)過程。按照1.65的稀釋比例，每日可生產(chǎn)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(fù)荷還包含了發(fā)酵負(fù)荷以及酒花冷庫、酵母擴(kuò)培等（一般蒸發(fā)溫度-7℃，采用-5～0℃的冷媒作為載冷劑），此處不重點(diǎn)討論。

2 傳統(tǒng)制冷模式

2.1 選型計(jì)算

該地區(qū)地處南方，主要相關(guān)的氣象資料及溫度參數(shù)如表1所示[1]。

表1 室外空氣設(shè)計(jì)參數(shù)

冰水制備是經(jīng)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(chǔ)存在冰水罐內(nèi)以保證使用，因此制備能力至少是180 m3/h，可選擇兩臺(tái)90 m3/h的模塊化制冷機(jī)組。

同理，脫氧水的制備至少需要達(dá)到100 m3/h，選擇兩臺(tái)50 m3/h的模塊化制冷機(jī)組。

核算氨制冷系統(tǒng)的制冷能力：冷量=溫差×比熱×質(zhì)量流量（密度為1 000 kg/m3，比熱為4.18 kJ/（kg·℃））[2]。計(jì)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(tǒng)采用氨螺桿壓縮機(jī)組，同時(shí)配置蒸發(fā)式冷凝器、高壓儲(chǔ)液器、輔助儲(chǔ)液器、模塊化制冷機(jī)組、集油器、不凝性氣體排除裝置、緊急泄氨器等[3]。傳統(tǒng)模式下氨制冷系統(tǒng)設(shè)備選型如表2所示。

表2 傳統(tǒng)模式下氨制冷系統(tǒng)設(shè)備選型

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

2.2 運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算

如果達(dá)到全天滿負(fù)荷用量，則每天制備冰水和脫氧水的系統(tǒng)都需要運(yùn)行12 h。因此，夏季全天制冷運(yùn)行電耗為2 384.7 kW×12 h=28 616.4 kW·h，即全負(fù)荷生產(chǎn)下，每天消耗28 616.4 kW·h電。每日生產(chǎn)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(fù)荷為4 162 kW，運(yùn)行4臺(tái)螺桿壓縮機(jī)和5臺(tái)蒸發(fā)冷即可滿足要求，冬季運(yùn)行輸入功率為1 050.7 kW。因此，冬季全天制冷運(yùn)行電耗為1 050.7 kW×12 h=12 608.4 kW·h，即冬季生產(chǎn)，全天消耗12 608.4 kW·h電。每日生產(chǎn)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(fù)荷生產(chǎn)，此處忽略過渡季節(jié)，按照冬季夏季各50%的比例計(jì)算。年產(chǎn)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(qū)實(shí)行峰谷電價(jià)制，全天按照24 h，8:8:8的比例分?jǐn)偂?/p>

峰谷電價(jià)時(shí)間段及收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。由于這種傳統(tǒng)方式并未考慮錯(cuò)峰儲(chǔ)存冷量，隨著生產(chǎn)的進(jìn)行按照工藝需求運(yùn)行，電價(jià)按照平均價(jià)格來計(jì)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(fèi)為：6.95×106kW·h×0.85=590.4萬元。

表3 峰谷電價(jià)時(shí)間段及收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)

3 分級(jí)冷卻節(jié)能模式

由制冷循環(huán)過程的特性，可以得出在相同的條件溫度下蒸發(fā)溫度與制冷效率、制冷能力的關(guān)系，以某型號(hào)氨制冷壓縮機(jī)為例說明，如表4所示。

表4 蒸發(fā)溫度與制冷效率、制冷能力的關(guān)系

圖1 制冷能力隨蒸發(fā)溫度變化的曲線

圖2 制冷系數(shù)隨蒸發(fā)溫度變化的曲線

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

當(dāng)原水溫度在30℃以上時(shí)，可以提高氨蒸發(fā)溫度，以提高制冷效率，這就是分級(jí)冷卻技術(shù)。設(shè)定一個(gè)中間溫度，讓原水先冷卻到該溫度后，再進(jìn)行二級(jí)冷卻，通過兩級(jí)冷卻達(dá)到工藝要求的溫度。這樣，一部分冷負(fù)荷提高到了高溫蒸發(fā)段，也就是高效段[3]。

4 峰谷電價(jià)蓄冷模式

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

5 采用分級(jí)冷卻模式和峰谷電價(jià)蓄冷模式的具體計(jì)算

5.1 蓄冷計(jì)算

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

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

5.2 分級(jí)冷卻計(jì)算

根據(jù)分級(jí)冷卻技術(shù)的節(jié)能原理，分別設(shè)置高溫段和低溫段的螺桿制冷壓縮機(jī)和制冷模塊。中間溫度的設(shè)定按照整個(gè)溫降區(qū)間的55%考慮，此溫度下的螺桿制冷壓縮機(jī)的出力最大，即中間溫度設(shè)定為（32-2）×55%=16.5℃。由于原水溫度在不同季節(jié)是變化的狀態(tài)，冬季該地區(qū)的原水溫度為15℃，可將中間溫度調(diào)整為15℃，這樣，冬季只需要運(yùn)行低溫段螺桿機(jī)組即可滿足要求，計(jì)算如下。

一級(jí)冷卻：冰水溫差為32-15=17℃；流量為270 m3/h；負(fù)荷為5 330 kW。

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

二級(jí)冷卻：冰水溫差為15-2=13℃；流量為270 m3/h；負(fù)荷為4 076 kW。

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

一級(jí)冷卻總負(fù)荷8 573 kW，二級(jí)冷卻總負(fù)荷6 295 kW。

表5 節(jié)能模式螺桿制冷壓縮機(jī)選型

表6 節(jié)能模式輔助設(shè)備選型

由表5、表6可知，傳統(tǒng)模式制冷系統(tǒng)的總冷負(fù)荷為9 986 kW，總輸入功率為2 384.7 kW，制冷性能系數(shù)為4.18。采用分級(jí)冷卻模式和峰谷電價(jià)蓄冷模式制冷系統(tǒng)的總冷負(fù)荷為9 986 kW，總輸入功率為2 384.7 kW，制冷性能系數(shù)為5.16。制冷性能系數(shù)提高了34.3%。

5.3 運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算

如果達(dá)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(yùn)行電耗為2651.4 kW×8 h=21 211.2 kW·h，即在夏季全負(fù)荷生產(chǎn)下，全天消耗21 211.2 kW·h電。每日生產(chǎn)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(yùn)行4臺(tái)低溫工段機(jī)組和5臺(tái)蒸發(fā)冷即可滿足要求，冬季運(yùn)行輸入功率為1 393.3 kW。因此，冬季全天制冷運(yùn)行電耗為1 393.3 kW×12 h=16 719.6 kW·h，即冬季生產(chǎn)，全天消耗16 719.6 kW·h電。每日生產(chǎn)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(jié)，按照全年冬夏季比例各50%計(jì)算。

按照年產(chǎn)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(fèi)用為：6.385×106×0.35=223.48萬元。相比傳統(tǒng)制冷模式，每年節(jié)省耗電費(fèi)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(kuò)培等冷負(fù)荷。

5.4 初投資比較計(jì)算

由于將冷負(fù)荷集中在了谷電期間，增大了螺桿機(jī)和蒸發(fā)式冷凝器的型號(hào)，增加了兩臺(tái)模塊化換熱機(jī)組以及管路、電氣、自控原件等設(shè)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(tǒng)制冷模式與節(jié)能模式的初投資對(duì)比、能耗對(duì)比分別如 表7、表8所示。

表7 傳統(tǒng)制冷模式與節(jié)能模式的初投資對(duì)比

表8 傳統(tǒng)制冷模式與節(jié)能模式的能耗對(duì)比

6 結(jié)論

通過對(duì)傳統(tǒng)制冷模式和采用分級(jí)冷卻和蓄冷兩種技術(shù)的制冷模式進(jìn)行對(duì)比，可見在采用節(jié)能技術(shù)后，工廠節(jié)能效果非常明顯，投資回收期只需要一年多的時(shí)間，占地面積并無大幅度增加，是節(jié)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(gè)工程的討論主題之一。食品行業(yè)的制冷系統(tǒng)電耗在整個(gè)生產(chǎn)過程中屬重中之重。除了分級(jí)冷卻技術(shù)和蓄冷技術(shù)外，食品廠還有利用凝結(jié)水余熱制冷、嚴(yán)寒地區(qū)利用天然冷源換熱制冷等節(jié)能方式，需要設(shè)計(jì)人員根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)，合理選擇節(jié)能技術(shù)方案，為系統(tǒng)在運(yùn)行過程中能夠處于最佳狀態(tài)打下基礎(chǔ)，為國家的節(jié)能降耗貢獻(xiàn)力量。