金針菇生產(chǎn)工廠冷卻室自然冷源的應(yīng)用

戚明喆周毅劉建軍徐輝

(1.徐州創(chuàng)展節(jié)能科技有限公司，江蘇 徐州 221000；2.江蘇美城建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇 淮安 223005；3.連云港如意情食用菌生物科技有限公司，江蘇 連云港 222300)

引言

近期，全國(guó)多地下發(fā)能耗雙控的政策文件，各類高耗能高污染行業(yè)紛紛停產(chǎn)停工，“限電令”無(wú)疑成為當(dāng)下最火的詞匯之一。在碳排放方面，我國(guó)制定了“30、60”目標(biāo)。其中“30”指的是在2030年之前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，“60”指的是在2060年之前達(dá)到碳中和[1]。金針菇工廠化生產(chǎn)中，制冷能耗占整個(gè)工廠能耗的60%左右，為了響應(yīng)國(guó)家的號(hào)召，減少碳排放，降低生產(chǎn)成本，增加效益，對(duì)某金針菇生產(chǎn)工廠的冷卻室進(jìn)行改造。在冬天，利用自然冷源給金針菇生產(chǎn)工廠的冷卻室降溫，從而實(shí)現(xiàn)減少能耗降低運(yùn)行費(fèi)用的目的。

1 技術(shù)背景

金針菇，別名冬菇、樸菰、毛柄金錢菌等，是一種氨基酸含量非常豐富的菇類。其中賴氨酸的含量特別高，經(jīng)常食用金針菇可有效防治潰瘍病[2]。

最近幾年，我國(guó)金針菇產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速。自2010年以來(lái)，我國(guó)工廠化金針菇產(chǎn)量呈快速上升趨勢(shì)。金針菇的日產(chǎn)量從2010年的1000t，到2018年已經(jīng)上升至日產(chǎn)量4447t，年復(fù)合增速約為21%[3]。

金針菇生產(chǎn)流程包括備料、拌料裝袋、滅菌、冷卻、拌種、培養(yǎng)、出菇和采收包裝等幾個(gè)環(huán)節(jié)。無(wú)論采用高壓滅菌還是高溫滅菌，滅菌后出鍋的溫度都在90℃左右。滅菌后的菌瓶需要經(jīng)過(guò)冷卻室的降溫后，才能進(jìn)行后續(xù)的接種。

圖1 我國(guó)金針菇日產(chǎn)量變化[3]

圖2 食用菌工廠生產(chǎn)流程[4]

傳統(tǒng)冷卻室的降溫方案是全天24h使用制冷機(jī)進(jìn)行降溫冷卻。長(zhǎng)時(shí)間使用制冷機(jī)不僅會(huì)產(chǎn)生大量的溫室氣體，還會(huì)增加能耗，不利于節(jié)能減排。大功率的制冷機(jī)運(yùn)行還會(huì)造成生產(chǎn)成本的上升以及產(chǎn)生的噪音擾民。

目前對(duì)冷卻塔的優(yōu)化有使用水輪機(jī)冷卻塔代替?zhèn)鹘y(tǒng)的風(fēng)輪機(jī)冷卻塔[5]。水輪機(jī)冷卻塔由于使用水輪取代風(fēng)機(jī)，不需要使用電機(jī)，因此具有噪音小、省電省錢等優(yōu)點(diǎn)。但是水輪機(jī)冷卻塔對(duì)水壓要求較高，當(dāng)水壓不足時(shí)需要使用水泵增壓，往往額外的費(fèi)用比冷卻塔電機(jī)的耗電量都高。

因此，針對(duì)目前的工廠的生產(chǎn)環(huán)境以及制冷需求，采用自然冷源制冷，取代制冷機(jī)部分時(shí)間段的工作，從而達(dá)到節(jié)能減排的目的。

2 自然冷源技術(shù)實(shí)施

2.1 制冷量的計(jì)算

某金針菇生產(chǎn)廠日產(chǎn)量為32萬(wàn)瓶。冷卻室共4間，每間裝瓶量為8萬(wàn)瓶，全年供冷。冬天冷卻室原有的制冷方案是使用水冷冷水機(jī)組降溫，冷水進(jìn)出水溫度為12/7℃。冷卻室的工作時(shí)間是，每天的12∶00高溫殺菌后的菌瓶通過(guò)叉車送到冷卻室，進(jìn)貨過(guò)程中冷卻室內(nèi)空間溫度不超過(guò)38℃，工人能正常工作，進(jìn)貨后冷卻室溫度逐步下降，在14h內(nèi)冷卻室空間溫度降到16℃，至出貨前一直保持16℃，保證第2天8∶00開(kāi)始出貨時(shí)菌瓶中心溫度能夠降到接種的溫度要求，11∶00前出貨完成，12∶00再開(kāi)始進(jìn)貨，循環(huán)往復(fù)。

按照冷卻室中的生產(chǎn)要求，制冷機(jī)必須在14h以內(nèi)將全部菌瓶的溫度降到能夠接種的溫度，即菌瓶的中心溫度降到20℃以下。根據(jù)菌瓶的裝瓶量和起始終了的參數(shù)可以計(jì)算出總放熱量：

Q=K×(M×k×C1+M×(1-k)×C2+m×C3)×(T1-T2)

式中，K為每天的裝瓶量本方案，320000瓶·d-1，每間冷卻間最大計(jì)算量為8萬(wàn)瓶；M為單位瓶?jī)糁?，本方案?.2kg/瓶(按最大瓶計(jì)算)；C1為水的比熱容，1kcal/(kg·℃)；C2為木屑玉米芯等干料的比熱容，0.45kcal/(kg·℃)；C3為塑料瓶的比熱容，0.48kcal/(kg·℃)；k為滅菌后熟料的含水量，62%；m為單個(gè)塑料瓶瓶重(含蓋)，0.2kg；T1為進(jìn)冷卻室菌瓶的起始溫度，℃，按平均95℃計(jì)算；T2為進(jìn)冷卻室菌瓶的終了溫度，℃，按平均18℃計(jì)算。

代入，得：

Q=K×(M×0.62×C1+M×0.38×C2+0.2×C3)×(T1-T2)

=320000×(1.2×0.62×1+1.2×0.38×0.45+0.2×0.48)×(95-18)

=25753728kcal

按照14h降溫時(shí)間計(jì)算，冷卻室所需要的冷量:

25753728÷14=1839552kcal·h-1

需配置制冷負(fù)荷為(留有10%的余量)1839552÷860×1.1=2353kW。

2.2 設(shè)計(jì)

自然冷源利用一般有如下2種方式。

2.2.1 板式換熱器加冷卻塔

板式換熱器是一種熱交換設(shè)備，熱介質(zhì)和冷介質(zhì)通過(guò)板式換熱器的板片進(jìn)行間壁式換熱，從而達(dá)到冷卻或者加熱的目的。冷卻塔給板式換熱器提供冷介質(zhì)，冷卻塔的冷卻循環(huán)水不斷地在板式換熱器里循環(huán)，從而給熱介質(zhì)降溫冷卻，原理圖如圖3所示。

圖3 板式換熱器加冷卻塔工作原理[6]

2.2.2 閉式冷卻塔

圖4 閉式冷卻塔工作原理圖

閉式冷卻塔的冷卻原理簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)是2個(gè)循環(huán)：1個(gè)內(nèi)循環(huán)、1個(gè)外循環(huán)，主核心部分為紫銅管換熱器。內(nèi)循環(huán)：與對(duì)象設(shè)備對(duì)接，構(gòu)成一個(gè)封閉式的循環(huán)系統(tǒng)。為對(duì)象設(shè)備進(jìn)行冷卻，將對(duì)象設(shè)備中的熱量帶出到冷卻塔。外循環(huán)：在冷卻塔中，為冷卻塔本身進(jìn)行降溫。不與內(nèi)循環(huán)水相接觸，只是通過(guò)冷卻塔內(nèi)的紫銅管表冷器進(jìn)行換熱散熱。在此種冷卻方式下，通過(guò)自動(dòng)控制，根據(jù)水溫設(shè)置電機(jī)的運(yùn)行。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具備的條件選用閉式冷卻塔在冬天利用自然冷源降溫，對(duì)應(yīng)制冷機(jī)的相應(yīng)負(fù)荷，計(jì)算冷卻水流量為2353×860÷5000=405m3·h-1，故選用250mm3·h-1閉式冷卻塔2臺(tái)。

自然冷源改造所需要增加的設(shè)備主要有閉式冷卻塔、冷水泵、電動(dòng)閥、PLC控制系統(tǒng)等，運(yùn)行流程圖如圖5所示。

圖5 閉式冷卻塔運(yùn)行流程圖

在和原有系統(tǒng)不沖突的前提下，將閉式冷卻塔系統(tǒng)并聯(lián)到原系統(tǒng)中，通過(guò)4個(gè)電動(dòng)閥進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在室外溫度合適時(shí)使用閉式冷卻塔降溫，其它時(shí)間運(yùn)行原系統(tǒng)降溫。

閉式冷卻塔相較于開(kāi)式冷卻塔，具有占地小、循環(huán)無(wú)雜質(zhì)、防凍、換熱效率高、冷卻效果好、運(yùn)行穩(wěn)定安全等特點(diǎn)[7]，因此采用閉式冷卻塔作為自然冷源的傳熱設(shè)備。數(shù)量為2臺(tái)；流量為250m3·h-1；電功率為18.5kW。

圖6 閉式冷卻塔

冷卻水泵：用于將自然冷源降溫的冷卻水運(yùn)輸?shù)较到y(tǒng)循環(huán)中。數(shù)量為2臺(tái)；流量為300m3·h-1；揚(yáng)程31m；電功率37kW。

電動(dòng)閥：用電動(dòng)執(zhí)行器控制閥門(mén)，從而實(shí)現(xiàn)閥門(mén)的開(kāi)和關(guān)；數(shù)量為4組。

PLC控制系統(tǒng)：結(jié)合了微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通訊技術(shù)而形成的一代新型工業(yè)控制裝置，用來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。數(shù)量為1套。

總功率：18.5×2+37×2=111kW。

2.3 實(shí)際運(yùn)行調(diào)試

運(yùn)行調(diào)試的重點(diǎn)是對(duì)使用自然冷源降溫時(shí)間的確定。自然冷源使用的時(shí)間為12月—第2年3月，調(diào)試的過(guò)程主要分為以下2個(gè)階段。

2.3.1 溫度控制法

當(dāng)室外濕球溫度達(dá)到2℃時(shí)，閉塔出水溫度可以達(dá)到7℃，能滿足冷卻室降溫要求。原PLC控制模式根據(jù)室外濕球溫度進(jìn)行轉(zhuǎn)換。當(dāng)室外濕球溫度低于2℃時(shí)使用自然冷源降溫；當(dāng)室外濕球溫度高于2℃時(shí)轉(zhuǎn)為制冷機(jī)運(yùn)行。通過(guò)幾天的運(yùn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)運(yùn)行的效果不理想。由于室外溫度處于不斷的變化中，容易造成2個(gè)系統(tǒng)頻繁的轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生更高的能耗和系統(tǒng)的故障。

2.3.2 時(shí)間控制法

將原有的溫度控制法調(diào)整為時(shí)間控制法，即在每天12∶00進(jìn)貨時(shí)用自然冷源降溫。因?yàn)楫?dāng)冷卻室進(jìn)庫(kù)時(shí)，有人員在里面作業(yè)，溫度較高，可以使用自然冷源降溫。運(yùn)行至第2天凌晨2∶00，轉(zhuǎn)換為制冷機(jī)運(yùn)行。通過(guò)采用時(shí)間控制法，可以使冷卻系統(tǒng)有規(guī)律的運(yùn)行，并且能保證出貨時(shí)菌瓶中心溫度達(dá)到接種要求。實(shí)際參數(shù)設(shè)置如圖7、圖8所示。

圖7 運(yùn)行調(diào)試1

圖8 運(yùn)行調(diào)試2

3 應(yīng)用效果

3.1 運(yùn)行參數(shù)

從圖9可以看出，在實(shí)際運(yùn)行時(shí)從12∶00—第2天2∶00使用自然冷源，能使冷卻室的溫度從工人作業(yè)結(jié)束時(shí)(18∶00)的35℃左右降到金針菇的接種溫度16℃(0∶30)，在滿足冷卻室的生產(chǎn)需求的同時(shí)節(jié)約電力資源的消耗，達(dá)到節(jié)能減排的目標(biāo)。1#冷卻室由于管線最遠(yuǎn)，進(jìn)貨集中，瞬間溫度達(dá)到42℃，后期調(diào)整了進(jìn)貨量，由一個(gè)冷卻室進(jìn)滿再進(jìn)下一個(gè)冷卻室，調(diào)整為2個(gè)冷卻室同時(shí)進(jìn)貨，溫度達(dá)到了工作要求。

圖9 實(shí)際運(yùn)行溫度對(duì)比表

3.2 節(jié)能減排效果

表1 運(yùn)行費(fèi)用明細(xì)

改造項(xiàng)目于2019年12月運(yùn)行，每天運(yùn)行14h，每年實(shí)際運(yùn)行90d。每年節(jié)省的運(yùn)行費(fèi)用為(634-111)×14×90×0.49=32.3萬(wàn)元。整個(gè)改造總費(fèi)用120萬(wàn)元，不到4a即可收回投資，節(jié)能效果明顯。

4 技術(shù)改進(jìn)及總結(jié)

經(jīng)過(guò)3個(gè)月的使用，發(fā)現(xiàn)膨脹水箱高度差、冷卻塔內(nèi)水結(jié)冰等問(wèn)題。

由于2個(gè)系統(tǒng)膨脹水箱的高度不一致，容易導(dǎo)致膨脹水箱低的系統(tǒng)，在系統(tǒng)轉(zhuǎn)換時(shí)從膨脹水箱往外溢水，而膨脹水箱高的系統(tǒng)則需要補(bǔ)水。

改進(jìn)的方法:在位置低的膨脹水箱補(bǔ)水管上加電動(dòng)閥，系統(tǒng)停用時(shí)，電動(dòng)閥關(guān)閉，不讓水溢出。

由于采用時(shí)間控制法，在2∶00后，停用閉式冷卻塔。冬季氣溫低時(shí)，冷卻塔內(nèi)容易結(jié)冰。

改進(jìn)的方法：在冷卻塔停用時(shí)，使水泵低速循環(huán)，保證不結(jié)冰，但增加了旁通閥，增加了水泵的電耗。

5 結(jié)語(yǔ)

在國(guó)家“限電令”的政策下，通過(guò)在冬天12∶00—第2天2∶00使用自然冷源，給金針菇生產(chǎn)廠的冷卻室降溫。在維持正常生產(chǎn)的前提下，既減少了能源的消耗、提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益；又降低了溫室氣體的排放，具有顯著的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)效益。為菌菇種植廠的節(jié)能減排提供了新的思路，促進(jìn)了菌菇種植行業(yè)節(jié)能減排等相關(guān)技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。