啤酒廠氨制冷系統(tǒng)減少灌氨量的優(yōu)化設(shè)計

黃小新，陳明豐，張秋

（1. 中國輕工業(yè)廣州工程有限公司，廣東廣州，511447；2. 冰輪環(huán)境技術(shù)股份有限公司，山東煙臺，264002）

1 引言

氨作為制冷劑具有標準沸點低，蒸發(fā)壓力及冷凝壓力適中，單位容積制冷量大，導(dǎo)熱系數(shù)及汽化潛熱大，節(jié)流損失小，易溶于水，價格低廉等優(yōu)點，目前被廣泛應(yīng)用于啤酒廠制冷系統(tǒng)。但氨的缺點是有毒，有刺激性氣味，與空氣混合后有爆炸危險，高溫條件下可分解。據(jù)此，氨雖是環(huán)保制冷劑，但具有危險性，使用過程中若操作不當可能引起人員傷亡。我國現(xiàn)行《冷庫設(shè)計規(guī)范》（GB 50072-2010）中第6.4.16條規(guī)定：“對使用氨作制冷劑的冷庫制冷系統(tǒng)，其氨制冷劑總的充注量不應(yīng)超過40000kg”。同時，《危險化學品重大危險源辨識》（GB 18218-2018）中第4.1.2條規(guī)定，氨（包括液氨、氨氣）的臨界量為10噸，生產(chǎn)單元或儲存單元內(nèi)氨量等于或超過此臨界值，即被定為重大危險源。一旦被列入重大危險源，涉氨企業(yè)的安全設(shè)施投入成本、運行成本和維護管理成本將大大增加。對于基于傳統(tǒng)氨直冷工藝的啤酒廠氨制冷系統(tǒng)，其灌氨量遠超過10噸。因此，氨制冷系統(tǒng)使用的安全問題倍受中大型啤酒廠關(guān)注。尋求新工藝、新技術(shù)或新裝備等措施，減少氨制冷系統(tǒng)的灌氨量，是目前啤酒廠氨制冷系統(tǒng)安全運行的一項重要任務(wù)。

本文以筆者設(shè)計的某年產(chǎn)50萬千升啤酒廠為例，分別介紹氨制冷系統(tǒng)減少灌氨量的優(yōu)化設(shè)計方案，分析新工藝或新設(shè)備可為制冷系統(tǒng)減少的灌氨量。

2 傳統(tǒng)氨制冷系統(tǒng)介紹

氨蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)由壓縮機、冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器四個基本部分組成。為了保障制冷系統(tǒng)的安全性、可靠性、經(jīng)濟性和操作的方便，系統(tǒng)還需配置一些閥門和輔助設(shè)備，如集油器、貯氨器、氨液分離器、空氣分離器、緊急泄氨器等，用管道將四個基本部件和這些閥門及輔助設(shè)備連接起來就成了一個實際的制冷系統(tǒng)，根據(jù)工作壓力不同制冷系統(tǒng)可分為低壓部分與高壓部分。啤酒廠傳統(tǒng)氨制冷系統(tǒng)低壓部分主要由低壓循環(huán)桶、發(fā)酵罐、氨液分離器和板式換熱器等組成；高壓部分主要由壓縮機、蒸發(fā)式冷凝器、虹吸罐和貯氨器等組成；氨主要灌注于上述設(shè)備中。圖1所示為啤酒廠傳統(tǒng)氨制冷系統(tǒng)示意圖。

圖1 啤酒廠傳統(tǒng)氨制冷系統(tǒng)示意圖

對于年產(chǎn)50萬千升啤酒廠，工藝系統(tǒng)中各個用冷工段所需冷負荷如表1所示。

表1 啤酒廠各個用冷工段所需冷負荷

據(jù)表1，可計算得出傳統(tǒng)氨制冷系統(tǒng)中主要設(shè)備的灌氨量。其中，整個氨制冷系統(tǒng)機房的氨機、罐類存氨設(shè)計最大灌氨量為13.62噸，發(fā)酵罐區(qū)存氨設(shè)計最大灌氨量為16.7噸，氨管道設(shè)計最大存氨量為4.6噸，系統(tǒng)設(shè)計最大存氨量為34.92噸。此制冷系統(tǒng)設(shè)計最大灌氨量大于10噸，根據(jù)《危險化學品重大危險源辨識》（GB 18218-2018），構(gòu)成重大危險源。

圖2所示為傳統(tǒng)氨制冷系統(tǒng)中主要設(shè)備灌氨量占系統(tǒng)總灌氨量的百分比。由圖可見，傳統(tǒng)氨制冷系統(tǒng)中，發(fā)酵罐區(qū)的灌氨量接近系統(tǒng)總灌氨量的一半，若不設(shè)法減少此部分灌氨量，則無法排除氨制冷系統(tǒng)成為重大危險源。圖中還可看出，輔助設(shè)備中貯氨器、氨液分離器和低壓循環(huán)桶的灌氨量占比均較大，分別為17.65%、8.13%和4.71%，因此，改進此三種設(shè)備結(jié)構(gòu)形狀，從而有效減小制冷系統(tǒng)灌氨量，是十分有必要的。

圖2 傳統(tǒng)氨制冷系統(tǒng)中主要設(shè)備灌氨量占比

3 低壓部分的優(yōu)化

3.1 發(fā)酵罐區(qū)

如前文所述，發(fā)酵罐區(qū)是啤酒廠中灌氨量最大的區(qū)域。以年產(chǎn)50萬千升的啤酒廠為例，發(fā)酵罐區(qū)需配置有效容積為480m3的發(fā)酵罐48個，有效容積為240m3的發(fā)酵罐24個，有效容積為400m3的清酒罐5個，有效容積為200m3的清酒罐6個，整個罐區(qū)的灌氨量約16.7噸，再加上整個罐區(qū)的管路系統(tǒng)，僅啤酒發(fā)酵罐區(qū)的灌氨量就已經(jīng)遠超過10噸。

為了有效降低整個制冷系統(tǒng)的灌氨量，首先將傳統(tǒng)發(fā)酵罐區(qū)的氨直冷系統(tǒng)，改為間接制冷系統(tǒng)，即采用酒精水（30%乙二醇溶液）作為載冷劑，在冷凍站中采用氨分板換重力供液系統(tǒng)制成低溫酒精水，再用液泵將酒精水送至發(fā)酵罐區(qū)供發(fā)酵罐降溫使用。

采用間接制冷方式后，原制冷系統(tǒng)中的桶泵系統(tǒng)由重力供液系統(tǒng)代替。整個發(fā)酵罐區(qū)無氨灌注，這對于降低整個制冷系統(tǒng)的灌氨量起了決定性作用。同時由于氨管道不出冷凍站，避免了氨管道穿越人員工作密集區(qū)，更加有利于提高整個系統(tǒng)的安全性。

3.2 氨液分離器

由圖2可知，氨液分離器也是傳統(tǒng)氨制冷系統(tǒng)中存在灌氨量較大的設(shè)備。氨液分離器的作用是將從蒸發(fā)器來的回氣中的氨液微滴分離，防止氨液微滴被壓縮機吸入，同時避免氨氣進入蒸發(fā)器，并保證向蒸發(fā)器均勻供液。為了進一步減少制冷系統(tǒng)的灌氨量，一種新型的重力供液設(shè)備得到了應(yīng)用及推廣，該新設(shè)備被稱為U-turn氨分板換裝置［3］，如圖3所示。

圖3 U-turn氨分板換裝置示意圖

U-turn氨分板換裝置主要由U型管狀的氨液分離器和板式換熱器組成，其中，U型管狀的氨液分離器采用微重力供液方式，裝置內(nèi)的氨液液位較低，回氣中的氨液微滴隨著氨氣沿著U型管流動，在管段的拐彎處碰撞管內(nèi)壁而粘附在壁面上，從而達到氣液分離的效果，最后干度較高的氨氣被吸入壓縮機。U-turn氨分板換裝置具有灌氨量少、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕和便于安裝等優(yōu)點。

U-turn氨分板換裝置替代傳統(tǒng)臥式氨液分離器后，取消了灌氨量較大的筒體結(jié)構(gòu)，有效減少了制冷系統(tǒng)的灌氨量。目前，U-turn氨分板換裝置均可應(yīng)用于發(fā)酵罐區(qū)、糖化冰水和脫氧水等工段的氨制冷系統(tǒng)中。在發(fā)酵罐區(qū)制冷系統(tǒng)中，由U-turn氨分板換裝置制取低溫酒精水后，再由冷媒供液泵送給發(fā)酵罐區(qū)，制冷系統(tǒng)的灌氨量僅存在于U-turn氨分板換裝置中，兩臺制冷量為1500kW的U-turn氨分板換裝置灌氨量僅180kg，而傳統(tǒng)低壓循環(huán)桶灌氨量高達1644kg。在糖化冰水或脫氧水制備制冷系統(tǒng)中需配置高、低溫Uturn氨分板換共4臺，總灌氨量約320kg，若采用傳統(tǒng)氨分，灌氨量約4200kg。

圖3所示為傳統(tǒng)系統(tǒng)與優(yōu)化系統(tǒng)中，低壓部分主要設(shè)備灌氨量的對比。由圖可見，采用U-turn氨分板換裝置后，制冷系統(tǒng)的灌氨量大大減小，優(yōu)化系統(tǒng)的氨液分離器灌氨量僅是傳統(tǒng)系統(tǒng)氨液分離器與低壓循環(huán)桶灌氨量之和的8.5%。

圖3 優(yōu)化前后低壓部分主要設(shè)備灌氨量的對比

4 高壓部分的優(yōu)化

高壓部分由蒸發(fā)式冷凝器來的高壓氨液先進入虹吸罐再進入貯氨器，虹吸罐的安裝位置需高于貯氨器，以保證壓縮機的油冷卻器優(yōu)先于其他設(shè)備得到氨液。由圖2可知，虹吸罐與貯氨器的總灌氨量占比高達18.81%。因此，為了減少高壓部分的灌氨量，可以考慮將貯氨器與虹吸罐“合二為一”，將貯氨器臥式結(jié)構(gòu)改為立式結(jié)構(gòu)，如圖4所示。在立式貯氨器的容器內(nèi)部設(shè)置隔板，隔板上部區(qū)域出液位置較高，滿足壓縮機油冷卻器進液的靜液柱要求，從而具有虹吸罐的作用，立式貯氨器內(nèi)的隔板下部區(qū)域按原臥式貯氨器的功能使用。

圖4 立式貯氨器結(jié)構(gòu)示意圖

此外，根據(jù)啤酒廠氨制冷系統(tǒng)的實際運行工況，可優(yōu)化貯氨器容積計算公式，從而可大幅減少高壓系統(tǒng)的灌氨量。在氨制冷系統(tǒng)中，貯氨器的主要作用：（1）用于貯存在冷凝器中冷凝后導(dǎo)出的制冷劑液體，防止過多的液體制冷劑貯存在冷凝器中，否則會減少冷凝器的傳熱面積，導(dǎo)致冷凝壓力上升；（2）用來調(diào)節(jié)冷凝器與蒸發(fā)器之間的制冷劑液體供求關(guān)系，在部分蒸發(fā)器停止工作時，擁有足夠的容積貯存這一部分氨液；（3）具有液封的作用，防止高壓側(cè)氣體流竄到低壓側(cè)造成事故。目前，國內(nèi)常用教材提供的貯氨器容積計算公式如下［4］：

式（1）中貯氨器的容積系數(shù)φ是根據(jù)冷庫公稱容積大小來確定的一個經(jīng)驗數(shù)值，其取值范圍為0.5～1.2，冷庫公稱容積越大φ越小。若按總制冷量來換算，一個20萬千升啤酒廠總制冷量已大于公稱容積為20000m3的冷庫，因此目前啤酒廠的制冷設(shè)計中，大多取φ的下限值0.5，即使這樣，貯氨器的灌氨量仍十分可觀，按照傳統(tǒng)方案，50萬千升啤酒廠制冷系統(tǒng)需配置兩臺公稱容積為15m3的貯氨器。然而φ的取值本身就是一個經(jīng)驗值，啤酒廠的制冷系統(tǒng)形式與冷庫還是有較大差異，主要體現(xiàn)在蒸發(fā)器的類型、供液方式和自動控制方式等方面，尤其是經(jīng)過優(yōu)化后的低壓部分，采用U-turn氨分板換裝置后不存在液位波動較大的灌氨設(shè)備，且自動控制精確，因此貯氨器的主要作用就是用于貯存從冷凝器中冷凝后導(dǎo)出的制冷劑液體，φ仍采用教材中的取值就顯得不合理了，根據(jù)文獻［5］提出的貯氨器容積計算優(yōu)化公式：

式中，b為貯氨器的波動容積百分比，一般取0.6～0.7；VE為蒸發(fā)器的容積，m3；a為蒸發(fā)器灌氨量的百分比，一般取0.6～0.7；VC為冷凝器的容積，m3?？梢钥闯?，優(yōu)化后的貯氨器容積主要取決于蒸發(fā)式冷凝器的容積，據(jù)此可以計算出貯氨器的容積為6.8m3，再加上螺桿壓縮機匹配的虹吸罐公稱容積約1.5m3，對于50萬千升的啤酒廠選取公稱容積9m3的立式貯氨器即可滿足使用要求。

5 結(jié)論及展望

本文以某年產(chǎn)50萬千升啤酒廠為例，分析了傳統(tǒng)氨制冷系統(tǒng)中主要設(shè)備的存氨量，提出了通過改進制冷工藝流程或輔助設(shè)備，從而有效減少系統(tǒng)的灌氨量，得出了以下結(jié)論：

（1）發(fā)酵罐區(qū)的灌氨量最大，占系統(tǒng)總灌氨量的47.82%，采用間接制冷系統(tǒng)代替氨直冷系統(tǒng)，整個發(fā)酵罐區(qū)無氨灌注，系統(tǒng)灌氨量大量減少，有助于啤酒廠不構(gòu)成重大危險源；

（2）采用新型重力供液設(shè)備即U-turn氨分板換裝置，替代傳統(tǒng)圓筒型氨液分離器，既可以減少氨灌注量，又能夠提高氨氣干度，且新型設(shè)備內(nèi)氨液液位波動較小，有利于系統(tǒng)穩(wěn)定性；

（3）將臥式貯氨器和虹吸罐“合二為一”，采用容器內(nèi)設(shè)置有隔板的立式貯氨器，其同時具有臥式貯氨器和虹吸罐的功能，可有效減少系統(tǒng)灌氨量。

通過上述方法優(yōu)化啤酒廠氨制冷系統(tǒng)，系統(tǒng)灌氨量從34.92噸降為8.97噸，不構(gòu)成重大危險源。值得指出的是，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，啤酒廠的建設(shè)規(guī)模屢創(chuàng)新高。啤酒廠建設(shè)規(guī)模越大，制冷系統(tǒng)灌氨量也越大，可能出現(xiàn)的危害也就越大。目前，按本文氨制冷系統(tǒng)的優(yōu)化方案，年產(chǎn)80萬千升的啤酒廠設(shè)計灌氨量臨近10噸，恰好不構(gòu)成重大危險源。因此，對于年產(chǎn)大于80萬千升的啤酒廠，仍需要研發(fā)新型制冷工藝或設(shè)備，從而減少氨制冷系統(tǒng)的灌氨量，避免制冷系統(tǒng)成為重大危險源。