啤酒厂氨制冷系统减少灌氨量的优化设计

黄小新，陈明丰，张秋

（1. 中国轻工业广州工程有限公司，广东广州，511447；2. 冰轮环境技术股份有限公司，山东烟台，264002）

1 引言

氨作为制冷剂具有标准沸点低，蒸发压力及冷凝压力适中，单位容积制冷量大，导热系数及汽化潜热大，节流损失小，易溶于水，价格低廉等优点，目前被广泛应用于啤酒厂制冷系统。但氨的缺点是有毒，有刺激性气味，与空气混合后有爆炸危险，高温条件下可分解。据此，氨虽是环保制冷剂，但具有危险性，使用过程中若操作不当可能引起人员伤亡。我国现行《冷库设计规范》（GB 50072-2010）中第6.4.16条规定：“对使用氨作制冷剂的冷库制冷系统，其氨制冷剂总的充注量不应超过40000kg”。同时，《危险化学品重大危险源辨识》（GB 18218-2018）中第4.1.2条规定，氨（包括液氨、氨气）的临界量为10吨，生产单元或储存单元内氨量等于或超过此临界值，即被定为重大危险源。一旦被列入重大危险源，涉氨企业的安全设施投入成本、运行成本和维护管理成本将大大增加。对于基于传统氨直冷工艺的啤酒厂氨制冷系统，其灌氨量远超过10吨。因此，氨制冷系统使用的安全问题倍受中大型啤酒厂关注。寻求新工艺、新技术或新装备等措施，减少氨制冷系统的灌氨量，是目前啤酒厂氨制冷系统安全运行的一项重要任务。

本文以笔者设计的某年产50万千升啤酒厂为例，分别介绍氨制冷系统减少灌氨量的优化设计方案，分析新工艺或新设备可为制冷系统减少的灌氨量。

2 传统氨制冷系统介绍

氨蒸气压缩式制冷系统由压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器四个基本部分组成。为了保障制冷系统的安全性、可靠性、经济性和操作的方便，系统还需配置一些阀门和辅助设备，如集油器、贮氨器、氨液分离器、空气分离器、紧急泄氨器等，用管道将四个基本部件和这些阀门及辅助设备连接起来就成了一个实际的制冷系统，根据工作压力不同制冷系统可分为低压部分与高压部分。啤酒厂传统氨制冷系统低压部分主要由低压循环桶、发酵罐、氨液分离器和板式换热器等组成；高压部分主要由压缩机、蒸发式冷凝器、虹吸罐和贮氨器等组成；氨主要灌注于上述设备中。图1所示为啤酒厂传统氨制冷系统示意图。

图1 啤酒厂传统氨制冷系统示意图

对于年产50万千升啤酒厂，工艺系统中各个用冷工段所需冷负荷如表1所示。

表1 啤酒厂各个用冷工段所需冷负荷

据表1，可计算得出传统氨制冷系统中主要设备的灌氨量。其中，整个氨制冷系统机房的氨机、罐类存氨设计最大灌氨量为13.62吨，发酵罐区存氨设计最大灌氨量为16.7吨，氨管道设计最大存氨量为4.6吨，系统设计最大存氨量为34.92吨。此制冷系统设计最大灌氨量大于10吨，根据《危险化学品重大危险源辨识》（GB 18218-2018），构成重大危险源。

图2所示为传统氨制冷系统中主要设备灌氨量占系统总灌氨量的百分比。由图可见，传统氨制冷系统中，发酵罐区的灌氨量接近系统总灌氨量的一半，若不设法减少此部分灌氨量，则无法排除氨制冷系统成为重大危险源。图中还可看出，辅助设备中贮氨器、氨液分离器和低压循环桶的灌氨量占比均较大，分别为17.65%、8.13%和4.71%，因此，改进此三种设备结构形状，从而有效减小制冷系统灌氨量，是十分有必要的。

图2 传统氨制冷系统中主要设备灌氨量占比

3 低压部分的优化

3.1 发酵罐区

如前文所述，发酵罐区是啤酒厂中灌氨量最大的区域。以年产50万千升的啤酒厂为例，发酵罐区需配置有效容积为480m3的发酵罐48个，有效容积为240m3的发酵罐24个，有效容积为400m3的清酒罐5个，有效容积为200m3的清酒罐6个，整个罐区的灌氨量约16.7吨，再加上整个罐区的管路系统，仅啤酒发酵罐区的灌氨量就已经远超过10吨。

为了有效降低整个制冷系统的灌氨量，首先将传统发酵罐区的氨直冷系统，改为间接制冷系统，即采用酒精水（30%乙二醇溶液）作为载冷剂，在冷冻站中采用氨分板换重力供液系统制成低温酒精水，再用液泵将酒精水送至发酵罐区供发酵罐降温使用。

采用间接制冷方式后，原制冷系统中的桶泵系统由重力供液系统代替。整个发酵罐区无氨灌注，这对于降低整个制冷系统的灌氨量起了决定性作用。同时由于氨管道不出冷冻站，避免了氨管道穿越人员工作密集区，更加有利于提高整个系统的安全性。

3.2 氨液分离器

由图2可知，氨液分离器也是传统氨制冷系统中存在灌氨量较大的设备。氨液分离器的作用是将从蒸发器来的回气中的氨液微滴分离，防止氨液微滴被压缩机吸入，同时避免氨气进入蒸发器，并保证向蒸发器均匀供液。为了进一步减少制冷系统的灌氨量，一种新型的重力供液设备得到了应用及推广，该新设备被称为U-turn氨分板换装置［3］，如图3所示。

图3 U-turn氨分板换装置示意图

U-turn氨分板换装置主要由U型管状的氨液分离器和板式换热器组成，其中，U型管状的氨液分离器采用微重力供液方式，装置内的氨液液位较低，回气中的氨液微滴随着氨气沿着U型管流动，在管段的拐弯处碰撞管内壁而粘附在壁面上，从而达到气液分离的效果，最后干度较高的氨气被吸入压缩机。U-turn氨分板换装置具有灌氨量少、结构紧凑、重量轻和便于安装等优点。

U-turn氨分板换装置替代传统卧式氨液分离器后，取消了灌氨量较大的筒体结构，有效减少了制冷系统的灌氨量。目前，U-turn氨分板换装置均可应用于发酵罐区、糖化冰水和脱氧水等工段的氨制冷系统中。在发酵罐区制冷系统中，由U-turn氨分板换装置制取低温酒精水后，再由冷媒供液泵送给发酵罐区，制冷系统的灌氨量仅存在于U-turn氨分板换装置中，两台制冷量为1500kW的U-turn氨分板换装置灌氨量仅180kg，而传统低压循环桶灌氨量高达1644kg。在糖化冰水或脱氧水制备制冷系统中需配置高、低温Uturn氨分板换共4台，总灌氨量约320kg，若采用传统氨分，灌氨量约4200kg。

图3所示为传统系统与优化系统中，低压部分主要设备灌氨量的对比。由图可见，采用U-turn氨分板换装置后，制冷系统的灌氨量大大减小，优化系统的氨液分离器灌氨量仅是传统系统氨液分离器与低压循环桶灌氨量之和的8.5%。

图3 优化前后低压部分主要设备灌氨量的对比

4 高压部分的优化

高压部分由蒸发式冷凝器来的高压氨液先进入虹吸罐再进入贮氨器，虹吸罐的安装位置需高于贮氨器，以保证压缩机的油冷却器优先于其他设备得到氨液。由图2可知，虹吸罐与贮氨器的总灌氨量占比高达18.81%。因此，为了减少高压部分的灌氨量，可以考虑将贮氨器与虹吸罐“合二为一”，将贮氨器卧式结构改为立式结构，如图4所示。在立式贮氨器的容器内部设置隔板，隔板上部区域出液位置较高，满足压缩机油冷却器进液的静液柱要求，从而具有虹吸罐的作用，立式贮氨器内的隔板下部区域按原卧式贮氨器的功能使用。

图4 立式贮氨器结构示意图

此外，根据啤酒厂氨制冷系统的实际运行工况，可优化贮氨器容积计算公式，从而可大幅减少高压系统的灌氨量。在氨制冷系统中，贮氨器的主要作用：（1）用于贮存在冷凝器中冷凝后导出的制冷剂液体，防止过多的液体制冷剂贮存在冷凝器中，否则会减少冷凝器的传热面积，导致冷凝压力上升；（2）用来调节冷凝器与蒸发器之间的制冷剂液体供求关系，在部分蒸发器停止工作时，拥有足够的容积贮存这一部分氨液；（3）具有液封的作用，防止高压侧气体流窜到低压侧造成事故。目前，国内常用教材提供的贮氨器容积计算公式如下［4］：

式（1）中贮氨器的容积系数φ是根据冷库公称容积大小来确定的一个经验数值，其取值范围为0.5～1.2，冷库公称容积越大φ越小。若按总制冷量来换算，一个20万千升啤酒厂总制冷量已大于公称容积为20000m3的冷库，因此目前啤酒厂的制冷设计中，大多取φ的下限值0.5，即使这样，贮氨器的灌氨量仍十分可观，按照传统方案，50万千升啤酒厂制冷系统需配置两台公称容积为15m3的贮氨器。然而φ的取值本身就是一个经验值，啤酒厂的制冷系统形式与冷库还是有较大差异，主要体现在蒸发器的类型、供液方式和自动控制方式等方面，尤其是经过优化后的低压部分，采用U-turn氨分板换装置后不存在液位波动较大的灌氨设备，且自动控制精确，因此贮氨器的主要作用就是用于贮存从冷凝器中冷凝后导出的制冷剂液体，φ仍采用教材中的取值就显得不合理了，根据文献［5］提出的贮氨器容积计算优化公式：

式中，b为贮氨器的波动容积百分比，一般取0.6～0.7；VE为蒸发器的容积，m3；a为蒸发器灌氨量的百分比，一般取0.6～0.7；VC为冷凝器的容积，m3。可以看出，优化后的贮氨器容积主要取决于蒸发式冷凝器的容积，据此可以计算出贮氨器的容积为6.8m3，再加上螺杆压缩机匹配的虹吸罐公称容积约1.5m3，对于50万千升的啤酒厂选取公称容积9m3的立式贮氨器即可满足使用要求。

5 结论及展望

本文以某年产50万千升啤酒厂为例，分析了传统氨制冷系统中主要设备的存氨量，提出了通过改进制冷工艺流程或辅助设备，从而有效减少系统的灌氨量，得出了以下结论：

（1）发酵罐区的灌氨量最大，占系统总灌氨量的47.82%，采用间接制冷系统代替氨直冷系统，整个发酵罐区无氨灌注，系统灌氨量大量减少，有助于啤酒厂不构成重大危险源；

（2）采用新型重力供液设备即U-turn氨分板换装置，替代传统圆筒型氨液分离器，既可以减少氨灌注量，又能够提高氨气干度，且新型设备内氨液液位波动较小，有利于系统稳定性；

（3）将卧式贮氨器和虹吸罐“合二为一”，采用容器内设置有隔板的立式贮氨器，其同时具有卧式贮氨器和虹吸罐的功能，可有效减少系统灌氨量。

通过上述方法优化啤酒厂氨制冷系统，系统灌氨量从34.92吨降为8.97吨，不构成重大危险源。值得指出的是，随着社会经济的发展，啤酒厂的建设规模屡创新高。啤酒厂建设规模越大，制冷系统灌氨量也越大，可能出现的危害也就越大。目前，按本文氨制冷系统的优化方案，年产80万千升的啤酒厂设计灌氨量临近10吨，恰好不构成重大危险源。因此，对于年产大于80万千升的啤酒厂，仍需要研发新型制冷工艺或设备，从而减少氨制冷系统的灌氨量，避免制冷系统成为重大危险源。