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。