人造奶油加工生產線制冷系統改造工程實踐

丹麥Gerstenberg & Agger公司早期生產的人造奶油加工設備的急冷機制冷系統以氨制冷為主，隨著國家對安全生產和環保要求越來越高，因此需要將氨制冷系統改造成為氟制冷系統。總結了制冷系統改造過程中的急冷機改造、制冷機選配、控制系統設計、冷卻水系統配套等若干極具工程實踐的技術問題解決經驗，為同行的類似系統改造提供參考。

1引言

人造奶油是烘焙食品的重要原料之一，近30多年來，中西飲食文化相互交融 ,特別是面包 、西點、餅干類烘焙食品日益受到中國消費者青睞, 中國的人造奶油產業隨之得到了長足的發展，我國自上世紀80年代引進首套丹麥人造奶油生產設備以來，人造奶油在我國使用范圍越來越廣，人造奶油生產企業如雨后春筍般的出現[1-4]，人造奶油工業是油脂加工業的后續產業，產品具有較高的產品附加值，工廠可獲得較好的市場回報，具不完全統計，目前我國從國外引進人造奶油生產線達近百條，早期的人造奶油生產線的制冷系統已氨系統為主流[5-9]。但是隨著國家對安全生產和環保要求日益嚴格，氨制冷已經不符合我國目前的發展趨勢，為了能繼續生產，亟待將原有的氨機制冷系統改造為安全且較為環保的氟制冷系統，本團隊接受企業委托，改造了企業正在生產的Gerstenberg & Agger公司的人造奶油加工設備制冷系統，截止日前，改造好的人造奶油加工設備已平穩運行兩年，為了給同行提供類似的改造經驗，本文對改造過程中的急冷機改造、冷卻機組選型及設計、控制系統設計、冷卻水系統配套等的若干極具實踐性的技術問題分別做了分析和總結。

急冷機（主要部件為刮板式換熱器，Scraped surface heat exchanger）是人造奶油（黃油）生產線的核心設備，它的主要部件是臥式傳熱筒，外面加夾套作為蒸發制冷劑之用，臥式傳熱筒以偏心式裝在夾套內，夾套的頂層空間作為氣液分離之用，在臥式傳熱筒內是一個刮刀軸，刮刀軸上安裝浮動刮刀片，刮刀軸上的浮動刮刀在離心力和物料阻力的作用下連續不斷地刮削臥式傳熱筒的內壁，增加制冷效率。油脂從進料口輸入，經過臥式傳熱筒，在高壓、冷卻、剪切三種狀態下迅速冷卻并使其形成晶核[10-12]。

Gerstenberg & Agger公司早期生產的人造奶油（黃油）生產線急冷機的制冷系統以氨系統為主流，本文以該公司的Perfector系列急冷機為研究對象，將其的氨制冷系統改造為氟制冷系統，改造前其設備的外形如圖1所示。G/A公司的急冷機制冷系統相對比較復雜，在氨系統中，通過急冷機上的液態氨入口閥控制氨的流量，浮球閥則控制急冷機夾套內的制冷劑液位，利用氨制冷系統集油器集油，然后通過放油閥放油。將急冷機氨制冷系統改造成為氟制冷系統的過程中，主要考慮的關鍵點集中在如何回油，和制冷量的匹配，氨系統中的油一般直接排放掉，氟系統中的油則需要通過壓縮機吸氣，隨著蒸發后的氣體一起回到制冷機組中的油分離器中，進入下一個循環。基于原系統，我們在改造后的急冷機如圖2所示，利用氟系統的背壓閥代替氨系統的主導閥，以此控制急冷機的制冷量，浮球閥位置不變，以控制夾套中的液位，為了使氟系統的油回到壓縮機組中，在急冷機的夾套層的低位開通回油口并設置帶有U型彎的回油管，使氟系統的油通過回油管進入油分離器后循環利用。

3制冷機組選配

3.1 制冷壓縮機選型

急冷機改造完成后，需要為它配套合適的制冷機組，配備的制冷量為60000kcal/h（70kW），因此需要匹配能滿足這樣制冷量需求的制冷壓縮機組，正確的選配壓縮機非常重要。目前市場上壓縮機組品牌繁多，品質參差不齊，在經過市場調查和成本分析綜合考慮后我們選用比澤爾壓縮機，壓縮機類型上，選用技術較為成熟的半封閉活塞壓縮機，它具有熱效率高、單位耗電量少、適應性強、可維修性強等優點。

制冷壓縮機的產冷量和配用電動機的軸功率，同蒸發溫度與冷凝溫度有著密切關系，蒸發溫度越高，冷凝溫度越低，產冷量就越大；反之，則越小，在綜合考慮后，蒸發溫度選擇-25℃，冷凝溫度選擇40℃，為了滿足70kW制冷量的需求，且考慮到系統的啟動電流不能太大，機器不能太笨重，壓縮機需要維修時不至于造成工廠停產，選擇使用兩臺壓縮機并聯使用，綜合考慮后選用的壓縮機型號為6GE-34-40P。

3.2 制冷壓縮機控制系統

壓縮機控制系統的設計是決定本改造案例的成敗非常關鍵因素之一，控制系統設計的要點主要有以下幾點：

（1） 高低壓力顯示和加減載、能調控制：通過模擬量采集模塊采集系統的低壓壓力值和高壓壓力值，通過設計的加減載、能調控制邏輯，使機組在設定的加載區、保持區、減載區、急停區內進行能調。

（2）外部信號啟動機組：控制系統需設計1路外部制冷信號（常開），用來啟動機組。

（3）均衡磨損功能設計：要根據每臺壓縮機的累計運轉時間，來均衡每臺壓縮機的運轉，防止某臺壓縮機長時間運轉而另外的壓縮機運轉時間不足。

（4）高低壓力告警：需要可以設定整個機組的高壓報警壓力和低壓報警壓力，達到該設定值時，停止機組工作，并輸出故障報警（該報警用于停止外部連鎖設備的運行，防止液擊）。

（5）排氣溫度顯示及保護：要設計顯示機組排氣端的溫度，當機組實際排氣溫度大于或者小于排氣溫度保護值時，停止機組工作，并輸出故障報警。

（6）壓縮機保護功能：壓縮機高壓保護、低壓保護、油壓差保護、模塊保護、過載保護。

4 水冷循環系統

在人造奶油加工設備生產線中，主要有四大管路通道：一是物料管路通道，對應完成乳化，高壓輸送，急冷，捏合，包裝工藝：二是冷媒管路通道，對應完成壓縮、冷凝、節流、蒸發等制冷循環步驟：三是保溫水循環管道通道，主要是對物料管道進行夾層保溫：四是壓縮機水冷循環管路通道，水冷循環系統將低溫水輸送到壓縮機組的冷凝器中完成熱交換后，溫度升高，帶走熱量，然后通過逆流式冷卻塔，將水中的熱量散發到空氣中。

水冷循環系統如圖4所示。在水冷循環系統中，主要設備有冷卻塔、水箱、過濾器、管道循環泵、壓力表、管殼式換熱器、流量控制閥等，目前，冷卻塔在市場上非常常見，規格較為齊全，可根據冷卻要求直接選用，根據制冷量的需要，設計進水溫度37℃，出水溫度32℃，循環水量34立方米每小時，以此為依據選擇合適的冷卻塔；此外為了充分滿足制冷機組冷水需求，需建造水箱，水箱一般按照浮球閥自動補給水，考慮到水箱清洗需要，要設置排水口。冷卻塔一般安裝在室外或者樓頂，距離壓縮機組有一定的距離，因此在選擇循環水泵的時候，水泵的揚程和流量是選擇水泵的關鍵參數，本案例中冷卻塔安裝在二樓，考慮到樓層高度、冷卻塔高度、管殼式換熱器及管道中的壓力損失，選擇揚程18米、流量3噸每小時的管道循環泵，對應壓力表選擇最大量程0.4Mpa的規格，冷水管道直徑選擇DN65；為了能夠滿足制冷變動的需求，需要在管殼式換熱器出口加裝電磁壓力控制閥，以調整水量大小。

5  總結

現有人造奶油加工生產線的改造是一項系統工程，因為改造過程中需要考慮到原有設備，又要新增設備，另外企業達到一定生產規模后人造奶油生產線的利用率高，一般都是24小時滿負荷運行，在本次改造工程實踐中，為了最大限度縮短改造中的生產線停機時間以減小企業的產能損失，以此在改造工程中需要進行充分的可行性和技術成熟性論證。本項目實施前，人造奶油生產線氨制冷改造案例以及可參考的文獻資料極少，本次改造是基于作者多年的工程經驗積累，截止日前，改造后的人造奶油生產線已在相關企業穩定運行將近2年，因此特對工程實踐過程中的急冷機改造，冷卻機組選型及控制系統設計，冷卻水循環系統設計的技術問題進行了總結，為同行的類似系統改造提供參考。