恒低温冰水系统在乳品行业的应用

恒低温冰水系统在乳品行业的应用

陈旭峰

珠海格力电器股份有限公司    广东珠海519000

摘要：我国乳品行业发展迅猛，且对生产工艺环境及安全有较高要求。为满足乳品生产过程中所需的2-6 ℃低温环境，在工程项目中采用格力永磁变频螺杆机输出最低0.5 ℃的低温水为产线提供稳定冷量，冰水系统综合能效比可达3.5以上。与传统使用乙二醇溶液和氨的机组不同，本次采用纯水和氟利昂分别作为冰水机组的载冷剂和制冷剂，以避免溶液泄露导致安全事故。

关键词：冰水系统；模块化建造；乳品；综合能效比 

Abstract:China's dairy industry is developing rapidly, and there are high requirements for production process environment and safety. In order to meet the low temperature environment of 2-6 °C required in the dairy production process, Gree permanent magnet variable frequency screw machine is used to output a minimum of 0.5 °C of low-temperature water to provide stable cooling capacity for the production line, and the comprehensive energy efficiency ratio of the ice water system can reach more than 3.5. Different from the traditional unit that uses ethylene glycol solution and ammonia, pure water and freon are used as the refrigerant and refrigerant respectively for the chiller unit to avoid safety accidents caused by solution leakage.

Keywords: ice-water system; modular construction; Dairy; Comprehensive energy efficiency ratio

1. 引言

自我国改革开放以来，乳制品行业是增长最快的重要产业之一[1]。随着制冷技术和产品的迭代发展，乳品用冷工艺逐渐改造成采用冰水氨分板换机组降温[2~4]。相比于氨系统，氟无毒无味安全性高，逐渐成为乳制品企业新的选择。

目前乳品行业的巴氏杀菌乳生产工艺流程如图1所示。因牛奶中营养成分丰富且含有大量水分[6]，若温度高于6 ℃后则会使得微生物飞速繁殖，而温度低于0 ℃时牛奶则会凝固。生产过程中，原料乳验收、冷藏暂存、杀菌后的冷却步骤都需要将乳品温度保持在4-6 ℃之间，一方面，乳品项目为食品行业，要求换热介质为纯水，不使用乙二醇溶液，另一方面生产过程中用冷波动大，定频制冷机组无法良好适应，易造成换热壳管冻裂、系统能耗过高等问题，开发恒低温纯水系统成为乳品行业的新需求。

图1 巴氏杀菌乳生产工艺流程图

2. 项目概况

本工程项目为蒙牛乳业在宁夏回族自治区银川市灵武市新增的巴氏杀菌奶生产厂区机房，厂房内有三层车间，总建筑面积为99559㎡。项目中包含低温冰水系统、空调系统和工艺冷却系统，各系统分别对应作用于产线乳品低温冷却冷藏、控制厂区环境参数稳定以及空压机降温。

项目采用4台永磁变频螺杆机机组，每台机组可承担2200 kw制冷量，冷冻供回水温度为0.5/11 ℃，合格冰水送入外循环水箱，经外循环泵给到末端换热，然后经内循环水箱回到机组完成循环。

3. 系统方案设计

因为在乳品生产过程中，保证乳品的冷却冷藏温度在控制范围内是最关键的指标之一，为保证系统稳定性，对冰水系统进水（冷冻回水）回到水箱后的混合水温进行控制，要求冰水出水水温（冷冻供水水温，即向车间供水的温度）始终不高于2.0 ℃，冰水系统供水箱内的温度始终不高于1.5 ℃。系统特点如下：

图2 双水箱结构设计图                          图3 冷却内循环示意图

（1）选用变频变容永磁同步螺杆式冷水机组，蒸发器四流程降膜式设计，选用高精度PT1000温度传感器，进水温度前馈负荷调节控制，大幅提升水温变化的负荷调节相应时间，通过目标水温分段设定，保证机组平稳加载，避免瞬间负荷过调。

（2）双水箱及合格水输出结构设计。冰水主机初运行时，出水温度还未能达到0.5 ℃，不能直接通往乳品生产线，这部分温度不达标的冷冻水通过冷机出水管阀门Q1直接流到回水箱中，如图2所示。待到冷机出水温度下降且稳定在0.5 ℃时，再通过阀门Q2将合格冷冻水输送至供水箱。通过冷冻供回水水箱以及温度传感器和阀门之间的配合，增加系统对外负荷变化适应性，弱化负荷变化对冷机的冲击。

（3）内外循环分流设计。通过联通溢流管和外循环旁通管实现机房与站外分离，保持冷冻水温始终达标。当冷冻回水进入机组的温度超过11 ℃时，冷冻供水将会通过供回水箱之间的联通溢流管流入回水箱中，通过低温的冷冻供水将回水箱中温度调整下降到11 ℃，满足机组进水要求。

（4）冷却内循环设计。如图3所示，当夏季制冷时，P1电动比例调节阀开度增大，P2电动比例调节阀减少，利用冷却塔外循环降温；当冬季检测到冷却回水温度过低时，P1电动比例调节阀开度减少，P2电动比例调节阀增大，开启冷却内循环。

（5）结合制冷主机能效特性和输送系统模糊PID节能控制算法，提升乳制品工厂近、中、远期不同阶段的系统综合能效，使制冷系统能效提升25%以上；采用多重故障预警保护控制技术、蓄冷系统安全运行策略，高可靠运行制冷。

4. 工程实施

在本乳品项目中，将系统分为按冰水机组模块、空调机组模块、和工艺系统模块。冰水机组模块中一层模块包含变频螺杆式冷水机组、冰水冷冻水泵、冰水冷却水泵、冷却远置水箱、冰水机组启动柜、冰水机组系统设备强电柜、冰水机组独立控制系统柜以及阀件管路、传感器；二层模块包含冷冻冷却管道、强弱电线路；二层屋面布置有开式冷却塔、管路及阀件。空调主机模块中一层模块包含光伏直驱变频离心式机组、空调冷冻水泵、空调冷却水泵、冷却远置水箱、空调机组启动柜、阀件管路及传感器；二层模块包含冷冻冷却管道、强弱电线路；二层屋面同样布置有开式冷却塔和管道及附件。工艺系统模块中一层模块包含冷却水循环泵、冷却循环水箱、管路、阀件及传感器；二层模块包含冷却管道、强弱电线路；二层屋面布置有闭式冷却塔、管路及阀件。模块化机房占地面积885 m2，同比节约土地面积10 %；现场建设时间30天，同比减少60天；现场建设人数10人，同比减少20人。

5. 运行情况分析

模块化建造使得工厂可快速投入运行，在初期进行试运行确认设备情况，后期根据工厂实际生产需求可对机组台数及温度设定进行调节。

5.1 试运行迅速响应

图4 机组试运行稳定出水温度图

图4中数据来源于灵武项目2023年2月7日12点试运行阶段。可以看到机组运行之前水温在15 ℃左右，在机组开始运行后，供回水水温都迅速下降，一分钟后机组供水水温下降到4.8 ℃，3分钟内下降到2.5 ℃，5分钟后机组出水温度稳定到1 ℃左右，此时冷冻供水流量为195 m3/h。机组模块可以迅速响应达到稳定低温出水要求，满足生产线2-6 ℃的用冷需求。

5.2  冰水系统模块能效高

选取2023年8月12日至2023年8月20日的冰水系统能效数据分析可得到下图。可知在这段时间内冰水模块综合能效比在3.66至4.92区间内，且虽然不同的冰水机组或交替或同时运行，但各个机组的运行COP在5.11至8.80之间，机组与系统模块的能效均高。

图5 冰水模块综合能效比EERs

图6 冰水机组能效比COP

6. 结语

本文总结了乳品行业的用冷特点和需求，通过系统设计及工艺设计优化，冰水系统达到满足生产需求、保证低温稳定出水的要求，且其系统能效比超过3.5，在乳制品行业工艺冷却环节具有显著节能效果。

参考文献

[1]中华人民共和国中央人民政府. 工联产业（2009）第48号: 乳制品工业产业政策.2009-06-26.https://www.gov.cn/govweb/gongbao/content/2010/content_1519506.htm.

[2]赵金龙, 李建臣. 冰水均温装置在乳品冷却系统中的应用[J]. 制冷, 2004, 23(3): 59-61.

[3]徐锡春, 杨寿发, 蔡馨馨. 乳品冷却工艺中自动控制氨用满液式蒸发器的应用[J]. 保鲜与加工, 2011, 11(5): 39-42.

[4]丁吉生, 张英伦, 杨淑玲. 冰水制冷工艺在乳制品生产中的应用[J]. 冷藏技术, 1994(4): 39.

[5]张海媛, 王晶. 影响乳品质量的因素分析及控制方法[J]. 黑龙江科学, 2016(7)：144-145.

[6]中国乳制品工业行业规范. 巴氏杀菌水牛乳、灭菌水牛乳和调制水牛乳：RHB 702—2012[S]. 2012.