人造奶油加工生产线制冷系统改造工程实践

丹麦Gerstenberg & Agger公司早期生产的人造奶油加工设备的急冷机制冷系统以氨制冷为主，随着国家对安全生产和环保要求越来越高，因此需要将氨制冷系统改造成为氟制冷系统。总结了制冷系统改造过程中的急冷机改造、制冷机选配、控制系统设计、冷却水系统配套等若干极具工程实践的技术问题解决经验，为同行的类似系统改造提供参考。

1引言

人造奶油是烘焙食品的重要原料之一，近30多年来，中西饮食文化相互交融 ,特别是面包 、西点、饼干类烘焙食品日益受到中国消费者青睐, 中国的人造奶油产业随之得到了长足的发展，我国自上世纪80年代引进首套丹麦人造奶油生产设备以来，人造奶油在我国使用范围越来越广，人造奶油生产企业如雨后春笋般的出现[1-4]，人造奶油工业是油脂加工业的后续产业，产品具有较高的产品附加值，工厂可获得较好的市场回报，具不完全统计，目前我国从国外引进人造奶油生产线达近百条，早期的人造奶油生产线的制冷系统已氨系统为主流[5-9]。但是随着国家对安全生产和环保要求日益严格，氨制冷已经不符合我国目前的发展趋势，为了能继续生产，亟待将原有的氨机制冷系统改造为安全且较为环保的氟制冷系统，本团队接受企业委托，改造了企业正在生产的Gerstenberg & Agger公司的人造奶油加工设备制冷系统，截止日前，改造好的人造奶油加工设备已平稳运行两年，为了给同行提供类似的改造经验，本文对改造过程中的急冷机改造、冷却机组选型及设计、控制系统设计、冷却水系统配套等的若干极具实践性的技术问题分别做了分析和总结。

急冷机（主要部件为刮板式换热器，Scraped surface heat exchanger）是人造奶油（黄油）生产线的核心设备，它的主要部件是卧式传热筒，外面加夹套作为蒸发制冷剂之用，卧式传热筒以偏心式装在夹套内，夹套的顶层空间作为气液分离之用，在卧式传热筒内是一个刮刀轴，刮刀轴上安装浮动刮刀片，刮刀轴上的浮动刮刀在离心力和物料阻力的作用下连续不断地刮削卧式传热筒的内壁，增加制冷效率。油脂从进料口输入，经过卧式传热筒，在高压、冷却、剪切三种状态下迅速冷却并使其形成晶核[10-12]。

Gerstenberg & Agger公司早期生产的人造奶油（黄油）生产线急冷机的制冷系统以氨系统为主流，本文以该公司的Perfector系列急冷机为研究对象，将其的氨制冷系统改造为氟制冷系统，改造前其设备的外形如图1所示。G/A公司的急冷机制冷系统相对比较复杂，在氨系统中，通过急冷机上的液态氨入口阀控制氨的流量，浮球阀则控制急冷机夹套内的制冷剂液位，利用氨制冷系统集油器集油，然后通过放油阀放油。将急冷机氨制冷系统改造成为氟制冷系统的过程中，主要考虑的关键点集中在如何回油，和制冷量的匹配，氨系统中的油一般直接排放掉，氟系统中的油则需要通过压缩机吸气，随着蒸发后的气体一起回到制冷机组中的油分离器中，进入下一个循环。基于原系统，我们在改造后的急冷机如图2所示，利用氟系统的背压阀代替氨系统的主导阀，以此控制急冷机的制冷量，浮球阀位置不变，以控制夹套中的液位，为了使氟系统的油回到压缩机组中，在急冷机的夹套层的低位开通回油口并设置带有U型弯的回油管，使氟系统的油通过回油管进入油分离器后循环利用。

3制冷机组选配

3.1 制冷压缩机选型

急冷机改造完成后，需要为它配套合适的制冷机组，配备的制冷量为60000kcal/h（70kW），因此需要匹配能满足这样制冷量需求的制冷压缩机组，正确的选配压缩机非常重要。目前市场上压缩机组品牌繁多，品质参差不齐，在经过市场调查和成本分析综合考虑后我们选用比泽尔压缩机，压缩机类型上，选用技术较为成熟的半封闭活塞压缩机，它具有热效率高、单位耗电量少、适应性强、可维修性强等优点。

制冷压缩机的产冷量和配用电动机的轴功率，同蒸发温度与冷凝温度有着密切关系，蒸发温度越高，冷凝温度越低，产冷量就越大；反之，则越小，在综合考虑后，蒸发温度选择-25℃，冷凝温度选择40℃，为了满足70kW制冷量的需求，且考虑到系统的启动电流不能太大，机器不能太笨重，压缩机需要维修时不至于造成工厂停产，选择使用两台压缩机并联使用，综合考虑后选用的压缩机型号为6GE-34-40P。

3.2 制冷压缩机控制系统

压缩机控制系统的设计是决定本改造案例的成败非常关键因素之一，控制系统设计的要点主要有以下几点：

（1） 高低压力显示和加减载、能调控制：通过模拟量采集模块采集系统的低压压力值和高压压力值，通过设计的加减载、能调控制逻辑，使机组在设定的加载区、保持区、减载区、急停区内进行能调。

（2）外部信号启动机组：控制系统需设计1路外部制冷信号（常开），用来启动机组。

（3）均衡磨损功能设计：要根据每台压缩机的累计运转时间，来均衡每台压缩机的运转，防止某台压缩机长时间运转而另外的压缩机运转时间不足。

（4）高低压力告警：需要可以设定整个机组的高压报警压力和低压报警压力，达到该设定值时，停止机组工作，并输出故障报警（该报警用于停止外部连锁设备的运行，防止液击）。

（5）排气温度显示及保护：要设计显示机组排气端的温度，当机组实际排气温度大于或者小于排气温度保护值时，停止机组工作，并输出故障报警。

（6）压缩机保护功能：压缩机高压保护、低压保护、油压差保护、模块保护、过载保护。

4 水冷循环系统

在人造奶油加工设备生产线中，主要有四大管路通道：一是物料管路通道，对应完成乳化，高压输送，急冷，捏合，包装工艺：二是冷媒管路通道，对应完成压缩、冷凝、节流、蒸发等制冷循环步骤：三是保温水循环管道通道，主要是对物料管道进行夹层保温：四是压缩机水冷循环管路通道，水冷循环系统将低温水输送到压缩机组的冷凝器中完成热交换后，温度升高，带走热量，然后通过逆流式冷却塔，将水中的热量散发到空气中。

水冷循环系统如图4所示。在水冷循环系统中，主要设备有冷却塔、水箱、过滤器、管道循环泵、压力表、管壳式换热器、流量控制阀等，目前，冷却塔在市场上非常常见，规格较为齐全，可根据冷却要求直接选用，根据制冷量的需要，设计进水温度37℃，出水温度32℃，循环水量34立方米每小时，以此为依据选择合适的冷却塔；此外为了充分满足制冷机组冷水需求，需建造水箱，水箱一般按照浮球阀自动补给水，考虑到水箱清洗需要，要设置排水口。冷却塔一般安装在室外或者楼顶，距离压缩机组有一定的距离，因此在选择循环水泵的时候，水泵的扬程和流量是选择水泵的关键参数，本案例中冷却塔安装在二楼，考虑到楼层高度、冷却塔高度、管壳式换热器及管道中的压力损失，选择扬程18米、流量3吨每小时的管道循环泵，对应压力表选择最大量程0.4Mpa的规格，冷水管道直径选择DN65；为了能够满足制冷变动的需求，需要在管壳式换热器出口加装电磁压力控制阀，以调整水量大小。

5  总结

现有人造奶油加工生产线的改造是一项系统工程，因为改造过程中需要考虑到原有设备，又要新增设备，另外企业达到一定生产规模后人造奶油生产线的利用率高，一般都是24小时满负荷运行，在本次改造工程实践中，为了最大限度缩短改造中的生产线停机时间以减小企业的产能损失，以此在改造工程中需要进行充分的可行性和技术成熟性论证。本项目实施前，人造奶油生产线氨制冷改造案例以及可参考的文献资料极少，本次改造是基于作者多年的工程经验积累，截止日前，改造后的人造奶油生产线已在相关企业稳定运行将近2年，因此特对工程实践过程中的急冷机改造，冷却机组选型及控制系统设计，冷却水循环系统设计的技术问题进行了总结，为同行的类似系统改造提供参考。