大型食品冻干变频装置节能改造试验

大型食品冻干变频装置节能改造试验

真空冷冷冻（以下简称冷干）是目前国际上最先进的食品新鲜技术之一。然而，由于其复杂的加工工艺和高加工能耗，其应用受到了很大限制。以冻干小葱为例,按采用蒸汽加热系统计算,每吨小葱在整个生产过程中(包含前处理、冻结、冻干、后包装四个环节)的总电耗约为1600kW·h,其中冻干环节中冻干设备真空机组的运行能耗约占总电耗的30%。因此,真空机组的节能成为降低冻干产品加工能耗的重要手段。为此,对SZDG200A大型食品冻干设备的真空机组进行了变频改造试验,结果表明:采用变频技术是降低真空机组运行能耗的一种有效可行的手段,并将该项技术申请了国家专利。1冷冻设备的原真空设备组方案1.1设备主要技术参数SZDG200A冻干设备主要以冻干生姜、大葱、小葱、大蒜等农产品为主,设备采用蒸汽热源,水循环加热系统,干燥仓加热段与捕水器段为一体式结构,设备主要技术参数见表1。1.2真空机组同时工作,分液况干吸原真空机组方案见图1,其特点为:(1)一套干燥仓配备两套相同的真空机组,一套作为预抽真空机组,另一套作为维持真空机组。在预抽阶段,预抽真空机组和维持真空机组同时工作,以缩短预抽时间。当干燥仓内压力达到工作压力后,预抽真空机组停机,维持真空机组继续工作。(2)真空机组选用ZJP-1200罗茨泵+ZJP-300罗茨泵+SK-12水环泵(带大气喷射泵)三级泵组,可以抽除少量水蒸汽,且极限压力能达到10Pa以下。(3)在冻干过程中,在干燥仓设一电动充气阀,通过控制电动充气阀向干燥仓内充气量的多少来实现对干燥仓内压力的控制,维持真空机组始终处于较大负荷状态下工作。2真空调整平均机组方案2.1真空机组的抽速对食品冻干系统有效抽速的控制作用干燥仓内压力是冻干加工工艺参数中的一项重要参数,在实际生产过程中需要对干燥仓内压力进行控制。因冻干设备配置的真空机组均按冻干过程中所需最大有效抽速来设计,但在冻干过程中的大部分时间,真空机组所需有效抽速均小于最大有效抽速。因此可以通过改变真空机组的有效抽速来实现对干燥仓内压力的控制并达到节能的目的。食品冻干设备真空机组所采用的真空泵主要为罗茨泵、水环泵和滑阀泵三种类型。这三种真空泵均为压缩性恒转矩负载,其有效抽速及消耗功率与转速的关系可以用式(1)表示:S1S2=n1n2=50f150f2‚P1P2=n1n2=50f150f2(1)S1S2=n1n2=50f150f2‚Ρ1Ρ2=n1n2=50f150f2(1)式(1)中:S1、S2——真空泵有效抽速,L/s;n1、n2——真空泵转速,r/min;f1、f2——真空泵工作电源频率,Hz;P1、P2——真空泵运行功率,kW。式(1)说明真空泵有效抽速及消耗功率均与真空泵电源频率成正比,因此,通过改变真空泵电源频率既可以控制干燥仓压力也可以相应降低真空机组的运行功率。2.2频电源回路与预抽阶段变频真空机组改造是在原有的真空机组上进行的,改造方案见图2,其特点为:(1)预抽真空机组保持不变,在维持真空机组总电源输入回路中并联一套变频电源回路,以改变维持真空机组三台真空泵的工作电源频率。(2)在预抽阶段,预抽真空机组和维持真空机组均在市电电源下同时工作。当干燥仓内压力达到工作压力后,预抽真空机组停机,维持真空机组切换到变频电源回路继续工作,真空机组的工作频率由PLC控制,根据干燥仓内实测压力与设定压力进行对比计算来变化。(3)通过真空机组的工作频率的改变,可以实现真空机组有效抽速的改变,既可以达到控制干燥仓内压力的目的,也可以实现节能目的。3真空机组改造前后运行能耗分析3.1材料的冷冻干燥工艺以冻干小葱进行对比试验。SZDG200A冻干设备总装料为1.5t,其冻干工艺曲线见图3。3.2冻干设备采用三级水泵组真空机组所采用的SK-12水环泵及ZJP-1200罗茨泵、ZJP-300罗茨泵的性能参数见表2,性能曲线分别见图4、图5。在食品冻干过程中,干燥仓内压力一般在100Pa左右。在SZDG200A冻干设备所采用的三级真空泵组中,主泵ZJP-1200罗茨泵的入口压力在100Pa左右,前级泵ZJP-300罗茨泵的入口压力在3000Pa左右,前级泵SK-12水环泵的入口压力在6000Pa左右。从图4、图5中可以看出,各真空泵在上述入口压力运行时,其运行功率较额定功率要小许多,且入口压力在上述压力附近小幅变化时,其有效抽速和功率变化不大。3.3空泵机组工作干燥内压力达到设定值,预抽真空机组停机,仅维持真空泵机组工作,此时冻干过程开始,每30min记录一次维持真空机组各真空泵功率,整个冻干过程中真空机组总功率曲线见图6,单台真空泵运行功率曲线见图7。3.4交流功率为100pa时,功率与功率同时降为5.从图6可以看出:(1)在整个工作过程中,冻干升华阶段的干燥仓内压力为100Pa,解吸阶段为80Pa,在上述两个阶段,定频真空机组总运行功率基本保持不变,约为15.8kW,图4、图5中的真空泵性能曲线能较好的解释这一现象。(2)在上述两个阶段,变频真空机组总运行功率仍基本保持不变,但总运行功率降为约12.5kW,为定频真空机组总运行功率的79%,节能21%。从图7中可以看出:(1)干燥仓内压力为100Pa时,变频真空机组的工作频率为35Hz,根据式(1)可以计算出变频真空机组理论运行总功率为11.1kW,但实际运行总功率为12.5kW,比理论值要大。分析其主要原因是虽然SK-12水环泵的运行功率基本与工作频率呈线形比例下降,但由于ZJP-1200及ZJP-300罗茨泵在定频工作时,其运行功率本身较额定功率要小许多,此时真空泵摩擦功率损失基本不变,电机的效率也会适当下降,当真空泵工作频率下降时,其运行功率并不是按线形比例下降,使得真空机组总运行功率与工作频率不呈线形比例下降,而是下降较缓。(2)干燥仓内压力从100Pa变为80Pa时,真空机组的工作频率从35Hz变为32Hz,而根据理论计算应为28Hz,分析其主要原因是SK-12水环泵本身的结构原理特征使有效抽速与工作频率之间并非完全呈线形比例关系。4空机组节能方案通过上面分析可以得