生产辅助系统

乳品加工的前提条件

乳品加工过程需配备多项辅助设施，其中包括供水系统、蒸汽与热水形式的热能供应系统、制冷系统、压缩空气系统以及电力系统。

供水设备

自然界中的水处于持续循环状态（图8.3.1）。在阳光照射下，水从海洋、湖泊表面蒸发。水分悬浮在空气中，随风飘至陆地上空，遇冷凝结，以雨、雹或雪的形式降落。一部分地表水直接流入湖泊与河流，回归海洋；其余部分则渗入土壤表层成为地下水。

图8.3.1 自然界的水循环

水是多种物质的溶剂，因此纯水在自然界中并不存在。二氧化硫等气体尚在空气中时便溶于水分，形成“酸雨”——这已成为工业化国家的主要环境问题。当水降落到地面时，即刻开始溶解各种物质。地表水从表层土壤携带有机物、杀虫剂、工业废水中的化学物质，以及细菌等微生物。水流在渗透土壤各层级时，会滤除大部分有机物及部分微生物、化学物质，同时溶解多种天然盐分，故地下水中常富含各类盐分。这些盐分以离子形态存在，如钠离子、钾离子、镁离子、钙离子、氯离子、碳酸根离子、硝酸根离子及硫酸根离子。

图8.3.2 配备潜水泵的管井

因此地下水是污染最少的水源，但其成分受当地废水排放、土壤条件等多重因素影响而存在地域差异。供水中的溶解物和悬浮物可能给乳品生产带来问题。因此必须对进水进行处理，以降低有害物质浓度、使其中和，或完全去除。

多数国家对水体中微生物及有毒化合物的含量实行严格立法，明确规定了检测程序、采样方法及采样频次。水媒传播疾病主要为肠道疾病，故致病菌检测通常重点关注大肠杆菌。若大肠杆菌数量超标，则表明存在粪便污染。

乳品行业需消耗大量水资源，用于乳制品预处理、设备冲洗、冷却与清洁等环节。用水量因清洁方式及生产用水需求（如乳粉还原或果汁生产）而异。

乳品厂供水多源自市政自来水厂。原水取自河流或湖泊，经处理后达到饮用水标准。自来水公司按乳品厂所需的压力与流量进行供水，并对进厂水量实施计量与记录。乳品厂按单位水量支付费用，其中已包含市政污水处理费。

许多乳品厂设有自备井。浅层地下水区域采用简易竖井结构。若地下水埋藏较深，则如图8.3.2所示，则需要打长管井。通常由水泵（常采用潜水泵）将水抽至储水池（多设于地面，亦可设于高位水塔）。而后，水流藉由水泵加压或依靠重力作用，被输送至乳品厂内各个用水单元。

水处理

乳品厂中水的用途广泛，水质要求因用途而异。借助当今的过滤、软化、离子交换、灭菌、深度脱盐及反渗透等技术，可获得极高品质的用水，但成本也相对较高。因此，必须明确定义不同用途的水质需求，以便进行相应的水处理。

用于乳制品生产的水质须达到最高标准，其要求甚至高于合格饮用水的指标。此类用水应完全清澈、无气味、无色无味、质地柔软且近乎无菌。因此必须进行软化处理（降低钙镁含量）和脱氯处理（通过活性炭过滤去除氯消毒剂）。

所有用于蒸汽发生和锅炉给水的水质也需经过软化，以防止加热表面形成水垢。锅炉水垢无论从安全还是经济角度都极其不利。

管道系统设计

水从进水口输送至乳品厂内各个用水点。其流经的管道系统与产品工艺管路相似。用于输送直接接触食品的用水管道，须采用不锈钢材质。而对于不接触产品的辅助用水，可采用较低等级的管道材料。管道系统配备截止阀、压力表及流向控制阀。系统中还会装有过滤器，有时为维持系统所需压力，还需安装减压阀。

乳品生产的许多环节对供水有特殊要求，往往需要在较短时间内持续以高压供应大量用水，且可能多个用水点同时出现短暂但高强度的用水高峰。因此，系统设计与压力设定必须满足这些瞬时负荷工况。

例如，若乳品厂提高了产量却未对供水系统进行相应扩容，当多个瞬时负荷同时出现时，供水压力将降至低于临界值，影响特定设备的正常运行。此时可采用压力罐来避免该问题。压力罐起到蓄水器的作用，其典型容量为1-3立方米。罐内水体通过气垫维持预设压力，需要时即可按所要求的压力和流量向设备供水。瞬时用水需求满足后，压力罐将重新蓄水以备下次用水。图8.3.3展示了这种压力罐的工作原理。在无用水需求时，罐内充水至预设压力值，压力开关（4）会停掉水泵（6）。当用水导致压力下降时，压力开关通过接触器启动水泵向罐内补水。用水结束后水位回升至预设压力值，压力开关停止水泵运行，压力罐待命下一次瞬时需求。

通过采用变频泵配置小容量压力罐的方案，亦可实现上述同等功能。

图8.3.3 水压力罐示意图

1. 罐体
2. 排放阀
3. 安全阀
4. 压力开关
5. 止回阀
6. 液环泵
7. 排气阀

热能生产

乳品厂的运营需消耗大量热能，用于加热各类产品、清洗剂溶液等。热能通常通过热交换器中的导热体（亦称加热介质）传递给产品。该介质在加热装置中产生，并通过管道系统分配至各能耗用点（如巴氏杀菌机热水单元中的热交换器）。在此处，热量被传递至待加热产品，随后冷却的加热介质流回加热装置进行再加热，以备再次使用。

140-150℃的蒸汽是常用的加热介质。近年新建的乳品厂也开始采用热水系统作为加热介质。大多数设备需使用约100℃的热水进行加热。而超高温灭菌设备则要求更高温度的蒸汽。运行温度超过100℃的热水系统必须加压以防止沸腾，所以系统压力需维持在大气压以上。热水系统的安装成本略低于蒸汽系统，且更易于调控、操作更为简便。但其缺点在于传热效率低于蒸汽系统。由于能量密度差异，热水系统需要更大的质量流量才能输送同等能量。此外，蒸汽系统的蒸汽凝结水还可提供额外能量。

蒸汽生产

加热介质通常在位于供热站内的蒸汽锅炉中产生。锅炉普遍采用油、煤碳或天然气作为燃料。燃料燃烧释放的热能被加热介质吸收。锅炉热效率通常在80%至92%之间，而管道系统的热损失往往高达15%左右。

因此，燃料总热能在生产中的实际利用率仅为65%至77%。从运营成本角度考量，确保锅炉效率不低于最低水平至关重要，故乳品厂会严密监控锅炉运行效率。

下述蒸汽系统中，蒸汽温度须维持在140-150℃之间。对于饱和蒸汽而言，该温度对应表压为270-385千帕（2.7-3.8巴）。锅炉实际运行压力通常显著更高，达900-1100千帕（9-11巴），此举可通过采用较小管径来补偿系统内的热损失与压力损失。

图8.3.4所示为蒸汽系统及分配系统的简化流程图。

图8.3.4 蒸汽生产与分配系统

1.锅炉
2.高压蒸汽分配罐
3.减压阀
4.低压蒸汽分配罐
5.用汽点
6.蒸汽疏水阀
7.冷凝水箱
8.冷凝水泵
9.给水箱
10.软水过滤器
11.给水除气装置
12.给水泵

用于产生蒸汽的水称为锅炉给水。给水通常含有钙盐，会导致水质硬化。由于给水中含有氧气和二氧化碳，通常需要对其进行处理。

若未经处理，盐分将在系统中沉积并在锅炉内形成水垢，导致热效率急剧下降。此外，氧气会引起水汽系统的严重腐蚀。因此，系统中设有软水过滤器（10）用于去除钙镁盐，并配备除气装置（11）消除给水中的气体。通过锅炉排污可清除污泥形式的杂质。为维持蒸汽系统良好运行状态，需对锅炉水进行化学调整并对给水进行处理。

给水泵使锅炉水位保持恒定。锅炉中的水经燃料加热转化为蒸汽。在大气压下，将一千克水转化为蒸汽需要大量热量——约2260千焦（540千卡），该热量称为汽化热。当蒸汽在用汽点（5）的传热表面冷凝时，这部分热量将随之释放。

冷凝后的蒸汽（即冷凝水）由疏水阀（6）收集至冷凝水箱（7），并通过冷凝水泵送回锅炉。

蒸汽锅炉

蒸汽生产主要采用两种类型的锅炉：火管锅炉（乳品厂中最常见的类型）与水管锅炉。其选择取决于所需蒸汽压力及蒸汽功率（即特定时段内的蒸汽使用量）。低压、小功率锅炉通常为火管锅炉，其烟气在管道内部流动。高压、大功率蒸汽锅炉则多为水管锅炉，水在管道内部循环。

图8.3.5展示了火管锅炉的工作原理。热烟气由风机吹入管道，其热量经管壁传导至外围水体。水被加热至沸点后，蒸汽汇集于汽包并分配至系统。

图8.3.5 火管锅炉工作原理示意图

当汽包内压力达到预设值时，蒸汽阀自动开启并向用汽点供汽。燃烧器自动启停，以维持所需的蒸汽压力水平。需向锅炉内补充给水，以维持正常水位。若汽包压力超出允许上限，安全阀将起跳泄压。水管锅炉（图8.3.6）存在多种型号，其原理是给水通过由烟气进行外部加热的管道从而产生蒸汽。

图8.3.6 配备三级汽包的水管锅炉工作原理

蒸汽在倾斜布置的管道中产生，便于蒸汽上升至汽包。蒸汽经由过热器进入两个上部汽包后，再进入分配系统。在过热器中，蒸汽被烟气二次加热，成为过热度更高的干蒸汽。下部汽包同时收集给水中的杂质沉淀（泥渣），泥渣可通过底部排污清除。其他类型锅炉中，泥渣通常积聚在锅炉底部。

冷凝水回收

流经管道系统的蒸汽会被周围空气冷却并开始凝结。虽可通过管道保温减少冷凝水，但无法完全避免。因此，安装管道时需朝向系统各处的冷凝水收集点保持微小倾斜度。

在这些收集点需要安装蒸汽疏水阀。疏水阀可排出冷凝水（能排除空气更好），但会阻止蒸汽逸出。各用汽点产生的冷凝水以同样方式收集，并通过冷凝水泵及管道系统送回供热站的收集罐。此外，冷凝水也可借助蒸汽压力直接返回给水箱，从而省去了冷凝水箱和冷凝水泵。该方案在实践中应用极为广泛。

其他设备

工业蒸汽锅炉的燃烧设备包含一个燃烧器（通常为雾化式燃油燃烧器），燃油在其中分散为细密雾滴。该雾滴由高压电极点燃，产生的烟气随后由风机吹入锅炉。设备还配有安全装置，以消除事故与损坏风险。现代蒸汽锅炉配备自动控制装置，可实现无需持续监控的自动化运行。

蒸汽管道系统

图8.3.7展示了蒸汽分配与冷凝水回收系统的工作原理示意图。蒸汽经锅炉汽包主阀流出，通过减压阀进入分配罐，继而输送至各用汽点。减压阀常安装于用汽点前端，用于蒸汽压力的精确调节。

图8.3.7 蒸汽分配与冷凝水回收系统

蒸汽管道系统需承受大幅温度变化，导致管道产生显著热膨胀。因此安装时必须预留轴向位移空间。

冷凝水疏水阀的布置及管道系统的设计需精心规划，以避免管内积水。若形成水塞，其将以高速（至少与蒸汽流速相当，约25-30米/秒）在管内穿行，引发水锤现象，会对管道和阀门造成严重破坏。

热泵

热泵是一种利用电能从热源提取热量并将该热量（放大后）传递至散热器的装置。该装置能够从热源（即热泵的冷却侧）移除热量，并将其加入散热器（即热泵的加热侧），从而实现冷却与加热的双重功能。

热泵采用与冰箱（后文将详述）类似的技术，但工作原理相反，即从热源提取热量，经放大后输送至需热区域。

热泵日益被视为实现供热系统脱碳化的关键技术。

热泵效率以COP（性能系数）表示，该系数定义为热泵输出的总有效能量与驱动热泵所需耗电量之比。COP值越高，代表效率越高。

更多关于热泵的信息可参阅第8.4章《乳品加工中的可持续发展理念与实践》。

制冷

生产流程中的多个环节需将产品加热至特定温度。任何温度升高都会导致产品中存在的微生物活性增强，并加速由酶催化的化学反应。必须尽可能避免此类活动，因此在特定生产阶段完成后迅速降低产品温度至关重要。鉴于此,乳品厂的制冷需求极大，制冷设备的运行成本在任何乳品厂的预算中均占据重要部分。

图8.3.8 压力降低导致水沸点下降（g=表压）

制冷原理

制冷效应基于液体汽化时吸收热量这一现象。

该现象——汽化热——已在蒸汽锅炉的描述中提及。蒸汽锅炉内部压力高于大气压，因此水在更高温度下沸腾：在1000千帕（10巴）表压下，水的沸点为183℃，如图8.3.8（A）所示。

反之，压力降低时水沸点随之下降。常压下水的沸点为100℃，如图8.3.8（B）所示。若压力降至大气压以下形成真空，水将在低于100℃时沸腾。通过真空泵将容器的绝对压力降至50千帕（0.5巴），可使水在约80℃沸腾。如图8.3.8（C）所示，当压力降至1.25千帕（0.0125巴）时，水将在10℃沸腾。若将该容器置于气温为20℃的保温间，空气中的热量将被传递至容器内的水中。随后，水将转化为蒸汽。若持续抽离产生的蒸汽，使容器内压不超过1.25千帕，则室内空气将通过向水体传热而被冷却——此时水充当了制冷剂。

1.25千帕的极低压力使得用水作制冷剂成本高昂。其他液体可在更高压力下实现相同沸点，这类液体具有比水更高的蒸汽压。以乙醚为例，当其滴落皮肤时会产生冰凉感，这是因为皮肤热量在乙醚沸腾汽化时被吸收。常压下乙醚沸点低于37℃，若通过真空泵降低液面压力，可使其在远低于0℃的温度沸腾。

氨是常用制冷剂。其常压沸点约-33℃；当压力降至50千帕（0.5巴）时，氨在-45℃即可沸腾。

制冷系统工作原理

制冷系统是一个闭环回路，制冷剂在其中通过交替进行降压（膨胀）与升压（压缩），实现气态与液态的循环相变。

系统主要组件包括：

• 蒸发器
• 压缩机
• 冷凝器
• 膨胀阀

图8.3.9展示了系统运行过程。制冷剂在蒸发器内维持低压状态，并从中吸收周围环境热量，导致部分制冷剂持续汽化。压缩机持续从蒸发器抽吸汽化后的制冷剂，从而使制冷剂压力及其汽化温度保持稳定。

图8.3.9 氨制冷剂制冷系统示意图

汽态制冷剂经压缩机压缩后压力升高，高温高压制冷剂气体随后被压入冷凝器进行冷却，其热量被转移至常温空气或冷却水中。压缩过程同时导致制冷剂蒸汽的汽化温度与冷凝温度上升。

当使用氨作为制冷剂时，其运行蒸发温度通常约为-20℃，对应的绝对蒸发压力为200千帕（2巴）。

汽化后的氨气在压缩机内被加压至约1000千帕（10巴），该压力对应的蒸发温度为+25℃。随后氨气发生相变，即从气态凝结为液态。这一过程在冷凝器中通过使用水或空气冷却来实现。氨在蒸发器中吸收的热量在冷凝器中被释放。

冷凝后的液氨必须从冷凝器返回蒸发器。液氨流经膨胀阀实现降压，其温度也随之下降。膨胀阀经过精确调校，可实现特定压降（使液氨压力与蒸发器内压力保持一致）。当压力降低时，部分液氨在膨胀阀内汽化。其所需的汽化热能取自液氨本身，从而导致液体温度进一步降低。

蒸发器

蒸发器是制冷装置中制冷剂发生汽化的部件，其设计取决于制冷剂的选择。

乳品厂常用的蒸发器主要有三种类型：

• 空气循环式蒸发器
• 管壳式与板式蒸发器
• 蓄冰盘管式蒸发器

在空气循环式蒸发器（图8.3.10）中，通过让空气流经翅片管式盘管以最大化热交换面积，从而实现空气的冷却。管内循环的制冷剂吸收空气热量后汽化。空气循环式蒸发器适用于仓储区域的制冷以及空调系统中的空气降温。

图8.3.10 小型空气冷却器

管壳式与板式蒸发器广泛应用于乳品厂，其功能是从循环冷却剂（在工艺换热器中用于冷却产品）中提取热量。此类冷却剂包括冰水、盐水以及凝固点低于0℃的乙醇、乙二醇等醇类溶液。

蓄冰盘管式蒸发器（图8.3.11）专为蓄冰而设计，安装于水罐中用以制取冰水。夜间，水流在蒸发管外壁结冰，此时管内制冷剂持续循环。该设计可充分利用廉价夜间电能运行制冷设备。白天冰层融化时，大量制冷能力以冰水形式从该“冰库”中释放。

图8.3.11 带蒸发盘管的冰水罐

压缩机

制冷剂蒸汽经压缩机压缩后压力升高，其温度也随之升高。压缩机所做的功以热能形式传递给气体，这意味着离开压缩机的气体所携带的热量远多于其在蒸发器中所吸收的热量。因此，所有这些热量必须通过冷凝器的冷却过程予以移除。最常用的制冷压缩机是活塞式压缩机。气体被吸入气缸并由活塞压缩，该机型可配置不同数量的气缸，其制冷能力覆盖范围从0.1千瓦到400千瓦。

螺杆压缩机（见图8.3.12）如今也非常普及，尤其适用于大容量场合。其主要部件是两个安装在共同壳体内的螺旋转子。转子旋转时，气体被吸入齿间容腔（参见第7.8章泵送需求章节关于容积泵的说明），并被封闭在其中。随着被截留的气体沿转子轴向输送，容腔容积逐渐减小，气体被逐步压缩且压力持续升高。压缩后的蒸汽继而流向冷凝器。大多数螺杆压缩机会向啮合面喷油，以减少转子间隙间的泄漏。通过这种方式，即使在低速运行时也能保持高效。润滑油在进入冷凝器前经油过滤器与蒸汽分离。

图8.3.12 螺杆压缩机设计原理

螺杆压缩机主要用于大型装置，其一大优势在于容可在不产生过度电能损耗的情况下，将容量降至满负荷的10%。

冷凝器

蒸发器所吸收的热量以及压缩机传递给蒸汽的热量，均在冷凝器中通过冷却过程被移除。

冷凝器可分为三种类型：

• 风冷式冷凝器
• 水冷式冷凝器
• 蒸发式冷凝器

冷凝器的选择取决于水源条件、水价、设备运行时间及环境气候条件等外部因素。

迄今为止，风冷式冷凝器主要应用于小型制冷设备，但在大型设备中也日益普及。其原因是水价的快速上涨，以及偶尔出现的供水不确定性。在风冷式冷凝器中，制冷剂流经翅片管式热交换器，周围空气进行循环冷却。随着冷却过程进行，制冷剂在盘管内冷凝，随后流向节流阀。

水冷式冷凝器在有廉价水源供应的场合最为经济。其中最常见的是管式冷凝器（图8.3.13）。其工作原理是通过在管道内部循环冷却水，使制冷剂在管道外表面冷凝。

图8.3.13 管式冷凝器

水冷式冷凝器（图8.3.14）通常与冷却塔结合使用。冷却水在冷却塔中经空气冷却后，被泵送至冷凝器，在那里吸收制冷剂的冷凝热。随后，冷却水被泵回冷却塔，重新进行空气冷却。

蒸发式冷凝器结合了风冷式冷凝器和冷却塔的特点。这类冷凝器适用于冷却水资源短缺或成本过高的场合。

图8.3.14 管式冷凝器与冷却塔组合回路示意图

其他设备

为阐明制冷装置的工作原理，本说明中的系统构成已大幅简化。为确保装置正常运行，还需多种其他组件，例如：制冷剂储罐、过滤器、油分离器、安全阀、截止阀、液位计、压力表、温度计以及各类安全设备，以保障装置的安全运转。此外，该装置还可配备自动控制系统，以减少持续监控的需求，并实现更为经济的运行模式。

乳品厂中的冷却系统

在乳品厂中，冰水是最常用的冷却水。水在冰水罐中冷却，冰在蒸发器盘管上形成。

当所需温度过低，无法以水作为冷却介质实现时，食品行业常采用丙二醇溶液。典型溶液配比为30%丙二醇与70%水，该溶液的凝固点约为-13℃。且若冷却介质存在与产品接触的可能，所有用于防腐蚀并提高丙二醇稳定性的添加剂均须无毒。

冷却塔用于获得接近常温空气中湿球温度的冷却水。在冷却塔中，水通过内部喷淋系统散布。空气被吸入并穿过下落的水幕，致使部分水分蒸发，从而使剩余水体冷却。冷却后的水汇集于塔底的水箱中。此过程能耗较低，是获取低等级冷却水的一种经济方式。

冷却水管道系统

若使用非防锈管道，则必须通过涂刷防腐漆进行防锈处理。保温材料须耐潮湿，并包含防潮层以避免保温层内部产生冷凝。

图8.3.15 压缩空气在乳品厂中应用广泛

A. 阀门驱动用气
B. 气缸动力用气
C. 气动工具用气

压缩空气的生产

乳品行业对用于自动控制、监测和调节各种生产过程的先进仪表设备有着广泛的需求。实践证明，气动控制的自动化系统在乳品厂潮湿的环境中性能可靠，因此被广泛采用。系统的可靠性要求压缩空气不含杂质，这对压缩空气系统的设计提出了严格要求。

压缩空气还具有以下用途：

• 为某些机器（如灌装机）中的执行机构提供动力
• 清除管道中的残留产品
• 对储罐中的物料进行搅拌
• 为车间的气动工具提供动力

对压缩空气的要求

乳品厂中压缩空气的各种应用对气压、干燥度、纯度和用量有着不同的要求。

根据纯度要求，压缩空气可分为三个质量等级：

• 与产品直接接触的压缩空气。此类空气应清洁、无油、干燥、无味且近乎无菌。这类A级空气的用量相对较小。其供应压力通常在200至300千帕（2-3巴）之间。具体压力需依照产品工艺生产时的实际需求来确定。
• 不与产品接触但仍需清洁、干燥，且最好无油的压缩空气，用于仪表控制以及驱动气动元件和阀门等动力源。其供应压力介于500至600千帕（5-6巴）之间。
• 需去除固体颗粒并尽可能干燥的压缩空气，用于气动工具等场景，供应压力约为600千帕（6巴）。

未经处理的大气始终含有杂质。这些杂质与压缩机产生的污染物共同存在于未经处理的压缩空气中。其中可能包含磨损产生的颗粒物和油粒。大气中的水蒸气也需去除，才能使压缩空气达到必要的质量标准。

乳品厂和车间气动设备消耗的压缩空气量最大。这类空气需要以约600千帕（6巴）的压力供应，为此，压缩机站需产生700千帕（7巴）的工作压力，以补偿配气系统中的压力损失。低于仪表控制及动力源标准压力的压缩空气用量极少，若为此单独配置压缩机及独立管道系统将极不经济。因此，所有用途的压缩空气均来自中央压缩机站，随后根据具体应用需求进行分别处理。

压缩空气装置

压缩空气由空气压缩机产生。当需要无油空气时，不可使用通过油润滑压缩腔以提高效率的压缩机，而必须采用无油压缩机。虽然完全去除压缩空气中的油分几乎不可能，但可将残留油含量控制在仅0.01ppm。

乳品厂通常配置两台相同规格的压缩机来满足整体用气需求。常用压缩机类型包括：油润滑压缩机、带无油压缩腔的螺杆压缩机、配备无油气缸并能防止曲轴箱机油进入压缩腔的特殊活塞压缩机，以及涡轮压缩机。

图8.3.16展示压缩空气装置。空气经压缩机输送至除湿器，通过冷却和沉降作用去除水蒸气。干燥后的空气进入储气罐。从罐内输出的压缩空气用于仪表控制、阀门操作及驱动执行气缸等。

对于直接接触产品的最高品质压缩空气（用于储罐气动搅拌及管道产品排空），需流经吸附过滤器进行深度干燥，并在使用前通过专用过滤器进行灭菌处理。

图8.3.16 压缩空气装置结构图

管道系统

最合理的解决方案是配备单一的压缩机站和一个压缩空气配送管网。对于高度自动化的现代化乳品厂而言，至关重要的一点是确保仪表和控制系统始终获得压力稳定、气量充足的压缩空气供应。在某些工况下，系统设计中可增设控制系统专用调压装置，当供气管线压力出现下降趋势时，该装置可切断非关键用气点的气源供应。

电力

乳品厂通常从当地配电商处采购电力。多数情况下，电力以3000至30000伏的高压供应，但功耗需求约达300千瓦的乳品厂也可采用240/440伏的低压供电。

电气系统主要组件包括：

• 高压开关柜
• 电源变压器
• 低压开关柜
• 发电机组
• 电机控制中心（MCC）

高压开关柜

高压开关柜是高压配电系统的核心配电装置。

该装置由多个配电单元构成，各单元通过中央母线系统连接，并配置各类开关器件。一至多个进线单元用于接入配电网络电源。每一路进线电源及其配电单元均配备隔离开关。进线单元后设置电能计量单元。计量单元后接出线单元，每台变压器/每路供电对应一个出线单元。标准乳品厂通常配置1-4台变压器。每台变压器均配备保护开关（断路器或负荷开关+熔断器组），可在故障或过载时切断电源。

若乳品厂使用大功率电机（如300千瓦及以上），则宜为其配置专用高压开关单元独立供电。

电源变压器

电源变压器通过电缆与高压开关柜连接并接收电能。其功能是将高压转换为低压，通常输出电压介于230至440伏之间。变压器容量取决于实际功耗需求，常见容量范围为400至2000千伏安。

变压器主要分为两种类型：

• 油浸式（适用于户内与户外安装）
• 干式（适用于户内安装）

油浸式变压器成本较低，但因采用易燃油液，需配备独立的防火隔间。该隔间应在变压器下方设置集油槽，用于收集泄漏的变压器油。

干式变压器不含易燃油液，因此可直接安装在用电负荷附近。变压器运行会产生损耗，每100千伏安容量约损耗1千瓦电能。这部分损耗以热能形式散发，需通过通风系统排除。

图8.3.17 乳品厂配电系统示例

1. 进线单元
2. 计量单元
3. 变压器供电单元
4. 断路器
5. 主开关
6. 电机启动器
7. 隔离开关
8. 用电点（电机）
9. 远程控制面板

低压开关柜

低压开关柜通过电缆或母排与电源变压器连接并接收电能。作为低压配电的主控屏柜，该设备包含用于通断、控制和保护输出供电的装置。

其主开关与母线系统的规格由电源变压器的容量决定。

低压开关柜包含以下单元：

• 一套进线单元：配备用于整体隔离的主开关，以及用于监测电压、电流等参数的仪表。
• 若干出线单元：为大型用电设备（如电机控制中心（MCC）、均质机等）供电。每路输出均设有断路器（或负荷开关）及熔断器，用以保护电缆和设备。
• 一套无功补偿单元（非必选）：内置功率因数校正设备。

发电机组

发电机组可用于本地电力生产。该机组可持续运行，或在当地配电系统断电时作为备用电源使用。发电机通常采用柴油驱动，配有集成控制面板，并提供低压电源。如有需要，多台发电机组可并联运行。

电机控制中心（MCC）

电机控制中心通过电缆与低压开关柜连接并接收电能。MCC负责对厂内最终用电点进行电力控制、保护与分配。

每个MCC包含一套进线单元（配备用于隔离的主开关）及若干出线单元（为各类机器和电机供电）。

最常见的供电类型包括：

• 单相/三相断路器（或熔断器）
• 直接在线启动的电机启动器
• 通过变频器实现的变速驱动装置

一个MCC通常提供多个连接点。部分设备采用封闭式MCC/控制柜，内置所有必要装置。

可通过以下方式控制MCC：

• 通过正面按钮进行手动操作
• 通过工艺区域设置的按钮面板手动操作
• 通过MCC内部或中央控制室的电子控制系统实现自动控制

单个机器与电机通过电缆与MCC连接获取电力。电缆通常敷设在电缆桥架或穿管道内。每台电机附近均安装隔离开关（安全开关），便于维护检修。

所有电气材料均需根据安装场所（环境）条件，配备相应的防护等级（IP=侵入防护等级），以防止固体异物接触和液体侵入。该等级划分可参考国际标准执行。生产加工与包装区域通常要求达到IP54防护等级。

电气装置设计

设计上述电气装置时，必须遵循本国法律、法规及标准。当前大多数国家标准均已与国际标准接轨。部分标准属于强制性规范，意味着必须严格执行；另一些标准则仅为推荐性指南。

国际电气标准由国际电工委员会（IEC）负责制定。IEC成立于1906年，其工作促成全球电工领域采用统一技术语言，并形成了协同化设计范式。欧洲地区另设有欧洲电工标准化委员会（CENELEC）。

在欧盟国家内，还需遵循若干欧盟指令，例如《机械指令》、《低电压指令》以及《电磁兼容性指令》。符合这些指令的制造商可为其设备加贴CE标志。

电气系统的设计还需考虑不同的接地/布线系统。

TN电力系统在电源端存在直接接地点，装置的外露导电部分通过保护导体与该接地点相连。根据中性导体与保护导体的布置方式，TN系统可分为以下三类：

• TN-S系统：全系统采用独立的保护导体
• TN-C-S系统：系统部分区段内，中性导体与保护导体合二为一
• TN-C系统：全系统范围内，中性导体与保护导体合二为一

TT系统仅有一个直接接地点，其装置外露导电部分连接至与供电系统接地极电气独立的接地电极。

IT系统将所有带电部分与地隔离，或通过阻抗单点接地。电气装置的外露导电部分则相应采用独立接地、联合接地或系统接地方式。

最常用的系统是TN-C-S系统——TN-C与TN-S系统的组合。此种配置下，通常从电源至电机控制中心（MCC）段采用TN-C系统，MCC内部及后续至工艺、灌装与包装区域的线路则采用TN-S系统。

现代电气系统日趋复杂，对安全性与精确性提出更高要求。变频器等噪声发生设备的广泛应用增加了供电系统的整体噪声水平。现代控制系统也更为复杂，要求电气系统与控制系统的安装必须正确配置且协同整合。在此过程中，正确的接地/搭接与电缆敷设尤为重要。