風(fēng)冷螺桿式冷水機(jī)組在核電領(lǐng)域的應(yīng)用及案例

曾偉城，沈志相

（1-堃霖冷凍機(jī)械（上海）有限公司，201615；2-上海冷凍空調(diào)行業(yè)協(xié)會(huì)，200003）

風(fēng)冷螺桿式冷水機(jī)組在核電領(lǐng)域的應(yīng)用及案例

曾偉城*1，沈志相2

（1-堃霖冷凍機(jī)械（上海）有限公司，201615；2-上海冷凍空調(diào)行業(yè)協(xié)會(huì)，200003）

根據(jù)智能風(fēng)冷螺桿式冷水機(jī)組運(yùn)行節(jié)能特點(diǎn)以及提供的比較實(shí)用高效的工藝?yán)鋬鏊O(shè)計(jì)方案進(jìn)行探討，并從經(jīng)濟(jì)性、能耗、環(huán)保等的影響進(jìn)行比較分析。

防震 不銹鋼殼管式熱交換器 焊接方式 防凍運(yùn)行 液噴射

1 引言

長久以來，核電一直被認(rèn)為是人類在和平利用核能方面的偉大創(chuàng)舉，目前全世界已有核電站 400多座，占全世界發(fā)電總量的17%。核電站憑借其安全、高效、清潔的諸多特性，開始為越來越多的國家重視。美國和歐洲許多國家經(jīng)歷了20世紀(jì)80年代初到 90年代末的反核浪潮之后，又開始大力發(fā)展核電，可以預(yù)見在未來的 20年內(nèi)，世界范圍內(nèi)將掀起新一輪發(fā)展核電的熱潮。亞洲則以中國龐大的核電建設(shè)計(jì)劃震撼世界，按照規(guī)劃中國將在2020年之前新建 58座百萬千瓦級(jí)核電機(jī)組，這相當(dāng)于目前日本核電機(jī)組的總數(shù)。而保障核電站運(yùn)行的冷水機(jī)組是其中不可缺少的重要裝置之一。在經(jīng)歷2011年日本福島核電站冷卻失靈導(dǎo)致核泄漏事故，冷卻系統(tǒng)使用安全性和備用性被放到突出位置。

本文項(xiàng)目中采用的智能型風(fēng)冷螺桿式冷水機(jī)組有智能故障切換運(yùn)行、殼管式蒸發(fā)器直接走純水、全年不同負(fù)載自行調(diào)整運(yùn)行等特點(diǎn)，可以滿足核電站對(duì)冷卻系統(tǒng)的水質(zhì)、24小時(shí)冷源不間斷、全年制冷等要求。

2 項(xiàng)目介紹

該項(xiàng)目為中國某一國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)性核反應(yīng)堆工程，位于北京某原子能科學(xué)研究院內(nèi)。選用智能風(fēng)冷螺桿式冷水機(jī)組KLAW-060S（F）兩臺(tái)，對(duì)某發(fā)熱試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行工藝?yán)鋮s處理，保證該設(shè)備在設(shè)計(jì)要求的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。

3 設(shè)備介紹

該風(fēng)冷螺桿式冷水機(jī)組是專門為核工業(yè)發(fā)熱體降溫冷卻設(shè)計(jì)的智能化運(yùn)行設(shè)備，主要工作原理就是由壓縮機(jī)排氣口排出的高溫高壓的制冷劑氣體從翅管式冷凝器上部進(jìn)入，流經(jīng)銅管與外界環(huán)境空氣換熱后凝結(jié)成高壓液體從冷凝器下部流出，再經(jīng)過干燥過濾器去除制冷劑中的雜質(zhì)和水分后進(jìn)入膨脹閥進(jìn)行等焓節(jié)流，使制冷劑成為低溫低壓的液體，然后進(jìn)入蒸發(fā)器同冷水進(jìn)行熱交換，從而使冷水降溫達(dá)到制冷的作用，同時(shí)制冷劑被加熱蒸發(fā)成氣體返回壓縮機(jī)吸氣口，經(jīng)壓縮成高溫高壓的氣體，如此循環(huán)下去。系統(tǒng)中設(shè)有高低壓閥、高低壓表、高低壓止回閥用來保護(hù)壓縮機(jī)不被損壞。機(jī)組設(shè)備有如下詳細(xì)特點(diǎn)。

3.1 半封閉雙螺桿式壓縮機(jī)特點(diǎn)

圖1 半封閉式雙螺桿壓縮機(jī)

該冷水機(jī)組使用專門生產(chǎn)的雙螺桿壓縮機(jī)（見圖1），具有效率高的型線，能根據(jù)外界負(fù)荷變化進(jìn)行無級(jí)制冷量的調(diào)節(jié)（0%～100%），且配置經(jīng)濟(jì)器運(yùn)行，顯著提高效率。廣泛的容量調(diào)節(jié)范圍有效的避免了因核電裝置冬夏季負(fù)載工況的差異對(duì)制冷量的需求的較大變化所引起的機(jī)組頻繁啟停。雙軸向軸承，堅(jiān)固耐用，軸承腔內(nèi)密封圈隔離成封閉結(jié)構(gòu)，軸向軸承腔內(nèi)壓力較低。能通過法蘭安裝的電磁閥進(jìn)行簡便的控制，具有自動(dòng)卸載功能。高速、平穩(wěn)運(yùn)行的壓縮機(jī)，是使用R134a的最優(yōu)化系列。

3.2 不銹鋼殼管式蒸發(fā)器介紹

針對(duì)核電裝置純凈軟水的技術(shù)要求，高效率蒸發(fā)器殼體采用316奧氏體不銹鋼的材質(zhì)制作，換熱管采用耐腐蝕特殊的翅形結(jié)構(gòu)高效3/8”（螺紋）銅鎳管設(shè)計(jì)，依據(jù) GB150-1998《鋼制壓力容器》、GB151-1999《殼管式熱交換器》、JB/T6917-1998《制冷裝置用壓力容器》及《壓力容器安全監(jiān)察規(guī)程》等相關(guān)的法令法規(guī)制作，運(yùn)行安全可靠。公司按核電要求自行設(shè)計(jì)安全級(jí)容器，壓力容器具有鍋爐壓力容器安全監(jiān)察機(jī)構(gòu)監(jiān)檢證書。

具有獨(dú)特的分流器設(shè)計(jì)的U型蒸發(fā)器管路（見圖2），改善冷媒流動(dòng)方式，制冷能力較常規(guī)有所提升，單管進(jìn)出，圓形過渡，減少流動(dòng)阻力。通過冷媒流量分布排列的研究，優(yōu)化了機(jī)組性能。壓力容器特殊的入口設(shè)計(jì)，達(dá)到強(qiáng)化傳熱的效果，運(yùn)行安全可靠。設(shè)計(jì)污垢系數(shù)0.0001m2℃/W,機(jī)組在核電裝置管路系統(tǒng)突發(fā)水體雜質(zhì)增多狀況下仍能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

針對(duì)核電裝置冷凍純化軟水高潔凈度的特點(diǎn)，蒸發(fā)器折流板專門設(shè)計(jì)采用專利PP硬化防腐塑化隔板進(jìn)行設(shè)計(jì)制作，杜絕傳統(tǒng)金屬隔板腐蝕對(duì)純化軟水水質(zhì)的污染（見圖3）。塑化隔板邊緣柔性翼?xiàng)l的設(shè)計(jì)減少了與筒壁金屬間的摩擦，避免了因換熱管和折流板的摩檫導(dǎo)致管壁變薄破裂泄漏的故障發(fā)生；塑化隔板翼?xiàng)l密封同時(shí)保持與筒體的很高的密封度，使得蒸發(fā)器內(nèi)水流的短路率降到0.1%以下（傳統(tǒng)金屬折流板水流短路率在3%～5%）。

3.3 空氣側(cè)熱交換器（翅片式熱交換器）特點(diǎn)

透明親水性導(dǎo)熱薄膜處理的波紋壓邊鋁翅片，不易凝結(jié)水珠和沾染上灰塵?？紤]到北京風(fēng)沙大酸雨較多的氣候，在提高換熱效率的同時(shí)增加了藍(lán)色抗氧化納米粒子以延緩空氣中酸雨對(duì)翅片的腐蝕，加快滴水速度。

針對(duì)核電裝置設(shè)備的防震要求，機(jī)組設(shè)計(jì)在冷媒分布器銅管外表面敷黑色阻尼橡膠軟套（見圖4），可消除因機(jī)組運(yùn)行和地震振動(dòng)導(dǎo)致的分布器銅管相互摩擦產(chǎn)生的噪音和破損的可能。

圖2 U形管蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)圖

圖3 管殼式蒸發(fā)器外形圖

圖4 外敷黑色阻尼橡膠軟套的冷媒分布器銅管

3.4 微電腦控制系統(tǒng)特點(diǎn)

控制箱內(nèi)預(yù)留多個(gè)專用接點(diǎn)和備用接點(diǎn)，以供用戶遠(yuǎn)傳線路，遠(yuǎn)控報(bào)警線路和其他控制線路。通過RS-232和RS-485標(biāo)準(zhǔn)串行通訊口與計(jì)算機(jī)或調(diào)制解調(diào)器（MODEM）通訊的連接口連接，進(jìn)入公眾電信交換網(wǎng)，進(jìn)行遠(yuǎn)程通訊監(jiān)控。微電腦控制系統(tǒng)針對(duì)核電領(lǐng)域具有以下一些功能：

● 保護(hù)功能：壓縮機(jī)線圈溫度過高保護(hù)；冷水出水溫度過低保護(hù)；排氣溫度過高保護(hù)；壓縮機(jī)啟停頻繁保護(hù)；電壓異常保護(hù)；壓縮機(jī)電流過大保護(hù)等。

● 控制功能：多臺(tái)機(jī)組組網(wǎng)運(yùn)行；組網(wǎng)機(jī)組故障自動(dòng)切換運(yùn)行；組網(wǎng)機(jī)組運(yùn)行時(shí)間自動(dòng)均衡輪替運(yùn)轉(zhuǎn)；定時(shí)開關(guān)機(jī)；單臺(tái)雙機(jī)頭輪替功能；遠(yuǎn)端遙控功能；運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間限制；冬季防凍運(yùn)行；水泵連鎖啟動(dòng)運(yùn)行等。

● 顯示功能：可修改設(shè)定值；壓縮機(jī)排氣溫度；環(huán)境溫度；出回水溫度；高低壓壓力值；啟動(dòng)運(yùn)行電流值；兩器水側(cè)壓力值；水泵運(yùn)行時(shí)間；振動(dòng)頻率等。

3.5 冬季防凍運(yùn)行的特點(diǎn)

由于核電站冷水機(jī)組一年四季 24小時(shí)不停機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，在北京地區(qū)冬季運(yùn)行停機(jī)后，還設(shè)有冬季防凍運(yùn)行功能。具體表現(xiàn)在當(dāng)環(huán)境溫度低于 0℃時(shí)，且連續(xù)關(guān)機(jī)時(shí)間超過 30分鐘，啟動(dòng)水泵運(yùn)行；或者當(dāng)水溫低于4℃時(shí)（可設(shè)定）且環(huán)境溫度低于7℃時(shí)，連續(xù)關(guān)機(jī)時(shí)間超過 60分鐘，啟動(dòng)水泵運(yùn)行。當(dāng)水溫低于2℃（可設(shè)定），壓縮機(jī)投入運(yùn)行，當(dāng)水溫達(dá)到 15℃時(shí)（可設(shè)定），關(guān)閉壓縮機(jī)，當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到 0℃時(shí)且水溫達(dá)到 15℃時(shí)（可設(shè)定），關(guān)閉水泵。

3.6 夏季風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)液噴回路設(shè)計(jì)

考慮到北京地區(qū)夏季氣溫較高，通過引導(dǎo)部分冷媒注入壓縮機(jī)，冷卻壓縮機(jī)的機(jī)頭，保證壓縮機(jī)在正常工作溫度范圍內(nèi)工作。控制系統(tǒng)穩(wěn)定，保證壓縮機(jī)的高壓在正常范圍內(nèi)運(yùn)行。通過液噴回路控制機(jī)組制冷量做到持續(xù)最大運(yùn)行。

3.7 不同工況風(fēng)扇組的運(yùn)行控制模式

針對(duì)冬季氣候環(huán)境溫度過低，因冷凝壓力過低使得壓縮機(jī)高低壓差過小導(dǎo)致回油困難的情況，微電腦可根據(jù)不同季節(jié)工況對(duì)應(yīng)下的系統(tǒng)壓力對(duì)不同組的風(fēng)扇進(jìn)行自動(dòng)分組運(yùn)行控制，精準(zhǔn)的散熱量的控制使系統(tǒng)冬季運(yùn)行性能更加節(jié)能穩(wěn)定高效。另外也促進(jìn)了對(duì)水溫（冷/熱水）的精準(zhǔn)控制，水溫波動(dòng)可以控制在±1℃以內(nèi)，滿足核電等對(duì)水溫控制要求比較高的設(shè)計(jì)要求。

3.8 清洗和干燥

機(jī)組在工廠測(cè)試后，立即用水質(zhì)為A級(jí)的純水進(jìn)行清洗，然后用經(jīng)過濾的無油干燥壓縮空氣吹干蒸發(fā)器水管路。用清潔的孔蓋和孔塞封閉進(jìn)出水口保護(hù)法蘭接口和螺紋。

3.9 設(shè)計(jì)壽命

冷水機(jī)組設(shè)計(jì)壽命為 20年，所有易損件的設(shè)計(jì)目標(biāo)是兩年內(nèi)不需要維修。機(jī)組按設(shè)計(jì)要求能長時(shí)間處于熱備用狀態(tài)而不損壞。

3.10 啟動(dòng)特性

冷水機(jī)組在主被冷卻裝置設(shè)計(jì)規(guī)格書規(guī)定的倒流量下，能正常啟動(dòng)，而不會(huì)對(duì)機(jī)組帶來有害影響。

3.11 抗震要求

地震的發(fā)生是造成核電站事故的主要外部因素之一，盡管該項(xiàng)目所選廠址已充分考慮避開地震活躍地區(qū)，但在冷水機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)仍考慮地震因素，并將其作為審核抗震要求設(shè)計(jì)的重要因素。

4 工藝?yán)鋬鋈到y(tǒng)介紹

4.1 本工藝系統(tǒng)總制冷量為191kW，在大樓頂部設(shè)計(jì)安裝兩臺(tái) KLAW-060S(F)風(fēng)冷智能螺桿式冷水機(jī)組，系統(tǒng)一用一備模式，供回水溫度設(shè)定為 6℃/12℃。整個(gè)系統(tǒng)冷水機(jī)組的供水溫度最低5℃，供回水溫度最大溫差不超過8℃。

4.2 冷凍水系統(tǒng)采用開式循環(huán)水系統(tǒng)，大樓底部泵房采用兩用一備變頻整體式不銹鋼循環(huán)水泵（流量30M3/h，揚(yáng)程 36m），與冷水機(jī)組一對(duì)一的進(jìn)行并網(wǎng)配套，可根據(jù)冷凍水負(fù)荷溫度的變化自行加卸載（見圖5）；冷水機(jī)組補(bǔ)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)為鈉離子純水裝置補(bǔ)水，正常工況由主給水系統(tǒng)供水，特殊工況由輔助給水系統(tǒng)供水。供水采用一用一備進(jìn)口整體式不銹鋼增壓水泵（流量4.5m3/h，揚(yáng)程35m）。

圖5 冷卻水工藝系統(tǒng)圖

4.3 兩臺(tái)冷水機(jī)組及水泵運(yùn)行動(dòng)力設(shè)計(jì)做到工作運(yùn)行同時(shí)待機(jī)，并能自行根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)調(diào)整設(shè)備運(yùn)行時(shí)長輪替運(yùn)行和同時(shí)判斷設(shè)備故障進(jìn)行無間隙的切換運(yùn)行。系統(tǒng)全年 24小時(shí)不間斷的穩(wěn)定溫度冷凍水的供應(yīng)，避免了因設(shè)備極少概率突發(fā)故障的產(chǎn)生對(duì)被冷卻裝置安全運(yùn)行的影響。

4.4 因嚴(yán)苛的水質(zhì)要求，整個(gè)冷凍水系統(tǒng)管路、閥門及相應(yīng)配件均采用高等級(jí)316奧氏體不銹鋼的材質(zhì)配置，特殊地方還應(yīng)用到材質(zhì) PPR工程塑料管閥。部分閥門采用自力式溫度調(diào)節(jié)閥。整體水系統(tǒng)具有良好的機(jī)械性能、強(qiáng)抗腐蝕能力、良好塑性及抗斷裂韌性，并做室溫及高溫機(jī)械性能、晶粒度、晶間腐蝕及水壓測(cè)試。

4.5 水系統(tǒng)焊縫及堆焊層的檢驗(yàn)都在安裝前進(jìn)行取樣做機(jī)械性能和金相檢驗(yàn)。產(chǎn)品焊縫和堆焊層在熱處理和水壓試驗(yàn)后進(jìn)行外觀檢驗(yàn)、射線檢驗(yàn)、超聲波、液體、滲漏和磁粉檢驗(yàn)。

4.6 冷水系統(tǒng)中配置不銹鋼循環(huán)保溫緩沖蓄能水箱，內(nèi)部回水設(shè)計(jì)為特殊的布水裝置，相應(yīng)管路配有止回閥、比例調(diào)節(jié)閥等。

4.7 為減少腐蝕，水系統(tǒng)設(shè)置排污系統(tǒng)連續(xù)排污。4.8 考慮到核島系統(tǒng)的抗震要求，整體水系統(tǒng)和電控都按照抗震1類的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)施工。

5 結(jié)論

該風(fēng)冷螺桿冷水機(jī)組工藝?yán)鋮s系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，設(shè)備節(jié)能效果比較顯著，充分滿足了被冷卻裝置的需要。潔凈的水路系統(tǒng)，全天 24小時(shí)連續(xù)不停機(jī)運(yùn)行工況，完善的保護(hù)措施和抗震設(shè)計(jì)以及精確溫度控制技術(shù)都達(dá)到了工業(yè)冷水機(jī)組領(lǐng)域的最高水平。通過它可以借鑒到其他工業(yè)冷卻領(lǐng)域的冷卻，在初始工藝?yán)渌到y(tǒng)的設(shè)計(jì)及機(jī)組選型時(shí)應(yīng)用時(shí)需根據(jù)工程的具體情況進(jìn)行分析。選擇風(fēng)冷、水冷單臺(tái)或是多臺(tái)機(jī)組和配套設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)，并充分考慮到備用備份功能，以及一年四季工況負(fù)荷變化較大對(duì)冷水機(jī)組運(yùn)行范圍的影響，才能達(dá)到設(shè)備投資、運(yùn)行保障和運(yùn)行能耗的最大節(jié)約。

[1]崔巍. 核電冷水機(jī)組設(shè)備監(jiān)造的質(zhì)量控制[J]. 機(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量, 2011年02期

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Application and case studies of air-cooled screw water chillers used in nuclear power industry

Zeng Wei-cheng*1，Shen Zhi-xiang2
(1 - KuenLing Machinery Refrigerating (Shanghai) Co., Ltd., Shanghai 200336, China;2 - Shanghai Air-Conditioning & Refrigeration Institute, Shanghai 200003, China)

In this paper a practical high energy efficiency process chilled water system design is discussed based on the special features of energy saving operation of intelligent air-cooled screw water chillers and the influences on the economy, energy and environmental protection are analyzed and compared.

anti-vibration; stainless steel shell and tube heat exchanger; method of welding; anti-freezing operation; liquid inject

*曾偉城（1977-），男， 工程師，主要從事制冷空調(diào)設(shè)備的銷售和市場(chǎng)工作。聯(lián)系地址：上海市茅臺(tái)路1068號(hào)天祥大廈109室，郵編：200336。電話：18721210968，電子郵箱：wczeng@163.com。