秦山二期核島冷凍水系統(tǒng)（DEG）的運(yùn)行

王靖宇

1 DEG系統(tǒng)功能及組成

核島冷凍水系統(tǒng)（DEG）是一個閉合式冷卻系統(tǒng)，主要向安全殼連續(xù)通風(fēng)系統(tǒng)EVR，反應(yīng)堆堆坑通風(fēng)系統(tǒng)EVC，核輔助廠房通風(fēng)系統(tǒng)DVN，核燃料廠房通風(fēng)系統(tǒng)DVK，輔助給水泵房通風(fēng)系統(tǒng)DVG五個通風(fēng)系統(tǒng)的盤風(fēng)管以及RRI005RF（為REN在線分析儀二次側(cè)提供設(shè)備冷卻水）提供冷凍水。

DEG系統(tǒng)設(shè)計(jì)用于維持RX，NX，KX，WX廠房空間溫度，以防止廠房內(nèi)設(shè)備因環(huán)境溫度過熱而損壞，但它并不是與安全相關(guān)的系統(tǒng)，僅有兩個安全殼貫穿件是安全相關(guān)部件。一旦失去整個DEG系統(tǒng)功能，則必須在11h內(nèi)后撤到正常冷停堆，并立即監(jiān)測堆坑和安全殼大氣溫度。

本系統(tǒng)包括三套50%容量的機(jī)組（一套A列、兩套B列）并聯(lián)使用，分別由不同系列電源供電，并由不同系列柴油發(fā)電機(jī)提供應(yīng)急電源。其中兩套運(yùn)行，一套備用。三套機(jī)組的組成完全一致：一臺冷凍水循環(huán)泵001PO（002PO、003PO）;一臺冷凍機(jī)組101GF（201GF、301GF），它包括壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、膨脹閥、電氣控制盤等;對應(yīng)的RRI冷卻水設(shè)備和各用戶的閥門，相連接的管道，及公用的膨脹水箱（001BA）。

2 DEG系統(tǒng)的基本工作原理

DEG系統(tǒng)冷凍機(jī)組采用的是離心式制冷機(jī)，是蒸氣壓縮式制冷方式的一種。它由四個主要部件組成：壓縮機(jī)101CO（201CO、301CO）、冷凝器101CS（201CS、301CS）、節(jié)流閥（孔板）185KD和蒸發(fā)器101EV（201EV、301EV），分別對應(yīng)著四個必不可少的過程，簡如下圖。

圖1

冷凍機(jī)組就是將壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器四個主要部件組合在一起，使制冷劑分別在這四個不同的部件中受到壓縮、冷凝、膨脹擴(kuò)容、蒸發(fā)，隨著制冷劑壓力、溫度、相態(tài)的變化而變化，從而達(dá)到制冷目的。

壓縮過程：壓縮機(jī)101CO（201CO、301CO）把來自蒸發(fā)器101EV（201EV、301EV）低溫、低壓的制冷劑氣體，經(jīng)壓縮使其變成高壓、高溫氣體，排入冷凝器101CS（201CS、301CS）。

冷凝過程：由壓縮機(jī)101CO（201CO、301CO）來的高溫、高壓制冷劑蒸汽，在冷凝器101CS（201CS、301CS）中，由設(shè)備冷卻水系統(tǒng)（RRI）的冷卻水來冷卻，使其冷凝成為液體。冷卻水因與制冷劑發(fā)生了熱量交換而溫度升高，制冷劑溫度有所降低壓力不變。

膨脹過程：由冷凝器101CS（201CS、301CS）底部來的高溫、高壓制冷劑液體，流經(jīng)節(jié)流閥（孔板）185KD發(fā)生減壓膨脹，變?yōu)榈蛪?、低溫的液體進(jìn)入蒸發(fā)器101EV（201EV、301EV）。

蒸發(fā)過程：經(jīng)過節(jié)流閥（孔板）185KD減壓，進(jìn)入蒸發(fā)器的低壓、低溫制冷劑液體，與通向蒸發(fā)器101EV（201EV、301EV）的DEG系統(tǒng)12℃冷凍回水發(fā)生熱量交換，制冷劑液體吸取熱量后蒸發(fā)為制冷蒸汽，同時使冷凍水水溫度降低到7℃，從而實(shí)現(xiàn)了人工制冷。蒸發(fā)器內(nèi)的制冷劑蒸汽又被壓縮機(jī)吸入進(jìn)行壓縮，重復(fù)上述壓縮、冷凝、節(jié)流、蒸發(fā)過程，如此周而復(fù)始，達(dá)到連續(xù)制冷的目的。

3 制冷劑的選擇

從實(shí)際應(yīng)用、運(yùn)行方面來說，要求制冷劑在常溫下能液化，冷凝壓力不要太高，蒸發(fā)壓力不要太低，最好不要低于一個大氣壓，以防止空氣滲入。單位容積制冷量要大，不燃燒，不爆炸，對人體無毒，對制冷機(jī)所用材料無腐蝕性，與水及潤滑油不起化學(xué)變化等。我廠DEG系統(tǒng)所采用的制冷劑是R-134a，其主要性質(zhì)：

1）分子式為C2H2F4。

2）低沸點(diǎn)：在常壓下是氣體（常壓下的沸點(diǎn)為-26.88℃）。

3）無色、無異臭、不燃、與空氣作任何比例混合都不會發(fā)生爆炸，基本無毒。

4）液態(tài)R134a無色、透明、不與水混合、比水重、水浮于液體R134a的表面。

5）R134a對一般常用金屬銅、鐵、鉛等均無腐蝕性。

6）R134a與一般礦物性潤滑油基本不相溶液，但與脂類潤滑油有很好的相溶性，故用脂類潤滑油R134a作制冷劑，以免礦物性潤滑油逐漸變質(zhì)的過程中形成油泥堵塞管道。

7）R134a氣體比空氣約重4.3倍。

8）制冷劑R134a飽和狀態(tài)下，壓力一溫度對應(yīng)表：

表1

制冷劑在整個制冷循環(huán)中就是一個充斥著液態(tài)氣化，氣態(tài)液化的周而復(fù)始的過程，而它在蒸發(fā)器內(nèi)相態(tài)怎樣變化？

1）制冷劑在節(jié)流閥前是高壓液體，經(jīng)過節(jié)流閥后即為低壓液、氣混合物。在蒸發(fā)器內(nèi)沸騰吸熱，由濕蒸氣繼續(xù)吸熱則成干飽和蒸氣，直到過熱成為過熱蒸氣。過熱蒸氣在系統(tǒng)中有利也有弊，其利是由于進(jìn)入壓縮機(jī)前的蒸氣中不含有液滴，因此不引起對壓縮機(jī)的液擊;其弊是蒸氣過熱度過高，會使制冷循環(huán)耗功增加，制冷系統(tǒng)效率降低。

2）制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)相態(tài)的變化是有順序的且連續(xù)，并逐漸深化的，既不會突變，又沒有明顯的界線。

4 制冷機(jī)主要運(yùn)行參數(shù)分析

在制冷機(jī)的運(yùn)行參數(shù)中，要關(guān)注很多的溫度與壓力參數(shù)，其中蒸發(fā)溫度和壓力以及冷凝溫度和壓力對制冷機(jī)組運(yùn)行效果影響最大。

4.1 蒸發(fā)溫度

蒸發(fā)器內(nèi)的制冷劑在一定的壓力下沸騰汽化，與此壓力相對應(yīng)的飽和溫度稱為蒸發(fā)溫度。蒸發(fā)溫度可以從熱力性質(zhì)表查得，如R134a 蒸發(fā)壓力為374.59Kpa（絕對壓力）時，它相應(yīng)的蒸發(fā)溫度為7℃。

蒸發(fā)溫度與制冷熱負(fù)荷、蒸發(fā)器的傳熱面積及壓縮機(jī)的容量有關(guān)。當(dāng)三個條件中一個或全部發(fā)生變化時，制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)壓力和溫度必須發(fā)生相應(yīng)變化。所以，只要改變這些條件，使它們互相適應(yīng)，就可以控制和調(diào)節(jié)制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度。

對于一個既定的制冷系統(tǒng)，壓縮機(jī)的容量和蒸發(fā)器的傳熱面積，都是固定不變的，但制冷負(fù)荷隨著生產(chǎn)情況和氣候而變化，因而冷凍水出口溫度或廠房內(nèi)溫度將產(chǎn)生波動。根據(jù)公式：

Q=KFΔt

可以看出，當(dāng)外界條件變化引起制冷負(fù)荷Q變化時，Δt也將相應(yīng)變化。例如，當(dāng)在夏季制冷負(fù)荷增大時，必然要求制冷循環(huán)中制冷劑循環(huán)量增加，這就要求 蒸發(fā)器中的蒸發(fā)量增大。而傳熱面積F和傳熱系統(tǒng)K可看作定值。壓縮機(jī)容量也定值。此時蒸發(fā)器中的蒸發(fā)量將大于壓縮機(jī)的吸氣量，所以蒸發(fā)器中的壓力升高，也即蒸發(fā)溫度提高，Δt減少。相反，如制冷負(fù)荷減少，蒸發(fā)器的蒸發(fā)量小于壓縮機(jī)的吸氣量，蒸發(fā)壓力和溫度就逐漸下降，Δt增大使循環(huán)重新趨向平衡。

當(dāng)制冷負(fù)荷及壓縮機(jī)容量不變時，若蒸發(fā)器的傳熱面積減小，則蒸發(fā)壓力降低;傳熱面積增加，蒸發(fā)溫度相應(yīng)升高。因?yàn)閭鳠崦娣e減少時，壓縮機(jī)的吸氣量大于蒸發(fā)器的蒸發(fā)量，使蒸發(fā)溫度和壓力下降，Δt增大;相反若蒸發(fā)器的傳熱面積增大，則蒸發(fā)器中的蒸發(fā)量增加，蒸發(fā)量大于吸氣量，蒸發(fā)壓力的溫度上升。制冷系統(tǒng)運(yùn)行時，蒸發(fā)溫度的變化可以通過調(diào)節(jié)閥的開度來調(diào)節(jié)。

4.2 冷凝溫度

一臺制冷機(jī)的最高冷凝溫度受到壓縮機(jī)及冷凝器設(shè)計(jì)條件的限制，在保持冷凝溫度處于允許范圍內(nèi)，而冷卻水溫度提高，或冷卻水量減少，進(jìn)出水溫差增大，可節(jié)省冷卻水費(fèi)用及減少設(shè)備投資。但冷凝溫度提高（也即冷凝壓力提高），使壓縮機(jī)的功耗增加。從發(fā)揮制冷機(jī)效能著眼，冷凝溫度愈低愈好。

制冷機(jī)冷凝溫度過高主要有以下原因：

1）冷凝器傳熱面積過小。

2）冷凝器傳熱管表面有污垢。

3）冷卻水溫度升高或冷卻水量不足。

4）系統(tǒng)中有不凝性氣體。

5 DEG系統(tǒng)的運(yùn)行及操作

5.1 DEG冷凍機(jī)組的啟動

冷凍機(jī)組有一個從10%到100%的容量控制系統(tǒng)，用以保持恒定的冷凍水出口溫度。溫度控制器的傳感器位于蒸發(fā)器的冷凍水出口處。機(jī)組的制冷量正比于壓縮機(jī)的吸入流量。為此，在離心壓縮機(jī)進(jìn)口裝有可調(diào)導(dǎo)葉調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，用它來控制壓縮機(jī)的吸入流量，亦可控制制冷劑的蒸發(fā)量，從而實(shí)現(xiàn)制冷量可以在一定范圍內(nèi)無級調(diào)節(jié)。

RRI系統(tǒng)的水控制閥DEG105VN、205VN、305VN 分別裝設(shè)在相應(yīng)于冷凝器101CS、201CS、301CS的出口處。它們在相應(yīng)的壓縮機(jī)電動機(jī)101MO、201MO、301MO 剛要通電前開啟，并在冷水機(jī)組停運(yùn)后延時10分鐘關(guān)閉。

DEG冷水機(jī)組開機(jī)時，操作人員必須在“本地”啟動制冷機(jī)組。啟動步驟如下：

1）確認(rèn)設(shè)冷水系統(tǒng)閥門RRI146VN和551VN氣動閥已打開，系統(tǒng)正常。

2）檢查制冷機(jī)組的油溫已加熱到40℃以上。

3）確認(rèn)壓縮機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉已關(guān)到零，冷水機(jī)組沒有目前故障。

4）在DEG冷凍機(jī)組主畫面中，“主機(jī)”選擇本地，“導(dǎo)葉”選擇手動。

5）確認(rèn)冷凍水系統(tǒng)閥門開關(guān)狀態(tài)，冷凍水膨脹水箱液位正常，主控啟動相應(yīng)冷凍水泵，旋動相應(yīng)的機(jī)組控制旋鈕至“開”位“按下”，機(jī)組相應(yīng)的冷卻水（RRI）閥打開。

6）在主畫面中啟動機(jī)組。油泵先投入運(yùn)行，數(shù)秒鐘后主機(jī)啟動。

7）因?qū)~處于手動，導(dǎo)葉開始會自動開到10%，就自動停止再開。根據(jù)“參數(shù)顯示”中主機(jī)電流、冷凍水進(jìn)出口溫度來手動調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開度。

8）等20分鐘，確認(rèn)冷凍機(jī)組參數(shù)穩(wěn)定且正常。

在以下6種情況時突然停機(jī)：

1）冷凍水溫過低，低于5℃;

2）冷卻水（RRI—設(shè)冷水）斷水;

3）冷凍水?dāng)嗨?

4）供油壓差過低 ，低于98kPa;

5）供油溫度超過58℃;

6）主機(jī)電流超過額定電流 65A×115%=74.75A。

5.2 DEG機(jī)組就地手動停運(yùn)

1）主機(jī)在運(yùn)行時，按主機(jī)觸摸開關(guān)，彈出停機(jī)開關(guān)“確認(rèn)”、“放棄” 鍵，按確認(rèn)鍵，主機(jī)立刻自動停機(jī)，同時自動關(guān)閉導(dǎo)葉

2）電話通知主控按下相應(yīng)“機(jī)組設(shè)冷水電動一體開關(guān)”，延時10分鐘后，機(jī)組設(shè)冷水電動閥自動關(guān)閉。

3）停相應(yīng)冷凍水泵。

5.3 壓縮機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)

秦山二期使用的壓縮機(jī)為離心式壓縮機(jī)：

壓縮機(jī)將蒸發(fā)器來的氣體經(jīng)由其的進(jìn)氣室（導(dǎo)葉）進(jìn)入葉輪的吸入口，由于葉輪以高速轉(zhuǎn)動，就把葉輪間的氣體以高速度甩出去，氣體在甩出的過程中，葉輪對氣體作了功，此時氣體的速度增大，同時壓力也增高。從能量轉(zhuǎn)化的角度看，這時速度能轉(zhuǎn)化為壓力能和熱能。這時從葉輪出來的高溫高壓氣體通過蝸殼引導(dǎo)到排氣管道，進(jìn)入冷凝器冷卻。該壓縮機(jī)具有以下特點(diǎn)：

1）壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速高，在突然啟停過程中，極易損壞增速齒輪.葉輪等高速旋轉(zhuǎn)部件。導(dǎo)葉可在額定負(fù)荷范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速跟蹤負(fù)荷變化，長期持續(xù)低負(fù)荷運(yùn)行（指導(dǎo)葉在20%開度以下）是應(yīng)禁止或避免的。而實(shí)際上我們的導(dǎo)葉開度經(jīng)常在20%以下，這時極易發(fā)生喘振現(xiàn)象（機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)中發(fā)生喘振時，冷媒氣體在冷凝器和壓縮機(jī)之間來回倒流撞擊，壓縮機(jī)內(nèi)氣流發(fā)生脈動，脈動的次數(shù)大約每秒鐘一次。機(jī)組喘振時伴著刺耳的噪聲，機(jī)組產(chǎn)生劇烈的振動并且軸承溫度急劇上升），這也是離心式機(jī)組避免低負(fù)荷運(yùn)行的原因，喘振會損壞導(dǎo)葉執(zhí)行機(jī)構(gòu)和整套壓縮機(jī)制冷裝置。這應(yīng)該是設(shè)計(jì)上設(shè)備功能與實(shí)際應(yīng)用要求的不吻合，現(xiàn)在只能是通過就地多巡檢以及手動干預(yù)。

2）制冷機(jī)主電機(jī)和潤滑油是靠冷媒（即制冷劑R134a）來冷卻的，其冷卻原理是：利用冷凝器和蒸發(fā)器壓力差驅(qū)動冷媒流過電機(jī)和油冷卻器帶走熱量，壓差過小，供的制冷劑液就要減少，電機(jī)就會產(chǎn)生過熱危險(xiǎn)， 而該壓差值又取決于冷卻水溫和冷凍水溫。二期冬天RRI冷卻水溫可低到8-12℃，此值與設(shè)計(jì)冷卻水溫15-35℃偏差較大，因此造成冬季運(yùn)行時壓差低即低能頭運(yùn)行（正常為250Kpa），從而極易出現(xiàn)電機(jī)繞組局部過熱損傷，冷卻不均;以及供油溫度高跳機(jī)。現(xiàn)在在冬天主要靠關(guān)小導(dǎo)葉開度和節(jié)流設(shè)冷水流量來小心控制。

3）喘振現(xiàn)象產(chǎn)生的原因：

（1）冷凝壓力過高或吸氣壓力（即蒸發(fā)壓力）過低。

（2）機(jī)組低負(fù)荷導(dǎo)葉調(diào)節(jié)時，也易產(chǎn)生喘振。

要避免喘振就應(yīng)該保持冷凝、蒸發(fā)壓力穩(wěn)定，避免低負(fù)荷運(yùn)行，這在冬季實(shí)際運(yùn)行過程中由于RRI冷卻水溫低，以上兩點(diǎn)都很難避免。

5.4 冷卻劑的提純

在DEG系統(tǒng)中潤滑油與液態(tài)制冷劑是可以互溶的。DEG中的一部分潤滑油是以和制冷劑相溶的狀態(tài)存在于制冷系統(tǒng)中。另一部分潤滑油，則循環(huán)于壓縮機(jī)油箱及被潤滑面和整個潤滑系統(tǒng)。在DEG制冷機(jī)運(yùn)行中，潤滑油從壓縮機(jī)的軸承、齒輪箱的平衡管混入壓縮機(jī)的制冷機(jī)的氣體中，后流入蒸發(fā)器;從主電動電機(jī)兩軸承處潤滑油也有可能進(jìn)入電機(jī)內(nèi)腔，然后，隨同用R-134a制冷劑噴射冷卻電機(jī)汽化的冷媒氣體，從電機(jī)回汽管進(jìn)入蒸發(fā)器。所有從以上兩種渠道進(jìn)入蒸發(fā)器的潤滑油都不蒸發(fā)，天長日久，蒸發(fā)器中油越來越多，同時，油箱中油越來越少。這時我們就要通過冷媒回收處理方法，將潤滑油與制冷劑分離，把油回收到油箱中。

當(dāng)DEG機(jī)組在運(yùn)行過程中，發(fā)現(xiàn)油箱中油位（151LN）愈來愈低，低于現(xiàn)場油標(biāo)簽刻度2cm時，運(yùn)行人員應(yīng)做冷媒提純工作。冷媒提純裝置示意圖如圖2。

冷媒提純的步驟：

1）機(jī)組啟動后，觀察機(jī)組顯示屏中供油壓差是否>147kPa，一般在300kPa左右，確認(rèn)油泵、機(jī)組運(yùn)行正常;

2）用板手打開“F20”供液閥2圈（此閥的吸入源頭是在蒸發(fā)器液表面上部，它的作用是將混入到蒸發(fā)器液面上潤滑油與制冷劑混合物吸入冷媒提純裝置。）;

3）用板手打開“F29”回汽閥1圈（此閥是將提純后的制冷劑回收到蒸發(fā)器中。）分離出來的油通過文丘里管作用送回油箱;

4）由于冷媒提純、油回收受機(jī)內(nèi)壓差、閥門開度大、小的影響，為此時間很不好確定，快至1～2小時就見效，慢至幾個班，注意觀察油箱中油位上升情況;

5）當(dāng)油箱視鏡中油位于上升到6cm處，就可關(guān)閉F20、F29閥門。

5.5 冷凍水系統(tǒng)的運(yùn)行

在正常運(yùn)行狀態(tài)或熱停堆期間，兩套容量為50%的冷水機(jī)組/循環(huán)水泵處于工作狀態(tài)。DEG系統(tǒng)冷凍水的名義流量1#核電機(jī)組為688m3 /h（2#核電機(jī)組為665m3 /h）。正常運(yùn)行時，流量值保持不變。EVC 和EVR 的所有冷卻盤管都由DEG 系統(tǒng)連續(xù)供水，以保持正確的流量分配，并可隨時切換至EVR系統(tǒng)和EVC系統(tǒng)的備用冷卻盤管。在EVR 系統(tǒng)中，通常在4臺冷卻盤管中有2臺處于工作狀態(tài)，同樣在EVC系統(tǒng)中也是在4臺冷卻盤管中有2臺處于工作狀態(tài)。

DVN，DVK 和DVG 的冷卻盤管均裝有三通控制閥，以保持通過每一支管的流量恒定。在這種配置中，兩臺冷水機(jī)組可調(diào)節(jié)其自身的容量，以滿足DVN，DVG，DVK 和RRI（REN 在線分析儀）冷負(fù)荷需求的變化。

在冬季只有反應(yīng)堆廠房需要冷凍水，因此，只用一臺冷水機(jī)組就可以滿足這一要求。另外兩臺冷水機(jī)組則處于隨時可用的備用狀態(tài)。此時必須通過關(guān)閉與DVN、DVK 和RRI 這些用戶有關(guān)的隔離閥來隔離這些用戶，這樣會改變冷凍水循環(huán)泵的運(yùn)行點(diǎn)，從而來改變冷凍水的流量。

6 DEG系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行存在的問題

三臺冷水機(jī)組的進(jìn)水、出水管布置不合理，使三臺冷水機(jī)組的進(jìn)出水不能均勻混合。當(dāng)有兩臺制冷機(jī)運(yùn)行時，冷凍水各自循環(huán)一條回路，使制冷機(jī)的負(fù)荷分配不均。

在冬季只有反應(yīng)堆廠房需要冷凍水，且設(shè)冷水的水溫和冷凍水的水溫幾乎差不多，機(jī)組導(dǎo)葉開度關(guān)到10%有時還不行，冷凍水過冷而跳機(jī)，對機(jī)組正常運(yùn)行非常不利?，F(xiàn)采取的方法有：

1）將DEG冷凍機(jī)組放手動，這樣可以將其冷凍水出口溫度低跳機(jī)值由6℃降低到5℃;

2）再啟動一臺冷凍水泵，用于提高冷凍水溫。

7 結(jié)束語

通過對DEG冷凍機(jī)組的一點(diǎn)介紹，希望在實(shí)際工作中對大家有一定的幫助與支持，能夠清楚地掌握機(jī)組的運(yùn)行情況，及時地發(fā)現(xiàn)并排除機(jī)組故障，對保護(hù)反應(yīng)堆安全運(yùn)行有著重要的意義。

【參考文獻(xiàn)】

[1]秦山第二核電廠.DEG系統(tǒng)手冊[Z].

[2]秦山第二核電廠.核電廠中級運(yùn)行[Z].

[3]徐永康.二核冷凍運(yùn)行管理[Z].

[責(zé)任編輯：楊玉潔]