新型核電冷凍水系統(tǒng)設(shè)計

沈楊梅

（南京源自電力自動化設(shè)備有限公司，江蘇 南京211800）

1 現(xiàn)有技術(shù)背景

隨著核能技術(shù)的發(fā)展以及新能源領(lǐng)域國家能源政策力度的加大，和平開發(fā)利用核能已經(jīng)成為我國能源發(fā)展的重點。到目前為止，我國核電建設(shè)及生產(chǎn)已經(jīng)積累了近20年的經(jīng)驗，核電站設(shè)備由原先國外成套引進(jìn)逐步變?yōu)橐M(jìn)關(guān)鍵設(shè)備、國內(nèi)配套部分設(shè)備，而國內(nèi)配套部分設(shè)備的國產(chǎn)化進(jìn)程已刻不容緩。

現(xiàn)有核電冷凍水系統(tǒng)與一、二級冷卻系統(tǒng)組成冷卻水循環(huán)回路。正常工作時通過冷凍水循環(huán)泵使恒溫水箱中冷卻水在循環(huán)回路中不斷循環(huán)，當(dāng)冷卻水溫度高于或低于預(yù)設(shè)溫度時壓縮機(jī)工作，開始對恒溫水箱中冷卻水進(jìn)行制冷或制熱，確保循環(huán)回路水溫恒定；同時，除鹽水由除鹽水管路送至冷凍水系統(tǒng)裝置后，通過熱交換器和恒溫水箱中的冷卻水進(jìn)行熱交換，達(dá)到預(yù)定的溫度。目前在用核電冷凍水裝置在系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)上存在以下缺陷：無備用工作系統(tǒng)，當(dāng)該裝置需要定期維修或系統(tǒng)中任一部件出現(xiàn)問題而停止工作時，直接導(dǎo)致冷卻循環(huán)回路中其他設(shè)備無法正常工作；在冬季溫度較低時，單一靠壓縮機(jī)制熱水溫控制效果不理想。因此，很有必要在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)之上，研發(fā)一種結(jié)構(gòu)設(shè)計合理、檢修方便、工作效率高、可滿足核電連續(xù)長期可靠運行要求的核電冷凍水系統(tǒng)。

2 新型核電冷凍水系統(tǒng)的構(gòu)成

新型核電冷凍水系統(tǒng)采用了兩個并列的相同工作單元，很好地解決了現(xiàn)有核電冷凍水系統(tǒng)無備用工作單元的問題；針對冬季溫度較低，增加了輔助電加熱裝置，極大地改善了單一靠壓縮機(jī)制熱水溫控制效果不理想的狀況。如圖1所示，該系統(tǒng)包括：電控箱1，與電控箱1相連的兩個并列的相同工作單元，所述工作單元包括水冷壓縮冷凝機(jī)組2、恒溫水箱3、安裝在恒溫水箱3內(nèi)的輔助電加熱裝置4、與恒溫水箱3相連通的冷凍水循環(huán)泵5、與冷凍水循環(huán)泵5相連的進(jìn)出水管路6。

3 新型核電冷凍水系統(tǒng)的工作原理

新型核電冷凍水系統(tǒng)中的電控箱連接有兩個并列的相同工作單元，其中一個工作單元作為正常運行單元，另一個工作單元作為備用工作單元，當(dāng)正常運行的工作單元出現(xiàn)故障時，備用工作單元啟動工作，可以方便維修和保持恒溫控制。

水冷壓縮冷凝機(jī)組實際工作時，壓縮機(jī)用來實現(xiàn)制冷或制熱功能。水冷壓縮冷凝機(jī)組由蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥4個部件以及連接各部件的接管組成。制冷劑對外界保持氣密，在制冷系統(tǒng)中按一定的方向循環(huán)運作，利用制冷劑的集態(tài)變化來轉(zhuǎn)移熱量，即制冷劑蒸發(fā)時吸熱，冷凝時放熱。

制冷時，打開制冷電磁閥，此時蒸發(fā)器中低溫低壓的液態(tài)制冷劑從被冷卻的冷卻水中吸取熱量，變成過熱氣態(tài)制冷劑，冷卻水被吸收熱量后得到冷卻；過熱氣態(tài)制冷劑被壓縮機(jī)吸入，進(jìn)行壓縮，變成高溫高壓的壓縮氣態(tài)制冷劑；該氣態(tài)制冷劑進(jìn)入冷凝器后，被常溫常壓的除鹽水冷卻液化，重新變成液態(tài)制冷劑；經(jīng)膨脹閥急劇地節(jié)流減壓，變成低溫低壓的液態(tài)制冷劑，再次進(jìn)入蒸發(fā)器進(jìn)行循環(huán)。膨脹閥起著分割制冷循環(huán)中高壓區(qū)域與低壓區(qū)域的作用。

圖1 新型核電冷凍水系統(tǒng)

制熱時，打開制熱電磁閥，此時高溫高壓的氣態(tài)制冷劑在蒸發(fā)器中放出熱量，冷卻水被加熱，低溫的氣態(tài)制冷劑被壓縮機(jī)吸入，進(jìn)行壓縮，變成高溫高壓的壓縮氣態(tài)制冷劑，重新回到蒸發(fā)器中進(jìn)行循環(huán)。

除以上幾部分外，水冷壓縮冷凝機(jī)組還有一些必不可少的輔助功能元件：干燥過濾器，用來祛除制冷劑中的水分及夾雜物，防止膨脹閥出現(xiàn)冰堵和臟堵；冷凝壓力調(diào)節(jié)閥，在設(shè)定冷凝壓力后，該閥能自動調(diào)節(jié)水量以維持恒定的冷凝壓力，該閥一經(jīng)設(shè)定，切勿隨意調(diào)節(jié)；高低壓壓力開關(guān)，制冷劑壓力特別高或特別低時，能自動停止運轉(zhuǎn)，防止不正常運轉(zhuǎn)引起事故；電磁閥，分為液體電磁閥和氣體電磁閥，主要是通過電訊號的作用自動開啟或關(guān)閉制冷劑通道，制冷時打開液體電磁閥通道，制熱時打開氣體電磁閥通道。

循環(huán)泵將冷卻水從恒溫水箱循環(huán)至蒸發(fā)器中，在壓縮機(jī)制冷時，低溫低壓的制冷劑在蒸發(fā)器中蒸發(fā)，此時通過蒸發(fā)器的冷卻水被冷卻；當(dāng)壓縮機(jī)制熱時，通過蒸發(fā)器的冷卻水被加熱。被冷卻或加熱的冷卻水隨后回到水箱中，不斷循環(huán)，直至冷卻水溫度達(dá)到預(yù)設(shè)值。當(dāng)環(huán)境溫度過低、壓縮機(jī)對冷卻水制熱無法達(dá)到預(yù)設(shè)值時，恒溫水箱內(nèi)的輔助電加熱裝置開始工作，與壓縮機(jī)同時對冷卻水進(jìn)行加熱，直至達(dá)到需要的溫度。

4 新型核電冷凍水系統(tǒng)的電氣設(shè)計

在恒溫水箱上裝有磁翻板液位計，它會根據(jù)水箱中液位向電控箱發(fā)送3個開關(guān)量信號：

（1）當(dāng)恒溫水箱中液位下降至低液位時，電控箱收到補(bǔ)水信號，控制補(bǔ)給水進(jìn)水電磁閥對水箱進(jìn)行補(bǔ)水。

（2）恒溫水箱補(bǔ)水后液位上升至高液位時，高液位開關(guān)信號發(fā)出，系統(tǒng)停止對水箱補(bǔ)水。

（3）當(dāng)補(bǔ)水信號發(fā)出后，液位仍繼續(xù)下降至低液位，此時輔助電加熱裝置會暴露在空氣中出現(xiàn)干燒，液位計將發(fā)出報警信號，電控箱自動停止常用工作單元運行，備用工作單元啟動。

在該新型核電冷凍水系統(tǒng)中，電控箱控制整個裝置的自動運行，遇有故障能自動停機(jī)，啟用備用工作單元。該系統(tǒng)中還設(shè)計了安全保護(hù)裝置、壓縮機(jī)防過熱元件，由于壓縮機(jī)缺相或超負(fù)荷運轉(zhuǎn)等原因引起電動機(jī)線圈溫度異常升高時，能自動停機(jī)；循環(huán)水泵用過電流繼電器，防止水泵電動機(jī)超負(fù)荷運轉(zhuǎn)引起燒毀事故；電源缺相及相序保護(hù)，供電電源三相中缺少任意一相，或三相相序與機(jī)組不符時，機(jī)組自動停機(jī)。

5 新型核電冷凍水系統(tǒng)的管路設(shè)計

進(jìn)出水管路包括循環(huán)冷卻水進(jìn)出管路、除鹽水進(jìn)出管路和補(bǔ)給水進(jìn)水管路3個對外循環(huán)回路接口。當(dāng)冷凍水循環(huán)泵運行時，將恒溫水箱中冷卻水通過冷卻水進(jìn)出管路循環(huán)至一、二級冷卻系統(tǒng)，最后回到恒溫水箱中，調(diào)節(jié)整個循環(huán)回路的溫度。當(dāng)需要制冷時，除鹽水從除鹽水進(jìn)出管路進(jìn)入水冷壓縮冷凝機(jī)組中，通過熱交換器與冷卻水進(jìn)行熱交換，達(dá)到預(yù)定溫度。當(dāng)冷卻水循環(huán)損耗造成恒溫水箱中冷卻水液位下降時，系統(tǒng)將通過補(bǔ)給水進(jìn)水管路對恒溫水箱進(jìn)行補(bǔ)水。

設(shè)備正常工作時啟動常用工作單元，此時備用單元不工作。進(jìn)出水管路與一、二級冷卻系統(tǒng)組成冷卻水循環(huán)回路，并提供除鹽水進(jìn)出回路接口和恒溫水箱中冷卻水補(bǔ)給水接口，啟動冷凍水循環(huán)泵使恒溫水箱中冷卻水在循環(huán)回路中循環(huán)，水冷壓縮冷凝機(jī)組對冷卻水進(jìn)行制冷或加熱直至達(dá)到需要的溫度。當(dāng)冬季溫度很低、水冷壓縮冷凝機(jī)組不能維持正常溫度時，輔助電加熱裝置同時啟動，對冷卻水進(jìn)行加熱，直至達(dá)到恒溫的目的。其中電控箱用來控制水冷壓縮冷凝機(jī)組、輔助電加熱裝置和冷凍水循環(huán)泵的自動運行。

6 結(jié)語

新型核電冷凍水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計更合理、操作方便、自動化程度高、維修方便、工作效率高、適用范圍廣、恒溫控制效果好，可滿足核電連續(xù)長期可靠運行的要求。