一種新型核電站用制冷系統(tǒng)油位控制技術(shù)設(shè)計(jì)

朱蕓蕓 張鳳霖 陸松

中國核電工程有限公司

0 引言

核電是一種經(jīng)濟(jì)、清潔的能源，可有效解決日益嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。隨著兩個(gè)核電規(guī)劃的通過，核電建設(shè)規(guī)模在不斷擴(kuò)大[1]。核電安全是核電事業(yè)健康發(fā)展的關(guān)鍵，核電站在地震事故下的安全性也一直是社會(huì)及公眾關(guān)注的焦點(diǎn)。地震具有極大的隨機(jī)性和不確定性，是對(duì)核電站安全威脅最大的自然因素，與一般的工業(yè)及民用建筑相比核電站具有較高的抗震要求[2-3]，因此研究核電廠內(nèi)系統(tǒng)及設(shè)備在地震時(shí)的運(yùn)行與控制十分重要。發(fā)生地震時(shí)，部分核級(jí)通風(fēng)系統(tǒng)需要為廠內(nèi)設(shè)備提供安全的運(yùn)行環(huán)境、控制污染氣體的排放等，而相關(guān)制冷系統(tǒng)也需保證連續(xù)可靠運(yùn)行為通風(fēng)系統(tǒng)提供冷源。

壓縮機(jī)作為制冷系統(tǒng)中的一個(gè)主要部件，承擔(dān)制冷劑的輸送和壓縮，其可靠性直接影響制冷系統(tǒng)的運(yùn)行。壓縮機(jī)時(shí)刻處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)，內(nèi)部各部件之間為保證良好運(yùn)行，設(shè)計(jì)有油回路以保證其潤滑、密封，提高壓縮機(jī)工作效率，降低噪聲等[4]。對(duì)于目前核電站用制冷系統(tǒng)中，為保證壓縮機(jī)連續(xù)可靠運(yùn)行，在潤滑油循環(huán)回路中的油分離器內(nèi)采用油位控制，在油位低時(shí)報(bào)警停運(yùn)機(jī)組，避免因缺油損壞設(shè)備。但當(dāng)發(fā)生地震時(shí)，油位大幅度波動(dòng)，很容易發(fā)生報(bào)警誤動(dòng)作，引起壓縮機(jī)及制冷系統(tǒng)的停運(yùn)，進(jìn)而影響廠內(nèi)其他相關(guān)系統(tǒng)，對(duì)核電站安全性、經(jīng)濟(jì)性造成不利影響。因此，本文提出一種適用于核電站的新型制冷系統(tǒng)油位控制技術(shù)，以保證在發(fā)生地震時(shí)，制冷系統(tǒng)能夠連續(xù)可靠運(yùn)行。

1 制冷系統(tǒng)中油位控制技術(shù)的作用

潤滑油回路是整個(gè)制冷系統(tǒng)中重要的組成部分，潤滑油通過被引入壓縮機(jī)內(nèi)部各運(yùn)動(dòng)部件接觸部位，形成油膜對(duì)其進(jìn)行潤滑、密封、冷卻、減震、降噪、卸載等[5]。然而潤滑油也會(huì)對(duì)制冷循環(huán)系統(tǒng)帶來一些不利影響，如蒸汽式壓縮制冷系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)制冷劑與潤滑油為相互混合的狀態(tài)，壓縮機(jī)在排出制冷劑氣體時(shí)，一定量的潤滑油也會(huì)被同時(shí)排出。如果回油不暢，不僅會(huì)造成壓縮機(jī)失油，潤滑不足，軸承面磨損，損壞壓縮機(jī)。潤滑油在經(jīng)過冷凝器和蒸發(fā)器時(shí)，還會(huì)在兩個(gè)換熱器傳熱管道的內(nèi)部形成一層油膜，由于油膜的導(dǎo)熱系數(shù)小，換熱器傳熱熱阻隨之增加，會(huì)使整個(gè)制冷系統(tǒng)的換熱效率降低[6]。

根據(jù)現(xiàn)有研究，當(dāng)潤滑油在制冷系統(tǒng)內(nèi)的循環(huán)量大于3%時(shí)，換熱效率下降；當(dāng)潤滑油在制冷系統(tǒng)內(nèi)的循環(huán)量大于5%時(shí)，制冷量下降將超過10%，同時(shí)隨著潤滑油在系統(tǒng)中循環(huán)量的上升，其功耗也會(huì)越來越大[7]。因此需要設(shè)置潤滑油回路，并在壓縮機(jī)排氣端設(shè)置油分離器，用于分離進(jìn)入系統(tǒng)循環(huán)中的潤滑油，并使其重新返回壓縮機(jī)中。同時(shí)為了保證制冷系統(tǒng)連續(xù)可靠的運(yùn)行，使壓縮機(jī)處于良好的潤滑狀況，需要在油分離器中設(shè)置油位控制，在壓縮機(jī)出現(xiàn)缺油時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，及時(shí)對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行補(bǔ)油動(dòng)作。

目前核電站中采用的開啟式壓縮機(jī)和外置油分離器的制冷系統(tǒng)如圖1 所示，包含潤滑油回路——由儲(chǔ)油式油分離器、油過濾器、供油電磁閥、單向閥等組成，以及制冷劑回路——由冷凝器、蒸發(fā)器、膨脹閥、儲(chǔ)液器等部件組成。制冷劑回路與潤滑油回路中所含的潤滑油在油分離器中匯合后回流至壓縮機(jī)，潤滑油的連續(xù)循環(huán)能夠保證壓縮機(jī)的持續(xù)可靠運(yùn)行。制冷系統(tǒng)中采用的油分離器一般可兼顧儲(chǔ)油功能，利用其下部進(jìn)行儲(chǔ)油，如果油分離器中的油位控制技術(shù)不當(dāng)，容易造成油位開關(guān)誤動(dòng)作或者油分離器內(nèi)潤滑油不能正?；亓髦翂嚎s機(jī)，將會(huì)引起壓縮機(jī)停運(yùn)甚至損壞壓縮機(jī)。

圖1 現(xiàn)有制冷系統(tǒng)油位控制技術(shù)示意圖

2 目前應(yīng)用油位控制技術(shù)分析

油位控制方面，目前有在油分離器內(nèi)布置油加熱器、油溫度傳感器與油位開關(guān)的方法。其中油位開關(guān)可實(shí)現(xiàn)對(duì)油位過低保護(hù)，在核電站用制冷系統(tǒng)中采用該種油位控制方式。由于油分離器裝置內(nèi)部空間較大，在發(fā)生地震等情況時(shí)，震動(dòng)會(huì)引起油位大幅度波動(dòng)，對(duì)于應(yīng)用油位開關(guān)的油分離器，容易因波動(dòng)觸發(fā)報(bào)警誤動(dòng)作，引起壓縮機(jī)及制冷系統(tǒng)的停運(yùn)。對(duì)于核電站中部分有特殊要求的制冷系統(tǒng)，需要考慮在地震等情況下保持連續(xù)可靠運(yùn)行，目前采用的油分離器油位控制技術(shù)在地震情況下引起的制冷系統(tǒng)停運(yùn)，會(huì)對(duì)核電站安全性、經(jīng)濟(jì)性造成不利影響。因此，核電站用制冷系統(tǒng)對(duì)油位控制的技術(shù)，需要采用更合理、可靠的新型控制方式，以保證制冷系統(tǒng)在特殊工況中的連續(xù)運(yùn)行，避免核電站不必要的非正常停堆，從而實(shí)現(xiàn)核電廠安全可靠的運(yùn)行。

3 新型制冷系統(tǒng)油位控制技術(shù)

為了解決以上問題，本文提出一種新型制冷系統(tǒng)油位控制技術(shù)，以保證在發(fā)生地震時(shí)，壓縮機(jī)及制冷系統(tǒng)能夠連續(xù)可靠運(yùn)行。該種技術(shù)在傳統(tǒng)油位開關(guān)控制的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，能夠有效預(yù)防地震情況下壓縮機(jī)及制冷系統(tǒng)的非必要停運(yùn)，從而避免核電站的非正常停堆，具有較高的可實(shí)施性與經(jīng)濟(jì)性。

3.1 工作原理

新型核電站用制冷系統(tǒng)油位控制技術(shù)如圖2 所示，潤滑油回路包含油分離器、緩沖油槽、油過濾器、供油電磁閥、排氣電磁閥、壓差控制器、單向閥等，該新型油位控制技術(shù)是在現(xiàn)有油位控制技術(shù)的基礎(chǔ)上增加了緩沖油槽、排氣電磁閥、壓差控制器以及配置相應(yīng)油位開關(guān)，以有效避免在地震情況下油位波動(dòng)造成的制冷系統(tǒng)停運(yùn)。

圖2 本文提出的新型制冷系統(tǒng)油位控制技術(shù)示意圖

增加緩沖油槽布置于油分離器下游、壓縮機(jī)供油口的上游，壓縮機(jī)排油與油分離器底部出油匯合后，在壓差作用下，即高壓側(cè)油分離器與低壓側(cè)供油口之間的壓差，經(jīng)油過濾器、緩沖油槽、電磁閥后，循環(huán)進(jìn)入壓縮機(jī)供油口，形成完整的潤滑油回路。對(duì)于該新型油位控制技術(shù)，將油位開關(guān)設(shè)置在緩沖油槽中，而油分離器中只需配置油加熱器、油溫度傳感器等。該技術(shù)中潤滑油回路的供油電磁閥設(shè)置在緩沖油槽出口處，停機(jī)時(shí)該閥門斷電，供油管路斷開，防止緩沖油槽內(nèi)潤滑油在壓差作用下被排到壓縮機(jī)中，避免緩沖油槽低油位報(bào)警，導(dǎo)致無法再次開機(jī)。

3.2 關(guān)鍵部件

緩沖油槽位于油分離器下游，其容積較小，約為儲(chǔ)油式油分離器儲(chǔ)油容積的1/4，并保持其長期處于充滿油狀態(tài)。在發(fā)生地震導(dǎo)致制冷系統(tǒng)劇烈晃動(dòng)情況下，緩沖油槽中油位充滿，油位波動(dòng)幅度不大，避免觸發(fā)報(bào)警誤動(dòng)作。緩沖油槽結(jié)構(gòu)如圖3 所示，設(shè)置有進(jìn)油口、出油口、排氣口、視液鏡和油位開關(guān)，其中油位開關(guān)在緩沖油槽低油位時(shí)控制機(jī)組停機(jī)，以防止壓縮機(jī)缺油。

圖3 緩沖油槽結(jié)構(gòu)示意圖

排氣電磁閥設(shè)置在緩沖油槽排氣口與壓縮機(jī)吸氣口之間的管路上。在壓差作用下，通過排氣電磁閥將緩沖油槽內(nèi)多余的氣態(tài)制冷劑排到吸氣管并進(jìn)入壓縮機(jī)中，有利于保證緩沖油槽內(nèi)長期處于充滿油的狀態(tài)。

新型油位控制技術(shù)中配置有壓差控制器，控制器一端監(jiān)測(cè)油過濾器的進(jìn)口壓力，另一端監(jiān)測(cè)供油電磁閥的出口壓力。當(dāng)油過濾器出現(xiàn)臟堵時(shí)，壓差控制器壓差大于設(shè)定值，此時(shí)可及時(shí)提示用戶更換過濾器。當(dāng)供油電磁閥故障不通時(shí)，壓差控制器報(bào)警控制機(jī)組停機(jī)，防止壓縮機(jī)缺油，損壞部件。

3.3 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

①不改變?cè)袧櫥突芈仿窂?，在油分離器下游、壓縮機(jī)供油口上游增加緩沖油槽等，可對(duì)現(xiàn)有制冷系統(tǒng)油位控制進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

②油分離器內(nèi)部取消油位開關(guān)的設(shè)置，可避免因地震或其它強(qiáng)烈振動(dòng)情況下油位波動(dòng)大觸發(fā)報(bào)警誤動(dòng)作，避免制冷系統(tǒng)不必要的停運(yùn)。

③緩沖油槽體積較小，為油分離器容積的1/4，以及排氣電磁閥的設(shè)置，可使緩沖油槽長期處于充滿油狀態(tài)，其內(nèi)油位不會(huì)因地震等發(fā)生大幅度波動(dòng)。將油位開關(guān)設(shè)置在其內(nèi)部，可有效避免制冷系統(tǒng)劇烈晃動(dòng)情況下觸發(fā)報(bào)警誤動(dòng)作。同時(shí)當(dāng)制冷系統(tǒng)內(nèi)部確實(shí)缺油引起緩沖油槽內(nèi)油位低于設(shè)定值時(shí)，能自動(dòng)連鎖制冷系統(tǒng)保護(hù)停運(yùn)。

④增加設(shè)置的壓差控制器，可通過壓差值的變化反應(yīng)潤滑油回路中油過濾器、供油電磁閥的工作狀態(tài)，可及時(shí)報(bào)警提醒用戶更換設(shè)備或控制機(jī)組停機(jī)，防止制冷系統(tǒng)中設(shè)備部件的損壞。

4 結(jié)語

綜合以上，該新型制冷系統(tǒng)油位控制技術(shù)應(yīng)用在核電站中時(shí)，對(duì)于發(fā)生地震或者其他強(qiáng)烈振動(dòng)時(shí)，可有效避免現(xiàn)有油位控制技術(shù)中出現(xiàn)的報(bào)警誤動(dòng)作，不會(huì)引起制冷系統(tǒng)的非正常停運(yùn)。通過這種預(yù)防性的改進(jìn)措施有利于提高核電站的安全性、經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，本文提出的新型油位控制技術(shù)也適用于其他領(lǐng)域處于地震或強(qiáng)烈振動(dòng)環(huán)境下，具有連續(xù)運(yùn)行要求的類似制冷系統(tǒng)，為相關(guān)設(shè)計(jì)提供參考。