M310 核電機(jī)組冷凍水系統(tǒng)研究

張大為

（江蘇核電有限公司，江蘇連云港 222000）

0 引言

M310 核電機(jī)組冷凍水系統(tǒng)分為核島冷凍水系統(tǒng)和電氣廠房冷凍水系統(tǒng)。核島冷凍水系統(tǒng)和電氣廠房冷凍水系統(tǒng)主要為廠房通風(fēng)系統(tǒng)提供滿足設(shè)計要求的冷凍水冷源。

1 系統(tǒng)設(shè)計介紹

1.1 核島冷凍水系統(tǒng)

核島冷凍水系統(tǒng)設(shè)備主要包括3 套50%容量的冷水機(jī)組，3 臺50%流量的冷凍水循環(huán)泵，1 臺波動水箱。

核島冷凍水系統(tǒng)是一個閉式循環(huán)回路。它的功能是將通風(fēng)系統(tǒng)冷卻盤管所回收的熱量通過冷水機(jī)組傳遞給設(shè)備冷卻水系統(tǒng)。冷水機(jī)組的蒸發(fā)器供應(yīng)冷凍水，并回收冷凍水回水中的熱量，熱量經(jīng)冷水機(jī)組的冷凝器傳送給設(shè)備冷卻水系統(tǒng)[1]。在正常情況下，2 臺冷凍水泵運(yùn)行，1 臺泵備用，可根據(jù)冬夏季工況運(yùn)行1～2 臺冷水機(jī)組。此系統(tǒng)可在主控制控制冷水機(jī)組的啟動和停運(yùn)，同時也可以在就地控制柜上控制。

1.1.1 冷凍水系統(tǒng)

3 臺冷凍水泵與3 臺冷水機(jī)組為1 對1 設(shè)計，正常為2 用1備。冷凍水泵流量為380 m3/h，冷水機(jī)組制冷量為2375 kW。1 臺波動水箱與冷凍水泵入口總管相連，用于水泵入口壓力定壓，水箱通過手動補(bǔ)水來維持水位，并設(shè)有低液位和低低液位報警，方便主控室監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)。

冷凍水出水通過管網(wǎng)輸送到系統(tǒng)各用戶，其中安全殼連續(xù)通風(fēng)系統(tǒng)和反應(yīng)堆堆坑通風(fēng)系統(tǒng)的所有冷卻盤管為連續(xù)供水，并保持正確的流量分配，可隨時根據(jù)需要切換通風(fēng)機(jī)組。其他通風(fēng)系統(tǒng)的冷卻盤管上均裝有三通流量控制閥門，以保證通過每一支管的流量恒定，流量控制閥會根據(jù)通風(fēng)系統(tǒng)溫度自動調(diào)節(jié)經(jīng)過冷卻盤管和旁通管的流量。

1.1.2 冷卻水系統(tǒng)

冷卻水系統(tǒng)為設(shè)備冷卻水系統(tǒng)冷卻，冷卻水流量為374 m3/h，溫度不低于15 ℃、不高于35 ℃。在冷卻水側(cè)管道上設(shè)置氣動閥與冷水機(jī)組聯(lián)鎖，氣動閥會根據(jù)冷水機(jī)組啟停聯(lián)鎖開關(guān)。

1.1.3 自動控制系統(tǒng)

冷水機(jī)組采用LG 自動微處理控制系統(tǒng)，用于系統(tǒng)的自動運(yùn)行、調(diào)節(jié)與保護(hù)，顯示界面較直觀，操作簡便，一鍵式啟停，PLC 屏幕上可以顯示機(jī)組運(yùn)行的各項參數(shù)并實時監(jiān)控，當(dāng)機(jī)組發(fā)生故障時，能夠自動診斷并顯示故障原因[2]。

（1）冷水機(jī)組的啟動的主要條件：①故障保護(hù)回路無顯示；②油箱溫度50～55 ℃；③供油壓差（供油壓力與油箱內(nèi)壓力之差）不低于1.40 kg/m2；④制冷機(jī)連續(xù)兩次開啟時間未達(dá)到設(shè)定值⑤冷凍水泵或冷卻水泵正在運(yùn)行狀態(tài)，主要通過設(shè)置在冷凍水和冷卻水側(cè)的壓差開關(guān)監(jiān)測。

（2）冷水機(jī)組的運(yùn)行：當(dāng)滿足啟動條件時，主控或就地啟動冷水機(jī)組，機(jī)組自動啟動油泵，主電機(jī)自動啟動，進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。冷水機(jī)組可根據(jù)負(fù)荷通過壓縮機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉的開閉實現(xiàn)對制冷量的調(diào)節(jié)，使冷凍水出口溫度恒定。當(dāng)冷凍水溫度持續(xù)降低達(dá)到溫度下限時，冷水機(jī)組會進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，壓縮機(jī)停運(yùn)，但機(jī)組還在自動運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)系統(tǒng)溫度升高，冷水機(jī)組將自動啟動。在機(jī)組正常運(yùn)行過程中，冷水機(jī)組PLC 將持續(xù)監(jiān)測各項保護(hù)參數(shù)，實現(xiàn)冷凍水、冷卻水流量、軸承溫度、壓縮機(jī)電流、油溫、油壓差等聯(lián)鎖保護(hù)功能。

1.2 電氣廠房冷凍水系統(tǒng)

電氣廠房冷凍水系統(tǒng)主要設(shè)備包括2 臺100%容量的水冷式冷水機(jī)組、2 臺100%流量的冷凍水循環(huán)泵、1 臺風(fēng)冷式冷水機(jī)組，1 臺用于風(fēng)冷式冷水機(jī)組冷水循環(huán)的冷凍水循環(huán)泵、1 個冷凍水儲罐、1 個膨脹罐。系統(tǒng)為核安全三級的系統(tǒng)。

電氣廠房冷凍水系統(tǒng)也是一個閉式循環(huán)回路。它的功能是將通風(fēng)系統(tǒng)冷卻盤管所回收的熱量通過冷水機(jī)組傳遞給設(shè)備冷卻水系統(tǒng)。在正常情況下，1 臺冷凍水泵/水冷式冷水機(jī)組運(yùn)行，1臺冷凍水泵/水冷式冷水機(jī)組備用；風(fēng)冷機(jī)組和冷凍水泵應(yīng)急備用。此系統(tǒng)可在主控制控制冷水機(jī)組的啟動和停運(yùn)，同時也可以在就地控制柜上控制。

1.2.1 冷凍水系統(tǒng)

2 臺冷凍水泵與2 臺水冷式冷水機(jī)組為組合運(yùn)行設(shè)計，正常為1 用1 備；冷凍水泵流量為166 m3/h，水冷式冷水機(jī)組制冷量為1250 kW；1 臺冷凍水泵與1 臺風(fēng)冷式冷水機(jī)組為H1 工況（喪失設(shè)備冷卻水）應(yīng)急備用；冷凍水泵流量為86 m3/h，風(fēng)冷式冷水機(jī)組制冷量為600 kW。每個冷水機(jī)組都包括2 個壓縮機(jī)單元。

1 個膨脹罐用于冷凍水系統(tǒng)定壓，水箱內(nèi)由0.2 MPa 氮氣進(jìn)行定壓，水箱通過手動補(bǔ)水來維持水量和壓力，并設(shè)有低壓力液位報警，方便主控室監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)。

1 個冷凍水儲罐用來向主控制室空調(diào)系統(tǒng)、技術(shù)設(shè)備間空調(diào)系統(tǒng)的冷卻盤管短時間提供必要的冷凍水。當(dāng)兩臺水冷冷水機(jī)組故障或喪失冷卻水時，保證有一定時間的獨立供水，以便切換到風(fēng)冷機(jī)組運(yùn)行。

冷凍水出水通過管網(wǎng)輸送到系統(tǒng)各用戶，各通風(fēng)系統(tǒng)的冷卻盤管上均裝有三通流量控制閥門，以保證通過每一支管的流量恒定，流量控制閥會根據(jù)通風(fēng)系統(tǒng)溫度自動調(diào)節(jié)經(jīng)過冷卻盤管和旁通管的流量。

1.2.2 冷卻水系統(tǒng)

冷卻水系統(tǒng)為設(shè)備冷卻水系統(tǒng)冷卻，冷卻水流量為185 m3/h，溫度不低于15 ℃、不高于35 ℃。在冷卻水側(cè)管道上設(shè)置氣動閥與冷水機(jī)組聯(lián)鎖，水冷式冷水機(jī)組可通過調(diào)節(jié)氣動閥控制冷卻水側(cè)的流量。風(fēng)冷式冷水機(jī)組通過控制8 臺冷卻風(fēng)機(jī)的啟停，將熱量釋放到大氣中。

1.2.3 自動控制系統(tǒng)

水冷冷水機(jī)組和風(fēng)冷冷水機(jī)組均采用以PLC 為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)，顯示界面直觀，操作簡便，一鍵式啟停，具有多重保護(hù)機(jī)制，能儲存發(fā)生故障時的主要運(yùn)行數(shù)據(jù)，并具有自我診斷、顯示故障原因的功能[3]。

（1）冷水機(jī)組的啟動的主要條件：①故障保護(hù)回路無顯示，高壓開關(guān)、低壓開關(guān)、油位開關(guān)、壓縮機(jī)過載保護(hù)、油泵過載保護(hù)等均處于閉合狀態(tài)；②油箱溫度不低于30 ℃；③制冷機(jī)連續(xù)兩次開啟時間未達(dá)到設(shè)定值；④冷凍水泵或冷卻水泵處于運(yùn)行狀態(tài)，主要通過設(shè)置在冷凍水和冷卻水側(cè)的壓差開關(guān)監(jiān)測。

（2）冷水機(jī)組的運(yùn)行：當(dāng)滿足啟動條件時，主控或就地啟動冷水機(jī)組，機(jī)組自動啟動油泵，主電機(jī)自動啟動，進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。冷水機(jī)組可根據(jù)負(fù)荷通過壓縮機(jī)的加卸載電磁閥的調(diào)節(jié)實現(xiàn)對制冷量的調(diào)節(jié)，使冷凍水出口溫度恒定。當(dāng)冷凍水溫度持續(xù)降低達(dá)到溫度下限時，冷水機(jī)組會進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，壓縮機(jī)停運(yùn)，但機(jī)組還在自動運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)溫度升高，冷水機(jī)組將自動啟動。當(dāng)2 臺壓縮機(jī)都處于停運(yùn)狀態(tài)時，如果冷凍水溫度高于自動啟動溫度時，PLC 會比較2 臺壓縮機(jī)的累計運(yùn)行時間，會先啟動累計運(yùn)行時間較短的壓縮機(jī)。當(dāng)1 臺壓縮機(jī)運(yùn)行，1 臺壓縮機(jī)停運(yùn)時，如果運(yùn)行的壓縮機(jī)電流滿載時間超過設(shè)定值，并且冷凍水出水溫度和設(shè)定值相差1.2 ℃以上，第2 臺壓縮機(jī)將啟動運(yùn)行。

2 系統(tǒng)主要設(shè)備介紹

2.1 離心式制冷機(jī)

離心式制冷機(jī)主要由壓縮機(jī)、電機(jī)和增速齒輪箱組成，將來自蒸發(fā)器的低溫低壓制冷機(jī)氣體通過進(jìn)口導(dǎo)葉吸進(jìn)葉輪，壓縮成高溫高壓的制冷機(jī)氣體后送至冷凝器。

離心式壓縮機(jī)主要由轉(zhuǎn)子和定子兩大部分組成，工作原理是當(dāng)氣體流過離心式壓縮機(jī)的葉輪時，高速旋轉(zhuǎn)的葉輪使氣體在離心力的作用下，一方面壓力提高，另一方面速度也極大增加，而后當(dāng)氣體在流經(jīng)擴(kuò)壓器通道時，由于降速使氣體的動能又轉(zhuǎn)換為靜壓能，使氣體的壓力進(jìn)一步增大[4]。

核島冷凍水系統(tǒng)離心式壓縮機(jī)為雙級離心壓縮機(jī)，如圖1所示，從蒸發(fā)器中蒸發(fā)的低溫低壓制冷劑氣體通過進(jìn)口導(dǎo)葉吸進(jìn)第一個葉輪。此時進(jìn)入的氣體量由進(jìn)口導(dǎo)葉的開度調(diào)節(jié)，以此控制制冷量。吸進(jìn)第一個葉輪的制冷劑氣體壓縮成中溫中壓的制冷劑氣體被來自經(jīng)濟(jì)器的低溫制冷劑氣體冷卻后，通過回氣通道吸進(jìn)第二個葉輪。吸進(jìn)第二個葉輪的制冷劑氣體壓縮成高溫高壓的制冷劑氣體后進(jìn)入冷凝器，與冷凝器傳熱管內(nèi)的冷卻水換熱后冷卻。

圖1 氣體流經(jīng)壓縮機(jī)

2.2 螺桿式制冷機(jī)

螺桿式壓縮機(jī)主要由壓縮機(jī)、電機(jī)組成，來自蒸發(fā)器的低溫低壓制冷機(jī)氣體進(jìn)入螺旋轉(zhuǎn)子的凹槽，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子凹槽被機(jī)殼壁封閉形成壓縮腔室，將氣體進(jìn)行壓縮[5]。

單螺桿式壓縮機(jī)的構(gòu)造與離心式壓縮機(jī)不同，壓縮機(jī)主要由螺桿和兩個對稱分布的星輪組成，其工作原理是氣體通過吸氣口進(jìn)入轉(zhuǎn)子齒槽，隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，星輪依次進(jìn)入與轉(zhuǎn)子齒槽嚙合的狀態(tài)，氣體隨即被封入由轉(zhuǎn)子齒槽曲面、機(jī)殼以及星輪齒面所形成的密閉空間，隨著轉(zhuǎn)子連續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)，密閉空間不斷被壓縮，當(dāng)壓縮氣體轉(zhuǎn)至排氣口時，將壓縮氣體排氣。由于兩個星輪在轉(zhuǎn)子的兩側(cè)對稱布置，一次循環(huán)轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周時發(fā)生兩次氣體壓縮（圖2）。

圖2 單螺桿壓縮機(jī)

3 結(jié)論

本文介紹了M310 核電機(jī)組冷凍水系統(tǒng)的設(shè)計情況、設(shè)備原理等，為后續(xù)機(jī)組的冷凍水系統(tǒng)調(diào)試、運(yùn)行和維護(hù)提供寶貴經(jīng)驗。