風冷螺桿式冷水機組在核電領域的應用及案例

曾偉城，沈志相

（1-堃霖冷凍機械（上海）有限公司，201615；2-上海冷凍空調行業協會，200003）

風冷螺桿式冷水機組在核電領域的應用及案例

曾偉城*1，沈志相2

（1-堃霖冷凍機械（上海）有限公司，201615；2-上海冷凍空調行業協會，200003）

根據智能風冷螺桿式冷水機組運行節能特點以及提供的比較實用高效的工藝冷凍水設計方案進行探討，并從經濟性、能耗、環保等的影響進行比較分析。

防震 不銹鋼殼管式熱交換器 焊接方式 防凍運行 液噴射

1 引言

長久以來，核電一直被認為是人類在和平利用核能方面的偉大創舉，目前全世界已有核電站 400多座，占全世界發電總量的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歷了20世紀80年代初到 90年代末的反核浪潮之后，又開始大力發展核電，可以預見在未來的 20年內，世界范圍內將掀起新一輪發展核電的熱潮。亞洲則以中國龐大的核電建設計劃震撼世界，按照規劃中國將在2020年之前新建 58座百萬千瓦級核電機組，這相當于目前日本核電機組的總數。而保障核電站運行的冷水機組是其中不可缺少的重要裝置之一。在經歷2011年日本福島核電站冷卻失靈導致核泄漏事故，冷卻系統使用安全性和備用性被放到突出位置。

本文項目中采用的智能型風冷螺桿式冷水機組有智能故障切換運行、殼管式蒸發器直接走純水、全年不同負載自行調整運行等特點，可以滿足核電站對冷卻系統的水質、24小時冷源不間斷、全年制冷等要求。

2 項目介紹

該項目為中國某一國家重點實驗性核反應堆工程，位于北京某原子能科學研究院內。選用智能風冷螺桿式冷水機組KLAW-060S（F）兩臺，對某發熱試驗設備進行工藝冷卻處理，保證該設備在設計要求的溫度范圍內穩定運行。

3 設備介紹

該風冷螺桿式冷水機組是專門為核工業發熱體降溫冷卻設計的智能化運行設備，主要工作原理就是由壓縮機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入，流經銅管與外界環境空氣換熱后凝結成高壓液體從冷凝器下部流出，再經過干燥過濾器去除制冷劑中的雜質和水分后進入膨脹閥進行等焓節流，使制冷劑成為低溫低壓的液體，然后進入蒸發器同冷水進行熱交換，從而使冷水降溫達到制冷的作用，同時制冷劑被加熱蒸發成氣體返回壓縮機吸氣口，經壓縮成高溫高壓的氣體，如此循環下去。系統中設有高低壓閥、高低壓表、高低壓止回閥用來保護壓縮機不被損壞。機組設備有如下詳細特點。

3.1 半封閉雙螺桿式壓縮機特點

圖1 半封閉式雙螺桿壓縮機

該冷水機組使用專門生產的雙螺桿壓縮機（見圖1），具有效率高的型線，能根據外界負荷變化進行無級制冷量的調節（0%～100%），且配置經濟器運行，顯著提高效率。廣泛的容量調節范圍有效的避免了因核電裝置冬夏季負載工況的差異對制冷量的需求的較大變化所引起的機組頻繁啟停。雙軸向軸承，堅固耐用，軸承腔內密封圈隔離成封閉結構，軸向軸承腔內壓力較低。能通過法蘭安裝的電磁閥進行簡便的控制，具有自動卸載功能。高速、平穩運行的壓縮機，是使用R134a的最優化系列。

3.2 不銹鋼殼管式蒸發器介紹

針對核電裝置純凈軟水的技術要求，高效率蒸發器殼體采用316奧氏體不銹鋼的材質制作，換熱管采用耐腐蝕特殊的翅形結構高效3/8”（螺紋）銅鎳管設計，依據 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《壓力容器安全監察規程》等相關的法令法規制作，運行安全可靠。公司按核電要求自行設計安全級容器，壓力容器具有鍋爐壓力容器安全監察機構監檢證書。

具有獨特的分流器設計的U型蒸發器管路（見圖2），改善冷媒流動方式，制冷能力較常規有所提升，單管進出，圓形過渡，減少流動阻力。通過冷媒流量分布排列的研究，優化了機組性能。壓力容器特殊的入口設計，達到強化傳熱的效果，運行安全可靠。設計污垢系數0.0001m2℃/W,機組在核電裝置管路系統突發水體雜質增多狀況下仍能正常運轉。

針對核電裝置冷凍純化軟水高潔凈度的特點，蒸發器折流板專門設計采用專利PP硬化防腐塑化隔板進行設計制作，杜絕傳統金屬隔板腐蝕對純化軟水水質的污染（見圖3）。塑化隔板邊緣柔性翼條的設計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致管壁變薄破裂泄漏的故障發生；塑化隔板翼條密封同時保持與筒體的很高的密封度，使得蒸發器內水流的短路率降到0.1%以下（傳統金屬折流板水流短路率在3%～5%）。

3.3 空氣側熱交換器（翅片式熱交換器）特點

透明親水性導熱薄膜處理的波紋壓邊鋁翅片，不易凝結水珠和沾染上灰塵。考慮到北京風沙大酸雨較多的氣候，在提高換熱效率的同時增加了藍色抗氧化納米粒子以延緩空氣中酸雨對翅片的腐蝕，加快滴水速度。

針對核電裝置設備的防震要求，機組設計在冷媒分布器銅管外表面敷黑色阻尼橡膠軟套（見圖4），可消除因機組運行和地震振動導致的分布器銅管相互摩擦產生的噪音和破損的可能。

圖2 U形管蒸發器結構圖

圖3 管殼式蒸發器外形圖

圖4 外敷黑色阻尼橡膠軟套的冷媒分布器銅管

3.4 微電腦控制系統特點

控制箱內預留多個專用接點和備用接點，以供用戶遠傳線路，遠控報警線路和其他控制線路。通過RS-232和RS-485標準串行通訊口與計算機或調制解調器（MODEM）通訊的連接口連接，進入公眾電信交換網，進行遠程通訊監控。微電腦控制系統針對核電領域具有以下一些功能：

● 保護功能：壓縮機線圈溫度過高保護；冷水出水溫度過低保護；排氣溫度過高保護；壓縮機啟停頻繁保護；電壓異常保護；壓縮機電流過大保護等。

● 控制功能：多臺機組組網運行；組網機組故障自動切換運行；組網機組運行時間自動均衡輪替運轉；定時開關機；單臺雙機頭輪替功能；遠端遙控功能；運轉時間限制；冬季防凍運行；水泵連鎖啟動運行等。

● 顯示功能：可修改設定值；壓縮機排氣溫度；環境溫度；出回水溫度；高低壓壓力值；啟動運行電流值；兩器水側壓力值；水泵運行時間；振動頻率等。

3.5 冬季防凍運行的特點

由于核電站冷水機組一年四季 24小時不停機運轉，在北京地區冬季運行停機后，還設有冬季防凍運行功能。具體表現在當環境溫度低于 0℃時，且連續關機時間超過 30分鐘，啟動水泵運行；或者當水溫低于4℃時（可設定）且環境溫度低于7℃時，連續關機時間超過 60分鐘，啟動水泵運行。當水溫低于2℃（可設定），壓縮機投入運行，當水溫達到 15℃時（可設定），關閉壓縮機，當環境溫度達到 0℃時且水溫達到 15℃時（可設定），關閉水泵。

3.6 夏季風冷熱泵系統液噴回路設計

考慮到北京地區夏季氣溫較高，通過引導部分冷媒注入壓縮機，冷卻壓縮機的機頭，保證壓縮機在正常工作溫度范圍內工作。控制系統穩定，保證壓縮機的高壓在正常范圍內運行。通過液噴回路控制機組制冷量做到持續最大運行。

3.7 不同工況風扇組的運行控制模式

針對冬季氣候環境溫度過低，因冷凝壓力過低使得壓縮機高低壓差過小導致回油困難的情況，微電腦可根據不同季節工況對應下的系統壓力對不同組的風扇進行自動分組運行控制，精準的散熱量的控制使系統冬季運行性能更加節能穩定高效。另外也促進了對水溫（冷/熱水）的精準控制，水溫波動可以控制在±1℃以內，滿足核電等對水溫控制要求比較高的設計要求。

3.8 清洗和干燥

機組在工廠測試后，立即用水質為A級的純水進行清洗，然后用經過濾的無油干燥壓縮空氣吹干蒸發器水管路。用清潔的孔蓋和孔塞封閉進出水口保護法蘭接口和螺紋。

3.9 設計壽命

冷水機組設計壽命為 20年，所有易損件的設計目標是兩年內不需要維修。機組按設計要求能長時間處于熱備用狀態而不損壞。

3.10 啟動特性

冷水機組在主被冷卻裝置設計規格書規定的倒流量下，能正常啟動，而不會對機組帶來有害影響。

3.11 抗震要求

地震的發生是造成核電站事故的主要外部因素之一，盡管該項目所選廠址已充分考慮避開地震活躍地區，但在冷水機組設計時仍考慮地震因素，并將其作為審核抗震要求設計的重要因素。

4 工藝冷凍全系統介紹

4.1 本工藝系統總制冷量為191kW，在大樓頂部設計安裝兩臺 KLAW-060S(F)風冷智能螺桿式冷水機組，系統一用一備模式，供回水溫度設定為 6℃/12℃。整個系統冷水機組的供水溫度最低5℃，供回水溫度最大溫差不超過8℃。

4.2 冷凍水系統采用開式循環水系統，大樓底部泵房采用兩用一備變頻整體式不銹鋼循環水泵（流量30M3/h，揚程 36m），與冷水機組一對一的進行并網配套，可根據冷凍水負荷溫度的變化自行加卸載（見圖5）；冷水機組補水系統設計為鈉離子純水裝置補水，正常工況由主給水系統供水，特殊工況由輔助給水系統供水。供水采用一用一備進口整體式不銹鋼增壓水泵（流量4.5m3/h，揚程35m）。

圖5 冷卻水工藝系統圖

4.3 兩臺冷水機組及水泵運行動力設計做到工作運行同時待機，并能自行根據運行狀態調整設備運行時長輪替運行和同時判斷設備故障進行無間隙的切換運行。系統全年 24小時不間斷的穩定溫度冷凍水的供應，避免了因設備極少概率突發故障的產生對被冷卻裝置安全運行的影響。

4.4 因嚴苛的水質要求，整個冷凍水系統管路、閥門及相應配件均采用高等級316奧氏體不銹鋼的材質配置，特殊地方還應用到材質 PPR工程塑料管閥。部分閥門采用自力式溫度調節閥。整體水系統具有良好的機械性能、強抗腐蝕能力、良好塑性及抗斷裂韌性，并做室溫及高溫機械性能、晶粒度、晶間腐蝕及水壓測試。

4.5 水系統焊縫及堆焊層的檢驗都在安裝前進行取樣做機械性能和金相檢驗。產品焊縫和堆焊層在熱處理和水壓試驗后進行外觀檢驗、射線檢驗、超聲波、液體、滲漏和磁粉檢驗。

4.6 冷水系統中配置不銹鋼循環保溫緩沖蓄能水箱，內部回水設計為特殊的布水裝置，相應管路配有止回閥、比例調節閥等。

4.7 為減少腐蝕，水系統設置排污系統連續排污。4.8 考慮到核島系統的抗震要求，整體水系統和電控都按照抗震1類的標準設計施工。

5 結論

該風冷螺桿冷水機組工藝冷卻系統，系統設計合理，設備節能效果比較顯著，充分滿足了被冷卻裝置的需要。潔凈的水路系統，全天 24小時連續不停機運行工況，完善的保護措施和抗震設計以及精確溫度控制技術都達到了工業冷水機組領域的最高水平。通過它可以借鑒到其他工業冷卻領域的冷卻，在初始工藝冷水系統的設計及機組選型時應用時需根據工程的具體情況進行分析。選擇風冷、水冷單臺或是多臺機組和配套設備進行設計，并充分考慮到備用備份功能，以及一年四季工況負荷變化較大對冷水機組運行范圍的影響，才能達到設備投資、運行保障和運行能耗的最大節約。

[1]崔巍. 核電冷水機組設備監造的質量控制[J]. 機械工業標準化與質量, 2011年02期

[2]全國冷凍空調設備標準化技術委員會. GB/T《核電廠用蒸氣壓縮循環冷水機組》意見稿[S], 2011-4-24

[3]王應高. 發電機內冷水水質調節優化[R]. 華北電力科學研究院有限責任公司, 2010-12-21

[4]劉站盛. 大亞灣核電站DG系統E冷水機組改造功率風險分析[R]. 核安全與系統所, 2011-02-24

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，主要從事制冷空調設備的銷售和市場工作。聯系地址：上海市茅臺路1068號天祥大廈109室，郵編：200336。電話：18721210968，電子郵箱：wczeng@163.com。