秦山二期核島冷凍水系統（DEG）的運行

王靖宇

1 DEG系統功能及組成

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

DEG系統設計用于維持RX，NX，KX，WX廠房空間溫度，以防止廠房內設備因環境溫度過熱而損壞，但它并不是與安全相關的系統，僅有兩個安全殼貫穿件是安全相關部件。一旦失去整個DEG系統功能，則必須在11h內后撤到正常冷停堆，并立即監測堆坑和安全殼大氣溫度。

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

2 DEG系統的基本工作原理

DEG系統冷凍機組采用的是離心式制冷機，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101CO（201CO、301CO）、冷凝器101CS（201CS、301CS）、節流閥（孔板）185KD和蒸發器101EV（201EV、301EV），分別對應著四個必不可少的過程，簡如下圖。

圖1

冷凍機組就是將壓縮機、冷凝器、節流閥、蒸發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、膨脹擴容、蒸發，隨著制冷劑壓力、溫度、相態的變化而變化，從而達到制冷目的。

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

冷凝過程：由壓縮機101CO（201CO、301CO）來的高溫、高壓制冷劑蒸汽，在冷凝器101CS（201CS、301CS）中，由設備冷卻水系統（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，流經節流閥（孔板）185KD發生減壓膨脹，變為低壓、低溫的液體進入蒸發器101EV（201EV、301EV）。

蒸發過程：經過節流閥（孔板）185KD減壓，進入蒸發器的低壓、低溫制冷劑液體，與通向蒸發器101EV（201EV、301EV）的DEG系統12℃冷凍回水發生熱量交換，制冷劑液體吸取熱量后蒸發為制冷蒸汽，同時使冷凍水水溫度降低到7℃，從而實現了人工制冷。蒸發器內的制冷劑蒸汽又被壓縮機吸入進行壓縮，重復上述壓縮、冷凝、節流、蒸發過程，如此周而復始，達到連續制冷的目的。

3 制冷劑的選擇

從實際應用、運行方面來說，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，對制冷機所用材料無腐蝕性，與水及潤滑油不起化學變化等。我廠DEG系統所采用的制冷劑是R-134a，其主要性質：

1）分子式為C2H2F4。

2）低沸點：在常壓下是氣體（常壓下的沸點為-26.88℃）。

3）無色、無異臭、不燃、與空氣作任何比例混合都不會發生爆炸，基本無毒。

4）液態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飽和狀態下，壓力一溫度對應表：

表1

制冷劑在整個制冷循環中就是一個充斥著液態氣化，氣態液化的周而復始的過程，而它在蒸發器內相態怎樣變化？

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

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

4 制冷機主要運行參數分析

在制冷機的運行參數中，要關注很多的溫度與壓力參數，其中蒸發溫度和壓力以及冷凝溫度和壓力對制冷機組運行效果影響最大。

4.1 蒸發溫度

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

蒸發溫度與制冷熱負荷、蒸發器的傳熱面積及壓縮機的容量有關。當三個條件中一個或全部發生變化時，制冷系統的蒸發壓力和溫度必須發生相應變化。所以，只要改變這些條件，使它們互相適應，就可以控制和調節制冷系統的蒸發溫度。

對于一個既定的制冷系統，壓縮機的容量和蒸發器的傳熱面積，都是固定不變的，但制冷負荷隨著生產情況和氣候而變化，因而冷凍水出口溫度或廠房內溫度將產生波動。根據公式：

Q=KFΔt

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

當制冷負荷及壓縮機容量不變時，若蒸發器的傳熱面積減小，則蒸發壓力降低;傳熱面積增加，蒸發溫度相應升高。因為傳熱面積減少時，壓縮機的吸氣量大于蒸發器的蒸發量，使蒸發溫度和壓力下降，Δt增大;相反若蒸發器的傳熱面積增大，則蒸發器中的蒸發量增加，蒸發量大于吸氣量，蒸發壓力的溫度上升。制冷系統運行時，蒸發溫度的變化可以通過調節閥的開度來調節。

4.2 冷凝溫度

一臺制冷機的最高冷凝溫度受到壓縮機及冷凝器設計條件的限制，在保持冷凝溫度處于允許范圍內，而冷卻水溫度提高，或冷卻水量減少，進出水溫差增大，可節省冷卻水費用及減少設備投資。但冷凝溫度提高（也即冷凝壓力提高），使壓縮機的功耗增加。從發揮制冷機效能著眼，冷凝溫度愈低愈好。

制冷機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）系統中有不凝性氣體。

5 DEG系統的運行及操作

5.1 DEG冷凍機組的啟動

冷凍機組有一個從10%到100%的容量控制系統，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器的冷凍水出口處。機組的制冷量正比于壓縮機的吸入流量。為此，在離心壓縮機進口裝有可調導葉調節機構，用它來控制壓縮機的吸入流量，亦可控制制冷劑的蒸發量，從而實現制冷量可以在一定范圍內無級調節。

RRI系統的水控制閥DEG105VN、205VN、305VN 分別裝設在相應于冷凝器101CS、201CS、301CS的出口處。它們在相應的壓縮機電動機101MO、201MO、301MO 剛要通電前開啟，并在冷水機組停運后延時10分鐘關閉。

DEG冷水機組開機時，操作人員必須在“本地”啟動制冷機組。啟動步驟如下：

1）確認設冷水系統閥門RRI146VN和551VN氣動閥已打開，系統正常。

2）檢查制冷機組的油溫已加熱到40℃以上。

3）確認壓縮機進口導葉已關到零，冷水機組沒有目前故障。

4）在DEG冷凍機組主畫面中，“主機”選擇本地，“導葉”選擇手動。

5）確認冷凍水系統閥門開關狀態，冷凍水膨脹水箱液位正常，主控啟動相應冷凍水泵，旋動相應的機組控制旋鈕至“開”位“按下”，機組相應的冷卻水（RRI）閥打開。

6）在主畫面中啟動機組。油泵先投入運行，數秒鐘后主機啟動。

7）因導葉處于手動，導葉開始會自動開到10%，就自動停止再開。根據“參數顯示”中主機電流、冷凍水進出口溫度來手動調節導葉開度。

8）等20分鐘，確認冷凍機組參數穩定且正常。

在以下6種情況時突然停機：

1）冷凍水溫過低，低于5℃;

2）冷卻水（RRI—設冷水）斷水;

3）冷凍水斷水;

4）供油壓差過低 ，低于98kPa;

5）供油溫度超過58℃;

6）主機電流超過額定電流 65A×115%=74.75A。

5.2 DEG機組就地手動停運

1）主機在運行時，按主機觸摸開關，彈出停機開關“確認”、“放棄” 鍵，按確認鍵，主機立刻自動停機，同時自動關閉導葉

2）電話通知主控按下相應“機組設冷水電動一體開關”，延時10分鐘后，機組設冷水電動閥自動關閉。

3）停相應冷凍水泵。

5.3 壓縮機的運行特點

秦山二期使用的壓縮機為離心式壓縮機：

壓縮機將蒸發器來的氣體經由其的進氣室（導葉）進入葉輪的吸入口，由于葉輪以高速轉動，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。從能量轉化的角度看，這時速度能轉化為壓力能和熱能。這時從葉輪出來的高溫高壓氣體通過蝸殼引導到排氣管道，進入冷凝器冷卻。該壓縮機具有以下特點：

1）壓縮機轉速高，在突然啟停過程中，極易損壞增速齒輪.葉輪等高速旋轉部件。導葉可在額定負荷范圍內實現無級調速跟蹤負荷變化，長期持續低負荷運行（指導葉在20%開度以下）是應禁止或避免的。而實際上我們的導葉開度經常在20%以下，這時極易發生喘振現象（機組運轉中發生喘振時，冷媒氣體在冷凝器和壓縮機之間來回倒流撞擊，壓縮機內氣流發生脈動，脈動的次數大約每秒鐘一次。機組喘振時伴著刺耳的噪聲，機組產生劇烈的振動并且軸承溫度急劇上升），這也是離心式機組避免低負荷運行的原因，喘振會損壞導葉執行機構和整套壓縮機制冷裝置。這應該是設計上設備功能與實際應用要求的不吻合，現在只能是通過就地多巡檢以及手動干預。

2）制冷機主電機和潤滑油是靠冷媒（即制冷劑R134a）來冷卻的，其冷卻原理是：利用冷凝器和蒸發器壓力差驅動冷媒流過電機和油冷卻器帶走熱量，壓差過小，供的制冷劑液就要減少，電機就會產生過熱危險， 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℃，此值與設計冷卻水溫15-35℃偏差較大，因此造成冬季運行時壓差低即低能頭運行（正常為250Kpa），從而極易出現電機繞組局部過熱損傷，冷卻不均;以及供油溫度高跳機。現在在冬天主要靠關小導葉開度和節流設冷水流量來小心控制。

3）喘振現象產生的原因：

（1）冷凝壓力過高或吸氣壓力（即蒸發壓力）過低。

（2）機組低負荷導葉調節時，也易產生喘振。

要避免喘振就應該保持冷凝、蒸發壓力穩定，避免低負荷運行，這在冬季實際運行過程中由于RRI冷卻水溫低，以上兩點都很難避免。

5.4 冷卻劑的提純

在DEG系統中潤滑油與液態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存在于制冷系統中。另一部分潤滑油，則循環于壓縮機油箱及被潤滑面和整個潤滑系統。在DEG制冷機運行中，潤滑油從壓縮機的軸承、齒輪箱的平衡管混入壓縮機的制冷機的氣體中，后流入蒸發器;從主電動電機兩軸承處潤滑油也有可能進入電機內腔，然后，隨同用R-134a制冷劑噴射冷卻電機汽化的冷媒氣體，從電機回汽管進入蒸發器。所有從以上兩種渠道進入蒸發器的潤滑油都不蒸發，天長日久，蒸發器中油越來越多，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DEG機組在運行過程中，發現油箱中油位（151LN）愈來愈低，低于現場油標簽刻度2cm時，運行人員應做冷媒提純工作。冷媒提純裝置示意圖如圖2。

冷媒提純的步驟：

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

2）用板手打開“F20”供液閥2圈（此閥的吸入源頭是在蒸發器液表面上部，它的作用是將混入到蒸發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、油回收受機內壓差、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）當油箱視鏡中油位于上升到6cm處，就可關閉F20、F29閥門。

5.5 冷凍水系統的運行

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

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，兩臺冷水機組可調節其自身的容量，以滿足DVN，DVG，DVK 和RRI（REN 在線分析儀）冷負荷需求的變化。

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

6 DEG系統實際運行存在的問題

三臺冷水機組的進水、出水管布置不合理，使三臺冷水機組的進出水不能均勻混合。當有兩臺制冷機運行時，冷凍水各自循環一條回路，使制冷機的負荷分配不均。

在冬季只有反應堆廠房需要冷凍水，且設冷水的水溫和冷凍水的水溫幾乎差不多，機組導葉開度關到10%有時還不行，冷凍水過冷而跳機，對機組正常運行非常不利。現采取的方法有：

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

2）再啟動一臺冷凍水泵，用于提高冷凍水溫。

7 結束語

通過對DEG冷凍機組的一點介紹，希望在實際工作中對大家有一定的幫助與支持，能夠清楚地掌握機組的運行情況，及時地發現并排除機組故障，對保護反應堆安全運行有著重要的意義。

【參考文獻】

[1]秦山第二核電廠.DEG系統手冊[Z].

[2]秦山第二核電廠.核電廠中級運行[Z].

[3]徐永康.二核冷凍運行管理[Z].

[責任編輯：楊玉潔]