核電廠空氣系統和冷卻水系統調試邏輯分析

吳　越

（山東核電有限公司，山東 海陽 610059）

核電廠空氣系統和冷卻水系統調試邏輯分析

吳越

（山東核電有限公司，山東 海陽 610059）

文章針對AP1000核電廠調試過程中，壓縮空氣和儀用空氣系統（CAS）調試和設備冷卻水系統（CCS）調試邏輯之間存在的沖突進行了描述，并提出用臨時冷卻裝置來冷卻壓縮機的辦法，從而解決了兩個系統的調試邏輯的沖突；描述了可選擇的各種臨時冷卻裝置方案，綜合比較各種方案之后，最終選用利用空冷換熱器對壓縮機進行冷卻的方案。

壓縮機；空冷換熱器；冷卻水

壓縮空氣和儀用空氣系統（CAS）、設備冷卻水系統（CCS）是第三代核電AP1000的兩個工藝子系統［1］。CAS是核電廠的輔助系統，為各個系統的氣動閥、氣動泵、氣動風閥和氣動工具提供合格的壓縮空氣。CAS系統的壓縮機為水冷式螺桿壓縮機，正常運行需要冷卻水對其進行冷卻，正常冷卻水由設備冷卻水系統（CCS）提供，這就要求CCS系統可用，但是CCS系統調試的前提是CAS系統可用，因為CCS系統的氣動閥需要CAS系統向其供氣，這樣CAS系統和CCS系統互為對方調試的前提條件，調試邏輯存在沖突。為解決這個沖突，本文提出了利用臨時冷卻裝置對CAS系統壓縮機進行冷卻的辦法，并對各種臨時冷卻方案做了比較，最終選取了利用空冷換熱器對壓縮機進行冷卻的方案。

1　技術要求

壓縮機冷卻水參數要求如表1所示。

臨時冷卻方案是基于表1的參數來進行制定的，冷卻水的流量和溫度是臨時冷卻裝置選型的重要參數。在CAS系統調試中，考慮兩臺壓縮機有同時運行的要求，所以臨時冷卻裝置應該能提供≥22 m3/h流量的冷卻水。

表1　壓縮機冷卻水參數Table1　Compressor cooling water parameters

2　各方案比較

2.1開式水冷卻

利用核電廠水廠或者消防生活水對空壓機進行開式冷卻，找好取水點和排水點，需要水源的壓力＞0.3 MPa，并且流量≥22 m3/h，溫度≤27 ℃。配以相關的管道和閥門以及溫度、壓力、流量儀表即可實現對空壓機的冷卻。

此方案的優點為：需采購的設備較少，安裝簡單，不需要電源。

缺點為：水源的可靠性較差，水源水質不一定能滿足空壓機的要求。

2.2閉式水冷卻

利用閉式環路對空壓機進行冷卻，需配置換熱裝置和相關的管道和閥門，閉式冷卻的水源來自現場搭建的裝有除鹽水的波動箱。流程如圖1所示。

主要設備有：除鹽水頭箱、2臺除鹽水泵、泵入口濾網、風冷換熱器、空壓機入口除鹽水溫度和壓力表、空壓機出口除鹽水流量計及相關的管道和閥門。選用2臺泵的目的是為了冗余，一列運行，一列備用，1臺泵失效后不會導致失去冷卻水驅動力。入口溫度表和壓力表實時監測空壓機入口冷卻水的溫度和壓力，保證冷卻水的溫度和壓力在正常范圍內，出口流量計用于監測冷卻水流量。

（1）空冷換熱器閉式冷卻

空冷換熱器的原理為：空壓機產生的高溫熱量由冷卻水通過水泵強制循環帶走，帶出后的高溫水通過空冷換熱器將高溫水降溫，高溫水在銅管鋁翅片式散熱器內閉式循環，通過風機將熱量強制排出，達到冷卻降溫的目的。

根據管道和換熱器總容積計算后，除鹽水頭箱體積為0.5 m3，根據空壓機說明書對冷卻水的要求，濾網選用20目，泵選用出口壓力在0.3～1 MPa，流量在25 m3/h左右即可。

圖1　閉式冷卻流程圖Fig.1　Closed cooling flow

空冷換熱器根據國內的廠家對比調研，得出了以下的結果，換熱量按2臺空壓機366 kW的能力選取，用10臺風扇的空冷換熱器，換熱效果根據兩個環境溫度25 ℃和38 ℃，用換熱軟件模擬得出表2的數據，在環境高溫的條件下，同時啟動10臺風扇，可以達到冷卻的效果，在環境低溫的條件下，可以運行部分風機即可達到冷卻的效果，因此在一年四季當中，空冷換熱器都能達到冷卻的效果。

此方案的優點為：系統穩定，不依靠外部水源，水質合格，冷卻效果達標。

缺點為：系統相對復雜，需要一定的成本。

（2）冷凍機組閉式冷卻

此方案的原理和空冷換熱器基本一樣，只是用冷凍機組代替了風冷換熱器。

冷凍機組的冷卻效果很好，能將40 ℃左右的水冷卻到10 ℃左右，能充分滿足空壓機對冷卻水溫度的要求。

表2　換熱軟件模擬結果Table2　Exchange heat software simulated results

此方案的優點為：系統穩定，冷卻效果很好，水質合格。

缺點為：系統復雜，成本高。

（3）水冷換熱器閉式冷卻

此方案是利用水冷換熱器對空壓機進行冷卻，換熱器一次側是用除鹽水對空壓機進行冷卻，二次側用開式水對換熱器一次側水進行冷卻。

此方案的優點為：系統相對簡單，不需要電源。

缺點為：對外部水源的穩定性要求較高。

3　選取空冷換熱器的原因

基于上面各種方案的介紹和比較，本文推薦利用空冷換熱器對壓縮機進行冷卻的方案。

開式水冷卻和水冷換熱器閉式冷卻一個共同的缺點都是對外部水源的依靠較大，如果外部水源失去，將失去冷卻功能，然而核電廠建設階段，可用的水源大多為臨時消防水和臨時施工用水，很容易出現水源中斷的風險。如果水源穩定并且水質合格，使用開式水冷卻還是比較好的，因為成本低廉，不需要任何附加的大型設備和電源。

冷凍機組閉式冷卻，雖然冷卻效果很好，但是一個很大的缺點是價格昂貴，成本大約為60萬元人民幣，對于只是核電廠建設過程中使用的臨時設施來說，過于浪費。

空冷換熱器閉式冷卻，相對其他方案，是一個比較折中的選擇，一次側冷卻水為除鹽水，水質合格，最終冷卻媒介為空氣，可靠性較高，目前多數核電都在海邊，風量能達到要求，除了夏季高溫天氣，冷卻效果都很好，如果空壓機調試階段處于夏季40 ℃的高溫天氣，雖然冷卻水不能達到最優的27 ℃的要求，但是進入空壓機的冷卻水溫度不會超過46 ℃，只要冷卻水進入空壓機的溫度不超過極限溫度46 ℃，對空壓機都不會造成損壞。

空冷換熱器的成本大約在30萬元人民幣，價格為冷凍機組的一半，因此價格具有很大的優勢，在核電站1號機組CAS系統調試至CCS系統可用后，可將設備重復利用于后期的其他機組。

4　海陽核電項目臨時冷卻方案的實現方式

海陽核電項目方案的實現可分為兩部分：空冷換熱器和水泵采取國內采購的方式，把主要機械設備集成在一個模塊內，預留三個接口，分別為頭箱與模塊的接口、模塊與供水管線接口、回水管線與模塊的接口；水泵和風機的電氣控制柜集成為一個控制箱，風機和水泵的啟停、保護和運行指示均在控制箱內實現；除鹽水頭箱和模塊外的管道及閥門委托建安單位進行制造、采購和安裝。換熱器風機和水泵的電源使用調試期間離空壓機廠房最近的箱式變壓器供電。

5　結論

由于CAS系統和CCS系統的調試互為先決條件，調試邏輯是互相沖突的，并且CAS系統是核電廠調試的早期輔助系統，為全廠的氣動閥調試提供氣源，因此必須利用臨時措施來滿足CAS的調試工作，臨時措施目的就是用臨時冷卻水來冷卻空壓機。本文對比了幾種不同的空壓機冷卻方案，最終選取用空冷換熱器閉式冷卻的方案，該方案能向空壓機提供水質合格、溫度壓力和流量滿足要求、穩定的冷卻水，能夠滿足CAS系統調試的需求，可以解決AP1000核電廠中壓縮空氣系統和設備冷卻水系統調試的邏輯沖突。

［1］ 林誠格. 非能動安全先進核電廠AP1000［M］. 北京：原子能出版社，2008.（LIN Cheng-ge. Passive safety advance nuclear power plant［M］. Beijing：Atomic Energy Press，2008.）

Commissioning Logic Analysis for the Compressor Air System and Component Cooling System in Nuclear Power Plant

WU Yue
（Shandong Nuclear Power Co.，Ltd.，Haiyang of Shandong Prov. 610059，China）

The conflict between commissioning logic of compressor air and instrument air system （CAS） and component cooling system （CCS） in AP1000 nuclear power plant is described in the paper. And the method of using the temporary cooling device to cool the compressor is put forward， so this can settle the debugging logical conflict between two system. The paper describes some temporary cooling methods which can be used. After comparing these methods，we choose to use air cooling exchanger to cool down the compressor finally.

compressor； air cooling exchanger； cooling water

TL37 Article character：A Article ID：1674-1617（2015）04-0312-04

TL37

A

1674-1617（2015）04-0312-04

2015-09-06

吳 越（1984—），男，四川成都人，工程師，工學碩士，從事核電廠工藝系統調試和運行工作。