大亞灣核電站DEG冷水機組改造與優化

劉占盛，廖凱榮

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

1 改造背景

大亞灣核電站1號、2號核電機組DEG系統冷水機組采用的是SULZER離心式冷水機組，該機組使用的制冷劑為R12。根據我國政府環保政策的要求及國際環保公約的要求，該制冷劑應在2010年前停止使用。同時，根據DEG冷水機組自1994年投入商業運行以來的運行數據和維修記錄，該機組的技術已較為落后、故障率高，已影響了大亞灣核電站核電機組的正常運行。為保證大亞灣核電站的安全、高效運行，DEG冷水機組的改造勢在必行。

DEG冷水機組改造工程被大亞灣核電站列為十大改造項之首，可見對其重視程度。DEG冷水機組改造將按進度分階段實施，改造要求在35 d的反應堆大修期間完成，為了將改造的風險降至最低，保證改造的順利實施并保證實施后冷水機組及DEG系統的可靠運行,從而不影響電站的正常運行，我公司肩負著艱巨的任務與責任，同時也為我公司在已運行核電站的改造工程領域打開新的一頁。

2 相關系統及主要功能[1]

核島冷凍水系統（DEG）主要為核島的通風系統提供冷凍水。

1DEG101GF/201GF/301GF：1號核電機組DEG冷水機組；

2DEG101GF/201GF/301GF：2號核電機組DEG冷水機組。

每個核島設置3臺50%容量的冷水機組，2臺運行，1臺備用。

（1）核島設備冷卻水系統（RRI）主要為DEG冷水機組提供冷卻水。

（2）電氣相關系統主要包括冷水機組供電：6.6 kVAC；中壓開關柜，及控制箱380 VAC供電。電站正常運行時，冷水機組及控制箱由廠變經各級配電裝置配電，當電站失去全部廠外電源時，由應急柴油發電機組供電。

（3）和主控相關的儀控相關系統，主要包括：

1）報警處理系統：

001/002/003AA 冷水機組綜合故障報警。

2）主控制室系統：

101/201/301TL 循環水泵啟停按鈕；

102/202/302TL 冷水機組啟停按鈕。

3 冷水機組的技術參數

3.1 DEG冷水機組的主要技術參數[2]

結合大亞灣當地冬季環境溫度和冬季RRI設冷水溫度低的工況，要求冷水機組在各種運行工況下應具有10%～100%的容量調節范圍和調節能力。

（1）制冷量：≥2 115 kW（運行工況一：冷卻水進出機組的溫度為35/40 ℃時）；

（2）制冷量：≥2 000 kW（運行工況二：冷卻水進出機組的溫度為40/45 ℃時）；

（3）壓縮機電機額定功率：≤520 kW；

（4）設計壽期：40 a。

3.2 DEG冷水機組性能參數

DEG冷水機組性能參數如表1所示[3]。

4 改造方案

4.1 改造范圍

本次改造包括冷水機組及與冷水機組相關聯的冷凍水管道、冷卻水管道、泄水排氣管道及制冷劑超壓排放管道。冷水機組安裝位置如表2所示[4]。

4.2 冷水機組的改進與優化

大亞灣核電站DEG冷水機組改造工程制冷劑采用環保型冷媒：R134a，冷水機組采用秦山二期DEG系統的系列機型LC200H-6P，此機型是根據秦山二期核電站DEG系統的運行經驗，在此基礎上進行相關改進和完善，從而大大增強了冷水機組的性能和安全性。此次改造針對大亞灣核電站的特殊運行條件和工況，冷水機組在以下幾個方面進行了改進和優化。

4.2.1 冷水機組低負荷運行的設計方案

為了確保改造后的冷水機組在低負荷(10%～20%的冷負荷)工況下，可以長期、安全、穩定地運行，針對實際的運行要求，冷水機組在以下幾個方面進行了優化設計：

將可調導葉與殼體間的間隙由0.5mm減少至0.3mm；中心通徑由原φ26mm減少至φ18 mm；各導葉之間的間隙由0.5 mm減少至0.2 mm；擴大了制冷量的調節范圍。

（1）采用進口可調導葉與可調擴壓器的聯合調節方式，可以使機組的喘振工況點延后40%～50%，即冷負荷可在20%～100%的范圍內進行調節。

（2）若達不到20%的冷負荷調節，則可采用流量部分旁通的辦法來實現。旁通后的流量狀態參數可達到正常進口狀態參數，該過程由自動控制系統完成。最終可實現10%～100%的冷負荷的調節范圍。

表1 DEG冷水機組性能參數Table 1 Performance parameters of DEG chillers

表2 冷水機組安裝位置Table 2 Chiller installation site

（3）提高零部件的配合尺寸精度，關鍵的零部件配合尺寸由7級公差提高到6級公差。

4.2.2 針對不同的設冷水RRI工況冷水機組的運行方案

由于供給機組的冷卻水即RRI設冷水在全年的運行中受氣候的影響有不同的進水溫度，因此為確保機組能夠安全、穩定地運行，機組針對不同的冷卻水工況采取了如下的方案：

（1）當冷卻水溫度為10～15 ℃時，若蒸發冷凝器間的壓差過小時，冷媒泵將自動啟動，為電動機、油冷卻器提供冷卻用冷媒。

（2）當冷卻水溫度為15～20 ℃時，主要是解決供給電動機、油冷卻器所需冷媒的流量。使電機內部溫度、機組的供油溫度在允許的范圍內。具體措施為：

1） 減少冷凝器冷卻水流量，使冷凝壓力提高。

2）正常運行時，電機、油冷卻器是由單路管道供應冷媒。

3）當兩條管路供給冷媒還不滿足要求時，自動控制系統將根據供油溫度開啟冷媒泵進行供液。

（3）當冷卻水供水溫度為20～35 ℃時，機組能確保正常運行。

（4）當冷卻水進水溫度為40 ℃時，機組能確保正常運行。此時機組的設計會確保機組的運行工況遠離喘振點。

4.2.3 冷水機組的控制系統

為了使冷水機組能在全年及在核電站要求的各種工況下正常運行，確保機組的冷負荷輸出與實際負荷相匹配，機組的微機控制系統被設計成能夠根據末端負荷的變化自動調節冷負荷的輸出，使冷凍水的出水溫度穩定在(10±0.5) ℃[3]。

4.3 機組與管道的減振與降噪

4.3.1 冷水機組的減振措施

為減少冷水機組的振動對樓板造成的影響以及降低噪聲的傳遞，冷水機組設置橡膠減振裝置。

4.3.2 管道的減振措施

在每臺冷水機組的蒸發器、冷凝器進出口接管處設金屬軟管，用于減少機組的振動對管網造成的影響，同時避免噪聲通過管道進行傳遞。

5 DEG系統的優化

5.1 RRI冷卻水流量自動調節措施

5.1.1 改造原因

RRI105VN/205VN/305VN為氣動開關閥，與冷水機組聯鎖啟動，閥門本身沒有調節功能，DEG制冷機在冬季低負荷工況下（如冬季大修期間）運行時因用戶空調負荷低，設冷水溫度在冬季為15 ℃左右，在此工況下因供水溫度低，而最終造成冷水機組因冷凝壓力低而跳閘，使冷水機組無法正常運行。

5.1.2 解決措施

在冷水機組機型選擇上，已充分考慮冬季低負荷運行，同時冷卻水溫度低的工況，要求冷水機組在負荷10%以上、設冷水溫度在10～15 ℃，可以正常運行。

措施一：調節RRI設冷水供給DEG系統的供水干管調節閥，在冬季低負荷工況，將調節閥開度調小，以維持冷凝器有足夠的冷凝壓力，從而確保冷水機組的安全運行。

措施二：將RRI設冷水供給DEG系統的三路供水支管上的隔離閥改為蝶式調節閥，此方案因此次改造中要通過這三個閥門進行系統隔離，故此次改造無法實施，只有允許DEG系統停運時才能實施此方案，在秦山二期擴建中已采用此種方式進行設冷水的調節，已滿足冬季低負荷運行的工況。

5.2 1DEG201GF/301GF運行時電流偏差大整改方案

因集水器042管段的改造直接影響電站的運行，故此次DEG改造不包括這部分內容，在電站運行條件許可時再進行集水器042管段改造。

5.2.1 現狀及實際運行參數

現狀及實際運行參數如表3所示[1]。

1號核電機組DEG201GF/301GF運行時電流偏差較大，兩臺機組冷凍水流量（201/301GF）基本一致，根據制冷量計算公式：Q=C·M·ΔT，水流量和比熱相同情況下，制冷量與進出水溫差成正比。201G F進出水溫差約3.1 ℃（12.6-9.5），301G F進出水溫差約5.5 ℃（15.7-10.2）。301GF的機組出力比201GF大1.774 2倍，實際運行電流也比201GF大1.85倍（37 A/20 A），與現場運行數據吻合。

5.2.2 產生原因

產生的根本原因是冷凍水回水在集水器042管段混合不充分，導致供回水短路，致使制冷機出力不均衡，根據回水母管總流量664 m3/h，和集水器管道規格DN300（042－323.9），集水器斷面流速2.52 m/s，此設計流速過高不滿足要求。

表3 現狀及實際運行參數Table 3 Status and practical working parameters

5.2.3 改造措施

將各制冷機冷凍水回水充分混合，使制冷機冷凍水入口溫度一致，各制冷機負荷相同，才能根本解決此問題。具體措施如下：

改變集水器管道規格，根據《全國民用建筑工程設計技術措施/暖通空調·動力》第6.7.22節“分集水器的直徑應按總流量通過時的斷面流速（0.5～1.0 m/s）初選，并大于最大接口開口管徑的2倍”，根據此要求，取斷面流速1.0 m/s，經計算集水器管道規格DN500滿足要求；同時為保證供回水管道不發生短路現象，進一步使冷凍水回水混合均勻，結合現場接管情況，應適當改變回水進入母管進口，使冷凍水回水充分混合[5]。

5.3 設冷水控制閥RRI*05VN延時關閉整改方案

5.3.1 改造原因

根據2DEG101GF現場調試結果，在現有邏輯控制下，冷水機組正常停運時，當機組停機信號發出的同時（此時機組并沒有完全停運），發出冷卻水控制閥關閉指令，因冷卻水的失去會造成冷凝壓力高壓報警直接會造成機組故障報警而導致故障停機，同時因冷凝壓力高壓對冷水機組葉輪也會造成一定程度的損害。

5.3.2 解決措施

正確的停機順序應為冷水機組停運，然后關閉RRI設冷水系統上的閥門DEG105VN，停運冷凍水循環泵，同時考慮到現場的可實施性，我方提出機組的停機信號從6.6 kV中壓配電柜取，當冷水機組6.6 kV中壓供電開關斷開時，再發出冷卻水控制閥RRI*VN關閉指令，這時機組已完全處于停運狀態，不會造成冷凝壓力高壓報警而出現故障停機，從而避免了非正常停機。

6 改造的安全評價

6.1 DEG系統

DEG系統除安全殼隔離閥及貫穿件為安全2級外，其余沒有安全級要求。此次改造范圍不包括上述DEG系統的安全部分。因此，DEG系統冷水機組的改造不會對系統的安全性造成影響。

但是改造后的DEG冷水機組要求具有高度的安全性和可靠性，以確保核電機組的正常運行。DEG系統的全部喪失將會導致核電機組的冷停堆。

6.2 RRI系統

DEG冷水機組改造與設備冷卻水系統相關部分管線的安全級為NC。在保證系統隔離措施完善的前提下，本改造不會對R R I系統產生不利影響。同時，在設備采購技術規格書中明確要求冷水機組冷凝器的阻力損失要小于原有機組的阻力，以避免對R R I系統的水力工況產生不利的影響。

6.3 制冷機改造實施后的安全評價

大亞灣核電站1號、2號核電機組制冷機改造目前已順利實施完畢，目前全部改造后的制冷機組已投入運行，并且運行情況平穩，性能在原有基礎上有了很大的提升。通過實際運行檢驗證明改造后的機組和系統運行可靠，性能參數滿足我方的設計要求。

[1] 大亞灣核電站核島冷凍水系統手冊及相關設計文件、圖紙[S].（Manual and related design documents,drawings of DEG System of Daya Bay NPP [S].）[2] 大亞灣核電站D E G系統改造設計采購技術規范，B版[S].（Design, Procurement and Technical Specifications for Renovation of DEG System of Daya Bay NPP, Version B [S].）

[3] 大亞灣核電站DEG制冷機組技術規格書，E版[S].（Technical Specifications of DEG Chilling Unit of Daya Bay NPP, Version E [S].）

[4] 大亞灣核電站工程設計手冊[R].（Daya Bay NPP Engineering Design Manual [R].）

[5] 全國民用建筑工程設計技術措施/暖通空調動力[S].（Technical Measures for National Civilian Construction Engineering Design/Power Supply for HVAC [S].）