P25臺(tái)山核電站常規(guī)島項(xiàng)目HMF95型冷卻設(shè)備的研制

馬明 景旭 郭兆洲

摘 要：本文闡述了大連機(jī)車車輛有限公司P25臺(tái)山核電站常規(guī)島發(fā)電機(jī)組項(xiàng)目冷卻系統(tǒng)的工作原理和該機(jī)組配套HMF95型冷卻設(shè)備的選型設(shè)計(jì)與研制過程。

關(guān)鍵詞：發(fā)電機(jī)組 冷卻系統(tǒng) 冷卻設(shè)備 研制

中圖分類號(hào)：TP2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）03（b）-0004-02

近年來，通過引進(jìn)、吸收國外先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念和制造技術(shù)，使柴油發(fā)電機(jī)組技術(shù)指標(biāo)和質(zhì)量有了很大的提高。而發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)，勵(lì)行節(jié)能減排的要求對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組制造領(lǐng)域尤為重要。尤其像核電等領(lǐng)域，對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)制造水準(zhǔn)，可靠性，產(chǎn)品壽命等都提出了很高的要求。作為發(fā)電機(jī)組冷卻系統(tǒng)的重要部件，冷卻設(shè)備的設(shè)計(jì)與匹配，直接影響到發(fā)電機(jī)組的運(yùn)用情況。因此，對(duì)冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和冷卻設(shè)備的性能提出了更高的要求，要求冷卻設(shè)備具有高性能，高可靠性和超長的壽命周期。

1 項(xiàng)目介紹

P25項(xiàng)目是廣東臺(tái)山核電廠常規(guī)島應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組項(xiàng)目，該項(xiàng)目由北車集團(tuán)大連機(jī)車車輛有限公司中標(biāo)，也是大連機(jī)車車輛有限公司發(fā)電機(jī)組產(chǎn)品首次進(jìn)入核電領(lǐng)域。該項(xiàng)目柴油發(fā)電機(jī)組包括柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)、輔助系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、高彈、公共底座、及相關(guān)管路、線纜等。本文論述的HMF95型冷卻設(shè)備為該項(xiàng)目輔助系統(tǒng)中的重要部件。

2 冷卻系統(tǒng)工作原理

冷卻系統(tǒng)的作用是對(duì)柴油機(jī)在高溫條件下工作的零部件、機(jī)油和增壓空氣進(jìn)行適當(dāng)?shù)睦鋮s，使這些零部件在允許的和最佳的溫度下工作，保持機(jī)油正常的工作黏度和性能，并保證柴油機(jī)發(fā)出的額定功率，提高柴油機(jī)的性能和耐久可靠性。冷卻系統(tǒng)的正確設(shè)計(jì)和安裝對(duì)于獲得滿意的發(fā)動(dòng)機(jī)壽命和性能是及其重要的。

根據(jù)柴油機(jī)所需冷卻的零部件、機(jī)油及增壓空氣的不同要求，冷卻水系統(tǒng)分為兩個(gè)系統(tǒng)，即冷卻柴油機(jī)氣缸套、氣缸蓋的為高溫冷卻水系統(tǒng)，或稱柴油機(jī)冷卻水系統(tǒng)；冷卻增壓空氣及機(jī)油的為低溫冷卻水系統(tǒng)，或稱中冷水系統(tǒng)。

高溫水系統(tǒng)循環(huán)：柴油機(jī)啟動(dòng)后，高溫水泵隨之運(yùn)轉(zhuǎn)，它從高溫散熱器、膨脹水箱的補(bǔ)水管吸入冷卻水，將冷卻水輸入柴油機(jī)的進(jìn)水總管，然后通過氣缸套水腔、氣缸蓋等柴油機(jī)部件帶走熱量。冷卻水受熱升溫后，由出水總管流出，流進(jìn)高溫散熱器，經(jīng)高溫散熱器冷卻后的冷卻水，流回高溫水泵，進(jìn)而不斷地往復(fù)循環(huán)。

低溫水系統(tǒng)循環(huán)：在柴油機(jī)啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，低溫水泵也隨之運(yùn)轉(zhuǎn)，它從低溫散熱器、膨脹水箱的補(bǔ)水管吸入冷卻水，然后將冷卻水輸送進(jìn)入中冷器，對(duì)中增壓空氣進(jìn)行冷卻，從中吸收增壓空氣熱量。升溫后的冷卻水從中冷器流出，流進(jìn)機(jī)油熱交換器，對(duì)機(jī)油進(jìn)行冷卻，冷卻水繼續(xù)升溫后流進(jìn)低溫散熱器，經(jīng)低溫散熱器冷卻后的冷卻水，流回低溫水泵，進(jìn)而形成反復(fù)的冷卻循環(huán)。

3 冷卻設(shè)備選型計(jì)算

P25發(fā)電機(jī)組采用的是大連機(jī)車車輛有限公司制造的12 V240ZD型柴油機(jī)，柴油機(jī)額定功率：2100 kW，額定轉(zhuǎn)速：1000rpm，柴油機(jī)冷卻基本技術(shù)參數(shù)要求如下。

（1）環(huán)境氣溫：≤37 ℃。

（2）海拔高度：300 m。

（3）柴油機(jī)散熱量：550 kW。

（4）柴油機(jī)冷卻水出口溫度：88 ℃。

（5）高溫系統(tǒng)冷卻水流量：105 m3/h。

（6）空冷器與滑油冷卻器的散熱量：932 kW。

（7）低溫散熱器出口溫度：57 ℃。

（8）低溫系統(tǒng)冷卻水流：89.25 m3/。

（9）冷卻水：二級(jí)除鹽水，電導(dǎo)率<0.2 us/cm（25 ℃），SiO2含量<20 ug/L，pH值為6～8。

影響冷卻設(shè)備散熱器選擇的因素有：空間、空氣流動(dòng)阻力、冷卻液流量、功率消耗和噪聲等。根據(jù)用戶要求以及提供的柴油機(jī)性能數(shù)據(jù)表，經(jīng)過傳熱性能分析和計(jì)算，得出以下選型結(jié)果如表1，表2。

4 冷卻設(shè)備結(jié)構(gòu)

冷卻設(shè)備主要由高、低散熱器、風(fēng)扇、交流電動(dòng)機(jī)、導(dǎo)風(fēng)罩，鋼結(jié)構(gòu)、防護(hù)網(wǎng)和膨脹水箱等部件構(gòu)成。散熱器為雙層結(jié)構(gòu)，下層用于中冷器與機(jī)油熱交互器冷卻水的冷卻，上層用于柴油機(jī)冷卻水的冷卻。散熱器安裝于鋼結(jié)構(gòu)支架上面，散熱器下有四個(gè)獨(dú)立的交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的冷卻風(fēng)扇。冷卻裝置配備兩個(gè)容積為300 L的膨脹水箱，分別作為高、低溫水系統(tǒng)的補(bǔ)水、排氣用。（圖1）

該項(xiàng)目發(fā)電機(jī)組配套冷卻設(shè)備采用遠(yuǎn)程式設(shè)計(jì)，冷卻設(shè)備安放于柴油機(jī)動(dòng)力室上層的冷卻間內(nèi)。冷卻間的側(cè)面為百葉窗，冷卻風(fēng)扇從側(cè)百葉窗吸風(fēng)，然后吹向高低溫散熱器，通過散熱器的散熱管對(duì)柴油機(jī)的冷卻水進(jìn)行冷卻。冷卻設(shè)備采用螺栓連接方式與焊接在預(yù)埋鐵上的底座連接。

考慮到該項(xiàng)目冷卻設(shè)備用戶提出的超長使用壽命和可靠性要求，散熱器冷卻芯子沒有使用一般冷卻設(shè)備所使用管帶式等傳統(tǒng)釬焊式結(jié)構(gòu)，而是采用了國際一流水平的機(jī)械脹接式換熱元件制造技術(shù)，以機(jī)械脹接方式取代傳統(tǒng)的釬焊，增強(qiáng)了散熱管與管板的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度及可靠性，這種機(jī)械聯(lián)接方式可以極好的承受柴油機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力、疲勞應(yīng)力以及消除機(jī)械振動(dòng)對(duì)散熱器主片與管根連接處的負(fù)面影響，從而大大提高了產(chǎn)品質(zhì)量和使用壽命。

在冷卻水系統(tǒng)中設(shè)計(jì)安裝有膨脹水箱，膨脹水箱安裝于冷卻設(shè)備頂部的隔墻上，水箱預(yù)留了泠卻液的膨脹空間。膨脹水箱上安裝有液位開關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)高、低液位的報(bào)警。隨著系統(tǒng)溫度的升高，系統(tǒng)中冷卻水膨脹，同時(shí)壓力增大。由于冷卻系統(tǒng)壓力的增加導(dǎo)致冷卻水的沸點(diǎn)增高，在膨脹水箱上安裝了48 kPa（7psi）壓力閥。

5 例行試驗(yàn)

冷卻設(shè)備制作過程中，按照技術(shù)規(guī)范的要求，散熱器芯體制作完成后進(jìn)行了0.4 MPa的水浸氣壓試驗(yàn)，延續(xù)5 min，未發(fā)生泄漏現(xiàn)象。

散熱器總成后，高、低溫散熱器分別進(jìn)行0.1 MPa的氣密性檢查，未發(fā)生泄漏現(xiàn)象。

冷卻設(shè)備總裝完成后，進(jìn)行了持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，對(duì)電機(jī)軸溫、電機(jī)電流、風(fēng)速、噪聲等項(xiàng)點(diǎn)進(jìn)行了測(cè)量，均達(dá)到原始設(shè)計(jì)要求。

6 換熱性能試驗(yàn)

冷卻設(shè)備在大連機(jī)車車輛有限公司進(jìn)行了配機(jī)試驗(yàn)，到達(dá)熱平衡狀態(tài)后，高、低溫冷卻水溫度，機(jī)油溫度等參數(shù)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，冷卻設(shè)備同柴油機(jī)進(jìn)行了很好的匹配，能夠滿足用戶的使用要求。（圖2）

7 結(jié)語

如今，柴油發(fā)電機(jī)組的未來發(fā)展備受關(guān)注，國際知名品牌發(fā)電機(jī)組企業(yè)無不將焦點(diǎn)集中于技術(shù)的創(chuàng)新，作為發(fā)電機(jī)組的重要組成部分，如何設(shè)計(jì)制造出高效率，高可靠性和高壽命的熱換熱產(chǎn)品是未來研究的方向。

參考文獻(xiàn)

[1]楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)[M].4版.高等教育出版社，2010.

[2]楊貴恒，張海呈.柴油發(fā)電機(jī)組實(shí)用技術(shù)技能[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2013.

[3]周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].2版.機(jī)械工業(yè)出版社，2005.