新型核電冷凍水系統(tǒng)設計

沈楊梅

（南京源自電力自動化設備有限公司，江蘇 南京211800）

1 現(xiàn)有技術背景

隨著核能技術的發(fā)展以及新能源領域國家能源政策力度的加大，和平開發(fā)利用核能已經(jīng)成為我國能源發(fā)展的重點。到目前為止，我國核電建設及生產(chǎn)已經(jīng)積累了近20年的經(jīng)驗，核電站設備由原先國外成套引進逐步變?yōu)橐M關鍵設備、國內(nèi)配套部分設備，而國內(nèi)配套部分設備的國產(chǎn)化進程已刻不容緩。

現(xiàn)有核電冷凍水系統(tǒng)與一、二級冷卻系統(tǒng)組成冷卻水循環(huán)回路。正常工作時通過冷凍水循環(huán)泵使恒溫水箱中冷卻水在循環(huán)回路中不斷循環(huán)，當冷卻水溫度高于或低于預設溫度時壓縮機工作，開始對恒溫水箱中冷卻水進行制冷或制熱，確保循環(huán)回路水溫恒定；同時，除鹽水由除鹽水管路送至冷凍水系統(tǒng)裝置后，通過熱交換器和恒溫水箱中的冷卻水進行熱交換，達到預定的溫度。目前在用核電冷凍水裝置在系統(tǒng)和機械結構上存在以下缺陷：無備用工作系統(tǒng)，當該裝置需要定期維修或系統(tǒng)中任一部件出現(xiàn)問題而停止工作時，直接導致冷卻循環(huán)回路中其他設備無法正常工作；在冬季溫度較低時，單一靠壓縮機制熱水溫控制效果不理想。因此，很有必要在現(xiàn)有技術的基礎之上，研發(fā)一種結構設計合理、檢修方便、工作效率高、可滿足核電連續(xù)長期可靠運行要求的核電冷凍水系統(tǒng)。

2 新型核電冷凍水系統(tǒng)的構成

新型核電冷凍水系統(tǒng)采用了兩個并列的相同工作單元，很好地解決了現(xiàn)有核電冷凍水系統(tǒng)無備用工作單元的問題；針對冬季溫度較低，增加了輔助電加熱裝置，極大地改善了單一靠壓縮機制熱水溫控制效果不理想的狀況。如圖1所示，該系統(tǒng)包括：電控箱1，與電控箱1相連的兩個并列的相同工作單元，所述工作單元包括水冷壓縮冷凝機組2、恒溫水箱3、安裝在恒溫水箱3內(nèi)的輔助電加熱裝置4、與恒溫水箱3相連通的冷凍水循環(huán)泵5、與冷凍水循環(huán)泵5相連的進出水管路6。

3 新型核電冷凍水系統(tǒng)的工作原理

新型核電冷凍水系統(tǒng)中的電控箱連接有兩個并列的相同工作單元，其中一個工作單元作為正常運行單元，另一個工作單元作為備用工作單元，當正常運行的工作單元出現(xiàn)故障時，備用工作單元啟動工作，可以方便維修和保持恒溫控制。

水冷壓縮冷凝機組實際工作時，壓縮機用來實現(xiàn)制冷或制熱功能。水冷壓縮冷凝機組由蒸發(fā)器、壓縮機、冷凝器、膨脹閥4個部件以及連接各部件的接管組成。制冷劑對外界保持氣密，在制冷系統(tǒng)中按一定的方向循環(huán)運作，利用制冷劑的集態(tài)變化來轉移熱量，即制冷劑蒸發(fā)時吸熱，冷凝時放熱。

制冷時，打開制冷電磁閥，此時蒸發(fā)器中低溫低壓的液態(tài)制冷劑從被冷卻的冷卻水中吸取熱量，變成過熱氣態(tài)制冷劑，冷卻水被吸收熱量后得到冷卻；過熱氣態(tài)制冷劑被壓縮機吸入，進行壓縮，變成高溫高壓的壓縮氣態(tài)制冷劑；該氣態(tài)制冷劑進入冷凝器后，被常溫常壓的除鹽水冷卻液化，重新變成液態(tài)制冷劑；經(jīng)膨脹閥急劇地節(jié)流減壓，變成低溫低壓的液態(tài)制冷劑，再次進入蒸發(fā)器進行循環(huán)。膨脹閥起著分割制冷循環(huán)中高壓區(qū)域與低壓區(qū)域的作用。

圖1 新型核電冷凍水系統(tǒng)

制熱時，打開制熱電磁閥，此時高溫高壓的氣態(tài)制冷劑在蒸發(fā)器中放出熱量，冷卻水被加熱，低溫的氣態(tài)制冷劑被壓縮機吸入，進行壓縮，變成高溫高壓的壓縮氣態(tài)制冷劑，重新回到蒸發(fā)器中進行循環(huán)。

除以上幾部分外，水冷壓縮冷凝機組還有一些必不可少的輔助功能元件：干燥過濾器，用來祛除制冷劑中的水分及夾雜物，防止膨脹閥出現(xiàn)冰堵和臟堵；冷凝壓力調(diào)節(jié)閥，在設定冷凝壓力后，該閥能自動調(diào)節(jié)水量以維持恒定的冷凝壓力，該閥一經(jīng)設定，切勿隨意調(diào)節(jié)；高低壓壓力開關，制冷劑壓力特別高或特別低時，能自動停止運轉，防止不正常運轉引起事故；電磁閥，分為液體電磁閥和氣體電磁閥，主要是通過電訊號的作用自動開啟或關閉制冷劑通道，制冷時打開液體電磁閥通道，制熱時打開氣體電磁閥通道。

循環(huán)泵將冷卻水從恒溫水箱循環(huán)至蒸發(fā)器中，在壓縮機制冷時，低溫低壓的制冷劑在蒸發(fā)器中蒸發(fā)，此時通過蒸發(fā)器的冷卻水被冷卻；當壓縮機制熱時，通過蒸發(fā)器的冷卻水被加熱。被冷卻或加熱的冷卻水隨后回到水箱中，不斷循環(huán)，直至冷卻水溫度達到預設值。當環(huán)境溫度過低、壓縮機對冷卻水制熱無法達到預設值時，恒溫水箱內(nèi)的輔助電加熱裝置開始工作，與壓縮機同時對冷卻水進行加熱，直至達到需要的溫度。

4 新型核電冷凍水系統(tǒng)的電氣設計

在恒溫水箱上裝有磁翻板液位計，它會根據(jù)水箱中液位向電控箱發(fā)送3個開關量信號：

（1）當恒溫水箱中液位下降至低液位時，電控箱收到補水信號，控制補給水進水電磁閥對水箱進行補水。

（2）恒溫水箱補水后液位上升至高液位時，高液位開關信號發(fā)出，系統(tǒng)停止對水箱補水。

（3）當補水信號發(fā)出后，液位仍繼續(xù)下降至低液位，此時輔助電加熱裝置會暴露在空氣中出現(xiàn)干燒，液位計將發(fā)出報警信號，電控箱自動停止常用工作單元運行，備用工作單元啟動。

在該新型核電冷凍水系統(tǒng)中，電控箱控制整個裝置的自動運行，遇有故障能自動停機，啟用備用工作單元。該系統(tǒng)中還設計了安全保護裝置、壓縮機防過熱元件，由于壓縮機缺相或超負荷運轉等原因引起電動機線圈溫度異常升高時，能自動停機；循環(huán)水泵用過電流繼電器，防止水泵電動機超負荷運轉引起燒毀事故；電源缺相及相序保護，供電電源三相中缺少任意一相，或三相相序與機組不符時，機組自動停機。

5 新型核電冷凍水系統(tǒng)的管路設計

進出水管路包括循環(huán)冷卻水進出管路、除鹽水進出管路和補給水進水管路3個對外循環(huán)回路接口。當冷凍水循環(huán)泵運行時，將恒溫水箱中冷卻水通過冷卻水進出管路循環(huán)至一、二級冷卻系統(tǒng)，最后回到恒溫水箱中，調(diào)節(jié)整個循環(huán)回路的溫度。當需要制冷時，除鹽水從除鹽水進出管路進入水冷壓縮冷凝機組中，通過熱交換器與冷卻水進行熱交換，達到預定溫度。當冷卻水循環(huán)損耗造成恒溫水箱中冷卻水液位下降時，系統(tǒng)將通過補給水進水管路對恒溫水箱進行補水。

設備正常工作時啟動常用工作單元，此時備用單元不工作。進出水管路與一、二級冷卻系統(tǒng)組成冷卻水循環(huán)回路，并提供除鹽水進出回路接口和恒溫水箱中冷卻水補給水接口，啟動冷凍水循環(huán)泵使恒溫水箱中冷卻水在循環(huán)回路中循環(huán)，水冷壓縮冷凝機組對冷卻水進行制冷或加熱直至達到需要的溫度。當冬季溫度很低、水冷壓縮冷凝機組不能維持正常溫度時，輔助電加熱裝置同時啟動，對冷卻水進行加熱，直至達到恒溫的目的。其中電控箱用來控制水冷壓縮冷凝機組、輔助電加熱裝置和冷凍水循環(huán)泵的自動運行。

6 結語

新型核電冷凍水系統(tǒng)結構設計更合理、操作方便、自動化程度高、維修方便、工作效率高、適用范圍廣、恒溫控制效果好，可滿足核電連續(xù)長期可靠運行的要求。