一種自然冷卻的風冷冷水機組在核電站內的應用

郭 超

（江蘇核電有限公司維修一處，江蘇連云港222042）

1 課題背景

田灣核電站主蒸汽閥站隔間溫度較高，長期超過40℃，影響相關設備運行及人員操作。田灣核電站要求核電機組發電期間主蒸汽閥站設備不間斷運行，需要空調機組全年為其提供制冷?？照{機組如何能全年穩定可靠提供冷量給主蒸汽閥站設備，并最大程度地實現可靠、節能、環保是需要解決的一個重要課題。

2 商用空調機組存在的問題

2.1 問題描述

直接蒸發式制冷系統商用空調機組主要是滿足舒適性要求，其設計和制造工藝與工業空調有很大的差距。連云港冬季戶外溫度很低，商用空調機組制冷模式下長期在低溫下運行，容易出現低壓報警、蒸發器結冰等故障，甚至造成壓縮機帶液運行、損壞壓縮機等嚴重故障。而且由于核電站主蒸汽閥站需要全年提供制冷，該系列空調不間斷運行也導致故障頻發。

2.2 自然冷卻風冷冷水機組的應用

為避免商用空調機組在連云港地區冬季環境下制冷運行時的先天缺陷，降低空調機組運行的故障率，可采用間接冷卻式空調制冷系統解決問題、改變現狀。隨著制冷技術的發展，風冷冷水機組采用環境溫度下的空氣冷卻制冷，省去了冷卻塔等部件，系統結構更緊湊，得到了廣泛應用。

2.3 常規風冷冷水機組存在的問題

風冷冷水機組系統結構簡單緊湊、安裝方式靈活，但工業或商業及類似用途的冷水機組制冷工況的運行空氣溫度范圍是21～43℃，而全年制冷風冷冷水機組要求在室外溫度環境變化較大的條件下提供冷凍水，甚至要求在-15℃的環境下仍能提供足夠的冷量。低冷凝溫度下運行，給該類機組帶來了很多問題：（1）低環境溫度易引起低壓保護；（2）低環境溫度下機組啟動困難；（3）冷凍水易凍結；（4）易造成壓縮機故障。

2.4 目前風冷冷水機組的解決方案

針對風冷冷水機組在低環境溫度下運行存在的諸多問題，目前主要的解決方案如下：

（1）改變換熱溫差，將整個風冷式冷水機組置于一個機房中；

（2）調節通過冷凝器表面的風量，即采用變頻冷凝風機；

（3）減小有效冷凝面積來減少冷凝器負荷；

（4）載冷劑采用一定濃度的乙二醇溶液。

2.5 自然冷卻風冷冷水機組所采用的解決思路

低溫環境對機組的穩定運行是一個挑戰，但同時也是一個很好的冷源，如果能夠利用低溫環境來達到用戶對冷量的需求，則既節省了機組運行所耗的電能，又能避免壓縮機在低溫環境下運行。基于這一構想，田灣核電站決定采用一種自然冷卻風冷冷水機組的設計概念。

自然冷卻風冷冷水機組包括兩個系統：蒸氣壓縮制冷系統和自然冷卻制冷系統。考慮到低溫防凍問題，這兩個系統所使用的載冷劑為一定濃度的乙二醇溶液。

本課題所提出的技術方案原理如圖1所示，該方案在原有風冷冷水機組的基礎上增加了一套自然冷卻盤管冷卻系統。通過此預冷（即“自然冷卻”）過程，室外空氣為空調系統的熱負荷提供部分或全部冷量。該冷水機組有如下三種工作模式：

（1）全部機械制冷模式：在全部機械制冷工作模式時（閥5處于A位置），冷凍水不經過自然冷卻換熱盤管，直接進入壓縮式制冷系統的蒸發器中，全部由壓縮式制冷系統提供的冷量進行冷卻。

（2）部分自然冷卻模式：在部分自然冷卻工作模式時（閥5處于B位置），冷凍水先在自然冷卻熱交換器中被部分冷卻（預冷），然后進入壓縮式制冷系統的蒸發器中再次冷卻。

（3）全部自然冷卻模式：在全部自然冷卻模式時（閥5處于B位置），全部制冷負荷由自然冷卻熱交換器盤管“免費”提供，不需要開啟壓縮式制冷系統。

圖1 自然冷卻風冷冷水機組原理圖

機組的自然冷卻工作方式完全由微電腦控制系統進行自動控制。

2.6 自然冷卻風冷冷水機組設計方案

結合田灣核電站現場氣候條件，自然冷卻風冷冷水機組設計方案如下：

（1）室外配置3臺自然冷卻風冷冷水機組，2用1備，為主蒸汽閥站室內機換熱器提供7℃冷凍水。

（2）室內機采用4臺吊頂式空調機組，分別安裝于主蒸汽閥站4個房間內，室內機換熱器由自然冷卻風冷冷水機組提供7℃的冷卻水。

（3）配置冷凍水泵3臺，2用1備，安裝于自然冷卻風冷冷水機組旁，載冷劑為一定濃度的乙二醇溶液，防止冷凍水在冬季低溫下結冰。

2.7 自然冷卻風冷冷水機組控制系統及運行邏輯

自然冷卻風冷冷水機組控制系統及運行邏輯比較復雜，主要包括冷卻模式控制及自然冷卻模式水溫控制。

（1）冷凍水回水溫度-環境溫度＜2℃時，電動三通閥處于全部機械制冷模式，冷凍水進入管殼蒸發器，壓縮機運行，冷凝風機根據制冷系統冷凝壓力調速運行，壓縮機根據冷凍水出水溫度設定值自動進行能量調節。

（2）冷凍水回水溫度-環境溫度≥2℃時，電動三通閥處于自然冷卻模式，冷凍水進入輔助換熱盤管與外界環境換熱，如果輔助換熱盤管換熱能夠滿足冷凍水出水溫度要求，則壓縮機不啟動，通過調節冷凝風機轉速來控制冷凍水出水溫度，此狀態為全部自然冷卻模式。

（3）冷凍水回水溫度-環境溫度≥2℃，電動三通閥處于自然冷卻模式，如冷凝風機全速運行仍不能滿足冷凍水出水溫度要求，啟動壓縮機進行機械制冷，冷凝風機根據制冷系統冷凝壓力調速運行，壓縮機根據冷凍水出水溫度設定值自動進行能量調節，此狀態為部分自然冷卻模式。

2.8 自然冷卻風冷冷水機組使用效果

（1）節能減排，減少了運行成本。自然冷卻風冷冷水機組每年約有115天處于自然冷卻工況，節約廠用電量441600kW·h/年，經田灣核電財務處核算，年增加發電收入167 940元，增加利潤約35 016元。

（2）綠色環保，減少了制冷劑泄漏的可能。自然冷卻風冷冷水機組制冷劑只在室外機內循環，室內機與室外機之間由冷凍水作為載冷劑傳遞冷量，縮短了制冷劑的運行管線，降低了制冷劑泄漏的可能性，保護了環境。

（3）故障率明顯下降，機組運行可靠性得到了明顯提高。自然冷卻風冷冷水機組在環境溫度較低時采用自然冷卻模式，避免了壓縮機在低溫環境下運行，提高了機組運行的可靠性。

3 結語

本文通過對田灣核電站主蒸汽閥站制冷系統的分析，提出了一種充分利用天然免費冷源的節能型常年制冷風冷冷水機組設計方案，解決了原商用空調機組運行存在的問題，降低了運行費用，提高了空調機組運行的可靠性。自然冷卻風冷冷水機組的設計應用方案對其他工業生產領域內全年制冷系統的設計具有借鑒和指導意義。

[1]蒸汽壓縮循環冷水（熱泵）機組第1部分：工業或商業用及類似用途的冷水（熱泵）機組：GB/T 18430.1—2007[S].

[2]郎鐵軍，潘翠玉，梁娟霞，等.一種可全年供冷的節能型風冷冷水機組的研制[J].制冷與空調（北京），2012，12（1）：27-32.

[3]陳芝久，吳靜怡.制冷裝置自動化[M].北京：機械工業出版社，1997.

[4]周金坤.制冷原理[M].北京：高等教育出版社，2009.