反應堆空調冷凍水系統運行可靠性研究

胡啟帥，雷 超，陳慶旭，魏大明，彭 軍，曹 宇，周金昊，楊 松，高 儉

(中國核動力研究設計院，四川 成都 610041)

0 引言

逆變電源作為反應堆電力系統重要組成部分，承擔著重要的安全功能，其運行穩定性直接關系到反應堆的安全[1]。空調冷凍水系統(簡稱V系統)作為核安全三級[2](SC-3)系統與逆變電源存在接口關系，其主要為逆變電源提供符合設計要求的冷凍水，保證逆變電源工作溫度在正常范圍內，若失去V系統，將導致逆變電源喪失冷源。因此，運行期間V系統的喪失是不可接受的，其運行可靠性對反應堆的安全運行起著非常重要的保障作用。反應堆在調試試驗期間，若發現V系統運行過程中異常停運，甚至出現系統重要設備電子三通閥[3]多次燒毀現象，其運行可靠性則不滿足設計指標。

為保障反應堆逆變電源的正常工作，本文基于V系統的系統特性及工作原理，研究系統運行可靠性，從優化設計的角度出發，通過分析故障停運原因，對系統進行優化改進與運行試驗驗證，以期有效提高V系統的運行可靠性。

1 V系統

1.1 V系統流程

V系統工藝流程如圖1所示。系統設置2臺制冷機組，一用一備，每臺機組均包含2臺壓縮機。V系統通過制冷機組向逆變電源提供7 ℃的冷凍水，冷凍水進入逆變電源冷卻盤管后將工作熱量帶走，保障逆變電源的穩定運行。溫度升高后的冷凍水通過外部冷卻水系統來帶走熱量，保證整個V系統高效地工作。同時V系統在冷卻水回路上設置1座電子三通調節閥，用來實時調節冷卻水的流量。

圖1 V系統流程

1.2 電子三通閥

電子三通調節閥，是由直行程電子式電動執行機構和采用圓筒型薄壁窗口形閥芯的三通合流(分流)閥組成。具有結構緊湊、重量輕、動作靈敏、流量特性精確的特點，其直接接受調節儀表輸入等控制信號及單相電源即可控制運轉，實現對工藝管路流體介質的自動調節控制，廣泛應用于精確控制氣體、液體、蒸汽等介質的工藝參數(如壓力、流量、溫度、液位等參數)保持在給定值。

在V系統中，電子三通調節閥承擔著實時調節冷卻水流量的任務，當PLC控制器[4]根據當前用戶的負荷計算出所需要的冷卻水，并控制電子三通調節閥來實時調節冷卻水流量，最大化保證制冷機組處于良好的工作狀態。這種調節方法能高效、快速地進行調節，對于后端用戶的負荷改變有著很快的響應，同時又能達到節約能源的目的。

1.3 PID調節

V系統對冷卻水流量控制的設計采用工程上應用廣泛的比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調節[5]。PID控制器(比例-積分-微分控制器)是一個在工業控制應用中常見的反饋回路部件，是由比例單元P、積分單元I和微分單元D組成。PID控制的基礎是比例控制；積分控制可以消除穩態誤差，但可能增加超調；微分控制可加快大慣性系統響應速度以及減弱超調趨勢。V系統運行期間，根據功耗的不同，通過實時調節冷卻水流量，保證系統能量守恒以及能耗的最大化利用。

2 V系統運行可靠性分析

2.1 影響V系統制冷機組正常運行的因素

V系統制冷機組工作原理[6]如圖2所示，整個制冷過程共分4個階段。制冷機組蒸發器中與冷凍水換熱后的低溫低壓冷媒被壓縮機吸入，經過壓縮后，冷媒由低溫低壓氣體變為高溫高壓氣體，再進入冷凝器后與冷卻水發生熱交換，變為低溫高壓液體。低溫高壓液體通過節流閥減壓后成為低溫低壓濕蒸汽，最后進入蒸發器蒸發帶走冷凍水的熱量，完成整個制冷過程。

圖2 V系統制冷機組工作原理

V系統制冷機組在制冷過程中，影響機組正常運行的主要因素如表1所示。其中吸氣壓力和排氣壓力作為關鍵因素直接表征制冷機組的工作狀態，機組啟動時，吸氣壓力和排氣壓力會逐步升高，當冷凍水溫度達到設定值后機組處于正常運行時，吸氣壓力和排氣壓力基本穩定。當機組處于異常狀態時，吸氣壓力和排氣壓力會一直上升，為保護機組，V系統設計聯鎖停機功能，當排氣壓力大于1 300 kPa時，機組將會聯鎖保護停機。

表1 V系統制冷機組正常運行的主要因素

2.2 V系統制冷機組故障停運分析

V系統制冷機組啟動后約10 min即出現保護停機。圖3為機組10 min內重要參數的變化情況。由圖3可以看出，在10 min內，制冷機組壓縮機持續工作，吸氣壓力和排氣壓力持續上升，直至排氣壓力超過1 300 kPa，達到機組的保護值后聯鎖保護停機，從而導致冷凍水無法繼續降溫。由冷卻水閥開度變化曲線可知，制冷機組在啟動過程中冷卻水閥的開度逐步增大，直至機組保護停機，冷卻水閥開度已增加至100%。

根據制冷機組原理可知，因為吸氣壓力逐漸升高，導致壓縮機吸入冷媒再次壓縮后，排氣壓力也會隨之升高，那么經過多次之后，排氣壓力就會超過機組設置的保護值，導致機組停機，故過高的吸氣壓力是導致機組停機，進而導致V系統失效的直接原因。

圖3 V系統制冷機組運行過程中重要參數變化曲線

根據理想氣體狀態方程PV=nRT[7]，在體積和溫度的量保持不變的情況下，氣體的壓力越大，則氣體的溫度越高，故可判斷冷媒在每次進入壓縮機前溫度逐漸升高。那么根據理想條件下的制冷機組工作狀態，每次進入壓縮機的冷媒溫度應當保持基本不變。但啟動過程中，冷媒溫度并沒有保持基本不變而是逐漸升高，而冷媒的溫度主要通過與冷卻水發生熱交換來進行控制。通過分析制冷機組故障停機現象及重要參數變化趨勢，可以初步推斷出導致V系統制冷機組故障停運的原因主要有：冷卻冷媒的冷卻水流量供應不足；調節冷卻水流量的電子三通閥故障，導致冷卻水流量無法調節。

通過查閱技術文件、負荷計算，冷卻水流量的供應在設計上足以滿足冷卻冷媒的要求。結合機組啟動過程冷卻水閥的變化狀態，在不考慮電子三通閥故障的前提下，冷卻水流量的供應是足夠的。因此排除冷卻水流量供應不足導致V系統制冷機組故障停運。由此分析，判定調節冷卻水流量的電子三通閥出現故障，雖然冷卻水閥門開度達到100%，但實際冷卻水流量不足。

維修電子三通閥過程中，拆除包裹在電子三通閥表面的保溫棉后，發現現場安裝的電子三通閥出現了“倒置”情況，圖4為正常安裝的電子三通閥與倒置安裝的電子三通閥示意。

圖4 正常安裝的電子三通閥與倒置安裝的電子三通閥示意

在V系統制冷機組啟動過程中，冷媒溫度逐漸增大后，需要更多冷卻水進行換熱，當PLC發出開閥指令后，電子三通閥執行開閥指令，然而隨著冷卻水閥不斷增大，進入冷凝器的冷卻水量并未增加，由此導致吸氣壓力逐漸增大，進一步導致排氣壓力逐漸增大，最終聯鎖保護停機。

3 V系統運行可靠性優化

3.1 V系統運行可靠性優化方案設計

根據冗余原理[8]，“一個具有相同設備功能的備用設備系統”，指重復配置系統的一些部件，當系統發生故障后，冗余配置的部件介入并承擔故障部件的工作，由此減少系統的故障時間，保證系統更加可靠、安全地工作。V系統作為核安全級系統，重要性不言而喻，但設計只單一考慮到制冷機組1#和制冷機組2#兩套獨立的子系統來組成一個完整的V系統，在關鍵設備的設置上并未考慮冗余，忽略了僅在冷卻水總管上設置1座電子三通閥，一旦電子三通閥故障，則2臺制冷機組均失去自動調節冷卻水的能力，V系統運行可靠性大大降低。為了提高系統運行可靠性，保證系統的完整性，設計以下優化方案：為保證電子三通閥門正常工作，將電子三通閥安裝順序與水流順序保持一致；恢復V系統的冗余，在每臺制冷機組冷卻水管路上單獨安裝1座電子三通閥，避免因為1座電子三通閥故障而導致整個V系統無法運行的情況。

優化后的V系統冷卻水部分流程如圖5所示。在每一個V系統的子系列上，均單獨安裝新的電子三通閥。2個系列獨立工作，并相互作為備用，恢復了系統的冗余性。電子三通閥經過現場調試，工作良好，未出現異常。

圖5 優化后的V系統冷卻水部分流程

3.2 V系統運行可靠性優化方案試驗驗證

對優化改進后的V系統進行試驗，啟動V系統后，觀察系統運行狀態，圖6為V系統啟動運行1 h內，吸氣壓力、排氣壓力，供吸壓差和冷卻水閥開度4個重要參數的變化曲線。從圖6可以看出，V系統經過優化改進，制冷機組啟動后，排氣壓力和吸氣壓力緩慢升高，20 min后冷凍水溫度達到設定值，吸氣壓力與排氣壓力在正常值范圍微小波動，供吸壓差達到基本穩定。同時冷卻水閥開度呈現先增加后減小，最終機組穩定運行后在正常范圍內進行調節。經過長時間的運行考驗，V系統制冷機組各項參數運行正常，系統運行可靠性得到有效提高。

圖6 優化后的V系統制冷機組運行過程中重要參數變化曲線

4 結術語

基于V系統的系統特性及工作原理，研究系統運行可靠性，從優化設計的角度出發，通過深入分析故障停運原因，對系統進行優化改進，并通過運行試驗進行驗證。試驗結果表明，優化后的V系統運行穩定，重要參數運行正常，且系統真正達到了冗余設計，有效提高了V系統的運行可靠性，保障了反應堆的安全運行。