反應堆水冷式空調制冷系統制冷溫度異常分析

杜 坤，雷 超，高 儉，胡啟帥，陳洋穎，王恒

（中國核動力研究設計院，四川成都 610041）

0 引言

水冷式空調制冷系統與反應堆重要設備存在接口關系，主要功能是為反應堆設備提供符合設計要求的設備冷卻水，保證設備工作溫度維持在正常范圍內，其運行時的穩定性直接影響反應堆的安全運行狀態。在運行期間，水冷式空調制冷系統制冷溫度異常，導致反應堆設備工作溫度過高影響反應堆的安全運行是不可接受的。

為保障反應堆的安全運行，本文基于水冷式空調制冷系統的系統特性及工作原理，分析影響機組制冷溫度的因素，并逐一排查，最終定位異常原因為冷凝器換熱管結垢導致換熱能力下降。通過分析對比并結合現場確定除垢方式，完成處理并驗證，有效解決了水冷式空調制冷系統制冷溫度異常問題。

1 水冷式空調制冷系統

水冷式空調制冷系統工作工藝流程見圖1?？照{制冷系統中有兩種循環水：一種是反應堆用戶使用的冷凍水，閉式循環水（去離子水）；另一種是冷凝器換熱使用的冷卻水，開式循環水（天然水）。正常工作時，機組內冷媒通過壓縮機壓縮變為高溫高壓的氣體，然后通過冷凝器經冷卻水換熱后變為低溫高壓的液體，又經膨脹閥節流變為低溫低壓的濕蒸汽，濕蒸汽狀態冷媒再進入蒸發器與冷凍水換熱、變為高溫低壓的氣體后再回到壓縮機。

圖1 水冷式空調制冷系統工藝流程

水冷式空調制冷系統正常運行時，向反應堆用戶提供7 ℃的設備冷卻水，維持反應堆設備的正常運行，空調制冷系統正常運行時重要參數指標見表1。

2 水冷式空調制冷系統制冷溫度異常現象

水冷式空調制冷系統正常運行時，隨反應堆用戶溫度上升，空調制冷系統冷凍水溫度逐漸上升至10.7 ℃，無法滿足反應堆用戶需求。停運當前空調制冷機組，切換至備用空調制冷機組運行。查詢空調制冷系統機組停機前重要參數數據，發現空調制冷系統冷凍水溫度異常時，機組排氣壓力以及冷凝溫度異常（表1）。調取水冷式空調制冷系統制冷異常階段冷凝溫度、蒸發溫度曲線圖、排氣壓力曲線圖，發現空調制冷系統冷凍水溫異常上升時，機組冷凝溫度及排氣壓力也異常上升（圖2～圖3）。

圖2 冷凝溫度及蒸發溫度曲線

圖3 排氣壓力曲線

表1 空調制冷系統機組運行數據

3 水冷式空調制冷系統制冷溫度異常分析

3.1 壓縮機工作過程

水冷式空調制冷系統采用壓縮機為單螺桿式壓縮機，單螺桿式壓縮機工作共分3 個過程。

（1）吸氣過程。當轉子轉動時，齒槽容積隨轉子旋轉會逐漸增大，由蒸發器來的氣體會混合潤滑油通過孔口進入壓縮機。

（2）壓縮過程。當轉子繼續轉動，被機體、吸氣端座和排氣端座封閉在齒槽內的氣體，會隨陰、陽轉子的相互嚙合而被壓向排氣端，同時氣體壓力同步升高。此階段隨冷媒一起被吸入的潤滑油會對壓縮機軸承和轉子進行潤滑及冷卻。

（3）排氣過程。當轉子轉動到齒槽間隙與排氣端座上排氣口連通時，冷媒與潤滑油混合體會被排入壓縮機后端油分離器。在此處潤滑油與冷媒分離，冷媒進入冷凝器，潤滑油進入潤滑油箱待再次被吸入壓縮機。

3.2 制冷溫度異常原因

在冷媒進入冷凝器之后，在冷凝器內有氣體凝成液體的壓力稱為冷凝壓力，由于空調制冷系統中冷凝器內部壓力無法測量（實際上冷媒在排氣管及冷凝器內的壓力降極?。ǔＴO計、調試與檢修中認為排氣壓力近似等于冷凝壓力。

水冷式空調制冷系統所用冷媒為R134a，其冷凝溫度與冷凝（排氣）壓力是成正比變化的，冷凝（排氣）壓力越高，冷凝溫度也就越高。所以，導致制冷溫度異常的原因主要有以下5 個。

3.2.1 冷凝器進水溫度過高

當冷凝器進水溫度過高時，冷凝溫度T2會隨冷卻水進水溫度升高而升高。據冷凝溫度、蒸發溫度曲線圖可明顯看出，水冷式空調制冷機組制冷異常時，其蒸發溫度T1一直于穩定范圍內較小波動，而冷凝溫度T2變化較明顯。

根據理論制冷系數計算公式：

不難看出，在冷凝器進水溫度過高時，空調制冷系統冷凝溫度會隨之增高，導致機組制冷效率下降、制冷溫度異常上升。

3.2.2 冷凝器內有空氣等不凝結氣體

氮氣、空氣、二氧化碳等在冷凝器中特定的溫度、壓力條件下不凝結成液體的氣體稱為不凝結氣體，因不凝結氣體本身有一定壓力，根據道爾頓定律：

在冷凝器內固定容積的情況下，有不凝結氣體進入會導致排氣壓力上升，且因不凝結氣體在冷凝器換熱管面形成氣體層，增加熱阻、降低冷凝器換熱效率，導致制冷溫度異常上升。

3.2.3 冷媒充裝過量

冷媒充裝過量時，多余的冷媒會于機組中找到容納其的空間，此時會有過量的冷媒以液體形式存在于冷凝器中，使冷凝器的有效換熱面積減小，導致冷凝器的冷凝壓力和冷凝溫度升高，冷凍水溫異常上升。

3.2.4 冷凝器上進氣閥門未完全打開

冷凝器進氣閥門未完全打開，導致排氣壓力上升，隨負荷增加，需換熱冷媒量無法正常進入冷凝器內換熱，導致制冷效率下降、制冷溫度異常上升。

3.2.5 冷凝器換熱銅管內結垢嚴重

在冷凝器中，換熱管道表面結垢層是不均勻的，并且會隨著時間的推移而變化，其關系式可表示為：

式中

σ——材料厚度，mm

λ——材料導熱系數，W/（m·℃）

由關系式可見，結垢層的熱阻會因時間推移導致結垢層厚度σ 增加而增加。換熱管的傳熱系數將隨其熱阻的增加而減少，從而導致冷凝器溫度、排氣壓力升高，制冷溫度異常上升。

4 水冷式空調制冷系統制冷溫度異常排查

4.1 故障排查

根據上述分析，開展對水冷式空調制冷系統制冷溫度異常故障排查工作：

（1）冷凝器進水溫度過高。由表1 可知，冷卻水溫（冷凝器進水溫度）為5～25 ℃。采用3 種溫度計分別測量，在水冷式空調冷卻水進機端對其進行測量，平均值為19.6 ℃，結果滿足機組運行需求。

（2）冷凝器內有空氣等不凝結氣體。啟動冷卻水系統，使冷卻水于冷凝器中循環，開啟冷凝器排氣閥進行持續排氣，在持續排氣期間僅有穩定、平滑的水柱于排氣閥中排出，無氣體排出。

（3）冷媒充裝過量。當冷媒充裝過量時，空調制冷機組吸排氣壓力均會偏高，且壓縮機運行電流也會偏高。對比空調系統制冷溫度異常時數據，僅排氣壓力異常偏高，壓縮機運行電流穩定。檢查充裝冷媒量，冷媒液位正常。

（4）冷凝器上進氣閥門未完全打開。檢查空調制冷機組所有閥門狀態，閥門開度均正常且閥門結構無損壞。

（5）冷凝器換熱銅管內結垢嚴重。打開冷凝器一側端蓋，使用內窺鏡檢查冷凝器換熱管結垢情況，冷凝器換熱管結垢較嚴重。

4.2 結垢原因分析

據水冷式空調制冷機組工藝流程可見，其冷凝器采用開式循環的天然水源作為冷卻水源，天然水源中各類雜質、微生物、藻類的含量較高，隨著時間推移，微生物及藻類分泌出粘液使水中各種雜質等粘附在一起形成結垢。

根據冷凝器計算傳熱系數K 值的基本公式：

式中 αi——管內傳熱系數，W/（m·℃）

α0——管外傳熱系數，W/（m·℃）

R1——總熱阻（管壁熱阻+水垢熱阻+制冷劑側油膜熱阻），m2·℃/W

di——管內直徑，mmd0——管外直徑，mm

由式（3）、式（4）聯合分析，可得到結垢厚度與傳熱系數的關系曲線（圖4）。

圖4 傳熱系數隨水垢厚度變化曲線

綜合以上排查分析結果，確定水冷式空調制冷系統制冷溫度異常原因為：冷凝器內部換熱管結垢嚴重，增大了換熱管整體熱阻，降低了傳熱系數，導致水冷式空調制冷系統無法正常制冷、冷凍水溫異常升高。

5 水冷式空調制冷系統制冷溫度異常處理及驗證

5.1 水冷式空調制冷系統制冷溫度異常處理

根據上述分析，確定水冷式空調制冷系統制冷溫度異常原因為：冷凝器內部換熱管結垢嚴重。針對冷凝器換熱管結垢問題，通常采用以下兩種除垢方式進行處理：

（1）化學清洗法。使用不同清洗液進行清洗，可先使用酸性清洗液清洗，再使用堿性清洗液中和清洗，最后清水沖洗，排出冷凝器內殘留清洗液及雜質。清洗過程中所用化學清洗液可能會對冷凝器內換熱管造成一定腐蝕。

（2）物理清洗法。先人工捅刷或采用捅炮機對冷凝器換熱管進行物理刷洗除垢，然后用清水沖洗、排出刷洗掉的雜質。冷凝器內換熱管部分死角及較頑固結垢，僅靠單一物理清洗法較難徹底清除。

根據現場冷凝器安裝情況及冷凝器換熱管結垢情況綜合分析，決定采用化學、物理結合的清洗法除垢，既能高效清除換熱管內污垢，又可有效減小化學清洗劑對換熱管的腐蝕。化學物理結合清洗法的具體清洗步驟如下：

在該實驗中，算法使用RBF核函數，其中C=120，gamma=0.02。用10組真實數據交叉驗證得到經驗誤差為x=0.012, y=0.009；真實誤差值為ΔE= 1.21。

（1）將較溫和的清洗液注入冷凝器內，用清洗液浸泡水垢15 min 將結垢軟化。

（2）拆卸冷凝器一端端蓋，從拆卸處通過人工捅刷方式對冷凝器內進行物理刷洗除垢。

（3）使用清水沖洗冷凝器內部，使冷凝器內殘留清洗液及雜質排出。

（4）回裝拆卸端蓋，讓冷卻水系統運行2 h，也可將冷凝器充水后靜置4 h。

（5）排掉冷凝器內廢水，再次打開端蓋使用內窺鏡檢查，如果無水垢等雜質，說明冷凝器已清洗干凈；如果仍有明顯水垢、雜質，則重復前4 個步驟，直至冷凝器清洗干凈。

5.2 水冷式空調制冷系統制冷溫度異常處理后驗證

除垢工作結束后，準備機組啟機驗證，檢查機組狀態，無異常后啟機，隨反應堆用戶溫度升高，空調制冷系統制冷正常，制冷穩定維持在7 ℃左右，觀察除垢后排氣壓力曲線及冷凝溫度曲線（圖5～圖6）。

圖5 除垢后排氣壓力曲線

圖6 除垢后冷凝溫度曲線

根據數據記錄曲線可見，隨著機組啟機運行時間的增加，空調制冷系統排氣壓力和冷凝溫度均在上升后趨于平緩，均滿足機組運行參數標準值，且其他各項參數均無異常，這說明水冷式空調制冷系統恢復制冷能力。

6 結論

本文基于反應堆水冷式空調制冷溫度異常現象，結合系統工作原理分析故障原因，通過驗證依次排除冷卻水溫度過高、冷凝器內有空氣等不凝結氣體等可能導致溫度異常的因素，最終定位故障為冷凝器內換熱管結垢導致。通過分析對比并結合現場確定除垢方式，啟動系統驗證，最終系統制冷效果滿足反應堆用戶所需，保障反應堆安全運行。