M310 核電機組冷凍水系統研究

張大為

（江蘇核電有限公司，江蘇連云港 222000）

0 引言

M310 核電機組冷凍水系統分為核島冷凍水系統和電氣廠房冷凍水系統。核島冷凍水系統和電氣廠房冷凍水系統主要為廠房通風系統提供滿足設計要求的冷凍水冷源。

1 系統設計介紹

1.1 核島冷凍水系統

核島冷凍水系統設備主要包括3 套50%容量的冷水機組，3 臺50%流量的冷凍水循環泵，1 臺波動水箱。

核島冷凍水系統是一個閉式循環回路。它的功能是將通風系統冷卻盤管所回收的熱量通過冷水機組傳遞給設備冷卻水系統。冷水機組的蒸發器供應冷凍水，并回收冷凍水回水中的熱量，熱量經冷水機組的冷凝器傳送給設備冷卻水系統[1]。在正常情況下，2 臺冷凍水泵運行，1 臺泵備用，可根據冬夏季工況運行1～2 臺冷水機組。此系統可在主控制控制冷水機組的啟動和停運，同時也可以在就地控制柜上控制。

1.1.1 冷凍水系統

3 臺冷凍水泵與3 臺冷水機組為1 對1 設計，正常為2 用1備。冷凍水泵流量為380 m3/h，冷水機組制冷量為2375 kW。1 臺波動水箱與冷凍水泵入口總管相連，用于水泵入口壓力定壓，水箱通過手動補水來維持水位，并設有低液位和低低液位報警，方便主控室監測系統狀態。

冷凍水出水通過管網輸送到系統各用戶，其中安全殼連續通風系統和反應堆堆坑通風系統的所有冷卻盤管為連續供水，并保持正確的流量分配，可隨時根據需要切換通風機組。其他通風系統的冷卻盤管上均裝有三通流量控制閥門，以保證通過每一支管的流量恒定，流量控制閥會根據通風系統溫度自動調節經過冷卻盤管和旁通管的流量。

1.1.2 冷卻水系統

冷卻水系統為設備冷卻水系統冷卻，冷卻水流量為374 m3/h，溫度不低于15 ℃、不高于35 ℃。在冷卻水側管道上設置氣動閥與冷水機組聯鎖，氣動閥會根據冷水機組啟停聯鎖開關。

1.1.3 自動控制系統

冷水機組采用LG 自動微處理控制系統，用于系統的自動運行、調節與保護，顯示界面較直觀，操作簡便，一鍵式啟停，PLC 屏幕上可以顯示機組運行的各項參數并實時監控，當機組發生故障時，能夠自動診斷并顯示故障原因[2]。

（1）冷水機組的啟動的主要條件：①故障保護回路無顯示；②油箱溫度50～55 ℃；③供油壓差（供油壓力與油箱內壓力之差）不低于1.40 kg/m2；④制冷機連續兩次開啟時間未達到設定值⑤冷凍水泵或冷卻水泵正在運行狀態，主要通過設置在冷凍水和冷卻水側的壓差開關監測。

（2）冷水機組的運行：當滿足啟動條件時，主控或就地啟動冷水機組，機組自動啟動油泵，主電機自動啟動，進入運行狀態。冷水機組可根據負荷通過壓縮機進口導葉的開閉實現對制冷量的調節，使冷凍水出口溫度恒定。當冷凍水溫度持續降低達到溫度下限時，冷水機組會進入待機狀態，壓縮機停運，但機組還在自動運行狀態；當系統溫度升高，冷水機組將自動啟動。在機組正常運行過程中，冷水機組PLC 將持續監測各項保護參數，實現冷凍水、冷卻水流量、軸承溫度、壓縮機電流、油溫、油壓差等聯鎖保護功能。

1.2 電氣廠房冷凍水系統

電氣廠房冷凍水系統主要設備包括2 臺100%容量的水冷式冷水機組、2 臺100%流量的冷凍水循環泵、1 臺風冷式冷水機組，1 臺用于風冷式冷水機組冷水循環的冷凍水循環泵、1 個冷凍水儲罐、1 個膨脹罐。系統為核安全三級的系統。

電氣廠房冷凍水系統也是一個閉式循環回路。它的功能是將通風系統冷卻盤管所回收的熱量通過冷水機組傳遞給設備冷卻水系統。在正常情況下，1 臺冷凍水泵/水冷式冷水機組運行，1臺冷凍水泵/水冷式冷水機組備用；風冷機組和冷凍水泵應急備用。此系統可在主控制控制冷水機組的啟動和停運，同時也可以在就地控制柜上控制。

1.2.1 冷凍水系統

2 臺冷凍水泵與2 臺水冷式冷水機組為組合運行設計，正常為1 用1 備；冷凍水泵流量為166 m3/h，水冷式冷水機組制冷量為1250 kW；1 臺冷凍水泵與1 臺風冷式冷水機組為H1 工況（喪失設備冷卻水）應急備用；冷凍水泵流量為86 m3/h，風冷式冷水機組制冷量為600 kW。每個冷水機組都包括2 個壓縮機單元。

1 個膨脹罐用于冷凍水系統定壓，水箱內由0.2 MPa 氮氣進行定壓，水箱通過手動補水來維持水量和壓力，并設有低壓力液位報警，方便主控室監測系統狀態。

1 個冷凍水儲罐用來向主控制室空調系統、技術設備間空調系統的冷卻盤管短時間提供必要的冷凍水。當兩臺水冷冷水機組故障或喪失冷卻水時，保證有一定時間的獨立供水，以便切換到風冷機組運行。

冷凍水出水通過管網輸送到系統各用戶，各通風系統的冷卻盤管上均裝有三通流量控制閥門，以保證通過每一支管的流量恒定，流量控制閥會根據通風系統溫度自動調節經過冷卻盤管和旁通管的流量。

1.2.2 冷卻水系統

冷卻水系統為設備冷卻水系統冷卻，冷卻水流量為185 m3/h，溫度不低于15 ℃、不高于35 ℃。在冷卻水側管道上設置氣動閥與冷水機組聯鎖，水冷式冷水機組可通過調節氣動閥控制冷卻水側的流量。風冷式冷水機組通過控制8 臺冷卻風機的啟停，將熱量釋放到大氣中。

1.2.3 自動控制系統

水冷冷水機組和風冷冷水機組均采用以PLC 為基礎的控制系統，顯示界面直觀，操作簡便，一鍵式啟停，具有多重保護機制，能儲存發生故障時的主要運行數據，并具有自我診斷、顯示故障原因的功能[3]。

（1）冷水機組的啟動的主要條件：①故障保護回路無顯示，高壓開關、低壓開關、油位開關、壓縮機過載保護、油泵過載保護等均處于閉合狀態；②油箱溫度不低于30 ℃；③制冷機連續兩次開啟時間未達到設定值；④冷凍水泵或冷卻水泵處于運行狀態，主要通過設置在冷凍水和冷卻水側的壓差開關監測。

（2）冷水機組的運行：當滿足啟動條件時，主控或就地啟動冷水機組，機組自動啟動油泵，主電機自動啟動，進入運行狀態。冷水機組可根據負荷通過壓縮機的加卸載電磁閥的調節實現對制冷量的調節，使冷凍水出口溫度恒定。當冷凍水溫度持續降低達到溫度下限時，冷水機組會進入待機狀態，壓縮機停運，但機組還在自動運行狀態，當系統溫度升高，冷水機組將自動啟動。當2 臺壓縮機都處于停運狀態時，如果冷凍水溫度高于自動啟動溫度時，PLC 會比較2 臺壓縮機的累計運行時間，會先啟動累計運行時間較短的壓縮機。當1 臺壓縮機運行，1 臺壓縮機停運時，如果運行的壓縮機電流滿載時間超過設定值，并且冷凍水出水溫度和設定值相差1.2 ℃以上，第2 臺壓縮機將啟動運行。

2 系統主要設備介紹

2.1 離心式制冷機

離心式制冷機主要由壓縮機、電機和增速齒輪箱組成，將來自蒸發器的低溫低壓制冷機氣體通過進口導葉吸進葉輪，壓縮成高溫高壓的制冷機氣體后送至冷凝器。

離心式壓縮機主要由轉子和定子兩大部分組成，工作原理是當氣體流過離心式壓縮機的葉輪時，高速旋轉的葉輪使氣體在離心力的作用下，一方面壓力提高，另一方面速度也極大增加，而后當氣體在流經擴壓器通道時，由于降速使氣體的動能又轉換為靜壓能，使氣體的壓力進一步增大[4]。

核島冷凍水系統離心式壓縮機為雙級離心壓縮機，如圖1所示，從蒸發器中蒸發的低溫低壓制冷劑氣體通過進口導葉吸進第一個葉輪。此時進入的氣體量由進口導葉的開度調節，以此控制制冷量。吸進第一個葉輪的制冷劑氣體壓縮成中溫中壓的制冷劑氣體被來自經濟器的低溫制冷劑氣體冷卻后，通過回氣通道吸進第二個葉輪。吸進第二個葉輪的制冷劑氣體壓縮成高溫高壓的制冷劑氣體后進入冷凝器，與冷凝器傳熱管內的冷卻水換熱后冷卻。

圖1 氣體流經壓縮機

2.2 螺桿式制冷機

螺桿式壓縮機主要由壓縮機、電機組成，來自蒸發器的低溫低壓制冷機氣體進入螺旋轉子的凹槽，當轉子旋轉時，轉子凹槽被機殼壁封閉形成壓縮腔室，將氣體進行壓縮[5]。

單螺桿式壓縮機的構造與離心式壓縮機不同，壓縮機主要由螺桿和兩個對稱分布的星輪組成，其工作原理是氣體通過吸氣口進入轉子齒槽，隨著轉子的轉動，星輪依次進入與轉子齒槽嚙合的狀態，氣體隨即被封入由轉子齒槽曲面、機殼以及星輪齒面所形成的密閉空間，隨著轉子連續不斷地旋轉，密閉空間不斷被壓縮，當壓縮氣體轉至排氣口時，將壓縮氣體排氣。由于兩個星輪在轉子的兩側對稱布置，一次循環轉子每旋轉一周時發生兩次氣體壓縮（圖2）。

圖2 單螺桿壓縮機

3 結論

本文介紹了M310 核電機組冷凍水系統的設計情況、設備原理等，為后續機組的冷凍水系統調試、運行和維護提供寶貴經驗。