新型核电冷冻水系统设计

2015-03-14沈杨梅

机电信息 2015年12期

沈杨梅

（南京源自电力自动化设备有限公司，江苏南京211800）

1 现有技术背景

随着核能技术的发展以及新能源领域国家能源政策力度的加大，和平开发利用核能已经成为我国能源发展的重点。到目前为止，我国核电建设及生产已经积累了近20年的经验，核电站设备由原先国外成套引进逐步变为引进关键设备、国内配套部分设备，而国内配套部分设备的国产化进程已刻不容缓。

现有核电冷冻水系统与一、二级冷却系统组成冷却水循环回路。正常工作时通过冷冻水循环泵使恒温水箱中冷却水在循环回路中不断循环，当冷却水温度高于或低于预设温度时压缩机工作，开始对恒温水箱中冷却水进行制冷或制热，确保循环回路水温恒定；同时，除盐水由除盐水管路送至冷冻水系统装置后，通过热交换器和恒温水箱中的冷却水进行热交换，达到预定的温度。目前在用核电冷冻水装置在系统和机械结构上存在以下缺陷：无备用工作系统，当该装置需要定期维修或系统中任一部件出现问题而停止工作时，直接导致冷却循环回路中其他设备无法正常工作；在冬季温度较低时，单一靠压缩机制热水温控制效果不理想。因此，很有必要在现有技术的基础之上，研发一种结构设计合理、检修方便、工作效率高、可满足核电连续长期可靠运行要求的核电冷冻水系统。

2 新型核电冷冻水系统的构成

新型核电冷冻水系统采用了两个并列的相同工作单元，很好地解决了现有核电冷冻水系统无备用工作单元的问题；针对冬季温度较低，增加了辅助电加热装置，极大地改善了单一靠压缩机制热水温控制效果不理想的状况。如图1所示，该系统包括：电控箱1，与电控箱1相连的两个并列的相同工作单元，所述工作单元包括水冷压缩冷凝机组2、恒温水箱3、安装在恒温水箱3内的辅助电加热装置4、与恒温水箱3相连通的冷冻水循环泵5、与冷冻水循环泵5相连的进出水管路6。

3 新型核电冷冻水系统的工作原理

新型核电冷冻水系统中的电控箱连接有两个并列的相同工作单元，其中一个工作单元作为正常运行单元，另一个工作单元作为备用工作单元，当正常运行的工作单元出现故障时，备用工作单元启动工作，可以方便维修和保持恒温控制。

水冷压缩冷凝机组实际工作时，压缩机用来实现制冷或制热功能。水冷压缩冷凝机组由蒸发器、压缩机、冷凝器、膨胀阀4个部件以及连接各部件的接管组成。制冷剂对外界保持气密，在制冷系统中按一定的方向循环运作，利用制冷剂的集态变化来转移热量，即制冷剂蒸发时吸热，冷凝时放热。

制冷时，打开制冷电磁阀，此时蒸发器中低温低压的液态制冷剂从被冷却的冷却水中吸取热量，变成过热气态制冷剂，冷却水被吸收热量后得到冷却；过热气态制冷剂被压缩机吸入，进行压缩，变成高温高压的压缩气态制冷剂；该气态制冷剂进入冷凝器后，被常温常压的除盐水冷却液化，重新变成液态制冷剂；经膨胀阀急剧地节流减压，变成低温低压的液态制冷剂，再次进入蒸发器进行循环。膨胀阀起着分割制冷循环中高压区域与低压区域的作用。

图1 新型核电冷冻水系统

制热时，打开制热电磁阀，此时高温高压的气态制冷剂在蒸发器中放出热量，冷却水被加热，低温的气态制冷剂被压缩机吸入，进行压缩，变成高温高压的压缩气态制冷剂，重新回到蒸发器中进行循环。

除以上几部分外，水冷压缩冷凝机组还有一些必不可少的辅助功能元件：干燥过滤器，用来祛除制冷剂中的水分及夹杂物，防止膨胀阀出现冰堵和脏堵；冷凝压力调节阀，在设定冷凝压力后，该阀能自动调节水量以维持恒定的冷凝压力，该阀一经设定，切勿随意调节；高低压压力开关，制冷剂压力特别高或特别低时，能自动停止运转，防止不正常运转引起事故；电磁阀，分为液体电磁阀和气体电磁阀，主要是通过电讯号的作用自动开启或关闭制冷剂通道，制冷时打开液体电磁阀通道，制热时打开气体电磁阀通道。

循环泵将冷却水从恒温水箱循环至蒸发器中，在压缩机制冷时，低温低压的制冷剂在蒸发器中蒸发，此时通过蒸发器的冷却水被冷却；当压缩机制热时，通过蒸发器的冷却水被加热。被冷却或加热的冷却水随后回到水箱中，不断循环，直至冷却水温度达到预设值。当环境温度过低、压缩机对冷却水制热无法达到预设值时，恒温水箱内的辅助电加热装置开始工作，与压缩机同时对冷却水进行加热，直至达到需要的温度。

4 新型核电冷冻水系统的电气设计

在恒温水箱上装有磁翻板液位计，它会根据水箱中液位向电控箱发送3个开关量信号：

（1）当恒温水箱中液位下降至低液位时，电控箱收到补水信号，控制补给水进水电磁阀对水箱进行补水。

（2）恒温水箱补水后液位上升至高液位时，高液位开关信号发出，系统停止对水箱补水。

（3）当补水信号发出后，液位仍继续下降至低液位，此时辅助电加热装置会暴露在空气中出现干烧，液位计将发出报警信号，电控箱自动停止常用工作单元运行，备用工作单元启动。

在该新型核电冷冻水系统中，电控箱控制整个装置的自动运行，遇有故障能自动停机，启用备用工作单元。该系统中还设计了安全保护装置、压缩机防过热元件，由于压缩机缺相或超负荷运转等原因引起电动机线圈温度异常升高时，能自动停机；循环水泵用过电流继电器，防止水泵电动机超负荷运转引起烧毁事故；电源缺相及相序保护，供电电源三相中缺少任意一相，或三相相序与机组不符时，机组自动停机。

5 新型核电冷冻水系统的管路设计

进出水管路包括循环冷却水进出管路、除盐水进出管路和补给水进水管路3个对外循环回路接口。当冷冻水循环泵运行时，将恒温水箱中冷却水通过冷却水进出管路循环至一、二级冷却系统，最后回到恒温水箱中，调节整个循环回路的温度。当需要制冷时，除盐水从除盐水进出管路进入水冷压缩冷凝机组中，通过热交换器与冷却水进行热交换，达到预定温度。当冷却水循环损耗造成恒温水箱中冷却水液位下降时，系统将通过补给水进水管路对恒温水箱进行补水。

设备正常工作时启动常用工作单元，此时备用单元不工作。进出水管路与一、二级冷却系统组成冷却水循环回路，并提供除盐水进出回路接口和恒温水箱中冷却水补给水接口，启动冷冻水循环泵使恒温水箱中冷却水在循环回路中循环，水冷压缩冷凝机组对冷却水进行制冷或加热直至达到需要的温度。当冬季温度很低、水冷压缩冷凝机组不能维持正常温度时，辅助电加热装置同时启动，对冷却水进行加热，直至达到恒温的目的。其中电控箱用来控制水冷压缩冷凝机组、辅助电加热装置和冷冻水循环泵的自动运行。