一種自然冷卻的風冷冷水機組在核電站內(nèi)的應(yīng)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(guān)設(shè)備運行及人員操作。田灣核電站要求核電機組發(fā)電期間主蒸汽閥站設(shè)備不間斷運行，需要空調(diào)機組全年為其提供制冷。空調(diào)機組如何能全年穩(wěn)定可靠提供冷量給主蒸汽閥站設(shè)備，并最大程度地實現(xiàn)可靠、節(jié)能、環(huán)保是需要解決的一個重要課題。

2 商用空調(diào)機組存在的問題

2.1 問題描述

直接蒸發(fā)式制冷系統(tǒng)商用空調(diào)機組主要是滿足舒適性要求，其設(shè)計和制造工藝與工業(yè)空調(diào)有很大的差距。連云港冬季戶外溫度很低，商用空調(diào)機組制冷模式下長期在低溫下運行，容易出現(xiàn)低壓報警、蒸發(fā)器結(jié)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(diào)不間斷運行也導(dǎo)致故障頻發(fā)。

2.2 自然冷卻風冷冷水機組的應(yīng)用

為避免商用空調(diào)機組在連云港地區(qū)冬季環(huán)境下制冷運行時的先天缺陷，降低空調(diào)機組運行的故障率，可采用間接冷卻式空調(diào)制冷系統(tǒng)解決問題、改變現(xiàn)狀。隨著制冷技術(shù)的發(fā)展，風冷冷水機組采用環(huán)境溫度下的空氣冷卻制冷，省去了冷卻塔等部件，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更緊湊，得到了廣泛應(yīng)用。

2.3 常規(guī)風冷冷水機組存在的問題

風冷冷水機組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單緊湊、安裝方式靈活，但工業(yè)或商業(yè)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(huán)境變化較大的條件下提供冷凍水，甚至要求在-15℃的環(huán)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(huán)境溫度易引起低壓保護；（2）低環(huán)境溫度下機組啟動困難；（3）冷凍水易凍結(jié)；（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(huán)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(diào)節(jié)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(huán)境對機組的穩(wěn)定運行是一個挑戰(zhàn)，但同時也是一個很好的冷源，如果能夠利用低溫環(huán)境來達到用戶對冷量的需求，則既節(jié)省了機組運行所耗的電能，又能避免壓縮機在低溫環(huán)境下運行?；谶@一構(gòu)想，田灣核電站決定采用一種自然冷卻風冷冷水機組的設(shè)計概念。

自然冷卻風冷冷水機組包括兩個系統(tǒng)：蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)和自然冷卻制冷系統(tǒng)?？紤]到低溫防凍問題，這兩個系統(tǒng)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(shù)方案原理如圖1所示，該方案在原有風冷冷水機組的基礎(chǔ)上增加了一套自然冷卻盤管冷卻系統(tǒng)。通過此預(yù)冷（即“自然冷卻”）過程，室外空氣為空調(diào)系統(tǒng)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(jīng)過自然冷卻換熱盤管，直接進入壓縮式制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器中，全部由壓縮式制冷系統(tǒng)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(yù)冷），然后進入壓縮式制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)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(tǒng)。

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(tǒng)進行自動控制。

2.6 自然冷卻風冷冷水機組設(shè)計方案

結(jié)合田灣核電站現(xiàn)場氣候條件，自然冷卻風冷冷水機組設(shè)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(nèi)機換熱器提供7℃冷凍水。

（2）室內(nèi)機采用4臺吊頂式空調(diào)機組，分別安裝于主蒸汽閥站4個房間內(nèi)，室內(nèi)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(jié)冰。

2.7 自然冷卻風冷冷水機組控制系統(tǒng)及運行邏輯

自然冷卻風冷冷水機組控制系統(tǒng)及運行邏輯比較復(fù)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(huán)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(fā)器，壓縮機運行，冷凝風機根據(jù)制冷系統(tǒng)冷凝壓力調(diào)速運行，壓縮機根據(jù)冷凍水出水溫度設(shè)定值自動進行能量調(diào)節(jié)。

（2）冷凍水回水溫度-環(huán)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(huán)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(diào)節(jié)冷凝風機轉(zhuǎn)速來控制冷凍水出水溫度，此狀態(tài)為全部自然冷卻模式。

（3）冷凍水回水溫度-環(huán)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(jù)制冷系統(tǒng)冷凝壓力調(diào)速運行，壓縮機根據(jù)冷凍水出水溫度設(shè)定值自動進行能量調(diào)節(jié)，此狀態(tài)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(jié)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(jié)約廠用電量441600kW·h/年，經(jīng)田灣核電財務(wù)處核算，年增加發(fā)電收入167 940元，增加利潤約35 016元。

（2）綠色環(huán)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(nèi)循環(huán)，室內(nèi)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(huán)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(huán)境溫度較低時采用自然冷卻模式，避免了壓縮機在低溫環(huán)境下運行，提高了機組運行的可靠性。

3 結(jié)語

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

[1]蒸汽壓縮循環(huán)冷水（熱泵）機組第1部分：工業(yè)或商業(yè)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(jié)能型風冷冷水機組的研制[J].制冷與空調(diào)（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(yè)出版社，1997.

[4]周金坤.制冷原理[M].北京：高等教育出版社，2009.