M310 核电机组冷冻水系统研究

张大为

（江苏核电有限公司，江苏连云港 222000）

0 引言

M310 核电机组冷冻水系统分为核岛冷冻水系统和电气厂房冷冻水系统。核岛冷冻水系统和电气厂房冷冻水系统主要为厂房通风系统提供满足设计要求的冷冻水冷源。

1 系统设计介绍

1.1 核岛冷冻水系统

核岛冷冻水系统设备主要包括3 套50%容量的冷水机组，3 台50%流量的冷冻水循环泵，1 台波动水箱。

核岛冷冻水系统是一个闭式循环回路。它的功能是将通风系统冷却盘管所回收的热量通过冷水机组传递给设备冷却水系统。冷水机组的蒸发器供应冷冻水，并回收冷冻水回水中的热量，热量经冷水机组的冷凝器传送给设备冷却水系统[1]。在正常情况下，2 台冷冻水泵运行，1 台泵备用，可根据冬夏季工况运行1～2 台冷水机组。此系统可在主控制控制冷水机组的启动和停运，同时也可以在就地控制柜上控制。

1.1.1 冷冻水系统

3 台冷冻水泵与3 台冷水机组为1 对1 设计，正常为2 用1备。冷冻水泵流量为380 m3/h，冷水机组制冷量为2375 kW。1 台波动水箱与冷冻水泵入口总管相连，用于水泵入口压力定压，水箱通过手动补水来维持水位，并设有低液位和低低液位报警，方便主控室监测系统状态。

冷冻水出水通过管网输送到系统各用户，其中安全壳连续通风系统和反应堆堆坑通风系统的所有冷却盘管为连续供水，并保持正确的流量分配，可随时根据需要切换通风机组。其他通风系统的冷却盘管上均装有三通流量控制阀门，以保证通过每一支管的流量恒定，流量控制阀会根据通风系统温度自动调节经过冷却盘管和旁通管的流量。

1.1.2 冷却水系统

冷却水系统为设备冷却水系统冷却，冷却水流量为374 m3/h，温度不低于15 ℃、不高于35 ℃。在冷却水侧管道上设置气动阀与冷水机组联锁，气动阀会根据冷水机组启停联锁开关。

1.1.3 自动控制系统

冷水机组采用LG 自动微处理控制系统，用于系统的自动运行、调节与保护，显示界面较直观，操作简便，一键式启停，PLC 屏幕上可以显示机组运行的各项参数并实时监控，当机组发生故障时，能够自动诊断并显示故障原因[2]。

（1）冷水机组的启动的主要条件：①故障保护回路无显示；②油箱温度50～55 ℃；③供油压差（供油压力与油箱内压力之差）不低于1.40 kg/m2；④制冷机连续两次开启时间未达到设定值⑤冷冻水泵或冷却水泵正在运行状态，主要通过设置在冷冻水和冷却水侧的压差开关监测。

（2）冷水机组的运行：当满足启动条件时，主控或就地启动冷水机组，机组自动启动油泵，主电机自动启动，进入运行状态。冷水机组可根据负荷通过压缩机进口导叶的开闭实现对制冷量的调节，使冷冻水出口温度恒定。当冷冻水温度持续降低达到温度下限时，冷水机组会进入待机状态，压缩机停运，但机组还在自动运行状态；当系统温度升高，冷水机组将自动启动。在机组正常运行过程中，冷水机组PLC 将持续监测各项保护参数，实现冷冻水、冷却水流量、轴承温度、压缩机电流、油温、油压差等联锁保护功能。

1.2 电气厂房冷冻水系统

电气厂房冷冻水系统主要设备包括2 台100%容量的水冷式冷水机组、2 台100%流量的冷冻水循环泵、1 台风冷式冷水机组，1 台用于风冷式冷水机组冷水循环的冷冻水循环泵、1 个冷冻水储罐、1 个膨胀罐。系统为核安全三级的系统。

电气厂房冷冻水系统也是一个闭式循环回路。它的功能是将通风系统冷却盘管所回收的热量通过冷水机组传递给设备冷却水系统。在正常情况下，1 台冷冻水泵/水冷式冷水机组运行，1台冷冻水泵/水冷式冷水机组备用；风冷机组和冷冻水泵应急备用。此系统可在主控制控制冷水机组的启动和停运，同时也可以在就地控制柜上控制。

1.2.1 冷冻水系统

2 台冷冻水泵与2 台水冷式冷水机组为组合运行设计，正常为1 用1 备；冷冻水泵流量为166 m3/h，水冷式冷水机组制冷量为1250 kW；1 台冷冻水泵与1 台风冷式冷水机组为H1 工况（丧失设备冷却水）应急备用；冷冻水泵流量为86 m3/h，风冷式冷水机组制冷量为600 kW。每个冷水机组都包括2 个压缩机单元。

1 个膨胀罐用于冷冻水系统定压，水箱内由0.2 MPa 氮气进行定压，水箱通过手动补水来维持水量和压力，并设有低压力液位报警，方便主控室监测系统状态。

1 个冷冻水储罐用来向主控制室空调系统、技术设备间空调系统的冷却盘管短时间提供必要的冷冻水。当两台水冷冷水机组故障或丧失冷却水时，保证有一定时间的独立供水，以便切换到风冷机组运行。

冷冻水出水通过管网输送到系统各用户，各通风系统的冷却盘管上均装有三通流量控制阀门，以保证通过每一支管的流量恒定，流量控制阀会根据通风系统温度自动调节经过冷却盘管和旁通管的流量。

1.2.2 冷却水系统

冷却水系统为设备冷却水系统冷却，冷却水流量为185 m3/h，温度不低于15 ℃、不高于35 ℃。在冷却水侧管道上设置气动阀与冷水机组联锁，水冷式冷水机组可通过调节气动阀控制冷却水侧的流量。风冷式冷水机组通过控制8 台冷却风机的启停，将热量释放到大气中。

1.2.3 自动控制系统

水冷冷水机组和风冷冷水机组均采用以PLC 为基础的控制系统，显示界面直观，操作简便，一键式启停，具有多重保护机制，能储存发生故障时的主要运行数据，并具有自我诊断、显示故障原因的功能[3]。

（1）冷水机组的启动的主要条件：①故障保护回路无显示，高压开关、低压开关、油位开关、压缩机过载保护、油泵过载保护等均处于闭合状态；②油箱温度不低于30 ℃；③制冷机连续两次开启时间未达到设定值；④冷冻水泵或冷却水泵处于运行状态，主要通过设置在冷冻水和冷却水侧的压差开关监测。

（2）冷水机组的运行：当满足启动条件时，主控或就地启动冷水机组，机组自动启动油泵，主电机自动启动，进入运行状态。冷水机组可根据负荷通过压缩机的加卸载电磁阀的调节实现对制冷量的调节，使冷冻水出口温度恒定。当冷冻水温度持续降低达到温度下限时，冷水机组会进入待机状态，压缩机停运，但机组还在自动运行状态，当系统温度升高，冷水机组将自动启动。当2 台压缩机都处于停运状态时，如果冷冻水温度高于自动启动温度时，PLC 会比较2 台压缩机的累计运行时间，会先启动累计运行时间较短的压缩机。当1 台压缩机运行，1 台压缩机停运时，如果运行的压缩机电流满载时间超过设定值，并且冷冻水出水温度和设定值相差1.2 ℃以上，第2 台压缩机将启动运行。

2 系统主要设备介绍

2.1 离心式制冷机

离心式制冷机主要由压缩机、电机和增速齿轮箱组成，将来自蒸发器的低温低压制冷机气体通过进口导叶吸进叶轮，压缩成高温高压的制冷机气体后送至冷凝器。

离心式压缩机主要由转子和定子两大部分组成，工作原理是当气体流过离心式压缩机的叶轮时，高速旋转的叶轮使气体在离心力的作用下，一方面压力提高，另一方面速度也极大增加，而后当气体在流经扩压器通道时，由于降速使气体的动能又转换为静压能，使气体的压力进一步增大[4]。

核岛冷冻水系统离心式压缩机为双级离心压缩机，如图1所示，从蒸发器中蒸发的低温低压制冷剂气体通过进口导叶吸进第一个叶轮。此时进入的气体量由进口导叶的开度调节，以此控制制冷量。吸进第一个叶轮的制冷剂气体压缩成中温中压的制冷剂气体被来自经济器的低温制冷剂气体冷却后，通过回气通道吸进第二个叶轮。吸进第二个叶轮的制冷剂气体压缩成高温高压的制冷剂气体后进入冷凝器，与冷凝器传热管内的冷却水换热后冷却。

图1 气体流经压缩机

2.2 螺杆式制冷机

螺杆式压缩机主要由压缩机、电机组成，来自蒸发器的低温低压制冷机气体进入螺旋转子的凹槽，当转子旋转时，转子凹槽被机壳壁封闭形成压缩腔室，将气体进行压缩[5]。

单螺杆式压缩机的构造与离心式压缩机不同，压缩机主要由螺杆和两个对称分布的星轮组成，其工作原理是气体通过吸气口进入转子齿槽，随着转子的转动，星轮依次进入与转子齿槽啮合的状态，气体随即被封入由转子齿槽曲面、机壳以及星轮齿面所形成的密闭空间，随着转子连续不断地旋转，密闭空间不断被压缩，当压缩气体转至排气口时，将压缩气体排气。由于两个星轮在转子的两侧对称布置，一次循环转子每旋转一周时发生两次气体压缩（图2）。

图2 单螺杆压缩机

3 结论

本文介绍了M310 核电机组冷冻水系统的设计情况、设备原理等，为后续机组的冷冻水系统调试、运行和维护提供宝贵经验。