一种自然冷却的风冷冷水机组在核电站内的应用

郭 超

（江苏核电有限公司维修一处，江苏连云港222042）

1 课题背景

田湾核电站主蒸汽阀站隔间温度较高，长期超过40℃，影响相关设备运行及人员操作。田湾核电站要求核电机组发电期间主蒸汽阀站设备不间断运行，需要空调机组全年为其提供制冷。空调机组如何能全年稳定可靠提供冷量给主蒸汽阀站设备，并最大程度地实现可靠、节能、环保是需要解决的一个重要课题。

2 商用空调机组存在的问题

2.1 问题描述

直接蒸发式制冷系统商用空调机组主要是满足舒适性要求，其设计和制造工艺与工业空调有很大的差距。连云港冬季户外温度很低，商用空调机组制冷模式下长期在低温下运行，容易出现低压报警、蒸发器结冰等故障，甚至造成压缩机带液运行、损坏压缩机等严重故障。而且由于核电站主蒸汽阀站需要全年提供制冷，该系列空调不间断运行也导致故障频发。

2.2 自然冷却风冷冷水机组的应用

为避免商用空调机组在连云港地区冬季环境下制冷运行时的先天缺陷，降低空调机组运行的故障率，可采用间接冷却式空调制冷系统解决问题、改变现状。随着制冷技术的发展，风冷冷水机组采用环境温度下的空气冷却制冷，省去了冷却塔等部件，系统结构更紧凑，得到了广泛应用。

2.3 常规风冷冷水机组存在的问题

风冷冷水机组系统结构简单紧凑、安装方式灵活，但工业或商业及类似用途的冷水机组制冷工况的运行空气温度范围是21～43℃，而全年制冷风冷冷水机组要求在室外温度环境变化较大的条件下提供冷冻水，甚至要求在-15℃的环境下仍能提供足够的冷量。低冷凝温度下运行，给该类机组带来了很多问题：（1）低环境温度易引起低压保护；（2）低环境温度下机组启动困难；（3）冷冻水易冻结；（4）易造成压缩机故障。

2.4 目前风冷冷水机组的解决方案

针对风冷冷水机组在低环境温度下运行存在的诸多问题，目前主要的解决方案如下：

（1）改变换热温差，将整个风冷式冷水机组置于一个机房中；

（2）调节通过冷凝器表面的风量，即采用变频冷凝风机；

（3）减小有效冷凝面积来减少冷凝器负荷；

（4）载冷剂采用一定浓度的乙二醇溶液。

2.5 自然冷却风冷冷水机组所采用的解决思路

低温环境对机组的稳定运行是一个挑战，但同时也是一个很好的冷源，如果能够利用低温环境来达到用户对冷量的需求，则既节省了机组运行所耗的电能，又能避免压缩机在低温环境下运行。基于这一构想，田湾核电站决定采用一种自然冷却风冷冷水机组的设计概念。

自然冷却风冷冷水机组包括两个系统：蒸气压缩制冷系统和自然冷却制冷系统。考虑到低温防冻问题，这两个系统所使用的载冷剂为一定浓度的乙二醇溶液。

本课题所提出的技术方案原理如图1所示，该方案在原有风冷冷水机组的基础上增加了一套自然冷却盘管冷却系统。通过此预冷（即“自然冷却”）过程，室外空气为空调系统的热负荷提供部分或全部冷量。该冷水机组有如下三种工作模式：

（1）全部机械制冷模式：在全部机械制冷工作模式时（阀5处于A位置），冷冻水不经过自然冷却换热盘管，直接进入压缩式制冷系统的蒸发器中，全部由压缩式制冷系统提供的冷量进行冷却。

（2）部分自然冷却模式：在部分自然冷却工作模式时（阀5处于B位置），冷冻水先在自然冷却热交换器中被部分冷却（预冷），然后进入压缩式制冷系统的蒸发器中再次冷却。

（3）全部自然冷却模式：在全部自然冷却模式时（阀5处于B位置），全部制冷负荷由自然冷却热交换器盘管“免费”提供，不需要开启压缩式制冷系统。

图1 自然冷却风冷冷水机组原理图

机组的自然冷却工作方式完全由微电脑控制系统进行自动控制。

2.6 自然冷却风冷冷水机组设计方案

结合田湾核电站现场气候条件，自然冷却风冷冷水机组设计方案如下：

（1）室外配置3台自然冷却风冷冷水机组，2用1备，为主蒸汽阀站室内机换热器提供7℃冷冻水。

（2）室内机采用4台吊顶式空调机组，分别安装于主蒸汽阀站4个房间内，室内机换热器由自然冷却风冷冷水机组提供7℃的冷却水。

（3）配置冷冻水泵3台，2用1备，安装于自然冷却风冷冷水机组旁，载冷剂为一定浓度的乙二醇溶液，防止冷冻水在冬季低温下结冰。

2.7 自然冷却风冷冷水机组控制系统及运行逻辑

自然冷却风冷冷水机组控制系统及运行逻辑比较复杂，主要包括冷却模式控制及自然冷却模式水温控制。

（1）冷冻水回水温度-环境温度＜2℃时，电动三通阀处于全部机械制冷模式，冷冻水进入管壳蒸发器，压缩机运行，冷凝风机根据制冷系统冷凝压力调速运行，压缩机根据冷冻水出水温度设定值自动进行能量调节。

（2）冷冻水回水温度-环境温度≥2℃时，电动三通阀处于自然冷却模式，冷冻水进入辅助换热盘管与外界环境换热，如果辅助换热盘管换热能够满足冷冻水出水温度要求，则压缩机不启动，通过调节冷凝风机转速来控制冷冻水出水温度，此状态为全部自然冷却模式。

（3）冷冻水回水温度-环境温度≥2℃，电动三通阀处于自然冷却模式，如冷凝风机全速运行仍不能满足冷冻水出水温度要求，启动压缩机进行机械制冷，冷凝风机根据制冷系统冷凝压力调速运行，压缩机根据冷冻水出水温度设定值自动进行能量调节，此状态为部分自然冷却模式。

2.8 自然冷却风冷冷水机组使用效果

（1）节能减排，减少了运行成本。自然冷却风冷冷水机组每年约有115天处于自然冷却工况，节约厂用电量441600kW·h/年，经田湾核电财务处核算，年增加发电收入167 940元，增加利润约35 016元。

（2）绿色环保，减少了制冷剂泄漏的可能。自然冷却风冷冷水机组制冷剂只在室外机内循环，室内机与室外机之间由冷冻水作为载冷剂传递冷量，缩短了制冷剂的运行管线，降低了制冷剂泄漏的可能性，保护了环境。

（3）故障率明显下降，机组运行可靠性得到了明显提高。自然冷却风冷冷水机组在环境温度较低时采用自然冷却模式，避免了压缩机在低温环境下运行，提高了机组运行的可靠性。

3 结语

本文通过对田湾核电站主蒸汽阀站制冷系统的分析，提出了一种充分利用天然免费冷源的节能型常年制冷风冷冷水机组设计方案，解决了原商用空调机组运行存在的问题，降低了运行费用，提高了空调机组运行的可靠性。自然冷却风冷冷水机组的设计应用方案对其他工业生产领域内全年制冷系统的设计具有借鉴和指导意义。

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