核电站直接蒸发式制冷机组的运行分析和优化措施

核电站直接蒸发式制冷机组的运行分析和优化措施

张麒

（江苏核电有限公司 江苏省 连云港市）

摘要：为了在日常的生产过程中保障机组的安全稳定运行，确保核安全相关设备的可靠性是重中之重。自商运以来，直接蒸发式制冷机组（QKC/QKD/QKS）的运行情况一直是关注的重点。本文介绍了直接蒸发式制冷机组的功能和原理，主要分析了相关制冷机组的系统流程和常见问题，提出了相应的优化措施，为日后确保相关制冷机组的稳定运行提供了一定帮助。

关键字：制冷机组；制冷循环；运行分析；优化措施

目 录

1. 直接蒸发式制冷机组的系统功能和组成.........................................3

2. 系统的原理和运行分析...............................................................3

2.1直接蒸发式制冷机的工作原理..............................................3

2.2制冷机组运行工况..............................................................3

2.3制冷机组系统流程..............................................................4

3. 系统运行期间的问题分析和优化措施.........................................................6

3.1制冷机组在过度期通风工况下出现低压报警....................................................6

3.2制冷机组出现油位低报警保护停运施.......................................................7

3.3制冷机组频繁启停导致低压保护.........................................................8

4. 结论......................................................................8

1. 直接蒸发式制冷机组的系统功能和组成

    直接蒸发式制冷机组用于冷却控制厂房通风系统，应急柴油机厂房通风系统，蒸汽厂房正常运行通风系统的送风。

直接蒸发式制冷机组均使用不含氯原子，对臭氧层不起破坏作用的R-134a（四氟乙烷）作为冷却剂。主要由压缩机、冷凝器、冷凝风机及管路系统组成。整个制冷过程中主要分为制冷剂的压缩阶段和冷凝阶段。

2. 系统的原理和运行分析

2.1直接蒸发式制冷机的工作原理

    如图2.1所示，直接蒸发式制冷机组采用的是一种压缩蒸汽式制冷循环，与单一气体的制冷循环相比，能够实现将气体的定压吸热、放热过程转换为饱和蒸汽的定温吸热、放热过程。使制冷循环无限接近逆向的卡诺循环，从而提高了制冷系统的经济性。

图2.1

2.2 制冷机组运行工况

    制冷机组在正常运行时根据其分别对应的送风机组的新风温度和送风温度进行启停。当送风机组进入夏季工况，同时向制冷机组发出启动命令。制冷机启动后，根据送风温度调节负荷。在“冬季工况”以及“过度工况”时，制冷机组并不会启动。而是其送风机组通过调节新风阀和回风阀的开度来维持其送风温度。

2.3 制冷机组系统流程

    制冷机组(QKC/QKD/QKS)均为采用活塞式压缩机的直接蒸发式制冷机组。虽然其内部结构和组成存在部分差异，但其运行工况基本一致。以QKD10/20/30/40AH001为例，描述其在各种工况下的实际运行流程。

2.3.1制冷机正常运行工况

   图2.2

    如图2.2所示，蓝色部分为冷冻油循环管线。冷冻油对于压缩机而言，起到润滑、冷却、和密封的作用，同时还作为压缩机作能量调节机构的动力源（即压缩机容量调节的动力源）。在整个压缩做功的过程中，冷冻油作为制冷剂的溶剂，和制冷剂一起经过绝热压缩变成高温高压的气态混合物。混合物进入油分离器后，冷冻油和制冷剂被分离，高温高压的制冷剂气体将进入冷凝器放热，而冷冻油则进入油储液器，进而回到压缩机本体的油底壳中，继续下一循环。 红色部分为正常运行时制冷剂的制冷循环，高温高压的制冷剂进入冷凝器中液化，向外界环境放热变成中温高压的饱和液体。经过热力膨胀阀绝热节流，变成低压低温的饱和液体后，进入蒸发器（冷库）内进行蒸发吸热，从而降低送风机的送风温度。

    在整个过程中，旁路的电动调阀和电动阀保持关闭。压缩机出口和储液器之间的压力调阀保持关闭。冷凝器出口和储液器之间的压力调阀维持一定开度。

2.3.2冷凝器压力过高时的运行工况

    在制冷机组正常运行时，如果冷凝器压力过高，则对应的饱和液体温度越高，和外界环境的温差越大，需要导出的热量也越多。这一现象会导致冷凝风机的不断加载，易导致冷凝风机的过负荷，从而导致制冷机组停运。导致冷凝器压力高的原因可能有以下几点：

1、两台冷凝风机中的一台故障跳停，导致导热量下降，无法将制冷剂冷却到要求的压力和温度；

2、可能是冷凝器比较脏、有污垢。影响其传热效率；

3、系统制冷剂过多，超出标准充注范围，自行抬高了冷凝器内的压力。

    当冷凝器压力升高时，冷凝器出口和储液器之间的冷凝器压力调阀KA18开度不断增加，用以降低冷凝器的压力。

2.3.3制冷机组自动减载时的运行工况

制冷机组的的负载能够根据送风温度自动调节，其调节范围分为25%、50%、75%、100%这几个平台。当送风温度不断下降时，制冷机组会自动减载以维持送风温度。减载的过程极为迅速，压缩机的功率先降低至相应平台，这时单纯靠调节冷凝器出口和储液器之间的冷凝器压力调阀KA18是无法实现快速降低制冷剂的流量的，有可能触发压缩机的过载保护，导致制冷机组停运。此时制冷机组的旁路电磁阀KA13快速打开，旁路电动调阀KA17维持一定开度，将过剩的高温高压制冷剂直接导入至蒸发器中。快速地降低了制冷剂的流量，同时提高了蒸发器内的饱和温度和压力，进而提高了送风温度。

3. 系统运行期间的问题分析和优化措施

3.1 制冷机组在过渡期通风工况下出现低压报警

问题分析：

    由于3月底空调机组运行工况为过渡期通风工况（冬季转春季），室外环境温度低，此阶段制冷机不运行。由于此季节天气温度变化较大，室外温度短时达到启动条件，造成制冷机启动后负荷低，制冷机运行较短时间即停运，制冷机内制冷剂短时无法循环，制冷剂在冷凝器内积聚，储液罐内液体制冷剂变少，压缩机入口压力值会下降，易触发低压保护停运压缩机，系统出现制冷机故障报警。3、4号机空调机组在过渡季节工况运行易触发制冷机故障。

优化方法：

1、每到春夏和夏秋交际时，空调机组处于过度工况时，向制冷机组内部添加R-134a，以提高系统内部压力，以保证在低负荷运行工况下，依然能保持制冷剂压力大于低压动作值。在机组完全进入夏季工况后，从系统中排出少量R-134a，以维持系统压力。

2、仪控增设逻辑，在夏季工况下，且制冷机在低负荷运行工况时。当制冷机持续运行1h后，制冷机满载运行10min，以拉高系统内制冷剂压力和回油压力。

3.2 制冷机组出现油位低报警保护停运

问题分析：

    制冷系统中冷冻油与制冷剂互溶，制冷剂在系统中循环过程不断将冷冻油从压缩机中带出进入制冷系统，当制冷机组热负荷较大时制冷剂流量较大，蒸发器内制冷剂蒸发效果好，可以将沉积在蒸发器内的冷冻油带回压缩机，使得压缩机油位保持平衡。当制冷机组热负荷不太大时，制冷剂流量较小，蒸发器内制冷剂蒸发效果差，沉积在蒸发器内的冷冻油无法随制冷剂回到压缩机，导致压缩机内冷冻油不断流失且无法得到补充，最终导致油位低于压缩机油泵入口，触发油压差保护。

优化方法：

1、每到春夏和夏秋交际时，空调机组处于过度期通风工况时，向制冷机组内部添加冷冻油，以提高系统内部油压力，以保证在低负荷运行工况下，依然能保持冷冻油压力大于油压差低保护动作值。

2、仪控增设逻辑，在夏季工况下，且制冷机在低负荷运行工况时。当制冷机持续运行1h后，制冷机满载运行10min，以拉高系统内制冷剂压力和回油压力。

3.3 制冷机组频繁启停导致低压保护

问题分析：

    制冷机组运行工况与环境温度紧密相关，当环境温度降低时，制冷机组会自动降负荷。制冷机组降负荷是通过打开旁通阀，将制冷剂直接排至蒸发器实现的。实际运行时，发现旁通调节阀开/关行程时间过长，虽然发命令开旁通阀，但旁通阀打开速度过慢，未等阀门开至足够开度，系统压力就已经触发低压保护。

优化方法：

    优化逻辑，通过加大旁通阀KA17的初始开度以及提升打开速率，以及延长制冷机组的卸载时间两个方面来实现。

1、增加旁通阀KA17最小开度设定（8%）；

2、修改旁通阀KA17最大开度设定（60%），旁通阀KA17初始开度设定（12%），旁通阀KA17卸载时开度速率设定（8%/s）。

3、增加压缩机50%-75%加载时间设定（30S），75%-50%卸载时间设定（60S）。

4. 结论

    直接蒸发式制冷机组具有重要的安全功能。通过对制冷机组常见问题的总结归纳、及运行方式的优化研究，有利于我们发现、识别、解决缺陷，确保机组的安全稳定运行。同时，对同类型核电站的直接蒸发式制冷机组的稳定运行有一定的借鉴作用。

参考文献

[1] 沈维道等，工程热力学，高等教育出版社，2007

[2] 吴业正等，制冷与低温技术原理，高等教育出版社，2004

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