秦山二期核岛冷冻水系统（DEG）的运行

王靖宇

1 DEG系统功能及组成

核岛冷冻水系统（DEG）是一个闭合式冷却系统，主要向安全壳连续通风系统EVR，反应堆堆坑通风系统EVC，核辅助厂房通风系统DVN，核燃料厂房通风系统DVK，辅助给水泵房通风系统DVG五个通风系统的盘风管以及RRI005RF（为REN在线分析仪二次侧提供设备冷却水）提供冷冻水。

DEG系统设计用于维持RX，NX，KX，WX厂房空间温度，以防止厂房内设备因环境温度过热而损坏，但它并不是与安全相关的系统，仅有两个安全壳贯穿件是安全相关部件。一旦失去整个DEG系统功能，则必须在11h内后撤到正常冷停堆，并立即监测堆坑和安全壳大气温度。

本系统包括三套50%容量的机组（一套A列、两套B列）并联使用，分别由不同系列电源供电，并由不同系列柴油发电机提供应急电源。其中两套运行，一套备用。三套机组的组成完全一致：一台冷冻水循环泵001PO（002PO、003PO）;一台冷冻机组101GF（201GF、301GF），它包括压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀、电气控制盘等;对应的RRI冷却水设备和各用户的阀门，相连接的管道，及公用的膨胀水箱（001BA）。

2 DEG系统的基本工作原理

DEG系统冷冻机组采用的是离心式制冷机，是蒸气压缩式制冷方式的一种。它由四个主要部件组成：压缩机101CO（201CO、301CO）、冷凝器101CS（201CS、301CS）、节流阀（孔板）185KD和蒸发器101EV（201EV、301EV），分别对应着四个必不可少的过程，简如下图。

图1

冷冻机组就是将压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器四个主要部件组合在一起，使制冷剂分别在这四个不同的部件中受到压缩、冷凝、膨胀扩容、蒸发，随着制冷剂压力、温度、相态的变化而变化，从而达到制冷目的。

压缩过程：压缩机101CO（201CO、301CO）把来自蒸发器101EV（201EV、301EV）低温、低压的制冷剂气体，经压缩使其变成高压、高温气体，排入冷凝器101CS（201CS、301CS）。

冷凝过程：由压缩机101CO（201CO、301CO）来的高温、高压制冷剂蒸汽，在冷凝器101CS（201CS、301CS）中，由设备冷却水系统（RRI）的冷却水来冷却，使其冷凝成为液体。冷却水因与制冷剂发生了热量交换而温度升高，制冷剂温度有所降低压力不变。

膨胀过程：由冷凝器101CS（201CS、301CS）底部来的高温、高压制冷剂液体，流经节流阀（孔板）185KD发生减压膨胀，变为低压、低温的液体进入蒸发器101EV（201EV、301EV）。

蒸发过程：经过节流阀（孔板）185KD减压，进入蒸发器的低压、低温制冷剂液体，与通向蒸发器101EV（201EV、301EV）的DEG系统12℃冷冻回水发生热量交换，制冷剂液体吸取热量后蒸发为制冷蒸汽，同时使冷冻水水温度降低到7℃，从而实现了人工制冷。蒸发器内的制冷剂蒸汽又被压缩机吸入进行压缩，重复上述压缩、冷凝、节流、蒸发过程，如此周而复始，达到连续制冷的目的。

3 制冷剂的选择

从实際应用、运行方面来说，要求制冷剂在常温下能液化，冷凝压力不要太高，蒸发压力不要太低，最好不要低于一个大气压，以防止空气渗入。单位容积制冷量要大，不燃烧，不爆炸，对人体无毒，对制冷机所用材料无腐蚀性，与水及润滑油不起化学变化等。我厂DEG系统所采用的制冷剂是R-134a，其主要性质：

1）分子式为C2H2F4。

2）低沸点：在常压下是气体（常压下的沸点为-26.88℃）。

3）无色、无异臭、不燃、与空气作任何比例混合都不会发生爆炸，基本无毒。

4）液态R134a无色、透明、不与水混合、比水重、水浮于液体R134a的表面。

5）R134a对一般常用金属铜、铁、铅等均无腐蚀性。

6）R134a与一般矿物性润滑油基本不相溶液，但与脂类润滑油有很好的相溶性，故用脂类润滑油R134a作制冷剂，以免矿物性润滑油逐渐变质的过程中形成油泥堵塞管道。

7）R134a气体比空气约重4.3倍。

8）制冷剂R134a饱和状态下，压力一温度对应表：

表1

制冷剂在整个制冷循环中就是一个充斥着液态气化，气态液化的周而复始的过程，而它在蒸发器内相态怎样变化？

1）制冷剂在节流阀前是高压液体，经过节流阀后即为低压液、气混合物。在蒸发器内沸腾吸热，由湿蒸气继续吸热则成干饱和蒸气，直到过热成为过热蒸气。过热蒸气在系统中有利也有弊，其利是由于进入压缩机前的蒸气中不含有液滴，因此不引起对压缩机的液击;其弊是蒸气过热度过高，会使制冷循环耗功增加，制冷系统效率降低。

2）制冷剂在蒸发器内相态的变化是有顺序的且连续，并逐渐深化的，既不会突变，又没有明显的界线。

4 制冷机主要运行参数分析

在制冷机的运行参数中，要关注很多的温度与压力参数，其中蒸发温度和压力以及冷凝温度和压力对制冷机组运行效果影响最大。

4.1 蒸发温度

蒸发器内的制冷剂在一定的压力下沸腾汽化，与此压力相对应的饱和温度称为蒸发温度。蒸发温度可以从热力性质表查得，如R134a 蒸发压力为374.59Kpa（绝对压力）时，它相应的蒸发温度为7℃。

蒸发温度与制冷热负荷、蒸发器的传热面积及压缩机的容量有关。当三个条件中一个或全部发生变化时，制冷系统的蒸发压力和温度必须发生相应变化。所以，只要改变这些条件，使它们互相适应，就可以控制和调节制冷系统的蒸发温度。

对于一个既定的制冷系统，压缩机的容量和蒸发器的传热面积，都是固定不变的，但制冷负荷随着生产情况和气候而变化，因而冷冻水出口温度或厂房内温度将产生波动。根据公式：

Q=KFΔt

可以看出，当外界条件变化引起制冷负荷Q变化时，Δt也将相应变化。例如，当在夏季制冷负荷增大时，必然要求制冷循环中制冷剂循环量增加，这就要求 蒸发器中的蒸发量增大。而传热面积F和传热系统K可看作定值。压缩机容量也定值。此时蒸发器中的蒸发量将大于压缩机的吸气量，所以蒸发器中的压力升高，也即蒸发温度提高，Δt减少。相反，如制冷负荷减少，蒸发器的蒸发量小于压缩机的吸气量，蒸发压力和温度就逐渐下降，Δt增大使循环重新趋向平衡。

当制冷负荷及压缩机容量不变时，若蒸发器的传热面积减小，则蒸发压力降低;传热面积增加，蒸发温度相应升高。因为传热面积减少时，压缩机的吸气量大于蒸发器的蒸发量，使蒸发温度和压力下降，Δt增大;相反若蒸发器的传热面积增大，则蒸发器中的蒸发量增加，蒸发量大于吸气量，蒸发压力的温度上升。制冷系统运行时，蒸发温度的变化可以通过调节阀的开度来调节。

4.2 冷凝温度

一台制冷机的最高冷凝温度受到压缩机及冷凝器设计条件的限制，在保持冷凝温度处于允许范围内，而冷却水温度提高，或冷却水量减少，进出水温差增大，可节省冷却水费用及减少设备投资。但冷凝温度提高（也即冷凝压力提高），使压缩机的功耗增加。从发挥制冷机效能着眼，冷凝温度愈低愈好。

制冷机冷凝温度过高主要有以下原因：

1）冷凝器传热面积过小。

2）冷凝器传热管表面有污垢。

3）冷却水温度升高或冷却水量不足。

4）系统中有不凝性气体。

5 DEG系统的运行及操作

5.1 DEG冷冻机组的启动

冷冻机组有一个从10%到100%的容量控制系统，用以保持恒定的冷冻水出口温度。温度控制器的传感器位于蒸发器的冷冻水出口处。机组的制冷量正比于压缩机的吸入流量。为此，在离心压缩机进口装有可调导叶调节机构，用它来控制压缩机的吸入流量，亦可控制制冷剂的蒸发量，从而实现制冷量可以在一定范围内无级调节。

RRI系统的水控制阀DEG105VN、205VN、305VN 分别装设在相应于冷凝器101CS、201CS、301CS的出口处。它们在相应的壓缩机电动机101MO、201MO、301MO 刚要通电前开启，并在冷水机组停运后延时10分钟关闭。

DEG冷水机组开机时，操作人员必须在“本地”启动制冷机组。启动步骤如下：

1）确认设冷水系统阀门RRI146VN和551VN气动阀已打开，系统正常。

2）检查制冷机组的油温已加热到40℃以上。

3）确认压缩机进口导叶已关到零，冷水机组没有目前故障。

4）在DEG冷冻机组主画面中，“主机”选择本地，“导叶”选择手动。

5）确认冷冻水系统阀门开关状态，冷冻水膨胀水箱液位正常，主控启动相应冷冻水泵，旋动相应的机组控制旋钮至“开”位“按下”，机组相应的冷却水（RRI）阀打开。

6）在主画面中启动机组。油泵先投入运行，数秒钟后主机启动。

7）因导叶处于手动，导叶开始会自动开到10%，就自动停止再开。根据“参数显示”中主机电流、冷冻水进出口温度来手动调节导叶开度。

8）等20分钟，确认冷冻机组参数稳定且正常。

在以下6种情况时突然停机：

1）冷冻水温过低，低于5℃;

2）冷却水（RRI—设冷水）断水;

3）冷冻水断水;

4）供油压差过低 ，低于98kPa;

5）供油温度超过58℃;

6）主机电流超过额定电流 65A×115%=74.75A。

5.2 DEG机组就地手动停运

1）主机在运行时，按主机触摸开关，弹出停机开关“确认”、“放弃” 键，按确认键，主机立刻自动停机，同时自动关闭导叶

2）电话通知主控按下相应“机组设冷水电动一体开关”，延时10分钟后，机组设冷水电动阀自动关闭。

3）停相应冷冻水泵。

5.3 压缩机的运行特点

秦山二期使用的压缩机为离心式压缩机：

压缩机将蒸发器来的气体经由其的进气室（导叶）进入叶轮的吸入口，由于叶轮以高速转动，就把叶轮间的气体以高速度甩出去，气体在甩出的过程中，叶轮对气体作了功，此时气体的速度增大，同时压力也增高。从能量转化的角度看，这时速度能转化为压力能和热能。这时从叶轮出来的高温高压气体通过蜗壳引导到排气管道，进入冷凝器冷却。该压缩机具有以下特点：

1）压缩机转速高，在突然启停过程中，极易损坏增速齿轮.叶轮等高速旋转部件。导叶可在额定负荷范围内实现无级调速跟踪负荷变化，长期持续低负荷运行（指导叶在20%开度以下）是应禁止或避免的。而实际上我们的导叶开度经常在20%以下，这时极易发生喘振现象（机组运转中发生喘振时，冷媒气体在冷凝器和压缩机之间来回倒流撞击，压缩机内气流发生脉动，脉动的次数大约每秒钟一次。机组喘振时伴着刺耳的噪声，机组产生剧烈的振动并且轴承温度急剧上升），这也是离心式机组避免低负荷运行的原因，喘振会损坏导叶执行机构和整套压缩机制冷装置。这应该是设计上设备功能与实际应用要求的不吻合，现在只能是通过就地多巡检以及手动干预。

2）制冷机主电机和润滑油是靠冷媒（即制冷剂R134a）来冷却的，其冷却原理是：利用冷凝器和蒸发器压力差驱动冷媒流过电机和油冷却器带走热量，压差过小，供的制冷剂液就要减少，电机就会产生过热危险， 而该压差值又取决于冷却水温和冷冻水温。二期冬天RRI冷却水温可低到8-12℃，此值与设计冷却水温15-35℃偏差较大，因此造成冬季运行时压差低即低能头运行（正常为250Kpa），从而极易出现电机绕组局部过热损伤，冷却不均;以及供油温度高跳机。现在在冬天主要靠关小导叶开度和节流设冷水流量来小心控制。

3）喘振现象产生的原因：

（1）冷凝压力过高或吸气压力（即蒸发压力）过低。

（2）机组低负荷导叶调节时，也易产生喘振。

要避免喘振就应该保持冷凝、蒸发压力稳定，避免低负荷运行，这在冬季实际运行过程中由于RRI冷却水温低，以上两点都很难避免。

5.4 冷却剂的提纯

在DEG系统中润滑油与液态制冷剂是可以互溶的。DEG中的一部分润滑油是以和制冷剂相溶的状态存在于制冷系统中。另一部分润滑油，则循环于压缩机油箱及被润滑面和整个润滑系统。在DEG制冷机运行中，润滑油从压缩机的轴承、齿轮箱的平衡管混入压缩机的制冷机的气体中，后流入蒸发器;从主电动电机两轴承处润滑油也有可能进入电机内腔，然后，随同用R-134a制冷剂喷射冷却电机汽化的冷媒气体，从电机回汽管进入蒸发器。所有从以上两种渠道进入蒸发器的润滑油都不蒸发，天长日久，蒸发器中油越来越多，同时，油箱中油越来越少。这时我們就要通过冷媒回收处理方法，将润滑油与制冷剂分离，把油回收到油箱中。

当DEG机组在运行过程中，发现油箱中油位（151LN）愈来愈低，低于现场油标签刻度2cm时，运行人员应做冷媒提纯工作。冷媒提纯装置示意图如图2。

冷媒提纯的步骤：

1）机组启动后，观察机组显示屏中供油压差是否>147kPa，一般在300kPa左右，确认油泵、机组运行正常;

2）用板手打开“F20”供液阀2圈（此阀的吸入源头是在蒸发器液表面上部，它的作用是将混入到蒸发器液面上润滑油与制冷剂混合物吸入冷媒提纯装置。）;

3）用板手打开“F29”回汽阀1圈（此阀是将提纯后的制冷剂回收到蒸发器中。）分离出来的油通过文丘里管作用送回油箱;

4）由于冷媒提纯、油回收受机内压差、阀门开度大、小的影响，为此时间很不好确定，快至1～2小时就见效，慢至几个班，注意观察油箱中油位上升情况;

5）当油箱视镜中油位于上升到6cm处，就可关闭F20、F29阀门。

5.5 冷冻水系统的运行

在正常运行状态或热停堆期间，两套容量为50%的冷水机组/循环水泵处于工作状态。DEG系统冷冻水的名义流量1#核电机组为688m3 /h（2#核电机组为665m3 /h）。正常运行时，流量值保持不变。EVC 和EVR 的所有冷却盘管都由DEG 系统连续供水，以保持正确的流量分配，并可随时切换至EVR系统和EVC系统的备用冷却盘管。在EVR 系统中，通常在4台冷却盘管中有2台处于工作状态，同样在EVC系统中也是在4台冷却盘管中有2台处于工作状态。

DVN，DVK 和DVG 的冷却盘管均装有三通控制阀，以保持通过每一支管的流量恒定。在这种配置中，两台冷水机组可调节其自身的容量，以满足DVN，DVG，DVK 和RRI（REN 在线分析仪）冷负荷需求的变化。

在冬季只有反应堆厂房需要冷冻水，因此，只用一台冷水机组就可以满足这一要求。另外两台冷水机组则处于随时可用的备用状态。此时必须通过关闭与DVN、DVK 和RRI 这些用户有关的隔离阀来隔离这些用户，这样会改变冷冻水循环泵的运行点，从而来改变冷冻水的流量。

6 DEG系统实际运行存在的问题

三台冷水机组的进水、出水管布置不合理，使三台冷水机组的进出水不能均匀混合。当有两台制冷机运行时，冷冻水各自循环一条回路，使制冷机的负荷分配不均。

在冬季只有反应堆厂房需要冷冻水，且设冷水的水温和冷冻水的水温几乎差不多，机组导叶开度关到10%有时还不行，冷冻水过冷而跳机，对机组正常运行非常不利。现采取的方法有：

1）将DEG冷冻机组放手动，这样可以将其冷冻水出口温度低跳机值由6℃降低到5℃;

2）再启动一台冷冻水泵，用于提高冷冻水温。

7 结束语

通过对DEG冷冻机组的一点介绍，希望在实际工作中对大家有一定的帮助与支持，能够清楚地掌握机组的运行情况，及时地发现并排除机组故障，对保护反应堆安全运行有着重要的意义。

【参考文献】

[1]秦山第二核电厂.DEG系统手册[Z].

[2]秦山第二核电厂.核电厂中级运行[Z].

[3]徐永康.二核冷冻运行管理[Z].

[责任编辑：杨玉洁]