程 林

(重慶通用工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 技術(shù)中心，重慶 401336)

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AP1000核電用大型離心式冷水機(jī)組的研究

程 林

(重慶通用工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 技術(shù)中心，重慶 401336)

通過對(duì)AP1000系列核電站專用大型離心式冷水機(jī)組相關(guān)特性的分析，結(jié)合該機(jī)組的特殊技術(shù)要求及主要技術(shù)難題進(jìn)行了研究，并針對(duì)技術(shù)難題提出了相應(yīng)研究思路和解決方案。經(jīng)整機(jī)性能試驗(yàn)驗(yàn)證表明，機(jī)組完全達(dá)到了核電站技術(shù)規(guī)范要求。該技術(shù)研究得到了有效的驗(yàn)證，形成了先進(jìn)的技術(shù)研究成果。

核電離心式冷水機(jī)組；離心式；雙機(jī)頭；技術(shù)研究；產(chǎn)品測(cè)試

核電是清潔、經(jīng)濟(jì)、安全的發(fā)電方式，積極發(fā)展核電是我國電力工業(yè)發(fā)展方針的重要內(nèi)容。根據(jù)我國核電中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃，到2020年，核電發(fā)電量將占到總發(fā)電量的4%，預(yù)計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到5 000萬kW，在建3 500萬kW。根據(jù)國家核電中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃提出的核電建設(shè)批量化、規(guī)?；?，從現(xiàn)在起到2020年，將新增核電裝機(jī)容量3 100萬kW。如果以核電站1 300美元/kW的單位造價(jià)計(jì)算，2020年4 900萬kW核電站項(xiàng)目投資高達(dá)637億美元，按設(shè)備費(fèi)用占項(xiàng)目總投資44%和設(shè)備國產(chǎn)化程度74.6%計(jì)算，國內(nèi)核電設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)在2020年前有望分享高達(dá)209億美元(1 695億元人民幣)的市場(chǎng)份額。市場(chǎng)需求量大，完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的CAP系列核電輔機(jī)設(shè)備具有廣闊的市場(chǎng)前景。

AP1000系列核電站專用MS01水冷離心冷水機(jī)組是該系列核電站項(xiàng)目中VWS系統(tǒng)(中央冷凍水系統(tǒng))的核心制冷設(shè)備，也是暖通空調(diào)(HVAC)類設(shè)備在整個(gè)核島中最重要的設(shè)備。該機(jī)組具有大容量、長(zhǎng)壽命、高可靠性、高效率、低振低噪、低能耗和雙機(jī)頭等高標(biāo)準(zhǔn)的要求，而我國前期并無能完全滿足該要求的相應(yīng)裝備；因此，我國AP1000依托項(xiàng)目采用的是國外進(jìn)口品牌的離心冷水機(jī)組，其技術(shù)嚴(yán)格保密，國內(nèi)該領(lǐng)域技術(shù)處于完全空白狀態(tài)。

根據(jù)我國核電重要輔機(jī)設(shè)備自主國產(chǎn)化重大專項(xiàng)課題的立項(xiàng)實(shí)施及相關(guān)國家支持政策，具有我國完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)化AP1000系列核電用大型離心式冷水機(jī)組將打破國外技術(shù)封鎖，降低我國核電站建造成本，具有較大的社會(huì)影響。

1 機(jī)組設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)研究

針對(duì)機(jī)組的設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試等進(jìn)行國產(chǎn)化研究，需要對(duì)各類國外標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范要求等進(jìn)行詳細(xì)消化及解讀，力求在全部滿足技術(shù)要求的條件下成功實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。技術(shù)研究及解決方案如下。

1)消化、吸收國外的技術(shù)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)要求，理解并掌握離心式冷水機(jī)組在核電站建設(shè)工程中發(fā)揮的作用，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的實(shí)際情況，對(duì)項(xiàng)目的整體要求進(jìn)行細(xì)化分析。

2)針對(duì)國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)與美國ASME規(guī)范對(duì)壓力容器的不同要求進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比，制定不低于美國標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求，而同時(shí)又符合國標(biāo)要求的設(shè)計(jì)方案。

2 大冷量、高壓比、寬工況和低能耗特性研究

AP1000系列核電用大型離心式冷水機(jī)組要求制冷量≥7 910 kW，輸入功率≤1 800 kW。冷凍水出水溫度為4.4 ℃，冷卻水出水溫度最高為46.7 ℃，制冷量和壓比遠(yuǎn)高于常規(guī)核島冷水機(jī)組，同時(shí)機(jī)組能耗要求又非常低。機(jī)組制冷量調(diào)節(jié)范圍要求達(dá)到10%～100%，并應(yīng)滿足10%負(fù)荷下的低溫工況運(yùn)行。技術(shù)研究及解決方案如下。

1)采用環(huán)保制冷劑工質(zhì)R134a，整機(jī)采用雙壓縮機(jī)、雙級(jí)壓縮形式。2套蒸發(fā)器、冷凝器殼程(制冷劑側(cè))與離心式壓縮機(jī)、省功器及節(jié)流裝置組成2套獨(dú)立的制冷循環(huán)系統(tǒng)(見圖1)，管程(水側(cè))的冷凍水、冷卻水為串聯(lián)形式實(shí)現(xiàn)換熱。采用雙制冷循環(huán)系統(tǒng)的容量非平衡分配技術(shù)，使其每套制冷循環(huán)達(dá)到最佳的運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)機(jī)組整體能效水平的提升。

圖1 雙機(jī)頭、雙級(jí)壓縮、2套制冷循環(huán)原理圖

2)采用雙級(jí)串聯(lián)壓縮機(jī)帶經(jīng)濟(jì)器，實(shí)現(xiàn)高壓比且省功的設(shè)計(jì)，同時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)分析研究，降低壓縮機(jī)額定運(yùn)行點(diǎn)壓比，降低能耗[1]。雙壓縮機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，水側(cè)獨(dú)立的串、逆流技術(shù)，分析選定最佳中間溫度，降低機(jī)組額定運(yùn)行點(diǎn)的單個(gè)壓縮機(jī)壓比，有效提高機(jī)組運(yùn)行效率。

3)針對(duì)核電站運(yùn)行特有的特殊低溫、低負(fù)荷的設(shè)計(jì)工況(負(fù)荷10%、冷卻水溫度低至15.5 ℃)，機(jī)組配置壓縮機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉、二級(jí)補(bǔ)氣調(diào)節(jié)、串聯(lián)可調(diào)節(jié)流控制及熱氣旁通等多重調(diào)節(jié)方式，實(shí)現(xiàn)寬工況調(diào)節(jié)范圍的要求[2]。

4)機(jī)組的雙制冷系統(tǒng)采用相同的結(jié)構(gòu)與性能，標(biāo)準(zhǔn)化程度高，在部分負(fù)荷時(shí)可相互切換獨(dú)立運(yùn)行，同時(shí)換熱器在機(jī)組檢修時(shí)具有制冷劑儲(chǔ)液功能，檢修效率高，維護(hù)方便、快捷。

本節(jié)課主要運(yùn)用了任務(wù)驅(qū)動(dòng)法、情境教學(xué)法、項(xiàng)目教學(xué)法、游戲教學(xué)法、探究教學(xué)法、分組教學(xué)法。學(xué)法有自主學(xué)習(xí)法、探究學(xué)習(xí)法、合作學(xué)習(xí)法[3]。

3 高效低噪的高壓比離心制冷壓縮機(jī)研究

離心式制冷壓縮機(jī)需滿足機(jī)組在各種工況下的高效運(yùn)行，離心式壓縮機(jī)額定壓比達(dá)3.6、最高壓比達(dá)3.7以上，同時(shí)要求整機(jī)運(yùn)行振動(dòng)全幅值≤30 μm、最大運(yùn)行噪聲≤89 dB(A)、制冷量實(shí)現(xiàn)10%～100%內(nèi)的無級(jí)調(diào)節(jié)。技術(shù)研究及解決方案如下。

1)高效氣動(dòng)技術(shù)研究。針對(duì)核電特性設(shè)計(jì)的雙級(jí)離心式壓縮機(jī)，采用國際先進(jìn)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)，完全符合R134a工質(zhì)熱力學(xué)特性的最佳氣動(dòng)匹配設(shè)計(jì)，采用后彎的高效S型葉片的三元流葉輪，超光滑流面的組合式級(jí)間回流器，氣動(dòng)損失小，流動(dòng)效率高，整套氣動(dòng)性能參數(shù)采用數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行分析優(yōu)化，確保離心式制冷壓縮機(jī)的高效運(yùn)行。

2)低噪聲控制技術(shù)研究。低噪聲控制主要技術(shù)如下：a.優(yōu)化離心葉輪葉型，合理組織離心壓縮機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)對(duì)壓縮機(jī)內(nèi)部尾跡和分離等各種旋渦流動(dòng)的控制；b.優(yōu)化設(shè)計(jì)的三元流高效葉輪匹配的最佳機(jī)殼流道，通過優(yōu)化離心葉輪、擴(kuò)壓器和回流器葉片數(shù)，盡可能拉大轉(zhuǎn)子與靜子之間的間距，減少動(dòng)靜干涉造成的噪聲；c.蝸殼內(nèi)流道采用光滑內(nèi)壁研制，蝸室內(nèi)蝸舌采用傾斜式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低蝸舌處的噪聲；d.5級(jí)高精度齒輪設(shè)計(jì)，有效降低嚙合噪聲，齒輪箱體采用雙重隔音結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效增加殼體厚度，增加噪聲輻射的包容性；e.在冷凝器進(jìn)氣口(壓縮機(jī)排氣口)設(shè)置緩沖降噪裝置，有效降低高速氣流沖擊帶來的噪聲。

3)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性。離心式壓縮機(jī)一級(jí)葉輪、二級(jí)葉輪與主軸(小齒輪軸)采用先進(jìn)的無鍵連接方式，有效避免轉(zhuǎn)子不平衡，并對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行精確的動(dòng)力特性分析，確保其隔離裕度按API684標(biāo)準(zhǔn)要求>20%，確保高速轉(zhuǎn)子組的運(yùn)行穩(wěn)定性得到可靠保障。

4 大溫差換熱器、中間管板深度脹接研究

機(jī)組需滿足換熱器大溫差換熱要求，滿足設(shè)備安裝、接管方位及外形尺寸要求，以及特殊厚壁傳熱管高效傳熱和高效換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，2套獨(dú)立制冷循環(huán)中換熱器串聯(lián)中間管板處傳熱管的深度脹接工藝及其強(qiáng)度及密封性保證。技術(shù)研究及解決方案如下。

1)厚壁高效傳熱管及高效殼管式換熱器研究。1.4 mm厚壁傳熱管采用特殊研制的外翅及內(nèi)肋強(qiáng)化傳熱，加以最佳配列管束的換熱器結(jié)構(gòu)研究，高效換熱器內(nèi)部通過獨(dú)有的分布槽及勻氣裝置，有效提高換熱器的換熱性能。

2)串聯(lián)式換熱器、換熱器中間管板及筒體焊接直線度、管孔同心度的保障方法。通過特制的固定工裝夾具的研究及相應(yīng)工藝試驗(yàn)，確保了中間管板及筒體焊接直線度的保證，并通過筒體內(nèi)部支承板、折流板及管板的管孔尺寸研究及逐次焊接工藝流程分析，最終確保了管孔同心度及傳熱管的順利穿管，并根據(jù)該技術(shù)的研究形成了專利技術(shù)《一種離心式冷水機(jī)組中多臺(tái)換熱器串聯(lián)的連接方式》和《一種離心式冷水機(jī)組換熱器水室結(jié)構(gòu)》。

3)特殊密封管孔管槽、深度脹接工藝研究。水路串聯(lián)、殼程并聯(lián)式換熱器中，中間管板將完整的傳熱管分成2段，傳熱管的中間管板位置與中間管板采用深度脹接技術(shù)確保其密封性，通過特殊密封管孔管槽的設(shè)計(jì)、超長(zhǎng)深度脹接設(shè)備和深度脹接工藝試驗(yàn)的研究，最終確保了中間深度脹接的可靠密封性。

5 2套獨(dú)立循環(huán)制冷系統(tǒng)并聯(lián)自動(dòng)聯(lián)鎖運(yùn)行的控制系統(tǒng)研究

1)雙離心式壓縮機(jī)、2套獨(dú)立循環(huán)制冷系統(tǒng)并聯(lián)自動(dòng)聯(lián)鎖運(yùn)行研究，采用2套制冷循環(huán)系統(tǒng)通過PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)自適應(yīng)監(jiān)測(cè)聯(lián)鎖分配運(yùn)行的模式實(shí)現(xiàn)，同時(shí)具有啟動(dòng)順序及啟動(dòng)條件的自選可調(diào)，以及每臺(tái)壓縮機(jī)的運(yùn)行頻率的自適應(yīng)分配功能，有效確保每臺(tái)壓縮機(jī)的使用頻率，確保機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2)單臺(tái)離心式制冷循環(huán)均具有多重防喘振保護(hù)及工況適應(yīng)性控制技術(shù)研究，采用離心式壓縮機(jī)進(jìn)口可調(diào)導(dǎo)葉與可調(diào)旁通裝置聯(lián)鎖調(diào)節(jié)的方式，以及系統(tǒng)內(nèi)部離心式壓縮機(jī)實(shí)時(shí)壓比的監(jiān)測(cè)、保護(hù)功能，有效確保機(jī)組運(yùn)行安全、系統(tǒng)調(diào)節(jié)性及寬工況適應(yīng)能力。

6 機(jī)組超長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)技術(shù)研究

通常離心式冷水機(jī)組設(shè)計(jì)壽命為15～20 a，最高不超過40 a，而本機(jī)組除易損件外，整機(jī)壽命達(dá)到60 a。研究中結(jié)合以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及材料腐蝕裕量等計(jì)算分析，對(duì)機(jī)組部分主要零部件的選材及設(shè)計(jì)等進(jìn)行最大限度的加強(qiáng)，以期最大限度延長(zhǎng)機(jī)組壽命。技術(shù)研究及解決方案如下。

1)傳熱管采用厚壁管。壁厚達(dá)到1.4 mm，軋制后最小壁厚>0.94 mm，具有足夠腐蝕裕量，通過多槽管孔的高強(qiáng)度脹接技術(shù)，同時(shí)管內(nèi)采用低流速設(shè)計(jì)，有效降低高速水流對(duì)管壁的沖刷，確?？煽康氖褂脡勖黐3]。

2)離心式壓縮機(jī)齒輪箱體采用厚壁設(shè)計(jì)及整體鑄造成型技術(shù)。厚壁設(shè)計(jì)可在有效降低噪聲的同時(shí)保證足夠的腐蝕余量，確保機(jī)組的超高使用壽命。

3)離心式壓縮機(jī)采用專為核電設(shè)計(jì)的成型硬繞組定子及高效銅轉(zhuǎn)子電機(jī)，采用機(jī)組循環(huán)的制冷劑噴射冷卻，其冷卻條件不受外界任何因素的影響，有效提高了機(jī)組運(yùn)行的效率、可靠性及壽命。

4)換熱器殼體及水室在設(shè)計(jì)計(jì)算過程中充分選取足夠的腐蝕余量，加以酸洗磷化等特殊工藝手段措施的采用，從而確保換熱器可靠的使用壽命。

7 整機(jī)測(cè)試

通過上述技術(shù)研究的應(yīng)用，針對(duì)研發(fā)出的AP/CAP系列核電站專用大型離心式冷水機(jī)組，采用液體載冷法進(jìn)行了產(chǎn)品測(cè)試[4](見圖2)，電源參數(shù)為10 kV/50 Hz/3 ph。100%和10%負(fù)荷工況下的測(cè)試參數(shù)見表1。

圖2 產(chǎn)品測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

表1 100%和10%負(fù)荷工況下的測(cè)試參數(shù)

由表1可知，該機(jī)組整體技術(shù)參數(shù)完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，其額定工況下機(jī)組性能優(yōu)于設(shè)計(jì)要求值，且在各工況運(yùn)行下的振動(dòng)及噪聲指標(biāo)均優(yōu)于設(shè)計(jì)要求值，10%負(fù)荷的低溫、低負(fù)荷工況條件下運(yùn)行穩(wěn)定，整機(jī)起、停平穩(wěn)，系統(tǒng)調(diào)節(jié)功能良好，很好地驗(yàn)證了上述提出的相應(yīng)技術(shù)研究。

8 結(jié)語

AP1000系列核電站專用大型離心式冷水機(jī)組具有其獨(dú)有的技術(shù)特性。本文針對(duì)其技術(shù)特性， 結(jié)合大型離心式冷水機(jī)組的先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)，分析出相應(yīng)的技術(shù)難點(diǎn)，并通過技術(shù)研究提出了解決方案。通過產(chǎn)品試制及性能試驗(yàn)測(cè)試，整體性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。該技術(shù)研究得到了有效的驗(yàn)證，且部分指標(biāo)明顯優(yōu)于國外機(jī)組水平，形成了先進(jìn)的具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)研究成果，成功實(shí)現(xiàn)了該機(jī)組的自主國產(chǎn)化；同時(shí)為我國的核電站出口減少了障礙，對(duì)我國核電領(lǐng)域的發(fā)展具有較為深遠(yuǎn)的影響，可在后續(xù)的國內(nèi)及國際AP1000系列核電領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

[1] 徐忠．離心式壓縮機(jī)原理[M]．西安：西安交通大學(xué)出版社，2009.[2] 吳業(yè)正. 制冷原理及設(shè)備[M]. 西安：西安交通大學(xué)出版社，1997.[3] 景思睿. 流體力學(xué)[M]. 西安：西安交通大學(xué)出版社，2001.[4] GB/T 18430.1—2007，蒸汽壓縮循環(huán)冷水(熱泵)機(jī)組 第1部分：工業(yè)或商業(yè)用及類似用途的冷水(熱泵)機(jī)組[S].

責(zé)任編輯 鄭練

Research on Large Scale Centrifugal Chiller with AP1000 Nuclear Power Plant

CHENG Lin

(Chongqing General Industry (Groop) Co., Ltd., Chongqing 401336, China)

Through the analysis of the relevant characteristics of AP1000 series nuclear power plant special large centrifugal chiller, introduce the special technical requirements of the unit and the main technical problems, and propose the corresponding research ideas and solutions for technical problems. Through the performance test, the unit has reached the technical specification requirement of the nuclear power station, the technology research has been validated, and receive the advanced technology research results.

centrifugal chiller types with nuclear power, centrifugal, double head, technology research, product testing

TU 821

A

程林(1985-)，男，大學(xué)本科，工程師，主要從事大型離心式冷水機(jī)組技術(shù)等方面的研究。

2016-06-15