郭 超

（江蘇核電有限公司維修一處，江蘇連云港222042）

1 課題背景

田灣核電站主蒸汽閥站隔間溫度較高，長(zhǎng)期超過(guò)40℃，影響相關(guān)設(shè)備運(yùn)行及人員操作。田灣核電站要求核電機(jī)組發(fā)電期間主蒸汽閥站設(shè)備不間斷運(yùn)行，需要空調(diào)機(jī)組全年為其提供制冷?？照{(diào)機(jī)組如何能全年穩(wěn)定可靠提供冷量給主蒸汽閥站設(shè)備，并最大程度地實(shí)現(xiàn)可靠、節(jié)能、環(huán)保是需要解決的一個(gè)重要課題。

2 商用空調(diào)機(jī)組存在的問(wèn)題

2.1 問(wèn)題描述

直接蒸發(fā)式制冷系統(tǒng)商用空調(diào)機(jī)組主要是滿(mǎn)足舒適性要求，其設(shè)計(jì)和制造工藝與工業(yè)空調(diào)有很大的差距。連云港冬季戶(hù)外溫度很低，商用空調(diào)機(jī)組制冷模式下長(zhǎng)期在低溫下運(yùn)行，容易出現(xiàn)低壓報(bào)警、蒸發(fā)器結(jié)冰等故障，甚至造成壓縮機(jī)帶液運(yùn)行、損壞壓縮機(jī)等嚴(yán)重故障。而且由于核電站主蒸汽閥站需要全年提供制冷，該系列空調(diào)不間斷運(yùn)行也導(dǎo)致故障頻發(fā)。

2.2 自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組的應(yīng)用

為避免商用空調(diào)機(jī)組在連云港地區(qū)冬季環(huán)境下制冷運(yùn)行時(shí)的先天缺陷，降低空調(diào)機(jī)組運(yùn)行的故障率，可采用間接冷卻式空調(diào)制冷系統(tǒng)解決問(wèn)題、改變現(xiàn)狀。隨著制冷技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)冷冷水機(jī)組采用環(huán)境溫度下的空氣冷卻制冷，省去了冷卻塔等部件，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更緊湊，得到了廣泛應(yīng)用。

2.3 常規(guī)風(fēng)冷冷水機(jī)組存在的問(wèn)題

風(fēng)冷冷水機(jī)組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、安裝方式靈活，但工業(yè)或商業(yè)及類(lèi)似用途的冷水機(jī)組制冷工況的運(yùn)行空氣溫度范圍是21～43℃，而全年制冷風(fēng)冷冷水機(jī)組要求在室外溫度環(huán)境變化較大的條件下提供冷凍水，甚至要求在-15℃的環(huán)境下仍能提供足夠的冷量。低冷凝溫度下運(yùn)行，給該類(lèi)機(jī)組帶來(lái)了很多問(wèn)題：（1）低環(huán)境溫度易引起低壓保護(hù)；（2）低環(huán)境溫度下機(jī)組啟動(dòng)困難；（3）冷凍水易凍結(jié)；（4）易造成壓縮機(jī)故障。

2.4 目前風(fēng)冷冷水機(jī)組的解決方案

針對(duì)風(fēng)冷冷水機(jī)組在低環(huán)境溫度下運(yùn)行存在的諸多問(wèn)題，目前主要的解決方案如下：

（1）改變換熱溫差，將整個(gè)風(fēng)冷式冷水機(jī)組置于一個(gè)機(jī)房中；

（2）調(diào)節(jié)通過(guò)冷凝器表面的風(fēng)量，即采用變頻冷凝風(fēng)機(jī)；

（3）減小有效冷凝面積來(lái)減少冷凝器負(fù)荷；

（4）載冷劑采用一定濃度的乙二醇溶液。

2.5 自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組所采用的解決思路

低溫環(huán)境對(duì)機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行是一個(gè)挑戰(zhàn)，但同時(shí)也是一個(gè)很好的冷源，如果能夠利用低溫環(huán)境來(lái)達(dá)到用戶(hù)對(duì)冷量的需求，則既節(jié)省了機(jī)組運(yùn)行所耗的電能，又能避免壓縮機(jī)在低溫環(huán)境下運(yùn)行?；谶@一構(gòu)想，田灣核電站決定采用一種自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組的設(shè)計(jì)概念。

自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組包括兩個(gè)系統(tǒng)：蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)和自然冷卻制冷系統(tǒng)?？紤]到低溫防凍問(wèn)題，這兩個(gè)系統(tǒng)所使用的載冷劑為一定濃度的乙二醇溶液。

本課題所提出的技術(shù)方案原理如圖1所示，該方案在原有風(fēng)冷冷水機(jī)組的基礎(chǔ)上增加了一套自然冷卻盤(pán)管冷卻系統(tǒng)。通過(guò)此預(yù)冷（即“自然冷卻”）過(guò)程，室外空氣為空調(diào)系統(tǒng)的熱負(fù)荷提供部分或全部冷量。該冷水機(jī)組有如下三種工作模式：

（1）全部機(jī)械制冷模式：在全部機(jī)械制冷工作模式時(shí)（閥5處于A(yíng)位置），冷凍水不經(jīng)過(guò)自然冷卻換熱盤(pán)管，直接進(jìn)入壓縮式制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器中，全部由壓縮式制冷系統(tǒng)提供的冷量進(jìn)行冷卻。

（2）部分自然冷卻模式：在部分自然冷卻工作模式時(shí)（閥5處于B位置），冷凍水先在自然冷卻熱交換器中被部分冷卻（預(yù)冷），然后進(jìn)入壓縮式制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器中再次冷卻。

（3）全部自然冷卻模式：在全部自然冷卻模式時(shí)（閥5處于B位置），全部制冷負(fù)荷由自然冷卻熱交換器盤(pán)管“免費(fèi)”提供，不需要開(kāi)啟壓縮式制冷系統(tǒng)。

圖1 自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組原理圖

機(jī)組的自然冷卻工作方式完全由微電腦控制系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制。

2.6 自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組設(shè)計(jì)方案

結(jié)合田灣核電站現(xiàn)場(chǎng)氣候條件，自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組設(shè)計(jì)方案如下：

（1）室外配置3臺(tái)自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組，2用1備，為主蒸汽閥站室內(nèi)機(jī)換熱器提供7℃冷凍水。

（2）室內(nèi)機(jī)采用4臺(tái)吊頂式空調(diào)機(jī)組，分別安裝于主蒸汽閥站4個(gè)房間內(nèi)，室內(nèi)機(jī)換熱器由自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組提供7℃的冷卻水。

（3）配置冷凍水泵3臺(tái)，2用1備，安裝于自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組旁，載冷劑為一定濃度的乙二醇溶液，防止冷凍水在冬季低溫下結(jié)冰。

2.7 自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組控制系統(tǒng)及運(yùn)行邏輯

自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組控制系統(tǒng)及運(yùn)行邏輯比較復(fù)雜，主要包括冷卻模式控制及自然冷卻模式水溫控制。

（1）冷凍水回水溫度-環(huán)境溫度＜2℃時(shí)，電動(dòng)三通閥處于全部機(jī)械制冷模式，冷凍水進(jìn)入管殼蒸發(fā)器，壓縮機(jī)運(yùn)行，冷凝風(fēng)機(jī)根據(jù)制冷系統(tǒng)冷凝壓力調(diào)速運(yùn)行，壓縮機(jī)根據(jù)冷凍水出水溫度設(shè)定值自動(dòng)進(jìn)行能量調(diào)節(jié)。

（2）冷凍水回水溫度-環(huán)境溫度≥2℃時(shí)，電動(dòng)三通閥處于自然冷卻模式，冷凍水進(jìn)入輔助換熱盤(pán)管與外界環(huán)境換熱，如果輔助換熱盤(pán)管換熱能夠滿(mǎn)足冷凍水出水溫度要求，則壓縮機(jī)不啟動(dòng)，通過(guò)調(diào)節(jié)冷凝風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)控制冷凍水出水溫度，此狀態(tài)為全部自然冷卻模式。

（3）冷凍水回水溫度-環(huán)境溫度≥2℃，電動(dòng)三通閥處于自然冷卻模式，如冷凝風(fēng)機(jī)全速運(yùn)行仍不能滿(mǎn)足冷凍水出水溫度要求，啟動(dòng)壓縮機(jī)進(jìn)行機(jī)械制冷，冷凝風(fēng)機(jī)根據(jù)制冷系統(tǒng)冷凝壓力調(diào)速運(yùn)行，壓縮機(jī)根據(jù)冷凍水出水溫度設(shè)定值自動(dòng)進(jìn)行能量調(diào)節(jié)，此狀態(tài)為部分自然冷卻模式。

2.8 自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組使用效果

（1）節(jié)能減排，減少了運(yùn)行成本。自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組每年約有115天處于自然冷卻工況，節(jié)約廠(chǎng)用電量441600kW·h/年，經(jīng)田灣核電財(cái)務(wù)處核算，年增加發(fā)電收入167 940元，增加利潤(rùn)約35 016元。

（2）綠色環(huán)保，減少了制冷劑泄漏的可能。自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組制冷劑只在室外機(jī)內(nèi)循環(huán)，室內(nèi)機(jī)與室外機(jī)之間由冷凍水作為載冷劑傳遞冷量，縮短了制冷劑的運(yùn)行管線(xiàn)，降低了制冷劑泄漏的可能性，保護(hù)了環(huán)境。

（3）故障率明顯下降，機(jī)組運(yùn)行可靠性得到了明顯提高。自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組在環(huán)境溫度較低時(shí)采用自然冷卻模式，避免了壓縮機(jī)在低溫環(huán)境下運(yùn)行，提高了機(jī)組運(yùn)行的可靠性。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)田灣核電站主蒸汽閥站制冷系統(tǒng)的分析，提出了一種充分利用天然免費(fèi)冷源的節(jié)能型常年制冷風(fēng)冷冷水機(jī)組設(shè)計(jì)方案，解決了原商用空調(diào)機(jī)組運(yùn)行存在的問(wèn)題，降低了運(yùn)行費(fèi)用，提高了空調(diào)機(jī)組運(yùn)行的可靠性。自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組的設(shè)計(jì)應(yīng)用方案對(duì)其他工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域內(nèi)全年制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有借鑒和指導(dǎo)意義。

[1]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(lèi)似用途的冷水（熱泵）機(jī)組：GB/T 18430.1—2007[S].

[2]郎鐵軍，潘翠玉，梁娟霞，等.一種可全年供冷的節(jié)能型風(fēng)冷冷水機(jī)組的研制[J].制冷與空調(diào)（北京），2012，12（1）：27-32.

[3]陳芝久，吳靜怡.制冷裝置自動(dòng)化[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

[4]周金坤.制冷原理[M].北京：高等教育出版社，2009.