杜 坤，雷 超，高 儉，胡啟帥，陳洋穎，王恒

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川成都 610041）

0 引言

水冷式空調(diào)制冷系統(tǒng)與反應(yīng)堆重要設(shè)備存在接口關(guān)系，主要功能是為反應(yīng)堆設(shè)備提供符合設(shè)計(jì)要求的設(shè)備冷卻水，保證設(shè)備工作溫度維持在正常范圍內(nèi)，其運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性直接影響反應(yīng)堆的安全運(yùn)行狀態(tài)。在運(yùn)行期間，水冷式空調(diào)制冷系統(tǒng)制冷溫度異常，導(dǎo)致反應(yīng)堆設(shè)備工作溫度過高影響反應(yīng)堆的安全運(yùn)行是不可接受的。

為保障反應(yīng)堆的安全運(yùn)行，本文基于水冷式空調(diào)制冷系統(tǒng)的系統(tǒng)特性及工作原理，分析影響機(jī)組制冷溫度的因素，并逐一排查，最終定位異常原因?yàn)槔淠鲹Q熱管結(jié)垢導(dǎo)致?lián)Q熱能力下降。通過分析對(duì)比并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)確定除垢方式，完成處理并驗(yàn)證，有效解決了水冷式空調(diào)制冷系統(tǒng)制冷溫度異常問題。

1 水冷式空調(diào)制冷系統(tǒng)

水冷式空調(diào)制冷系統(tǒng)工作工藝流程見圖1?？照{(diào)制冷系統(tǒng)中有兩種循環(huán)水：一種是反應(yīng)堆用戶使用的冷凍水，閉式循環(huán)水（去離子水）；另一種是冷凝器換熱使用的冷卻水，開式循環(huán)水（天然水）。正常工作時(shí)，機(jī)組內(nèi)冷媒通過壓縮機(jī)壓縮變?yōu)楦邷馗邏旱臍怏w，然后通過冷凝器經(jīng)冷卻水換熱后變?yōu)榈蜏馗邏旱囊后w，又經(jīng)膨脹閥節(jié)流變?yōu)榈蜏氐蛪旱臐裾羝?，濕蒸汽狀態(tài)冷媒再進(jìn)入蒸發(fā)器與冷凍水換熱、變?yōu)楦邷氐蛪旱臍怏w后再回到壓縮機(jī)。

圖1 水冷式空調(diào)制冷系統(tǒng)工藝流程

水冷式空調(diào)制冷系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，向反應(yīng)堆用戶提供7 ℃的設(shè)備冷卻水，維持反應(yīng)堆設(shè)備的正常運(yùn)行，空調(diào)制冷系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)重要參數(shù)指標(biāo)見表1。

2 水冷式空調(diào)制冷系統(tǒng)制冷溫度異?，F(xiàn)象

水冷式空調(diào)制冷系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，隨反應(yīng)堆用戶溫度上升，空調(diào)制冷系統(tǒng)冷凍水溫度逐漸上升至10.7 ℃，無法滿足反應(yīng)堆用戶需求。停運(yùn)當(dāng)前空調(diào)制冷機(jī)組，切換至備用空調(diào)制冷機(jī)組運(yùn)行。查詢空調(diào)制冷系統(tǒng)機(jī)組停機(jī)前重要參數(shù)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)空調(diào)制冷系統(tǒng)冷凍水溫度異常時(shí)，機(jī)組排氣壓力以及冷凝溫度異常（表1）。調(diào)取水冷式空調(diào)制冷系統(tǒng)制冷異常階段冷凝溫度、蒸發(fā)溫度曲線圖、排氣壓力曲線圖，發(fā)現(xiàn)空調(diào)制冷系統(tǒng)冷凍水溫異常上升時(shí)，機(jī)組冷凝溫度及排氣壓力也異常上升（圖2～圖3）。

圖2 冷凝溫度及蒸發(fā)溫度曲線

圖3 排氣壓力曲線

表1 空調(diào)制冷系統(tǒng)機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)

3 水冷式空調(diào)制冷系統(tǒng)制冷溫度異常分析

3.1 壓縮機(jī)工作過程

水冷式空調(diào)制冷系統(tǒng)采用壓縮機(jī)為單螺桿式壓縮機(jī)，單螺桿式壓縮機(jī)工作共分3 個(gè)過程。

（1）吸氣過程。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，齒槽容積隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)會(huì)逐漸增大，由蒸發(fā)器來的氣體會(huì)混合潤(rùn)滑油通過孔口進(jìn)入壓縮機(jī)。

（2）壓縮過程。當(dāng)轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，被機(jī)體、吸氣端座和排氣端座封閉在齒槽內(nèi)的氣體，會(huì)隨陰、陽轉(zhuǎn)子的相互嚙合而被壓向排氣端，同時(shí)氣體壓力同步升高。此階段隨冷媒一起被吸入的潤(rùn)滑油會(huì)對(duì)壓縮機(jī)軸承和轉(zhuǎn)子進(jìn)行潤(rùn)滑及冷卻。

（3）排氣過程。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到齒槽間隙與排氣端座上排氣口連通時(shí)，冷媒與潤(rùn)滑油混合體會(huì)被排入壓縮機(jī)后端油分離器。在此處潤(rùn)滑油與冷媒分離，冷媒進(jìn)入冷凝器，潤(rùn)滑油進(jìn)入潤(rùn)滑油箱待再次被吸入壓縮機(jī)。

3.2 制冷溫度異常原因

在冷媒進(jìn)入冷凝器之后，在冷凝器內(nèi)有氣體凝成液體的壓力稱為冷凝壓力，由于空調(diào)制冷系統(tǒng)中冷凝器內(nèi)部壓力無法測(cè)量（實(shí)際上冷媒在排氣管及冷凝器內(nèi)的壓力降極?。ǔＴO(shè)計(jì)、調(diào)試與檢修中認(rèn)為排氣壓力近似等于冷凝壓力。

水冷式空調(diào)制冷系統(tǒng)所用冷媒為R134a，其冷凝溫度與冷凝（排氣）壓力是成正比變化的，冷凝（排氣）壓力越高，冷凝溫度也就越高。所以，導(dǎo)致制冷溫度異常的原因主要有以下5 個(gè)。

3.2.1 冷凝器進(jìn)水溫度過高

當(dāng)冷凝器進(jìn)水溫度過高時(shí)，冷凝溫度T2會(huì)隨冷卻水進(jìn)水溫度升高而升高。據(jù)冷凝溫度、蒸發(fā)溫度曲線圖可明顯看出，水冷式空調(diào)制冷機(jī)組制冷異常時(shí)，其蒸發(fā)溫度T1一直于穩(wěn)定范圍內(nèi)較小波動(dòng)，而冷凝溫度T2變化較明顯。

根據(jù)理論制冷系數(shù)計(jì)算公式：

不難看出，在冷凝器進(jìn)水溫度過高時(shí)，空調(diào)制冷系統(tǒng)冷凝溫度會(huì)隨之增高，導(dǎo)致機(jī)組制冷效率下降、制冷溫度異常上升。

3.2.2 冷凝器內(nèi)有空氣等不凝結(jié)氣體

氮?dú)?、空氣、二氧化碳等在冷凝器中特定的溫度、壓力條件下不凝結(jié)成液體的氣體稱為不凝結(jié)氣體，因不凝結(jié)氣體本身有一定壓力，根據(jù)道爾頓定律：

在冷凝器內(nèi)固定容積的情況下，有不凝結(jié)氣體進(jìn)入會(huì)導(dǎo)致排氣壓力上升，且因不凝結(jié)氣體在冷凝器換熱管面形成氣體層，增加熱阻、降低冷凝器換熱效率，導(dǎo)致制冷溫度異常上升。

3.2.3 冷媒充裝過量

冷媒充裝過量時(shí)，多余的冷媒會(huì)于機(jī)組中找到容納其的空間，此時(shí)會(huì)有過量的冷媒以液體形式存在于冷凝器中，使冷凝器的有效換熱面積減小，導(dǎo)致冷凝器的冷凝壓力和冷凝溫度升高，冷凍水溫異常上升。

3.2.4 冷凝器上進(jìn)氣閥門未完全打開

冷凝器進(jìn)氣閥門未完全打開，導(dǎo)致排氣壓力上升，隨負(fù)荷增加，需換熱冷媒量無法正常進(jìn)入冷凝器內(nèi)換熱，導(dǎo)致制冷效率下降、制冷溫度異常上升。

3.2.5 冷凝器換熱銅管內(nèi)結(jié)垢嚴(yán)重

在冷凝器中，換熱管道表面結(jié)垢層是不均勻的，并且會(huì)隨著時(shí)間的推移而變化，其關(guān)系式可表示為：

式中

σ——材料厚度，mm

λ——材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）

由關(guān)系式可見，結(jié)垢層的熱阻會(huì)因時(shí)間推移導(dǎo)致結(jié)垢層厚度σ 增加而增加。換熱管的傳熱系數(shù)將隨其熱阻的增加而減少，從而導(dǎo)致冷凝器溫度、排氣壓力升高，制冷溫度異常上升。

4 水冷式空調(diào)制冷系統(tǒng)制冷溫度異常排查

4.1 故障排查

根據(jù)上述分析，開展對(duì)水冷式空調(diào)制冷系統(tǒng)制冷溫度異常故障排查工作：

（1）冷凝器進(jìn)水溫度過高。由表1 可知，冷卻水溫（冷凝器進(jìn)水溫度）為5～25 ℃。采用3 種溫度計(jì)分別測(cè)量，在水冷式空調(diào)冷卻水進(jìn)機(jī)端對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，平均值為19.6 ℃，結(jié)果滿足機(jī)組運(yùn)行需求。

（2）冷凝器內(nèi)有空氣等不凝結(jié)氣體。啟動(dòng)冷卻水系統(tǒng)，使冷卻水于冷凝器中循環(huán)，開啟冷凝器排氣閥進(jìn)行持續(xù)排氣，在持續(xù)排氣期間僅有穩(wěn)定、平滑的水柱于排氣閥中排出，無氣體排出。

（3）冷媒充裝過量。當(dāng)冷媒充裝過量時(shí)，空調(diào)制冷機(jī)組吸排氣壓力均會(huì)偏高，且壓縮機(jī)運(yùn)行電流也會(huì)偏高。對(duì)比空調(diào)系統(tǒng)制冷溫度異常時(shí)數(shù)據(jù)，僅排氣壓力異常偏高，壓縮機(jī)運(yùn)行電流穩(wěn)定。檢查充裝冷媒量，冷媒液位正常。

（4）冷凝器上進(jìn)氣閥門未完全打開。檢查空調(diào)制冷機(jī)組所有閥門狀態(tài)，閥門開度均正常且閥門結(jié)構(gòu)無損壞。

（5）冷凝器換熱銅管內(nèi)結(jié)垢嚴(yán)重。打開冷凝器一側(cè)端蓋，使用內(nèi)窺鏡檢查冷凝器換熱管結(jié)垢情況，冷凝器換熱管結(jié)垢較嚴(yán)重。

4.2 結(jié)垢原因分析

據(jù)水冷式空調(diào)制冷機(jī)組工藝流程可見，其冷凝器采用開式循環(huán)的天然水源作為冷卻水源，天然水源中各類雜質(zhì)、微生物、藻類的含量較高，隨著時(shí)間推移，微生物及藻類分泌出粘液使水中各種雜質(zhì)等粘附在一起形成結(jié)垢。

根據(jù)冷凝器計(jì)算傳熱系數(shù)K 值的基本公式：

式中 αi——管內(nèi)傳熱系數(shù)，W/（m·℃）

α0——管外傳熱系數(shù)，W/（m·℃）

R1——總熱阻（管壁熱阻+水垢熱阻+制冷劑側(cè)油膜熱阻），m2·℃/W

di——管內(nèi)直徑，mmd0——管外直徑，mm

由式（3）、式（4）聯(lián)合分析，可得到結(jié)垢厚度與傳熱系數(shù)的關(guān)系曲線（圖4）。

圖4 傳熱系數(shù)隨水垢厚度變化曲線

綜合以上排查分析結(jié)果，確定水冷式空調(diào)制冷系統(tǒng)制冷溫度異常原因?yàn)椋豪淠鲀?nèi)部換熱管結(jié)垢嚴(yán)重，增大了換熱管整體熱阻，降低了傳熱系數(shù)，導(dǎo)致水冷式空調(diào)制冷系統(tǒng)無法正常制冷、冷凍水溫異常升高。

5 水冷式空調(diào)制冷系統(tǒng)制冷溫度異常處理及驗(yàn)證

5.1 水冷式空調(diào)制冷系統(tǒng)制冷溫度異常處理

根據(jù)上述分析，確定水冷式空調(diào)制冷系統(tǒng)制冷溫度異常原因?yàn)椋豪淠鲀?nèi)部換熱管結(jié)垢嚴(yán)重。針對(duì)冷凝器換熱管結(jié)垢問題，通常采用以下兩種除垢方式進(jìn)行處理：

（1）化學(xué)清洗法。使用不同清洗液進(jìn)行清洗，可先使用酸性清洗液清洗，再使用堿性清洗液中和清洗，最后清水沖洗，排出冷凝器內(nèi)殘留清洗液及雜質(zhì)。清洗過程中所用化學(xué)清洗液可能會(huì)對(duì)冷凝器內(nèi)換熱管造成一定腐蝕。

（2）物理清洗法。先人工捅刷或采用捅炮機(jī)對(duì)冷凝器換熱管進(jìn)行物理刷洗除垢，然后用清水沖洗、排出刷洗掉的雜質(zhì)。冷凝器內(nèi)換熱管部分死角及較頑固結(jié)垢，僅靠單一物理清洗法較難徹底清除。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)冷凝器安裝情況及冷凝器換熱管結(jié)垢情況綜合分析，決定采用化學(xué)、物理結(jié)合的清洗法除垢，既能高效清除換熱管內(nèi)污垢，又可有效減小化學(xué)清洗劑對(duì)換熱管的腐蝕?；瘜W(xué)物理結(jié)合清洗法的具體清洗步驟如下：

在該實(shí)驗(yàn)中，算法使用RBF核函數(shù)，其中C=120，gamma=0.02。用10組真實(shí)數(shù)據(jù)交叉驗(yàn)證得到經(jīng)驗(yàn)誤差為x=0.012, y=0.009；真實(shí)誤差值為ΔE= 1.21。

（1）將較溫和的清洗液注入冷凝器內(nèi)，用清洗液浸泡水垢15 min 將結(jié)垢軟化。

（2）拆卸冷凝器一端端蓋，從拆卸處通過人工捅刷方式對(duì)冷凝器內(nèi)進(jìn)行物理刷洗除垢。

（3）使用清水沖洗冷凝器內(nèi)部，使冷凝器內(nèi)殘留清洗液及雜質(zhì)排出。

（4）回裝拆卸端蓋，讓冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行2 h，也可將冷凝器充水后靜置4 h。

（5）排掉冷凝器內(nèi)廢水，再次打開端蓋使用內(nèi)窺鏡檢查，如果無水垢等雜質(zhì)，說明冷凝器已清洗干凈；如果仍有明顯水垢、雜質(zhì)，則重復(fù)前4 個(gè)步驟，直至冷凝器清洗干凈。

5.2 水冷式空調(diào)制冷系統(tǒng)制冷溫度異常處理后驗(yàn)證

除垢工作結(jié)束后，準(zhǔn)備機(jī)組啟機(jī)驗(yàn)證，檢查機(jī)組狀態(tài)，無異常后啟機(jī)，隨反應(yīng)堆用戶溫度升高，空調(diào)制冷系統(tǒng)制冷正常，制冷穩(wěn)定維持在7 ℃左右，觀察除垢后排氣壓力曲線及冷凝溫度曲線（圖5～圖6）。

圖5 除垢后排氣壓力曲線

圖6 除垢后冷凝溫度曲線

根據(jù)數(shù)據(jù)記錄曲線可見，隨著機(jī)組啟機(jī)運(yùn)行時(shí)間的增加，空調(diào)制冷系統(tǒng)排氣壓力和冷凝溫度均在上升后趨于平緩，均滿足機(jī)組運(yùn)行參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值，且其他各項(xiàng)參數(shù)均無異常，這說明水冷式空調(diào)制冷系統(tǒng)恢復(fù)制冷能力。

6 結(jié)論

本文基于反應(yīng)堆水冷式空調(diào)制冷溫度異?，F(xiàn)象，結(jié)合系統(tǒng)工作原理分析故障原因，通過驗(yàn)證依次排除冷卻水溫度過高、冷凝器內(nèi)有空氣等不凝結(jié)氣體等可能導(dǎo)致溫度異常的因素，最終定位故障為冷凝器內(nèi)換熱管結(jié)垢導(dǎo)致。通過分析對(duì)比并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)確定除垢方式，啟動(dòng)系統(tǒng)驗(yàn)證，最終系統(tǒng)制冷效果滿足反應(yīng)堆用戶所需，保障反應(yīng)堆安全運(yùn)行。