程 林

(重慶通用工業(yè)(集團)有限責任公司 技術中心，重慶 401336)

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AP1000核電用大型離心式冷水機組的研究

程 林

(重慶通用工業(yè)(集團)有限責任公司 技術中心，重慶 401336)

通過對AP1000系列核電站專用大型離心式冷水機組相關特性的分析，結合該機組的特殊技術要求及主要技術難題進行了研究，并針對技術難題提出了相應研究思路和解決方案。經(jīng)整機性能試驗驗證表明，機組完全達到了核電站技術規(guī)范要求。該技術研究得到了有效的驗證，形成了先進的技術研究成果。

核電離心式冷水機組；離心式；雙機頭；技術研究；產(chǎn)品測試

核電是清潔、經(jīng)濟、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)展方針的重要內容。根據(jù)我國核電中長期發(fā)展規(guī)劃，到2020年，核電發(fā)電量將占到總發(fā)電量的4%，預計裝機容量達到5 000萬kW，在建3 500萬kW。根據(jù)國家核電中長期發(fā)展規(guī)劃提出的核電建設批量化、規(guī)?；?，從現(xiàn)在起到2020年，將新增核電裝機容量3 100萬kW。如果以核電站1 300美元/kW的單位造價計算，2020年4 900萬kW核電站項目投資高達637億美元，按設備費用占項目總投資44%和設備國產(chǎn)化程度74.6%計算，國內核電設備生產(chǎn)企業(yè)在2020年前有望分享高達209億美元(1 695億元人民幣)的市場份額。市場需求量大，完全自主知識產(chǎn)權的CAP系列核電輔機設備具有廣闊的市場前景。

AP1000系列核電站專用MS01水冷離心冷水機組是該系列核電站項目中VWS系統(tǒng)(中央冷凍水系統(tǒng))的核心制冷設備，也是暖通空調(HVAC)類設備在整個核島中最重要的設備。該機組具有大容量、長壽命、高可靠性、高效率、低振低噪、低能耗和雙機頭等高標準的要求，而我國前期并無能完全滿足該要求的相應裝備；因此，我國AP1000依托項目采用的是國外進口品牌的離心冷水機組，其技術嚴格保密，國內該領域技術處于完全空白狀態(tài)。

根據(jù)我國核電重要輔機設備自主國產(chǎn)化重大專項課題的立項實施及相關國家支持政策，具有我國完全自主知識產(chǎn)權的國產(chǎn)化AP1000系列核電用大型離心式冷水機組將打破國外技術封鎖，降低我國核電站建造成本，具有較大的社會影響。

1 機組設計標準研究

針對機組的設計、制造和測試等進行國產(chǎn)化研究，需要對各類國外標準、規(guī)范要求等進行詳細消化及解讀，力求在全部滿足技術要求的條件下成功實現(xiàn)國產(chǎn)化。技術研究及解決方案如下。

1)消化、吸收國外的技術規(guī)范及標準要求，理解并掌握離心式冷水機組在核電站建設工程中發(fā)揮的作用，結合現(xiàn)場運行的實際情況，對項目的整體要求進行細化分析。

2)針對國內標準與美國ASME規(guī)范對壓力容器的不同要求進行詳細對比，制定不低于美國標準技術要求，而同時又符合國標要求的設計方案。

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 ℃，制冷量和壓比遠高于常規(guī)核島冷水機組，同時機組能耗要求又非常低。機組制冷量調節(jié)范圍要求達到10%～100%，并應滿足10%負荷下的低溫工況運行。技術研究及解決方案如下。

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

圖1 雙機頭、雙級壓縮、2套制冷循環(huán)原理圖

2)采用雙級串聯(lián)壓縮機帶經(jīng)濟器，實現(xiàn)高壓比且省功的設計，同時進行系統(tǒng)分析研究，降低壓縮機額定運行點壓比，降低能耗[1]。雙壓縮機并聯(lián)運行，水側獨立的串、逆流技術，分析選定最佳中間溫度，降低機組額定運行點的單個壓縮機壓比，有效提高機組運行效率。

3)針對核電站運行特有的特殊低溫、低負荷的設計工況(負荷10%、冷卻水溫度低至15.5 ℃)，機組配置壓縮機進口導葉、二級補氣調節(jié)、串聯(lián)可調節(jié)流控制及熱氣旁通等多重調節(jié)方式，實現(xiàn)寬工況調節(jié)范圍的要求[2]。

4)機組的雙制冷系統(tǒng)采用相同的結構與性能，標準化程度高，在部分負荷時可相互切換獨立運行，同時換熱器在機組檢修時具有制冷劑儲液功能，檢修效率高，維護方便、快捷。

本節(jié)課主要運用了任務驅動法、情境教學法、項目教學法、游戲教學法、探究教學法、分組教學法。學法有自主學習法、探究學習法、合作學習法[3]。

3 高效低噪的高壓比離心制冷壓縮機研究

離心式制冷壓縮機需滿足機組在各種工況下的高效運行，離心式壓縮機額定壓比達3.6、最高壓比達3.7以上，同時要求整機運行振動全幅值≤30 μm、最大運行噪聲≤89 dB(A)、制冷量實現(xiàn)10%～100%內的無級調節(jié)。技術研究及解決方案如下。

1)高效氣動技術研究。針對核電特性設計的雙級離心式壓縮機，采用國際先進的氣動設計技術，完全符合R134a工質熱力學特性的最佳氣動匹配設計，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間回流器，氣動損失小，流動效率高，整套氣動性能參數(shù)采用數(shù)值計算方法進行分析優(yōu)化，確保離心式制冷壓縮機的高效運行。

2)低噪聲控制技術研究。低噪聲控制主要技術如下：a.優(yōu)化離心葉輪葉型，合理組織離心壓縮機內部流場結構，加強對壓縮機內部尾跡和分離等各種旋渦流動的控制；b.優(yōu)化設計的三元流高效葉輪匹配的最佳機殼流道，通過優(yōu)化離心葉輪、擴壓器和回流器葉片數(shù)，盡可能拉大轉子與靜子之間的間距，減少動靜干涉造成的噪聲；c.蝸殼內流道采用光滑內壁研制，蝸室內蝸舌采用傾斜式結構設計，降低蝸舌處的噪聲；d.5級高精度齒輪設計，有效降低嚙合噪聲，齒輪箱體采用雙重隔音結構設計，有效增加殼體厚度，增加噪聲輻射的包容性；e.在冷凝器進氣口(壓縮機排氣口)設置緩沖降噪裝置，有效降低高速氣流沖擊帶來的噪聲。

3)轉子穩(wěn)定性。離心式壓縮機一級葉輪、二級葉輪與主軸(小齒輪軸)采用先進的無鍵連接方式，有效避免轉子不平衡，并對轉子進行精確的動力特性分析，確保其隔離裕度按API684標準要求>20%，確保高速轉子組的運行穩(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

機組需滿足換熱器大溫差換熱要求，滿足設備安裝、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構設計，2套獨立制冷循環(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度及密封性保證。技術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肋強化傳熱，加以最佳配列管束的換熱器結構研究，高效換熱器內部通過獨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工藝試驗，確保了中間管板及筒體焊接直線度的保證，并通過筒體內部支承板、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)該技術的研究形成了專利技術《一種離心式冷水機組中多臺換熱器串聯(lián)的連接方式》和《一種離心式冷水機組換熱器水室結構》。

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確保其密封性，通過特殊密封管孔管槽的設計、超長深度脹接設備和深度脹接工藝試驗的研究，最終確保了中間深度脹接的可靠密封性。

5 2套獨立循環(huán)制冷系統(tǒng)并聯(lián)自動聯(lián)鎖運行的控制系統(tǒng)研究

1)雙離心式壓縮機、2套獨立循環(huán)制冷系統(tǒng)并聯(lián)自動聯(lián)鎖運行研究，采用2套制冷循環(huán)系統(tǒng)通過PLC自動控制系統(tǒng)自適應監(jiān)測聯(lián)鎖分配運行的模式實現(xiàn)，同時具有啟動順序及啟動條件的自選可調，以及每臺壓縮機的運行頻率的自適應分配功能，有效確保每臺壓縮機的使用頻率，確保機組的安全穩(wěn)定運行。

2)單臺離心式制冷循環(huán)均具有多重防喘振保護及工況適應性控制技術研究，采用離心式壓縮機進口可調導葉與可調旁通裝置聯(lián)鎖調節(jié)的方式，以及系統(tǒng)內部離心式壓縮機實時壓比的監(jiān)測、保護功能，有效確保機組運行安全、系統(tǒng)調節(jié)性及寬工況適應能力。

6 機組超長壽命設計技術研究

通常離心式冷水機組設計壽命為15～20 a，最高不超過40 a，而本機組除易損件外，整機壽命達到60 a。研究中結合以往設計經(jīng)驗及材料腐蝕裕量等計算分析，對機組部分主要零部件的選材及設計等進行最大限度的加強，以期最大限度延長機組壽命。技術研究及解決方案如下。

1)傳熱管采用厚壁管。壁厚達到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度脹接技術，同時管內采用低流速設計，有效降低高速水流對管壁的沖刷，確?？煽康氖褂脡勖黐3]。

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

3)離心式壓縮機采用專為核電設計的成型硬繞組定子及高效銅轉子電機，采用機組循環(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，有效提高了機組運行的效率、可靠性及壽命。

4)換熱器殼體及水室在設計計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 整機測試

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

圖2 產(chǎn)品測試現(xiàn)場

表1 100%和10%負荷工況下的測試參數(shù)

由表1可知，該機組整體技術參數(shù)完全達到設計要求，其額定工況下機組性能優(yōu)于設計要求值，且在各工況運行下的振動及噪聲指標均優(yōu)于設計要求值，10%負荷的低溫、低負荷工況條件下運行穩(wěn)定，整機起、停平穩(wěn)，系統(tǒng)調節(jié)功能良好，很好地驗證了上述提出的相應技術研究。

8 結語

AP1000系列核電站專用大型離心式冷水機組具有其獨有的技術特性。本文針對其技術特性， 結合大型離心式冷水機組的先進設計技術，分析出相應的技術難點，并通過技術研究提出了解決方案。通過產(chǎn)品試制及性能試驗測試，整體性能達到設計要求。該技術研究得到了有效的驗證，且部分指標明顯優(yōu)于國外機組水平，形成了先進的具有完全自主知識產(chǎn)權的技術研究成果，成功實現(xiàn)了該機組的自主國產(chǎn)化；同時為我國的核電站出口減少了障礙，對我國核電領域的發(fā)展具有較為深遠的影響，可在后續(xù)的國內及國際AP1000系列核電領域得到廣泛應用。

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

責任編輯 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，大學本科，工程師，主要從事大型離心式冷水機組技術等方面的研究。

2016-06-15