某压水堆核电厂安全冷冻水系统冷冻机应用研究

0 引 言

某压水堆核电厂安全冷冻水系统由 4 列实体隔离的闭路循环冷却回路组成，4 列闭路循环冷却回路位于 4列安全厂房，每列由1 台冷冻机、1 台循环泵、1 个膨胀水箱、1 条旁路管线组成。在余热导出方面，事故工况下，当1、4 低压安注泵电机的正常冷源后，安全冷冻水系统的1、4 列能够为 1、4 列低压安注泵电机提供应急冷却水，保证堆芯热量的导出。因此冷冻机在安全冷冻水系统中以及压水堆核电厂中扮演着至关重要的作用。

一、安全冷冻水系统冷冻机组成

为满足多样化运行需求并避免共模故障，安全冷冻水系统 冷冻机根据列数不同，采用差异化的冷凝器设计及供货厂家，核心组成部件与配置细节如下：

1.1 基础设计与供货差异

冷凝器类型：安全冷冻水系统1/4 列冷冻机采用空气冷却式冷凝器，安全冷冻水系统2/3 列冷冻机采用 设备冷却水系统 水冷却式冷凝器，两种冷凝器由不同厂家生产，可有效降低因厂家技术缺陷导致的共模故障风险。

生产厂家：安全冷冻水系统1/4 列冷冻机由 苏尔寿瑞士公司供货，安全冷冻水系统 2/3 列冷冻机由德国公司供货，需注意不同厂家设备在维护保养、备件更换上的差异。

1.2 核心组成部件

安全冷冻水系统 冷冻机的核心工作单元均包含压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器四大模块，各模块功能协同，构成完整制冷循环。此外，基于冷凝器类型的差异，部分列数设备有特殊配置：

安全冷冻水系统1/4 列（风冷式）：因采用空气冷却，制冷剂需求量更大，故单独设置储液器以稳定制冷剂供应；每列各配置 2 台压缩机，适应不同负荷需求。

安全冷冻水系统2/3 列（设备冷却水系统水冷式）：无需额外储液器，每列各配置 4 台压缩机，可通过多台机组协同运行，应对更高负荷波动。

1.3 流程简图参考

图 1

安全冷冻水系统1/4 列冷冻机详细工作流程可参考图 1（安全冷冻水系统 1/4 列流程简图），清晰展示风冷式系统中各部件的连接逻辑与制冷剂流向。

图 2

安全冷冻水系统2/3 列冷冻机详细工作流程可参考图 2（安全冷冻水系统 2/3 列流程简图），明确水冷式系统与 设备冷却水系统 冷却水回路的配合关系。

二、安全冷冻水系统 冷冻机的工作原理

安全冷冻水系统 冷冻机基于蒸汽压缩式制冷原理，通过制冷剂在四大核心部件中的状态变化，实现热量从冷冻水到冷却介质的转移，最终达到制冷目的，具体循环过程分为以下四步：

2.1 压缩过程

气态制冷剂被吸入压缩机后，在压缩机气缸内受到机械压缩作用，其物理状态发生显著变化：温度升高、压力增大、密度上升，最终形成高温高压的气态制冷剂，为后续冷凝过程奠定基础。

2.2 冷凝过程

高温高压的气态制冷剂进入冷凝器后，与冷却介质进行热量交换：

全冷冻水系统1/4 列：以空气为冷却介质，空气通过风机强制流经冷凝器换热管，带走制冷剂的热

安全冷冻水系统2/3 列：以 设备冷却水系统 冷却水为冷却介质，冷却水在冷凝器壳程内循环，与管程内的制冷剂进行热交换。

在此过程中，制冷剂压力保持不变，但因持续放热，逐渐由气态冷凝为液态，完成 “气态→液态” 的相变

2.3 节流过程

液态制冷剂离开冷凝器后，进入膨胀阀。膨胀阀通过节流作用，使制冷剂的流通截面突然缩小，制冷剂迅速膨胀，温度和压力急剧下降，同时物理状态转变为 “气 / 液混合物”，为后续蒸发吸热做好准备。

2.4 蒸发过程

气液混合态的制冷剂进入蒸发器后，与需要冷却的冷冻水进行热量交换：冷冻水的热量被制冷剂吸收，制冷剂受热后完全蒸发为气态；而冷冻水因失去热量，温度显著下降，达到制冷目标（通常需将冷冻水温维持在设定值）。蒸发后的气态制冷剂再次被吸入压缩机，进入下一轮循环，形成持续制冷过程。

三、冷冻机压缩机的控制

压缩机作为冷冻机的 “动力核心”，其运行台数与负荷输出直接决定制冷效率，安全冷冻水系统 冷冻机根据列数不同（1/4 列、2/3 列），采用差异化的压缩机控制策略，同时配备保护机制避免设备损坏。

3.1 安全冷冻水系统1/4 列压缩机控制（每列 2 台压缩机）

控制逻辑以 “负荷匹配 + 冷冻水温稳定” 为核心，通过台数切换与负荷调节实现精准

启动逻辑：正常运行时，根据负荷需求选择 1 台或 2 台压缩机运行。当第一台压缩机负荷接近最大值（如负荷 >90%) ），且冷冻水出口温度高于额定值（5℃）加上死区（避免频繁启停的温度区间）时，第二台压缩机延时启动；启动后，第一台压缩机降负荷至 50% ，第二台压缩机升负荷至 50% ，实现两台机组负荷均分。

协同调节：两台压缩机均投入运行且负荷均达到 50% 后，由负荷控制器同步控制两台机组的负荷增减，确保制冷量与需求匹配。

停运逻辑：当冷冻水用户减少导致负荷下降，且两台压缩机负荷均小于 45% 、冷冻水出口温度低于额定值(5^∘C) 减去死区时，第二台压缩机自动停运；停运后，第一台压缩机立即升负荷至 50% ，快速弥补制冷量缺口，减小冷冻水温度波动。

3.2 安全冷冻水系统2/3 列压缩机控制（每列 4 台压缩机）

控制逻辑以 “冷冻水温恒定 (5^∘C) ）” 为目标，通过多台压缩

增负荷调节：当冷冻水用户增多、负荷增大时，首先自动加大当前运行压缩机的输出功率；若单台或现有运行机组的功率已达上限仍无法满足需求，自动启动一台备用压缩机，启动后所有运行压缩机重新均分负荷，确保制冷量及时补充。

降负荷调节：当冷冻水用户减少、负荷降低时，运行压缩机的输出功率随之下降；若某台运行压缩机的功率降至最小允许功率仍需继续降负荷，该台压缩机自动停运，剩余运行压缩机重新分摊负荷，维持制冷量与需求平衡。

低负荷保护：在冷凝器与蒸发器之间安装热气体旁路阀，当仅有 1 台压缩机运行且需求功率过低时，该阀门自动开启，将冷凝器中的气体制冷剂直接引向蒸发器，为压缩机提供最小负荷，避免压缩机因负荷过低频繁启停，延长设备使用寿命。

3.3 压缩机负荷分配与故障报警

负荷分配参考：安全冷冻水系统2/3 列冷冻机压缩机的具体负荷与不同负荷下压缩机的台数投入与功率分配比例有关。

故障报警处理：当压缩机出现故障时，监视终端电脑会显示具体故障报警信息，同时在主控系统触发综合故障报警。需注意，此类报警为综合报警，触发原因多样（如压缩机过载、缺油、温度异常等），主控系统报警触发后，需到监视终端电脑上查看详细报警信息，才能精准定位故障原因并开展维修。

参考文献：

[1] 杨春鹏，陶锡亮，张金冠，周习林，彭文强.EPR 机组智能化控制的设计原理.中国原子能出版社,2018

[2] 沈维道，童钧耕 工程热力学 高等教育出版社 第五版