★北京廣利核系統工程有限公司王濤，王志嘉，李啟明，李藝兵，侯利國

關鍵詞：核級水冷式冷水機組；油分油位；蒸發器液位；分析；電子膨脹閥

1　引言

核級水冷式冷水機組是核島安全廠房冷凍水系統（DEL）的重要組成設備。DEL屬于電氣廠房冷凍水系統，其功能是為安全廠房非控制區通風系統、安全廠房控制區通風系統、燃料廠房通風系統和主控室空調系統提供所需的冷凍水或冷卻用水。在核電站的特殊工況下，DEL還會為應急硼注入系統及中、低壓安注泵提供其所需冷鏈，協助完成堆芯保護功能，以保障核電站運行期間的穩定性、安全性和可靠性及操作人員的可居留性。

核級水冷式冷水機組蒸發器類型采用滿液式蒸發器，壓縮機類型采用雙螺桿式壓縮機。其制冷量較高、機組可靠性強、噪聲較小、機械性能優異且負荷調節能力強^[1]。但在運行過程中卻極易出現因跑油問題而導致機組油分油位低故障報警停機事件。本文針對某核電站的滿液式螺桿式冷水機組在試運行期間出現的油分油位低故障報警停機進行分析，并結合試驗驗證方式提供相關解決方案。

2　核級水冷式冷水機組的工作原理

核級水冷式冷水機組主要由冷凍水回路、制冷劑回路、冷卻水回路以及潤滑油回路四部分構成。機組循環過程如下：冷凍水回路吸收終端用戶的熱量后，在蒸發器內通過間壁式熱交換原理將熱量傳遞給制冷劑回路。蒸發器內液態的制冷劑吸收冷凍水傳遞的熱量后，將會完成向氣態的轉化。隨后制冷劑與潤滑油的混合物被壓縮機增壓后，經過油分離器完成潤滑油與制冷劑氣體的分離。氣態制冷劑進入冷凝器后，在冷凝器內將熱量傳遞給冷卻水回路，并完成液化。接著液態制冷劑被電子膨脹（ETS）閥降壓后，再次進入蒸發器，進行下一個制冷循環開始。其制冷循環流程如圖1所示。

圖1制冷循環流程簡圖

潤滑油回路主要由潤滑油泵、供油閥、油分離器、引射器和引射回油閥等設備構成，其可以實現以下3個功能：

（1）對壓縮機內的螺桿設備進行潤滑和冷卻；

（2）對壓縮機驅動端和非驅動端軸承進行潤滑冷卻；

（3）為壓縮機負荷調節滑閥提供驅動油。

圖2潤滑油回路簡圖

如圖2所示，在潤滑油回路中，潤滑油循環泵是整個潤滑油回路的動力設備。潤滑油泵從油分離器底部區域的取油位置吸取潤滑油，并將潤滑油送至壓縮機及其軸承內對機械結構進行潤滑和冷卻。完成潤滑作用后，沿系統管道進入油分離器內，完成油氣混合物的分離。但并不是所有的潤滑油都能夠被油分離器分離，少量的潤滑油會跟隨氣態制冷劑進入制冷劑回路。此時需要通過引射回油將制冷劑系統中的潤滑油送回潤滑油回路。此外，在機組加減載過程中，潤滑油還將作為驅動油調節壓縮機負荷。

3　核級水冷式冷水機組油分油位低報警停機事件分析

3.1　油分油位低報警停機

3.1.1　油分油位低報警觸發背景

核級水冷式冷水機組在出廠前需要完成GB/T29363-2012^[5]標準中規定的試運行試驗，包括壓力試驗、運轉試驗和變工況試驗等，以驗證機組性能和參數指標是否滿足設計要求。某核電站的核級水冷式冷水機組設備試運行期間出現油分油位低報警停機現象，具體過程如下：

試車人員按照操作規范完成先決條件檢查。隨后啟動冷水機組，機組爬坡階段控制系統狀態正常，機組目標容量和機組負荷根據出水溫度自行調節，測點參數顯示準確無誤。隨機組運行時間增長，機組蒸發器液位逐步升高，冷凝器和油分油位逐步降低，同時ETS閥保持全開狀態，機組運行20min后出現綜合故障報警停機。通過維護工具對歷史數據進行分析，確定導致機組綜合故障信號觸發的原因為油分油位低報警。

3.1.2　油分油位低報警停機的定義

油分油位低報警停機指當油分離器液位低于保護設定值時，控制系統將執行保護停機操作，并在人機界面發出機組綜合故障指示。

3.1.3　油分油位低報警的設計思路

油分離器的液位保護設定值的設置依據為油分離器底部區域取油位置的高度，即維持機組正常運行的最低液位。若油分油位低報警觸發時，即油分離器液位低于潤滑油循環泵的取油位置，則潤滑油回路將無法繼續為壓縮機及其軸承提供潤滑油，同時壓縮機滑閥加減載功能也將失效，機組已經不再具備持續運行能力。若此時仍然強制啟機，則潤滑油循環泵和壓縮機將因缺少潤滑和冷卻作用造成設備損壞。為保護冷水機組設備，在進行控制系統設計時，增加該保護停機功能。

3.2　油分油位低報警原因分析

3.2.1　初步分析

試車人員對機組設備停機狀態進行進一步檢查發現：油分離器實際液位低于視液窗但機組周邊并未發現潤滑油泄露痕跡；冷凝器液位計無液位顯示；蒸發器內液位處于視液窗頂部。

根據現象進行初步分析：“油分離器實際液位低于視液窗但機組周邊并未發現潤滑油泄露痕跡”，說明機組出現跑油現象，而并非是因安裝工藝缺陷導致的機組漏油。同時“冷凝器無液位顯示，蒸發器內液位遠高于正常水平”，說明潤滑油經過ETS閥進入蒸發器內。

結合系統控制方案對蒸發器液位控制邏輯進行分析，蒸發器液位同ETS閥開度的關系如圖3所示。

圖3 ETS閥開度控制原理圖

其中r（t）表示蒸發器液位的設定值

y（t）表示蒸發器液位的實際值

e（t）表示y（t）與r（t）的偏差量

u（t）表示ETS閥的開度

蒸發器液位設定值r（t）與蒸發器實際液位值y（t）的偏差量e（t），將會在位置型PID的作用下影響ETS閥開度u（t）。只有當e（t）為0或時，u（t）才能保持固定的閥門開度。

通過圖3可知，PID采用正向調節，調節死區為±1℃。當r（t）設置過高時，PID將會根據e（t）逐步增加u（t）開度。若u（t）為100%時，e（t）仍然不等于0，則u（t）將保持全開狀態。此時PID失去調節作用，機組已無法通過控制手段實現對蒸發器液位的調節與控制。此時若y（t）高于引射器的取油位置，則將致使機組出現跑油現象。

3.2.2　初步分析結論

結合以上分析，油分油位低報警觸發的原因為機組出現跑油現象。

3.2.3　詳細分析

造成機組跑油的原因分為以下四種情況：

（1）制冷劑的充入量過多

對于核級水冷式冷水機組來說，制冷劑的充入量適宜為最佳，一般以外界環境溫度下制冷劑的飽和溫度作為參考指標，過多的制冷劑和過少的制冷劑都會不利于冷水機組運行。過多的制冷劑注入量，將對壓縮機產生不利影響。因為充入過量制冷劑會降低冷水機組的蒸發溫度，進而影響吸氣過熱度，使壓縮機吸氣帶液。壓縮機吸氣帶液會影響機組效率，嚴重時會導致壓縮機損壞。同時受吸氣過熱度的影響，壓縮機的排氣溫度會同步降低，導致油分離器的分離效率較低，使冷水機組出現跑油現象。

（2）蒸發器運行液位過高

核級水冷式冷水機組采用引射回油方式，根據潤滑油與制冷劑的分層效應。蒸發器運行液位過高，將會使引射器的取油位置無法抽取到富油層中的潤滑油，無法實現回油進而使機組出現跑油現象。同時潤滑油與液態制冷劑在蒸發器的低溫環境下，極易形成互溶狀態。隨機組運行時間增長，滯留在蒸發器內的潤滑油將附著在冷凍水銅管外，并形成油膜，蒸發器的傳熱系數和機組的吸氣過熱度降低，使機組跑油現象惡化。

（3）潤滑油溫度過低^[3]

潤滑油溫度過低導致回油異常的情況一般多出現于冬季。根據潤滑油的特性，溫度越低其流動性變差，黏度變高。因此在核級水冷式冷水機組啟動時會對潤滑油最低溫度進行限制，一般設置為40℃。若機組需要在潤滑油低溫條件下強制啟動時，在低溫環境下，制冷劑將會夾帶潤滑油進入到壓縮機內，將導致壓縮機帶液啟動，降低油分離器的分離效果，影響機組回油效果。

（4）壓縮機頻繁加載^[3]

核級水冷式冷水機組的加減載閥的控制對象為壓縮機滑閥，而壓縮機滑閥用于控制機組制冷劑流量。當冷水機組的末端負荷急劇變化時，即用戶端出現較大溫差時，冷凍水出水溫度實際值偏離冷凍水目標出水溫度。機組控制系統將根據溫度偏差來頻繁調整機組負荷，使機組出現頻繁加卸載動作。機組頻繁加卸載將造成壓縮機內部壓力和溫度產生較大波動，降低油分離器的分離效果，使機組出現跑油現象。同時潤滑油作為滑閥驅動介質，機組頻繁加減載還會對潤滑油回路產生干擾。

我們通過查閱試運行前的機組初始狀態檢查記錄，結合歷史曲線對造成機組跑油現象的原因進行篩選。啟動前，制冷劑按照常溫狀態下的飽和溫度曲線進行加注；啟動時，潤滑油溫度維持在42.6℃；運行過程中，冷凍水出水溫度目標值為7℃，預留死區0.5℃，且末端符合穩定。

通過排除法基本可以確定，蒸發器實際液位過高是造成此次報警停機時間的根本原因。

4　油分油位低故障停機應對方案及驗證

4.1　應對方案

4.1.1　蒸發器液位導致機組跑油問題的解決思路

試運行期間，試車人員未對機組名義工況進行標定，而是按照設計方案中規定的最高限制液位85mm進行設置，使機組出現因跑油所導致的報警停機事件。造成機組出現油分油位低報警的根本原因為蒸發器實際液位與引射器取油位置不匹配，因此需要調整控制系統中的蒸發器液位設定值，以實現機組正常回油。但蒸發器運行液位設定值受多種因素影響，無法通過理論計算直接得出。因此采用間接試驗方式，通過人為干預方式使機組達到名義工況，以名義工況下蒸發器的實際液位來確定控制系統中蒸發器運行液位設定值。

4.1.2　名義工況對冷凍水的要求

名義工況：又稱標準工況或額定工況，指制冷機組在特定條件下運行時，機組所能達到的性能指標。

依據國標GB/T18430.1-2007《蒸汽壓縮循環冷水（熱泵）機組第1部分：工業或商業用及類似用途的冷水（熱泵）機組》^[4]中4.3.2章節對水冷機組名義工況的規定，如表1所示：機組處于名義工況時，要求冷凍水出水溫度保持在7℃，冷凍水回水溫度保持12℃，冷凍水流量維持在0.172[m3/(h·kW)]；同時要求冷卻水進水溫度保持在30℃，冷卻水流量維持在0.215[m3/(h·kW)]。

表1名義工況時的溫度/流量條件

4.1.3　名義工況對蒸發溫度和冷凝溫度的要求

依據國標GB/T19410-2008《螺桿式制冷壓縮機》^[6]中4.2章節對螺桿式制冷機組蒸發溫度在名義工況的要求，如表2所示：吸氣飽和（蒸發）溫度為5℃，排氣飽和（冷凝）溫度50℃。

表2壓縮機及機組名義工況單位℃

注：a用于R717。b吸氣溫度適用于高溫名義工況，吸氣過熱度適用于中、低溫名義工況。

4.1.4　蒸發溫度的計算式

由于機組蒸發溫度無法通過外設溫度表的方式直接測得，但可通過蒸發溫度測算機組吸氣壓力（也可通過圖4來查詢）。通過吸氣壓力來進行輔助判斷，二者之間的關系如式（1）、式（2）所示：

T=a×ln(X)-b（1）

X=P1+101.0（2）

P1表示吸氣壓力（kPa）；

a表示系數（取26.373）；

b表示系數（取149.88）。

4.1.5　標定過程

第一步建立初始狀態：將核級水冷式冷水機組置于手動狀態開機，通過調節機組加減載閥，使冷凍水出水溫度、回水溫度和流量符合國標GB/T19410-2008^[6]的相關要求。

第二步計算吸氣壓力：根據GB/T19410-2008^[6]對蒸發溫度和冷凝溫度的規定，確定名義工況下機組的蒸發溫度為5℃，根據式（1）和式（2），計算得出核級水冷式冷水機組處于名義工況下其吸氣壓力理論值應為254kPa（abs）。

第三步調整吸氣壓力：得出名義工況下的吸氣壓力后，通過調節機組ETS閥開度，并在人機交換界面中觀察機組吸氣壓力。當機組吸氣壓力維持在254kPa（abs）附近，記錄此時蒸發器運行液位的實際值（65mm附近）。

第四步調整蒸發器液位設定值：完成對機組名義工況標定后，利用應用軟件維護工具的參數整定功能，通過變量強制方式，修改蒸發器運行液位設定值為65mm，死區±1mm。

4.2　結果驗證

完成運行液位設定后，需對該值進行驗證與設定。試驗開始前，試車人員需完成對機組設備的初始狀態檢查，之后將核級水冷式冷水機組及其設備均置于自動狀態下并啟動。待機組啟動后，通過調整冷卻水三通閥的方式來改變冷卻水進水溫度和流量，使機組運行工況達到名義工況要求。再根據GB/T29363-2012^[5]中6.3.4.1中規定的LOCA（最大負荷）工況和6.3.4.2中規定的低溫工況，分別驗證機組在不同的環境溫度下的穩定性，驗證方法如表3所示。

表3機組設計溫度/水流量

4.2.1　LOCA（最大負荷）工況試驗方法

維持機組在名義工況下持續運行2個小時以上，期間觀察機組各項運行指標是否滿足設計要求。待機組運行狀態穩定，冷凍水出水溫度和流量滿足表3要求，由試驗人員調節冷卻水進口溫度至45℃，并保持機組在此狀態下連續運行6小時以上，期間記錄蒸發器實際液位的變化曲線以及其他相關參數。

4.2.2　低溫工況試驗方法

初始條件與LOCA工況相同，低溫工況試驗需試驗人員調節冷卻水進口溫度至15℃，冷卻水流量可根據機組運行情況調整。同樣保持在此狀態下機組連續運行6小時以上，記錄相關數據。

4.2.3　試驗結果分析

經過試驗，得出結果如表4、表5所示。

表4 LOCA（最大負荷）工況液位變化曲線

表5 低溫工況液位變化曲線

根據表4、表5曲線可知，在LOCA（最大負荷）工況和低溫工況下，65mm的液位設定值能夠滿足機組的正常運行。

5　結論及應用

經過對核級水冷式冷水機組油分油位低故障的研究分析，可得出以下結論：

造成核級水冷式冷水機組油分油位低故障停機的根本原因是蒸發器運行液位設置不合理。在名義工況下維持機組蒸發溫度，調整ETS閥開度，得到運行液位設定值，并在機組極端工況試驗中，驗證蒸發器運行液位設定值選取合理性。通過數據曲線可知，該運行液位設定值滿足要求。調整蒸發器運行液位設定值后，再次進行試運行及各種試驗。試驗過程中，機組各項參數和數據指標均滿足對應標準要求，取得廠商出具技術認證。核級水冷式冷水機組目前在多個在建電站得到了應用與實施，機組性能穩定，運行參數平穩，安全可靠。

作者簡介：

王　濤（1994-），男，河北唐山人，工程師，學士，現就職于北京廣利核系統工程有限公司，主要從事核級專用系統控制設計方面的研究。

參考文獻：

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[2] 張為民. 冷水機組的回油技術研究[J]. 制冷與空調, 2012, (2) : 18 - 21.

[3] 夏雨亮. 滿液式螺桿式冷水機組回油和跑油分析[J]. 制冷與空調, 2013, 13 (5) : 15 - 18.

[4] GB/T 18430.1-2007, 蒸汽壓縮循環冷水 (熱泵) 機組 第1部分: 工業或商業用及類似用途的冷水(熱泵)機組[S].

[5] GB/T 29363-2012, 核電廠用蒸汽壓縮循環冷水機組[S].

[6] GB/T 19410-2008, 螺桿式制冷壓縮機[S].

摘自《自動化博覽》2025年9月刊