杜 坤，雷 超，高 俭，胡启帅，陈洋颖，王恒

（中国核动力研究设计院，四川成都 610041）

0 引言

水冷式空调制冷系统与反应堆重要设备存在接口关系，主要功能是为反应堆设备提供符合设计要求的设备冷却水，保证设备工作温度维持在正常范围内，其运行时的稳定性直接影响反应堆的安全运行状态。在运行期间，水冷式空调制冷系统制冷温度异常，导致反应堆设备工作温度过高影响反应堆的安全运行是不可接受的。

为保障反应堆的安全运行，本文基于水冷式空调制冷系统的系统特性及工作原理，分析影响机组制冷温度的因素，并逐一排查，最终定位异常原因为冷凝器换热管结垢导致换热能力下降。通过分析对比并结合现场确定除垢方式，完成处理并验证，有效解决了水冷式空调制冷系统制冷温度异常问题。

1 水冷式空调制冷系统

水冷式空调制冷系统工作工艺流程见图1。空调制冷系统中有两种循环水：一种是反应堆用户使用的冷冻水，闭式循环水（去离子水）；另一种是冷凝器换热使用的冷却水，开式循环水（天然水）。正常工作时，机组内冷媒通过压缩机压缩变为高温高压的气体，然后通过冷凝器经冷却水换热后变为低温高压的液体，又经膨胀阀节流变为低温低压的湿蒸汽，湿蒸汽状态冷媒再进入蒸发器与冷冻水换热、变为高温低压的气体后再回到压缩机。

图1 水冷式空调制冷系统工艺流程

水冷式空调制冷系统正常运行时，向反应堆用户提供7 ℃的设备冷却水，维持反应堆设备的正常运行，空调制冷系统正常运行时重要参数指标见表1。

2 水冷式空调制冷系统制冷温度异常现象

水冷式空调制冷系统正常运行时，随反应堆用户温度上升，空调制冷系统冷冻水温度逐渐上升至10.7 ℃，无法满足反应堆用户需求。停运当前空调制冷机组，切换至备用空调制冷机组运行。查询空调制冷系统机组停机前重要参数数据，发现空调制冷系统冷冻水温度异常时，机组排气压力以及冷凝温度异常（表1）。调取水冷式空调制冷系统制冷异常阶段冷凝温度、蒸发温度曲线图、排气压力曲线图，发现空调制冷系统冷冻水温异常上升时，机组冷凝温度及排气压力也异常上升（图2～图3）。

图2 冷凝温度及蒸发温度曲线

图3 排气压力曲线

表1 空调制冷系统机组运行数据

3 水冷式空调制冷系统制冷温度异常分析

3.1 压缩机工作过程

水冷式空调制冷系统采用压缩机为单螺杆式压缩机，单螺杆式压缩机工作共分3 个过程。

（1）吸气过程。当转子转动时，齿槽容积随转子旋转会逐渐增大，由蒸发器来的气体会混合润滑油通过孔口进入压缩机。

（2）压缩过程。当转子继续转动，被机体、吸气端座和排气端座封闭在齿槽内的气体，会随阴、阳转子的相互啮合而被压向排气端，同时气体压力同步升高。此阶段随冷媒一起被吸入的润滑油会对压缩机轴承和转子进行润滑及冷却。

（3）排气过程。当转子转动到齿槽间隙与排气端座上排气口连通时，冷媒与润滑油混合体会被排入压缩机后端油分离器。在此处润滑油与冷媒分离，冷媒进入冷凝器，润滑油进入润滑油箱待再次被吸入压缩机。

3.2 制冷温度异常原因

在冷媒进入冷凝器之后，在冷凝器内有气体凝成液体的压力称为冷凝压力，由于空调制冷系统中冷凝器内部压力无法测量（实际上冷媒在排气管及冷凝器内的压力降极小），通常设计、调试与检修中认为排气压力近似等于冷凝压力。

水冷式空调制冷系统所用冷媒为R134a，其冷凝温度与冷凝（排气）压力是成正比变化的，冷凝（排气）压力越高，冷凝温度也就越高。所以，导致制冷温度异常的原因主要有以下5 个。

3.2.1 冷凝器进水温度过高

当冷凝器进水温度过高时，冷凝温度T2会随冷却水进水温度升高而升高。据冷凝温度、蒸发温度曲线图可明显看出，水冷式空调制冷机组制冷异常时，其蒸发温度T1一直于稳定范围内较小波动，而冷凝温度T2变化较明显。

根据理论制冷系数计算公式：

不难看出，在冷凝器进水温度过高时，空调制冷系统冷凝温度会随之增高，导致机组制冷效率下降、制冷温度异常上升。

3.2.2 冷凝器内有空气等不凝结气体

氮气、空气、二氧化碳等在冷凝器中特定的温度、压力条件下不凝结成液体的气体称为不凝结气体，因不凝结气体本身有一定压力，根据道尔顿定律：

在冷凝器内固定容积的情况下，有不凝结气体进入会导致排气压力上升，且因不凝结气体在冷凝器换热管面形成气体层，增加热阻、降低冷凝器换热效率，导致制冷温度异常上升。

3.2.3 冷媒充装过量

冷媒充装过量时，多余的冷媒会于机组中找到容纳其的空间，此时会有过量的冷媒以液体形式存在于冷凝器中，使冷凝器的有效换热面积减小，导致冷凝器的冷凝压力和冷凝温度升高，冷冻水温异常上升。

3.2.4 冷凝器上进气阀门未完全打开

冷凝器进气阀门未完全打开，导致排气压力上升，随负荷增加，需换热冷媒量无法正常进入冷凝器内换热，导致制冷效率下降、制冷温度异常上升。

3.2.5 冷凝器换热铜管内结垢严重

在冷凝器中，换热管道表面结垢层是不均匀的，并且会随着时间的推移而变化，其关系式可表示为：

式中

σ——材料厚度，mm

λ——材料导热系数，W/（m·℃）

由关系式可见，结垢层的热阻会因时间推移导致结垢层厚度σ 增加而增加。换热管的传热系数将随其热阻的增加而减少，从而导致冷凝器温度、排气压力升高，制冷温度异常上升。

4 水冷式空调制冷系统制冷温度异常排查

4.1 故障排查

根据上述分析，开展对水冷式空调制冷系统制冷温度异常故障排查工作：

（1）冷凝器进水温度过高。由表1 可知，冷却水温（冷凝器进水温度）为5～25 ℃。采用3 种温度计分别测量，在水冷式空调冷却水进机端对其进行测量，平均值为19.6 ℃，结果满足机组运行需求。

（2）冷凝器内有空气等不凝结气体。启动冷却水系统，使冷却水于冷凝器中循环，开启冷凝器排气阀进行持续排气，在持续排气期间仅有稳定、平滑的水柱于排气阀中排出，无气体排出。

（3）冷媒充装过量。当冷媒充装过量时，空调制冷机组吸排气压力均会偏高，且压缩机运行电流也会偏高。对比空调系统制冷温度异常时数据，仅排气压力异常偏高，压缩机运行电流稳定。检查充装冷媒量，冷媒液位正常。

（4）冷凝器上进气阀门未完全打开。检查空调制冷机组所有阀门状态，阀门开度均正常且阀门结构无损坏。

（5）冷凝器换热铜管内结垢严重。打开冷凝器一侧端盖，使用内窥镜检查冷凝器换热管结垢情况，冷凝器换热管结垢较严重。

4.2 结垢原因分析

据水冷式空调制冷机组工艺流程可见，其冷凝器采用开式循环的天然水源作为冷却水源，天然水源中各类杂质、微生物、藻类的含量较高，随着时间推移，微生物及藻类分泌出粘液使水中各种杂质等粘附在一起形成结垢。

根据冷凝器计算传热系数K 值的基本公式：

式中 αi——管内传热系数，W/（m·℃）

α0——管外传热系数，W/（m·℃）

R1——总热阻（管壁热阻+水垢热阻+制冷剂侧油膜热阻），m2·℃/W

di——管内直径，mmd0——管外直径，mm

由式（3）、式（4）联合分析，可得到结垢厚度与传热系数的关系曲线（图4）。

图4 传热系数随水垢厚度变化曲线

综合以上排查分析结果，确定水冷式空调制冷系统制冷温度异常原因为：冷凝器内部换热管结垢严重，增大了换热管整体热阻，降低了传热系数，导致水冷式空调制冷系统无法正常制冷、冷冻水温异常升高。

5 水冷式空调制冷系统制冷温度异常处理及验证

5.1 水冷式空调制冷系统制冷温度异常处理

根据上述分析，确定水冷式空调制冷系统制冷温度异常原因为：冷凝器内部换热管结垢严重。针对冷凝器换热管结垢问题，通常采用以下两种除垢方式进行处理：

（1）化学清洗法。使用不同清洗液进行清洗，可先使用酸性清洗液清洗，再使用碱性清洗液中和清洗，最后清水冲洗，排出冷凝器内残留清洗液及杂质。清洗过程中所用化学清洗液可能会对冷凝器内换热管造成一定腐蚀。

（2）物理清洗法。先人工捅刷或采用捅炮机对冷凝器换热管进行物理刷洗除垢，然后用清水冲洗、排出刷洗掉的杂质。冷凝器内换热管部分死角及较顽固结垢，仅靠单一物理清洗法较难彻底清除。

根据现场冷凝器安装情况及冷凝器换热管结垢情况综合分析，决定采用化学、物理结合的清洗法除垢，既能高效清除换热管内污垢，又可有效减小化学清洗剂对换热管的腐蚀。化学物理结合清洗法的具体清洗步骤如下：

在该实验中，算法使用RBF核函数，其中C=120，gamma=0.02。用10组真实数据交叉验证得到经验误差为x=0.012, y=0.009；真实误差值为ΔE= 1.21。

（1）将较温和的清洗液注入冷凝器内，用清洗液浸泡水垢15 min 将结垢软化。

（2）拆卸冷凝器一端端盖，从拆卸处通过人工捅刷方式对冷凝器内进行物理刷洗除垢。

（3）使用清水冲洗冷凝器内部，使冷凝器内残留清洗液及杂质排出。

（4）回装拆卸端盖，让冷却水系统运行2 h，也可将冷凝器充水后静置4 h。

（5）排掉冷凝器内废水，再次打开端盖使用内窥镜检查，如果无水垢等杂质，说明冷凝器已清洗干净；如果仍有明显水垢、杂质，则重复前4 个步骤，直至冷凝器清洗干净。

5.2 水冷式空调制冷系统制冷温度异常处理后验证

除垢工作结束后，准备机组启机验证，检查机组状态，无异常后启机，随反应堆用户温度升高，空调制冷系统制冷正常，制冷稳定维持在7 ℃左右，观察除垢后排气压力曲线及冷凝温度曲线（图5～图6）。

图5 除垢后排气压力曲线

图6 除垢后冷凝温度曲线

根据数据记录曲线可见，随着机组启机运行时间的增加，空调制冷系统排气压力和冷凝温度均在上升后趋于平缓，均满足机组运行参数标准值，且其他各项参数均无异常，这说明水冷式空调制冷系统恢复制冷能力。

6 结论

本文基于反应堆水冷式空调制冷温度异常现象，结合系统工作原理分析故障原因，通过验证依次排除冷却水温度过高、冷凝器内有空气等不凝结气体等可能导致温度异常的因素，最终定位故障为冷凝器内换热管结垢导致。通过分析对比并结合现场确定除垢方式，启动系统验证，最终系统制冷效果满足反应堆用户所需，保障反应堆安全运行。