★北京广利核系统工程有限公司王涛，王志嘉，李启明，李艺兵，侯利国

关键词：核级水冷式冷水机组；油分油位；蒸发器液位；分析；电子膨胀阀

1　引言

核级水冷式冷水机组是核岛安全厂房冷冻水系统（DEL）的重要组成设备。DEL属于电气厂房冷冻水系统，其功能是为安全厂房非控制区通风系统、安全厂房控制区通风系统、燃料厂房通风系统和主控室空调系统提供所需的冷冻水或冷却用水。在核电站的特殊工况下，DEL还会为应急硼注入系统及中、低压安注泵提供其所需冷链，协助完成堆芯保护功能，以保障核电站运行期间的稳定性、安全性和可靠性及操作人员的可居留性。

核级水冷式冷水机组蒸发器类型采用滿液式蒸发器，压缩机类型采用双螺杆式压缩机。其制冷量较高、机组可靠性强、噪声较小、机械性能优异且负荷调节能力强^[1]。但在运行过程中却极易出现因跑油问题而导致机组油分油位低故障报警停机事件。本文针对某核电站的滿液式螺杆式冷水机组在试运行期间出现的油分油位低故障报警停机进行分析，并结合试验验证方式提供相关解决方案。

2　核级水冷式冷水机组的工作原理

核级水冷式冷水机组主要由冷冻水回路、制冷剂回路、冷却水回路以及润滑油回路四部分构成。机组循环过程如下：冷冻水回路吸收终端用户的热量后，在蒸发器内通过间壁式热交换原理将热量传递给制冷剂回路。蒸发器内液态的制冷剂吸收冷冻水传递的热量后，将会完成向气态的转化。随后制冷剂与润滑油的混合物被压缩机增压后，经过油分离器完成润滑油与制冷剂气体的分离。气态制冷剂进入冷凝器后，在冷凝器内将热量传递给冷却水回路，并完成液化。接着液态制冷剂被电子膨胀（ETS）阀降压后，再次进入蒸发器，进行下一个制冷循环开始。其制冷循环流程如图1所示。

图1制冷循环流程简图

润滑油回路主要由润滑油泵、供油阀、油分离器、引射器和引射回油阀等设备构成，其可以实现以下3个功能：

（1）对压缩机内的螺杆设备进行润滑和冷却；

（2）对压缩机驱动端和非驱动端轴承进行润滑冷却；

（3）为压缩机负荷调节滑阀提供驱动油。

图2润滑油回路简图

如图2所示，在润滑油回路中，润滑油循环泵是整个润滑油回路的动力设备。润滑油泵从油分离器底部区域的取油位置吸取润滑油，并将润滑油送至压缩机及其轴承内对机械结构进行润滑和冷却。完成润滑作用后，沿系统管道进入油分离器内，完成油气混合物的分离。但并不是所有的润滑油都能够被油分离器分离，少量的润滑油会跟随气态制冷剂进入制冷剂回路。此时需要通过引射回油将制冷剂系统中的润滑油送回润滑油回路。此外，在机组加减载过程中，润滑油还将作为驱动油调节压缩机负荷。

3　核级水冷式冷水机组油分油位低报警停机事件分析

3.1　油分油位低报警停机

3.1.1　油分油位低报警触发背景

核级水冷式冷水机组在出厂前需要完成GB/T29363-2012^[5]标准中规定的试运行试验，包括压力试验、运转试验和变工况试验等，以验证机组性能和参数指标是否满足设计要求。某核电站的核级水冷式冷水机组设备试运行期间出现油分油位低报警停机现象，具体过程如下：

试车人员按照操作规范完成先决条件检查。随后启动冷水机组，机组爬坡阶段控制系统状态正常，机组目标容量和机组负荷根据出水温度自行调节，测点参数显示准确无误。随机组运行时间增长，机组蒸发器液位逐步升高，冷凝器和油分油位逐步降低，同时ETS阀保持全开状态，机组运行20min后出现综合故障报警停机。通过维护工具对历史数据进行分析，确定导致机组综合故障信号触发的原因为油分油位低报警。

3.1.2　油分油位低报警停机的定义

油分油位低报警停机指当油分离器液位低于保护设定值时，控制系统将执行保护停机操作，并在人机界面发出机组综合故障指示。

3.1.3　油分油位低报警的设计思路

油分离器的液位保护设定值的设置依据为油分离器底部区域取油位置的高度，即维持机组正常运行的最低液位。若油分油位低报警触发时，即油分离器液位低于润滑油循环泵的取油位置，则润滑油回路将无法继续为压缩机及其轴承提供润滑油，同时压缩机滑阀加减载功能也将失效，机组已经不再具备持续运行能力。若此时仍然强制启机，则润滑油循环泵和压缩机将因缺少润滑和冷却作用造成设备损坏。为保护冷水机组设备，在进行控制系统设计时，增加该保护停机功能。

3.2　油分油位低报警原因分析

3.2.1　初步分析

试车人员对机组设备停机状态进行进一步检查发现：油分离器实际液位低于视液窗但机组周边并未发现润滑油泄露痕迹；冷凝器液位计无液位显示；蒸发器内液位处于视液窗顶部。

根据现象进行初步分析：“油分离器实际液位低于视液窗但机组周边并未发现润滑油泄露痕迹”，说明机组出现跑油现象，而并非是因安装工艺缺陷导致的机组漏油。同时“冷凝器无液位显示，蒸发器内液位远高于正常水平”，说明润滑油经过ETS阀进入蒸发器内。

结合系统控制方案对蒸发器液位控制逻辑进行分析，蒸发器液位同ETS阀开度的关系如图3所示。

图3 ETS阀开度控制原理图

其中r（t）表示蒸发器液位的设定值

y（t）表示蒸发器液位的实际值

e（t）表示y（t）与r（t）的偏差量

u（t）表示ETS阀的开度

蒸发器液位设定值r（t）与蒸发器实际液位值y（t）的偏差量e（t），将会在位置型PID的作用下影响ETS阀开度u（t）。只有当e（t）为0或时，u（t）才能保持固定的阀门开度。

通过图3可知，PID采用正向调节，调节死区为±1℃。当r（t）设置过高时，PID将会根据e（t）逐步增加u（t）开度。若u（t）为100%时，e（t）仍然不等于0，则u（t）将保持全开状态。此时PID失去调节作用，机组已无法通过控制手段实现对蒸发器液位的调节与控制。此时若y（t）高于引射器的取油位置，则将致使机组出现跑油现象。

3.2.2　初步分析结论

结合以上分析，油分油位低报警触发的原因为机组出现跑油现象。

3.2.3　详细分析

造成机组跑油的原因分为以下四种情况：

（1）制冷剂的充入量过多

对于核级水冷式冷水机组来说，制冷剂的充入量适宜为最佳，一般以外界环境温度下制冷剂的饱和温度作为参考指标，过多的制冷剂和过少的制冷剂都会不利于冷水机组运行。过多的制冷剂注入量，将对压缩机产生不利影响。因为充入过量制冷剂会降低冷水机组的蒸发温度，进而影响吸气过热度，使压缩机吸气带液。压缩机吸气带液会影响机组效率，严重时会导致压缩机损坏。同时受吸气过热度的影响，压缩机的排气温度会同步降低，导致油分离器的分离效率较低，使冷水机组出现跑油现象。

（2）蒸发器运行液位过高

核级水冷式冷水机组采用引射回油方式，根据润滑油与制冷剂的分层效应。蒸发器运行液位过高，将会使引射器的取油位置无法抽取到富油层中的润滑油，无法实现回油进而使机组出现跑油现象。同时润滑油与液态制冷剂在蒸发器的低温环境下，极易形成互溶状态。随机组运行时间增长，滞留在蒸发器内的润滑油将附着在冷冻水铜管外，并形成油膜，蒸发器的传热系数和机组的吸气过热度降低，使机组跑油现象恶化。

（3）润滑油温度过低^[3]

润滑油温度过低导致回油异常的情况一般多出现于冬季。根据润滑油的特性，温度越低其流动性变差，黏度变高。因此在核级水冷式冷水机组启动时会对润滑油最低温度进行限制，一般设置为40℃。若机组需要在润滑油低温条件下强制启动时，在低温环境下，制冷剂将会夹带润滑油进入到压缩机内，将导致压缩机带液启动，降低油分离器的分离效果，影响机组回油效果。

（4）压缩机频繁加载^[3]

核级水冷式冷水机组的加减载阀的控制对象为压缩机滑阀，而压缩机滑阀用于控制机组制冷剂流量。当冷水机组的末端负荷急剧变化时，即用户端出现较大温差时，冷冻水出水温度实际值偏离冷冻水目标出水温度。机组控制系统将根据温度偏差来频繁调整机组负荷，使机组出现频繁加卸载动作。机组频繁加卸载将造成压缩机内部压力和温度产生较大波动，降低油分离器的分离效果，使机组出现跑油现象。同时润滑油作为滑阀驱动介质，机组频繁加减载还会对润滑油回路产生干扰。

我们通过查阅试运行前的机组初始状态检查记录，结合历史曲线对造成机组跑油现象的原因进行筛选。启动前，制冷剂按照常温状态下的饱和温度曲线进行加注；启动时，润滑油温度维持在42.6℃；运行过程中，冷冻水出水温度目标值为7℃，预留死区0.5℃，且末端符合稳定。

通过排除法基本可以确定，蒸发器实际液位过高是造成此次报警停机时间的根本原因。

4　油分油位低故障停机应对方案及验证

4.1　应对方案

4.1.1　蒸发器液位导致机组跑油问题的解决思路

试运行期间，试车人员未对机组名义工况进行标定，而是按照设计方案中规定的最高限制液位85mm进行设置，使机组出现因跑油所导致的报警停机事件。造成机组出现油分油位低报警的根本原因为蒸发器实际液位与引射器取油位置不匹配，因此需要调整控制系统中的蒸发器液位设定值，以实现机组正常回油。但蒸发器运行液位设定值受多种因素影响，无法通过理论计算直接得出。因此采用间接试验方式，通过人为干预方式使机组达到名义工况，以名义工况下蒸发器的实际液位来确定控制系统中蒸发器运行液位设定值。

4.1.2　名义工况对冷冻水的要求

名义工况：又称标准工况或额定工况，指制冷机组在特定条件下运行时，机组所能达到的性能指标。

依据国标GB/T18430.1-2007《蒸汽压缩循环冷水（热泵）机组第1部分：工业或商业用及类似用途的冷水（热泵）机组》^[4]中4.3.2章节对水冷机组名义工况的规定，如表1所示：机组处于名义工况时，要求冷冻水出水温度保持在7℃，冷冻水回水温度保持12℃，冷冻水流量维持在0.172[m3/(h·kW)]；同时要求冷却水进水温度保持在30℃，冷却水流量维持在0.215[m3/(h·kW)]。

表1名义工况时的温度/流量条件

4.1.3　名义工况对蒸发温度和冷凝温度的要求

依据国标GB/T19410-2008《螺杆式制冷压缩机》^[6]中4.2章节对螺杆式制冷机组蒸发温度在名义工况的要求，如表2所示：吸气饱和（蒸发）温度为5℃，排气饱和（冷凝）温度50℃。

表2压缩机及机组名义工况单位℃

注：a用于R717。b吸气温度适用于高温名义工况，吸气过热度适用于中、低温名义工况。

4.1.4　蒸发温度的计算式

由于机组蒸发温度无法通过外设温度表的方式直接测得，但可通过蒸发温度测算机组吸气压力（也可通过图4来查询）。通过吸气压力来进行辅助判断，二者之间的关系如式（1）、式（2）所示：

T=a×ln(X)-b（1）

X=P1+101.0（2）

P1表示吸气压力（kPa）；

a表示系数（取26.373）；

b表示系数（取149.88）。

4.1.5　标定过程

第一步建立初始状态：将核级水冷式冷水机组置于手动状态开机，通过调节机组加减载阀，使冷冻水出水温度、回水温度和流量符合国标GB/T19410-2008^[6]的相关要求。

第二步计算吸气压力：根据GB/T19410-2008^[6]对蒸发温度和冷凝温度的规定，确定名义工况下机组的蒸发温度为5℃，根据式（1）和式（2），计算得出核级水冷式冷水机组处于名义工况下其吸气压力理论值应为254kPa（abs）。

第三步调整吸气压力：得出名义工况下的吸气压力后，通过调节机组ETS阀开度，并在人机交换界面中观察机组吸气压力。当机组吸气压力维持在254kPa（abs）附近，记录此时蒸发器运行液位的实际值（65mm附近）。

第四步调整蒸发器液位设定值：完成对机组名义工况标定后，利用应用软件维护工具的参数整定功能，通过变量强制方式，修改蒸发器运行液位设定值为65mm，死区±1mm。

4.2　结果验证

完成运行液位设定后，需对该值进行验证与设定。试验开始前，试车人员需完成对机组设备的初始状态检查，之后将核级水冷式冷水机组及其设备均置于自动状态下并启动。待机组启动后，通过调整冷却水三通阀的方式来改变冷却水进水温度和流量，使机组运行工况达到名义工况要求。再根据GB/T29363-2012^[5]中6.3.4.1中规定的LOCA（最大负荷）工况和6.3.4.2中规定的低温工况，分别验证机组在不同的环境温度下的稳定性，验证方法如表3所示。

表3机组设计温度/水流量

4.2.1　LOCA（最大负荷）工况试验方法

维持机组在名义工况下持续运行2个小时以上，期间观察机组各项运行指标是否满足设计要求。待机组运行状态稳定，冷冻水出水温度和流量满足表3要求，由试验人员调节冷却水进口温度至45℃，并保持机组在此状态下连续运行6小时以上，期间记录蒸发器实际液位的变化曲线以及其他相关参数。

4.2.2　低温工况试验方法

初始条件与LOCA工况相同，低温工况试验需试验人员调节冷却水进口温度至15℃，冷却水流量可根据机组运行情况调整。同样保持在此状态下机组连续运行6小时以上，记录相关数据。

4.2.3　试验结果分析

经过试验，得出结果如表4、表5所示。

表4 LOCA（最大负荷）工况液位变化曲线

表5 低温工况液位变化曲线

根据表4、表5曲线可知，在LOCA（最大负荷）工况和低温工况下，65mm的液位设定值能够满足机组的正常运行。

5　结论及应用

经过对核级水冷式冷水机组油分油位低故障的研究分析，可得出以下结论：

造成核级水冷式冷水机组油分油位低故障停机的根本原因是蒸发器运行液位设置不合理。在名义工况下维持机组蒸发温度，调整ETS阀开度，得到运行液位设定值，并在机组极端工况试验中，验证蒸发器运行液位设定值选取合理性。通过数据曲线可知，该运行液位设定值满足要求。调整蒸发器运行液位设定值后，再次进行试运行及各种试验。试验过程中，机组各项参数和数据指标均满足对应标准要求，取得厂商出具技术认证。核级水冷式冷水机组目前在多个在建电站得到了应用与实施，机组性能稳定，运行参数平稳，安全可靠。

作者简介：

王　涛（1994-），男，河北唐山人，工程师，学士，现就职于北京广利核系统工程有限公司，主要从事核级专用系统控制设计方面的研究。

参考文献：

[1] 王波. 滿液式冷水螺杆机组回油可靠性研究[J].科技探索, 2023, (4) : 57 - 58.

[2] 张为民. 冷水机组的回油技术研究[J]. 制冷与空调, 2012, (2) : 18 - 21.

[3] 夏雨亮. 滿液式螺杆式冷水机组回油和跑油分析[J]. 制冷与空调, 2013, 13 (5) : 15 - 18.

[4] GB/T 18430.1-2007, 蒸汽压缩循环冷水 (热泵) 机组 第1部分: 工业或商业用及类似用途的冷水(热泵)机组[S].

[5] GB/T 29363-2012, 核电厂用蒸汽压缩循环冷水机组[S].

[6] GB/T 19410-2008, 螺杆式制冷压缩机[S].

摘自《自动化博览》2025年9月刊