华龙机型核岛冷水系统设计优化研究.pdf

华龙机型核岛冷水系统设计优化研究封昕钟桦刘占盛赵晓（中国核电工程有限公司，北京）摘要：本文以经济性为指引，将华龙机型核岛冷水系统由分布式制冷优化为集中式制冷。通过将非核级非抗震的冷水系统进行合并，将原华龙一号机型设置的个冷水系统优化为个，分别为：核岛安全厂房冷水系统、核岛集中冷水系统 和核废物厂房冷水系统，从而大幅降低了设备造价、安装和土建费用。通过与原华龙一号冷水系统的设备造价进行经济性对比，优化后的核岛冷水系统仅设备费就节省约 万元（台机组）。合并后的核岛集中冷水系统制冷机房由 厂房移至厂房，减少了抗震厂房需求，厂房土建造价大大降低。关键词：华龙一号；冷水系统；设计优化；集中式制冷；经济性封昕，女，年生，硕士研究生，助理工程师 北京海淀区八里庄街道西三环北路 号中国核电工程有限公司系布所 ：收稿日期：引言建筑能耗占全世界能耗的 左右，而用来维持室内环境舒适度和健康度的制冷系统的能耗在建筑能耗中占据主导地位。因此，减少制冷系统所消耗的能量是维持全球环境可持续发展的重要因素。在民用建筑中，水冷集中式制冷系统由于具有高制冷量和高能源效率等特点而被广泛应用。青海作为我国第一批采用集中式制冷系统为城市供冷的城市之一，为 建筑面积提供冷量。与传统的分散式制冷相比较，每年将会节约 的电力消耗，即 亿，相当于 煤燃烧所释放的能量，同时减少了 二氧化碳的排放。近几十年，有不少研究着眼于优化水冷集中式制冷系统，以提高系统运行效率和能源利用率。随着近些年的技术发展，出现了新型的计算控制形式，使得集中式制冷在工业领域的应用得到了推进。因为设计简单并且操作成本低，最常见的控制优化方式为两点控制和 控制。谷歌在其子公司 的数据中心就采用了目前较为先进的由人工智能 控制的集中式制冷系统，优化后的制冷系统节约了将近 的能耗。通过数据收集和计算，集中式制冷在工业中的应用可以减少 的电力消耗，同时降低 的二氧化碳排放。综上，集中式制冷系统在民用工程中得到了广泛应用，本论文着重论述其在核电厂设计优化中的应用。华龙一号机型在核岛共设置个冷水系统，每个冷水系统均配置相应的冷水机组和冷水泵，制冷机房分别位于核心用户所在的厂房内。优点是各系统独立运行、控制灵活，可根据不同制冷剂参数要求和运行工况需求设置冷水系统，不仅系统管网简单，而且水泵扬程小，因此利于调试运行。其缺点是设备总体造价高、制冷机房占地面积大、并且安装周期长，制冷量低的制冷机组能效偏低（部分系统采用风冷机组），需要运行人员关注的系统多，因此设备运行维护检修工作量较大。华龙 一 号 与 国 内 外 同 规 模 机 组（）对比，其核岛的总体规模、总安装工程量、混凝土和钢筋等主要材料用量等均较大，核岛建造安装压力较重，这些不利因素很大程度上削弱了华龙一号批量化建设的经济性竞争优势。因此，核岛设计的进一步优化，需整体考虑核岛工艺系统、电气、仪控、总体布置的全方面综合调整改进。配合核岛厂房的布置优化，核岛的冷水系统也需要结合厂房布置和工艺、电气、仪控、通风系统的优化，从系统配置、工艺方案优化等方面进行研究，以降低制冷系统的整体设备造价和制冷机房占地面积，从而为降低核岛的工程投资成本提供支持。核岛冷水系统设计优化思路在以往的核电项目中，核岛的冷水系统均采用分布式制冷的设计方案。冷水系统按照靠近用户的原则布置在核岛不同的厂房。当核岛中各通风系统空调机组和工艺设备的制冷剂参数需求及运行工况要求基本一致，且能适应冷负荷调节需求时，可以采用集中制冷站的配置方式。当有部分上游通风和工艺系统，安全等级、抗震等级、制冷剂参数或运行工况需求不同，且冷负荷较小时，可以考虑为该部分的用户单独设置套小的冷水系统，且该冷水系统应设置在用户附近。集中制冷站可以位于众多核岛厂房中的某个厂房内，通常设置在冷负荷集中的位置。核岛冷水系统采用集中供冷的方式不仅可以减少制冷机房和设备数量，还可以实现系统设备的数字化集控管理，这样既可以提高系统运行的控制水平，达到节能的目的，又可以减少运行人员岗位设置，降低运行维护人员工作量，从而实现降本增效的目标。根据华龙一号优化后的核岛布置方案，结合上游通风空调系统和工艺系统的配置方案，核岛的冷水系统采用根据上游用户功能等级划分与集中制冷方式相结合的思路进行优化设计，以尽可能降低冷水系统的设备造价和机房的占地需求。核岛冷水系统上游用户梳理根据用户的功能等级、抗震类别、应急电源需求、上游工艺和通风用户运行工况要求、设计扩展工况应对等方面，空调制冷暖通空调 年第 卷增刊对核岛通风空调系统和工艺系统用户进行分析、归类。上游用户可以分为以下两大类：第一类是具有安全功能的用户，这些用户的功能等级是 及以上，抗震类别为抗震类，除了正常工况和冷停堆工况外，在 （冷却剂缺失事故）工况、（全场断电事故）工况及丧失最终热阱工况下也有冷水供应需求。这部分用户均由原华龙一号电气厂房冷水系统 提供冷水。第二类是非安全级的用户，这些用户的功能等级均为 级，在地震工况下不需要运行，只在正常工况和冷停堆工况下需要冷水。除新增用户外，这部分用户分别由原华龙一号核岛冷水系统、安全厂房冷水系统和人员通行厂房冷水系统提供冷水。而核废物厂房由于是单堆设置，由专设的核废物厂房冷水系统向其用户提供冷水。核岛冷水系统设计优化方案华龙设计优化中核岛的冷水系统首次采用了根据上游用户功能等级划分与集中制冷方式相结合的思路进行设计，以尽可能降低冷水系统的设备造价和机房的占地需求。系统方案设计遵循以下优化原则：保留原核级的电气厂房冷水系统，用以满足核安全用户的需求；将原分散设置的非核级非抗震冷水系统进行合并优化，并采用集中制冷的方案，从而降低土建和设备造价，并提升电站经济性；鉴于核废物厂房的独立性，而且不是每台核岛机组均设置该厂房，因此单独为核废物厂房的用户设置个小的冷水系统，并沿用原华龙一号的设计方案。核岛冷水系统配置结合华龙设计优化机组的核岛厂房布置图及核岛冷水系统设计优化原则和具体措施，在核岛设置了个冷水系统，分别为：核岛安全厂房冷水系统、核岛集中冷水系统 和核废物厂房冷水系统。图显示了原华龙一号核岛内制冷机房冷水系统的分布情况，图显示了华龙设计优化项目核岛内制冷机房冷水系统的分布情况。注：为反应堆厂房；、为安全厂房；为燃料厂房；为辅助厂房；为附属厂房；、为其他辅助厂房；为核岛集中冷水系统；为核废物厂房冷水系统；为安全厂房冷水系统。图原华龙一号核岛冷水系统分布 核岛集中冷水系统 的设计优化核岛集中冷水系统 是一个闭式的冷水回路，其功能是将核岛通风系统冷却盘管和工艺用户换热器中所回图华龙设计优化项目核岛冷水系统分布收的热量通过冷水机组传送给 系统。为非核安全级、非抗震系统，功能等级为，抗震等级为，只有安全壳贯穿件定为与核安全有关的部件。系统设置台（两用一备）冷水机组和冷水泵，并配有台密闭式膨胀水箱，用于系统的补水、膨胀、定压。在正常工况和冷停堆工况下，系统为上游用户提供冷水。在丧失厂外电源工况下，系统由、个系列供电，冷水机组和冷水循环泵由应急柴油发电机供电。冷水泵由应急柴油机自动加载，冷水机组在应急柴油机加载裕量允许条件下，根据 、用户需求及反应堆厂房环境温升情况，由应急柴油机手动加载。图给出了 系统的流程简图。注：为安全壳连续通风系统；为核辅助厂房通风系统；为核燃料厂房通风系统；为附属厂房电气设备区通风系统；为电缆层通风系统；为电气柜间通风系统；为消防泵房通风系统；为卫生出入口通风系统；为安全厂房机械设备区通风系统；为安全厂房控制区通风系统；为设备冷却水系统。图 流程简图华龙设计优化中的冷水系统设计合并了核岛内的非核级通风和工艺用户，设置了一套非核级非抗震的核岛集中冷水系统，减少了非核级冷水系统的设置个数，表给出了合并后的核岛集中冷水系统配置与原华龙一号相应冷水系统的配置对比。表给出了 系统与原华龙一号冷水系统的设备造价经济性对比。从表、可以看出，双堆一共减少了制冷机房间、冷水机组台、冷水泵台、定压暖通空调 年第 卷增刊 空调制冷罐台，并减少了抗震厂房需求及设备造价、安装和土建费用。优化后的 系统仅设备费用节省约 万元（台机组）。合并后的核岛集中冷水系统制冷机房由 厂房移至厂房，不再需要厂房抗震，因此厂房土建造价大大降低，同时还可以减少运行人员岗位设置，降低运行维护人员工作量，方便运行维护管理。表 系统与原华龙一号相应冷水系统的配置对比厂房系统名称系统配置功能等级屏障等级抗震等级原华龙机组相应冷水系统 安全厂房冷水系统（）主要设备 非抗震核岛冷水系统（）主要设备 非抗震 人员通行厂房冷水系统（）主要设备 非抗震华龙机组 系统优化设计成果核岛集中冷水系统（）主要设备 非抗震表 系统与原华龙一号冷水系统的设备造价经济性对比冷水机组类型单台冷水机组制冷量冷水机组数量台冷水机组总费用万元冷水泵类型单台冷水泵流量（）冷水泵扬程冷水泵数量台冷水泵总费用万元膨胀水箱类型膨胀水箱容积膨胀水箱数量台膨胀水箱总费用万元设备总费用万元原华龙项目 水冷离心式定频 卧式离心泵 开式 原华龙项目 水冷螺杆式定频双机头 卧式离心泵 闭式 原华龙项目 水冷螺杆式定频 卧式离心泵 闭式 华龙设计优化 水冷离心式变频 卧式离心泵 闭式 节约设备费用合计 核岛冷水系统设计优化分析结合华龙设计优化的核岛厂房设置，以及综合分析冷水系统上游用户的需求，基于核岛冷水系统设计优化思路，华龙设计优化项目核岛一共设置个冷水系统：系统用于核岛核级用户的冷水供应；系统用于核岛非核级用户的冷水供应；系统用于核废物厂房通风系统用户的冷水供应。对于 系统，该系统沿用了原华龙一号的核级冷水系统的系统配置，其服务的用户及其运行工况均无变化，因此 系统的配置、分级和运行要求满足用户的需求。鉴于 工况下对风冷机组可靠性的要求，风冷机组拆分为列，分别挂载 柴油机列的配置，满足了 的要求，提高了系统的运行可靠性。对于系统，该系统沿用了原华龙一号的系统配置，其服务的用户及其运行工况均无变化，因此系统的配置、分级和运行要求满足用户的需求。对于 系统，该系统合并了原华龙机型 系统、系统、系统。由以往的分布式制冷系统优化为集中式制冷系统。虽然此处的设计与原华龙一号不同，但 系统的系统配置、分级和运行工况均满足上游用户的需求。在华龙机型新工程中采用了优化研究成果，根据上游用户功能等级划分与集中制冷方式相结合的思路进行核岛冷水系统优化设计，以尽可能降低冷水系统的设备造价和机房的占地需求，如表所示。表华龙机型核岛冷水系统设计优化前后设置情况对比厂房系统名称系统配置功能等级屏障等级抗震等级原华龙项目对应参考系统配置 核岛安全厂房冷水系统（）水冷系列的设备 ；风冷系列的设备 水 冷 系 列：风冷 系列：均抗震对应原华龙项目电气厂房冷水系统（），水冷系列的设备 ；风 冷 系 列 的 设 备 ；制冷机房 核岛集中冷水 系 统（）主要设备 非抗震（冷却 水 挂 公用列）对应原华龙项目安全厂房冷水系统（），主要设备 ，非核级，仅冷凝器抗震，制冷机房位于 厂房；对应原华龙项目核岛冷水系统（），主 要 设 备，非 核 级，非 抗震，制冷机房位于 厂房；对应原华龙项目人员通行厂房冷水系统（），主要设备 ，非核级，非抗震，制冷机房位于 厂房 核废物厂房冷水系统（）主要设备 非抗震对应原华龙项目核废物厂房冷水系统（），单堆设置，主要设备，非核级，非抗震，制冷机房 华龙一号各核岛厂房冷水系统均采用母管制异程设计。在确保安全的基础上，保证了灵活性和经济性。同时，系统中重要设备（冷水机组和冷水循环泵）均设置多重冗余。核级冷水系统为核岛安全厂房冷水系统，系统内设置有台风冷式冷水机组和台 冗余的水冷式冷水机组以应对不同工况的需求。华龙一号核岛厂房内的冷水系统具备多样性，从而进一步提高了核电站运行的安全性和可靠性。结论华龙一号机型冷水系统设计方案与国内外同规模机型空调制冷暖通空调 年第 卷增刊相比，经济性存在劣势。经过分析研究，最终梳理出核岛冷水系统可以设计优化的方向，提出了优化方案，并在新工程中进行了应用。针对经济性竞争劣势的问题，设计优化方案结合用户功能划分与集中供冷相结合的核岛冷水系统设计方案，在满足系统设计要求的前提下，核岛冷水系统由原来的个分散式制冷系统优化为个集中式制冷系统和个独立制冷系统，分别为：核岛安全厂房冷水系统（）、核岛集中冷水系统（）、核废物厂房冷水系统（）。优化后的冷水系统在布置、安装、检修方面，工程上均可实施，并且能够满足上游用户需求。相对于原华龙一号核岛冷水系统，冷水机组总费用节省 万元，冷水泵总费用节省 万元，膨胀水箱总费用节省 万元，并且减少了制冷机房占地面积，降低了土建造价和运行维护人员费用，提高了冷水系统的运行效率及核电站的经济性，共计为核电厂节约设备费用 万元（台机组）。通过对华龙一号核岛冷水系统的设计研究与优化改进，能够深切的体会到研发新堆型的不易，需要对现有方案不断地思考总结，以及对尚未应用的新型技术坚持探索。此次以经济性为指引的优化改进工作，为后续的冷水设计优化提供了良好的开端，在今后的工作中，需要紧跟国内外先进的科研成果，并应用在工程实践中。参考文献：，：，：，：，（）：，：，：，：，：，：，：，：暖通空调 年第 卷增刊 空调制冷