核电厂压缩空气生产系统节能技术应用研究

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摘 要：简述了核电厂压缩空气生产系统常见的选型配置并指出不足，对其进行了变频机和压缩热型干燥器方面的节能分析，阐述了变频技术的原理，并在A项目基础上开展了以变频技术为重点的压空系统节能方案设计，最后指出了节能技术在核电行业的前景及意义。

关键词：核电厂；空压机；节能；变频；压缩热

中图分类号：TM62 文献标识码：A

1 压缩空气生产系统概述

压缩空气生产系统为核电厂的安全运行提供动力气源，是为核电厂提供正常、最大量运行、检修维护所需压缩空气的重要公用系统。我院目前在建项目共计16台核电机组，其配置均采用水冷无油螺杆定频空气压缩机+无热再生吸附式干燥器组合。对于空压机，加卸载调节模式下空转时有电功率消耗却无排气，而对于无热再生吸附式干燥器需要耗费占排气量至少10%的压缩空气，在核电厂漫长的40年运营期内会造成高额的运营成本。此外，系统还存在供气不稳定，设备损耗大、能耗大、噪声大等节能环保问题，因此有必要对现有的压空生产系统进行节能技术研究和设计。

2 系统节能分析

压缩空气生产系统总成本的80%体现在运行时的能耗上，故应重点分析系统运行时调节模式的选择。如能改变压缩机的加卸载供气模式并采用变频技术，使其输出始终保持与压缩空气需求量一致，就能够将工频机空转带来的固有能耗降为零，达到节能的目的。不仅如此，通过变频技术的运用，还可以节省电能，提高核电厂经济性，还可提高电厂供气稳定性，改善空压机运行条件，延长空压机使用寿命、降低空压机故障率。此外，干燥器的再生耗气量随着干燥器的干燥原理不同有非常大的差异，带露点仪的无热再生吸附式干燥器再生耗气量一般在10%左右，而压缩热型干燥器的再生耗气量为零，因此选择压缩热型干燥器也能达到节能的目的。

3 变频节能原理

交流异步电动机的转速和电源频率之间遵循以下关系：

转速n=60f/p×（1-s）（1）

式中：f为电源频率，s为电动机转差率，p为电动机绕组的极对数。对于交流异步电动机来说，p是定值，s基本不变，故转速n与电源频率f存在线性相关，即改变交流电频率就可达到改变电机转速的效果，从而通过变频实现调速。

而对于螺杆式压缩机来说，排气量又与转速成正比，即两者之间有以下关系：

Qf=Qe×nf/ne（2）

式中：Qf为变频状态下的排气量，Qe 为额定频率状态下的排气量，nf为变频状态下的转速，ne为额定频率状态下的转速。

4 系统变频方案设计

A项目建设两台机组，采用的是第三代核电技术，全球暂未有同类在运核电厂用气的历史数据可以参考，故需从最源头的每个系统用户开始收集用气数据，获得A项目核岛、常规岛及BOP各系统用户分别在正常运行、最大运行、机组检修期间的用气需求，通过叠加的方法分别将单台机组在上述三种运行工况下总的用气需求汇总。

先对两台机组的上述三种工况进行两两组合，通过数据分析可知，A项目在一台机组最大运行和一台机组检修维护工况下的压空总用气量最大，达到11376Nm3/h，需全部空压机投入运行才能满足该工况下的用气需求。同时需要指出的是，机组检修和最大运行工况持续时间较短，尤其是机组检修工况按计划是每年大概为11天。而机组在全年大多数情况下是正常运行工况，间或达到最大运行工况，偏保守考虑下一台机组正常运行和一台机组最大运行工况是空压机供气最普遍的工况，此时总耗气量为2502Nm3/h， 1台400kW排气量为2832Nm3/h的空压机即可满足供气要求。

根据一台机组正常运行和一台机组最大运行组合下的耗气量，考虑设置1台400kW的变频压缩机。这样A项目的两台机组在全年多数情况下就由变频机根据下游供气量的要求实时提供压缩空气，使管网压力维持在恒定值水平。然后再根据A项目两台机组分别在一台机组最大运行和一台机组检修维护工况下的压空最大总用气量考虑空压机的最大出力，可设置5台空压机，其中工频机4台（含2台300kW和2台400kW空压机），变频机1台（400kW）。这样除能满足A项目两台机组最大用气工况下的压空需求外，其中1台400kW的空压机排气量亦可满足占大多数的正常运行工况下的压空需求，并由变频压缩机根据下游母管的压力值动态调节空压机出力。

虽然正常运行工况下使用变频机工作，但仍需保持变频和工频两种状态下对空压机的控制，使空压机在变频和工频模式下均能正常工作，这样不仅通过变频优化了空压机不同工况下的运行状态，而且还能通过工频接触器和变频器互为备用保障空压机运行控制的安全可靠。综上，形成A项目空压机变频节能设计后的控制系统原理框图如图1。

图1中由PLC、变频器、电机、空压机、压力传感器所构成的变频控制系统可实现压力的闭环控制，达到稳压供气并使设备保持与用气匹配的运转功率。

结语

现今变频技术已经发展成熟，变频调速系统的故障率很低，且变频机较工频机在系统稳定性上并没有减弱，而其在节约电能、控制噪声污染，减少机组部件损耗、保证供气压力恒定等方面的好处又是工频机无法比拟的。后续有条件还可对变频机和压缩热型干燥器的生产应用情况进行调研，并针对A项目的压空系统方案设计做进一步的经济性分析，以明确节能技术带来的经济价值。但需要特别提出的是，核电厂质量和安全高于一切，压空系统节能技术必须在满足提高供气质量和设备运行可靠性的条件下才能开展，在保证核电机组供气可靠稳定的前提下提高电厂经济性，从而积极响应国家节能降耗的方针政策。

参考文献

[1]高相家，陈放.螺杆空压机变频节能改造的经济分析和技术方案[J].技术改造，2009.

[2]梁艳娟.空压机变频改造节能技术的研究与应用[J].制造业自动化，2011.