Chladenie motora hlavného čerpadla napájacej vody v jadrovej elektrárni

Mechanizmus ohrevu a riziká motorov hlavných čerpadiel napájacej vody v jadrových elektrárňach
Hlavné motory čerpadiel napájacej vody v jadrových elektrárňach sú väčšinou veľkokapacitné asynchrónne alebo synchrónne motory s vysokým{1}výkonom. Ich tvorba tepla primárne pramení z kombinovaných účinkov elektrických strát, mechanických strát a faktorov prostredia. Vyhrievací mechanizmus je zložitý a teplo sa rýchlo akumuluje. Ak chladenie nie je včasné, spôsobí to viaceré nebezpečenstvá pre zariadenia a systémy.

Mechanizmus ohrevu jadra

1. Elektrické stratové vykurovanie: Toto je hlavný zdroj generovania tepla motora, vrátane strát medi vo vinutí statora, strát železa v jadre a dodatočných strát. Keď sú vinutia statora pod napätím, prúd prechádzajúci cez vodiče generuje Jouleovo teplo, tj straty medi. Veľkosť týchto strát pozitívne koreluje s druhou mocninou prúdu a odporu vodiča. Vplyvom striedavého magnetického poľa jadro generuje hysterézne straty a straty vírivými prúdmi, tj straty železa, ktoré súvisia najmä s materiálom jadra, intenzitou magnetického poľa a frekvenciou. Okrem toho, harmonické generované frekvenčnými meničmi alebo nelineárnymi záťažami môžu zvýšiť dodatočné straty motora, čím sa ešte viac zhorší tvorba tepla.

2. Tvorba tepla pri mechanickej strate: Počas prevádzky motora vznikajú mechanické straty a premieňajú sa na teplo v dôsledku trenia vo vzduchovej medzere medzi rotorom a statorom, trenia pri otáčaní ložísk a odporu otáčania ventilátora. Opotrebenie ložísk, zlé mazanie alebo nesprávna inštalácia výrazne zvyšujú mechanické trenie, čo vedie k dodatočnému generovaniu tepla a stáva sa hlavnou príčinou vzniku mechanickej straty tepla.

3. Kombinované environmentálne faktory: Hlavné čerpadlá napájacej vody v jadrových elektrárňach sú väčšinou umiestnené v odvzdušňovačoch hlavnej budovy na konvenčnom ostrove. V niektorých scenároch je okolitá teplota vysoká a priestor je relatívne uzavretý s obmedzenou ventiláciou. Súčasne môže prevádzkové prostredie jadrových elektrární obsahovať znečisťujúce látky, ako je prach a vodná para, ktoré sa ľahko prichytia na povrch alebo vnútro motora, blokujú kanály na odvod tepla a ďalej bránia odvodu tepla, čím sa zvyšuje prevádzková teplota motora.

Nebezpečenstvo nadmernej teploty Keď teplota motora prekročí menovitý limit, bude to mať sériu negatívnych vplyvov na výkon zariadenia a bezpečnosť systému: Po prvé, poškodí to izolačný výkon motora. Vysoké teploty urýchľujú starnutie a karbonizáciu izolačných materiálov, znižujú izolačný odpor a dokonca spôsobujú skraty vinutia a poruchy uzemnenia, čo priamo vedie k vypnutiu motora. Po druhé, ovplyvňuje mechanický výkon motora. Vysoké teploty spôsobujú tepelnú rozťažnosť a deformáciu komponentov, ako je rotor a stator motora, čo má za následok nerovnomerné vzduchové medzery, zníženú presnosť mechanického uloženia, zvýšené vibrácie a hluk a v závažných prípadoch aj mechanické zasekávanie. Po tretie, znižuje prevádzkovú účinnosť motora. Zvýšená teplota zvyšuje odpor vodiča a straty medi, zatiaľ čo znižuje priepustnosť jadra a zvyšuje straty železa, čo vedie k zvýšeniu spotreby energie motora a zníženiu účinnosti. Po štvrté, spúšťa kaskádové zlyhania. Nevypnutie motora hlavného čerpadla napájacej vody spôsobí prerušenie hlavného systému napájacej vody, čo ovplyvní normálnu prevádzku parogenerátora. Ak sa záložné čerpadlo nedokáže spustiť včas, môže to spôsobiť zníženie zaťaženia jadrovej elektrárne alebo dokonca okamžité vypnutie, čo má za následok značné ekonomické straty a bezpečnostné riziká.

Spôsoby chladenia a technické charakteristiky motorov hlavných napájacích čerpadiel v jadrových elektrárňach

Vzhľadom na požiadavky na úroveň bezpečnosti, prevádzkové podmienky a priestorové usporiadanie jadrových elektrární musí spôsob chladenia pre motory hlavných čerpadiel napájacej vody spĺňať základné požiadavky, ako je účinný odvod tepla, spoľahlivá prevádzka, pohodlná údržba a prispôsobivosť jadrovému prostrediu. V súčasnosti sa bežne používané spôsoby chladenia pre motory hlavných čerpadiel napájacej vody v jadrových elektrárňach delia hlavne do dvoch kategórií: chladenie vzduchom a chladenie kvapalinou. Rôzne spôsoby chladenia majú rôzne konštrukčné návrhy, účinnosť odvádzania tepla a použiteľné scenáre. V praktických aplikáciách je potrebné urobiť primeraný výber na základe faktorov, ako je výkon motora a prevádzkové prostredie.

1. Spôsob chladenia vzduchom Chladenie vzduchom využíva vzduch ako médium na odvádzanie tepla, ktoré odvádza teplo generované motorom prúdením vzduchu. Má výhody, ako je jednoduchá konštrukcia, pohodlná údržba a žiadne riziko úniku. Je vhodný pre motory hlavného čerpadla napájacej vody s nízkym-až{4}}stredným výkonom v prostrediach s nízkymi teplotami okolia a bol široko používaný v skorších blokoch jadrových elektrární a niektorých pomocných motoroch čerpadiel na napájaciu vodu. Podľa spôsobu prúdenia vzduchu ho možno rozdeliť na chladenie prirodzeného vetrania a chladenie núteným vetraním.

Chladenie prirodzeného vetrania sa spolieha na odvod tepla vlastným motorom a prirodzenú konvekciu okolitého vzduchu, aby sa dosiahol odvod tepla. Kryt motora je zvyčajne navrhnutý s konštrukciou chladiča, aby sa zväčšila plocha rozptylu tepla. Teplo je vedené do vzduchu cez chladič a prirodzená konvekcia je tvorená rozdielom hustoty vzduchu, aby sa dokončila výmena tepla. Táto metóda nevyžaduje žiadne ďalšie energetické zariadenia, má nízke prevádzkové náklady a náklady na údržbu a žiadne hlukové znečistenie. Jeho účinnosť odvádzania tepla je však relatívne nízka a je značne ovplyvnená okolitou teplotou a podmienkami vetrania. Nie je vhodný pre motory hlavného čerpadla napájacej vody s vysokým-výkonom a vysokým-teplom-a je vhodný iba pre pomocné motory s nízkym{8}}výkonom alebo motory v pohotovostnom režime.

Chladenie s nútenou ventiláciou využíva chladiaci ventilátor inštalovaný v zadnej časti motora, ktorý núti prúdenie vzduchu cez povrch statora, rotora a jadra, čím sa urýchľuje odvod tepla. Jeho účinnosť odvádzania tepla je oveľa vyššia ako pri chladení s prirodzenou ventiláciou a je vhodná pre stredné-motory hlavného napájacieho čerpadla. Na základe spôsobu cirkulácie chladiaceho vzduchu ho možno rozdeliť na otvorené a uzavreté systémy: Otvorené nútené vetranie priamo nasáva okolitý vzduch do motora, po ochladení ho rozptýli a následne vypustí. Má jednoduchú štruktúru a vysokú účinnosť odvádzania tepla, ale je náchylný na znečistenie prachom a vodnou parou, čo si vyžaduje pravidelné čistenie vzduchového filtra. Uzavreté nútené vetranie využíva vnútornú cirkuláciu vzduchu, ochladzovanie cirkulujúceho vzduchu cez externý chladič pred opätovným vstupom do motora-, čím sa zabraňuje vniknutiu znečisťujúcich látok z prostredia do motora. Je vhodný do prostredia jadrových elektrární s vysokou prašnosťou a vlhkosťou, ale jeho konštrukcia je pomerne zložitá, vyžaduje údržbu chladiča a cirkulačného systému.

2. Chladenie kvapalinou

Kvapalinové chladenie využíva ako médium na odvádzanie tepla kvapaliny, ako je voda a olej. Využitím vysokej špecifickej tepelnej kapacity a vysokej účinnosti odvádzania tepla kvapalín sa teplo odvádza z motora cirkuláciou kvapaliny. Je vhodný pre motory hlavných čerpadiel napájacej vody v jadrových elektrárňach s vysokým-výkonom a-vykurovaním- a v súčasnosti je to hlavný spôsob chladenia. Úplne uzavreté vodné chladenie je najpoužívanejšie a hlavné motory čerpadiel napájacej vody v projekte I. fázy jadrovej elektrárne Haiyang využívajú túto metódu chladenia.

Vodou{0}}chladený chladiaci systém: Používa deionizovanú vodu alebo špeciálny prostriedok na úpravu chladiacej vody ako médium a delí sa na vnútorné chladenie a vonkajšie chladenie. Vnútorné chladiace systémy využívajú potrubia chladiacej vody inštalované vo vinutí statora a rotora motora, čo umožňuje chladiacej vode prúdiť cez vinutia a priamo odvádzať teplo generované vinutiami. Výsledkom je extrémne vysoká účinnosť odvádzania tepla a je vhodný pre veľkokapacitné motory s vysokým{4}}výkonom. Vonkajšie chladiace systémy na druhej strane používajú chladiaci plášť na skrini motora. Chladiaca voda preteká cez chladiaci plášť a vymieňa si teplo s plášťom motora, čím nepriamo odvádza teplo. Tento systém má relatívne jednoduchú štruktúru a ľahko sa udržiava, ale jeho účinnosť odvádzania tepla je o niečo nižšia ako účinnosť vnútorných chladiacich systémov.

Vodný chladiaci systém pre hlavný motor čerpadla napájacej vody v jadrovej elektrárni je zvyčajne spojený so systémom chladiacej vody zariadenia elektrárne. Vstup a výstup chladiacej vody sú pripojené k systému chladiacej vody zariadenia elektrárne cez príruby, ktoré tvoria uzavretú-cirkuláciu. Systém obsahuje posilňovacie čerpadlo chladenia, filter, jednotku monitorovania teploty a jednotku monitorovania prietoku. Posilňovacie čerpadlo chladenia dodáva energiu toku chladiacej vody, filter zabraňuje upchávaniu chladiacich potrubí nečistotami a jednotka monitorovania teploty zhromažďuje teplotu chladiaceho média v reálnom čase a privádza ju späť do hlavnej riadiacej miestnosti elektrárne, čím umožňuje automatické nastavenie chladiaceho systému a zabezpečuje, že teplota motora zostane stabilná v rámci menovitého rozsahu.

3. Olejom-chladený systém: Tento systém využíva ako médium špecializovaný chladiaci olej, ktorý cirkuluje olej na odvádzanie tepla z motora a zároveň zabezpečuje mazanie. Je vhodný pre vysoko-rýchlostné a-motory s vysokým zaťažením. Chladiaci olej preteká vinutiami, ložiskami a ďalšími komponentmi vo vnútri motora a absorbuje teplo pred vstupom do externého chladiča, aby si vymieňal teplo so vzduchom alebo chladiacou vodou. Po ochladení sa olej recykluje. Výhody olejom{8}}chladeného systému sú rovnomerné odvádzanie tepla a mazanie, ktoré účinne chráni ložiská a iné mechanické komponenty. Vyžaduje si však pravidelnú výmenu oleja, čo má za následok vyššie náklady na údržbu a riziko úniku oleja. Preto je jeho použitie v motoroch hlavných čerpadiel napájacej vody jadrových elektrární pomerne obmedzené.

Kompozitná metóda chladenia Pre motory hlavných čerpadiel s napájacou vodou s extrémne vysokým výkonom a významnou tvorbou tepla nestačí jediný spôsob chladenia na splnenie požiadaviek na rozptyl tepla. Preto sa zvyčajne používajú kombinované spôsoby chladenia, ktoré kombinujú chladenie vzduchom s chladením kvapalinou alebo vnútorné chladenie s vonkajším chladením. Napríklad vinutia statora používajú vnútorné chladenie-vodou, vinutia rotora chladenie vzduchom a jadro využíva-vodou chladené vonkajšie chladenie. Vďaka viacrozmernému rozptylu tepla je zaistené, že teplota motora zostane stabilná v rámci menovitých limitov počas prevádzky pri plnom-zaťažení. Kompozitné metódy chladenia ponúkajú vysokú účinnosť odvádzania tepla a silnú adaptabilitu, sú však štrukturálne zložité, majú vysoké investičné náklady a ťažko sa udržiavajú. Používajú sa hlavne v motoroch hlavných čerpadiel napájacej vody triedy megawatt-a nad jadrovými blokmi.

Chladiaci systém motora hlavného čerpadla napájacej vody v jadrovej elektrárni je kľúčovým komponentom zabezpečujúcim bezpečnú a stabilnú prevádzku bloku. Jeho účinnosť odvádzania tepla a prevádzková spoľahlivosť priamo ovplyvňujú normálnu prevádzku systému hlavného čerpadla napájacej vody, čím ovplyvňujú tepelný cyklus celej jadrovej elektrárne a bezpečnostné bariéry. Ako sa jadrové bloky vyvíjajú smerom k väčším kapacitám a vyšším parametrom, výkon motora hlavného čerpadla napájacej vody sa neustále zvyšuje, čo vedie k väčšej tvorbe tepla a kladú stále vyššie požiadavky na chladiacu technológiu.

Záver

Spôsoby chladenia vzduchom, kvapalinového chladenia a kombinovaného chladenia sa široko používajú v motoroch hlavných čerpadiel napájacej vody jadrových elektrární. Optimalizáciou konštrukcie chladiaceho systému, výberom účinných chladiacich médií a zlepšením technológií automatického riadenia a monitorovania sa účinne zlepšila účinnosť odvádzania tepla a spoľahlivosť chladiaceho systému, čo spĺňa požiadavky dlhodobej-prevádzky jadrových blokov. Medzitým, s neustálym pokrokom v technológii jadrovej energie, sa inteligencia, efektívnosť a ekologizácia stali vývojovými trendmi chladiacej technológie. V budúcnosti bude prebiehať ďalší výskum a vývoj účinných a energiu{4}úsporných chladiacich technológií, ako sú nové kompozitné chladiace materiály a inteligentné adaptívne chladiace systémy, s cieľom dosiahnuť presné riadenie a energetickú-úspornú prevádzku chladiacich systémov. Zároveň sa posilní inteligentná prevádzka a údržba chladiacich systémov. Prostredníctvom veľkých dát, internetu vecí a ďalších technológií sa dosiahne-monitorovanie v reálnom čase, včasné varovanie pred poruchami a inteligentná diagnostika prevádzkového stavu chladiacich systémov, čím sa ďalej zlepší spoľahlivosť a efektívnosť prevádzky a údržby chladiacich systémov a poskytnú sa silnejšie záruky bezpečnej a efektívnej prevádzky jadrových elektrární.