Raffreddamento del motore principale della pompa dell'acqua di alimentazione nella centrale nucleare

Meccanismo di riscaldamento e rischi dei motori principali delle pompe dell'acqua di alimentazione nelle centrali nucleari
I principali motori delle pompe dell'acqua di alimentazione nelle centrali nucleari sono per lo più motori asincroni o sincroni di grande-capacità e alta-potenza. La loro generazione di calore deriva principalmente dagli effetti combinati di perdite elettriche, perdite meccaniche e fattori ambientali. Il meccanismo di riscaldamento è complesso e il calore si accumula rapidamente. Se il raffreddamento non è tempestivo, causerà molteplici rischi per apparecchiature e sistemi.

Meccanismo di riscaldamento del nucleo

1. Perdite elettriche di riscaldamento: questa è la principale fonte di generazione di calore del motore, comprese le perdite di rame dell'avvolgimento dello statore, le perdite del nucleo del ferro e le perdite aggiuntive. Quando gli avvolgimenti dello statore sono eccitati, la corrente che passa attraverso i conduttori genera calore Joule, cioè perdite nel rame. L'entità di queste perdite è correlata positivamente al quadrato della corrente e alla resistenza del conduttore. Sotto l'influenza di un campo magnetico alternato, il nucleo genera perdite per isteresi e perdite per correnti parassite, ovvero perdite nel ferro, che sono principalmente legate al materiale del nucleo, all'intensità del campo magnetico e alla frequenza. Inoltre, le armoniche generate dai convertitori di frequenza o dai carichi non lineari possono aumentare le perdite aggiuntive del motore, esacerbando ulteriormente la generazione di calore.

2. Generazione di calore per perdite meccaniche: durante il funzionamento del motore, le perdite meccaniche vengono generate e convertite in calore a causa dell'attrito del traferro tra il rotore e lo statore, dell'attrito di rotazione dei cuscinetti e della resistenza alla rotazione della ventola. L'usura dei cuscinetti, una scarsa lubrificazione o un'installazione non corretta aumentano significativamente l'attrito meccanico, portando a un'ulteriore generazione di calore e diventando la causa principale della perdita meccanica di calore.

3. Fattori ambientali combinati: le principali pompe dell'acqua di alimentazione nelle centrali nucleari sono per lo più situate nelle sale di disaerazione dell'edificio principale sull'isola convenzionale. In alcuni scenari, la temperatura ambiente è elevata e lo spazio è relativamente chiuso con ventilazione limitata. Allo stesso tempo, l'ambiente operativo delle centrali nucleari può contenere sostanze inquinanti come polvere e vapore acqueo, che aderiscono facilmente alla superficie o all'interno del motore, bloccando i canali di dissipazione del calore e ostacolando ulteriormente la dissipazione del calore, aumentando così la temperatura operativa del motore.

Pericoli derivanti da una temperatura eccessiva Quando la temperatura del motore supera il limite nominale, avrà una serie di effetti negativi sulle prestazioni dell'apparecchiatura e sulla sicurezza del sistema: in primo luogo, danneggia le prestazioni di isolamento del motore. Le alte temperature accelerano l'invecchiamento e la carbonizzazione dei materiali isolanti, riducendo la resistenza dell'isolamento e causando persino cortocircuiti negli avvolgimenti e guasti a terra, che portano direttamente allo spegnimento del motore. In secondo luogo, influisce sulle prestazioni meccaniche del motore. Le alte temperature causano espansione termica e deformazione di componenti come il rotore e lo statore del motore, con conseguenti traferri irregolari, diminuzione della precisione di adattamento meccanico, aumento delle vibrazioni e del rumore e, nei casi più gravi, inceppamenti meccanici. In terzo luogo, riduce l’efficienza operativa del motore. L'aumento della temperatura aumenta la resistenza del conduttore e le perdite nel rame, diminuendo al tempo stesso la permeabilità del nucleo e aumentando le perdite nel ferro, con conseguente aumento del consumo di energia del motore e riduzione dell'efficienza. In quarto luogo, innesca guasti a cascata. Il mancato spegnimento del motore della pompa principale dell'acqua di alimentazione causerà un'interruzione del sistema principale dell'acqua di alimentazione, influenzando il normale funzionamento del generatore di vapore. Se la pompa di riserva non riesce ad avviarsi in tempo, potrebbe causare la riduzione del carico dell'unità nucleare o addirittura lo spegnimento urgente, con conseguenti notevoli perdite economiche e rischi per la sicurezza.

Metodi di raffreddamento e caratteristiche tecniche dei principali motori delle pompe dell'acqua di alimentazione nelle centrali nucleari

Considerando i requisiti del livello di sicurezza, le condizioni operative e la disposizione spaziale delle centrali nucleari, il metodo di raffreddamento per i motori delle pompe principali dell'acqua di alimentazione deve soddisfare requisiti fondamentali come un'efficiente dissipazione del calore, un funzionamento affidabile, una manutenzione conveniente e l'adattabilità all'ambiente nucleare. Attualmente, i metodi di raffreddamento comunemente utilizzati per i motori delle pompe principali dell'acqua di alimentazione nelle centrali nucleari sono principalmente divisi in due categorie: raffreddamento ad aria e raffreddamento a liquido. Diversi metodi di raffreddamento hanno design strutturali, efficienze di dissipazione del calore e scenari applicabili diversi. Nelle applicazioni pratiche, è necessario effettuare una scelta ragionevole in base a fattori quali la potenza del motore e l'ambiente operativo.

1. Metodo di raffreddamento ad aria Il raffreddamento ad aria utilizza l'aria come mezzo di dissipazione del calore, portando via il calore generato dal motore attraverso il flusso d'aria. Presenta vantaggi come struttura semplice, manutenzione conveniente e nessun rischio di perdite. È adatto per i motori delle pompe principali dell'acqua di alimentazione da bassa-a-media potenza in ambienti con basse temperature ed è stato ampiamente utilizzato nelle prime unità delle centrali nucleari e in alcuni motori delle pompe dell'acqua di alimentazione ausiliarie. A seconda del metodo del flusso d'aria, può essere suddiviso in raffreddamento a ventilazione naturale e raffreddamento a ventilazione forzata.

Il raffreddamento a ventilazione naturale si basa sulla dissipazione del calore del motore e sulla convezione naturale dell'aria ambiente per ottenere la dissipazione del calore. L'involucro del motore è solitamente progettato con una struttura dissipatore di calore per aumentare l'area di dissipazione del calore. Il calore viene condotto nell'aria attraverso il dissipatore di calore e la convezione naturale è formata dalla differenza di densità dell'aria per completare lo scambio di calore. Questo metodo non richiede apparecchiature elettriche aggiuntive, ha bassi costi operativi e di manutenzione e nessun inquinamento acustico. Tuttavia, la sua efficienza di dissipazione del calore è relativamente bassa ed è fortemente influenzata dalla temperatura ambiente e dalle condizioni di ventilazione. Non è adatto per motori di pompe dell'acqua di alimentazione principali ad alta-potenza e ad alta-generazione di calore-ed è adatto solo per motori ausiliari a bassa-potenza o motori di riserva.

Il raffreddamento a ventilazione forzata utilizza una ventola di raffreddamento installata nella parte posteriore del motore per forzare il flusso d'aria sulle superfici dello statore, del rotore e del nucleo, accelerando la dissipazione del calore. La sua efficienza di dissipazione del calore è molto più elevata rispetto al raffreddamento a ventilazione naturale ed è adatta per motori di pompe dell'acqua di alimentazione principali di media-potenza. In base al metodo di circolazione dell'aria di raffreddamento, può essere suddiviso in sistemi aperti e chiusi: la ventilazione forzata aperta aspira direttamente l'aria ambiente nel motore, la dissipa dopo il raffreddamento e quindi la scarica. Ha una struttura semplice e un'elevata efficienza di dissipazione del calore, ma è suscettibile alla contaminazione da polvere ambientale e vapore acqueo, richiedendo una pulizia regolare del filtro dell'aria. La ventilazione forzata chiusa utilizza la circolazione dell'aria interna, raffreddando l'aria circolante attraverso un dispositivo di raffreddamento esterno prima di rientrare nel motore-, impedendo l'ingresso di inquinanti ambientali nel motore. È adatto agli ambienti delle centrali nucleari con elevata polvere e umidità, ma la sua struttura è relativamente complessa e richiede la manutenzione del sistema di raffreddamento e di circolazione.

2. Raffreddamento a liquido

Il raffreddamento a liquido utilizza liquidi come acqua e olio come mezzo di dissipazione del calore. Sfruttando l'elevata capacità termica specifica e l'elevata efficienza di dissipazione del calore dei liquidi, il calore viene allontanato dal motore attraverso la circolazione del liquido. È adatto per i motori principali delle pompe dell'acqua di alimentazione ad alta-potenza e ad alto-calore-generati nelle centrali nucleari ed è attualmente il metodo di raffreddamento principale. Il raffreddamento ad acqua completamente chiuso è il più utilizzato e i principali motori delle pompe dell'acqua di alimentazione nel progetto Fase I della centrale nucleare di Haiyang utilizzano questo metodo di raffreddamento.

Sistema di raffreddamento raffreddato ad acqua-: utilizzando acqua deionizzata o uno speciale agente per il trattamento dell'acqua di raffreddamento come mezzo, è suddiviso in forme di raffreddamento interno e raffreddamento esterno. I sistemi di raffreddamento interni utilizzano tubi dell'acqua di raffreddamento installati all'interno degli avvolgimenti dello statore e del rotore del motore, consentendo all'acqua di raffreddamento di fluire attraverso gli avvolgimenti e rimuovere direttamente il calore generato dagli avvolgimenti. Ciò si traduce in un'efficienza di dissipazione del calore estremamente elevata ed è adatto per motori di grande-capacità e-potenza elevata. I sistemi di raffreddamento esterni, invece, utilizzano una camicia di raffreddamento sulla carcassa del motore. L'acqua di raffreddamento scorre attraverso la camicia di raffreddamento e scambia calore con la carcassa del motore, sottraendo calore indirettamente. Questo sistema è relativamente semplice nella struttura e di facile manutenzione, ma la sua efficienza di dissipazione del calore è leggermente inferiore a quella dei sistemi di raffreddamento interni.

Il sistema di raffreddamento dell'acqua per il motore principale della pompa dell'acqua di alimentazione in una centrale nucleare è generalmente collegato al sistema dell'acqua di raffreddamento delle apparecchiature della centrale elettrica. L'ingresso e l'uscita dell'acqua di raffreddamento sono collegati al sistema dell'acqua di raffreddamento delle apparecchiature della centrale elettrica tramite flange, formando una circolazione a circuito chiuso-. Il sistema comprende una pompa booster di raffreddamento, un filtro, un'unità di monitoraggio della temperatura e un'unità di monitoraggio del flusso. La pompa booster di raffreddamento fornisce energia al flusso dell'acqua di raffreddamento, il filtro impedisce alle impurità di intasare i tubi di raffreddamento e l'unità di monitoraggio della temperatura rileva la temperatura del mezzo di raffreddamento in tempo reale e la restituisce alla sala di controllo principale della centrale elettrica, consentendo la regolazione automatica del sistema di raffreddamento e garantendo che la temperatura del motore rimanga stabile entro l'intervallo nominale.

3. Sistema-raffreddato ad olio: questo sistema utilizza olio di raffreddamento specializzato come mezzo, facendo circolare l'olio per rimuovere il calore dal motore fornendo allo stesso tempo la lubrificazione. È adatto per motori ad alta-velocità e-carico elevato. L'olio di raffreddamento scorre attraverso gli avvolgimenti, i cuscinetti e altri componenti all'interno del motore, assorbendo calore prima di entrare in un refrigeratore esterno per scambiare calore con l'aria o l'acqua di raffreddamento. Dopo il raffreddamento, l'olio viene riciclato. I vantaggi di un sistema raffreddato a olio- sono la dissipazione del calore e la lubrificazione uniformi, nonché una protezione efficace dei cuscinetti e di altri componenti meccanici. Tuttavia, richiede una sostituzione regolare dell'olio, con conseguenti costi di manutenzione più elevati e il rischio di perdite di olio. Pertanto, la sua applicazione nei principali motori delle pompe dell'acqua di alimentazione delle centrali nucleari è relativamente limitata.

Metodo di raffreddamento composito Per i motori delle pompe principali dell'acqua di alimentazione con potenza estremamente elevata e significativa generazione di calore, un unico metodo di raffreddamento non è sufficiente per soddisfare i requisiti di dissipazione del calore. Pertanto, vengono generalmente utilizzati metodi di raffreddamento compositi, che combinano il raffreddamento ad aria con il raffreddamento a liquido o il raffreddamento interno con il raffreddamento esterno. Ad esempio, gli avvolgimenti dello statore utilizzano un raffreddamento interno-raffreddato ad acqua, gli avvolgimenti del rotore utilizzano un raffreddamento ad aria e il nucleo utilizza un raffreddamento esterno-raffreddato ad acqua. Attraverso la dissipazione del calore multi-dimensionale, si garantisce che la temperatura del motore rimanga stabile entro i limiti nominali durante il funzionamento a pieno-carico. I metodi di raffreddamento compositi offrono un’elevata efficienza di dissipazione del calore e una forte adattabilità, ma sono strutturalmente complessi, hanno elevati costi di investimento e sono difficili da mantenere. Vengono utilizzati principalmente nei motori principali delle pompe dell'acqua di alimentazione della classe megawatt- e nelle unità ad energia nucleare superiore.

Il sistema di raffreddamento del motore principale della pompa dell'acqua di alimentazione in una centrale nucleare è un componente cruciale che garantisce il funzionamento sicuro e stabile dell'unità. La sua efficienza di dissipazione del calore e l'affidabilità operativa influiscono direttamente sul normale funzionamento del sistema principale di pompaggio dell'acqua di alimentazione, influenzando così il ciclo termico dell'intero impianto nucleare e le barriere di sicurezza. Man mano che le unità nucleari si sviluppano verso capacità e parametri più elevati, la potenza del motore principale della pompa dell’acqua di alimentazione aumenta continuamente, portando a una maggiore generazione di calore e ponendo requisiti sempre più elevati alla tecnologia di raffreddamento.

Conclusione

Il raffreddamento ad aria, il raffreddamento a liquido e i metodi di raffreddamento combinato sono ampiamente utilizzati nei principali motori delle pompe dell'acqua di alimentazione delle centrali nucleari. Ottimizzando la progettazione del sistema di raffreddamento, selezionando mezzi di raffreddamento efficienti e migliorando le tecnologie di controllo e monitoraggio automatico, l'efficienza di dissipazione del calore e l'affidabilità del sistema di raffreddamento sono state effettivamente migliorate, soddisfacendo i requisiti di funzionamento a lungo-termine delle unità nucleari. Nel frattempo, con il continuo progresso della tecnologia dell’energia nucleare, l’intellighenzia, l’efficienza e l’ecologia sono diventate le tendenze di sviluppo della tecnologia di raffreddamento. In futuro, verranno condotte ulteriori ricerche e sviluppi di tecnologie di raffreddamento efficienti e a risparmio energetico, come nuovi materiali di raffreddamento compositi e sistemi di raffreddamento adattivi intelligenti, per ottenere un controllo preciso e un funzionamento a risparmio energetico dei sistemi di raffreddamento. Allo stesso tempo, verranno rafforzati il ​​funzionamento intelligente e la manutenzione dei sistemi di raffreddamento. Attraverso i big data, l'Internet delle cose e altre tecnologie, si otterranno il monitoraggio in tempo reale-, l'allarme tempestivo in caso di guasto e la diagnosi intelligente dello stato operativo dei sistemi di raffreddamento, migliorando ulteriormente l'affidabilità e l'efficienza operativa e di manutenzione dei sistemi di raffreddamento e fornendo maggiori garanzie per il funzionamento sicuro ed efficiente delle centrali nucleari.