Il principale sistema di raffreddamento dell'acqua di alimentazione di una centrale nucleare è una barriera di raffreddamento per la sicurezza nucleare

Il posizionamento centrale e il valore funzionale del principale sistema di raffreddamento dell'acqua di alimentazione
Il processo di conversione dell'energia di una centrale nucleare prevede essenzialmente il riscaldamento del refrigerante nel circuito primario attraverso l'energia termica generata dalla fissione nucleare, quindi il trasferimento dell'energia termica all'acqua di alimentazione principale nel circuito secondario attraverso un generatore di vapore, convertendo l'acqua di alimentazione in vapore ad alta-pressione per azionare la turbina a vapore per la produzione di energia. La funzione principale del sistema di raffreddamento principale dell'acqua di alimentazione è fornire un mezzo di raffreddamento stabile e controllabile per questo ciclo, ottenendo al contempo una dissipazione e un recupero del calore ragionevoli. Il suo valore funzionale si riflette principalmente in tre aspetti.

Innanzitutto, garantire il raffreddamento del nocciolo del reattore. Il nocciolo di un reattore nucleare rilascia continuamente una grande quantità di energia termica durante la fissione nucleare. Se non può essere esportato in modo tempestivo, porterà a un improvviso aumento della temperatura interna e causerà gravi incidenti per la sicurezza. Il sistema di raffreddamento principale dell'acqua di alimentazione fornisce continuamente acqua di raffreddamento al generatore di vapore, assorbe calore dal refrigerante primario e garantisce che la temperatura interna sia mantenuta entro una soglia di sicurezza, formando un'importante "barriera di raffreddamento" per la sicurezza del reattore. Secondo le statistiche dell’AIEA, circa il 12% degli arresti non pianificati nelle centrali nucleari sono legati a guasti al sistema dell’acqua di alimentazione, il che conferma indirettamente il valore critico della sicurezza del principale sistema di raffreddamento dell’acqua di alimentazione.

In secondo luogo, mantenere la stabilità del ciclo del ciclo secondario. Il sistema principale di raffreddamento dell'acqua di alimentazione deve regolare accuratamente la portata e la temperatura dell'acqua di alimentazione in base ai cambiamenti nella potenza del reattore, garantendo parametri di vapore stabili all'uscita del generatore di vapore e fornendo una fonte di energia continua e qualificata per la turbina. Durante il funzionamento a bassa-potenza del reattore, la portata viene regolata manualmente dalla valvola di controllo del bypass dell'acqua di alimentazione principale; Durante il funzionamento ad alta-potenza, la valvola principale di regolazione dell'acqua di alimentazione interviene automaticamente e si regola dinamicamente in base alla potenza termica del generatore di vapore, garantendo la continuità e la stabilità del ciclo del circuito secondario.

Infine, ottenere un utilizzo efficiente dell’energia. Il principale sistema di raffreddamento dell'acqua di alimentazione preriscalderà l'acqua di alimentazione durante il processo di raffreddamento, recupererà il calore di scarto dopo la condensazione del vapore, ridurrà la perdita di energia e migliorerà l'efficienza termica dell'unità nucleare. Allo stesso tempo, controllando accuratamente i parametri dell'approvvigionamento idrico, riducendo l'usura delle apparecchiature e il consumo energetico e aiutando le centrali nucleari a raggiungere un funzionamento economico a lungo termine, soddisfa le esigenze di sviluppo energetico efficiente e a basse emissioni di carbonio nell'ambito della strategia "dual carbon".

L'architettura della composizione e il principio di funzionamento del principale sistema di raffreddamento dell'acqua di alimentazione
Il sistema principale di raffreddamento dell'acqua di alimentazione di una centrale nucleare è un sistema complesso integrato e di alta-precisione, composto principalmente dalla pompa principale dell'acqua di alimentazione, dalla valvola di regolazione principale dell'acqua di alimentazione, dalle apparecchiature di preriscaldamento dell'acqua di alimentazione, dal sistema di tubazioni, dal sistema di monitoraggio e controllo e da apparecchiature ausiliarie. I componenti lavorano insieme per formare un ciclo di raffreddamento a circuito chiuso-e il suo principio di funzionamento ruota attorno ai tre collegamenti principali della "regolazione dei parametri dello scambio di calore per il trasporto dell'acqua di alimentazione".

Componenti principali e loro funzioni

• Pompa principale dell'acqua di alimentazione: in quanto "cuore potente" del sistema, è responsabile della fornitura di acqua di alimentazione ad alta-purezza trattata dal disaeratore al generatore di vapore ad alta pressione. Le sue condizioni operative sono estremamente difficili e richiedono un funzionamento continuo a lungo-termine in ambienti ad alta temperatura (temperatura dell'acqua in ingresso di circa 220 gradi) e ad alta pressione (la pressione in uscita può raggiungere 8-12 MPa). La durata prevista non è solitamente inferiore a 40 anni e vengono imposti requisiti estremamente elevati in termini di resistenza alla corrosione dei materiali e sigillatura strutturale. Attualmente, in Cina vengono adottate pompe centrifughe principali per l'acqua di alimentazione ad alta velocità e alcune unità avanzate hanno adottato soluzioni integrate di regolazione della velocità a frequenza variabile e monitoraggio intelligente. Alcune unità sono inoltre dotate di pompe dell'acqua di alimentazione azionate a vapore per garantire che si possa ancora fare affidamento sul vapore ausiliario per mantenere il funzionamento e migliorare l'affidabilità del sistema in caso di interruzione di corrente nell'intero impianto. Il sistema modulare del gruppo principale di pompe dell'acqua di alimentazione sviluppato dall'East China Electric Power Design Institute migliora efficacemente l'affidabilità operativa e l'efficienza della progettazione del sistema integrando la prepompa, il motore, l'accoppiatore idraulico e la pompa principale.
• Valvola di controllo principale dell'acqua di alimentazione: il "centro di flusso" del sistema, che funziona in parallelo con la valvola di controllo principale del bypass dell'acqua di alimentazione, responsabile della regolazione accurata della portata dell'acqua di alimentazione in base ai cambiamenti nella potenza del reattore e nello stato di funzionamento del generatore di vapore. Le sue prestazioni sono direttamente correlate alla stabilità del sistema di approvvigionamento idrico. Se si verifica un guasto, ciò causerà fluttuazioni nella portata principale dell'acqua di alimentazione, mettendo a rischio la sicurezza dell'unità. Difetti comuni includono filettature usurate e rotte che collegano lo stelo della valvola e il nucleo della valvola, usura da collisione sulla parete interna del componente della gabbia della valvola, feedback anomalo dei segnali del localizzatore, ecc., che devono essere risolti attraverso l'ottimizzazione strutturale e il miglioramento dei materiali.

Attrezzature per il preriscaldamento dell'acqua di alimentazione: includono principalmente riscaldatori ad alta-pressione, utilizzati per preriscaldare l'acqua di alimentazione principale utilizzando il calore di scarto derivante dall'estrazione della turbina a vapore, aumentare la temperatura dell'acqua di alimentazione, ridurre la perdita di calore nel generatore di vapore e ridurre lo stress termico dell'apparecchiatura, prolungando così la durata di servizio del sistema. Dopo il preriscaldamento, l'acqua di alimentazione entra nel generatore di vapore e può assorbire in modo più efficiente il calore dal circuito primario, migliorando l'efficienza della generazione di vapore.

 

Sistema di monitoraggio e controllo: composto da vari sensori, controller e attuatori, monitora parametri chiave come la portata dell'acqua, la temperatura e la pressione in tempo reale- e ottiene una regolazione precisa dei parametri attraverso un sistema di controllo automatizzato. Ad esempio, monitorando il livello dell'acqua e la temperatura del generatore di vapore, la velocità della pompa principale dell'acqua di alimentazione e l'apertura della valvola di controllo principale dell'acqua di alimentazione vengono regolate automaticamente per garantire che i parametri operativi del sistema siano sempre entro un intervallo di sicurezza, ottenendo al contempo avvisi in tempo reale-e risposta di emergenza in caso di guasti.

• Analisi del flusso di lavoro

Il processo di funzionamento del sistema di raffreddamento dell'acqua di alimentazione principale può essere suddiviso in quattro fasi chiave: la prima fase prevede che il disaeratore esegua il trattamento di deaerazione dell'acqua di alimentazione, rimuovendo l'ossigeno e altri gas nocivi dall'acqua, prevenendo la corrosione di tubazioni e apparecchiature e garantendo che la purezza dell'acqua di alimentazione soddisfi gli standard di grado nucleare; Il secondo passo consiste nell'aumentare anticipatamente la pressione di ingresso della pompa principale per prevenire la cavitazione. Quindi, la pompa principale dell'acqua di alimentazione pressurizza l'acqua di alimentazione trattata e la invia al riscaldatore ad alta-pressione; Fase tre: il riscaldatore ad alta-pressione utilizza il calore di scarto estratto dalla turbina a vapore per preriscaldare l'acqua di alimentazione e aumentare la temperatura dell'acqua di alimentazione all'intervallo specificato; Fase quattro: l'acqua di alimentazione principale preriscaldata viene trasportata al generatore di vapore per assorbire il calore dal refrigerante primario e convertirlo in vapore ad alta-pressione. L'acqua di alimentazione raffreddata rifluisce quindi attraverso il sistema di circolazione per completare il ciclo di raffreddamento. Durante l'intero processo, il sistema di monitoraggio e controllo è pienamente coinvolto, regolando dinamicamente i parametri operativi di ciascun componente in base ai cambiamenti nella potenza del reattore e allo stato di funzionamento del sistema per garantire un ciclo stabile, sicuro ed efficiente.

Garanzia di sicurezza e gestione dei guasti del sistema di raffreddamento dell'acqua di alimentazione principale

Il funzionamento sicuro del principale sistema di raffreddamento dell'acqua di alimentazione nelle centrali nucleari è una garanzia importante per la sicurezza dell'energia nucleare. A causa del difficile ambiente operativo del sistema, che è esposto ad alta temperatura, alta pressione e alte radiazioni per lungo tempo, è soggetto a usura dei componenti, perdite, anomalie di controllo e altri guasti. Pertanto, è necessario istituire un valido sistema di garanzia della sicurezza per individuare tempestivamente ed eliminare i guasti.

• Misure di sicurezza

Ottimizzazione dei materiali e della struttura: i componenti principali sono realizzati con materiali speciali ad alta-resistenza, resistenza alla corrosione-e alle radiazioni. Ad esempio, la girante e la tenuta meccanica della pompa principale dell'acqua di alimentazione sono realizzate in acciaio inossidabile austenitico a bassissimo contenuto di carbonio o acciaio inossidabile duplex. Il perno di posizionamento della valvola di regolazione principale dell'acqua di alimentazione è realizzato in materiale Inconel750 ad alta-resistenza, che sostituisce i tradizionali materiali a bassa resistenza, per migliorare la resistenza all'usura e la durata dei componenti. Allo stesso tempo, ottimizzare la progettazione strutturale dei componenti della gabbia delle valvole e dei nuclei delle valvole, adottare finestre con fori piccoli e ottimizzare la loro disposizione in base alla curva di flusso, migliorare la precisione di regolazione e la capacità di flusso e ridurre le vibrazioni e l'usura dei componenti.

Design a doppia ridondanza: le apparecchiature chiave del sistema adottano una configurazione ridondante di "uno per l'uso e uno per il backup" o "multiplo per l'uso e uno per il backup". Ad esempio, la pompa principale dell'acqua di alimentazione è solitamente dotata di 2-4 unità e delle corrispondenti pompe di riserva per garantire che, in caso di guasto di un'apparecchiatura, l'apparecchiatura di riserva possa essere rapidamente messa in funzione per evitare l'arresto del sistema. Allo stesso tempo, il sistema di controllo adotta un design a doppia ridondanza per evitare che il sistema perda il controllo a causa del guasto di una singola unità di controllo.

Monitoraggio intelligente e allarme tempestivo: con l’aiuto del gemello digitale, della manutenzione predittiva dell’intelligenza artificiale e di altre tecnologie, viene effettuato il monitoraggio online dello stato delle apparecchiature chiave come le principali pompe dell’acqua di alimentazione e le valvole di regolazione. Attraverso l'analisi dello spettro delle vibrazioni, la ricostruzione del campo di temperatura e altri metodi, il funzionamento anomalo delle apparecchiature viene catturato in tempo reale e gli avvisi di guasto vengono emessi in anticipo. Dopo l'adozione di un sistema di monitoraggio intelligente, il tempo medio di funzionamento senza problemi della pompa principale dell'acqua di alimentazione è stato aumentato da 18.000 ore per i modelli tradizionali a oltre 32.000 ore, riducendo significativamente il rischio di arresti imprevisti.

Aggiornamento tecnologico e tendenza allo sviluppo del settore del principale sistema di raffreddamento dell'acqua di alimentazione
Con la continua iterazione della tecnologia dell’energia nucleare e l’approfondimento della strategia del “doppio carbonio”, il principale sistema di raffreddamento dell’acqua di alimentazione delle centrali nucleari si sta sviluppando verso l’intelligenza, l’efficienza e la localizzazione. L’aggiornamento tecnologico e l’aggiornamento industriale stanno avanzando in modo sincrono, fornendo un sostegno maggiore al funzionamento sicuro ed efficiente dell’energia nucleare.

• Direzione aggiornamento tecnico

Aggiornamento intelligente: integrazione di tecnologie come Internet delle cose, big data e intelligenza artificiale per creare un sistema di gestione intelligente dell'intero ciclo di vita, ottenendo monitoraggio in tempo reale-dei parametri operativi del sistema, diagnosi accurata dei guasti e pianificazione intelligente del funzionamento e della manutenzione. Ad esempio, utilizzando la tecnologia del gemello digitale per costruire un modello virtuale del principale sistema di raffreddamento dell'acqua di alimentazione, simulando lo stato operativo del sistema, prevedendo in anticipo i rischi di guasto, ottimizzando i piani di funzionamento e manutenzione e riducendo i costi di funzionamento e manutenzione.

Ottimizzazione efficiente: ottimizzando i processi del sistema, migliorando la struttura delle apparecchiature e migliorando l'efficienza termica del sistema e la stabilità operativa. Ad esempio, ottimizzando il design della girante della pompa principale dell'acqua di alimentazione per migliorare l'efficienza di trasporto e ridurre il consumo energetico; Ottimizzare il processo di preriscaldamento dell'approvvigionamento idrico, recuperare completamente il calore di scarto e migliorare ulteriormente l'efficienza di utilizzo dell'energia. Allo stesso tempo, viene adottata la tecnologia di regolazione della velocità con conversione di frequenza per regolare dinamicamente la velocità della pompa principale dell'acqua di alimentazione in base alla potenza del reattore, ottenendo un funzionamento a risparmio energetico.

Promozione della tecnologia senza perdite: adozione di tipi di pompe senza perdite come pompe magnetiche e pompe schermate per sostituire le tradizionali pompe con tenuta meccanica, riducendo il rischio di perdite d'acqua, migliorando la sicurezza del sistema e la protezione ambientale, riducendo al contempo i costi di manutenzione delle apparecchiature e adattandosi ai difficili requisiti ambientali operativi delle centrali nucleari.

• Tendenze di sviluppo del settore

Con l'accelerazione delle approvazioni dei progetti di energia nucleare nazionali e il costante aumento del numero di unità in costruzione, la domanda del mercato per le apparecchiature relative al principale sistema di raffreddamento dell'acqua di alimentazione continua ad essere liberata. Secondo le stime, dal 2026 al 2030, si prevede che in Cina verranno aggiunte 30-40 nuove unità nucleari approvate, corrispondenti a una domanda di circa 120-160 nuove pompe per l'acqua di alimentazione nucleare. La dimensione del mercato aumenterà costantemente. Il processo di localizzazione continua ad accelerare e il tasso di localizzazione delle pompe principali ha superato il 90%. Imprese statali come Shanghai Electric, Dongfang Electric e Harbin Electric Group dominano il mercato interno. Con un sistema di produzione completo e un'esperienza ingegneristica, stanno gradualmente ottenendo la sostituzione nazionale dei prodotti di fascia alta e riducendo la dipendenza dalle apparecchiature importate.

Nel frattempo, con il progresso dei piccoli reattori modulari (SMR) e dei progetti dimostrativi della tecnologia nucleare di quarta generazione, emergerà gradualmente la domanda di apparecchiature di raffreddamento dell’acqua di alimentazione principali nuove, efficienti e compatte, aprendo nuove opportunità di crescita per il settore. Inoltre, nel contesto dell’esportazione accelerata di energia nucleare nell’ambito della “Belt and Road Initiative”, le principali apparecchiature nazionali relative al sistema di raffreddamento dell’acqua di alimentazione si sposteranno gradualmente verso il mercato internazionale, migliorando la competitività globale delle apparecchiature nucleari cinesi [6].

Il principale sistema di raffreddamento dell'acqua di alimentazione di una centrale nucleare, come "barriera di raffreddamento" per la sicurezza nucleare, è il fulcro centrale del ciclo del circuito secondario dell'energia nucleare. Il suo funzionamento stabile è direttamente correlato al funzionamento sicuro, efficiente e a basse- emissioni di carbonio dell'unità nucleare. Dall’ottimizzazione della struttura dei componenti principali al miglioramento dell’intelligenza del sistema, dalla gestione precisa dei guasti alla promozione della sostituzione domestica, ogni innovazione tecnologica nel principale sistema di raffreddamento dell’acqua di alimentazione ha gettato solide basi per la sicurezza dell’energia nucleare.
Nel contesto della transizione energetica, con il continuo sviluppo della tecnologia dell'energia nucleare, il principale sistema di raffreddamento dell'acqua di alimentazione continuerà a muoversi verso una direzione più intelligente, efficiente e sicura, superando costantemente i principali colli di bottiglia tecnologici, migliorando il sistema di garanzia della sicurezza, fornendo un forte supporto per lo sviluppo di alta-qualità del settore dell'energia nucleare cinese, raggiungendo l'obiettivo del "doppio carbonio" e salvaguardando il trasporto sicuro di energia nucleare pulita a tutti i livelli.