Koeling van de hoofdvoedingswaterpompmotor in een kerncentrale
Verwarmingsmechanisme en gevaren van hoofdvoedingswaterpompmotoren in kerncentrales
De belangrijkste voedingswaterpompmotoren in kerncentrales zijn meestal asynchrone of synchrone motoren met grote- capaciteit en hoog- vermogen. Hun warmteopwekking komt voornamelijk voort uit de gecombineerde effecten van elektrische verliezen, mechanische verliezen en omgevingsfactoren. Het verwarmingsmechanisme is complex en de warmte accumuleert snel. Als de koeling niet op tijd plaatsvindt, zal dit meerdere gevaren voor apparatuur en systemen veroorzaken.
Kernverwarmingsmechanisme
1. Elektrisch verlies bij verwarming: Dit is de belangrijkste bron van de opwekking van motorwarmte, inclusief koperverliezen in de statorwikkelingen, ijzerverliezen in de kern en extra verliezen. Wanneer de statorwikkelingen worden bekrachtigd, genereert de stroom die door de geleiders loopt Joule-warmte, dat wil zeggen koperverliezen. De omvang van deze verliezen is positief gecorreleerd met het kwadraat van de stroom en de geleiderweerstand. Onder invloed van een wisselend magnetisch veld genereert de kern hysteresisverliezen en wervelstroomverliezen, dwz ijzerverliezen, die voornamelijk verband houden met het kernmateriaal, de magnetische veldsterkte en de frequentie. Bovendien kunnen harmonischen die worden gegenereerd door frequentieomvormers of niet-lineaire belastingen extra motorverliezen vergroten, waardoor de warmteontwikkeling verder wordt verergerd.
2. Warmteopwekking door mechanisch verlies: Tijdens de werking van de motor worden mechanische verliezen gegenereerd en omgezet in warmte als gevolg van wrijving in de luchtspleet tussen de rotor en de stator, de wrijving van de lagerrotatie en de rotatieweerstand van de ventilator. Lagerslijtage, slechte smering of onjuiste installatie verhogen de mechanische wrijving aanzienlijk, wat leidt tot extra warmteontwikkeling en de belangrijkste oorzaak wordt van mechanische warmteverlies.
3. Gecombineerde omgevingsfactoren: De belangrijkste voedingswaterpompen in kerncentrales bevinden zich meestal in de ontluchtingskamers van het hoofdgebouw op het conventionele eiland. In sommige scenario's is de omgevingstemperatuur hoog en is de ruimte relatief afgesloten met beperkte ventilatie. Tegelijkertijd kan de werkomgeving van kerncentrales verontreinigende stoffen bevatten, zoals stof en waterdamp, die zich gemakkelijk hechten aan het oppervlak of de binnenkant van de motor, waardoor de warmteafvoerkanalen worden geblokkeerd en de warmteafvoer verder wordt belemmerd, waardoor de bedrijfstemperatuur van de motor toeneemt.
Gevaren van te hoge temperaturen Wanneer de motortemperatuur de nominale limiet overschrijdt, zal dit een reeks negatieve gevolgen hebben voor de prestaties van de apparatuur en de systeemveiligheid: Ten eerste beschadigt het de isolatieprestaties van de motor. Hoge temperaturen versnellen de veroudering en verkoling van isolatiematerialen, verminderen de isolatieweerstand en veroorzaken zelfs kortsluiting in de wikkelingen en aardingsfouten, wat direct leidt tot het uitschakelen van de motor. Ten tweede beïnvloedt het de mechanische prestaties van de motor. Hoge temperaturen veroorzaken thermische uitzetting en vervorming van componenten zoals de motorrotor en de stator, wat resulteert in ongelijkmatige luchtspleten, verminderde mechanische pasprecisie, verhoogde trillingen en lawaai, en in ernstige gevallen mechanische vastlopen. Ten derde vermindert het de bedrijfsefficiëntie van de motor. Een hogere temperatuur verhoogt de weerstand van de geleider en de koperverliezen, terwijl de permeabiliteit van de kern afneemt en de ijzerverliezen toenemen, wat leidt tot een hoger energieverbruik van de motor en een verminderde efficiëntie. Ten vierde veroorzaakt het trapsgewijze mislukkingen. Als de motor van de hoofdvoedingswaterpomp niet wordt uitgeschakeld, zal dit een onderbreking in het hoofdvoedingswatersysteem veroorzaken, waardoor de normale werking van de stoomgenerator wordt beïnvloed. Als de stand-bypomp niet op tijd kan starten, kan dit ertoe leiden dat de kerncentrale de belasting verlaagt of zelfs dringend wordt uitgeschakeld, met aanzienlijke economische verliezen en veiligheidsrisico's tot gevolg.
Koelmethoden en technische kenmerken van hoofdvoedingswaterpompmotoren in kerncentrales
Rekening houdend met de veiligheidsniveau-eisen, bedrijfsomstandigheden en ruimtelijke indeling van kerncentrales, moet de koelmethode voor de hoofdvoedingswaterpompmotoren voldoen aan kernvereisten zoals efficiënte warmteafvoer, betrouwbare werking, gemakkelijk onderhoud en aanpassingsvermogen aan de nucleaire omgeving. Momenteel zijn de algemeen gebruikte koelmethoden voor de belangrijkste voedingswaterpompmotoren in kerncentrales hoofdzakelijk onderverdeeld in twee categorieën: luchtkoeling en vloeistofkoeling. Verschillende koelmethoden hebben verschillende structurele ontwerpen, efficiëntie van de warmteafvoer en toepasselijke scenario's. Bij praktische toepassingen moet een redelijke selectie worden gemaakt op basis van factoren zoals motorvermogen en gebruiksomgeving.
1. Luchtkoelingsmethode Luchtkoeling gebruikt lucht als warmtedissipatiemedium, waardoor de door de motor gegenereerde warmte via de luchtstroom wordt afgevoerd. Het heeft voordelen zoals een eenvoudige structuur, gemakkelijk onderhoud en geen lekkagerisico. Het is geschikt voor hoofdvoedingswaterpompmotoren met een laag- tot- middelhoog vermogen in omgevingen met lage omgevingstemperaturen en werd veel gebruikt in vroege kerncentrales en enkele hulpvoedingswaterpompmotoren. Afhankelijk van de luchtstroommethode kan deze worden onderverdeeld in natuurlijke ventilatiekoeling en geforceerde ventilatiekoeling.
Natuurlijke ventilatiekoeling is afhankelijk van de eigen warmteafvoer van de motor en de natuurlijke convectie van omgevingslucht om warmteafvoer te bereiken. De motorbehuizing is meestal ontworpen met een koellichaamstructuur om het warmteafvoeroppervlak te vergroten. Warmte wordt via het koellichaam naar de lucht geleid en natuurlijke convectie wordt gevormd door het verschil in luchtdichtheid om de warmte-uitwisseling te voltooien. Deze methode vereist geen extra stroomapparatuur, heeft lage bedrijfs- en onderhoudskosten en geen geluidsoverlast. De efficiëntie van de warmteafvoer is echter relatief laag en wordt sterk beïnvloed door de omgevingstemperatuur en ventilatieomstandigheden. Het is niet geschikt voor hoofdvoedingswaterpompmotoren met hoog-vermogen, hoge-warmte-genererend en is alleen geschikt voor hulpmotoren met laag-vermogen of stand-bymotoren.
Geforceerde ventilatiekoeling maakt gebruik van een koelventilator die aan de achterkant van de motor is geïnstalleerd om de luchtstroom over de stator-, rotor- en kernoppervlakken te forceren, waardoor de warmteafvoer wordt versneld. De efficiëntie van de warmteafvoer is veel hoger dan bij koeling met natuurlijke ventilatie en is geschikt voor hoofdvoedingswaterpompmotoren met middelhoog-vermogen. Op basis van de koelluchtcirculatiemethode kan deze worden onderverdeeld in open en gesloten systemen: Open geforceerde ventilatie zuigt omgevingslucht direct in de motor, voert deze na afkoeling af en voert deze vervolgens af. Het heeft een eenvoudige structuur en een hoge warmteafvoerefficiëntie, maar is gevoelig voor vervuiling door stof en waterdamp uit de omgeving, waardoor het luchtfilter regelmatig moet worden gereinigd. Gesloten geforceerde ventilatie maakt gebruik van interne luchtcirculatie, waarbij de circulerende lucht wordt gekoeld via een externe koeler voordat deze opnieuw-de motor binnenkomt, waardoor wordt voorkomen dat milieuverontreinigende stoffen de motor binnendringen. Het is geschikt voor omgevingen in kerncentrales met veel stof en vochtigheid, maar de structuur ervan is relatief complex en vereist onderhoud aan het koeler- en circulatiesysteem.
2. Vloeistofkoeling
Vloeistofkoeling maakt gebruik van vloeistoffen zoals water en olie als warmteafvoermedium. Door gebruik te maken van de hoge specifieke warmtecapaciteit en de hoge warmteafvoerefficiëntie van vloeistoffen, wordt warmte door vloeistofcirculatie van de motor afgevoerd. Het is geschikt voor hoog-vermogen, hoge-warmte-genererende hoofdvoedingswaterpompmotoren in kerncentrales en is momenteel de reguliere koelmethode. Volledig gesloten waterkoeling wordt het meest gebruikt, en de belangrijkste voedingswaterpompmotoren in het Fase I-project van de kerncentrale van Haiyang gebruiken deze koelmethode.
Water-gekoeld koelsysteem: met behulp van gedeïoniseerd water of een speciaal koelwaterbehandelingsmiddel als medium, wordt het verdeeld in interne koeling en externe koeling. Interne koelsystemen maken gebruik van koelwaterleidingen die in de stator- en rotorwikkelingen van de motor zijn geïnstalleerd, waardoor koelwater door de wikkelingen kan stromen en de door de wikkelingen gegenereerde warmte direct kan worden afgevoerd. Dit resulteert in een extreem hoge warmteafvoerefficiëntie en is geschikt voor motoren met grote- capaciteit en hoog- vermogen. Externe koelsystemen maken daarentegen gebruik van een koelmantel op de motorbehuizing. Koelwater stroomt door de koelmantel en wisselt warmte uit met de motorbehuizing, waardoor indirect warmte wordt afgevoerd. Dit systeem is relatief eenvoudig van structuur en gemakkelijk te onderhouden, maar de efficiëntie van de warmteafvoer is iets lager dan die van interne koelsystemen.
Het waterkoelsysteem voor de hoofdvoedingswaterpompmotor in een kerncentrale is doorgaans gekoppeld aan het koelwatersysteem van de apparatuur van de energiecentrale. De koelwaterinlaat en -uitlaat zijn via flenzen verbonden met het koelwatersysteem van de apparatuur van de energiecentrale, waardoor een gesloten-luscirculatie ontstaat. Het systeem omvat een koelboosterpomp, een filter, een temperatuurbewakingseenheid en een stroombewakingseenheid. De koelboosterpomp levert stroom aan de koelwaterstroom, het filter voorkomt dat onzuiverheden de koelleidingen verstoppen, en de temperatuurbewakingseenheid verzamelt de temperatuur van het koelmedium in realtime en stuurt deze terug naar de hoofdcontrolekamer van de energiecentrale, waardoor automatische aanpassing van het koelsysteem mogelijk wordt en ervoor wordt gezorgd dat de motortemperatuur stabiel binnen het nominale bereik blijft.
3. Olie-gekoeld systeem: Dit systeem gebruikt gespecialiseerde koelolie als medium, waardoor de olie circuleert om warmte uit de motor te verwijderen en tegelijkertijd voor smering te zorgen. Het is geschikt voor motoren met hoge-snelheid en hoge- belasting. De koelolie stroomt door de wikkelingen, lagers en andere componenten in de motor en absorbeert warmte voordat deze een externe koeler binnengaat om warmte uit te wisselen met lucht of koelwater. Na afkoeling wordt de olie gerecycled. De voordelen van een olie-gekoeld systeem zijn een uniforme warmteafvoer en smering, waardoor lagers en andere mechanische componenten effectief worden beschermd. Het vereist echter regelmatige olieverversing, wat resulteert in hogere onderhoudskosten en een risico op olielekkage. Daarom is de toepassing ervan in de belangrijkste voedingswaterpompmotoren van kerncentrales relatief beperkt.
Samengestelde koelmethode Voor hoofdvoedingswaterpompmotoren met extreem hoog vermogen en aanzienlijke warmteontwikkeling is een enkele koelmethode onvoldoende om aan de eisen voor warmteafvoer te voldoen. Daarom worden doorgaans samengestelde koelmethoden gebruikt, waarbij luchtkoeling wordt gecombineerd met vloeistofkoeling, of interne koeling met externe koeling. De statorwikkelingen gebruiken bijvoorbeeld water-gekoelde interne koeling, de rotorwikkelingen gebruiken luchtkoeling en de kern gebruikt water-gekoelde externe koeling. Door multi-dimensionale warmteafvoer wordt ervoor gezorgd dat de motortemperatuur stabiel blijft binnen de nominale limieten tijdens werking op volle- belasting. Composietkoelmethoden bieden een hoge warmteafvoerefficiëntie en een sterk aanpassingsvermogen, maar ze zijn structureel complex, hebben hoge investeringskosten en zijn moeilijk te onderhouden. Ze worden voornamelijk gebruikt in hoofdvoedingswaterpompmotoren van kerncentrales van de megawatt-klasse en hoger.
Het koelsysteem van de hoofdvoedingswaterpompmotor in een kerncentrale is een cruciaal onderdeel dat de veilige en stabiele werking van de unit garandeert. De efficiëntie van de warmtedissipatie en de operationele betrouwbaarheid zijn rechtstreeks van invloed op de normale werking van het hoofdvoedingswaterpompsysteem, waardoor de thermische cyclus en veiligheidsbarrières van de gehele kerncentrale worden beïnvloed. Naarmate kerncentrales zich ontwikkelen naar grotere capaciteiten en hogere parameters, neemt het vermogen van de hoofdvoedingswaterpompmotor voortdurend toe, wat leidt tot een grotere warmteontwikkeling en steeds hogere eisen stelt aan de koeltechnologie.
Conclusie
Luchtkoeling, vloeistofkoeling en gecombineerde koelmethoden worden veel gebruikt in de belangrijkste voedingswaterpompmotoren van kerncentrales. Door het ontwerp van het koelsysteem te optimaliseren, efficiënte koelmedia te selecteren en de automatische besturings- en bewakingstechnologieën te verbeteren, zijn de efficiëntie en betrouwbaarheid van de warmteafvoer van het koelsysteem effectief verbeterd, waardoor wordt voldaan aan de eisen van de lange- termijnwerking van kerncentrales. Ondertussen zijn, met de voortdurende vooruitgang van kernenergietechnologie, intelligentisering, efficiëntie en vergroening de ontwikkelingstrends van koeltechnologie geworden. In de toekomst zal verder onderzoek en ontwikkeling van efficiënte en energie-besparende koeltechnologieën, zoals nieuwe composietkoelmaterialen en intelligente adaptieve koelsystemen, worden uitgevoerd om nauwkeurige controle en energie-besparende werking van koelsystemen te bereiken. Tegelijkertijd zal de intelligente bediening en het onderhoud van koelsystemen worden versterkt. Via big data, het internet der dingen en andere technologieën zullen realtime monitoring, vroegtijdige waarschuwing bij fouten en intelligente diagnose van de bedrijfsstatus van koelsystemen worden bereikt, waardoor de betrouwbaarheid, de werking en de onderhoudsefficiëntie van koelsystemen verder worden verbeterd en sterkere garanties worden geboden voor de veilige en efficiënte werking van kerncentrales.
