Het hoofdvoedingswaterkoelsysteem van een kerncentrale is een koelbarrière voor de nucleaire veiligheid

De kernpositionering en functionele waarde van het hoofdvoedingswaterkoelsysteem
Het energieconversieproces van een kerncentrale omvat in essentie het verwarmen van de koelvloeistof in het primaire circuit via de thermische energie die wordt gegenereerd door kernsplijting, en het vervolgens overbrengen van de thermische energie naar het hoofdvoedingswater in het secundaire circuit via een stoomgenerator, waarbij het voedingswater wordt omgezet in hoge-drukstoom om de stoomturbine aan te drijven voor energieopwekking. De kernfunctie van het hoofdvoedingswaterkoelsysteem is het leveren van een stabiel en regelbaar koelmedium voor deze cyclus, terwijl een redelijke warmteafvoer en -terugwinning wordt bereikt. De functionele waarde komt vooral tot uiting in drie aspecten.

Zorg allereerst voor de koeling van de reactorkern. De kern van een kernreactor geeft tijdens kernsplijting voortdurend een grote hoeveelheid warmte-energie vrij. Als het niet tijdig kan worden geëxporteerd, zal dit leiden tot een plotselinge stijging van de kerntemperatuur en ernstige veiligheidsongevallen veroorzaken. Het hoofdvoedingswaterkoelsysteem levert continu koelvoedingswater aan de stoomgenerator, absorbeert warmte van het primaire koelmiddel en zorgt ervoor dat de kerntemperatuur binnen een veilige drempel wordt gehouden, waardoor een belangrijke "koelbarrière" wordt gevormd voor de veiligheid van de reactor. Volgens statistieken van het IAEA houdt ongeveer 12% van de ongeplande stilleggingen van kerncentrales verband met storingen in het voedingswatersysteem, wat indirect de kritische veiligheidswaarde van het belangrijkste voedingswaterkoelsysteem bevestigt.

Ten tweede: behoud de stabiliteit van de secundaire luscyclus. Het hoofdkoelsysteem voor het voedingswater moet het debiet en de temperatuur van het voedingswater nauwkeurig aanpassen aan veranderingen in het reactorvermogen, waardoor stabiele stoomparameters aan de uitlaat van de stoomgenerator worden gegarandeerd en een continue en gekwalificeerde energiebron voor de turbine wordt geboden. Tijdens de lage- werking van de reactor wordt het debiet handmatig aangepast door de hoofdbypassregelklep voor het voedingswater; Tijdens werking met hoog-vermogen grijpt de hoofdregelklep voor het voedingswater automatisch in en past zich dynamisch aan op basis van het thermische vermogen van de stoomgenerator, waardoor de continuïteit en stabiliteit van de secundaire luscyclus wordt gewaarborgd.

Tot slot: zorg voor een efficiënt gebruik van energie. Het hoofdkoelsysteem voor het voedingswater zal het voedingswater tijdens het koelproces voorverwarmen, de afvalwarmte na stoomcondensatie terugwinnen, het energieverlies verminderen en de thermische efficiëntie van de kerncentrale verbeteren. Tegelijkertijd voldoet het, door de watervoorzieningsparameters nauwkeurig te controleren, de slijtage van apparatuur en het energieverbruik te verminderen en kerncentrales te helpen een economische werking op de lange- termijn te bereiken, aan de koolstofarme en efficiënte energieontwikkelingsbehoeften in het kader van de 'dual carbon'-strategie.

De samenstellingsarchitectuur en het werkingsprincipe van het hoofdvoedingswaterkoelsysteem
Het hoofdvoedingswaterkoelsysteem van een kerncentrale is een geïntegreerd en complex systeem met hoge{0}}precisie, dat voornamelijk bestaat uit de hoofdvoedingswaterpomp, de hoofdregelklep voor het voedingswater, apparatuur voor het voorverwarmen van het voedingswater, een pijpleidingsysteem, een bewakings- en controlesysteem en hulpapparatuur. De componenten werken samen om een ​​gesloten-koelcyclus te vormen, en het werkingsprincipe ervan draait om de drie kernverbindingen van "aanpassing van de warmte-uitwisselingsparameters voor transport van voedingswater".

Kerncomponenten en hun functies

• Hoofdvoedingswaterpomp: Als het 'krachthart' van het systeem is deze verantwoordelijk voor het leveren van hoog-zuiver voedingswater dat door de ontluchter wordt verwerkt, aan de stoomgenerator onder hoge druk. De bedrijfsomstandigheden zijn extreem zwaar en vereisen langdurig continu gebruik in omgevingen met hoge temperaturen (inlaatwatertemperatuur van ongeveer 220 graden) en hoge druk (uitlaatdruk kan 8-12 MPa bereiken). De ontwerplevensduur is doorgaans niet minder dan 40 jaar en er worden extreem hoge eisen gesteld aan de materiaalcorrosiebestendigheid en structurele afdichting. Momenteel maakt de mainstream in China gebruik van centrifugale hoofdvoedingswaterpompen met hoge snelheid, en sommige geavanceerde eenheden hebben geïntegreerde oplossingen aangenomen voor snelheidsregeling met variabele frequentie en intelligente monitoring. Sommige units zijn ook uitgerust met door stoom aangedreven voedingswaterpompen om ervoor te zorgen dat er nog steeds op hulpstoom kan worden vertrouwd om de werking in stand te houden en de systeembetrouwbaarheid te verbeteren in het geval van een stroomstoring in de hele fabriek. Het modulaire systeem van de belangrijkste voedingswaterpompgroep, ontwikkeld door het East China Electric Power Design Institute, verbetert effectief de operationele betrouwbaarheid en ontwerpefficiëntie van het systeem door de voorpomp, motor, hydraulische koppeling en hoofdpomp te integreren.
• Hoofdvoedingswaterregelklep: het "stroomcentrum" van het systeem, parallel werkend met de hoofdvoedingswateromleidingsregelklep, verantwoordelijk voor het nauwkeurig aanpassen van het voedingswaterdebiet op basis van veranderingen in het reactorvermogen en de bedrijfsstatus van de stoomgenerator. De prestaties ervan houden rechtstreeks verband met de stabiliteit van het watervoorzieningssysteem. Als er een storing optreedt, zal dit schommelingen in het hoofdtoevoerwaterdebiet veroorzaken, wat een bedreiging vormt voor de veiligheid van de unit. Veelvoorkomende fouten zijn onder meer versleten en gebroken schroefdraad die de klepsteel en klepkern verbindt, botsingsslijtage aan de binnenwand van het onderdeel van de klepkooi, abnormale feedback van lokalisatiesignalen, enz., die moeten worden opgelost door structurele optimalisatie en materiaalverbetering.

Apparatuur voor het voorverwarmen van voedingswater: omvat voornamelijk hogedrukverwarmers-, die worden gebruikt om het hoofdvoedingswater voor te verwarmen met behulp van de afvalwarmte van de stoomturbine-extractie, de temperatuur van het voedingswater te verhogen, het warmteverlies in de stoomgenerator te verminderen en de thermische belasting van de apparatuur te verminderen, waardoor de levensduur van het systeem wordt verlengd. Na het voorverwarmen komt het voedingswater de stoomgenerator binnen en kan het efficiënter warmte uit het primaire circuit absorberen, waardoor de efficiëntie van de stoomopwekking wordt verbeterd.

 

Bewakings- en controlesysteem: Het bestaat uit verschillende sensoren, controllers en actuatoren en bewaakt belangrijke parameters zoals de waterstroomsnelheid, temperatuur en druk in realtime-, en zorgt voor nauwkeurige parameteraanpassing via een geautomatiseerd controlesysteem. Door bijvoorbeeld het waterniveau en de temperatuur van de stoomgenerator te bewaken, worden de snelheid van de hoofdvoedingswaterpomp en de opening van de hoofdvoedingswaterregelklep automatisch aangepast om ervoor te zorgen dat de bedrijfsparameters van het systeem altijd binnen een veilig bereik liggen, terwijl realtime waarschuwingen en noodreacties bij fouten worden bereikt.

• Analyse van de workflow

Het werkproces van het hoofdkoelsysteem voor het voedingswater kan worden onderverdeeld in vier belangrijke stappen: de eerste stap is dat de ontluchter een ontluchtingsbehandeling uitvoert op het voedingswater, zuurstof en andere schadelijke gassen uit het water verwijdert, corrosie van pijpleidingen en apparatuur voorkomt en ervoor zorgt dat de zuiverheid van het voedingswater voldoet aan de normen van nucleaire kwaliteit; De tweede stap is het vooraf verhogen van de inlaatdruk van de hoofdpomp om cavitatie te voorkomen. Vervolgens brengt de hoofdvoedingswaterpomp het behandelde voedingswater onder druk en levert dit aan de hogedrukverwarmer; Stap drie: de hogedrukverwarmer gebruikt de afvalwarmte die uit de stoomturbine wordt onttrokken om het voedingswater voor te verwarmen en de temperatuur van het voedingswater te verhogen tot het opgegeven bereik; Stap vier: het voorverwarmde hoofdvoedingswater wordt naar de stoomgenerator getransporteerd om de warmte van het primaire koelmiddel te absorberen en om te zetten in hogedrukstoom-. Het gekoelde voedingswater stroomt vervolgens terug door het circulatiesysteem om de koelcyclus te voltooien. Gedurende het hele proces is het monitoring- en controlesysteem volledig betrokken, waarbij de bedrijfsparameters van elk onderdeel dynamisch worden aangepast op basis van veranderingen in het reactorvermogen en de werkingsstatus van het systeem om een ​​stabiele, veilige en efficiënte cyclus te garanderen.

Veiligheidsgarantie en storingsafhandeling van het hoofdvoedingswaterkoelsysteem

De veilige werking van het hoofdvoedingswaterkoelsysteem in kerncentrales is een belangrijke garantie voor de veiligheid van kernenergie. Vanwege de zware gebruiksomgeving van het systeem, dat lange tijd wordt blootgesteld aan hoge temperaturen, hoge druk en hoge straling, is het gevoelig voor slijtage van componenten, lekkage, regelafwijkingen en andere fouten. Daarom is het noodzakelijk om een ​​gedegen veiligheidsgarantiesysteem op te zetten om vroegtijdige detectie en oplossing van fouten te bewerkstelligen.

• Beveiligingsmaatregelen

Materiaal- en structurele optimalisatie: de kerncomponenten zijn gemaakt van zeer-sterkte, corrosie-bestendige en stralingsbestendige speciale materialen. De waaier en asafdichting van de hoofdvoedingswaterpomp zijn bijvoorbeeld gemaakt van austenitisch roestvrij staal met een ultra-laag koolstofgehalte of duplex roestvrij staal. De positioneringspen van de hoofdregelklep voor het voedingswater is gemaakt van hoog-sterkte Inconel750-materiaal, ter vervanging van traditionele materialen met lage sterkte, om de slijtvastheid en de levensduur van de componenten te verbeteren. Optimaliseer tegelijkertijd het structurele ontwerp van klepkooicomponenten en klepkernen, gebruik kleine gatenvensters en optimaliseer hun opstelling volgens de stroomcurve, verbeter de regelnauwkeurigheid en stroomcapaciteit en verminder trillingen en slijtage van componenten.

Ontwerp met dubbele redundantie: De belangrijkste uitrusting van het systeem gebruikt een redundante configuratie van "één voor gebruik en één voor back-up" of "meerdere voor gebruik en één voor back-up". De hoofdvoedingswaterpomp is bijvoorbeeld meestal uitgerust met 2-4 eenheden en bijbehorende back-uppompen om ervoor te zorgen dat wanneer een apparaat uitvalt, de back-upapparatuur snel in gebruik kan worden genomen om uitschakeling van het systeem te voorkomen. Tegelijkertijd heeft het besturingssysteem een ​​ontwerp met dubbele redundantie om te voorkomen dat het systeem de controle verliest als gevolg van het uitvallen van een enkele regeleenheid.

Intelligente monitoring en vroegtijdige waarschuwing: Met behulp van digital twin, AI-voorspellend onderhoud en andere technologieën wordt online statusmonitoring van belangrijke apparatuur zoals hoofdvoedingswaterpompen en regelkleppen uitgevoerd. Door middel van trillingsspectrumanalyse, temperatuurveldreconstructie en andere methoden wordt abnormale werking van de apparatuur in realtime geregistreerd en worden vooraf foutwaarschuwingen afgegeven. Na toepassing van een intelligent monitoringsysteem is de gemiddelde probleemloze bedrijfstijd van de hoofdvoedingswaterpomp verhoogd van 18.000 uur voor traditionele modellen naar meer dan 32.000 uur, waardoor het risico op ongeplande stilstand aanzienlijk wordt verminderd.

Technologische upgrade en industriële ontwikkelingstrend van het belangrijkste voedingswaterkoelsysteem
Met de voortdurende herhaling van kernenergietechnologie en de verdieping van de ‘dual carbon’-strategie ontwikkelt het belangrijkste voedingswaterkoelsysteem van kerncentrales zich in de richting van intelligentie, efficiëntie en lokalisatie. Technologische modernisering en industriële modernisering gaan synchroon vooruit, waardoor een sterkere steun ontstaat voor de veilige en efficiënte exploitatie van kernenergie.

• Technische upgrade richting

Intelligente upgrade: Integratie van technologieën zoals het Internet of Things, big data en kunstmatige intelligentie om een ​​intelligent beheersysteem voor de volledige levenscyclus te bouwen, waarmee realtime monitoring van systeemparameters, nauwkeurige foutdiagnose en intelligente bedienings- en onderhoudsplanning wordt gerealiseerd. Bijvoorbeeld door gebruik te maken van digital twin-technologie om een ​​virtueel model van het belangrijkste voedingswaterkoelsysteem te construeren, de bedrijfsstatus van het systeem te simuleren, foutrisico's vooraf te voorspellen, de exploitatie- en onderhoudsplannen te optimaliseren en de exploitatie- en onderhoudskosten te verlagen.

Efficiënte optimalisatie: door systeemprocessen te optimaliseren, de structuur van de apparatuur te verbeteren en de thermische efficiëntie en operationele stabiliteit van het systeem te verbeteren. Bijvoorbeeld het optimaliseren van het waaierontwerp van de hoofdvoedingswaterpomp om de transportefficiëntie te verbeteren en het energieverbruik te verminderen; Optimaliseer het voorverwarmingsproces van de watervoorziening, recupereer restwarmte volledig en verbeter de efficiëntie van het energieverbruik verder. Tegelijkertijd wordt er technologie voor snelheidsregeling met frequentieomzetting toegepast om de snelheid van de hoofdvoedingswaterpomp dynamisch aan te passen aan het reactorvermogen, waardoor een energie-besparende werking wordt bereikt.

Bevordering van lekvrije technologie: het gebruik van lekvrije pomptypes zoals magnetische pompen en afgeschermde pompen ter vervanging van traditionele asafdichtingspompen, waardoor het risico op waterlekkage wordt verminderd, de systeemveiligheid en milieubescherming worden verbeterd, terwijl de onderhoudskosten van apparatuur worden verlaagd en aanpassing aan de zware eisen van de bedrijfsomgeving van kerncentrales.

• Ontwikkelingstrends in de sector

Met de versnelling van de goedkeuringen van binnenlandse kernenergieprojecten en de gestage toename van het aantal eenheden in aanbouw, blijft de marktvraag naar apparatuur gerelateerd aan het belangrijkste voedingswaterkoelsysteem vrijkomen. Volgens schattingen wordt verwacht dat er tussen 2026 en 2030 30-40 nieuwe goedgekeurde kerncentrales zullen worden toegevoegd in China, wat overeenkomt met de vraag naar ongeveer 120-160 nieuwe nucleaire voedingswaterpompen. De omvang van de markt zal gestaag toenemen. Het lokalisatieproces blijft versnellen en het lokalisatiepercentage van de hoofdpompen heeft de 90% overschreden. Staatsbedrijven zoals Shanghai Electric, Dongfang Electric en Harbin Electric Group domineren de binnenlandse markt. Met een compleet productiesysteem en technische ervaring bereiken ze geleidelijk de binnenlandse vervanging van hoogwaardige producten en verminderen ze de afhankelijkheid van geïmporteerde apparatuur.

Ondertussen zal, met de vooruitgang van kleine modulaire reactoren (SMR's) en demonstratieprojecten op het gebied van kernenergietechnologie van de vierde generatie, geleidelijk de vraag naar nieuwe, efficiënte en compacte hoofdkoelapparatuur voor het voedingswater ontstaan, waardoor nieuwe groeimogelijkheden voor de industrie ontstaan. Bovendien zal, in de context van de versnelde export van kernenergie in het kader van het ‘Belt and Road Initiative’, de apparatuur die verband houdt met het binnenlandse hoofdtoevoerwaterkoelsysteem geleidelijk naar de internationale markt verschuiven, waardoor de mondiale concurrentiepositie van China’s kernenergieapparatuur verbetert [6].

Het belangrijkste voedingswaterkoelsysteem van een kerncentrale, als "koelbarrière" voor de nucleaire veiligheid, is de kern van de secundaire kringloopcyclus van kernenergie. De stabiele werking ervan houdt rechtstreeks verband met de veilige, efficiënte en koolstofarme werking van de kerncentrale. Van het optimaliseren van de structuur van kerncomponenten tot het verbeteren van de intelligentie van het systeem, van nauwkeurige foutafhandeling tot het bevorderen van binnenlandse vervanging: elke technologische doorbraak in het belangrijkste voedingswaterkoelsysteem heeft een solide basis gelegd voor de veiligheid van kernenergie.
In de context van de energietransitie, met de voortdurende ontwikkeling van kernenergietechnologie, zal het belangrijkste voedingswaterkoelsysteem zich blijven ontwikkelen in de richting van een intelligentere, efficiëntere en veiligere richting, waarbij voortdurend belangrijke technologische knelpunten worden doorbroken, het veiligheidsgarantiesysteem wordt verbeterd, sterke steun wordt geboden voor de hoogwaardige ontwikkeling van de Chinese kernenergie-industrie-, het doel van de 'dubbele koolstof' wordt bereikt en het veilige transport van schone kernenergie op elk niveau wordt gewaarborgd.