Chlazení motoru hlavního napájecího čerpadla v jaderné elektrárně
Mechanismus ohřevu a rizika hlavních motorů napájecích čerpadel v jaderných elektrárnách
Hlavní motory napájecích čerpadel v jaderných elektrárnách jsou většinou velkokapacitní asynchronní nebo synchronní motory s vysokým{1}výkonem. Jejich tvorba tepla primárně pramení z kombinovaných účinků elektrických ztrát, mechanických ztrát a faktorů prostředí. Mechanismus ohřevu je složitý a teplo se rychle akumuluje. Pokud chlazení není včasné, způsobí to různá nebezpečí pro zařízení a systémy.
Mechanismus ohřevu jádra
1. Elektrické ztrátové vytápění: Toto je hlavní zdroj generování tepla motoru, včetně ztrát mědi ve vinutí statoru, ztrát železa v jádru a dalších ztrát. Když jsou vinutí statoru pod napětím, proud procházející vodiči generuje Jouleovo teplo, tj. ztráty mědi. Velikost těchto ztrát pozitivně koreluje s druhou mocninou proudu a odporu vodiče. Vlivem střídavého magnetického pole jádro generuje hysterezní ztráty a ztráty vířivými proudy, tj. ztráty železa, které souvisí především s materiálem jádra, intenzitou magnetického pole a frekvencí. Kromě toho mohou harmonické složky generované frekvenčními měniči nebo nelineární zátěží zvýšit dodatečné ztráty motoru a dále zhoršit tvorbu tepla.
2. Mechanické ztráty generování tepla: Během provozu motoru vznikají mechanické ztráty a přeměňují se na teplo v důsledku tření ve vzduchové mezeře mezi rotorem a statorem, tření při otáčení ložiska a odporu při otáčení ventilátoru. Opotřebení ložisek, špatné mazání nebo nesprávná instalace výrazně zvyšují mechanické tření, což vede k dodatečnému vývinu tepla a stává se hlavní příčinou vzniku mechanických ztrát tepla.
3. Kombinované faktory prostředí: Hlavní čerpadla napájecí vody v jaderných elektrárnách jsou většinou umístěna v odvzdušňovacích místnostech hlavní budovy na konvenčním ostrově. V některých scénářích je okolní teplota vysoká a prostor je relativně uzavřený s omezeným větráním. Současně může provozní prostředí jaderných elektráren obsahovat znečišťující látky, jako je prach a vodní pára, které snadno ulpívají na povrchu nebo vnitřku motoru, blokují kanály pro odvod tepla a dále brání odvodu tepla, čímž zvyšují provozní teplotu motoru.
Nebezpečí nadměrné teploty Když teplota motoru překročí jmenovitý limit, bude to mít řadu negativních dopadů na výkon zařízení a bezpečnost systému: Za prvé to poškodí izolační výkon motoru. Vysoké teploty urychlují stárnutí a karbonizaci izolačních materiálů, snižují izolační odpor a dokonce způsobují zkraty vinutí a poruchy uzemnění, které přímo vedou k vypnutí motoru. Za druhé, ovlivňuje mechanický výkon motoru. Vysoké teploty způsobují tepelnou roztažnost a deformaci součástí, jako je rotor motoru a stator, což má za následek nerovnoměrné vzduchové mezery, sníženou přesnost mechanického uložení, zvýšené vibrace a hluk a ve vážných případech i mechanické zadření. Za třetí, snižuje provozní účinnost motoru. Zvýšená teplota zvyšuje odpor vodičů a ztráty mědi a zároveň snižuje propustnost jádra a zvyšuje ztráty železa, což vede ke zvýšené spotřebě energie motoru a snížení účinnosti. Za čtvrté, spouští kaskádové poruchy. Selhání při vypnutí motoru hlavního napájecího čerpadla způsobí přerušení hlavního systému napájecí vody, což ovlivní normální provoz parogenerátoru. Pokud se záložní čerpadlo nemůže spustit včas, může to způsobit snížení zátěže jaderné elektrárny nebo dokonce její okamžité odstavení, což má za následek značné ekonomické ztráty a bezpečnostní rizika.
Způsoby chlazení a technické vlastnosti motorů hlavních napájecích čerpadel v jaderných elektrárnách
S ohledem na požadavky na úroveň bezpečnosti, provozní podmínky a prostorové uspořádání jaderných elektráren musí způsob chlazení pro motory hlavních napájecích čerpadel splňovat základní požadavky, jako je účinný odvod tepla, spolehlivý provoz, pohodlná údržba a adaptabilita na jaderné prostředí. V současnosti se běžně používané způsoby chlazení pro motory hlavních napájecích čerpadel v jaderných elektrárnách dělí především do dvou kategorií: chlazení vzduchem a chlazení kapalinou. Různé způsoby chlazení mají různé konstrukční návrhy, účinnost rozptylu tepla a použitelné scénáře. V praktických aplikacích musí být proveden rozumný výběr na základě faktorů, jako je výkon motoru a provozní prostředí.
1. Způsob chlazení vzduchem Chlazení vzduchem využívá vzduch jako médium pro rozptyl tepla, které odvádí teplo generované motorem prouděním vzduchu. Má výhody, jako je jednoduchá konstrukce, pohodlná údržba a žádné riziko úniku. Je vhodný pro nízko-až{4}}středně výkonné motory hlavních napájecích čerpadel v prostředí s nízkými okolními teplotami a byl široce používán v raných elektrárnách jaderných elektráren a některých pomocných motorech napájecích čerpadel. Podle způsobu proudění vzduchu jej lze rozdělit na chlazení přirozenou ventilací a chlazení nucenou ventilací.
Chlazení přirozené ventilace závisí na vlastním odvodu tepla motoru a přirozené konvekci okolního vzduchu k dosažení odvodu tepla. Skříň motoru je obvykle navržena s konstrukcí chladiče, aby se zvětšila plocha pro odvod tepla. Teplo je vedeno do vzduchu přes chladič a přirozená konvekce je tvořena rozdílem hustoty vzduchu, aby se dokončila výměna tepla. Tato metoda nevyžaduje žádné další energetické zařízení, má nízké náklady na provoz a údržbu a žádné hlukové znečištění. Jeho účinnost odvádění tepla je však relativně nízká a je značně ovlivněna okolní teplotou a podmínkami větrání. Není vhodný pro motory hlavního napájecího čerpadla s vysokým-výkonem a vysokým-teplem-a je vhodný pouze pro pomocné motory s nízkým{8}}výkonem nebo záložní motory.
Chlazení nucenou ventilací využívá chladicí ventilátor nainstalovaný v zadní části motoru, který vynucuje proudění vzduchu přes povrchy statoru, rotoru a jádra, čímž se urychluje odvod tepla. Jeho účinnost odvádění tepla je mnohem vyšší než u chlazení přirozenou ventilací a je vhodná pro střední-motory hlavních napájecích čerpadel. Na základě způsobu cirkulace chladicího vzduchu jej lze rozdělit na otevřené a uzavřené systémy: Otevřená nucená ventilace přímo nasává okolní vzduch do motoru, po ochlazení jej odvádí a následně odvádí. Má jednoduchou konstrukci a vysokou účinnost odvodu tepla, ale je náchylný na znečištění prachem a vodní párou, což vyžaduje pravidelné čištění vzduchového filtru. Uzavřená nucená ventilace využívá vnitřní cirkulaci vzduchu, která před opětovným vstupem do motoru ochlazuje cirkulující vzduch prostřednictvím externího chladiče, čímž zabraňuje pronikání škodlivin z okolního prostředí do motoru. Je vhodný do prostředí jaderných elektráren s vysokou prašností a vlhkostí, ale jeho konstrukce je poměrně složitá, vyžaduje údržbu chladiče a cirkulačního systému.
2. Chlazení kapalinou
Chlazení kapalinou využívá kapaliny, jako je voda a olej, jako médium pro odvod tepla. Využitím vysoké měrné tepelné kapacity a vysoké účinnosti odvodu tepla kapalin je teplo odváděno z motoru cirkulací kapaliny. Je vhodný pro motory hlavních napájecích čerpadel v jaderných elektrárnách s vysokým-výkonem a vysokým-teplem-v jaderných elektrárnách a v současné době představuje hlavní způsob chlazení. Plně uzavřené vodní chlazení je nejrozšířenější a hlavní motory napájecích čerpadel v projektu I. fáze jaderné elektrárny Haiyang využívají tento způsob chlazení.
Vodou{0}}chlazený chladicí systém: Používá deionizovanou vodu nebo speciální prostředek na úpravu chladicí vody jako médium a dělí se na vnitřní chlazení a vnější chlazení. Vnitřní chladicí systémy využívají potrubí chladicí vody instalované uvnitř vinutí statoru a rotoru motoru, což umožňuje chladicí vodě proudit vinutím a přímo odvádět teplo generované vinutím. To má za následek extrémně vysokou účinnost odvodu tepla a je vhodné pro velkokapacitní -motory s vysokým výkonem. Externí chladicí systémy naproti tomu používají chladicí plášť na skříni motoru. Chladicí voda protéká chladicím pláštěm a vyměňuje si teplo s pláštěm motoru, čímž teplo nepřímo odebírá. Tento systém má relativně jednoduchou strukturu a snadno se udržuje, ale jeho účinnost odvádění tepla je o něco nižší než u systémů vnitřního chlazení.
Systém vodního chlazení pro motor hlavního napájecího čerpadla v jaderné elektrárně je obvykle propojen se systémem chladicí vody pro zařízení elektrárny. Vstup a výstup chladicí vody jsou připojeny k systému chladicí vody zařízení elektrárny přes příruby a tvoří tak uzavřenou-cirkulaci. Systém zahrnuje posilovací čerpadlo chlazení, filtr, jednotku sledování teploty a jednotku sledování průtoku. Posilovací čerpadlo chlazení dodává energii toku chladicí vody, filtr zabraňuje ucpávání chladicích trubek nečistotami a jednotka sledování teploty shromažďuje teplotu chladicího média v reálném čase a přivádí ji zpět do hlavního velínu elektrárny, což umožňuje automatické nastavení chladicího systému a zajišťuje, že teplota motoru zůstane stabilní ve jmenovitém rozsahu.
3. Olejem-chlazený systém: Tento systém využívá jako médium specializovaný chladicí olej, který cirkuluje olej, aby odváděl teplo z motoru a zároveň zajišťuje mazání. Je vhodný pro vysokorychlostní-motory s vysokým-zátěžem. Chladicí olej protéká vinutím, ložisky a dalšími součástmi uvnitř motoru a před vstupem do externího chladiče absorbuje teplo, aby si vyměnil teplo se vzduchem nebo chladicí vodou. Po ochlazení se olej recykluje. Výhody olejem-chlazeného systému jsou rovnoměrný odvod tepla a mazání, které účinně chrání ložiska a další mechanické součásti. Vyžaduje však pravidelnou výměnu oleje, což má za následek vyšší náklady na údržbu a riziko úniku oleje. Proto je jeho použití v motorech hlavních napájecích čerpadel jaderných elektráren poměrně omezené.
Kompozitní metoda chlazení U motorů hlavních napájecích čerpadel s extrémně vysokým výkonem a významným vývinem tepla nestačí jediný způsob chlazení ke splnění požadavků na odvod tepla. Proto se typicky používají kompozitní způsoby chlazení, které kombinují chlazení vzduchem s chlazením kapalinou nebo vnitřní chlazení s externím chlazením. Například vinutí statoru používá vodní-chlazené vnitřní chlazení, rotorové vinutí využívá chlazení vzduchem a jádro využívá vodou-chlazené externí chlazení. Prostřednictvím více{5}}dimenzionálního odvodu tepla je zajištěno, že teplota motoru zůstane stabilní v rámci jmenovitých limitů během provozu při plném-zátěži. Kompozitní způsoby chlazení nabízejí vysokou účinnost odvodu tepla a silnou přizpůsobivost, ale jsou konstrukčně složité, mají vysoké investiční náklady a je obtížné je udržovat. Používají se hlavně v motorech hlavních napájecích čerpadel třídy megawatt-a nad jadernými bloky.
Chladicí systém motoru hlavního napájecího čerpadla v jaderné elektrárně je klíčovou součástí zajišťující bezpečný a stabilní provoz bloku. Jeho účinnost odvádění tepla a provozní spolehlivost přímo ovlivňují normální provoz systému hlavního napájecího čerpadla, a tím ovlivňují tepelný cyklus celé jaderné elektrárny a bezpečnostní bariéry. S rozvojem jaderných bloků směrem k větším kapacitám a vyšším parametrům se výkon hlavního motoru napájecího čerpadla neustále zvyšuje, což vede k větší produkci tepla a klade stále vyšší požadavky na technologii chlazení.
Závěr
Chlazení vzduchem, chlazení kapalinou a kombinované způsoby chlazení jsou široce používány v motorech hlavních napájecích čerpadel jaderných elektráren. Optimalizací návrhu chladicího systému, výběrem účinných chladicích médií a zdokonalením technologií automatického řízení a monitorování se účinně zlepšila účinnost odvodu tepla a spolehlivost chladicího systému, který splňuje požadavky dlouhodobého-provozu jaderných bloků. Mezitím, s neustálým pokrokem v technologii jaderné energetiky, se inteligence, účinnost a ekologizace staly vývojovými trendy technologie chlazení. V budoucnu bude probíhat další výzkum a vývoj účinných a energeticky-úsporných chladicích technologií, jako jsou nové kompozitní chladicí materiály a inteligentní adaptivní chladicí systémy, aby bylo dosaženo přesného řízení a energeticky-úsporného provozu chladicích systémů. Zároveň bude posílen inteligentní provoz a údržba chladicích systémů. Prostřednictvím velkých dat, internetu věcí a dalších technologií bude dosaženo-monitorování v reálném čase, včasného varování před poruchami a inteligentní diagnostiky provozního stavu chladicích systémů, což dále zlepší spolehlivost a efektivitu provozu a údržby chladicích systémů a poskytne silnější záruky pro bezpečný a efektivní provoz jaderných elektráren.
