Resfriamento do motor principal da bomba de água de alimentação em usina nuclear

Mecanismo de aquecimento e perigos dos principais motores das bombas de água de alimentação em usinas nucleares
Os principais motores de bomba de água de alimentação em usinas nucleares são, em sua maioria, motores assíncronos ou síncronos de grande-capacidade e alta{1}}potência. Sua geração de calor decorre principalmente dos efeitos combinados de perdas elétricas, perdas mecânicas e fatores ambientais. O mecanismo de aquecimento é complexo e o calor acumula-se rapidamente. Se o resfriamento não for oportuno, causará vários riscos aos equipamentos e sistemas.

Mecanismo de aquecimento central

1. Aquecimento por perda elétrica: Esta é a principal fonte de geração de calor do motor, incluindo perdas de cobre no enrolamento do estator, perdas de ferro no núcleo e perdas adicionais. Quando os enrolamentos do estator são energizados, a corrente que passa pelos condutores gera calor Joule, ou seja, perdas no cobre. A magnitude dessas perdas está positivamente correlacionada com o quadrado da corrente e a resistência do condutor. Sob a influência de um campo magnético alternado, o núcleo gera perdas por histerese e perdas por correntes parasitas, ou seja, perdas de ferro, que estão principalmente relacionadas ao material do núcleo, à intensidade do campo magnético e à frequência. Além disso, os harmônicos gerados pelos conversores de frequência ou pelas cargas não lineares podem aumentar as perdas adicionais do motor, agravando ainda mais a geração de calor.

2. Geração de calor por perda mecânica: Durante a operação do motor, perdas mecânicas são geradas e convertidas em calor devido ao atrito do entreferro entre o rotor e o estator, atrito de rotação do rolamento e resistência à rotação do ventilador. O desgaste dos rolamentos, a lubrificação deficiente ou a instalação inadequada aumentam significativamente o atrito mecânico, levando à geração adicional de calor e tornando-se a principal causa da perda mecânica de geração de calor.

3. Fatores Ambientais Combinados: As principais bombas de água de alimentação nas usinas nucleares estão localizadas principalmente nas salas de desaerador do edifício principal da ilha convencional. Em alguns cenários, a temperatura ambiente é elevada e o espaço é relativamente fechado com ventilação limitada. Simultaneamente, o ambiente operacional das usinas nucleares pode conter poluentes como poeira e vapor d'água, que aderem facilmente à superfície ou interior do motor, bloqueando os canais de dissipação de calor e dificultando ainda mais a dissipação de calor, aumentando assim a temperatura operacional do motor.

Riscos de Temperatura Excessiva Quando a temperatura do motor excede o limite nominal, haverá uma série de impactos negativos no desempenho do equipamento e na segurança do sistema: Primeiro, prejudica o desempenho do isolamento do motor. As altas temperaturas aceleram o envelhecimento e a carbonização dos materiais de isolamento, reduzindo a resistência do isolamento e até causando curtos-circuitos nos enrolamentos e falhas de aterramento, levando diretamente ao desligamento do motor. Em segundo lugar, afecta o desempenho mecânico do motor. As altas temperaturas causam expansão térmica e deformação de componentes como o rotor e o estator do motor, resultando em entreferros irregulares, diminuição da precisão do ajuste mecânico, aumento da vibração e do ruído e, em casos graves, bloqueio mecânico. Terceiro, reduz a eficiência operacional do motor. O aumento da temperatura aumenta a resistência do condutor e as perdas de cobre, ao mesmo tempo que diminui a permeabilidade do núcleo e aumenta as perdas de ferro, levando ao aumento do consumo de energia do motor e à redução da eficiência. Quarto, desencadeia falhas em cascata. A falha no desligamento do motor da bomba de água de alimentação principal causará uma interrupção no sistema de água de alimentação principal, afetando o funcionamento normal do gerador de vapor. Se a bomba de reserva não puder arrancar a tempo, poderá fazer com que a unidade de energia nuclear reduza a carga ou mesmo desligue urgentemente, resultando em perdas económicas significativas e riscos de segurança.

Métodos de resfriamento e características técnicas dos principais motores de bombas de água de alimentação em usinas nucleares

Considerando os requisitos de nível de segurança, condições de operação e layout espacial das usinas nucleares, o método de resfriamento dos principais motores das bombas de água de alimentação deve atender aos requisitos essenciais, como dissipação de calor eficiente, operação confiável, manutenção conveniente e adaptabilidade ao ambiente nuclear. Atualmente, os métodos de resfriamento comumente usados ​​para os principais motores das bombas de água de alimentação em usinas nucleares são divididos principalmente em duas categorias: resfriamento a ar e resfriamento a líquido. Diferentes métodos de resfriamento têm diferentes projetos estruturais, eficiências de dissipação de calor e cenários aplicáveis. Em aplicações práticas, uma seleção razoável deve ser feita com base em fatores como potência do motor e ambiente operacional.

1. Método de resfriamento a ar O resfriamento a ar utiliza o ar como meio de dissipação de calor, transportando o calor gerado pelo motor através do fluxo de ar. Possui vantagens como estrutura simples, manutenção conveniente e nenhum risco de vazamento. É adequado para motores de bombas principais de água de alimentação de baixa-a{4}}potência principal em ambientes com baixas temperaturas ambientes e foi amplamente utilizado nas primeiras unidades de usinas nucleares e em alguns motores auxiliares de bombas de água de alimentação. Dependendo do método de fluxo de ar, ele pode ser dividido em resfriamento por ventilação natural e resfriamento por ventilação forçada.

O resfriamento por ventilação natural depende da dissipação de calor do próprio motor e da convecção natural do ar ambiente para obter a dissipação de calor. A carcaça do motor geralmente é projetada com uma estrutura de dissipador de calor para aumentar a área de dissipação de calor. O calor é conduzido para o ar através do dissipador de calor, e a convecção natural é formada pela diferença de densidade do ar para completar a troca de calor. Este método não requer equipamento de energia adicional, tem baixos custos operacionais e de manutenção e não apresenta poluição sonora. No entanto, a sua eficiência de dissipação de calor é relativamente baixa e é muito afetada pela temperatura ambiente e pelas condições de ventilação. Ele não é adequado para motores de bomba de água de alimentação principal de alta-potência e alto{6}}calor-geradores e é adequado apenas para motores auxiliares de baixa-potência ou motores de reserva.

O resfriamento por ventilação forçada usa um ventilador instalado na parte traseira do motor para forçar o fluxo de ar sobre o estator, o rotor e as superfícies do núcleo, acelerando a dissipação de calor. Sua eficiência de dissipação de calor é muito maior do que o resfriamento por ventilação natural e é adequada para motores de bomba de água de alimentação principal de média-potência. Com base no método de circulação do ar de resfriamento, ele pode ser dividido em sistemas abertos e fechados: A ventilação forçada aberta atrai diretamente o ar ambiente para dentro do motor, dissipa-o após o resfriamento e depois o esgota. Possui estrutura simples e alta eficiência de dissipação de calor, mas é suscetível à contaminação ambiental por poeira e vapor d'água, necessitando de limpeza regular do filtro de ar. A ventilação forçada fechada utiliza circulação de ar interna, resfriando o ar circulante através de um resfriador externo antes-de entrar novamente no motor, evitando que poluentes ambientais entrem no motor. É adequado para ambientes de usinas nucleares com alto teor de poeira e umidade, mas sua estrutura é relativamente complexa, exigindo manutenção do sistema de refrigeração e circulação.

2. Resfriamento líquido

O resfriamento líquido usa líquidos como água e óleo como meio de dissipação de calor. Utilizando a alta capacidade de calor específico e a alta eficiência de dissipação de calor dos líquidos, o calor é transportado para fora do motor através da circulação de líquidos. Ele é adequado para motores principais de bomba de água de alimentação de alta-potência e alto{3}}calor-geradores em usinas de energia nuclear e atualmente é o método de resfriamento convencional. O resfriamento a água totalmente fechado é o mais amplamente utilizado, e os principais motores das bombas de água de alimentação no projeto Fase I da Usina Nuclear de Haiyang usam esse método de resfriamento.

Sistema de resfriamento-resfriado a água: usando água deionizada ou um agente especial de tratamento de água de resfriamento como meio, ele é dividido em formas de resfriamento interno e resfriamento externo. Os sistemas de resfriamento interno utilizam tubos de água de resfriamento instalados dentro dos enrolamentos do estator e do rotor do motor, permitindo que a água de resfriamento flua através dos enrolamentos e remova diretamente o calor gerado pelos enrolamentos. Isso resulta em eficiência de dissipação de calor extremamente alta e é adequado para motores de grande-capacidade e alta{4}}potência. Os sistemas de refrigeração externos, por outro lado, utilizam uma camisa de refrigeração na carcaça do motor. A água de resfriamento flui através da camisa de resfriamento e troca calor com a carcaça do motor, removendo indiretamente o calor. Este sistema é relativamente simples em estrutura e fácil de manter, mas sua eficiência de dissipação de calor é ligeiramente inferior à dos sistemas de refrigeração interna.

O sistema de resfriamento de água para o motor principal da bomba de água de alimentação em uma usina nuclear está normalmente ligado ao sistema de água de resfriamento do equipamento da usina. A entrada e a saída da água de resfriamento são conectadas ao sistema de água de resfriamento do equipamento da usina por meio de flanges, formando um circuito-fechado de circulação. O sistema inclui uma bomba auxiliar de resfriamento, um filtro, uma unidade de monitoramento de temperatura e uma unidade de monitoramento de fluxo. A bomba auxiliar de resfriamento fornece energia para o fluxo de água de resfriamento, o filtro evita que impurezas obstruam os tubos de resfriamento e a unidade de monitoramento de temperatura coleta a temperatura do meio de resfriamento em tempo real e a envia de volta para a sala de controle principal da usina, permitindo o ajuste automático do sistema de resfriamento e garantindo que a temperatura do motor permaneça estável dentro da faixa nominal.

3. Sistema-resfriado a óleo: Este sistema usa óleo de resfriamento especializado como meio, circulando o óleo para remover o calor do motor e ao mesmo tempo fornecer lubrificação. É adequado para motores de alta-velocidade e alta{4}}carga. O óleo de resfriamento flui através dos enrolamentos, rolamentos e outros componentes dentro do motor, absorvendo calor antes de entrar em um resfriador externo para trocar calor com ar ou água de resfriamento. Após o resfriamento, o óleo é reciclado. As vantagens de um sistema-resfriado a óleo são a dissipação de calor e a lubrificação uniformes, protegendo efetivamente os rolamentos e outros componentes mecânicos. No entanto, exige a substituição regular do óleo, resultando em custos de manutenção mais elevados e num risco de fuga de óleo. Portanto, sua aplicação nos principais motores de bombas de água de alimentação de usinas nucleares é relativamente limitada.

Método de resfriamento composto Para motores de bombas de água de alimentação principais com potência extremamente alta e geração de calor significativa, um único método de resfriamento é insuficiente para atender aos requisitos de dissipação de calor. Portanto, métodos de resfriamento composto são normalmente empregados, combinando resfriamento a ar com resfriamento a líquido, ou resfriamento interno com resfriamento externo. Por exemplo, os enrolamentos do estator usam resfriamento interno-resfriado a água, os enrolamentos do rotor usam resfriamento a ar e o núcleo usa resfriamento externo-resfriado a água. Através da dissipação de calor multi-dimensional, é garantido que a temperatura do motor permaneça estável dentro dos limites nominais durante a operação-com plena carga. Os métodos de resfriamento composto oferecem alta eficiência de dissipação de calor e forte adaptabilidade, mas são estruturalmente complexos, têm altos custos de investimento e são difíceis de manter. Eles são usados ​​principalmente em motores de bombas de água de alimentação principais de classe megawatt-e unidades de energia nuclear superiores.

O sistema de resfriamento do motor principal da bomba de água de alimentação em uma usina nuclear é um componente crucial para garantir a operação segura e estável da unidade. Sua eficiência de dissipação de calor e confiabilidade operacional afetam diretamente a operação normal do sistema principal de bomba de água de alimentação, impactando assim todo o ciclo térmico e as barreiras de segurança da usina nuclear. À medida que as unidades de energia nuclear se desenvolvem no sentido de maiores capacidades e parâmetros mais elevados, a potência do motor principal da bomba de água de alimentação aumenta continuamente, levando a uma maior geração de calor e colocando exigências cada vez mais elevadas na tecnologia de arrefecimento.

Conclusão

Os métodos de resfriamento a ar, resfriamento a líquido e resfriamento combinado são amplamente utilizados nos principais motores de bombas de água de alimentação de usinas nucleares. Ao otimizar o projeto do sistema de resfriamento, selecionar meios de resfriamento eficientes e melhorar as tecnologias de controle e monitoramento automáticos, a eficiência e a confiabilidade da dissipação de calor do sistema de resfriamento foram efetivamente melhoradas, atendendo aos requisitos de operação-de longo prazo das unidades de energia nuclear. Entretanto, com o avanço contínuo da tecnologia de energia nuclear, a inteligência, a eficiência e a ecologização tornaram-se tendências de desenvolvimento da tecnologia de refrigeração. No futuro, serão realizadas mais pesquisas e desenvolvimento de tecnologias de resfriamento eficientes e{4}}que economizam energia, como novos materiais de resfriamento compostos e sistemas de resfriamento adaptativos inteligentes, para obter controle preciso e operação com economia-de energia dos sistemas de resfriamento. Ao mesmo tempo, a operação e manutenção inteligentes dos sistemas de refrigeração serão reforçadas. Por meio de big data, da Internet das Coisas e de outras tecnologias, serão alcançados monitoramento-em tempo real, alerta precoce de falhas e diagnóstico inteligente do status operacional dos sistemas de refrigeração, melhorando ainda mais a confiabilidade e a eficiência de operação e manutenção dos sistemas de refrigeração e fornecendo garantias mais sólidas para a operação segura e eficiente de usinas de energia nuclear.