O principal sistema de resfriamento de água de alimentação de uma usina nuclear é uma barreira de resfriamento para a segurança nuclear
O posicionamento central e o valor funcional do sistema principal de resfriamento de água de alimentação
O processo de conversão de energia de uma usina nuclear envolve essencialmente o aquecimento do refrigerante no circuito primário por meio da energia térmica gerada pela fissão nuclear e, em seguida, a transferência da energia térmica para a água de alimentação principal no circuito secundário por meio de um gerador de vapor, convertendo a água de alimentação em vapor de alta-pressão para acionar a turbina a vapor para geração de energia. A principal função do sistema de resfriamento de água de alimentação principal é fornecer um meio de resfriamento estável e controlável para este ciclo, ao mesmo tempo em que obtém dissipação e recuperação de calor razoáveis. Seu valor funcional reflete-se principalmente em três aspectos.
Em primeiro lugar, garanta o resfriamento do núcleo do reator. O núcleo de um reator nuclear libera continuamente uma grande quantidade de energia térmica durante a fissão nuclear. Se não puder ser exportado em tempo hábil, levará a um aumento repentino da temperatura central e causará graves acidentes de segurança. O sistema principal de resfriamento da água de alimentação fornece continuamente água de resfriamento para o gerador de vapor, absorve o calor do refrigerante primário e garante que a temperatura central seja mantida dentro de um limite seguro, formando uma importante "barreira de resfriamento" para a segurança do reator. De acordo com as estatísticas da AIEA, aproximadamente 12% dos encerramentos não planeados em centrais nucleares estão relacionados com falhas no sistema de água de alimentação, o que confirma indirectamente o valor crítico de segurança do principal sistema de arrefecimento da água de alimentação.
Em segundo lugar, mantenha a estabilidade do ciclo do circuito secundário. O sistema principal de resfriamento da água de alimentação precisa ajustar com precisão a vazão e a temperatura da água de alimentação de acordo com as mudanças na potência do reator, garantindo parâmetros de vapor estáveis na saída do gerador de vapor e fornecendo uma fonte de energia contínua e qualificada para a turbina. Durante a operação-de baixa potência do reator, a vazão é ajustada manualmente pela válvula de controle de desvio de água de alimentação principal; Durante a operação de alta-potência, a válvula reguladora de água de alimentação principal intervém automaticamente e se ajusta dinamicamente de acordo com a potência térmica do gerador de vapor, garantindo a continuidade e estabilidade do ciclo do circuito secundário.
Finalmente, consiga uma utilização eficiente da energia. O sistema principal de resfriamento da água de alimentação irá pré-aquecer a água de alimentação durante o processo de resfriamento, recuperar o calor residual após a condensação do vapor, reduzir a perda de energia e melhorar a eficiência térmica da unidade de energia nuclear. Ao mesmo tempo, ao controlar com precisão os parâmetros de abastecimento de água, reduzir o desgaste dos equipamentos e o consumo de energia e ajudar as unidades de energia nuclear a alcançar uma operação económica a longo-prazo, satisfaz as necessidades de desenvolvimento de energia eficiente e de baixo-carbono no âmbito da estratégia de "carbono duplo".
A arquitetura da composição e o princípio de funcionamento do sistema principal de resfriamento de água de alimentação
O principal sistema de resfriamento de água de alimentação de uma usina nuclear é um sistema integrado e complexo de{0}}alta precisão, composto principalmente pela bomba principal de água de alimentação, válvula reguladora principal de água de alimentação, equipamento de pré-aquecimento de água de alimentação, sistema de tubulação, sistema de monitoramento e controle e equipamento auxiliar. Os componentes trabalham juntos para formar um ciclo de resfriamento-de circuito fechado, e seu princípio de funcionamento gira em torno dos três links principais de "ajuste dos parâmetros de troca de calor do transporte de água de alimentação".
Componentes principais e suas funções
- Bomba principal de água de alimentação: como o "coração motorizado" do sistema, ela é responsável por fornecer água de alimentação de alta-pureza processada pelo desaerador para o gerador de vapor em alta pressão. Suas condições de operação são extremamente severas, exigindo operação contínua de longo-prazo em ambientes de alta temperatura (temperatura da água de entrada de cerca de 220 graus) e alta pressão (a pressão de saída pode atingir 8-12 MPa). A vida útil do projeto geralmente não é inferior a 40 anos, e requisitos extremamente elevados são impostos à resistência à corrosão do material e à vedação estrutural. Atualmente, a corrente principal na China adota bombas centrífugas principais de água de alimentação de alta velocidade, e algumas unidades avançadas adotaram soluções integradas de regulação de velocidade de frequência variável e monitoramento inteligente. Algumas unidades também são equipadas com bombas de água de alimentação acionadas por vapor para garantir que o vapor auxiliar ainda possa ser utilizado para manter a operação e melhorar a confiabilidade do sistema no caso de uma queda de energia em toda a planta. O sistema modular do principal grupo de bombas de água de alimentação desenvolvido pelo East China Electric Power Design Institute melhora efetivamente a confiabilidade operacional do sistema e a eficiência do projeto, integrando a pré-bomba, o motor, o acoplador hidráulico e a bomba principal.
- Válvula principal de controle de água de alimentação: o “centro de fluxo” do sistema, trabalhando em paralelo com a válvula principal de controle de desvio de água de alimentação, responsável por ajustar com precisão a vazão da água de alimentação com base nas mudanças na potência do reator e no status de operação do gerador de vapor. Seu desempenho está diretamente relacionado à estabilidade do sistema de abastecimento de água. Se ocorrer uma falha, causará flutuações na vazão da água de alimentação principal, representando uma ameaça à segurança da unidade. Falhas comuns incluem roscas desgastadas e quebradas conectando a haste da válvula e o núcleo da válvula, desgaste por colisão na parede interna do componente da gaiola da válvula, feedback anormal dos sinais do localizador, etc., que precisam ser resolvidos por meio de otimização estrutural e atualização de material.
Equipamento de pré-aquecimento de água de alimentação: inclui principalmente aquecedores de alta-pressão, que são usados para pré-aquecer a água de alimentação principal usando o calor residual da extração da turbina a vapor, aumentar a temperatura da água de alimentação, reduzir a perda de calor no gerador de vapor e reduzir o estresse térmico do equipamento, prolongando assim a vida útil do sistema. Após o pré-aquecimento, a água de alimentação entra no gerador de vapor e pode absorver o calor do circuito primário de forma mais eficiente, melhorando a eficiência da geração de vapor.
Sistema de monitoramento e controle: composto por vários sensores, controladores e atuadores, ele monitora parâmetros importantes como vazão de água, temperatura e pressão em tempo-real e consegue ajuste preciso dos parâmetros por meio de um sistema de controle automatizado. Por exemplo, ao monitorar o nível da água e a temperatura do gerador de vapor, a velocidade da bomba principal de água de alimentação e a abertura da válvula principal de controle de água de alimentação são ajustadas automaticamente para garantir que os parâmetros operacionais do sistema estejam sempre dentro de uma faixa segura, ao mesmo tempo em que se obtém avisos-em tempo real e resposta de emergência a falhas.
- Análise de fluxo de trabalho
O processo de trabalho do sistema de resfriamento da água de alimentação principal pode ser dividido em quatro etapas principais: a primeira etapa é que o desaerador realiza o tratamento de desaeração na água de alimentação, removendo oxigênio e outros gases nocivos da água, evitando a corrosão de tubulações e equipamentos e garantindo que a pureza da água de alimentação atenda aos padrões de grau nuclear; O segundo passo é aumentar antecipadamente a pressão de entrada da bomba principal para evitar cavitação. Em seguida, a bomba principal de água de alimentação pressuriza a água de alimentação tratada e a entrega ao aquecedor de alta-pressão; Etapa três, o aquecedor de alta-pressão usa o calor residual extraído da turbina a vapor para pré-aquecer a água de alimentação e elevar a temperatura da água de alimentação até a faixa especificada; Etapa quatro, a água de alimentação principal pré-aquecida é transportada para o gerador de vapor para absorver o calor do refrigerante primário e convertê-lo em vapor de alta-pressão. A água de alimentação resfriada flui de volta através do sistema de circulação para completar o ciclo de resfriamento. Ao longo de todo o processo, o sistema de monitoramento e controle está totalmente envolvido, ajustando dinamicamente os parâmetros operacionais de cada componente com base nas alterações na potência do reator e no status de operação do sistema para garantir um ciclo estável, seguro e eficiente.
Garantia de segurança e tratamento de falhas do sistema principal de resfriamento de água de alimentação
A operação segura do principal sistema de resfriamento de água de alimentação em usinas nucleares é uma garantia importante para a segurança da energia nuclear. Devido ao ambiente operacional rigoroso do sistema, que é exposto a altas temperaturas, alta pressão e alta radiação por um longo período, ele está sujeito a desgaste de componentes, vazamentos, anormalidades de controle e outras falhas. Portanto, é necessário estabelecer um sistema sólido de garantia de segurança para conseguir a detecção precoce e a eliminação de falhas.
- Medidas de segurança
Otimização de materiais e estruturais: os componentes principais são feitos de materiais especiais de alta-resistência, corrosão-e resistentes à radiação. Por exemplo, o impulsor e a vedação do eixo da bomba principal de água de alimentação são feitos de aço inoxidável austenítico com ultra{3}}carbono ou aço inoxidável duplex. O pino de posicionamento da válvula reguladora de água de alimentação principal é feito de material Inconel750 de alta-resistência, substituindo os materiais tradicionais de baixa resistência, para melhorar a resistência ao desgaste e a vida útil dos componentes. Ao mesmo tempo, otimize o projeto estrutural dos componentes da gaiola da válvula e dos núcleos das válvulas, adote pequenas janelas de orifícios e otimize seu arranjo de acordo com a curva de fluxo, melhore a precisão da regulação e a capacidade de fluxo e reduza a vibração e o desgaste dos componentes.
Design de redundância dupla: Os principais equipamentos do sistema adotam uma configuração redundante de "um para uso e outro para backup" ou "múltiplos para uso e um para backup". Por exemplo, a bomba principal de água de alimentação é normalmente equipada com 2 a 4 unidades e bombas de reserva correspondentes para garantir que, quando um equipamento falhar, o equipamento de reserva possa ser rapidamente colocado em operação para evitar o desligamento do sistema. Ao mesmo tempo, o sistema de controle adota um design de redundância dupla para evitar que o sistema perca o controle devido à falha de uma única unidade de controle.
Monitoramento inteligente e alerta precoce: Com a ajuda do gêmeo digital, manutenção preditiva de IA e outras tecnologias, é realizado o monitoramento on-line do status de equipamentos importantes, como bombas principais de água de alimentação e válvulas reguladoras. Através da análise do espectro de vibração, reconstrução do campo de temperatura e outros métodos, a operação anormal do equipamento é capturada em tempo real e avisos de falha são emitidos antecipadamente. Após a adoção de um sistema de monitoramento inteligente, o tempo médio de operação sem problemas da bomba principal de água de alimentação aumentou de 18.000 horas para modelos tradicionais para mais de 32.000 horas, reduzindo significativamente o risco de paradas não planejadas.
Atualização tecnológica e tendência de desenvolvimento da indústria do principal sistema de resfriamento de água de alimentação
Com a iteração contínua da tecnologia de energia nuclear e o aprofundamento da estratégia de "carbono duplo", o principal sistema de refrigeração da água de alimentação das centrais nucleares está a desenvolver-se no sentido da inteligência, eficiência e localização. A modernização tecnológica e a modernização industrial avançam em sincronia, proporcionando um apoio mais forte ao funcionamento seguro e eficiente da energia nuclear.
- Direção de atualização técnica
Atualização inteligente: integração de tecnologias como Internet das Coisas, big data e inteligência artificial para criar um sistema de gerenciamento inteligente de ciclo de vida completo, alcançando monitoramento-em tempo real dos parâmetros operacionais do sistema, diagnóstico preciso de falhas e programação inteligente de operação e manutenção. Por exemplo, usando a tecnologia digital twin para construir um modelo virtual do sistema principal de resfriamento de água de alimentação, simulando o status operacional do sistema, prevendo antecipadamente os riscos de falhas, otimizando os planos de operação e manutenção e reduzindo os custos de operação e manutenção.
Otimização eficiente: Otimizando os processos do sistema, melhorando a estrutura do equipamento e melhorando a eficiência térmica e a estabilidade operacional do sistema. Por exemplo, otimizar o projeto do impulsor da bomba principal de água de alimentação para melhorar a eficiência do transporte e reduzir o consumo de energia; Otimize o processo de pré-aquecimento do abastecimento de água, recupere totalmente o calor residual e melhore ainda mais a eficiência da utilização de energia. Ao mesmo tempo, a tecnologia de regulação da velocidade de conversão de frequência é adotada para ajustar dinamicamente a velocidade da bomba principal de água de alimentação de acordo com a potência do reator, alcançando uma operação com economia de energia-.
Promoção de tecnologia livre de vazamentos: Adotando tipos de bombas livres de vazamentos, como bombas magnéticas e bombas blindadas, para substituir as bombas tradicionais de vedação de eixo, reduzindo o risco de vazamento de água, melhorando a segurança do sistema e a proteção ambiental, reduzindo ao mesmo tempo os custos de manutenção do equipamento e adaptando-se aos rigorosos requisitos do ambiente operacional das usinas nucleares.
- Tendências de desenvolvimento da indústria
Com a aceleração das aprovações de projectos de energia nuclear nacionais e o aumento constante do número de unidades em construção, a procura do mercado por equipamentos relacionados com o principal sistema de refrigeração da água de alimentação continua a ser libertada. De acordo com estimativas, de 2026 a 2030, espera-se que 30-40 novas unidades de energia nuclear aprovadas sejam adicionadas na China, correspondendo a uma procura de aproximadamente 120-160 novas bombas nucleares de água de alimentação. O tamanho do mercado aumentará constantemente. O processo de localização continua a acelerar e a taxa de localização das bombas principais ultrapassou 90%. Empresas estatais como Shanghai Electric, Dongfang Electric e Harbin Electric Group dominam o mercado interno. Com um sistema de fabricação completo e experiência em engenharia, eles estão gradativamente conseguindo a substituição nacional de produtos de alta qualidade e reduzindo a dependência de equipamentos importados.
Enquanto isso, com o avanço dos pequenos reatores modulares (SMRs) e dos projetos de demonstração de tecnologia de energia nuclear de quarta geração, a demanda por equipamentos principais de resfriamento de água de alimentação novos, eficientes e compactos surgirá gradualmente, abrindo novas oportunidades de crescimento para a indústria. Além disso, no contexto da exportação acelerada de energia nuclear no âmbito da "Iniciativa Belt and Road", os principais equipamentos domésticos relacionados com o sistema de refrigeração de água de alimentação irão gradualmente mover-se para o mercado internacional, melhorando a competitividade global do equipamento de energia nuclear da China [6].
O principal sistema de resfriamento da água de alimentação de uma usina nuclear, como uma "barreira de resfriamento" para a segurança nuclear, é o centro do ciclo secundário da energia nuclear. Sua operação estável está diretamente relacionada à operação segura, eficiente e de baixo-carbono da unidade de energia nuclear. Desde a otimização da estrutura dos componentes principais até a atualização da inteligência do sistema, desde o tratamento preciso de falhas até a promoção da substituição doméstica, cada avanço tecnológico no principal sistema de resfriamento de água de alimentação estabeleceu uma base sólida para a segurança da energia nuclear.
No contexto da transição energética, com o desenvolvimento contínuo da tecnologia de energia nuclear, o principal sistema de refrigeração da água de alimentação continuará a avançar em direção a uma direção mais inteligente, eficiente e segura, rompendo constantemente os principais gargalos tecnológicos, melhorando o sistema de garantia de segurança, fornecendo forte apoio ao desenvolvimento de alta-qualidade da indústria de energia nuclear da China, alcançando a meta de "carbono duplo" e salvaguardando o transporte seguro de energia nuclear limpa em todos os níveis.
