خنک کننده موتور پمپ آب اصلی در نیروگاه هسته ای

مکانیسم گرمایش و خطرات موتورهای پمپ آب اصلی در نیروگاه های هسته ای
موتورهای پمپ آب تغذیه اصلی در نیروگاه‌های هسته‌ای عمدتاً موتورهای ناهمزمان یا سنکرون-با ظرفیت{1} بالا و پرقدرت هستند. تولید گرمای آنها در درجه اول از اثرات ترکیبی تلفات الکتریکی، تلفات مکانیکی و عوامل محیطی ناشی می شود. مکانیسم گرمایش پیچیده است و گرما به سرعت جمع می شود. اگر سرمایش به موقع نباشد، خطرات متعددی برای تجهیزات و سیستم ها ایجاد می کند.

مکانیسم گرمایش هسته

1. گرمایش تلفات الکتریکی: این منبع اصلی تولید گرمای موتور است، از جمله تلفات مس سیم پیچ استاتور، تلفات آهن هسته و تلفات اضافی. هنگامی که سیم‌پیچ‌های استاتور انرژی می‌گیرند، جریان عبوری از هادی‌ها گرمای ژول تولید می‌کند، یعنی تلفات مس. بزرگی این تلفات با مجذور جریان و مقاومت هادی همبستگی مثبت دارد. تحت تأثیر یک میدان مغناطیسی متناوب، هسته تلفات هیسترزیس و تلفات جریان گردابی ایجاد می کند، یعنی تلفات آهن، که عمدتاً به مواد هسته، قدرت میدان مغناطیسی و فرکانس مربوط می شود. علاوه بر این، هارمونیک‌های تولید شده توسط مبدل‌های فرکانس یا بارهای غیرخطی می‌توانند تلفات اضافی موتور را افزایش داده و تولید گرما را تشدید کنند.

2. تولید حرارت از دست دادن مکانیکی: در حین کار موتور، تلفات مکانیکی به دلیل اصطکاک شکاف هوا بین روتور و استاتور، اصطکاک چرخش یاتاقان و مقاومت چرخش فن تولید و به گرما تبدیل می شود. سایش یاتاقان، روغن کاری ضعیف یا نصب نامناسب به طور قابل توجهی اصطکاک مکانیکی را افزایش می دهد که منجر به تولید گرمای اضافی و تبدیل شدن به عامل اصلی تولید حرارت از دست دادن مکانیکی می شود.

3. عوامل محیطی ترکیبی: پمپ های آب تغذیه اصلی نیروگاه های هسته ای بیشتر در اتاق های هواگیر ساختمان اصلی در جزیره معمولی قرار دارند. در برخی سناریوها، دمای محیط بالا است و فضا با تهویه محدود نسبتا محصور شده است. به طور همزمان، محیط کار نیروگاه های هسته ای ممکن است حاوی آلاینده هایی مانند گرد و غبار و بخار آب باشد که به راحتی به سطح یا داخل موتور می چسبد و کانال های اتلاف گرما را مسدود می کند و بیشتر مانع اتلاف گرما می شود و در نتیجه دمای کار موتور را افزایش می دهد.

خطرات دمای بیش از حد هنگامی که دمای موتور از حد مجاز فراتر رود، یک سری اثرات منفی بر عملکرد تجهیزات و ایمنی سیستم خواهد داشت: اول، به عملکرد عایق موتور آسیب می رساند. دماهای بالا پیر شدن و کربن شدن مواد عایق را تسریع می کند، مقاومت عایق را کاهش می دهد و حتی باعث اتصال کوتاه سیم پیچ و خطاهای اتصال به زمین می شود که مستقیماً منجر به خاموش شدن موتور می شود. دوم، بر عملکرد مکانیکی موتور تأثیر می گذارد. دماهای بالا باعث انبساط حرارتی و تغییر شکل اجزایی مانند روتور موتور و استاتور و در نتیجه ایجاد شکاف‌های هوای ناهموار، کاهش دقت مکانیکی مناسب، افزایش لرزش و صدا و در موارد شدید گیر کردن مکانیکی می‌شود. سوم، راندمان کار موتور را کاهش می دهد. افزایش دما باعث افزایش مقاومت هادی و تلفات مس می شود، در حالی که نفوذپذیری هسته را کاهش می دهد و تلفات آهن را افزایش می دهد که منجر به افزایش مصرف انرژی موتور و کاهش راندمان می شود. چهارم، باعث خرابی های آبشاری می شود. خاموش نشدن موتور پمپ آب تغذیه اصلی باعث ایجاد وقفه در سیستم آب تغذیه اصلی می شود که بر عملکرد عادی مولد بخار تأثیر می گذارد. اگر پمپ آماده به کار نتواند به موقع شروع به کار کند، ممکن است باعث کاهش بار و یا حتی خاموش شدن فوری واحد انرژی هسته ای شود که منجر به خسارات اقتصادی و خطرات ایمنی قابل توجهی می شود.

روش های خنک کننده و ویژگی های فنی موتورهای پمپ آب تغذیه اصلی در نیروگاه های هسته ای

با توجه به الزامات سطح ایمنی، شرایط عملیاتی و طرح فضایی نیروگاه‌های هسته‌ای، روش خنک‌سازی برای موتورهای پمپ آب تغذیه اصلی باید الزامات اصلی مانند اتلاف گرمای کارآمد، عملکرد قابل اعتماد، نگهداری راحت و سازگاری با محیط هسته‌ای را برآورده کند. در حال حاضر روش های خنک کاری متداول برای موتورهای پمپ آب تغذیه اصلی در نیروگاه های هسته ای به دو دسته خنک کننده با هوا و خنک کننده مایع تقسیم می شوند. روش‌های خنک‌سازی مختلف دارای طرح‌های ساختاری، بازده اتلاف گرما و سناریوهای قابل اجرا هستند. در کاربردهای عملی، یک انتخاب معقول باید بر اساس عواملی مانند قدرت موتور و محیط کار انجام شود.

1. روش خنک‌سازی هوا در خنک‌سازی هوا از هوا به عنوان واسطه اتلاف گرما استفاده می‌شود و گرمای تولید شده توسط موتور را از طریق جریان هوا می‌برد. مزایایی مانند ساختار ساده، تعمیر و نگهداری راحت و بدون خطر نشتی دارد. این برای موتورهای پمپ آب اصلی کم توان پایین تا{{4} در محیط‌هایی با دمای محیط پایین مناسب است و به طور گسترده در واحدهای اولیه نیروگاه هسته‌ای و برخی از موتورهای پمپ آب تغذیه کمکی استفاده می‌شد. بسته به روش جریان هوا، می توان آن را به خنک کننده تهویه طبیعی و خنک کننده تهویه اجباری تقسیم کرد.

خنک کننده تهویه طبیعی به اتلاف گرمای خود موتور و همرفت طبیعی هوای محیط برای دستیابی به اتلاف گرما متکی است. محفظه موتور معمولاً با ساختار هیت سینک برای افزایش ناحیه اتلاف گرما طراحی می شود. گرما از طریق هیت سینک به هوا هدایت می شود و جابجایی طبیعی از اختلاف چگالی هوا برای تکمیل تبادل حرارتی تشکیل می شود. این روش به تجهیزات برق اضافی نیاز ندارد، هزینه های عملیاتی و نگهداری پایینی دارد و آلودگی صوتی ندارد. با این حال، راندمان اتلاف حرارت آن نسبتاً پایین است و به شدت تحت تأثیر دمای محیط و شرایط تهویه است. برای موتورهای پمپ آب اصلی تولید کننده-قدرت،-گرمای زیاد-پرقدرت مناسب نیست و فقط برای موتورهای کمکی کم-و موتورهای آماده به کار مناسب است.

خنک کننده تهویه اجباری از یک فن خنک کننده نصب شده در پشت موتور استفاده می کند تا جریان هوا را بر روی سطوح استاتور، روتور و هسته فشار دهد و اتلاف گرما را تسریع کند. راندمان اتلاف حرارت آن بسیار بالاتر از خنک کننده تهویه طبیعی است و برای موتورهای پمپ آب تغذیه اصلی با توان متوسط- مناسب است. بر اساس روش گردش هوای خنک کننده، می توان آن را به سیستم های باز و بسته تقسیم کرد: تهویه اجباری باز مستقیماً هوای محیط را به داخل موتور می کشد، پس از خنک شدن آن را پخش می کند و سپس آن را تخلیه می کند. دارای ساختار ساده و راندمان اتلاف حرارت بالا است، اما در برابر گرد و غبار محیطی و آلودگی بخار آب حساس است و نیاز به تمیز کردن منظم فیلتر هوا دارد. تهویه اجباری بسته از گردش هوای داخلی استفاده می کند، هوای در حال گردش را از طریق یک خنک کننده خارجی قبل از ورود مجدد به موتور خنک می کند و از ورود آلاینده های محیطی به موتور جلوگیری می کند. برای محیط‌های نیروگاه هسته‌ای با گرد و غبار و رطوبت بالا مناسب است، اما ساختار آن نسبتاً پیچیده است و نیاز به نگهداری کولر و سیستم گردش دارد.

2. خنک کننده مایع

خنک کننده مایع از مایعاتی مانند آب و روغن به عنوان وسیله اتلاف حرارت استفاده می کند. با استفاده از ظرفیت گرمای ویژه بالا و راندمان اتلاف حرارت بالای مایعات، گرما از طریق گردش مایع از موتور خارج می شود. این برای موتورهای پمپ آب تغذیه اصلی نیروگاه‌های هسته‌ای با-قدرت بالا،-گرمای بالا-در نیروگاه‌های هسته‌ای تولید می‌شود و در حال حاضر روش اصلی خنک‌کننده است. خنک کننده آب کاملاً محصور بیشترین استفاده را دارد و موتورهای پمپ آب تغذیه اصلی در پروژه فاز اول نیروگاه هسته ای هایانگ از این روش خنک کننده استفاده می کنند.

سیستم خنک‌کننده آب{0}: با استفاده از آب دیونیزه یا یک عامل تصفیه آب خنک‌کننده ویژه به عنوان محیط، به دو شکل خنک‌کننده داخلی و خنک‌کننده خارجی تقسیم می‌شود. سیستم‌های خنک‌کننده داخلی از لوله‌های آب خنک‌کننده نصب شده در سیم‌پیچ‌های استاتور و روتور موتور استفاده می‌کنند که به آب خنک‌کننده اجازه می‌دهد از طریق سیم‌پیچ‌ها جریان یابد و مستقیماً گرمای تولید شده توسط سیم‌پیچ‌ها را حذف کند. این منجر به راندمان اتلاف حرارت بسیار بالا می‌شود و برای موتورهای-با ظرفیت{4} بالا و با قدرت بالا مناسب است. از طرف دیگر، سیستم های خنک کننده خارجی از یک ژاکت خنک کننده روی بدنه موتور استفاده می کنند. آب خنک کننده از داخل ژاکت خنک کننده جریان می یابد و گرما را با محفظه موتور مبادله می کند و به طور غیر مستقیم گرما را از بین می برد. این سیستم از نظر ساختار نسبتا ساده است و نگهداری آن آسان است، اما راندمان اتلاف حرارت آن کمی کمتر از سیستم های خنک کننده داخلی است.

سیستم خنک کننده آب برای موتور پمپ آب تغذیه اصلی در یک نیروگاه هسته ای معمولاً به سیستم آب خنک کننده تجهیزات نیروگاه متصل می شود. ورودی و خروجی آب خنک‌کننده از طریق فلنج‌ها به سیستم آب خنک‌کننده تجهیزات نیروگاه متصل می‌شوند و یک گردش حلقه بسته را تشکیل می‌دهند. این سیستم شامل یک پمپ تقویت کننده خنک کننده، یک فیلتر، یک واحد نظارت بر دما و یک واحد نظارت بر جریان است. بوستر پمپ خنک کننده برق جریان آب خنک کننده را تامین می کند، فیلتر از مسدود شدن لوله های خنک کننده ناخالصی ها جلوگیری می کند و واحد نظارت بر دما دمای محیط خنک کننده را در زمان واقعی جمع آوری می کند و آن را به اتاق کنترل اصلی نیروگاه برمی گرداند و امکان تنظیم خودکار سیستم خنک کننده را فراهم می کند و اطمینان می دهد که دمای موتور در محدوده نامی ثابت باقی می ماند.

3. سیستم خنک‌کننده روغن: این سیستم از روغن خنک‌کننده تخصصی به عنوان واسطه استفاده می‌کند و روغن را به گردش در می‌آورد تا گرما را از موتور خارج کند و در عین حال روان‌کاری را نیز فراهم می‌کند. برای موتورهای-سرعت بالا و بار زیاد{4}} مناسب است. روغن خنک کننده از طریق سیم پیچ ها، یاتاقان ها و سایر اجزای داخل موتور جریان می یابد و قبل از ورود به خنک کننده خارجی برای تبادل گرما با هوا یا آب خنک کننده، گرما را جذب می کند. پس از خنک شدن، روغن بازیافت می شود. مزایای سیستم خنک‌شده با روغن، اتلاف گرما و روان‌کاری یکنواخت، محافظت مؤثر از یاتاقان‌ها و سایر اجزای مکانیکی است. با این حال، نیاز به تعویض منظم روغن دارد و در نتیجه هزینه های نگهداری بالاتر و خطر نشت روغن را به همراه دارد. بنابراین کاربرد آن در موتورهای پمپ آب تغذیه اصلی نیروگاه های هسته ای نسبتاً محدود است.

روش خنک‌سازی مرکب برای موتورهای پمپ آب تغذیه اصلی با توان بسیار بالا و تولید گرمای قابل توجه، یک روش خنک‌کننده منفرد برای برآورده کردن الزامات اتلاف گرما کافی نیست. بنابراین، روش‌های خنک‌کننده مرکب معمولاً به کار می‌روند که خنک‌کننده هوا را با خنک‌کننده مایع یا خنک‌سازی داخلی با خنک‌کننده خارجی ترکیب می‌کند. به عنوان مثال، سیم‌پیچ‌های استاتور از خنک‌کننده داخلی با آب-خنک‌کننده داخلی، سیم‌پیچ‌های روتور از خنک‌کننده هوا، و هسته از خنک‌کننده خارجی با آب-استفاده می‌کنند. از طریق اتلاف گرمای چند بعدی، دمای موتور در طول کار با بار کامل در محدوده‌های نامی ثابت باقی می‌ماند. روش های خنک کننده کامپوزیتی راندمان اتلاف حرارت بالا و سازگاری قوی را ارائه می دهند، اما از نظر ساختاری پیچیده هستند، هزینه های سرمایه گذاری بالایی دارند و نگهداری آنها دشوار است. آنها عمدتاً در موتورهای پمپ آب تغذیه اصلی از کلاس{9}}مگاوات و واحدهای انرژی هسته ای بالاتر استفاده می شوند.

سیستم خنک کننده موتور پمپ آب تغذیه اصلی در یک نیروگاه هسته ای یک جزء حیاتی است که عملکرد ایمن و پایدار واحد را تضمین می کند. راندمان اتلاف گرما و قابلیت اطمینان عملیاتی آن به طور مستقیم بر عملکرد عادی سیستم پمپ آب تغذیه اصلی تأثیر می‌گذارد، بنابراین بر کل چرخه حرارتی نیروگاه هسته‌ای و موانع ایمنی تأثیر می‌گذارد. همانطور که واحدهای انرژی هسته‌ای به سمت ظرفیت‌های بزرگتر و پارامترهای بالاتر توسعه می‌یابند، قدرت موتور پمپ آب تغذیه اصلی به طور مداوم در حال افزایش است که منجر به تولید گرمای بیشتر می‌شود و تقاضاهای فزاینده‌ای برای فناوری خنک‌کننده ایجاد می‌کند.

نتیجه گیری

روش های خنک کننده هوا، خنک کننده مایع و خنک کننده ترکیبی به طور گسترده در موتورهای پمپ آب تغذیه اصلی نیروگاه های هسته ای استفاده می شود. با بهینه‌سازی طراحی سیستم خنک‌کننده، انتخاب رسانه‌های خنک‌کننده کارآمد، و بهبود فناوری‌های کنترل و نظارت خودکار، راندمان اتلاف گرما و قابلیت اطمینان سیستم خنک‌کننده به طور موثر بهبود یافته است و نیازمندی‌های عملکرد بلندمدت-واحدهای هسته‌ای را برآورده می‌کند. در همین حال، با پیشرفت مداوم فناوری انرژی هسته ای، هوشمندسازی، کارایی و سبز شدن به روند توسعه فناوری خنک کننده تبدیل شده است. در آینده، تحقیقات بیشتر و توسعه فن‌آوری‌های خنک‌کننده کارآمد و صرفه‌جویی در انرژی، مانند مواد خنک‌کننده کامپوزیت جدید و سیستم‌های خنک‌کننده تطبیقی ​​هوشمند، برای دستیابی به کنترل دقیق و عملکرد{5}}صرفه‌جویی انرژی سیستم‌های خنک‌کننده انجام خواهد شد. در عین حال، بهره برداری و نگهداری هوشمند سیستم های خنک کننده تقویت خواهد شد. از طریق کلان داده، اینترنت اشیاء و سایر فناوری‌ها، نظارت بر زمان واقعی، هشدار زودهنگام خطا، و تشخیص هوشمند وضعیت عملکرد سیستم‌های خنک‌کننده به دست می‌آیند که باعث بهبود بیشتر قابلیت اطمینان و بهره‌برداری و بهره‌برداری از سیستم‌های خنک‌کننده می‌شود و تضمین‌های قوی‌تری برای عملکرد ایمن و کارآمد نیروگاه‌های هسته‌ای ارائه می‌کند.