Huvudmatarvattenkylsystemet i ett kärnkraftverk är en kylbarriär för kärnsäkerhet

Kärnpositioneringen och funktionsvärdet för huvudmatarvattenkylsystemet
Energiomvandlingsprocessen i ett kärnkraftverk innebär i huvudsak att värma upp kylvätskan i primärkretsen genom den termiska energin som genereras av kärnklyvning, och sedan överföra den termiska energin till huvudmatarvattnet i sekundärkretsen genom en ånggenerator, varvid matarvattnet omvandlas till högtrycksånga för att driva ångturbinen för kraftgenerering. Kärnfunktionen hos huvudmatarvattenkylsystemet är att tillhandahålla ett stabilt och kontrollerbart kylmedium för denna cykel, samtidigt som rimlig värmeavledning och återvinning uppnås. Dess funktionella värde återspeglas huvudsakligen i tre aspekter.

Se först till att reaktorhärden svalnar. Kärnan i en kärnreaktor frigör kontinuerligt en stor mängd värmeenergi under kärnklyvning. Om det inte kan exporteras i tid kommer det att leda till en plötslig höjning av kärntemperaturen och orsaka allvarliga säkerhetsolyckor. Huvudmatarvattenkylsystemet levererar kontinuerligt kylande matarvatten till ånggeneratorn, absorberar värme från den primära kylvätskan och säkerställer att härdtemperaturen hålls inom en säker tröskel, vilket bildar en viktig "kylbarriär" för reaktorsäkerheten. Enligt IAEA:s statistik är cirka 12 % av oplanerade avstängningar i kärnkraftverk relaterade till fel på matarvattensystemet, vilket indirekt bekräftar det kritiska säkerhetsvärdet för huvudmatarvattenkylsystemet.

För det andra, bibehåll stabiliteten för den sekundära slingcykeln. Huvudmatarvattenkylsystemet måste justera matarvattnets flödeshastighet och temperatur i enlighet med förändringar i reaktoreffekten, vilket säkerställer stabila ångparametrar vid utloppet av ånggeneratorn och tillhandahåller en kontinuerlig och kvalificerad kraftkälla för turbinen. Under låg-drift av reaktorn justeras flödeshastigheten manuellt av huvudmatarvattnets bypass-kontrollventil; Under drift med hög-effekt ingriper huvudmatarvattenregleringsventilen automatiskt och justeras dynamiskt efter ånggeneratorns termiska effekt, vilket säkerställer kontinuiteten och stabiliteten i den sekundära slingcykeln.

Slutligen uppnå ett effektivt utnyttjande av energi. Huvudmatarvattenkylsystemet kommer att förvärma matarvattnet under kylningsprocessen, återvinna spillvärmen efter ångkondensering, minska energiförlusten och förbättra kärnkraftsenhetens termiska effektivitet. Samtidigt, genom att noggrant kontrollera vattenförsörjningsparametrarna, minska utrustningsslitage och energiförbrukning, och hjälpa kärnkraftsenheter att uppnå långsiktig ekonomisk drift-, möter den låga-koldioxidbehoven och effektiv energiutveckling enligt strategin för "dubbelt kol".

Sammansättningsarkitekturen och arbetsprincipen för huvudmatarvattenkylsystemet
Huvudmatarvattenkylsystemet i ett kärnkraftverk är ett integrerat och komplext system med hög-precision, huvudsakligen sammansatt av huvudmatarvattenpumpen, huvudmatarvattenregleringsventilen, matarvattenförvärmningsutrustning, rörledningssystem, övervaknings- och kontrollsystem och extrautrustning. Komponenterna samverkar för att bilda en sluten-slinga kylcykel, och dess arbetsprincip kretsar kring de tre kärnlänkarna för "justering av parameter för matarvattentransport för värmeväxling".

Kärnkomponenter och deras funktioner

• Huvudmatarvattenpump: Som systemets "krafthjärta" är det ansvarigt för att leverera hög-matarvatten som bearbetas av avluftaren till ånggeneratorn vid högt tryck. Dess driftsförhållanden är extremt tuffa och kräver lång-kontinuerlig drift i miljöer med hög temperatur (inloppsvattentemperatur på cirka 220 grader) och högt tryck (utloppstrycket kan nå 8-12 MPa). Designlivslängden är vanligtvis inte mindre än 40 år och extremt höga krav ställs på materialkorrosionsbeständighet och strukturell tätning. För närvarande antar mainstream i Kina höghastighetscentrifugala huvudmatarvattenpumpar, och vissa avancerade enheter har antagit integrerade lösningar med variabel frekvenshastighetsreglering och intelligent övervakning. Vissa enheter är också utrustade med ångdrivna matarvattenpumpar för att säkerställa att hjälpånga fortfarande kan lita på att bibehålla driften och förbättra systemets tillförlitlighet i händelse av ett strömavbrott i hela anläggningen. Det modulära systemet i huvudmatarvattenpumpgruppen som utvecklats av East China Electric Power Design Institute förbättrar effektivt systemets driftsäkerhet och designeffektivitet genom att integrera förpumpen, motorn, hydraulkopplingen och huvudpumpen.
• Huvudmatarvattenkontrollventil: systemets "flödescentrum", som arbetar parallellt med huvudmatarvattenbypass-kontrollventilen, ansvarig för att noggrant justera matarvattenflödet baserat på förändringar i reaktoreffekt och ånggeneratordriftstatus. Dess prestanda är direkt relaterad till vattenförsörjningssystemets stabilitet. Om ett fel uppstår kommer det att orsaka fluktuationer i huvudmatarvattenflödet, vilket utgör ett hot mot enhetens säkerhet. Vanliga fel är slitna och trasiga gängor som förbinder ventilskaftet och ventilkärnan, kollisionsslitage på ventilhuskomponentens innervägg, onormal återkoppling av lokaliseringssignaler etc., som måste lösas genom strukturell optimering och materialuppgradering.

Utrustning för förvärmning av matarvatten: omfattar huvudsakligen högtrycksvärmare, som används för att förvärma huvudmatarvattnet med hjälp av spillvärmen från ångturbinextraktion, öka matarvattentemperaturen, minska värmeförlusten i ånggeneratorn och minska utrustningens termiska stress, vilket förlänger systemets livslängd. Efter förvärmning kommer matarvattnet in i ånggeneratorn och kan mer effektivt absorbera värme från primärkretsen, vilket förbättrar ånggenereringseffektiviteten.

 

Övervaknings- och kontrollsystem: Består av olika sensorer, styrenheter och ställdon, övervakar nyckelparametrar som vattenflödeshastighet, temperatur och tryck i realtid- och uppnår exakt parameterjustering genom ett automatiserat styrsystem. Till exempel, genom att övervaka vattennivån och temperaturen på ånggeneratorn, justeras hastigheten på huvudmatarvattenpumpen och öppningen av huvudmatarvattenkontrollventilen automatiskt för att säkerställa att systemets driftsparametrar alltid är inom ett säkert område, samtidigt som varning i realtid och nödåtgärder vid fel uppnås.

• Arbetsflödesanalys

Arbetsprocessen för huvudmatarvattenkylsystemet kan delas in i fyra nyckelsteg: det första steget är att avluftaren utför avluftningsbehandling på matarvattnet, tar bort syre och andra skadliga gaser från vattnet, förhindrar korrosion av rörledningar och utrustning och säkerställer att matarvattnets renhet uppfyller standarder för kärnkraftskvalitet; Det andra steget är att öka huvudpumpens inloppstryck i förväg för att förhindra kavitation. Sedan trycksätter huvudmatarvattenpumpen det behandlade matarvattnet och levererar det till högtrycksvärmaren. Steg tre, högtrycksvärmaren använder spillvärmen som extraheras från ångturbinen för att förvärma matarvattnet och höja matarvattnets temperatur till det specificerade området; Steg fyra, det förvärmda huvudmatarvattnet transporteras till ånggeneratorn för att absorbera värmen från den primära kylvätskan och omvandla den till högtrycksånga-. Det kylda matarvattnet strömmar sedan tillbaka genom cirkulationssystemet för att avsluta kylcykeln. Under hela processen är övervaknings- och kontrollsystemet fullt involverat, och justerar dynamiskt driftsparametrarna för varje komponent baserat på förändringar i reaktoreffekt och systemdriftstatus för att säkerställa stabil, säker och effektiv cykling.

Säkerhetsgaranti och felhantering av huvudmatarvattenkylsystemet

Säker drift av huvudmatarvattenkylsystemet i kärnkraftverk är en viktig garanti för kärnkraftssäkerheten. På grund av den hårda driftsmiljön för systemet, som utsätts för hög temperatur, högt tryck och hög strålning under lång tid, är det benäget att slita komponenter, läckage, kontrollavvikelser och andra fel. Därför är det nödvändigt att upprätta ett sundt säkerhetsgarantisystem för att uppnå tidig upptäckt och hantering av fel.

• Säkerhetsåtgärder

Material- och strukturoptimering: Kärnkomponenterna är gjorda av hög-hållfasthet, korrosions-beständig och strålningsbeständig specialmaterial. Till exempel är pumphjulet och axeltätningen på huvudmatarvattenpumpen gjorda av austenitiskt rostfritt stål med ultra-låg kolhalt eller duplext rostfritt stål. Positioneringsstiftet på huvudmatarvattenregleringsventilen är gjord av hög-inconel750-material, som ersätter traditionella låghållfasta material, för att förbättra komponenternas slitstyrka och livslängd. Optimera samtidigt den strukturella designen av ventilhuskomponenter och ventilkärnor, anta små hålfönster och optimera deras arrangemang enligt flödeskurvan, förbättra regleringsnoggrannheten och flödeskapaciteten och minska komponentvibrationer och slitage.

Dubbel redundansdesign: Systemets nyckelutrustning antar en redundant konfiguration av "en för användning och en för säkerhetskopiering" eller "fler för användning och en för säkerhetskopiering". Till exempel är huvudmatarvattenpumpen vanligtvis utrustad med 2-4 enheter och motsvarande reservpumpar för att säkerställa att när en utrustning går sönder kan reservutrustningen snabbt sättas i drift för att undvika systemavstängning. Samtidigt antar styrsystemet en dubbel redundansdesign för att förhindra att systemet tappar kontrollen på grund av fel på en enda styrenhet.

Intelligent övervakning och tidig varning: Med hjälp av digital tvilling, AI-förutsägande underhåll och andra teknologier utförs onlinestatusövervakning av nyckelutrustning som huvudmatarvattenpumpar och reglerventiler. Genom vibrationsspektrumanalys, temperaturfältrekonstruktion och andra metoder fångas onormal utrustningsdrift i realtid och felvarningar utfärdas i förväg. Efter att ha antagit ett intelligent övervakningssystem har den genomsnittliga problemfria drifttiden för huvudmatarvattenpumpen ökats från 18 000 timmar för traditionella modeller till över 32 000 timmar, vilket avsevärt minskar risken för oplanerade avstängningar.

Teknologisk uppgradering och industriutvecklingstrend för huvudmatarvattenkylsystemet
Med den kontinuerliga iterationen av kärnkraftsteknologi och fördjupningen av strategin för "dubbel kol", utvecklas kärnkraftverkens huvudsakliga matarvattenkylningssystem mot intelligens, effektivitet och lokalisering. Teknologisk uppgradering och industriell uppgradering går synkront framåt, vilket ger ett starkare stöd för säker och effektiv drift av kärnkraft.

• Teknisk uppgraderingsriktning

Intelligent uppgradering: Integrering av teknik som Internet of Things, big data och artificiell intelligens för att bygga ett intelligent hanteringssystem för hela livscykeln, för att uppnå real-tidsövervakning av systemets driftsparametrar, noggrann feldiagnos och intelligent drift- och underhållsschemaläggning. Till exempel genom att använda digital tvillingteknik för att konstruera en virtuell modell av huvudmatarvattenkylsystemet, simulera systemets driftstatus, förutsäga felrisker i förväg, optimera drift- och underhållsplaner och minska drift- och underhållskostnaderna.

Effektiv optimering: Genom att optimera systemprocesser, förbättra utrustningens struktur och förbättra systemets termiska effektivitet och driftsstabilitet. Till exempel att optimera pumphjulsdesignen för huvudmatarvattenpumpen för att förbättra transporteffektiviteten och minska energiförbrukningen; Optimera förvärmningsprocessen för vattenförsörjningen, återvinna spillvärme fullt ut och förbättra energiutnyttjandet ytterligare. Samtidigt används frekvensomvandlingshastighetsregleringsteknik för att dynamiskt justera hastigheten på huvudmatarvattenpumpen enligt reaktoreffekten, vilket ger energi-besparande drift.

Främjande av läckagefri teknik: Antagande av läckagefria pumptyper som magnetiska pumpar och skärmade pumpar för att ersätta traditionella axeltätningspumpar, minska risken för vattenläckage, förbättra systemsäkerheten och miljöskyddet, samtidigt som kostnaderna för underhåll av utrustningen minskas och anpassning till de hårda driftsmiljökraven för kärnkraftverk.

• Branschutvecklingstrender

Med accelerationen av godkännanden av inhemska kärnkraftsprojekt och den stadiga ökningen av antalet enheter under konstruktion, fortsätter marknadens efterfrågan på utrustning relaterad till huvudmatarvattenkylsystemet att frigöras. Enligt uppskattningar, från 2026 till 2030, förväntas det att 30-40 nya godkända kärnkraftsenheter kommer att läggas till i Kina, vilket motsvarar en efterfrågan på cirka 120-160 nya kärnkraftsmatarvattenpumpar. Marknadens storlek kommer att öka stadigt. Lokaliseringsprocessen fortsätter att accelerera och lokaliseringshastigheten för huvudpumpar har överstigit 90 %. Statsägda företag som Shanghai Electric, Dongfang Electric och Harbin Electric Group dominerar den inhemska marknaden. Med ett komplett tillverkningssystem och ingenjörserfarenhet uppnår de gradvis inhemsk ersättning av avancerade produkter och minskar beroendet av importerad utrustning.

Samtidigt, med utvecklingen av små modulära reaktorer (SMR) och fjärde generationens kärnkraftsteknikdemonstrationsprojekt, kommer efterfrågan på ny, effektiv och kompakt huvudmatarvattenkylningsutrustning gradvis att växa fram, vilket öppnar upp för nya tillväxtmöjligheter för industrin. Dessutom, i samband med den accelererade exporten av kärnkraft under "The Belt and Road Initiative", kommer den inhemska huvudmatarvattenkylsystemets utrustning gradvis att röra sig mot den internationella marknaden, vilket förbättrar den globala konkurrenskraften för Kinas kärnkraftsutrustning [6].

Huvudmatarvattenkylsystemet i ett kärnkraftverk, som en "kylbarriär" för kärnsäkerhet, är kärnan i kärnkraftens sekundära kretscykel. Dess stabila drift är direkt relaterad till den säkra, effektiva och-koldioxidsnåla driften av kärnkraftsenheten. Från att optimera strukturen hos kärnkomponenter till att uppgradera systemets intelligens, från exakt felhantering till att främja ersättning i hemmet, varje tekniskt genombrott i huvudmatarvattenkylsystemet har lagt en solid grund för kärnkraftssäkerhet.
I samband med energiomställningen, med den kontinuerliga utvecklingen av kärnkraftsteknik, kommer det huvudsakliga matarvattenkylningssystemet att fortsätta att röra sig mot en mer intelligent, effektiv och säker riktning, ständigt bryta igenom viktiga tekniska flaskhalsar, förbättra säkerhetsgarantisystemet, ge starkt stöd för hög-kvalitetsutvecklingen av Kinas kärnkraftsindustri, uppnå "den dubbla kärnkraftssäker-, transport- och transportsäkerheten" nivå.