Основная система охлаждения питательной воды атомной электростанции является охлаждающим барьером ядерной безопасности

Основное расположение и функциональное значение основной системы охлаждения питательной воды
Процесс преобразования энергии на атомной электростанции по существу включает в себя нагрев теплоносителя в первом контуре за счет тепловой энергии, вырабатываемой в результате ядерного деления, а затем передачу тепловой энергии основной питательной воде во вторичном контуре через парогенератор, преобразовывающую питательную воду в пар высокого-давления для привода паровой турбины для выработки электроэнергии. Основная функция основной системы охлаждения питательной воды заключается в обеспечении стабильной и контролируемой охлаждающей среды для этого цикла, обеспечивая при этом разумное рассеивание и рекуперацию тепла. Его функциональное значение в основном отражается в трех аспектах.

Во-первых, обеспечить охлаждение активной зоны реактора. Активная зона ядерного реактора непрерывно выделяет большое количество тепловой энергии во время ядерного деления. Если его не удастся экспортировать своевременно, это приведет к внезапному повышению температуры ядра и серьезным несчастным случаям. Основная система охлаждения питательной воды непрерывно подает охлаждающую питательную воду в парогенератор, поглощает тепло от теплоносителя первого контура и обеспечивает поддержание температуры активной зоны в пределах безопасного порога, образуя важный «охлаждающий барьер» для безопасности реактора. По статистике МАГАТЭ, около 12% внеплановых остановов АЭС связаны с отказами системы питательной воды, что косвенно подтверждает критическое значение безопасности основной системы охлаждения питательной воды.

Во-вторых, сохранить стабильность цикла вторичного контура. Основная система охлаждения питательной воды должна точно регулировать расход и температуру питательной воды в соответствии с изменениями мощности реактора, обеспечивая стабильные параметры пара на выходе парогенератора и обеспечивая непрерывный и квалифицированный источник энергии для турбины. Во время работы реактора на низкой-мощности расход регулируется вручную с помощью главного перепускного клапана питательной воды; Во время работы на большой-мощности главный регулирующий клапан питательной воды автоматически срабатывает и динамически регулируется в зависимости от тепловой мощности парогенератора, обеспечивая непрерывность и стабильность цикла вторичного контура.

Наконец, добиться эффективного использования энергии. Основная система охлаждения питательной воды обеспечит предварительный подогрев питательной воды в процессе охлаждения, рекуперацию отходящего тепла после конденсации пара, снижение потерь энергии и повышение теплового КПД атомного энергоблока. В то же время, точно контролируя параметры водоснабжения, снижая износ оборудования и энергопотребление, а также помогая атомным энергоблокам достичь долгосрочной-экономической эксплуатации, он удовлетворяет потребности в низко-низкоуглеродной и эффективной энергетике в рамках стратегии «двойного углерода».

Составная архитектура и принцип работы основной системы охлаждения питательной воды
Основная система охлаждения питательной воды атомной электростанции представляет собой комплексную и высокоточную-комплексную систему, в основном состоящую из главного насоса питательной воды, главного регулирующего клапана питательной воды, оборудования предварительного нагрева питательной воды, системы трубопроводов, системы мониторинга и управления и вспомогательного оборудования. Компоненты работают вместе, образуя замкнутый-цикл охлаждения, и его принцип работы вращается вокруг трех основных звеньев: «регулировка параметров теплообмена при транспортировке питательной воды».

Основные компоненты и их функции

• Главный насос питательной воды: являясь «силовым сердцем» системы, он отвечает за подачу питательной воды высокой-чистоты, обработанной деаэратором, в парогенератор под высоким давлением. Условия его эксплуатации чрезвычайно суровы и требуют длительной-непрерывной работы в условиях высокой температуры (температура воды на входе около 220 градусов) и высокого давления (давление на выходе может достигать 8-12 МПа). Расчетный срок эксплуатации обычно составляет не менее 40 лет, при этом к коррозионной стойкости материала и герметичности конструкции предъявляются чрезвычайно высокие требования. В настоящее время в Китае в основном используются высокоскоростные центробежные основные насосы питательной воды, а в некоторых передовых установках используются интегрированные решения регулирования скорости с переменной частотой и интеллектуального мониторинга. Некоторые агрегаты также оснащены насосами питательной воды с паровым приводом, чтобы обеспечить возможность использования вспомогательного пара для поддержания работы и повышения надежности системы в случае отключения электроэнергии на всей установке. Модульная система основной группы насосов питательной воды, разработанная Восточно-Китайским институтом проектирования электроэнергетики, эффективно повышает эксплуатационную надежность системы и эффективность конструкции за счет интеграции предварительного насоса, двигателя, гидравлической муфты и основного насоса.
• Главный регулирующий клапан питательной воды: «центр потока» системы, работающий параллельно с главным перепускным регулирующим клапаном питательной воды, отвечающий за точную регулировку расхода питательной воды в зависимости от изменения мощности реактора и состояния работы парогенератора. Его производительность напрямую связана со стабильностью работы системы водоснабжения. Если произойдет неисправность, это приведет к колебаниям расхода основной питательной воды, что создаст угрозу безопасности установки. К распространенным неисправностям относятся изношенная и сломанная резьба, соединяющая шток клапана и сердечник клапана, износ внутренней стенки компонента клапанной клетки, аномальная обратная связь сигналов локатора и т. д., которые необходимо устранить путем оптимизации конструкции и модернизации материала.

Оборудование для предварительного нагрева питательной воды: в основном включает в себя нагреватели высокого-давления, которые используются для предварительного нагрева основной питательной воды с использованием отработанного тепла от отбора паровой турбины, повышения температуры питательной воды, уменьшения теплопотерь в парогенераторе и снижения термической нагрузки на оборудование, тем самым продлевая срок службы системы. После предварительного нагрева питательная вода поступает в парогенератор и может более эффективно поглощать тепло из первого контура, повышая эффективность выработки пара.

 

Система мониторинга и управления. Состоящая из различных датчиков, контроллеров и исполнительных механизмов, она контролирует ключевые параметры, такие как расход воды, температура и давление, в режиме-времени и обеспечивает точную настройку параметров с помощью автоматизированной системы управления. Например, путем мониторинга уровня воды и температуры парогенератора скорость главного насоса питательной воды и открытие главного регулирующего клапана питательной воды автоматически регулируются, чтобы гарантировать, что рабочие параметры системы всегда находятся в безопасном диапазоне, обеспечивая при этом предупреждение в-времени и экстренное реагирование на неисправности.

• Анализ рабочего процесса

Рабочий процесс основной системы охлаждения питательной воды можно разделить на четыре основных этапа: на первом этапе деаэратор выполняет деаэрационную обработку питательной воды, удаляя из воды кислород и другие вредные газы, предотвращая коррозию трубопроводов и оборудования, а также обеспечивая соответствие чистоты питательной воды стандартам ядерного класса; Второй шаг — заранее увеличить давление на входе основного насоса, чтобы предотвратить кавитацию. Затем главный насос питательной воды создает давление в очищенной питательной воде и подает ее в нагреватель высокого-давления; Шаг третий: нагреватель высокого-давления использует отходящее тепло, отведенное от паровой турбины, для предварительного нагрева питательной воды и повышения температуры питательной воды до заданного диапазона; Шаг четвертый: предварительно нагретая основная питательная вода подается в парогенератор, чтобы поглотить тепло теплоносителя первого контура и преобразовать его в пар высокого-давления. Охлажденная питательная вода затем возвращается через систему циркуляции, завершая цикл охлаждения. На протяжении всего процесса полностью задействована система мониторинга и управления, динамически корректирующая параметры работы каждого компонента в зависимости от изменения мощности реактора и состояния работы системы, чтобы обеспечить стабильную, безопасную и эффективную циклическую работу.

Гарантия безопасности и устранение неисправностей основной системы охлаждения питательной воды

Безопасная эксплуатация основной системы охлаждения питательной воды на атомных электростанциях является важной гарантией безопасности атомной энергетики. Из-за суровых условий эксплуатации системы, которая в течение длительного времени подвергается воздействию высоких температур, высокого давления и высокого излучения, она подвержена износу компонентов, утечкам, нарушениям управления и другим неисправностям. Поэтому необходимо создать надежную систему гарантий безопасности для раннего обнаружения и устранения неисправностей.

• Меры безопасности

Оптимизация материалов и конструкции. Основные компоненты изготовлены из высоко-прочных, коррозионно--стойких и радиационно-стойких специальных материалов. Например, рабочее колесо и уплотнение вала главного насоса питательной воды изготовлены из сверх-низкоуглеродистой аустенитной нержавеющей стали или дуплексной нержавеющей стали. Позиционирующий штифт главного регулирующего клапана питательной воды изготовлен из высокопрочного-материала Inconel750, заменяющего традиционные материалы низкой прочности, для повышения износостойкости и увеличения срока службы компонентов. В то же время оптимизируйте конструктивную конструкцию компонентов клапанной клетки и сердечников клапанов, используйте окна с небольшими отверстиями и оптимизируйте их расположение в соответствии с кривой потока, улучшите точность регулирования и пропускную способность, а также уменьшите вибрацию и износ компонентов.

Конструкция с двойным резервированием: ключевое оборудование системы имеет резервную конфигурацию «одно для использования и одно для резервного копирования» или «несколько для использования и одно для резервного копирования». Например, основной насос питательной воды обычно комплектуется 2-4 агрегатами и соответствующими резервными насосами, чтобы при выходе из строя одного оборудования можно было быстро ввести в эксплуатацию резервное оборудование во избежание остановки системы. В то же время система управления использует конструкцию двойного резервирования, чтобы предотвратить потерю управления системой из-за отказа одного блока управления.

Интеллектуальный мониторинг и раннее предупреждение: с помощью цифрового двойника, прогнозного технического обслуживания на базе искусственного интеллекта и других технологий осуществляется онлайн-мониторинг состояния ключевого оборудования, такого как главные насосы питательной воды и регулирующие клапаны. С помощью анализа спектра вибрации, реконструкции температурного поля и других методов в режиме реального времени фиксируется ненормальная работа оборудования и заблаговременно выдаются предупреждения о неисправностях. После внедрения интеллектуальной системы мониторинга среднее время безаварийной работы главного насоса питательной воды было увеличено с 18 000 часов для традиционных моделей до более 32 000 часов, что значительно снижает риск незапланированных остановов.

Технологическая модернизация и тенденции развития отрасли основной системы охлаждения питательной воды
Благодаря непрерывному совершенствованию технологий ядерной энергетики и углублению стратегии «двойного углерода» основная система охлаждения питательной воды атомных электростанций развивается в направлении интеллектуальности, эффективности и локализации. Технологическая и промышленная модернизация продвигаются синхронно, обеспечивая более мощную поддержку безопасной и эффективной эксплуатации атомной энергетики.

• Направление технической модернизации

Интеллектуальное обновление. Интеграция таких технологий, как Интернет вещей, большие данные и искусственный интеллект, для создания интеллектуальной системы управления полного жизненного цикла, обеспечивающей мониторинг рабочих параметров системы-в режиме реального времени, точную диагностику неисправностей и интеллектуальное планирование эксплуатации и технического обслуживания. Например, с помощью технологии цифровых двойников для построения виртуальной модели основной системы охлаждения питательной воды, моделирования рабочего состояния системы, заблаговременного прогнозирования рисков сбоев, оптимизации планов эксплуатации и технического обслуживания, а также снижения затрат на эксплуатацию и техническое обслуживание.

Эффективная оптимизация: за счет оптимизации системных процессов, улучшения структуры оборудования, а также повышения термической эффективности и эксплуатационной стабильности системы. Например, оптимизация конструкции рабочего колеса главного насоса питательной воды для повышения эффективности транспортировки и снижения энергопотребления; Оптимизируйте процесс предварительного нагрева подачи воды, полностью утилизируйте отходящее тепло и еще больше повысьте эффективность использования энергии. В то же время используется технология регулирования скорости с преобразованием частоты, позволяющая динамически регулировать скорость главного насоса питательной воды в зависимости от мощности реактора, что обеспечивает энергосберегающую-работу.

Продвижение технологии без утечек: внедрение типов насосов без утечек, таких как магнитные насосы и экранированные насосы, для замены традиционных насосов с уплотнением вала, что снижает риск утечки воды, повышает безопасность системы и защиту окружающей среды, одновременно снижает затраты на техническое обслуживание оборудования и адаптируется к суровым требованиям условий эксплуатации атомных электростанций.

• Тенденции развития отрасли

С ускорением процесса утверждения отечественных проектов в области атомной энергетики и постоянным увеличением количества строящихся энергоблоков рыночный спрос на оборудование, связанное с основной системой охлаждения питательной воды, продолжает высвобождаться. По оценкам, с 2026 по 2030 год ожидается, что в Китае будет добавлено 30-40 новых одобренных атомных энергоблоков, что соответствует потребности примерно в 120-160 новых насосах питательной воды для атомной энергетики. Объем рынка будет неуклонно увеличиваться. Процесс локализации продолжает ускоряться, уровень локализации основных насосов превысил 90%. Государственные предприятия, такие как Shanghai Electric, Dongfang Electric и Harbin Electric Group, доминируют на внутреннем рынке. Имея полную производственную систему и инженерный опыт, они постепенно достигают внутреннего замещения высококачественной продукцией и снижают зависимость от импортного оборудования.

Между тем, с развитием малых модульных реакторов (ММР) и демонстрационных проектов ядерной энергетики четвертого поколения, постепенно будет возникать спрос на новое, эффективное и компактное оборудование для охлаждения основной питательной воды, открывая новые возможности роста для отрасли. Кроме того, в контексте ускоренного экспорта атомной энергии в рамках «Инициативы «Пояс и путь»» отечественное оборудование, связанное с основной системой охлаждения питательной воды, будет постепенно выходить на международный рынок, повышая глобальную конкурентоспособность китайского атомно-энергетического оборудования [6].

Основная система охлаждения питательной воды атомной электростанции, являющаяся «охлаждающим барьером» ядерной безопасности, является основным узлом вторичного цикла атомной энергетики. Его стабильная работа напрямую связана с безопасной, эффективной и низкоуглеродной-работой атомного энергоблока. От оптимизации структуры основных компонентов до модернизации интеллекта системы, от точного устранения неисправностей до содействия внутренней замене — каждый технологический прорыв в основной системе охлаждения питательной воды закладывает прочную основу для безопасности ядерной энергетики.
В контексте энергетического перехода, при постоянном развитии ядерно-энергетических технологий, основная система охлаждения питательной воды будет продолжать двигаться в более интеллектуальном, эффективном и безопасном направлении, постоянно преодолевая ключевые технологические узкие места, улучшая систему гарантий безопасности, обеспечивая мощную поддержку высококачественного развития атомной энергетики Китая, достижения цели «двойного углерода» и обеспечения безопасной транспортировки чистой ядерной энергии на всех уровнях.