Làm mát động cơ bơm nước cấp chính trong nhà máy điện hạt nhân
Cơ chế làm nóng và mối nguy hiểm của động cơ bơm nước cấp chính trong nhà máy điện hạt nhân
Động cơ bơm nước cấp chính trong các nhà máy điện hạt nhân hầu hết là động cơ không đồng bộ hoặc đồng bộ có công suất lớn,-công suất lớn. Sự sinh nhiệt của chúng chủ yếu bắt nguồn từ tác động tổng hợp của tổn thất điện, tổn thất cơ học và các yếu tố môi trường. Cơ chế làm nóng rất phức tạp và nhiệt tích tụ nhanh chóng. Nếu không làm mát kịp thời sẽ gây ra nhiều mối nguy hiểm cho thiết bị, hệ thống.
Cơ chế sưởi ấm lõi
1. Làm nóng tổn thất điện: Đây là nguồn sinh nhiệt chính của động cơ, bao gồm tổn thất đồng cuộn dây stato, tổn thất lõi sắt và tổn thất bổ sung. Khi cuộn dây stato được cấp điện, dòng điện chạy qua dây dẫn sẽ tạo ra nhiệt Joule, tức là tổn thất đồng. Độ lớn của những tổn hao này tỉ lệ thuận với bình phương dòng điện và điện trở dây dẫn. Dưới tác dụng của từ trường xen kẽ, lõi tạo ra tổn thất trễ và tổn thất dòng điện xoáy, tức là tổn thất sắt, chủ yếu liên quan đến vật liệu lõi, cường độ từ trường và tần số. Hơn nữa, sóng hài tạo ra bởi bộ biến tần hoặc tải phi tuyến có thể làm tăng thêm tổn thất động cơ, làm trầm trọng thêm tình trạng sinh nhiệt.
2. Sinh nhiệt tổn thất cơ học: Trong quá trình vận hành động cơ, tổn thất cơ học được tạo ra và chuyển thành nhiệt do ma sát khe hở không khí giữa rôto và stato, ma sát quay vòng bi và lực cản quay của quạt. Vòng bi bị mài mòn, bôi trơn kém hoặc lắp đặt không đúng cách làm tăng đáng kể ma sát cơ học, dẫn đến sinh thêm nhiệt và trở thành nguyên nhân chính gây ra tổn thất nhiệt cơ học.
3. Các yếu tố môi trường kết hợp: Máy bơm nước cấp chính trong các nhà máy điện hạt nhân hầu hết được đặt trong các phòng khử khí của tòa nhà chính trên đảo thông thường. Trong một số trường hợp, nhiệt độ môi trường cao và không gian tương đối khép kín với khả năng thông gió hạn chế. Đồng thời, môi trường vận hành của nhà máy điện hạt nhân có thể chứa các chất ô nhiễm như bụi, hơi nước dễ bám vào bề mặt hoặc bên trong động cơ, chặn các kênh tản nhiệt và cản trở hơn nữa quá trình tản nhiệt, do đó làm tăng nhiệt độ vận hành của động cơ.
Mối nguy hiểm của nhiệt độ quá cao Khi nhiệt độ động cơ vượt quá giới hạn định mức, nó sẽ gây ra hàng loạt tác động tiêu cực đến hiệu suất của thiết bị và sự an toàn của hệ thống: Đầu tiên, nó làm hỏng hiệu suất cách điện của động cơ. Nhiệt độ cao làm tăng tốc độ lão hóa và cacbon hóa của vật liệu cách nhiệt, làm giảm điện trở cách điện và thậm chí gây ra đoản mạch cuộn dây và lỗi nối đất, trực tiếp dẫn đến tắt động cơ. Thứ hai, nó ảnh hưởng đến hiệu suất cơ học của động cơ. Nhiệt độ cao gây ra sự giãn nở nhiệt và biến dạng của các bộ phận như rôto động cơ và stato, dẫn đến các khe hở không khí không đồng đều, giảm độ chính xác lắp cơ khí, tăng độ rung và tiếng ồn, và trong trường hợp nghiêm trọng là gây nhiễu cơ học. Thứ ba, nó làm giảm hiệu suất vận hành của động cơ. Nhiệt độ tăng làm tăng điện trở dây dẫn và tổn thất đồng, đồng thời giảm tính thấm của lõi và tăng tổn thất sắt, dẫn đến tăng mức tiêu thụ năng lượng của động cơ và giảm hiệu suất. Thứ tư, nó gây ra các lỗi xếp tầng. Việc không tắt động cơ bơm nước cấp chính sẽ gây ra sự gián đoạn trong hệ thống nước cấp chính, ảnh hưởng đến hoạt động bình thường của máy tạo hơi nước. Nếu máy bơm dự phòng không thể khởi động kịp thời, nó có thể khiến tổ máy điện hạt nhân giảm tải hoặc thậm chí ngừng hoạt động khẩn cấp, dẫn đến thiệt hại đáng kể về kinh tế và rủi ro về an toàn.
Phương pháp làm mát và đặc tính kỹ thuật của động cơ bơm nước cấp chính trong nhà máy điện hạt nhân
Xem xét các yêu cầu về mức độ an toàn, điều kiện vận hành và bố trí không gian của nhà máy điện hạt nhân, phương pháp làm mát cho động cơ bơm nước cấp chính phải đáp ứng các yêu cầu cốt lõi như tản nhiệt hiệu quả, vận hành đáng tin cậy, bảo trì thuận tiện và khả năng thích ứng với môi trường hạt nhân. Hiện nay, các phương pháp làm mát thường được sử dụng cho động cơ bơm nước cấp chính trong nhà máy điện hạt nhân chủ yếu được chia thành hai loại: làm mát bằng không khí và làm mát bằng chất lỏng. Các phương pháp làm mát khác nhau có thiết kế cấu trúc, hiệu suất tản nhiệt khác nhau và các kịch bản áp dụng khác nhau. Trong ứng dụng thực tế, phải đưa ra lựa chọn hợp lý dựa trên các yếu tố như công suất động cơ và môi trường vận hành.
1. Phương pháp làm mát bằng không khí Làm mát bằng không khí sử dụng không khí làm môi trường tản nhiệt, mang nhiệt do động cơ tạo ra thông qua luồng không khí. Nó có những ưu điểm như cấu trúc đơn giản, bảo trì thuận tiện và không có rủi ro rò rỉ. Nó phù hợp với động cơ bơm nước cấp chính công suất thấp-đến{4}}trung bình trong môi trường có nhiệt độ môi trường thấp và được sử dụng rộng rãi trong các tổ máy nhà máy điện hạt nhân thời kỳ đầu và một số động cơ bơm nước cấp phụ. Tùy thuộc vào phương pháp luồng không khí, nó có thể được chia thành làm mát thông gió tự nhiên và làm mát thông gió cưỡng bức.
Làm mát thông gió tự nhiên dựa vào khả năng tản nhiệt của chính động cơ và sự đối lưu tự nhiên của không khí xung quanh để đạt được khả năng tản nhiệt. Vỏ động cơ thường được thiết kế với kết cấu tản nhiệt nhằm tăng diện tích tản nhiệt. Nhiệt được dẫn vào không khí thông qua tản nhiệt và sự đối lưu tự nhiên được hình thành do chênh lệch mật độ không khí để hoàn thành quá trình trao đổi nhiệt. Phương pháp này không yêu cầu thêm thiết bị điện, có chi phí vận hành và bảo trì thấp và không gây ô nhiễm tiếng ồn. Tuy nhiên, hiệu suất tản nhiệt của nó tương đối thấp và bị ảnh hưởng lớn bởi nhiệt độ môi trường và điều kiện thông gió. Nó không phù hợp với động cơ bơm nước cấp chính có công suất cao,{6}}nhiệt cao và chỉ phù hợp với động cơ phụ trợ có công suất thấp hoặc động cơ dự phòng.
Làm mát thông gió cưỡng bức sử dụng quạt làm mát được lắp ở phía sau động cơ để tạo luồng không khí đi qua bề mặt stato, rôto và lõi, tăng tốc độ tản nhiệt. Hiệu suất tản nhiệt của nó cao hơn nhiều so với làm mát thông gió tự nhiên và phù hợp với động cơ bơm nước cấp chính có công suất trung bình-. Dựa trên phương pháp tuần hoàn không khí làm mát, có thể chia thành hệ thống mở và hệ thống đóng: Thông gió cưỡng bức mở trực tiếp hút không khí xung quanh vào động cơ, tiêu tan sau khi làm mát và sau đó thải ra ngoài. Nó có cấu trúc đơn giản và hiệu suất tản nhiệt cao, nhưng dễ bị ô nhiễm bụi và hơi nước từ môi trường, cần phải vệ sinh bộ lọc không khí thường xuyên. Thông gió cưỡng bức khép kín sử dụng lưu thông không khí bên trong, làm mát không khí lưu thông thông qua bộ làm mát bên ngoài trước khi-đưa trở lại động cơ, ngăn chặn các chất ô nhiễm môi trường xâm nhập vào động cơ. Nó phù hợp với môi trường nhà máy điện hạt nhân có độ bụi và độ ẩm cao, nhưng cấu trúc của nó tương đối phức tạp, đòi hỏi phải bảo trì hệ thống làm mát và tuần hoàn.
2. Làm mát bằng chất lỏng
Làm mát bằng chất lỏng sử dụng các chất lỏng như nước và dầu làm môi trường tản nhiệt. Tận dụng công suất nhiệt riêng cao và hiệu suất tản nhiệt cao của chất lỏng, nhiệt được mang ra khỏi động cơ thông qua tuần hoàn chất lỏng. Nó phù hợp với động cơ bơm nước cấp chính-công suất cao,{3}}nhiệt cao{4}}trong các nhà máy điện hạt nhân và hiện là phương pháp làm mát phổ biến. Làm mát bằng nước khép kín hoàn toàn được sử dụng rộng rãi nhất và các động cơ bơm nước cấp chính trong dự án Nhà máy điện hạt nhân Haiyang giai đoạn I sử dụng phương pháp làm mát này.
Hệ thống làm mát{0}}làm mát bằng nước: Sử dụng nước khử ion hoặc chất xử lý nước làm mát đặc biệt làm môi trường, hệ thống này được chia thành các dạng làm mát bên trong và làm mát bên ngoài. Hệ thống làm mát bên trong sử dụng các ống nước làm mát được lắp bên trong cuộn dây stato và rôto của động cơ, cho phép nước làm mát chảy qua cuộn dây và trực tiếp loại bỏ nhiệt do cuộn dây tạo ra. Điều này mang lại hiệu suất tản nhiệt cực cao và phù hợp với động cơ có-công suất lớn,{4}}công suất cao. Mặt khác, hệ thống làm mát bên ngoài sử dụng áo làm mát trên vỏ động cơ. Nước làm mát chảy qua áo làm mát và trao đổi nhiệt với vỏ động cơ, gián tiếp loại bỏ nhiệt. Hệ thống này có cấu trúc tương đối đơn giản và dễ bảo trì, nhưng hiệu suất tản nhiệt của nó thấp hơn một chút so với hệ thống làm mát bên trong.
Hệ thống làm mát bằng nước cho động cơ bơm nước cấp chính trong nhà máy điện hạt nhân thường được liên kết với hệ thống nước làm mát thiết bị của nhà máy điện. Đầu vào và đầu ra nước làm mát được kết nối với hệ thống nước làm mát thiết bị của nhà máy điện thông qua mặt bích, tạo thành một vòng tuần hoàn khép kín. Hệ thống này bao gồm bơm tăng áp làm mát, bộ lọc, bộ giám sát nhiệt độ và bộ giám sát dòng chảy. Bơm tăng áp làm mát cung cấp năng lượng cho dòng nước làm mát, bộ lọc ngăn tạp chất làm tắc nghẽn đường ống làm mát và bộ giám sát nhiệt độ thu thập nhiệt độ môi chất làm mát theo thời gian thực và đưa trở lại phòng điều khiển chính của nhà máy điện, cho phép tự động điều chỉnh hệ thống làm mát và đảm bảo nhiệt độ động cơ vẫn ổn định trong phạm vi định mức.
3. Hệ thống làm mát bằng dầu: Hệ thống này sử dụng dầu làm mát chuyên dụng làm môi trường, tuần hoàn dầu để loại bỏ nhiệt khỏi động cơ đồng thời cung cấp dầu bôi trơn. Nó phù hợp với động cơ tải-tốc độ cao,{4}}cao. Dầu làm mát chảy qua cuộn dây, vòng bi và các bộ phận khác bên trong động cơ, hấp thụ nhiệt trước khi đi vào bộ làm mát bên ngoài để trao đổi nhiệt với không khí hoặc nước làm mát. Sau khi làm mát, dầu được tái chế. Ưu điểm của hệ thống làm mát bằng dầu-là tản nhiệt và bôi trơn đồng đều, bảo vệ hiệu quả vòng bi và các bộ phận cơ khí khác. Tuy nhiên, nó đòi hỏi phải thay dầu thường xuyên, dẫn đến chi phí bảo trì cao hơn và có nguy cơ rò rỉ dầu. Vì vậy, ứng dụng của nó trong động cơ bơm nước cấp chính của nhà máy điện hạt nhân còn tương đối hạn chế.
Phương pháp làm mát tổng hợp Đối với động cơ bơm nước cấp chính có công suất cực cao và sinh nhiệt đáng kể, một phương pháp làm mát duy nhất là không đủ để đáp ứng yêu cầu tản nhiệt. Do đó, các phương pháp làm mát tổng hợp thường được sử dụng, kết hợp làm mát không khí với làm mát bằng chất lỏng hoặc làm mát bên trong với làm mát bên ngoài. Ví dụ: cuộn dây stato sử dụng hệ thống làm mát bên trong-làm mát bằng nước, cuộn dây rôto sử dụng hệ thống làm mát không khí và lõi sử dụng hệ thống làm mát bên ngoài-làm mát bằng nước. Thông qua khả năng tản nhiệt đa chiều-, nhiệt độ động cơ được đảm bảo duy trì ổn định trong giới hạn định mức trong quá trình vận hành-đầy tải. Các phương pháp làm mát tổng hợp mang lại hiệu quả tản nhiệt cao và khả năng thích ứng mạnh mẽ, nhưng chúng có cấu trúc phức tạp, chi phí đầu tư cao và khó bảo trì. Chúng chủ yếu được sử dụng trong các động cơ bơm nước cấp chính thuộc loại megawatt{9}}trở lên của các tổ máy điện hạt nhân.
Hệ thống làm mát của động cơ bơm nước cấp chính trong nhà máy điện hạt nhân là bộ phận quan trọng đảm bảo hoạt động an toàn và ổn định của tổ máy. Hiệu suất tản nhiệt và độ tin cậy vận hành của nó ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động bình thường của hệ thống bơm nước cấp chính, do đó ảnh hưởng đến chu trình nhiệt và các rào cản an toàn của toàn bộ nhà máy điện hạt nhân. Khi các tổ máy điện hạt nhân phát triển theo hướng công suất lớn hơn và thông số cao hơn, công suất của động cơ bơm nước cấp chính không ngừng tăng lên, dẫn đến sinh nhiệt nhiều hơn và đặt ra nhu cầu ngày càng cao hơn về công nghệ làm mát.
Phần kết luận
Các phương pháp làm mát bằng không khí, làm mát bằng chất lỏng và làm mát kết hợp được sử dụng rộng rãi trong động cơ bơm nước cấp chính của các nhà máy điện hạt nhân. Bằng cách tối ưu hóa thiết kế hệ thống làm mát, lựa chọn phương tiện làm mát hiệu quả cũng như cải tiến công nghệ giám sát và điều khiển tự động, hiệu suất tản nhiệt và độ tin cậy của hệ thống làm mát đã được cải thiện một cách hiệu quả, đáp ứng yêu cầu vận hành lâu dài của các tổ máy điện hạt nhân. Trong khi đó, với sự tiến bộ không ngừng của công nghệ điện hạt nhân, thông minh hóa, hiệu quả và xanh hóa đã trở thành xu hướng phát triển của công nghệ làm mát. Trong tương lai, việc nghiên cứu và phát triển sâu hơn các công nghệ làm mát tiết kiệm năng lượng và hiệu quả-chẳng hạn như vật liệu làm mát tổng hợp mới và hệ thống làm mát thích ứng thông minh sẽ được tiến hành để đạt được khả năng kiểm soát chính xác và vận hành tiết kiệm năng lượng-của hệ thống làm mát. Đồng thời, việc vận hành và bảo trì hệ thống làm mát thông minh sẽ được tăng cường. Thông qua dữ liệu lớn, Internet vạn vật và các công nghệ khác, sẽ đạt được-giám sát theo thời gian thực, cảnh báo sớm sự cố và chẩn đoán thông minh về trạng thái vận hành của hệ thống làm mát, cải thiện hơn nữa độ tin cậy cũng như hiệu quả vận hành và bảo trì của hệ thống làm mát và cung cấp sự đảm bảo mạnh mẽ hơn cho hoạt động an toàn và hiệu quả của các nhà máy điện hạt nhân.
