Hệ thống làm mát nước cấp chính của nhà máy điện hạt nhân là rào cản làm mát cho an toàn hạt nhân
Vị trí cốt lõi và giá trị chức năng của hệ thống làm mát nước cấp chính
Quá trình chuyển đổi năng lượng của nhà máy điện hạt nhân về cơ bản bao gồm làm nóng chất làm mát trong mạch sơ cấp thông qua năng lượng nhiệt được tạo ra bởi phản ứng phân hạch hạt nhân, sau đó truyền năng lượng nhiệt sang nước cấp chính trong mạch thứ cấp thông qua máy tạo hơi nước, chuyển đổi nước cấp thành hơi áp suất cao-để dẫn động tua-bin hơi để phát điện. Chức năng cốt lõi của hệ thống làm mát nước cấp chính là cung cấp môi trường làm mát ổn định và có thể kiểm soát được cho chu trình này, đồng thời đạt được khả năng tản nhiệt và thu hồi nhiệt hợp lý. Giá trị chức năng của nó chủ yếu được phản ánh ở ba khía cạnh.
Thứ nhất, đảm bảo làm mát lõi lò phản ứng. Lõi của lò phản ứng hạt nhân liên tục giải phóng một lượng lớn năng lượng nhiệt trong quá trình phân hạch hạt nhân. Nếu không xuất khẩu kịp thời sẽ dẫn đến nhiệt độ lõi tăng đột ngột và gây ra tai nạn nghiêm trọng về an toàn. Hệ thống làm mát nước cấp chính liên tục cung cấp nước làm mát cho bộ tạo hơi nước, hấp thụ nhiệt từ chất làm mát chính và đảm bảo nhiệt độ lõi được duy trì trong ngưỡng an toàn, tạo thành "rào cản làm mát" quan trọng cho sự an toàn của lò phản ứng. Theo thống kê của IAEA, khoảng 12% số vụ ngừng hoạt động ngoài kế hoạch tại các nhà máy điện hạt nhân có liên quan đến sự cố hệ thống nước cấp, điều này gián tiếp khẳng định giá trị an toàn tới hạn của hệ thống làm mát nước cấp chính.
Thứ hai, duy trì sự ổn định của chu kỳ vòng thứ cấp. Hệ thống làm mát nước cấp chính cần điều chỉnh chính xác tốc độ dòng nước cấp và nhiệt độ theo sự thay đổi công suất lò phản ứng, đảm bảo thông số hơi ổn định ở đầu ra của máy tạo hơi và cung cấp nguồn điện liên tục, đủ tiêu chuẩn cho tuabin. Trong quá trình-lò phản ứng vận hành công suất thấp, tốc độ dòng chảy được điều chỉnh thủ công bằng van điều khiển đường vòng nước cấp chính; Trong quá trình vận hành-công suất cao, van điều chỉnh nước cấp chính sẽ tự động can thiệp và điều chỉnh linh hoạt theo công suất nhiệt của bộ tạo hơi nước, đảm bảo tính liên tục và ổn định của chu trình vòng lặp thứ cấp.
Cuối cùng, đạt được việc sử dụng năng lượng hiệu quả. Hệ thống làm mát nước cấp chính sẽ làm nóng trước nước cấp trong quá trình làm mát, thu hồi nhiệt thải sau khi ngưng tụ hơi nước, giảm tổn thất năng lượng và cải thiện hiệu suất nhiệt của tổ máy điện hạt nhân. Đồng thời, bằng cách kiểm soát chính xác các thông số cấp nước, giảm hao mòn thiết bị và mức tiêu thụ năng lượng, đồng thời giúp các đơn vị điện hạt nhân đạt được-hoạt động kinh tế lâu dài, nó đáp ứng nhu cầu phát triển năng lượng hiệu quả và-carbon thấp theo chiến lược "carbon kép".
Cấu trúc thành phần và nguyên lý làm việc của hệ thống làm mát nước cấp chính
Hệ thống làm mát nước cấp chính của nhà máy điện hạt nhân là một hệ thống phức hợp tích hợp và có độ chính xác-cao, chủ yếu bao gồm máy bơm nước cấp chính, van điều tiết nước cấp chính, thiết bị làm nóng sơ bộ nước cấp, hệ thống đường ống, hệ thống giám sát và điều khiển cũng như thiết bị phụ trợ. Các thành phần phối hợp với nhau để tạo thành một chu trình làm mát vòng-đóng và nguyên lý hoạt động của nó xoay quanh ba liên kết cốt lõi của "điều chỉnh thông số trao đổi nhiệt vận chuyển nước cấp".
Các thành phần cốt lõi và chức năng của chúng
- Máy bơm nước cấp chính: Là "trái tim năng lượng" của hệ thống, nó chịu trách nhiệm cung cấp nước cấp-có độ tinh khiết cao được xử lý bằng thiết bị khử khí đến máy tạo hơi nước ở áp suất cao. Điều kiện hoạt động của nó cực kỳ khắc nghiệt, đòi hỏi phải hoạt động liên tục trong thời gian dài ở nhiệt độ cao (nhiệt độ nước đầu vào khoảng 220 độ ) và áp suất cao (áp suất đầu ra có thể đạt tới 8-12 MPa). Tuổi thọ thiết kế thường không dưới 40 năm và yêu cầu cực kỳ cao về khả năng chống ăn mòn của vật liệu và độ kín kết cấu. Hiện tại, dòng chính ở Trung Quốc sử dụng máy bơm nước cấp chính ly tâm tốc độ cao và một số đơn vị tiên tiến đã áp dụng các giải pháp tích hợp về điều chỉnh tốc độ tần số thay đổi và giám sát thông minh. Một số tổ máy còn được trang bị máy bơm nước cấp điều khiển bằng hơi nước để đảm bảo vẫn có thể dựa vào hơi nước phụ để duy trì hoạt động và cải thiện độ tin cậy của hệ thống trong trường hợp mất điện toàn bộ nhà máy. Hệ thống mô-đun của nhóm máy bơm nước cấp chính do Viện Thiết kế Điện lực Đông Trung Quốc phát triển giúp cải thiện hiệu quả độ tin cậy vận hành và hiệu quả thiết kế của hệ thống bằng cách tích hợp máy bơm trước, động cơ, bộ ghép thủy lực và máy bơm chính.
- Van điều khiển nước cấp chính: “trung tâm dòng chảy” của hệ thống, hoạt động song song với van điều khiển rẽ nhánh nước cấp chính, có nhiệm vụ điều chỉnh chính xác lưu lượng nước cấp dựa trên những thay đổi về công suất lò phản ứng và trạng thái hoạt động của máy tạo hơi nước. Hiệu suất của nó liên quan trực tiếp đến sự ổn định của hệ thống cấp nước. Nếu xảy ra lỗi, nó sẽ gây ra sự biến động về tốc độ dòng nước cấp chính, gây ra mối đe dọa cho sự an toàn của thiết bị. Các lỗi thường gặp bao gồm mòn và đứt ren nối thân van và lõi van, mòn do va chạm ở thành trong của bộ phận lồng van, phản hồi bất thường của tín hiệu định vị, v.v., cần được giải quyết thông qua tối ưu hóa cấu trúc và nâng cấp vật liệu.
Thiết bị làm nóng trước nước cấp: chủ yếu bao gồm bộ gia nhiệt-áp suất cao, được sử dụng để làm nóng trước nước cấp chính bằng cách sử dụng nhiệt thải từ quá trình chiết của tuabin hơi, tăng nhiệt độ nước cấp, giảm thất thoát nhiệt trong bộ tạo hơi nước và giảm ứng suất nhiệt của thiết bị, từ đó kéo dài tuổi thọ sử dụng của hệ thống. Sau khi gia nhiệt trước, nước cấp đi vào bộ tạo hơi nước và có thể hấp thụ nhiệt từ mạch sơ cấp hiệu quả hơn, nâng cao hiệu suất tạo hơi nước.
Hệ thống giám sát và điều khiển: Bao gồm nhiều cảm biến, bộ điều khiển và bộ truyền động khác nhau, nó giám sát các thông số chính như tốc độ dòng nước, nhiệt độ và áp suất trong thời gian thực-và đạt được điều chỉnh thông số chính xác thông qua hệ thống điều khiển tự động. Ví dụ: bằng cách theo dõi mực nước và nhiệt độ của máy tạo hơi nước, tốc độ của bơm nước cấp chính và độ mở của van điều khiển nước cấp chính được điều chỉnh tự động để đảm bảo các thông số vận hành hệ thống luôn nằm trong phạm vi an toàn, đồng thời đạt được-cảnh báo theo thời gian thực và ứng phó khẩn cấp khi xảy ra lỗi.
- Phân tích quy trình làm việc
Quy trình làm việc của hệ thống làm mát nước cấp chính có thể được chia thành bốn bước chính: bước đầu tiên là thiết bị khử khí thực hiện xử lý khử khí trên nước cấp, loại bỏ oxy và các khí độc hại khác khỏi nước, ngăn ngừa ăn mòn đường ống và thiết bị, đồng thời đảm bảo rằng độ tinh khiết của nước cấp đáp ứng các tiêu chuẩn cấp hạt nhân; Bước thứ hai là tăng trước áp suất đầu vào của máy bơm chính để ngăn chặn hiện tượng xâm thực. Sau đó, máy bơm nước cấp chính tạo áp suất cho nước cấp đã xử lý và đưa đến bộ gia nhiệt-áp suất cao; Bước ba, bộ gia nhiệt áp suất cao-sử dụng nhiệt thải được chiết xuất từ tua bin hơi nước để làm nóng trước nước cấp và tăng nhiệt độ nước cấp lên phạm vi quy định; Bước bốn, nước cấp chính được làm nóng trước được vận chuyển đến bộ tạo hơi nước để hấp thụ nhiệt từ chất làm mát sơ cấp và chuyển thành hơi-áp suất cao. Nước cấp được làm mát sau đó chảy ngược lại hệ thống tuần hoàn để hoàn thành chu trình làm mát. Trong toàn bộ quá trình, hệ thống giám sát và điều khiển sẽ tham gia đầy đủ, điều chỉnh linh hoạt các thông số vận hành của từng bộ phận dựa trên những thay đổi về công suất lò phản ứng và trạng thái vận hành hệ thống để đảm bảo chu trình ổn định, an toàn và hiệu quả.
Đảm bảo an toàn và xử lý lỗi của hệ thống làm mát nước cấp chính
Việc vận hành an toàn hệ thống làm mát nước cấp chính trong các nhà máy điện hạt nhân là sự đảm bảo quan trọng cho an toàn điện hạt nhân. Do môi trường hoạt động khắc nghiệt của hệ thống, tiếp xúc với nhiệt độ cao, áp suất cao và bức xạ cao trong thời gian dài nên dễ bị hao mòn linh kiện, rò rỉ, điều khiển bất thường và các lỗi khác. Vì vậy, cần thiết lập một hệ thống đảm bảo an toàn hợp lý để phát hiện sớm và xử lý lỗi.
- Các biện pháp an ninh
Tối ưu hóa vật liệu và cấu trúc: Các thành phần cốt lõi được làm bằng vật liệu đặc biệt có độ bền cao, chống ăn mòn và chống bức xạ. Ví dụ: bánh công tác và phốt trục của máy bơm nước cấp chính được làm bằng thép không gỉ austenit có hàm lượng carbon cực thấp hoặc thép không gỉ song công. Chốt định vị của van điều chỉnh nước cấp chính được làm bằng-vật liệu Inconel750 có độ bền cao, thay thế vật liệu có độ bền thấp truyền thống, nhằm cải thiện khả năng chống mài mòn và tuổi thọ của các bộ phận. Đồng thời, tối ưu hóa thiết kế cấu trúc của các bộ phận lồng van và lõi van, sử dụng các cửa sổ lỗ nhỏ và tối ưu hóa sự sắp xếp của chúng theo đường cong dòng chảy, cải thiện độ chính xác điều chỉnh và khả năng dòng chảy, đồng thời giảm độ rung và mài mòn của bộ phận.
Thiết kế dự phòng kép: Thiết bị chính của hệ thống áp dụng cấu hình dự phòng “một để sử dụng và một để dự phòng” hoặc “nhiều để sử dụng và một để dự phòng”. Ví dụ, máy bơm nước cấp chính thường được trang bị 2-4 tổ máy và máy bơm dự phòng tương ứng để đảm bảo khi một thiết bị gặp sự cố thì thiết bị dự phòng có thể nhanh chóng được đưa vào vận hành tránh tình trạng tắt hệ thống. Đồng thời, hệ thống điều khiển áp dụng thiết kế dự phòng kép để ngăn hệ thống mất quyền kiểm soát do hỏng một bộ điều khiển duy nhất.
Giám sát thông minh và cảnh báo sớm: Với sự trợ giúp của bộ đôi kỹ thuật số, bảo trì dự đoán AI và các công nghệ khác, việc giám sát trạng thái trực tuyến của các thiết bị quan trọng như máy bơm nước cấp chính và van điều tiết được thực hiện. Thông qua phân tích phổ rung động, tái tạo trường nhiệt độ và các phương pháp khác, hoạt động bất thường của thiết bị được ghi lại trong thời gian thực và cảnh báo lỗi được đưa ra trước. Sau khi áp dụng hệ thống giám sát thông minh, thời gian vận hành trung bình không gặp sự cố của máy bơm nước cấp chính đã tăng từ 18000 giờ đối với các mẫu truyền thống lên hơn 32000 giờ, giảm đáng kể nguy cơ ngừng hoạt động ngoài kế hoạch.
Nâng cấp công nghệ và xu hướng phát triển ngành của hệ thống làm mát nước cấp chính
Với sự lặp lại liên tục của công nghệ điện hạt nhân và đi sâu hơn vào chiến lược "cacbon kép", hệ thống làm mát nước cấp chính của các nhà máy điện hạt nhân đang phát triển theo hướng thông minh, hiệu quả và nội địa hóa. Nâng cấp công nghệ và nâng cấp công nghiệp đang tiến triển đồng bộ, hỗ trợ mạnh mẽ hơn cho việc vận hành điện hạt nhân an toàn và hiệu quả.
- Hướng nâng cấp kỹ thuật
Nâng cấp thông minh: Tích hợp các công nghệ như Internet vạn vật, dữ liệu lớn và trí tuệ nhân tạo để xây dựng một hệ thống quản lý thông minh trọn vòng đời, đạt được khả năng giám sát-thông số vận hành hệ thống theo thời gian thực, chẩn đoán lỗi chính xác cũng như lập lịch vận hành và bảo trì thông minh. Ví dụ, bằng cách sử dụng công nghệ bản sao kỹ thuật số để xây dựng mô hình ảo của hệ thống làm mát nước cấp chính, mô phỏng trạng thái vận hành của hệ thống, dự đoán trước rủi ro lỗi, tối ưu hóa kế hoạch vận hành và bảo trì cũng như giảm chi phí vận hành và bảo trì.
Tối ưu hóa hiệu quả: Bằng cách tối ưu hóa quy trình hệ thống, cải thiện cấu trúc thiết bị và nâng cao hiệu suất nhiệt của hệ thống cũng như độ ổn định khi vận hành. Ví dụ, tối ưu hóa thiết kế cánh quạt của máy bơm nước cấp chính để cải thiện hiệu suất vận chuyển và giảm tiêu thụ năng lượng; Tối ưu hóa quá trình làm nóng sơ bộ nguồn cấp nước, thu hồi hoàn toàn nhiệt thải và nâng cao hơn nữa hiệu quả sử dụng năng lượng. Đồng thời, công nghệ điều chỉnh tốc độ chuyển đổi tần số được áp dụng để điều chỉnh linh hoạt tốc độ của máy bơm nước cấp chính theo công suất lò phản ứng, giúp vận hành tiết kiệm năng lượng-.
Thúc đẩy công nghệ không rò rỉ: Áp dụng các loại máy bơm không rò rỉ như máy bơm từ tính và máy bơm được che chắn để thay thế máy bơm phốt trục truyền thống, giảm nguy cơ rò rỉ nước, cải thiện độ an toàn hệ thống và bảo vệ môi trường, đồng thời giảm chi phí bảo trì thiết bị và thích ứng với yêu cầu môi trường vận hành khắc nghiệt của nhà máy điện hạt nhân.
- Xu hướng phát triển ngành
Với việc tăng tốc phê duyệt các dự án điện hạt nhân trong nước và số lượng tổ máy đang được xây dựng tăng đều đặn, nhu cầu thị trường về thiết bị liên quan đến hệ thống làm mát nước cấp chính tiếp tục được giải phóng. Theo ước tính, từ năm 2026 đến năm 2030, dự kiến sẽ có thêm 30{10}40 tổ máy điện hạt nhân mới được phê duyệt ở Trung Quốc, tương ứng với nhu cầu về khoảng 120-160 máy bơm nước cấp hạt nhân mới. Quy mô thị trường sẽ tăng đều đặn. Quá trình nội địa hóa tiếp tục được đẩy nhanh và tỷ lệ nội địa hóa của các máy bơm chính đã vượt quá 90%. Các doanh nghiệp nhà nước như Shanghai Electric, Dongfang Electric và Harbin Electric Group chiếm lĩnh thị trường nội địa. Với hệ thống sản xuất hoàn chỉnh và kinh nghiệm kỹ thuật, họ đang dần thay thế được các sản phẩm cao cấp trong nước và giảm sự phụ thuộc vào thiết bị nhập khẩu.
Trong khi đó, với sự tiến bộ của các lò phản ứng mô-đun nhỏ (SMR) và các dự án trình diễn công nghệ điện hạt nhân thế hệ thứ tư, nhu cầu về thiết bị làm mát nước cấp chính mới, hiệu quả và nhỏ gọn sẽ dần xuất hiện, mở ra cơ hội tăng trưởng mới cho ngành. Ngoài ra, trong bối cảnh xuất khẩu năng lượng hạt nhân tăng nhanh theo "Sáng kiến Vành đai và Con đường", các thiết bị liên quan đến hệ thống làm mát nước cấp chính trong nước sẽ dần hướng tới thị trường quốc tế, nâng cao khả năng cạnh tranh toàn cầu của thiết bị điện hạt nhân của Trung Quốc [6].
Hệ thống làm mát nước cấp chính của nhà máy điện hạt nhân, với vai trò là "rào cản làm mát" cho an toàn hạt nhân, là trung tâm cốt lõi của chu trình vòng thứ cấp điện hạt nhân. Hoạt động ổn định của nó liên quan trực tiếp đến hoạt động an toàn, hiệu quả và{1}}cácbon thấp của nhà máy điện hạt nhân. Từ việc tối ưu hóa cấu trúc của các bộ phận cốt lõi đến nâng cấp trí thông minh của hệ thống, từ xử lý lỗi chính xác đến thúc đẩy thay thế trong nước, mọi đột phá công nghệ trong hệ thống làm mát nước cấp chính đã đặt nền tảng vững chắc cho an toàn điện hạt nhân.
Trong bối cảnh chuyển đổi năng lượng, với sự phát triển không ngừng của công nghệ điện hạt nhân, hệ thống làm mát nước cấp chính sẽ tiếp tục hướng tới hướng thông minh hơn, hiệu quả và an toàn hơn, không ngừng vượt qua các nút thắt công nghệ quan trọng, cải thiện hệ thống đảm bảo an toàn, hỗ trợ mạnh mẽ cho sự phát triển-chất lượng cao của ngành điện hạt nhân Trung Quốc, đạt được mục tiêu "cacbon kép" và đảm bảo vận chuyển an toàn năng lượng hạt nhân sạch ở mọi cấp độ.
