Enfriamiento del motor de la bomba de agua de alimentación principal en una central nuclear

Mecanismo de calentamiento y peligros de los motores de las bombas principales de agua de alimentación en centrales nucleares
Los principales motores de las bombas de agua de alimentación de las centrales nucleares son en su mayoría motores asíncronos o síncronos de gran-capacidad y alta-potencia. Su generación de calor se debe principalmente a los efectos combinados de pérdidas eléctricas, pérdidas mecánicas y factores ambientales. El mecanismo de calentamiento es complejo y el calor se acumula rápidamente. Si el enfriamiento no se realiza a tiempo, causará múltiples peligros a los equipos y sistemas.

Mecanismo de calentamiento central

1. Calentamiento por pérdida eléctrica: Esta es la principal fuente de generación de calor del motor, incluidas las pérdidas de cobre del devanado del estator, las pérdidas del núcleo de hierro y las pérdidas adicionales. Cuando los devanados del estator están energizados, la corriente que pasa a través de los conductores genera calor Joule, es decir, pérdidas en el cobre. La magnitud de estas pérdidas está correlacionada positivamente con el cuadrado de la corriente y la resistencia del conductor. Bajo la influencia de un campo magnético alterno, el núcleo genera pérdidas por histéresis y pérdidas por corrientes parásitas, es decir, pérdidas en el hierro, que están relacionadas principalmente con el material del núcleo, la intensidad del campo magnético y la frecuencia. Además, los armónicos generados por convertidores de frecuencia o cargas no lineales pueden aumentar las pérdidas adicionales del motor, exacerbando aún más la generación de calor.

2. Generación de calor por pérdida mecánica: Durante el funcionamiento del motor, las pérdidas mecánicas se generan y se convierten en calor debido a la fricción del entrehierro entre el rotor y el estator, la fricción de rotación de los cojinetes y la resistencia de rotación del ventilador. El desgaste de los rodamientos, una mala lubricación o una instalación inadecuada aumentan significativamente la fricción mecánica, lo que genera una generación adicional de calor y se convierte en la principal causa de pérdida mecánica de generación de calor.

3. Factores ambientales combinados: Las principales bombas de agua de alimentación en las centrales nucleares están ubicadas principalmente en las salas de desaireación del edificio principal en la isla convencional. En algunos escenarios, la temperatura ambiente es alta y el espacio está relativamente cerrado con ventilación limitada. Al mismo tiempo, el entorno operativo de las centrales nucleares puede contener contaminantes como polvo y vapor de agua, que se adhieren fácilmente a la superficie o al interior del motor, bloqueando los canales de disipación de calor y dificultando aún más la disipación de calor, aumentando así la temperatura de funcionamiento del motor.

Peligros de temperatura excesiva Cuando la temperatura del motor excede el límite nominal, tendrá una serie de impactos negativos en el rendimiento del equipo y la seguridad del sistema: Primero, daña el rendimiento del aislamiento del motor. Las altas temperaturas aceleran el envejecimiento y la carbonización de los materiales aislantes, reduciendo la resistencia del aislamiento e incluso provocando cortocircuitos en los devanados y fallos de conexión a tierra, lo que provoca directamente la parada del motor. En segundo lugar, afecta el rendimiento mecánico del motor. Las altas temperaturas provocan expansión térmica y deformación de componentes como el rotor y el estator del motor, lo que da lugar a entrehierros desiguales, disminución de la precisión del ajuste mecánico, aumento de la vibración y el ruido y, en casos graves, atascos mecánicos. En tercer lugar, reduce la eficiencia operativa del motor. El aumento de temperatura aumenta la resistencia del conductor y las pérdidas de cobre, al tiempo que disminuye la permeabilidad del núcleo y aumenta las pérdidas de hierro, lo que conduce a un mayor consumo de energía del motor y una reducción de la eficiencia. Cuarto, desencadena fallas en cascada. Si no se apaga el motor de la bomba de agua de alimentación principal, se producirá una interrupción en el sistema de agua de alimentación principal, lo que afectará el funcionamiento normal del generador de vapor. Si la bomba de reserva no puede arrancar a tiempo, puede provocar que la unidad de energía nuclear reduzca la carga o incluso se apague urgentemente, lo que provocará importantes pérdidas económicas y riesgos de seguridad.

Métodos de enfriamiento y características técnicas de los motores de las bombas principales de agua de alimentación en centrales nucleares

Teniendo en cuenta los requisitos de nivel de seguridad, las condiciones operativas y la distribución espacial de las centrales nucleares, el método de enfriamiento para los motores de las bombas de agua de alimentación principales debe cumplir requisitos básicos como una disipación de calor eficiente, una operación confiable, un mantenimiento conveniente y adaptabilidad al entorno nuclear. Actualmente, los métodos de enfriamiento comúnmente utilizados para los principales motores de las bombas de agua de alimentación en las centrales nucleares se dividen principalmente en dos categorías: enfriamiento por aire y enfriamiento por líquido. Los diferentes métodos de enfriamiento tienen diferentes diseños estructurales, eficiencias de disipación de calor y escenarios aplicables. En aplicaciones prácticas, se debe hacer una selección razonable basada en factores como la potencia del motor y el entorno operativo.

1. Método de enfriamiento por aire El enfriamiento por aire utiliza aire como medio de disipación de calor, transportando el calor generado por el motor a través del flujo de aire. Tiene ventajas como estructura simple, mantenimiento conveniente y sin riesgo de fugas. Es adecuado para motores de bombas de agua de alimentación principales de potencia baja-a-mediana en entornos con temperaturas ambiente bajas y se utilizó ampliamente en las primeras unidades de plantas de energía nuclear y en algunos motores de bombas de agua de alimentación auxiliares. Dependiendo del método de flujo de aire, se puede dividir en enfriamiento por ventilación natural y enfriamiento por ventilación forzada.

La refrigeración por ventilación natural se basa en la propia disipación de calor del motor y la convección natural del aire ambiente para lograr la disipación de calor. La carcasa del motor suele estar diseñada con una estructura de disipador de calor para aumentar el área de disipación de calor. El calor se conduce al aire a través del disipador de calor y la diferencia de densidad del aire forma una convección natural para completar el intercambio de calor. Este método no requiere equipos de energía adicionales, tiene bajos costos de operación y mantenimiento y no produce contaminación acústica. Sin embargo, su eficiencia de disipación de calor es relativamente baja y se ve muy afectada por la temperatura ambiente y las condiciones de ventilación. No es adecuado para motores de bombas de agua de alimentación principales-de alta-potencia y alto-calor-generador y solo es adecuado para motores auxiliares de baja-potencia o motores de reserva.

La refrigeración por ventilación forzada utiliza un ventilador de refrigeración instalado en la parte trasera del motor para forzar el flujo de aire sobre el estator, el rotor y las superficies del núcleo, acelerando la disipación de calor. Su eficiencia de disipación de calor es mucho mayor que la del enfriamiento por ventilación natural y es adecuado para motores de bombas de agua de alimentación principales de potencia media-. Según el método de circulación del aire de refrigeración, se puede dividir en sistemas abiertos y cerrados: la ventilación forzada abierta aspira directamente el aire ambiente hacia el motor, lo disipa después del enfriamiento y luego lo expulsa. Tiene una estructura simple y una alta eficiencia de disipación de calor, pero es susceptible a la contaminación ambiental por polvo y vapor de agua, lo que requiere una limpieza regular del filtro de aire. La ventilación forzada cerrada utiliza la circulación de aire interna, enfriando el aire circulante a través de un enfriador externo antes-de volver a ingresar al motor, evitando que los contaminantes ambientales ingresen al motor. Es adecuado para entornos de centrales nucleares con mucho polvo y humedad, pero su estructura es relativamente compleja y requiere mantenimiento del sistema de refrigeración y circulación.

2. Refrigeración líquida

La refrigeración líquida utiliza líquidos como agua y aceite como medio de disipación de calor. Utilizando la alta capacidad calorífica específica y la alta eficiencia de disipación de calor de los líquidos, el calor se elimina del motor a través de la circulación del líquido. Es adecuado para motores de bombas de agua de alimentación principales-de alta-potencia y alto-calor-generadores en plantas de energía nuclear y actualmente es el método de enfriamiento principal. La refrigeración por agua completamente cerrada es la más utilizada, y los principales motores de las bombas de agua de alimentación del proyecto Fase I de la central nuclear de Haiyang utilizan este método de refrigeración.

Sistema de enfriamiento-enfriado por agua: utilizando agua desionizada o un agente especial de tratamiento de agua de enfriamiento como medio, se divide en formas de enfriamiento interno y enfriamiento externo. Los sistemas de refrigeración internos utilizan tuberías de agua de refrigeración instaladas dentro de los devanados del estator y del rotor del motor, lo que permite que el agua de refrigeración fluya a través de los devanados y elimine directamente el calor generado por los devanados. Esto da como resultado una eficiencia de disipación de calor extremadamente alta y es adecuado para motores de gran-capacidad y alta-potencia. Los sistemas de refrigeración externos, por otro lado, utilizan una camisa de refrigeración en la carcasa del motor. El agua de refrigeración fluye a través de la camisa de refrigeración e intercambia calor con la carcasa del motor, eliminando calor indirectamente. Este sistema tiene una estructura relativamente simple y fácil de mantener, pero su eficiencia de disipación de calor es ligeramente menor que la de los sistemas de enfriamiento internos.

El sistema de refrigeración por agua para el motor de la bomba de agua de alimentación principal de una planta de energía nuclear suele estar vinculado al sistema de agua de refrigeración del equipo de la planta de energía. La entrada y salida del agua de refrigeración están conectadas al sistema de agua de refrigeración del equipo de la planta de energía a través de bridas, formando un circuito cerrado-de circulación. El sistema incluye una bomba de refuerzo de refrigeración, un filtro, una unidad de control de temperatura y una unidad de control de flujo. La bomba de refuerzo de enfriamiento proporciona energía al flujo de agua de enfriamiento, el filtro evita que las impurezas obstruyan las tuberías de enfriamiento y la unidad de monitoreo de temperatura recolecta la temperatura del medio de enfriamiento en tiempo real y la devuelve a la sala de control principal de la planta de energía, lo que permite el ajuste automático del sistema de enfriamiento y garantiza que la temperatura del motor permanezca estable dentro del rango nominal.

3. Sistema-enfriado por aceite: este sistema utiliza aceite de enfriamiento especializado como medio, haciendo circular el aceite para eliminar el calor del motor y al mismo tiempo proporciona lubricación. Es adecuado para motores de alta-velocidad y alta-carga. El aceite de enfriamiento fluye a través de los devanados, cojinetes y otros componentes dentro del motor, absorbiendo calor antes de ingresar a un enfriador externo para intercambiar calor con aire o agua de enfriamiento. Después del enfriamiento, el aceite se recicla. Las ventajas de un sistema-enfriado por aceite son la disipación uniforme del calor y la lubricación, lo que protege eficazmente los rodamientos y otros componentes mecánicos. Sin embargo, requiere un reemplazo regular del aceite, lo que genera mayores costos de mantenimiento y un riesgo de fuga de aceite. Por tanto, su aplicación en los principales motores de bombas de agua de alimentación de centrales nucleares es relativamente limitada.

Método de enfriamiento compuesto Para motores de bombas de agua de alimentación principales con potencia extremadamente alta y generación de calor significativa, un solo método de enfriamiento es insuficiente para cumplir con los requisitos de disipación de calor. Por lo tanto, normalmente se emplean métodos de enfriamiento compuestos, combinando enfriamiento por aire con enfriamiento líquido, o enfriamiento interno con enfriamiento externo. Por ejemplo, los devanados del estator utilizan refrigeración interna-enfriada por agua, los devanados del rotor utilizan refrigeración por aire y el núcleo utiliza refrigeración externa-enfriada por agua. A través de la disipación de calor multi-dimensional, se garantiza que la temperatura del motor permanezca estable dentro de los límites nominales durante el funcionamiento a plena carga-. Los métodos de enfriamiento compuestos ofrecen una alta eficiencia de disipación de calor y una gran adaptabilidad, pero son estructuralmente complejos, tienen altos costos de inversión y son difíciles de mantener. Se utilizan principalmente en motores de bombas de agua de alimentación principales de clase megavatio-y unidades de energía nuclear superiores.

El sistema de refrigeración del motor de la bomba principal de agua de alimentación de una central nuclear es un componente crucial que garantiza el funcionamiento seguro y estable de la unidad. Su eficiencia de disipación de calor y confiabilidad operativa afectan directamente el funcionamiento normal del sistema principal de bomba de agua de alimentación, impactando así el ciclo térmico y las barreras de seguridad de toda la central nuclear. A medida que las unidades de energía nuclear evolucionan hacia mayores capacidades y parámetros más altos, la potencia del motor de la bomba de agua de alimentación principal aumenta continuamente, lo que conduce a una mayor generación de calor y exige cada vez más a la tecnología de refrigeración.

Conclusión

Los métodos de refrigeración por aire, refrigeración líquida y refrigeración combinada se utilizan ampliamente en los principales motores de las bombas de agua de alimentación de las centrales nucleares. Al optimizar el diseño del sistema de enfriamiento, seleccionar medios de enfriamiento eficientes y mejorar las tecnologías de control y monitoreo automático, se ha mejorado efectivamente la eficiencia de la disipación de calor y la confiabilidad del sistema de enfriamiento, cumpliendo con los requisitos del funcionamiento-a largo plazo de las unidades de energía nuclear. Mientras tanto, con el avance continuo de la tecnología de energía nuclear, la inteligencia, la eficiencia y la ecologización se han convertido en las tendencias de desarrollo de la tecnología de refrigeración. En el futuro, se llevarán a cabo más investigaciones y desarrollo de tecnologías de enfriamiento eficientes y que ahorren energía-, como nuevos materiales de enfriamiento compuestos y sistemas de enfriamiento adaptativos inteligentes, para lograr un control preciso y una operación de ahorro de energía-de los sistemas de enfriamiento. Al mismo tiempo, se reforzará el funcionamiento y el mantenimiento inteligentes de los sistemas de refrigeración. A través de big data, el Internet de las cosas y otras tecnologías, se logrará el monitoreo en tiempo real-, la alerta temprana de fallas y el diagnóstico inteligente del estado operativo de los sistemas de enfriamiento, mejorando aún más la confiabilidad y la eficiencia de operación y mantenimiento de los sistemas de enfriamiento y brindando garantías más sólidas para el funcionamiento seguro y eficiente de las centrales nucleares.