El principal sistema de refrigeración del agua de alimentación de una central nuclear es una barrera de refrigeración para la seguridad nuclear

El posicionamiento central y el valor funcional del sistema principal de enfriamiento de agua de alimentación.
El proceso de conversión de energía de una planta de energía nuclear implica esencialmente calentar el refrigerante en el circuito primario a través de la energía térmica generada por la fisión nuclear y luego transferir la energía térmica al agua de alimentación principal en el circuito secundario a través de un generador de vapor, convirtiendo el agua de alimentación en vapor de alta-presión para impulsar la turbina de vapor para la generación de energía. La función principal del sistema principal de enfriamiento de agua de alimentación es proporcionar un medio de enfriamiento estable y controlable para este ciclo, logrando al mismo tiempo una disipación y recuperación de calor razonables. Su valor funcional se refleja principalmente en tres aspectos.

En primer lugar, garantizar el enfriamiento del núcleo del reactor. El núcleo de un reactor nuclear libera continuamente una gran cantidad de energía térmica durante la fisión nuclear. Si no se puede exportar a tiempo, provocará un aumento repentino de la temperatura central y provocará graves accidentes de seguridad. El sistema principal de refrigeración del agua de alimentación suministra continuamente agua de alimentación de refrigeración al generador de vapor, absorbe calor del refrigerante primario y garantiza que la temperatura central se mantenga dentro de un umbral seguro, formando una importante "barrera de refrigeración" para la seguridad del reactor. Según las estadísticas del OIEA, aproximadamente el 12% de las paradas no planificadas en las centrales nucleares están relacionadas con fallos en el sistema de agua de alimentación, lo que confirma indirectamente el valor crítico de seguridad del sistema principal de refrigeración del agua de alimentación.

En segundo lugar, mantener la estabilidad del ciclo del bucle secundario. El sistema principal de enfriamiento del agua de alimentación necesita ajustar con precisión el caudal y la temperatura del agua de alimentación de acuerdo con los cambios en la potencia del reactor, asegurando parámetros de vapor estables en la salida del generador de vapor y proporcionando una fuente de energía continua y calificada para la turbina. Durante el funcionamiento de baja-potencia del reactor, el caudal se ajusta manualmente mediante la válvula de control de derivación del agua de alimentación principal; Durante la operación de alta-potencia, la válvula reguladora de agua de alimentación principal interviene automáticamente y se ajusta dinámicamente de acuerdo con la potencia térmica del generador de vapor, asegurando la continuidad y estabilidad del ciclo del circuito secundario.

Finalmente, lograr un uso eficiente de la energía. El sistema principal de enfriamiento del agua de alimentación precalentará el agua de alimentación durante el proceso de enfriamiento, recuperará el calor residual después de la condensación del vapor, reducirá la pérdida de energía y mejorará la eficiencia térmica de la unidad de energía nuclear. Al mismo tiempo, al controlar con precisión los parámetros del suministro de agua, reducir el desgaste de los equipos y el consumo de energía y ayudar a las unidades de energía nuclear a lograr una operación económica a largo plazo-, satisface las necesidades de desarrollo de energía eficiente y con bajas emisiones de carbono bajo la estrategia de "carbono dual".

La arquitectura de composición y el principio de funcionamiento del sistema principal de enfriamiento de agua de alimentación.
El sistema principal de enfriamiento del agua de alimentación de una planta de energía nuclear es un sistema complejo integrado y de alta-precisión, compuesto principalmente por la bomba de agua de alimentación principal, la válvula reguladora de agua de alimentación principal, el equipo de precalentamiento del agua de alimentación, el sistema de tuberías, el sistema de monitoreo y control y el equipo auxiliar. Los componentes trabajan juntos para formar un ciclo de enfriamiento de circuito cerrado-, y su principio de funcionamiento gira en torno a los tres eslabones principales del "ajuste de parámetros de intercambio de calor del transporte de agua de alimentación".

Componentes principales y sus funciones.

• Bomba de agua de alimentación principal: como "corazón de energía" del sistema, es responsable de entregar agua de alimentación de alta-pureza procesada por el desaireador al generador de vapor a alta presión. Sus condiciones de funcionamiento son extremadamente duras y requieren un funcionamiento continuo a largo plazo-en entornos de alta temperatura (temperatura del agua de entrada de aproximadamente 220 grados) y alta presión (la presión de salida puede alcanzar 8-12 MPa). La vida útil del diseño suele ser de al menos 40 años y se imponen requisitos extremadamente altos en cuanto a la resistencia a la corrosión del material y al sellado estructural. En la actualidad, la corriente principal en China adopta bombas de agua de alimentación principales centrífugas de alta velocidad, y algunas unidades avanzadas han adoptado soluciones integradas de regulación de velocidad de frecuencia variable y monitoreo inteligente. Algunas unidades también están equipadas con bombas de agua de alimentación accionadas por vapor para garantizar que se pueda seguir confiando en el vapor auxiliar para mantener el funcionamiento y mejorar la confiabilidad del sistema en caso de un corte de energía en toda la planta. El sistema modular del grupo principal de bombas de agua de alimentación desarrollado por el Instituto de Diseño de Energía Eléctrica del Este de China mejora efectivamente la confiabilidad operativa y la eficiencia del diseño del sistema al integrar la prebomba, el motor, el acoplador hidráulico y la bomba principal.
• Válvula de control de agua de alimentación principal: el "centro de flujo" del sistema, que funciona en paralelo con la válvula de control de derivación de agua de alimentación principal, responsable de ajustar con precisión el caudal de agua de alimentación en función de los cambios en la potencia del reactor y el estado de funcionamiento del generador de vapor. Su desempeño está directamente relacionado con la estabilidad del sistema de suministro de agua. Si ocurre una falla, causará fluctuaciones en el caudal de agua de alimentación principal, lo que representa una amenaza para la seguridad de la unidad. Las fallas comunes incluyen roscas desgastadas y rotas que conectan el vástago de la válvula y el núcleo de la válvula, desgaste por colisión en la pared interna del componente de la jaula de la válvula, retroalimentación anormal de las señales del localizador, etc., que deben resolverse mediante la optimización estructural y la mejora del material.

Equipos de precalentamiento de agua de alimentación: incluye principalmente calentadores de alta-presión, que se utilizan para precalentar el agua de alimentación principal utilizando el calor residual de la extracción de la turbina de vapor, aumentar la temperatura del agua de alimentación, reducir la pérdida de calor en el generador de vapor y reducir el estrés térmico del equipo, extendiendo así la vida útil del sistema. Después del precalentamiento, el agua de alimentación ingresa al generador de vapor y puede absorber de manera más eficiente el calor del circuito primario, mejorando la eficiencia de la generación de vapor.

 

Sistema de monitoreo y control: compuesto por varios sensores, controladores y actuadores, monitorea parámetros clave como el caudal de agua, la temperatura y la presión en tiempo real-y logra un ajuste preciso de los parámetros a través de un sistema de control automatizado. Por ejemplo, al monitorear el nivel del agua y la temperatura del generador de vapor, la velocidad de la bomba de agua de alimentación principal y la apertura de la válvula de control de agua de alimentación principal se ajustan automáticamente para garantizar que los parámetros operativos del sistema estén siempre dentro de un rango seguro, al mismo tiempo que se logran advertencias en tiempo real-y respuesta de emergencia ante fallas.

• Análisis del flujo de trabajo

El proceso de trabajo del sistema principal de enfriamiento del agua de alimentación se puede dividir en cuatro pasos clave: el primer paso es que el desaireador realiza un tratamiento de desaireación en el agua de alimentación, eliminando el oxígeno y otros gases nocivos del agua, previniendo la corrosión de las tuberías y los equipos, y asegurando que la pureza del agua de alimentación cumpla con los estándares de grado nuclear; El segundo paso es aumentar la presión de entrada de la bomba principal de antemano para evitar la cavitación. Luego, la bomba principal de agua de alimentación presuriza el agua de alimentación tratada y la entrega al calentador de alta-presión; Paso tres, el calentador de alta-presión utiliza el calor residual extraído de la turbina de vapor para precalentar el agua de alimentación y elevar la temperatura del agua de alimentación al rango especificado; Paso cuatro, el agua de alimentación principal precalentada se transporta al generador de vapor para absorber el calor del refrigerante primario y convertirlo en vapor de alta-presión. Luego, el agua de alimentación enfriada regresa a través del sistema de circulación para completar el ciclo de enfriamiento. A lo largo de todo el proceso, el sistema de monitoreo y control participa plenamente, ajustando dinámicamente los parámetros operativos de cada componente en función de los cambios en la potencia del reactor y el estado de operación del sistema para garantizar un ciclo estable, seguro y eficiente.

Garantía de seguridad y manejo de fallas del sistema principal de enfriamiento de agua de alimentación.

El funcionamiento seguro del sistema principal de refrigeración del agua de alimentación de las centrales nucleares es una garantía importante para la seguridad de la energía nuclear. Debido al duro entorno operativo del sistema, que está expuesto a altas temperaturas, altas presiones y altas radiaciones durante mucho tiempo, es propenso a sufrir desgaste de componentes, fugas, anomalías de control y otras fallas. Por tanto, es necesario establecer un sólido sistema de garantía de seguridad para lograr la detección y eliminación temprana de averías.

• Medidas de seguridad

Optimización estructural y de materiales: los componentes principales están fabricados con materiales especiales de alta-resistencia,-resistencia a la corrosión y a la radiación. Por ejemplo, el impulsor y el sello del eje de la bomba principal de agua de alimentación están hechos de acero inoxidable austenítico o acero inoxidable dúplex con contenido de carbono ultra-bajo. El pasador de posicionamiento de la válvula reguladora de agua de alimentación principal está hecho de material Inconel750 de alta-resistencia, que reemplaza los materiales tradicionales de baja resistencia, para mejorar la resistencia al desgaste y la vida útil de los componentes. Al mismo tiempo, optimice el diseño estructural de los componentes de la jaula de válvulas y los núcleos de válvulas, adopte ventanas de orificios pequeños y optimice su disposición de acuerdo con la curva de flujo, mejore la precisión de la regulación y la capacidad de flujo y reduzca la vibración y el desgaste de los componentes.

Diseño de redundancia dual: el equipo clave del sistema adopta una configuración redundante de "uno para uso y otro para respaldo" o "múltiples para uso y uno para respaldo". Por ejemplo, la bomba de agua de alimentación principal generalmente está equipada con 2 a 4 unidades y las bombas de respaldo correspondientes para garantizar que cuando falla un equipo, el equipo de respaldo pueda ponerse en funcionamiento rápidamente para evitar el apagado del sistema. Al mismo tiempo, el sistema de control adopta un diseño de redundancia dual para evitar que el sistema pierda el control debido a la falla de una sola unidad de control.

Monitoreo inteligente y alerta temprana: con la ayuda del gemelo digital, el mantenimiento predictivo de IA y otras tecnologías, se lleva a cabo el monitoreo en línea del estado de equipos clave, como las bombas principales de agua de alimentación y las válvulas reguladoras. A través del análisis del espectro de vibración, la reconstrucción del campo de temperatura y otros métodos, se captura en tiempo real el funcionamiento anormal del equipo y se emiten advertencias de fallas con anticipación. Después de adoptar un sistema de monitoreo inteligente, el tiempo promedio de operación sin problemas de la bomba principal de agua de alimentación aumentó de 18.000 horas para los modelos tradicionales a más de 32.000 horas, lo que reduce significativamente el riesgo de paradas no planificadas.

Actualización tecnológica y tendencia de desarrollo industrial del sistema principal de enfriamiento de agua de alimentación.
Con la iteración continua de la tecnología de energía nuclear y la profundización de la estrategia del "carbono dual", el principal sistema de enfriamiento del agua de alimentación de las centrales nucleares se está desarrollando hacia la inteligencia, la eficiencia y la localización. La modernización tecnológica y la modernización industrial avanzan sincrónicamente, proporcionando un apoyo más fuerte para el funcionamiento seguro y eficiente de la energía nuclear.

• Dirección de actualización técnica

Actualización inteligente: integración de tecnologías como Internet de las cosas, big data e inteligencia artificial para crear un sistema de gestión inteligente de ciclo de vida completo, logrando supervisión en tiempo real-de los parámetros operativos del sistema, diagnóstico preciso de fallas y programación inteligente de operación y mantenimiento. Por ejemplo, utilizando tecnología de gemelo digital para construir un modelo virtual del sistema principal de enfriamiento de agua de alimentación, simulando el estado operativo del sistema, prediciendo riesgos de fallas por adelantado, optimizando los planes de operación y mantenimiento y reduciendo los costos de operación y mantenimiento.

Optimización eficiente: optimizando los procesos del sistema, mejorando la estructura del equipo y mejorando la eficiencia térmica y la estabilidad operativa del sistema. Por ejemplo, optimizar el diseño del impulsor de la bomba principal de agua de alimentación para mejorar la eficiencia del transporte y reducir el consumo de energía; Optimice el proceso de precalentamiento del suministro de agua, recupere completamente el calor residual y mejore aún más la eficiencia de utilización de la energía. Al mismo tiempo, se adopta la tecnología de regulación de velocidad de conversión de frecuencia para ajustar dinámicamente la velocidad de la bomba de agua de alimentación principal de acuerdo con la potencia del reactor, logrando una operación de ahorro de energía-.

Promoción de tecnología libre de fugas: Adoptar tipos de bombas libres de fugas, como bombas magnéticas y bombas blindadas, para reemplazar las bombas tradicionales con sello de eje, reducir el riesgo de fugas de agua, mejorar la seguridad del sistema y la protección ambiental, al tiempo que se reducen los costos de mantenimiento de los equipos y se adaptan a los duros requisitos del entorno operativo de las plantas de energía nuclear.

• Tendencias de desarrollo de la industria

Con la aceleración de las aprobaciones de proyectos de energía nuclear nacionales y el aumento constante del número de unidades en construcción, la demanda del mercado de equipos relacionados con el sistema principal de refrigeración del agua de alimentación continúa liberándose. Según estimaciones, entre 2026 y 2030, se espera que se agreguen en China 30-40 nuevas unidades de energía nuclear aprobadas, lo que corresponde a una demanda de aproximadamente 120-160 nuevas bombas de agua de alimentación nuclear. El tamaño del mercado aumentará constantemente. El proceso de localización continúa acelerándose y la tasa de localización de las bombas principales ha superado el 90%. Empresas estatales como Shanghai Electric, Dongfang Electric y Harbin Electric Group dominan el mercado interno. Con un sistema de fabricación completo y experiencia en ingeniería, están logrando gradualmente la sustitución nacional de productos de alta gama y reduciendo la dependencia de equipos importados.

Mientras tanto, con el avance de los pequeños reactores modulares (SMR) y los proyectos de demostración de tecnología de energía nuclear de cuarta generación, surgirá gradualmente la demanda de equipos de enfriamiento de agua de alimentación principal nuevos, eficientes y compactos, abriendo nuevas oportunidades de crecimiento para la industria. Además, en el contexto de la exportación acelerada de energía nuclear en el marco de la "Iniciativa de la Franja y la Ruta", los equipos relacionados con el sistema principal de refrigeración por agua de alimentación nacional se desplazarán gradualmente hacia el mercado internacional, mejorando la competitividad global de los equipos de energía nuclear de China [6].

El principal sistema de refrigeración del agua de alimentación de una central nuclear, como "barrera de refrigeración" para la seguridad nuclear, es el núcleo central del ciclo del circuito secundario de la energía nuclear. Su funcionamiento estable está directamente relacionado con el funcionamiento seguro, eficiente y con bajas-carbonos de la unidad de energía nuclear. Desde la optimización de la estructura de los componentes centrales hasta la mejora de la inteligencia del sistema, desde el manejo preciso de fallas hasta la promoción de la sustitución interna, cada avance tecnológico en el sistema principal de enfriamiento del agua de alimentación ha sentado una base sólida para la seguridad de la energía nuclear.
En el contexto de la transición energética, con el desarrollo continuo de la tecnología de energía nuclear, el principal sistema de enfriamiento del agua de alimentación continuará avanzando hacia una dirección más inteligente, eficiente y segura, superando constantemente obstáculos tecnológicos clave, mejorando el sistema de garantía de seguridad, brindando un fuerte apoyo para el desarrollo de alta-calidad de la industria de energía nuclear de China, logrando el objetivo del "carbono dual" y salvaguardando el transporte seguro de energía nuclear limpia en todos los niveles.