Refroidissement du moteur principal de la pompe à eau d'alimentation dans une centrale nucléaire

Mécanisme de chauffage et dangers des principaux moteurs de pompes à eau d'alimentation dans les centrales nucléaires
Les principaux moteurs de pompes à eau alimentaire dans les centrales nucléaires sont pour la plupart des moteurs asynchrones ou synchrones de grande-capacité et -puissance élevée. Leur génération de chaleur provient principalement des effets combinés de pertes électriques, de pertes mécaniques et de facteurs environnementaux. Le mécanisme de chauffage est complexe et la chaleur s’accumule rapidement. Si le refroidissement n’est pas effectué à temps, cela entraînera de multiples dangers pour les équipements et les systèmes.

Mécanisme de chauffage du noyau

1. Perte électrique de chauffage : Il s'agit de la principale source de génération de chaleur du moteur, y compris les pertes de cuivre dans les enroulements du stator, les pertes de fer dans le noyau et les pertes supplémentaires. Lorsque les enroulements du stator sont alimentés, le courant traversant les conducteurs génère de la chaleur Joule, c'est-à-dire des pertes de cuivre. L'ampleur de ces pertes est positivement corrélée au carré du courant et à la résistance du conducteur. Sous l'influence d'un champ magnétique alternatif, le noyau génère des pertes par hystérésis et des pertes par courants de Foucault, c'est-à-dire des pertes dans le fer, qui sont principalement liées au matériau du noyau, à l'intensité du champ magnétique et à la fréquence. De plus, les harmoniques générées par les convertisseurs de fréquence ou les charges non linéaires peuvent augmenter les pertes supplémentaires du moteur, aggravant ainsi la génération de chaleur.

2. Génération de chaleur par perte mécanique : pendant le fonctionnement du moteur, des pertes mécaniques sont générées et converties en chaleur en raison de la friction de l'entrefer entre le rotor et du stator, de la friction de rotation des roulements et de la résistance à la rotation du ventilateur. L'usure des roulements, une mauvaise lubrification ou une mauvaise installation augmentent considérablement le frottement mécanique, entraînant une génération de chaleur supplémentaire et devenant la principale cause de perte mécanique de chaleur.

3. Facteurs environnementaux combinés : Les principales pompes d'eau alimentaire des centrales nucléaires sont pour la plupart situées dans les salles de dégazage du bâtiment principal de l'îlot conventionnel. Dans certains scénarios, la température ambiante est élevée et l'espace est relativement fermé avec une ventilation limitée. Simultanément, l'environnement d'exploitation des centrales nucléaires peut contenir des polluants tels que de la poussière et de la vapeur d'eau, qui adhèrent facilement à la surface ou à l'intérieur du moteur, bloquant les canaux de dissipation thermique et entravant davantage la dissipation thermique, augmentant ainsi la température de fonctionnement du moteur.

Risques liés à une température excessive Lorsque la température du moteur dépasse la limite nominale, cela aura une série d'impacts négatifs sur les performances de l'équipement et la sécurité du système : Premièrement, cela endommage les performances d'isolation du moteur. Les températures élevées accélèrent le vieillissement et la carbonisation des matériaux d'isolation, réduisant la résistance d'isolation et provoquant même des courts-circuits dans les enroulements et des défauts de mise à la terre, conduisant directement à l'arrêt du moteur. Deuxièmement, cela affecte les performances mécaniques du moteur. Les températures élevées provoquent une dilatation thermique et une déformation des composants tels que le rotor et le stator du moteur, ce qui entraîne des entrefers inégaux, une diminution de la précision de l'ajustement mécanique, une augmentation des vibrations et du bruit et, dans les cas graves, un blocage mécanique. Troisièmement, cela réduit l’efficacité de fonctionnement du moteur. L'augmentation de la température augmente la résistance des conducteurs et les pertes de cuivre, tout en diminuant la perméabilité du noyau et en augmentant les pertes de fer, entraînant une augmentation de la consommation d'énergie du moteur et une réduction de l'efficacité. Quatrièmement, cela déclenche des échecs en cascade. Si le moteur de la pompe d'alimentation principale n'est pas arrêté, cela entraînera une interruption du système d'eau d'alimentation principal, affectant le fonctionnement normal du générateur de vapeur. Si la pompe de secours ne peut pas démarrer à temps, la centrale nucléaire peut réduire sa charge, voire s'arrêter d'urgence, ce qui entraînera des pertes économiques et des risques de sécurité importants.

Méthodes de refroidissement et caractéristiques techniques des principaux moteurs de pompes à eau d'alimentation dans les centrales nucléaires

Compte tenu des exigences de niveau de sécurité, des conditions d'exploitation et de la disposition spatiale des centrales nucléaires, la méthode de refroidissement des moteurs des pompes principales d'eau alimentaire doit répondre à des exigences fondamentales telles qu'une dissipation thermique efficace, un fonctionnement fiable, une maintenance pratique et une adaptabilité à l'environnement nucléaire. Actuellement, les méthodes de refroidissement couramment utilisées pour les principaux moteurs de pompes à eau d'alimentation dans les centrales nucléaires sont principalement divisées en deux catégories : le refroidissement par air et le refroidissement par liquide. Différentes méthodes de refroidissement ont des conceptions structurelles, des efficacités de dissipation thermique et des scénarios applicables différents. Dans les applications pratiques, une sélection raisonnable doit être effectuée en fonction de facteurs tels que la puissance du moteur et l'environnement d'exploitation.

1. Méthode de refroidissement par air Le refroidissement par air utilise l'air comme moyen de dissipation de la chaleur, évacuant la chaleur générée par le moteur par le flux d'air. Il présente des avantages tels qu'une structure simple, un entretien pratique et aucun risque de fuite. Il convient aux moteurs de pompe à eau d'alimentation principale de faible-à-puissance moyenne dans des environnements à basses températures ambiantes et a été largement utilisé dans les premières unités de centrales nucléaires et dans certains moteurs de pompe à eau d'alimentation auxiliaire. Selon la méthode de flux d'air, il peut être divisé en refroidissement par ventilation naturelle et refroidissement par ventilation forcée.

Le refroidissement par ventilation naturelle repose sur la propre dissipation thermique du moteur et sur la convection naturelle de l'air ambiant pour obtenir une dissipation thermique. Le boîtier du moteur est généralement conçu avec une structure de dissipateur thermique pour augmenter la zone de dissipation thermique. La chaleur est conduite vers l'air à travers le dissipateur thermique, et une convection naturelle est formée par la différence de densité de l'air pour compléter l'échange thermique. Cette méthode ne nécessite aucun équipement électrique supplémentaire, présente de faibles coûts d’exploitation et de maintenance et aucune pollution sonore. Cependant, son efficacité de dissipation thermique est relativement faible et est fortement affectée par la température ambiante et les conditions de ventilation. Il ne convient pas aux moteurs de pompe à eau d'alimentation principale à haute -puissance et haute-chaleur-générant et ne convient qu'aux moteurs auxiliaires de faible-puissance ou aux moteurs de secours.

Le refroidissement par ventilation forcée utilise un ventilateur de refroidissement installé à l'arrière du moteur pour forcer le flux d'air sur les surfaces du stator, du rotor et du noyau, accélérant ainsi la dissipation de la chaleur. Son efficacité de dissipation thermique est bien supérieure à celle du refroidissement par ventilation naturelle et convient aux moteurs de pompe à eau d'alimentation principale de puissance moyenne-. Basé sur la méthode de circulation de l'air de refroidissement, il peut être divisé en systèmes ouverts et fermés : une ventilation forcée ouverte aspire directement l'air ambiant dans le moteur, le dissipe après refroidissement, puis l'évacue. Il a une structure simple et une efficacité de dissipation thermique élevée, mais est sensible à la contamination environnementale par la poussière et la vapeur d'eau, nécessitant un nettoyage régulier du filtre à air. La ventilation forcée fermée utilise la circulation de l'air interne, refroidissant l'air en circulation à travers un refroidisseur externe avant de rentrer dans le moteur, empêchant ainsi les polluants environnementaux de pénétrer dans le moteur. Il convient aux environnements de centrales nucléaires très poussiéreux et humides, mais sa structure est relativement complexe, nécessitant la maintenance du refroidisseur et du système de circulation.

2. Refroidissement liquide

Le refroidissement liquide utilise des liquides tels que l'eau et l'huile comme moyen de dissipation thermique. Grâce à la capacité thermique spécifique élevée et à l'efficacité élevée de dissipation thermique des liquides, la chaleur est évacuée du moteur par la circulation du liquide. Il convient aux moteurs de pompes à eau alimentaire principales générant une -puissance et une-chaleur élevée-élevées dans les centrales nucléaires et constitue actuellement la méthode de refroidissement courante. Le refroidissement par eau entièrement fermé est le plus largement utilisé, et les principaux moteurs de pompe à eau d'alimentation du projet Phase I de la centrale nucléaire de Haiyang utilisent cette méthode de refroidissement.

Système de refroidissement-refroidi à l'eau : utilisant de l'eau désionisée ou un agent spécial de traitement de l'eau de refroidissement comme support, il est divisé en formes de refroidissement interne et de refroidissement externe. Les systèmes de refroidissement internes utilisent des conduites d'eau de refroidissement installées à l'intérieur des enroulements du stator et du rotor du moteur, permettant à l'eau de refroidissement de circuler à travers les enroulements et d'évacuer directement la chaleur générée par les enroulements. Cela se traduit par une efficacité de dissipation thermique extrêmement élevée et convient aux moteurs de grande -capacité et haute-puissance. Les systèmes de refroidissement externes, quant à eux, utilisent une enveloppe de refroidissement sur le carter du moteur. L'eau de refroidissement circule à travers la chemise de refroidissement et échange de la chaleur avec le carter du moteur, évacuant indirectement la chaleur. Ce système est de structure relativement simple et facile à entretenir, mais son efficacité de dissipation thermique est légèrement inférieure à celle des systèmes de refroidissement internes.

Le système de refroidissement par eau du moteur principal de la pompe à eau d'alimentation d'une centrale nucléaire est généralement lié au système d'eau de refroidissement de l'équipement de la centrale électrique. L'entrée et la sortie d'eau de refroidissement sont reliées au système d'eau de refroidissement de l'équipement de la centrale électrique via des brides, formant une circulation en boucle fermée-. Le système comprend une pompe de surpression de refroidissement, un filtre, une unité de surveillance de la température et une unité de surveillance du débit. La pompe de surpression de refroidissement alimente le débit d'eau de refroidissement, le filtre empêche les impuretés de boucher les tuyaux de refroidissement et l'unité de surveillance de la température collecte la température du fluide de refroidissement en temps réel et la renvoie à la salle de contrôle principale de la centrale électrique, permettant un réglage automatique du système de refroidissement et garantissant que la température du moteur reste stable dans la plage nominale.

3. Système refroidi par huile- : ce système utilise de l'huile de refroidissement spécialisée comme fluide, faisant circuler l'huile pour éliminer la chaleur du moteur tout en assurant également la lubrification. Il convient aux moteurs à haute vitesse-et à charge élevée-. L'huile de refroidissement circule à travers les enroulements, les roulements et d'autres composants à l'intérieur du moteur, absorbant la chaleur avant de pénétrer dans un refroidisseur externe pour échanger de la chaleur avec de l'air ou de l'eau de refroidissement. Après refroidissement, l'huile est recyclée. Les avantages d'un système refroidi par huile-sont une dissipation thermique et une lubrification uniformes, protégeant efficacement les roulements et autres composants mécaniques. Cependant, cela nécessite un remplacement régulier de l’huile, ce qui entraîne des coûts de maintenance plus élevés et un risque de fuite d’huile. Par conséquent, son application dans les principaux moteurs de pompes à eau alimentaire des centrales nucléaires est relativement limitée.

Méthode de refroidissement composite Pour les moteurs de pompes à eau d'alimentation principales présentant une puissance extrêmement élevée et une génération de chaleur importante, une seule méthode de refroidissement est insuffisante pour répondre aux exigences de dissipation thermique. Par conséquent, des méthodes de refroidissement composites sont généralement utilisées, combinant le refroidissement par air avec le refroidissement par liquide, ou le refroidissement interne avec le refroidissement externe. Par exemple, les enroulements du stator utilisent un refroidissement interne refroidi par eau{{2}, les enroulements du rotor utilisent un refroidissement par air et le noyau utilise un refroidissement externe refroidi par eau-. Grâce à une dissipation thermique multi-dimensionnelle, la température du moteur est assurée de rester stable dans les limites nominales pendant le fonctionnement à pleine-charge. Les méthodes de refroidissement composites offrent une efficacité de dissipation thermique élevée et une forte adaptabilité, mais elles sont structurellement complexes, entraînent des coûts d’investissement élevés et sont difficiles à entretenir. Ils sont principalement utilisés dans les principaux moteurs de pompes à eau alimentaire de classe mégawatt- et supérieure aux centrales nucléaires.

Le système de refroidissement du moteur principal de la pompe d’alimentation en eau d’une centrale nucléaire est un élément crucial garantissant le fonctionnement sûr et stable de l’unité. Son efficacité de dissipation thermique et sa fiabilité opérationnelle affectent directement le fonctionnement normal du système principal de pompe à eau d'alimentation, impactant ainsi le cycle thermique et les barrières de sécurité de l'ensemble de la centrale nucléaire. À mesure que les centrales nucléaires évoluent vers des capacités et des paramètres plus élevés, la puissance du moteur principal de la pompe à eau d'alimentation augmente continuellement, ce qui entraîne une production de chaleur plus importante et impose des exigences de plus en plus élevées en matière de technologie de refroidissement.

Conclusion

Les méthodes de refroidissement par air, par liquide et de refroidissement combiné sont largement utilisées dans les principaux moteurs de pompes à eau alimentaire des centrales nucléaires. En optimisant la conception du système de refroidissement, en sélectionnant des fluides de refroidissement efficaces et en améliorant les technologies de contrôle et de surveillance automatiques, l'efficacité de la dissipation thermique et la fiabilité du système de refroidissement ont été efficacement améliorées, répondant ainsi aux exigences de fonctionnement à long terme des centrales nucléaires. Parallèlement, avec les progrès continus de la technologie de l’énergie nucléaire, l’intelligentisation, l’efficacité et l’écologisation sont devenues les tendances de développement de la technologie de refroidissement. À l'avenir, d'autres recherches et développements sur des technologies de refroidissement efficaces et économes en énergie, telles que de nouveaux matériaux de refroidissement composites et des systèmes de refroidissement adaptatifs intelligents, seront menés pour obtenir un contrôle précis et un fonctionnement économe en énergie des systèmes de refroidissement. Dans le même temps, l’exploitation et la maintenance intelligentes des systèmes de refroidissement seront renforcées. Grâce au big data, à l'Internet des objets et à d'autres technologies, une surveillance en temps réel-, une alerte précoce en cas de panne et un diagnostic intelligent de l'état de fonctionnement des systèmes de refroidissement seront réalisés, améliorant encore la fiabilité ainsi que l'efficacité de l'exploitation et de la maintenance des systèmes de refroidissement et offrant des garanties plus solides pour le fonctionnement sûr et efficace des centrales nucléaires.