מערכת הקירור העיקרית של מי הזנה של תחנת כוח גרעינית היא מחסום קירור לבטיחות גרעינית

מיקום הליבה והערך התפקודי של מערכת קירור מי הזנה הראשית
תהליך המרת האנרגיה של תחנת כוח גרעינית כולל בעצם חימום נוזל הקירור במעגל הראשוני באמצעות האנרגיה התרמית הנוצרת מביקוע גרעיני, ולאחר מכן העברת האנרגיה התרמית למי הזנה הראשיים במעגל המשני באמצעות מחולל קיטור, תוך המרת מי הזנה לקיטור בלחץ- גבוה כדי להניע את טורבינת הקיטור לייצור חשמל. תפקיד הליבה של מערכת קירור מי הזנה הראשית הוא לספק מדיום קירור יציב וניתן לשליטה למחזור זה, תוך השגת פיזור והתאוששות סבירים של חום. הערך הפונקציונלי שלו בא לידי ביטוי בעיקר בשלושה היבטים.

ראשית, ודא את הקירור של ליבת הכור. הליבה של כור גרעיני משחררת ברציפות כמות גדולה של אנרגיית חום במהלך ביקוע גרעיני. אם לא ניתן לייצא אותו בזמן, זה יוביל לעלייה פתאומית בטמפרטורת הליבה ויגרום לתאונות בטיחות חמורות. מערכת הקירור הראשית של מי הזנה מספקת ברציפות מי הזנה מקררים למחולל הקיטור, סופגת חום מנוזל הקירור הראשוני, ומבטיחה שטמפרטורת הליבה נשמרת בסף בטוח, שמהווה "מחסום קירור" חשוב לבטיחות הכור. לפי הסטטיסטיקה של סבא"א, כ-12% מההשבתות הבלתי מתוכננות בתחנות כוח גרעיניות קשורות לכשלים במערכת מי הזנה, מה שמאשר בעקיפין את ערך הבטיחות הקריטי של מערכת קירור מי הזנה הראשית.

שנית, שמור על היציבות של מחזור הלולאה המשני. מערכת קירור מי הזנה הראשית צריכה להתאים במדויק את קצב הזרימה והטמפרטורה של מי ההזנה בהתאם לשינויים בהספק הכור, להבטיח פרמטרי קיטור יציבים ביציאה של מחולל הקיטור ולספק מקור כוח רציף ומוסמך לטורבינה. במהלך פעולת-הספק נמוך של הכור, קצב הזרימה מותאם באופן ידני על ידי שסתום הבקרה הראשי לעקוף מי הזנה; במהלך פעולת-הספק גבוה, שסתום ויסות מי הזנה הראשי מתערב אוטומטית ומתכוונן באופן דינמי בהתאם להספק התרמי של מחולל הקיטור, ומבטיח את המשכיות והיציבות של מחזור הלולאה המשנית.

לבסוף, להשיג ניצול יעיל של האנרגיה. מערכת הקירור הראשית של מי הזנה תחמם מראש את מי ההזנה במהלך תהליך הקירור, תחזיר את חום הפסולת לאחר עיבוי קיטור, תפחית את איבוד האנרגיה ותשפר את היעילות התרמית של יחידת הכוח הגרעינית. יחד עם זאת, על ידי שליטה מדויקת בפרמטרי אספקת המים, הפחתת בלאי ציוד וצריכת אנרגיה, וסיוע ליחידות כוח גרעיניות להשיג פעולה כלכלית -ארוכת טווח, היא עונה על צרכי הפחמן הנמוכים ויעיל לפיתוח אנרגיה תחת אסטרטגיית "פחמן כפול".

ארכיטקטורת ההרכב ועקרון העבודה של מערכת קירור מי הזנה הראשית
מערכת הקירור הראשית של מי הזנה של תחנת כוח גרעינית היא מערכת מורכבת משולבת ודיוק- גבוה, המורכבת בעיקר ממשאבת מי הזנה הראשית, שסתום ויסות מי הזנה ראשי, ציוד לחימום מוקדם של מי הזנה, מערכת צינורות, מערכת ניטור ובקרה וציוד עזר. הרכיבים פועלים יחד ליצירת מחזור קירור-סגור, ועקרון העבודה שלו סובב סביב שלושת קישורי הליבה של "התאמת פרמטרים של חילופי חום להובלת מי הזנה".

רכיבי ליבה ותפקידיהם

• משאבת מי הזנה ראשית: בתור "לב הכוח" של המערכת, היא אחראית על אספקת מי הזנה-בטוהר גבוה המעובדים על ידי ה-deerator אל מחולל הקיטור בלחץ גבוה. תנאי ההפעלה שלו קשים ביותר, הדורשים פעולה מתמשכת-לטווח ארוך בסביבות טמפרטורה גבוהה (טמפרטורת מים בכניסה של כ-220 מעלות) ולחץ גבוה (לחץ יציאה יכול להגיע ל-8-12 MPa). אורך חיי התכנון הוא בדרך כלל לא פחות מ-40 שנה, ודרישות גבוהות במיוחד מונחות לעמידות בפני קורוזיה חומרים ואיטום מבני. נכון לעכשיו, הזרם המרכזי בסין מאמץ משאבות מי הזנה ראשיות צנטריפוגליות במהירות גבוהה, וכמה יחידות מתקדמות אימצו פתרונות משולבים של ויסות מהירות תדר משתנה וניטור חכם. חלק מהיחידות מצוידות גם במשאבות מי הזנה מונעות בקיטור כדי להבטיח שעדיין ניתן לסמוך על קיטור עזר לשמירה על הפעולה ולשיפור אמינות המערכת במקרה של הפסקת חשמל במפעל כולו. המערכת המודולרית של קבוצת משאבות מי הזנה הראשית שפותחה על ידי East China Electric Power Design Institute משפרת ביעילות את האמינות התפעולית ויעילות התכנון של המערכת על ידי שילוב המשאבה הקדם, המנוע, המצמד ההידראולי והמשאבה הראשית.
• שסתום בקרת מי הזנה ראשי: "מרכז הזרימה" של המערכת, הפועל במקביל לשסתום בקרת עוקף מי הזנה הראשי, אחראי על התאמה מדויקת של קצב זרימת מי הזנה בהתבסס על שינויים בהספק הכור ובמצב פעולת מחולל הקיטור. הביצועים שלו קשורים ישירות ליציבות מערכת אספקת המים. אם מתרחשת תקלה, היא תגרום לתנודות בקצב זרימת מי ההזנה הראשית, מה שמהווה איום על בטיחות היחידה. תקלות נפוצות כוללות פתילים שחוקים ושבורים המחברים בין גזע השסתום לבין ליבת השסתום, בלאי התנגשות בדופן הפנימית של רכיב כלוב השסתום, משוב לא תקין של אותות איתור וכו', שיש לפתור באמצעות אופטימיזציה מבנית ושדרוג חומר.

ציוד לחימום מוקדם של מי הזנה: כולל בעיקר מחממי לחץ גבוה-, המשמשים לחימום מוקדם של מי ההזנה הראשיים באמצעות חום הפסולת של מיצוי טורבינת קיטור, להגביר את טמפרטורת מי ההזנה, להפחית את איבוד החום במחולל הקיטור ולהפחית את הלחץ התרמי של הציוד, ובכך להאריך את חיי השירות של המערכת. לאחר חימום מוקדם, מי ההזנה נכנסים למחולל הקיטור ויכולים לספוג בצורה יעילה יותר חום מהמעגל הראשוני, ולשפר את יעילות יצירת הקיטור.

 

מערכת ניטור ובקרה: היא מורכבת מחיישנים, בקרים ומפעילים שונים, ומנטרת פרמטרים מרכזיים כגון קצב זרימת מים, טמפרטורה ולחץ בזמן אמת- ומשיגה התאמת פרמטר מדויקת באמצעות מערכת בקרה אוטומטית. לדוגמה, על ידי ניטור מפלס המים והטמפרטורה של מחולל הקיטור, מהירות משאבת מי ההזנה הראשית ופתיחת שסתום בקרת מי ההזנה הראשיים מותאמות אוטומטית כדי להבטיח שפרמטרי פעולת המערכת יהיו תמיד בטווח בטוח, תוך השגת אזהרות בזמן אמת ותגובת חירום לתקלות.

• ניתוח זרימת עבודה

ניתן לחלק את תהליך העבודה של מערכת הקירור הראשית של מי הזנה לארבעה שלבים מרכזיים: השלב הראשון הוא שהמפרטור מבצע טיפול איוורור במי ההזנה, סילוק חמצן וגזים מזיקים אחרים מהמים, מניעת קורוזיה של צינורות וציוד, והבטחת טוהר מי ההזנה עומד בתקנים לדרגת גרעין; השלב השני הוא להגביר את לחץ הכניסה של המשאבה הראשית מראש כדי למנוע קוויטציה. לאחר מכן, משאבת מי ההזנה הראשית לוחצת את מי ההזנה המטופלים בלחץ ומספקת אותם למחמם הלחץ הגבוה-; שלב שלישי, מחמם הלחץ הגבוה- משתמש בחום הפסולת המופק מטורבינת הקיטור כדי לחמם מראש את מי ההזנה ולהעלות את טמפרטורת מי ההזנה לטווח שצוין; שלב רביעי, מי ההזנה הראשיים שחוממו מראש מועברים אל מחולל הקיטור כדי לספוג את החום מנוזל הקירור הראשי ולהמיר אותו לקיטור בלחץ גבוה-. מי ההזנה המקוררים זורמים בחזרה דרך מערכת המחזור כדי להשלים את מחזור הקירור. לאורך כל התהליך, מערכת הניטור והבקרה מעורבת במלואה, תוך התאמה דינמית של פרמטרי הפעולה של כל רכיב על סמך שינויים בהספק הכור ובסטטוס פעולת המערכת כדי להבטיח רכיבה יציבה, בטוחה ויעילה.

אחריות בטיחות וטיפול בתקלות של מערכת קירור מי הזנה הראשית

הפעלה בטוחה של מערכת קירור מי הזנה הראשית בתחנות כוח גרעיניות היא ערובה חשובה לבטיחות האנרגיה הגרעינית. בשל סביבת ההפעלה הקשה של המערכת, החשופה לטמפרטורה גבוהה, ללחץ גבוה ולקרינה גבוהה לאורך זמן, היא חשופה לבלאי רכיבים, דליפות, חריגות בקרה ותקלות נוספות. לכן, יש צורך בהקמת מערכת ערובה בטיחותית תקינה כדי להשיג גילוי מוקדם וסילוק תקלות.

• אמצעי אבטחה

אופטימיזציה של חומרים ומבנים: רכיבי הליבה עשויים מחומרים מיוחדים-חוזקים,-עמידות בפני קורוזיה ועמידים בפני קרינה. לדוגמה, האימפלר ואטם הציר של משאבת מי הזנה הראשית עשויים מפלדת אל-חלד אוסטניטית דלת פחמן במיוחד או מפלדת אל-חלד דופלקסית. פין המיקום של שסתום ויסות מי הזנה הראשי עשוי מחומר Inconel750 בעל חוזק- גבוה, המחליף חומרים מסורתיים עם חוזק נמוך, כדי לשפר את עמידות הבלאי וחיי השירות של הרכיבים. במקביל, ייעל את העיצוב המבני של רכיבי כלוב השסתומים וליבות השסתום, אימוץ חלונות חורים קטנים וייעל את סידורם בהתאם לעקומת הזרימה, שפר את דיוק הוויסות ויכולת הזרימה, והפחת את הרטט והבלאי של הרכיבים.

עיצוב יתירות כפולה: ציוד המפתח של המערכת מאמץ תצורה מיותרת של "אחד לשימוש ואחד לגיבוי" או "מרובה לשימוש ואחד לגיבוי". לדוגמה, משאבת מי ההזנה הראשית מצוידת בדרך כלל ב-2-4 יחידות ובמשאבות גיבוי מתאימות כדי להבטיח שכאשר ציוד אחד נכשל, ניתן להפעיל במהירות את ציוד הגיבוי כדי למנוע השבתת המערכת. במקביל, מערכת הבקרה מאמצת תכנון יתירות כפולה כדי למנוע מהמערכת לאבד שליטה עקב כשל של יחידת בקרה אחת.

ניטור חכם ואזהרה מוקדמת: בעזרת תאום דיגיטלי, תחזוקה חזויה בינה מלאכותית וטכנולוגיות אחרות, מתבצע ניטור מצב מקוון של ציוד מפתח כגון משאבות מי הזנה ראשיות ושסתומי ויסות. באמצעות ניתוח ספקטרום רעידות, שחזור שדה טמפרטורה ושיטות אחרות, פעולת ציוד חריגה נקלטת בזמן אמת, ואזהרות תקלות מונפקות מראש. לאחר אימוץ מערכת ניטור חכמה, זמן הפעולה הממוצע ללא בעיות של משאבת מי ההזנה הראשית הוגדל מ-18000 שעות עבור דגמים מסורתיים ליותר מ-32000 שעות, מה שמפחית משמעותית את הסיכון להשבתות לא מתוכננות.

שדרוג טכנולוגי ומגמת פיתוח בתעשייה של מערכת קירור מי הזנה הראשית
עם האיטרציה המתמשכת של טכנולוגיית הכוח הגרעיני והעמקת אסטרטגיית "הפחמן הכפול", מערכת קירור מי הזנה העיקרית של תחנות כוח גרעיניות מתפתחת לקראת מודיעין, יעילות ולוקליזציה. השדרוג הטכנולוגי והשדרוג התעשייתי מתקדמים באופן סינכרוני, ומספקים תמיכה חזקה יותר להפעלה בטוחה ויעילה של כוח גרעיני.

• כיוון שדרוג טכני

שדרוג חכם: שילוב טכנולוגיות כגון האינטרנט של הדברים, ביג דאטה ובינה מלאכותית לבניית מערכת ניהול חכמה של מחזור חיים מלא, השגת-ניטור בזמן אמת של פרמטרי תפעול המערכת, אבחון תקלות מדויק ותזמון תפעול ותחזוקה חכם. לדוגמה, באמצעות טכנולוגיית תאומים דיגיטליים לבניית מודל וירטואלי של מערכת קירור מי הזנה הראשית, הדמיית מצב ההפעלה של המערכת, חיזוי סיכוני תקלות מראש, ייעול תכניות תפעול ותחזוקה והפחתת עלויות תפעול ותחזוקה.

אופטימיזציה יעילה: על ידי ייעול תהליכי המערכת, שיפור מבנה הציוד ושיפור היעילות התרמית של המערכת ויציבות התפעול. לדוגמה, אופטימיזציה של עיצוב האימפלר של משאבת מי ההזנה הראשית כדי לשפר את יעילות השינוע ולהפחית את צריכת האנרגיה; ייעל את תהליך החימום מראש של אספקת המים, שחזר את חום הפסולת במלואו ושפר עוד יותר את יעילות ניצול האנרגיה. במקביל, טכנולוגיית ויסות מהירות המרת תדר מאומצת כדי להתאים באופן דינמי את מהירות משאבת מי ההזנה הראשית בהתאם להספק הכור, תוך השגת פעולת חיסכון- באנרגיה.

קידום טכנולוגיה ללא דליפות: אימוץ סוגי משאבות ללא דליפות כגון משאבות מגנטיות ומשאבות מסוככות להחלפת משאבות איטום פיר מסורתיות, הפחתת הסיכון לדליפת מים, שיפור בטיחות המערכת והגנת הסביבה, תוך הפחתת עלויות תחזוקת הציוד והתאמה לדרישות סביבת ההפעלה הקשות של תחנות כוח גרעיניות.

• מגמות פיתוח בתעשייה

עם האצת אישורי פרויקטים גרעיניים מקומיים והעלייה המתמדת במספר היחידות בבנייה, הביקוש בשוק לציוד הקשור למערכת הקירור הראשית של מי הזנה ממשיך להשתחרר. על פי הערכות, משנת 2026 עד 2030, צפוי שיתווספו 30-40 יחידות כוח גרעיניות חדשות מאושרות בסין, בהתאמה לביקוש לכ-120-160 משאבות מי הזנה גרעיניות חדשות. גודל השוק יגדל בהתמדה. תהליך הלוקליזציה ממשיך להאיץ, ושיעור הלוקליזציה של המשאבות הראשיות עלה על 90%. מפעלים בבעלות המדינה כמו Shanghai Electric, Dongfang Electric ו-Harbin Electric Group שולטות בשוק המקומי. עם מערכת ייצור מלאה וניסיון הנדסי, הם משיגים בהדרגה החלפה מקומית של מוצרים יוקרתיים ומפחיתים את התלות בציוד מיובא.

בינתיים, עם התקדמותם של כורים מודולריים קטנים (SMRs) ופרויקטי הדגמה של טכנולוגיות כוח גרעיניות מהדור הרביעי, הביקוש לציוד קירור מי הזנה ראשי חדש, יעיל וקומפקטי יתעורר בהדרגה, ויפתח הזדמנויות צמיחה חדשות לתעשייה. בנוסף, בהקשר של היצוא המואץ של כוח גרעיני במסגרת "יוזמת החגורה והדרך", הציוד המקומי לקירור מי הזנה הראשי ינוע בהדרגה לכיוון השוק הבינלאומי, וישפר את התחרותיות הגלובלית של ציוד הכוח הגרעיני של סין [6].

מערכת קירור מי הזנה העיקרית של תחנת כוח גרעינית, כ"מחסום קירור" לבטיחות גרעינית, היא מרכז הליבה של מחזור הלולאה המשנית של הכוח הגרעיני. פעולתו היציבה קשורה ישירות לפעולה בטוחה, יעילה ודלת-פחמן של יחידת הכוח הגרעינית. מאופטימיזציה של מבנה רכיבי הליבה ועד לשדרוג האינטליגנציה של המערכת, מטיפול מדויק בתקלות ועד לקידום החלפה ביתית, כל פריצת דרך טכנולוגית במערכת קירור מי הזנה הראשית הניחה בסיס איתן לבטיחות באנרגיה גרעינית.
בהקשר של מעבר אנרגיה, עם הפיתוח המתמשך של טכנולוגיית האנרגיה הגרעינית, מערכת קירור מי הזנה הראשית תמשיך לנוע לכיוון חכם, יעיל ובטוח יותר, לפרוץ ללא הרף דרך צווארי בקבוק טכנולוגיים מרכזיים, לשפר את מערכת ערבות הבטיחות, לספק תמיכה חזקה בפיתוח-איכותי של תעשיית האנרגיה הגרעינית בסין, להשיג את "כל מטרה בטוחה, בטיחות, הספקת פחמן ופחמן נקי" רמה.