Czym są pompy chłodzenia reaktora?
Pompy chłodzenia reaktora są instalowane w elektrowniach jądrowych. Zadaniem pompy chłodzenia reaktora (RCP) jest zapewnienie wymuszonego przepływu chłodziwa pierwotnego w celu usunięcia ciepła (energii cieplnej) generowanego przez rdzeń reaktora podczas procesu rozszczepienia. Nawet bez pompy istniałby naturalny przepływ przez reaktor z powodu różnicy w temperaturze, a co za tym idzie gęstości chłodziwa pierwotnego. Jednak ten przepływ nie jest wystarczający do usunięcia ciepła generowanego, gdy reaktor jest w stanie pracy. Naturalny przepływ jest wystarczający do usunięcia ciepła, gdy elektrownia jest wyłączona lub gdy obecne jest tylko ciepło rozpadu.
Pompy RCP są napędzane przez duże, chłodzone powietrzem silniki elektryczne zaprojektowane do pracy ciągłej. Silnik jest połączony z wirnikiem mieszanym pompy odśrodkowej poprzez szereg wałów zainstalowanych w serii (omówione później w tym artykule).
Warto wiedzieć - 'pompa chłodzenia reaktora' jest czasami nazywana 'pompa chłodząca reaktora', chociaż jest to niepoprawna definicja.
Przykład wymuszonego i naturalnego obiegu (z kotła wodnorurowego)
Reaktor chłodziwo (chłodziwo pierwotne) wchodzi do strony ssawnej pompy z wylotu generatora pary. Woda jest przyspieszana przez wirnik pompy. To zwiększenie prędkości jest następnie przekształcane w ciśnienie w wylocie volute. Typowa elektrownia z reaktorem wodnym ciśnieniowym (PWR) elektrownia będzie działać z obiegiem chłodziwa pierwotnego przy ok. 155 bar (2248 psi).
Po opuszczeniu strony wylotowej pompy, chłodziwo wchodzi do wlotu zbiornika reaktora przez rurę 'zimnej nogi'. Chłodziwo pierwotne przepływa przez zespoły paliwowe reaktora, aby zebrać ciepło; następnie jest przesyłane z powrotem do generatorów pary przez rurę 'gorącej nogi'. Typowa elektrownia z reaktorem wodnym ciśnieniowym (PWR) będzie działać z temperaturą zimnej nogi ok. 290°C (554°F) i temperaturą gorącej nogi ok. 320°C (608°F).
Warto wiedzieć - 'zimna noga' to rura łącząca RCP z reaktorem. 'Gorąca noga' łączy reaktor z generatorem pary. 'Rura transferowa', lub 'rura transferowa', łączy generator pary z RCP. Zimne i gorące nogi są nazwane ze względu na temperaturę chłodziwa pierwotnego w każdej nodze.
Części elektrowni PWR
Projekt pompy chłodzenia reaktora
Silniki RCP są typu klatki wiewiórczej (silnik indukcyjny) i zazwyczaj działają przy napięciu ok. 6kV lub 13kV, w zależności od napięcia zasilania. Prędkość obrotowa RCP (obr./min) jest określana przez częstotliwość zasilania silnika, która wynosi 50Hz lub 60Hz w zależności od lokalizacji geograficznej. Typowy RCP może obracać się z prędkością ok. 1,200 - 1,500 obr./min i ważyć ponad 100 ton.
Typowy RCP reaktora wodnego ciśnieniowego będzie działać przy ciśnieniu ok. 155 bar (2248 psi) i w zakresie temperatur od 290°C-320°C (554°F-608°F), ale te czynniki są ostatecznie określane przez system chłodzenia reaktora.
Moc silnika RCP wynosi zazwyczaj od 6,000 do 10,000 bhp (4.5 MW do 7.5 MW). Duża ilość mocy jest potrzebna do zapewnienia niezbędnego przepływu chłodziwa do usunięcia ciepła; RCP mogą osiągać przepływy rzędu 25,000 m3/hr (11,000 galonów na minutę).
Jakie są główne części pompy chłodzenia reaktora?
Model interaktywny 3D saVRee przedstawia pompa odśrodkowa o mieszanym przepływie, jednostopniowa, jednosssąca. Główne części RCP są wskazane poniżej.
Części pompy chłodzenia reaktora
Dysza ssawna
Chłodziwo pierwotne jest zasysane do pompy przez tę dyszę; chłodziwo jest zasysane do pompy z rury transferowej.
Chłodziwo pierwotne jest wypuszczane z pompy przez tę dyszę; chłodziwo jest wypuszczane do zimnej nogi.
Wirnik
Wirnik jest wirnikiem odśrodkowym o mieszanym przepływie. Termin 'mieszany przepływ' odnosi się do przepływu osiowego do podstawy wirnika i przepływu promieniowego na zewnątrz od wirnika. Ten typ wirnika jest używany do średnich do wysokich przepływów i średnich do wysokich ciśnień; projekt jest podobny do turbiny Francisa.
Wał
Wał przenosi ruch obrotowy wytworzony przez silnik elektryczny na wirnik; jest utrzymywany w osi za pomocą łożysk. Ze względu na długość wału, jest on podzielony na kilka części: połówka sprzęgła pompy, połówka sprzęgła silnika i sprzęgło dystansowe; te części razem są potocznie nazywane 'wałem pompy', chociaż technicznie jest to niepoprawne, ponieważ wał składa się z więcej niż jednego elementu.
Łożysko prowadzące
Obciążenia promieniowe wywierane przez pompę podczas pracy są przenoszone na łożyska prowadzące. Samonastawne łożyska hydrostatyczne są używane do utrzymania wału w pionie. Ciśnienie wylotowe z wirnika pompy odśrodkowej działa na płytę równoważącą łożyska, co zapewnia prawidłowe wyrównanie łożyska i wału, gdy pompa jest w ruchu.
Zespół uszczelniający
Zespół uszczelniający pompy jest zazwyczaj obszarem pompy wymagającym najwięcej interwencji konserwacyjnych, ponieważ tworzy dynamiczną granicę ciśnienia. Ważne jest, aby utrzymać niezawodne uszczelnienie między stroną hydrauliczną pompy a głównym wałem napędowym. Jeśli integralność uszczelnienia zostanie naruszona, nastąpi wyciek chłodziwa pierwotnego.
Uszczelnienie wału jest realizowane w górnej części obudowy pompy za pomocą wyjmowanego wkładu uszczelniającego, który zawiera trzy uszczelnienia mechaniczne zainstalowane w serii. Sprężyny uszczelnienia mechanicznego dociskają twarze z węglika tytanu i stacjonarne twarze grafitowe razem i zapewniają, że twarze pozostają wyrównane. Kręta ścieżka przepływu od dolnego uszczelnienia do górnego uszczelnienia zapewnia niewielki wyciek przez zespół uszczelnienia wału. Aby zapewnić, że części uszczelnienia mechanicznego nie ulegną awarii z powodu wysokich temperatur, zapewnione jest chłodzenie uszczelnienia. Pod zespołem uszczelniającym, pomocniczy wirnik jest kluczowany do głównego wirnika. Przepływ wody uszczelniającej przez chłodnicę uszczelnienia jest zapewniany przez pomocniczy wirnik.
Warto wiedzieć - uszczelnienia wału mają kilka różnych konstrukcji, a opisany powyżej jest tylko jednym z takich typów.
Dyfuzor
Po wypuszczeniu cieczy z wirnika, przepływa ona przez dyfuzor. Kształt dyfuzora powoduje, że prędkość cieczy maleje, a jej ciśnienie wzrasta (zasada Bernoulliego); obudowa volute pełni tę samą funkcję.
Silnik elektryczny
Silnik elektryczny jest używany do obracania wirnika. Silniki RCP są silnikami indukcyjnymi klatkowe prądu przemiennego z typowym napięciem roboczym od 6kV do 13.8 kV (w zależności od projektu).
Sprzęgło dystansowe
Sprzęgło dystansowe jest zainstalowane pomiędzy połówką sprzęgła pompy a połówką sprzęgła silnika; można je usunąć, aby ułatwić dostęp do uszczelnienia wału i przegrody termicznej.
Chłodzenie komponentów (CCW)
Obwód chłodzenia komponentów (CCW) jest zasilany do zintegrowanego wymiennika ciepła i przegrody termicznej pompy. CCW usuwa ciepło z wnętrza pompy, aby zapobiec przegrzaniu. Zarówno zintegrowany wymiennik ciepła (schłodzona woda w obiegu pierwotnym / CCW), jak i chłodnica CCW (CCW / zewnętrzny obieg chłodzenia wodą), używają wymienników ciepła płaszczowo-rurowych.
Metalowe O-ringi
O-ringi i uszczelnienia mechaniczne są instalowane w różnych miejscach w pompie, aby uszczelnić/zamknąć niezamierzone ścieżki przepływu. Dwa O-ringi są zainstalowane pomiędzy obudową pompy a pokrywą obudowy. Jeśli wewnętrzny O-ring zawiedzie, gorąca woda chłodząca przepłynie przez ścieżkę odpływu do sumpu kontenerowego. Czujniki temperatury zainstalowane w ścieżce odpływu ostrzegają personel o każdym wycieku chłodziwa.
Koło zamachowe
Koło zamachowe to ciężki, dyskowy kawałek metalu, który wygładza wibracje. Robi to poprzez magazynowanie energii obrotowej i następnie wykorzystanie tej energii do przeciwdziałania zmianom prędkości obrotowej maszyny. Ilość energii magazynowanej w kole zamachowym jest pierwiastkiem kwadratowym z jego prędkości obrotowej. Koło zamachowe RCP zapewnia również, że pompa nadal się obraca, nawet jeśli reaktor zostanie wyłączony, zapewniając odpowiednie chłodzenie reaktora, nawet gdy nie ma dostępnej energii elektrycznej.
Zewnętrzny wymiennik ciepła
Zewnętrzny wymiennik ciepła płaszczowo-rurowy przenosi ciepło z obiegu chłodzenia komponentów (CCW) do odbiornika ciepła np. wieży chłodniczej.
Połówka sprzęgła silnika
Dolna część połówki sprzęgła silnika łączy się ze sprzęgłem dystansowym. Ruch obrotowy z połówki sprzęgła silnika jest przenoszony na sprzęgło dystansowe.
Połówka sprzęgła pompy
Górna część połówki sprzęgła pompy łączy się ze sprzęgłem dystansowym. Ruch obrotowy z sprzęgła dystansowego jest przenoszony na połówkę sprzęgła pompy.
Górne łożysko promieniowe i łożysko oporowe
Górne łożysko promieniowe i łożysko oporowe znajdują się w pobliżu górnej części silnika elektrycznego. Łożyska promieniowe obsługują obciążenia promieniowe (obciążenia działające prostopadle do wału pompy), podczas gdy łożyska oporowe obsługują obciążenia osiowe (obciążenia działające równolegle do wału pompy).
Chłodnica powietrza
Powietrze jest schładzane w chłodnicy powietrza przed dostarczeniem do przestrzeni między pokrywą pompy a obudową silnika; chłodzące powietrze usuwa ciepło odpadowe.
Przewód powietrzny
Chłodzące powietrze jest przenoszone przez przewody powietrzne.
Dolne łożysko promieniowe
Dolne łożysko promieniowe obsługuje obciążenia prostopadłe do wału silnika.
Pomocniczy wirnik
Pomocniczy wirnik pełni dwie główne funkcje: zapewnia ciśnienie do samonastawnego łożyska dziennika i zapewnia niewielki przepływ do uszczelnień pompy; przepływ do uszczelnień pompy jest pobierany przez przegrodę termiczną.
Rura stojąca
Aby zapewnić możliwość określenia wycieku uszczelnienia, stosuje się system zbierania uszczelnienia. Wyciek za trzecim uszczelnieniem mechanicznym jest zbierany w rurze stojącej otaczającej wał pompy. Wyciek do rury stojącej jest ciągle monitorowany.
Tuleja ograniczająca
Tuleja ograniczająca zapewnia ograniczenie między cieczą pompowaną przez wirnik a obszarem uszczelnienia mechanicznego, tak aby przepływ był zmniejszony lub kontrolowany.
Dodatkowe zasoby
https://www.nuclear-power.net/reactor-coolant-pump
https://www.ksb.com/centrifugal-pump-lexicon/reactor-pump/191846