يعد نظام تبريد مياه التغذية الرئيسي لمحطة الطاقة النووية بمثابة حاجز تبريد للسلامة النووية

الموقع الأساسي والقيمة الوظيفية لنظام تبريد مياه التغذية الرئيسي
تشتمل عملية تحويل الطاقة في محطة الطاقة النووية بشكل أساسي على تسخين سائل التبريد في الدائرة الأولية من خلال الطاقة الحرارية المتولدة عن الانشطار النووي، ثم نقل الطاقة الحرارية إلى مياه التغذية الرئيسية في الدائرة الثانوية من خلال مولد بخار، وتحويل مياه التغذية إلى بخار -عالي الضغط لتشغيل التوربينات البخارية لتوليد الطاقة. تتمثل الوظيفة الأساسية لنظام تبريد مياه التغذية الرئيسي في توفير وسط تبريد مستقر ويمكن التحكم فيه لهذه الدورة، مع تحقيق تبديد الحرارة واستردادها بشكل معقول. وتنعكس قيمتها الوظيفية بشكل رئيسي في ثلاثة جوانب.

أولاً، التأكد من تبريد قلب المفاعل. يطلق قلب المفاعل النووي بشكل مستمر كمية كبيرة من الطاقة الحرارية أثناء الانشطار النووي. إذا لم يكن من الممكن تصديرها في الوقت المناسب، فسوف يؤدي ذلك إلى ارتفاع مفاجئ في درجة الحرارة الأساسية ويسبب حوادث سلامة خطيرة. يقوم نظام تبريد مياه التغذية الرئيسي بتوصيل مياه تغذية التبريد بشكل مستمر إلى مولد البخار، ويمتص الحرارة من المبرد الأولي، ويضمن الحفاظ على درجة الحرارة الأساسية ضمن عتبة آمنة، مما يشكل "حاجز تبريد" مهمًا لسلامة المفاعل. وفقًا لإحصائيات الوكالة الدولية للطاقة الذرية، فإن ما يقرب من 12٪ من حالات الإغلاق غير المخطط لها في محطات الطاقة النووية مرتبطة بفشل نظام مياه التغذية، مما يؤكد بشكل غير مباشر على قيمة السلامة الحرجة لنظام تبريد مياه التغذية الرئيسي.

ثانيا، الحفاظ على استقرار دورة الحلقة الثانوية. يحتاج نظام تبريد مياه التغذية الرئيسي إلى ضبط معدل تدفق مياه التغذية ودرجة الحرارة بدقة وفقًا للتغيرات في طاقة المفاعل، مما يضمن معلمات البخار المستقرة عند مخرج مولد البخار وتوفير مصدر طاقة مستمر ومؤهل للتوربين. أثناء تشغيل المفاعل بالطاقة المنخفضة-، يتم ضبط معدل التدفق يدويًا بواسطة صمام التحكم الرئيسي في تجاوز مياه التغذية؛ أثناء التشغيل بالطاقة العالية-، يتدخل صمام تنظيم مياه التغذية الرئيسي تلقائيًا ويتم ضبطه ديناميكيًا وفقًا للطاقة الحرارية لمولد البخار، مما يضمن استمرارية واستقرار دورة الحلقة الثانوية.

وأخيرا، تحقيق الاستخدام الفعال للطاقة. سيقوم نظام تبريد مياه التغذية الرئيسي بتسخين مياه التغذية أثناء عملية التبريد، واستعادة الحرارة المهدرة بعد تكثيف البخار، وتقليل فقدان الطاقة، وتحسين الكفاءة الحرارية لوحدة الطاقة النووية. وفي الوقت نفسه، من خلال التحكم بدقة في معلمات إمدادات المياه، وتقليل تآكل المعدات واستهلاك الطاقة، ومساعدة وحدات الطاقة النووية على تحقيق تشغيل اقتصادي طويل-المدى، فإنه يلبي احتياجات تطوير الطاقة المنخفضة-من الكربون والفعالة بموجب استراتيجية "الكربون المزدوج".

بنية التركيب ومبدأ العمل لنظام تبريد مياه التغذية الرئيسي
نظام تبريد مياه التغذية الرئيسي لمحطة الطاقة النووية هو نظام معقد متكامل وعالي الدقة، ويتكون بشكل أساسي من مضخة مياه التغذية الرئيسية، وصمام تنظيم مياه التغذية الرئيسي، ومعدات التسخين المسبق لمياه التغذية، ونظام خطوط الأنابيب، ونظام المراقبة والتحكم، والمعدات المساعدة. تعمل المكونات معًا لتكوين دورة تبريد دائرية-مغلقة، ويدور مبدأ عملها حول الروابط الأساسية الثلاثة "لضبط معلمة التبادل الحراري لنقل مياه التغذية".

المكونات الأساسية ووظائفها

• مضخة مياه التغذية الرئيسية: باعتبارها "قلب الطاقة" للنظام، فهي مسؤولة عن توصيل مياه التغذية عالية النقاء-والمعالجة بواسطة جهاز نزع الهواء إلى مولد البخار عند ضغط مرتفع. تعتبر ظروف تشغيله قاسية للغاية، وتتطلب تشغيلًا مستمرًا على المدى الطويل-في درجات حرارة عالية (درجة حرارة الماء الداخل تبلغ حوالي 220 درجة) وضغطًا مرتفعًا (يمكن أن يصل ضغط المخرج إلى 8-12 ميجا باسكال). عمر التصميم عادة لا يقل عن 40 عامًا، ويتم وضع متطلبات عالية للغاية على مقاومة المواد للتآكل والختم الهيكلي. في الوقت الحاضر، يعتمد الاتجاه السائد في الصين مضخات مياه التغذية الرئيسية ذات الطرد المركزي عالية السرعة، وقد اعتمدت بعض الوحدات المتقدمة حلولاً متكاملة لتنظيم سرعة التردد المتغير والمراقبة الذكية. تم تجهيز بعض الوحدات أيضًا بمضخات مياه تغذية تعمل بالبخار لضمان إمكانية الاعتماد على البخار المساعد للحفاظ على التشغيل وتحسين موثوقية النظام في حالة انقطاع التيار الكهربائي في المحطة بأكملها. يعمل النظام المعياري لمجموعة مضخات مياه التغذية الرئيسية التي طورها معهد شرق الصين لتصميم الطاقة الكهربائية على تحسين الموثوقية التشغيلية للنظام وكفاءة التصميم بشكل فعال من خلال دمج المضخة المسبقة والمحرك وقارنة التوصيل الهيدروليكية والمضخة الرئيسية.
• صمام التحكم الرئيسي في مياه التغذية: "مركز التدفق" للنظام، يعمل بالتوازي مع صمام التحكم الرئيسي في تجاوز مياه التغذية، وهو المسؤول عن الضبط الدقيق لمعدل تدفق مياه التغذية بناءً على التغيرات في طاقة المفاعل وحالة تشغيل مولد البخار. يرتبط أدائها بشكل مباشر باستقرار نظام إمدادات المياه. في حالة حدوث خطأ، فإنه سوف يسبب تقلبات في معدل تدفق مياه التغذية الرئيسية، مما يشكل تهديدا لسلامة الوحدة. تشمل الأخطاء الشائعة الخيوط البالية والمكسورة التي تربط ساق الصمام وقلب الصمام، وتآكل الجدار الداخلي لمكون قفص الصمام، والتغذية المرتدة غير الطبيعية لإشارات تحديد الموقع، وما إلى ذلك، والتي تحتاج إلى حل من خلال تحسين الهيكل وترقية المواد.

معدات التسخين المسبق لمياه التغذية: تشتمل بشكل أساسي على سخانات الضغط العالي-، والتي يتم استخدامها للتسخين المسبق لمياه التغذية الرئيسية باستخدام الحرارة المهدرة من استخلاص التوربينات البخارية، وزيادة درجة حرارة مياه التغذية، وتقليل فقدان الحرارة في مولد البخار، وتقليل الإجهاد الحراري للمعدات، وبالتالي إطالة عمر خدمة النظام. بعد التسخين المسبق، تدخل مياه التغذية إلى مولد البخار ويمكنها امتصاص الحرارة بشكل أكثر كفاءة من الدائرة الأولية، مما يحسن كفاءة توليد البخار.

 

نظام المراقبة والتحكم: يتكون من أجهزة استشعار ووحدات تحكم ومشغلات مختلفة، وهو يراقب المعلمات الرئيسية مثل معدل تدفق المياه ودرجة الحرارة والضغط في الوقت الفعلي-ويحقق ضبطًا دقيقًا للمعلمات من خلال نظام تحكم آلي. على سبيل المثال، من خلال مراقبة مستوى الماء ودرجة حرارة مولد البخار، يتم ضبط سرعة مضخة مياه التغذية الرئيسية وفتح صمام التحكم الرئيسي في مياه التغذية تلقائيًا لضمان أن تكون معلمات تشغيل النظام دائمًا ضمن نطاق آمن، مع تحقيق التحذير في الوقت الحقيقي- والاستجابة الطارئة للأخطاء.

• تحليل سير العمل

يمكن تقسيم عملية عمل نظام تبريد مياه التغذية الرئيسي إلى أربع خطوات رئيسية: الخطوة الأولى هي أن جهاز نزع الهواء يقوم بمعالجة نزع الهواء من مياه التغذية، وإزالة الأكسجين والغازات الضارة الأخرى من الماء، ومنع تآكل خطوط الأنابيب والمعدات، والتأكد من أن نقاء مياه التغذية يلبي معايير الدرجة النووية؛ الخطوة الثانية هي زيادة ضغط مدخل المضخة الرئيسية مسبقًا لمنع التجويف. بعد ذلك، تقوم مضخة مياه التغذية الرئيسية بالضغط على مياه التغذية المعالجة وتوصيلها إلى سخان الضغط العالي-؛ الخطوة الثالثة، يستخدم سخان الضغط العالي- الحرارة المهدرة المستخرجة من التوربين البخاري لتسخين مياه التغذية مسبقًا ورفع درجة حرارة مياه التغذية إلى النطاق المحدد؛ الخطوة الرابعة، يتم نقل مياه التغذية الرئيسية المسخنة مسبقًا إلى مولد البخار لامتصاص الحرارة من المبرد الأساسي وتحويلها إلى بخار-عالي الضغط. ثم تتدفق مياه التغذية المبردة مرة أخرى عبر نظام التدوير لإكمال دورة التبريد. طوال العملية بأكملها، يشارك نظام المراقبة والتحكم بشكل كامل، حيث يقوم بضبط معلمات التشغيل لكل مكون ديناميكيًا بناءً على التغييرات في طاقة المفاعل وحالة تشغيل النظام لضمان تدوير مستقر وآمن وفعال.

ضمان السلامة والتعامل مع الأخطاء في نظام تبريد مياه التغذية الرئيسي

يعد التشغيل الآمن لنظام تبريد مياه التغذية الرئيسي في محطات الطاقة النووية ضمانًا مهمًا لسلامة الطاقة النووية. نظرًا لبيئة التشغيل القاسية للنظام، والتي تتعرض لدرجة الحرارة العالية والضغط العالي والإشعاع العالي لفترة طويلة، فهي عرضة لتآكل المكونات والتسرب وتشوهات التحكم والأخطاء الأخرى. ولذلك فمن الضروري إنشاء نظام سليم لضمان السلامة لتحقيق الكشف المبكر عن الأخطاء والتخلص منها.

• التدابير الأمنية

تحسين المواد والهيكل: المكونات الأساسية مصنوعة من مواد خاصة عالية القوة-والتآكل-والإشعاع. على سبيل المثال، يتم تصنيع المكره وختم العمود لمضخة مياه التغذية الرئيسية من الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي منخفض الكربون للغاية أو الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج. إن دبوس تحديد موضع صمام تنظيم مياه التغذية الرئيسي مصنوع من مادة Inconel750 عالية القوة، لتحل محل المواد التقليدية منخفضة القوة، لتحسين مقاومة التآكل وعمر الخدمة للمكونات. في الوقت نفسه، تحسين التصميم الهيكلي لمكونات قفص الصمامات وقلب الصمامات، واعتماد النوافذ ذات الفتحات الصغيرة وتحسين ترتيبها وفقًا لمنحنى التدفق، وتحسين دقة التنظيم وقدرة التدفق، وتقليل اهتزاز المكونات وتآكلها.

تصميم التكرار المزدوج: تعتمد المعدات الرئيسية للنظام تكوينًا متكررًا "واحد للاستخدام وواحد للنسخ الاحتياطي" أو "متعدد للاستخدام وواحد للنسخ الاحتياطي". على سبيل المثال، عادة ما يتم تجهيز مضخة مياه التغذية الرئيسية بـ 2-4 وحدات ومضخات احتياطية مقابلة لضمان أنه عند فشل أحد المعدات، يمكن تشغيل المعدات الاحتياطية بسرعة لتجنب إيقاف تشغيل النظام. وفي الوقت نفسه، يعتمد نظام التحكم تصميمًا مزدوجًا للتكرار لمنع النظام من فقدان السيطرة بسبب فشل وحدة تحكم واحدة.

المراقبة الذكية والإنذار المبكر: بمساعدة التوأم الرقمي، والصيانة التنبؤية بالذكاء الاصطناعي وغيرها من التقنيات، يتم إجراء مراقبة الحالة عبر الإنترنت للمعدات الرئيسية مثل مضخات مياه التغذية الرئيسية وصمامات التنظيم. من خلال تحليل طيف الاهتزاز، وإعادة بناء مجال درجة الحرارة وغيرها من الطرق، يتم التقاط التشغيل غير الطبيعي للمعدات في الوقت الفعلي، ويتم إصدار تحذيرات من الأخطاء مسبقًا. بعد اعتماد نظام مراقبة ذكي، تم زيادة متوسط ​​وقت التشغيل الخالي من المشاكل لمضخة مياه التغذية الرئيسية من 18000 ساعة للنماذج التقليدية إلى أكثر من 32000 ساعة، مما يقلل بشكل كبير من خطر إيقاف التشغيل غير المخطط له.

التحديث التكنولوجي واتجاه تطوير الصناعة لنظام تبريد مياه التغذية الرئيسي
ومع التكرار المستمر لتكنولوجيا الطاقة النووية وتعميق استراتيجية "الكربون المزدوج"، فإن نظام تبريد مياه التغذية الرئيسي لمحطات الطاقة النووية يتطور نحو الذكاء والكفاءة والتوطين. ويتقدم التحديث التكنولوجي والتحديث الصناعي بشكل متزامن، مما يوفر دعمًا أقوى للتشغيل الآمن والفعال للطاقة النووية.

• اتجاه الترقية الفنية

الترقية الذكية: دمج تقنيات مثل إنترنت الأشياء، والبيانات الضخمة، والذكاء الاصطناعي لإنشاء نظام إدارة ذكي لدورة حياة كاملة، وتحقيق مراقبة في الوقت الفعلي لمعلمات تشغيل النظام، والتشخيص الدقيق للأخطاء، وجدولة التشغيل والصيانة الذكية. على سبيل المثال، من خلال استخدام تقنية التوأم الرقمي لبناء نموذج افتراضي لنظام تبريد مياه التغذية الرئيسي، ومحاكاة حالة تشغيل النظام، والتنبؤ بمخاطر الأعطال مقدمًا، وتحسين خطط التشغيل والصيانة، وتقليل تكاليف التشغيل والصيانة.

التحسين الفعال: من خلال تحسين عمليات النظام، وتحسين هيكل المعدات، وتعزيز الكفاءة الحرارية للنظام والاستقرار التشغيلي. على سبيل المثال، تحسين تصميم المكره لمضخة مياه التغذية الرئيسية لتحسين كفاءة النقل وتقليل استهلاك الطاقة؛ تحسين عملية التسخين المسبق لإمدادات المياه، واستعادة الحرارة المهدرة بالكامل، وزيادة تحسين كفاءة استخدام الطاقة. وفي الوقت نفسه، تم اعتماد تقنية تنظيم سرعة تحويل التردد لضبط سرعة مضخة مياه التغذية الرئيسية ديناميكيًا وفقًا لقوة المفاعل، مما يحقق عملية توفير الطاقة-.

تعزيز التكنولوجيا المانعة للتسرب: اعتماد أنواع المضخات المانعة للتسرب مثل المضخات المغناطيسية والمضخات المحمية لتحل محل مضخات ختم العمود التقليدية، مما يقلل من خطر تسرب المياه، ويحسن سلامة النظام وحماية البيئة، مع تقليل تكاليف صيانة المعدات، والتكيف مع متطلبات بيئة التشغيل القاسية لمحطات الطاقة النووية.

• اتجاهات تطوير الصناعة

ومع تسارع الموافقات على مشاريع الطاقة النووية المحلية والزيادة المطردة في عدد الوحدات قيد الإنشاء، يستمر الطلب في السوق على المعدات المتعلقة بنظام تبريد مياه التغذية الرئيسي في الارتفاع. وفقًا للتقديرات، من عام 2026 إلى عام 2030، من المتوقع إضافة 30-40 وحدة طاقة نووية جديدة معتمدة في الصين، وهو ما يتوافق مع الطلب على ما يقرب من 120-160 مضخة مياه تغذية نووية جديدة. وسيزداد حجم السوق بشكل مطرد. تستمر عملية التوطين في التسارع، وقد تجاوز معدل توطين المضخات الرئيسية 90%. وتهيمن الشركات المملوكة للدولة مثل Shanghai Electric وDongfang Electric وHarbin Electric Group على السوق المحلية. بفضل نظام التصنيع الكامل والخبرة الهندسية، فإنهم يحققون تدريجيًا الاستبدال المحلي للمنتجات المتطورة وتقليل الاعتماد على المعدات المستوردة.

وفي الوقت نفسه، مع تقدم المفاعلات المعيارية الصغيرة (SMRs) والمشاريع التجريبية لتكنولوجيا الطاقة النووية من الجيل الرابع، سيظهر تدريجيًا الطلب على معدات تبريد مياه التغذية الرئيسية الجديدة والفعالة والمدمجة، مما يفتح فرص نمو جديدة لهذه الصناعة. بالإضافة إلى ذلك، في سياق التصدير المتسارع للطاقة النووية في إطار "مبادرة الحزام والطريق"، ستتحرك المعدات ذات الصلة بنظام تبريد مياه التغذية الرئيسي المحلي تدريجيًا نحو السوق الدولية، مما يحسن القدرة التنافسية العالمية لمعدات الطاقة النووية الصينية [6].

يعد نظام تبريد مياه التغذية الرئيسي لمحطة الطاقة النووية، باعتباره "حاجز تبريد" للسلامة النووية، هو المحور الأساسي لدورة الحلقة الثانوية للطاقة النووية. ويرتبط تشغيلها المستقر ارتباطًا مباشرًا بالتشغيل الآمن والفعال والمنخفض-للكربون لوحدة الطاقة النووية. بدءًا من تحسين هيكل المكونات الأساسية وحتى رفع مستوى ذكاء النظام، ومن التعامل الدقيق مع الأخطاء إلى تعزيز الاستبدال المحلي، فإن كل اختراق تكنولوجي في نظام تبريد مياه التغذية الرئيسي قد أرسى أساسًا متينًا لسلامة الطاقة النووية.
في سياق تحول الطاقة، ومع التطوير المستمر لتكنولوجيا الطاقة النووية، سيستمر نظام تبريد مياه التغذية الرئيسي في التحرك نحو اتجاه أكثر ذكاءً وكفاءة وأمانًا، ويخترق باستمرار الاختناقات التكنولوجية الرئيسية، ويحسن نظام ضمان السلامة، ويوفر دعمًا قويًا للتطوير-عالي الجودة لصناعة الطاقة النووية في الصين، وتحقيق هدف "الكربون المزدوج"، وحماية النقل الآمن للطاقة النووية النظيفة على كل المستويات.