Das Hauptspeisewasserkühlsystem eines Kernkraftwerks ist eine Kühlbarriere für die nukleare Sicherheit

Die Kernpositionierung und der funktionelle Wert des Hauptspeisewasserkühlsystems
Der Energieumwandlungsprozess eines Kernkraftwerks umfasst im Wesentlichen das Erhitzen des Kühlmittels im Primärkreislauf durch die durch die Kernspaltung erzeugte Wärmeenergie und die anschließende Übertragung der Wärmeenergie auf das Hauptspeisewasser im Sekundärkreislauf über einen Dampferzeuger, wodurch das Speisewasser in Hochdruckdampf umgewandelt wird, um die Dampfturbine zur Stromerzeugung anzutreiben. Die Kernfunktion des Hauptspeisewasserkühlsystems besteht darin, ein stabiles und kontrollierbares Kühlmedium für diesen Kreislauf bereitzustellen und gleichzeitig eine angemessene Wärmeableitung und -rückgewinnung zu erreichen. Sein funktionaler Wert spiegelt sich hauptsächlich in drei Aspekten wider.

Stellen Sie zunächst die Kühlung des Reaktorkerns sicher. Der Kern eines Kernreaktors setzt bei der Kernspaltung kontinuierlich große Mengen Wärmeenergie frei. Wenn es nicht rechtzeitig exportiert werden kann, führt dies zu einem plötzlichen Anstieg der Kerntemperatur und zu schweren Sicherheitsunfällen. Das Hauptspeisewasserkühlsystem liefert kontinuierlich kühlendes Speisewasser an den Dampferzeuger, absorbiert Wärme vom Primärkühlmittel und stellt sicher, dass die Kerntemperatur innerhalb eines sicheren Schwellenwerts gehalten wird, was eine wichtige „Kühlbarriere“ für die Reaktorsicherheit bildet. Laut IAEA-Statistik stehen etwa 12 % der ungeplanten Abschaltungen in Kernkraftwerken im Zusammenhang mit Ausfällen des Speisewassersystems, was indirekt den kritischen Sicherheitswert des Hauptspeisewasserkühlsystems bestätigt.

Zweitens: Aufrechterhaltung der Stabilität des Sekundärkreislaufs. Das Hauptspeisewasserkühlsystem muss die Speisewasserdurchflussrate und -temperatur genau an Änderungen der Reaktorleistung anpassen, um stabile Dampfparameter am Auslass des Dampferzeugers sicherzustellen und eine kontinuierliche und qualifizierte Stromquelle für die Turbine bereitzustellen. Während des Niedrigleistungsbetriebs des Reaktors wird die Durchflussrate manuell über das Haupt-Speisewasser-Bypass-Steuerventil eingestellt; Während des Hochleistungsbetriebs greift das Hauptspeisewasserregelventil automatisch ein und passt sich dynamisch an die Wärmeleistung des Dampferzeugers an, um die Kontinuität und Stabilität des Sekundärkreislaufkreislaufs sicherzustellen.

Endlich eine effiziente Energienutzung erreichen. Das Hauptspeisewasserkühlsystem wird das Speisewasser während des Kühlprozesses vorwärmen, die Abwärme nach der Dampfkondensation zurückgewinnen, Energieverluste reduzieren und den thermischen Wirkungsgrad des Kernkraftwerks verbessern. Gleichzeitig erfüllt es durch die genaue Steuerung der Wasserversorgungsparameter, die Reduzierung des Geräteverschleißes und des Energieverbrauchs sowie die Unterstützung von Kernkraftwerken bei der Erreichung eines langfristigen wirtschaftlichen Betriebs die Anforderungen an eine kohlenstoffarme und effiziente Energieentwicklung im Rahmen der „Dual-Carbon“-Strategie.

Die Aufbauarchitektur und das Funktionsprinzip des Hauptspeisewasserkühlsystems
Das Hauptspeisewasserkühlsystem eines Kernkraftwerks ist ein integriertes und hochpräzises komplexes System, das hauptsächlich aus der Hauptspeisewasserpumpe, dem Hauptspeisewasserregelventil, der Speisewasservorwärmausrüstung, dem Rohrleitungssystem, dem Überwachungs- und Steuerungssystem und der Hilfsausrüstung besteht. Die Komponenten arbeiten zusammen und bilden einen geschlossenen -Kühlkreislauf, dessen Funktionsprinzip sich um die drei Kernglieder der „Anpassung der Parameter des Speisewassertransport-Wärmeaustauschs“ dreht.

Kernkomponenten und ihre Funktionen

• Hauptspeisewasserpumpe: Als „Kraftherz“ des Systems ist sie dafür verantwortlich, hochreines Speisewasser, das vom Entgaser verarbeitet wird, unter hohem Druck an den Dampferzeuger zu liefern. Die Betriebsbedingungen sind äußerst rau und erfordern einen langfristigen Dauerbetrieb in Umgebungen mit hoher Temperatur (Einlasswassertemperatur von etwa 220 Grad) und hohem Druck (Auslassdruck kann 8-12 MPa erreichen). Die geplante Lebensdauer beträgt in der Regel nicht weniger als 40 Jahre und es werden äußerst hohe Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit des Materials und die strukturelle Abdichtung gestellt. Derzeit setzt der Mainstream in China Hochgeschwindigkeits-Kreisel-Hauptspeisewasserpumpen ein, und einige fortschrittliche Einheiten haben integrierte Lösungen zur Drehzahlregelung mit variabler Frequenz und intelligenter Überwachung eingeführt. Einige Einheiten sind außerdem mit dampfbetriebenen Speisewasserpumpen ausgestattet, um sicherzustellen, dass bei einem Stromausfall in der gesamten Anlage weiterhin auf Hilfsdampf zur Aufrechterhaltung des Betriebs und zur Verbesserung der Systemzuverlässigkeit zurückgegriffen werden kann. Das vom East China Electric Power Design Institute entwickelte modulare System der Hauptspeisewasserpumpengruppe verbessert effektiv die Betriebszuverlässigkeit und Konstruktionseffizienz des Systems durch die Integration von Vorpumpe, Motor, Hydraulikkupplung und Hauptpumpe.
• Hauptspeisewasserregelventil: Das „Strömungszentrum“ des Systems, das parallel zum Hauptspeisewasser-Bypass-Regelventil arbeitet und für die genaue Anpassung der Speisewasserdurchflussrate basierend auf Änderungen der Reaktorleistung und des Betriebsstatus des Dampferzeugers verantwortlich ist. Seine Leistung steht in direktem Zusammenhang mit der Stabilität des Wasserversorgungssystems. Tritt ein Fehler auf, kommt es zu Schwankungen im Hauptspeisewasserdurchfluss, was eine Gefahr für die Sicherheit der Anlage darstellt. Zu den häufigsten Fehlern gehören verschlissene und gebrochene Gewinde, die den Ventilschaft und den Ventilkern verbinden, Kollisionsverschleiß an der Innenwand der Ventilkäfigkomponente, abnormale Rückkopplung von Ortungssignalen usw., die durch Strukturoptimierung und Materialverbesserung behoben werden müssen.

Speisewasservorwärmgeräte: Dazu gehören hauptsächlich Hochdruckerhitzer, die dazu dienen, das Hauptspeisewasser mithilfe der Abwärme aus der Dampfturbinenentnahme vorzuwärmen, die Speisewassertemperatur zu erhöhen, den Wärmeverlust im Dampferzeuger zu verringern und die thermische Belastung der Ausrüstung zu verringern, wodurch die Lebensdauer des Systems verlängert wird. Nach dem Vorwärmen gelangt das Speisewasser in den Dampferzeuger und kann die Wärme aus dem Primärkreislauf effizienter absorbieren, wodurch die Effizienz der Dampferzeugung verbessert wird.

 

Überwachungs- und Steuerungssystem: Es besteht aus verschiedenen Sensoren, Controllern und Aktoren, überwacht wichtige Parameter wie Wasserdurchflussrate, Temperatur und Druck in Echtzeit und erreicht eine präzise Parameteranpassung durch ein automatisiertes Steuerungssystem. Durch die Überwachung des Wasserstands und der Temperatur des Dampferzeugers werden beispielsweise die Drehzahl der Hauptspeisewasserpumpe und die Öffnung des Hauptspeisewasserregelventils automatisch angepasst, um sicherzustellen, dass die Betriebsparameter des Systems immer in einem sicheren Bereich liegen und gleichzeitig eine Echtzeitwarnung und Notfallreaktion bei Fehlern möglich ist.

• Workflow-Analyse

Der Arbeitsprozess des Hauptspeisewasserkühlsystems kann in vier Hauptschritte unterteilt werden: Der erste Schritt besteht darin, dass der Entgaser eine Entgasungsbehandlung am Speisewasser durchführt, Sauerstoff und andere schädliche Gase aus dem Wasser entfernt, Korrosion von Rohrleitungen und Geräten verhindert und sicherstellt, dass die Reinheit des Speisewassers den Standards für Kernenergie entspricht; Der zweite Schritt besteht darin, den Eingangsdruck der Hauptpumpe vorab zu erhöhen, um Kavitation zu verhindern. Anschließend setzt die Hauptspeisewasserpumpe das aufbereitete Speisewasser unter Druck und fördert es zum Hochdruckerhitzer. Schritt drei: Der Hochdruckerhitzer nutzt die der Dampfturbine entzogene Abwärme, um das Speisewasser vorzuwärmen und die Speisewassertemperatur auf den angegebenen Bereich zu erhöhen. Schritt vier: Das vorgewärmte Hauptspeisewasser wird zum Dampferzeuger transportiert, um die Wärme des Primärkühlmittels aufzunehmen und in Hochdruckdampf umzuwandeln. Das abgekühlte Speisewasser fließt dann durch das Zirkulationssystem zurück und schließt den Kühlkreislauf ab. Während des gesamten Prozesses ist das Überwachungs- und Steuerungssystem voll involviert und passt die Betriebsparameter jeder Komponente dynamisch an Änderungen der Reaktorleistung und des Systembetriebsstatus an, um einen stabilen, sicheren und effizienten Zyklus zu gewährleisten.

Sicherheitsgarantie und Störungsbehandlung des Hauptspeisewasserkühlsystems

Der sichere Betrieb des Hauptspeisewasserkühlsystems in Kernkraftwerken ist ein wichtiger Garant für die Sicherheit der Kernenergie. Aufgrund der rauen Betriebsumgebung des Systems, das über einen langen Zeitraum hohen Temperaturen, hohem Druck und starker Strahlung ausgesetzt ist, ist es anfällig für Komponentenverschleiß, Leckagen, Steuerungsstörungen und andere Fehler. Daher ist es notwendig, ein solides Sicherheitsgarantiesystem einzurichten, um eine frühzeitige Erkennung und Beseitigung von Fehlern zu erreichen.

• Sicherheitsmaßnahmen

Material- und Strukturoptimierung: Die Kernkomponenten bestehen aus hoch{0}festen, korrosionsbeständigen und strahlenbeständigen Spezialwerkstoffen. Beispielsweise bestehen das Laufrad und die Wellendichtung der Hauptspeisewasserpumpe aus austenitischem Edelstahl mit extrem niedrigem Kohlenstoffgehalt oder Duplex-Edelstahl. Der Positionierungsstift des Hauptspeisewasserregelventils besteht aus hochfestem Inconel750-Material und ersetzt herkömmliche Materialien mit geringer Festigkeit, um die Verschleißfestigkeit und Lebensdauer der Komponenten zu verbessern. Optimieren Sie gleichzeitig das strukturelle Design von Ventilkäfigkomponenten und Ventilkernen, übernehmen Sie kleine Lochfenster und optimieren Sie deren Anordnung entsprechend der Durchflusskurve, verbessern Sie die Regelgenauigkeit und Durchflusskapazität und reduzieren Sie Komponentenvibrationen und -verschleiß.

Duales Redundanzdesign: Die Schlüsselausrüstung des Systems verfügt über eine redundante Konfiguration von „eine zur Verwendung und eine zur Sicherung“ oder „mehrere zur Verwendung und eine zur Sicherung“. Beispielsweise ist die Hauptspeisewasserpumpe in der Regel mit 2–4 Einheiten und entsprechenden Backup-Pumpen ausgestattet, um sicherzustellen, dass bei Ausfall eines Geräts das Backup-Gerät schnell in Betrieb genommen werden kann, um einen Systemstillstand zu vermeiden. Gleichzeitig verfügt das Steuerungssystem über ein duales Redundanzdesign, um zu verhindern, dass das System aufgrund des Ausfalls einer einzelnen Steuereinheit die Kontrolle verliert.

Intelligente Überwachung und Frühwarnung: Mit Hilfe von digitalen Zwillingen, KI-vorausschauender Wartung und anderen Technologien wird eine Online-Statusüberwachung wichtiger Geräte wie Hauptspeisewasserpumpen und Regelventile durchgeführt. Durch die Analyse des Schwingungsspektrums, die Rekonstruktion des Temperaturfelds und andere Methoden wird der abnormale Gerätebetrieb in Echtzeit erfasst und Fehlerwarnungen im Voraus ausgegeben. Durch die Einführung eines intelligenten Überwachungssystems konnte die durchschnittliche störungsfreie Betriebszeit der Hauptspeisewasserpumpe von 18.000 Stunden bei herkömmlichen Modellen auf über 32.000 Stunden erhöht werden, wodurch das Risiko ungeplanter Abschaltungen erheblich verringert wird.

Technologische Modernisierung und Branchenentwicklungstrend des Hauptspeisewasserkühlsystems
Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Kernenergietechnologie und der Vertiefung der „Dual-Carbon“-Strategie entwickelt sich das Hauptspeisewasserkühlsystem von Kernkraftwerken in Richtung Intelligenz, Effizienz und Lokalisierung. Die technologische Modernisierung und die industrielle Modernisierung schreiten synchron voran und unterstützen den sicheren und effizienten Betrieb der Kernenergie stärker.

• Technische Upgrade-Richtung

Intelligentes Upgrade: Integration von Technologien wie dem Internet der Dinge, Big Data und künstlicher Intelligenz zum Aufbau eines intelligenten Managementsystems über den gesamten Lebenszyklus, das eine Echtzeitüberwachung der Systembetriebsparameter, eine genaue Fehlerdiagnose und eine intelligente Betriebs- und Wartungsplanung ermöglicht. Beispielsweise durch den Einsatz der Digital-Twin-Technologie, um ein virtuelles Modell des Hauptspeisewasserkühlsystems zu erstellen, den Betriebszustand des Systems zu simulieren, Fehlerrisiken im Voraus vorherzusagen, Betriebs- und Wartungspläne zu optimieren und Betriebs- und Wartungskosten zu senken.

Effiziente Optimierung: Durch Optimierung von Systemprozessen, Verbesserung der Gerätestruktur und Verbesserung der thermischen Effizienz und Betriebsstabilität des Systems. Beispielsweise die Optimierung des Laufraddesigns der Hauptspeisewasserpumpe, um die Fördereffizienz zu verbessern und den Energieverbrauch zu senken; Optimieren Sie den Vorwärmprozess der Wasserversorgung, nutzen Sie die Abwärme vollständig zurück und verbessern Sie die Effizienz der Energienutzung weiter. Gleichzeitig wird die Drehzahlregelungstechnologie mit Frequenzumwandlung eingesetzt, um die Drehzahl der Hauptspeisewasserpumpe entsprechend der Reaktorleistung dynamisch anzupassen und so einen energiesparenden Betrieb zu erreichen.

Förderung der leckagefreien Technologie: Einführung leckagefreier Pumpentypen wie Magnetpumpen und abgeschirmter Pumpen als Ersatz für herkömmliche Wellendichtungspumpen, wodurch das Risiko von Wasserlecks verringert, die Systemsicherheit und der Umweltschutz verbessert, gleichzeitig die Wartungskosten für die Ausrüstung gesenkt und die Anforderungen an die rauen Betriebsumgebungen von Kernkraftwerken angepasst werden.

• Branchenentwicklungstrends

Mit der Beschleunigung der Genehmigungen inländischer Kernkraftwerksprojekte und dem stetigen Anstieg der Zahl der im Bau befindlichen Blöcke steigt die Marktnachfrage nach Ausrüstung für das Hauptspeisewasserkühlsystem weiter an. Schätzungen zufolge werden in China zwischen 2026 und 2030 voraussichtlich 30-40 neue zugelassene Kernkraftwerke hinzukommen, was einem Bedarf an etwa 120–160 neuen Kernspeisewasserpumpen entspricht. Die Marktgröße wird stetig zunehmen. Der Lokalisierungsprozess beschleunigt sich weiter und die Lokalisierungsrate der Hauptpumpen hat 90 % überschritten. Staatsunternehmen wie Shanghai Electric, Dongfang Electric und Harbin Electric Group dominieren den Inlandsmarkt. Mit einem vollständigen Fertigungssystem und technischer Erfahrung erreichen sie nach und nach die Substitution von High-End-Produkten im Inland und verringern die Abhängigkeit von importierter Ausrüstung.

Mit der Weiterentwicklung von kleinen modularen Reaktoren (SMRs) und Demonstrationsprojekten zur Kernenergietechnologie der vierten Generation wird unterdessen nach und nach die Nachfrage nach neuen, effizienten und kompakten Hauptspeisewasserkühlanlagen entstehen, was der Branche neue Wachstumschancen eröffnen wird. Darüber hinaus werden im Rahmen des beschleunigten Exports von Kernenergie im Rahmen der „Belt and Road Initiative“ die inländischen Hauptausrüstungen für das Speisewasserkühlsystem schrittweise auf den internationalen Markt verlagert, wodurch die globale Wettbewerbsfähigkeit der Kernenergieausrüstung Chinas verbessert wird [6].

Das Hauptspeisewasserkühlsystem eines Kernkraftwerks ist als „Kühlbarriere“ für die nukleare Sicherheit das Herzstück des Sekundärkreislaufs der Kernenergie. Sein stabiler Betrieb steht in direktem Zusammenhang mit dem sicheren, effizienten und CO2-armen Betrieb des Kernkraftwerks. Von der Optimierung der Struktur der Kernkomponenten bis zur Verbesserung der Intelligenz des Systems, von der präzisen Fehlerbehandlung bis zur Förderung der heimischen Substitution hat jeder technologische Durchbruch im Hauptspeisewasserkühlsystem eine solide Grundlage für die Sicherheit der Kernenergie gelegt.
Im Rahmen der Energiewende wird sich das Hauptspeisewasserkühlsystem mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Kernenergietechnologie weiterhin in eine intelligentere, effizientere und sicherere Richtung entwickeln, wichtige technologische Engpässe ständig überwinden, das Sicherheitsgarantiesystem verbessern, die qualitativ hochwertige Entwicklung der chinesischen Kernenergieindustrie stark unterstützen, das „Dual Carbon“-Ziel erreichen und den sicheren Transport sauberer Kernenergie auf allen Ebenen gewährleisten.