Việc sử dụng nước chủ yếu tại một nhà máy điện hạt nhân là trong hệ thống làm mát cần thiết để loại bỏ nhiệt dư trong thiết bị ngưng sau khi quá trình chuyển đổi năng lượng (Hình 2.4). Lượng nước sử dụng làm mát cho thiết ngưng là một chức năng quan trọng. Ngoài ra, sự cần thiết để làm sạch nước làm mát trước khi sử dụng trong nhà máy làm tăng tổng lượng nước sử dụng, một phần của nó được sử dụng như là để xả các mảnh vỡ phóng xạ và không thể được sử dụng để làm mát.
Các nhà máy lớn, lượng nhiệt thải cần được loại bỏ lớn, và số lượng nước làm mát cần thiết lớn. Một nhà máy điện với hiệu suất nhiệt 33% sẽ cần phải loại bỏ nhiệt nhiều hơn khoảng 14% so với một trong những khả năng tương tự với hiệu
Hệ thống điều khiển điều khiển và bảo vệ nhà máy điện nguyên tử
HVTH: Lê Văn Hùng 34
quả 36%. Nhà máy điện hạt nhân đang được xây dựng có khoảng 34-36% hiệu suất nhiệt, tùy thuộc vào địa điểm (đặc biệt là nhiệt độ nước). Một trong những lò phản ứng hạt nhân mới tuyên bố một có số liệu như trong bảng 2.1.
Bảng 2.1: Chỉ số sử dụng nước của nhà máy điện nguyên tử
Hình 2.4: Chuyển đổi năng lượng và tản nhiệt trong quá trình hoạt động đầy tải.
Những lò phản ứng cũ chỉ 32-33% hiệu quả (Bảng 2.2). Hiệu suất nhiệt của nhà máy điện hạt nhân thấp hơn so với nhà máy điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch cụ thể dòng hơi được chuyển hóa sang năng lượng điện cao hơn (kg/kWh(e), thông qua các chu kỳ trung gian và do đó yêu cầu làm mát cao hơn. Một nhà máy
Hệ thống điều khiển điều khiển và bảo vệ nhà máy điện nguyên tử
HVTH: Lê Văn Hùng 35
điện PWR điển hình sử dụng lưu lượng hơi 5,5 kg/kw.h (e) trong khi một nhà máy nhiệt điện thông thường chỉ sử dụng 3 kg/kw.h (e).
Nhu cầu nước để làm mát bình ngưng tua bin phụ thuộc rất nhiều vào địa điểm và sinh cảnh. Để đạt được một hiệu suất cao, việc lựa chọn địa điểm nguồn nước làm mát với nhiệt độ nước thấp nhất có thể, mà cũng có thể cho phép một nhiệt cao hơn nhiều. Sự ấm hơn lên của nước làm mát phải trong phạm vi cho phép, lưu lượng nước làm mát ít được yêu cầu. Có thể giảm nước lấy từ sông, hồ là có thể, nếu hệ thống làm mát được sử tuần hoàn. Lượng nước tiêu thụ cụ thể và thu hồi không phụ thuộc vào việc thiết kế hệ thống làm mát mà là tùy thuộc vào nguồn nước và môi trường.
2.2.1 Sử dụng nƣớc để làm mát phục vụ các thiết bị phụ trợ
Hệ thống nước làm mát thành phần cung phục vụ các thiết bị phụ trợ tất cả các hệ thống trong các bộ phận tuabin cần được làm mát trong suốt quá trình vận hành nhà máy. Nguồn nước có thể được lấy từ nước làm mát chính thiết bị ngưng của tuabin để làm mát bộ phận. Các bộ phận cần tản nhiệt trong nhà máy hoạt động bình thường là:
- Bể chứa nhiên liệu đã qua sử dụng: nhiệt làm mát từ các yếu tố nhiên liệu đã qua sử dụng là cao nhất sau khi bắt đầu một chu kỳ mới và giảm dần theo thời gian. Nó độc lập với hoạt động tải hàng ngày của nhà máy;
- Làm mát của các bộ phận: nhiệt cần để làm mát từ các bộ phận phụ thuộc vào trạng thái hoạt động nhà máy (Ví dụ như số lượng máy bơm hoạt động) và đạt tối đa khi hoạt động đầy tải;
- Nước làm mát sửa chữa: tản nhiệt trong khi sửa chữa làm mát phụ thuộc vào tần số của tải theo hoạt động của nhà máy. Tối thiểu phải đạt ở mức phụ tải đáy;
- Thiết bị làm lạnh và thông gió: tản nhiệt từ thiết bị làm lạnh và thông gió phụ thuộc vào tình trạng vận hành nhà máy (khi số lượng thiết bị hoạt động tối đa) và nhiệt độ môi trường xung quanh (thời gian mùa hè). Lượng nước cần thiết cho các hệ thống này thường là ít hơn 10% khối lượng cần thiết cho làm mát nước ngưng. Một số các hệ thống tháp làm mát phụ trợ được tăng cường với để giảm nhiệt độ của nước.
Hệ thống điều khiển điều khiển và bảo vệ nhà máy điện nguyên tử
HVTH: Lê Văn Hùng 36
Trong quá trình vận hành nhà máy, nhiệt được thải từ các bộ phận khác nhau là khác nhau nhưng việc thu hồi nước vẫn không đổi, hoạt động máy bơm nước thường được điều hành ở mức dòng chảy liên tục. Việc thu hồi nước vẫn không bị ảnh hưởng, vì điều này được xác định bởi tổng lượng nhiệt cần thải.
Các giá trị điển hình cho các hệ thống nước phục vụ liên quan đến một hệ thống 1000 MW(e) được cho trong bảng 2.1
Bảng 2.2: So sánh tản nhiệt cho hiệu quả khác nhau của các nhà máy điện 1000 MW (e)
Những giá trị này thay đổi tùy theo các cách phân phối sử dụng trong các nhà máy khác nhau. Tùy thuộc vào hệ thống nước làm mát, điều kiện địa điểm thiết kế có thể là vòng hở hoặc vòng kín để làm mát thiết bị ngưng tuabin.
Nếu tháp làm mát ướt được sử dụng, Việc bổ xung nước là cần thiết để bù cho sự mất nước qua bốc hơi. Tổn thất bay hơi phụ thuộc vào các điều kiện môi trường xung quanh hàng ngày tại địa phương, xác định bởi độ ẩm tương đối không khí và trạng thái không khí bão hòa. Tháp làm mát khô chưa được sử dụng cho các hoạt động vì lý do kỹ thuật như nhiệt độ nước làm mát cao hơn trong những tháng hè cao điểm.
2.2.2 Sử dụng nƣớc làm mát phục vụ hệ thống an toàn các thiết bị khác
Nước sử dụng làm mát phục vụ hệ thống an toàn và các bộ phận khác khi khi tắt máy cũng như khi có sự cố. (Bảng 2.3)
- Hệ thống loại bỏ nhiệt dư, làm nguội lò phản ứng khi nhà máy tắt máy cũng như trong sự cố và đảm bảo một lò phản ứng làm mát lâu dài nếu có yêu cầu;
- Hệ thống làm mát bể chứa nhiên liệu: chuyển nhiệt triệt tiêu từ nhiên liệu đã qua sử dụng khi nhà máy tắt máy cũng như trong sự cố;
- Làm mát của các bộ phận: chuyển nhiệt triệt tiêu từ các bộ phận làm việc trong thời gian tắt máy và sự cố (ví dụ như loại bỏ nhiệt dư hệ thống phun an toàn…);
Hệ thống điều khiển điều khiển và bảo vệ nhà máy điện nguyên tử
HVTH: Lê Văn Hùng 37
- Thiết bị làm lạnh và thông gió làm mát: giải nhiệt từ đường ống, các thành phần, thiết bị chuyển mạch, phòng cần phải được loại bỏ để đảm bảo điều kiện môi trường an toàn cho các hệ thống liên quan trong nhà máy trong lúc hoạt động cũng như trong khi sự cố sảy ra.
Bảng 2.3: Giá trị lưu lượng nước làm mát an toàn
Tại nhà máy hoạt động bình thường tốc độ dòng chảy phù hợp với việc tải nhiệt theo yêu cầu của tắt lò không cần thiết.
Tại nhà máy hạ nhiệt hoạt động tốc độ dòng chảy tối đa được điều khiển trên dây chuyền có sẵn để tiết kiệm thời gian tiếp nhiên liệu.
Điều này đòi hỏi hệ thống tản nhiệt có sẵn hoạt động bình thường cũng như trong tất cả các sự cố mặc nhiên công nhận điều kiện, ví dụ:
- Mối nguy hiểm bên ngoài: (động đất, tai nạn máy bay, sóng xung kích nổ, lũ lụt bên ngoài, gió mạnh, cực đoan nhiệt độ…);
- Mối nguy hiểm nội bộ: (cháy, lũ lụt nội bộ, nội bộ nổ, rò rỉ đường ống và phá vỡ…)
Điển hình là một thiết kế hệ thống đã tách hệ thống dự phòng, trong đó có một nguồn nước hoặc hồ chứa thay thế.
Nếu tháp làm mát được sử dụng, họ cần phải được bảo vệ bằng các biện pháp xây dựng dân dụng hoặc cách tách rời vị trí.
Nguồn nước thay thế có thể là một vị trí tách biệt kênh nước làm mát bổ sung một nguồn nước có sẵn hoặc với một ao hồ chứa nước cho một thời gian nhất định. Các nguồn nước thay thế, ngay cả khi họ không được sử dụng trong quá trình vận hành nhà máy bình thường, cần phải được giữ trong tình trạng chờ hoàn hảo (không có bụi và bùn, …), để luôn luôn có sẵn nếu có sự cố. Kích thước điển
Hệ thống điều khiển điều khiển và bảo vệ nhà máy điện nguyên tử
HVTH: Lê Văn Hùng 38
hình cho một ao đảm bảo thời gian hữu hạn 30 ngày là trong khoảng 30.000 đến 50.000 m3.
2.2.3 Sử dụng nƣớc cho các hệ thống loại bỏ nhiệt dƣ
Trong khi hoạt động bình thường của nhà máy nhiệt sinh ra bởi nhiên liệu tạo ra hơi nước để làm quay tuabin sản xuất điện. Nhiệt dư (không được sử dụng cho việc chuyển đổi năng lượng điện) qua nước làm mát được chuyển chính cho môi trường.
Loại bỏ nhiệt dư trong trường hợp sự cố là cần thiết, điều này có nghĩa là các lò phản ứng phải có tản nhiệt dự phòng. Như tua bin ngưng và nước làm mát được thiết kế như hệ thống hoạt động thay thế cho giai đoạn ngắn hạn là truyền nhiệt qua các bãi chứa hơi nước phát điện hơi nước vào khí quyển. Lưu trữ cho 10h-72h là 1000-3000m3. Về lâu dài việc loại bỏ nhiệt còn lại được thực hiện trên của các hệ thống cấp nước phục vụ an toàn.
Do đó tản nhiệt (biển, sông, ao, tháp làm mát…) là được thiết kế để chịu được các điều kiện tự nhiên và đủ để cung cấp một thời gian cần thiết đủ để sử dụng khi có sự cố.
Để hỗ trợ tắt máy bình thường và khẩn cấp của đơn vị hạt nhân, hệ thống nước làm mát cần thiết là thiết kế để cung cấp một con đường tản nhiệt cho nhiệt phân rã của nhiên liệu hạt nhân và năng lượng được lưu trữ trong các chính hệ thống làm mát. Các hệ thống cung cấp đường dẫn loại bỏ nhiệt dư hỗ trợ chức năng làm mát thiết yếu khác chẳng hạn như làm mát ngăn chặn, điều hòa không khí phòng điều khiển, khoang và làm mát phòng và khẩn cấp làm mát bơm dầu chính.
Con đường loại bỏ nhiệt dư thường bao gồm một hệ thống tản nhiệt dư, một thành phần hệ thống làm mát nước kín, và một hệ thống cung cấp nước hở. Hệ thống làm mát nước kín bao gồm lò phản ứng áp suất thấp máy bơm phun nước làm mát, được máy bơm hút từ hệ thống nước làm mát chính, bảo vệ hoặc thùng đựng nước thải lọc hồ ngăn chặn sự đàn áp hút và đường hút, trao đổi nhiệt, làm mát và đường bơm trở lại với hệ thống chính. Nhiệt bị loại bỏ thông qua hệ thống trao đổi nhiệt làm mát nước kín.
Từ hệ thống nước cung cấp thiết yếu, nhiệt bị nhả vào không khí bằng cách sử dụng một trong một số loại tản nhiệt cuối cùng (UHS thiết kế): một ao thụ động
Hệ thống điều khiển điều khiển và bảo vệ nhà máy điện nguyên tử
HVTH: Lê Văn Hùng 39
làm mát, một ao phun, hoặc một tháp làm mát. Trong dịch vụ thiết yếu hệ thống nước cung cấp cho một liên kết một lần qua làm mát, nhiệt dư cũng có thể bị từ chối trực tiếp đến một số lượng nước lớn như sông, hồ, hoặc một đại dương. Các UHS là một hệ thống thiết yếu đó là một phần hoặc toàn độc lập với hệ thống tản nhiệt làm mát chính. Thiết kế UHS độc lập có yêu cầu thu hồi nước để hỗ trợ làm lại và thổi xuống và làm giảm nước tổn thất do bốc hơi khác biệt với các chính hệ thống làm mát tản nhiệt. Rút nước và tỷ lệ tổn thất cho UHS trong sản xuất điện bình thường và đóng cửa hoạt động có thể xuống 2-5% những người cho hệ thống làm mát chính.
Ngoài ra còn có hệ thống RHR công suất nhiệt có thể giảm 2-3% yêu cầu hỗ trợ hệ thống chính.
2.2.4 Sử dụng nƣớc để làm mát bảo vệ
Làm mát bảo vệ duy trì bầu không khí bảo vệ và hồ chứa khống chế ướt tại nhiệt độ đủ thấp để đảm bảo rằng các thành phần, sơn, và các cấu trúc được bảo vệ đầy đủ chống lại suy thoái do tiếp xúc với một môi trường nhiệt độ cao. Làm mát bảo vệ (Hình 2.5) cũng là một phần của đường dẫn loại bỏ nhiệt dư. Hệ thống làm mát hoạt động làm mát bảo vệ trong bình thường và tai nạn. Phun ngăn chặn hỗ trợ làm mát ngăn chặn tai nạn mặc nhiên công nhận.
Hình 2.5: Hệ thống tản nhiệt bảo vệ.
Hệ thống thải nhiệt bảo vệ có thể sử dụng hệ thống nước làm mát khép kín hoặc để một hệ thống nước hở.
Hệ thống điều khiển điều khiển và bảo vệ nhà máy điện nguyên tử
HVTH: Lê Văn Hùng 40
2.3 Công nghệ cho hệ thống làm mát
Nước làm mát bình ngưng sử dụng thường là tiêu hao lớn nhất nước tại một nhà máy điện. Trong nhiều trường hợp, nếu muốn tiết kiệm nước dẫn đến việc xem xét phương pháp làm mát khô hoặc ướt để giảm nước yêu cầu của nhà máy.
Các nhà máy điện hạt nhân phổ biến nước sử dụng để làm mát trong hai cách: chuyển tải nhiệt từ lò phản ứng cốt lõi cho tua bin hơi nước, và để loại bỏ nhiệt dư thừa từ dòng hơi này. (Trong bất kỳ chu kỳ hơi Nhà máy có một mất khoảng hai phần ba năng lượng do những hạn chế nội tại của biến nhiệt thành cơ năng).
Nếu các nhà máy điện là bên cạnh biển, một con sông lớn hoặc hồ chứa nước lơn, làm mát có thể được thực hiện đơn giản với một hệ thống làm mát một lần, trong đó một lượng lớn nước được lưu thông qua các thiết bị ngưng tụ trong một lần và xả trở lại vào biển, hồ hoặc sông.
Nếu các nhà máy điện không có nước dồi dào như vậy, làm mát có thể được thực hiện bằng cách đi qua nước thông qua bình ngưng và sau đó sử dụng một tháp làm mát. Một bể chứa có thể là đủ cho việc này. Thường làm mát là chủ yếu thông qua bốc hơi, với truyền nhiệt đơn giản bằng đối lưu không khí ít ý nghĩa. Tháp làm mát bay hơi ướt lên đến 5% của để làm nguội nước tuần hoàn trở lại bình ngưng, 3 đến 5% được tiêu thụ một cách hiệu quả cho việc làm giảm nhiệt độ của nước làm mát, và phải được liên tục bổ xung. Đây là loại chính làm mát tuần hoàn. Ngày càng phổ biến là tháp làm mát khô dựa trên một vòng tuần hoàn nước làm mát khép kín, nước nhiệt thải vào khí quyển thông qua một dàn tản nhiệt.
Trên thực tế các hệ thống làm mát đang được sử dụng được thống kê trong bảng 2.4
Bảng 2.4: Phân phối hệ thống làm mát
Hệ thống điều khiển điều khiển và bảo vệ nhà máy điện nguyên tử
HVTH: Lê Văn Hùng 41
2.3.1 Hệ thống làm mát hở
Nhà máy nằm ở khu vực ven biển chủ yếu sử dụng nước làm mát một lần, điều này có nghĩa là nước làm mát là lấy từ biển hoặc sông, bơm qua bình ngưng tua-bin và trở về trực tiếp ra biển hoặc sông. Nguồn nước này là rất lớn nên nhiệt ấm lên là không đáng kể. Trong Hoa Kỳ, các nhà máy được xây dựng hơn 30 năm trước, 60% trong số họ sử dụng một qua hệ thống làm mát một lần.
Một ví dụ về một hệ thống làm mát chu kỳ hở được hiển thị trong hình 2.6.
Hình 2.6: Hệ thống làm mát hở
Hệ thống làm mát một lần sử dụng nước sông hoặc biển đòi hỏi phải có bộ lọc tốt để hạn chế các cặn bẩn lưu lại hệ thống trao đổi nhiệt.
Nhà máy sử dụng các hồ lớn để làm mát thường bị hạn chế hơn khi sử dụng nước làm mát trong một chu kỳ hở. Nhiệt độ nước sẽ bị nóng dần lên và làm giảm khả năng làm mát.
2.3.2 Hệ thống làm mát kín
Trong một hệ thống khép kín chu kỳ (tuần hoàn) nước làm mát được bơm từ bình ngưng qua các hệ thống giải nhiệt vào không khí xung quanh. Kết quả là nước làm mát nhiệt độ thấp hơn là sau đó trả lại cho hệ thống nước ngưng. Hệ