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高温气冷堆用变频器的技术研究

浏览次数: 日期:2010-12-20 15:44:46
 摘要:高温气冷堆具有第4代功能的先进反应堆。一回路介质氦气的循环风机主氦风机组整体内置于压力容器的氦气内,主氦风机采用电磁轴承为其转子的支撑系统。高性能的能量回馈高压变频器应能满足各种工况经济地调节保护电磁轴承系统和长期可靠运行。 一、引言通过变频器调节电机转速既满足了设备的需要,也很大程度上节约了能量的浪费。风机、水泵的流量及压力的调节,以往常常用挡板或阀门进行调节,例如要减少流量,增加挡板或阀门的阻力达到了调节的目的,然而此时很大一部分能量就消耗在挡板或阀门上。也可以用分流的方法进行调节,此时很大一部分能量就消耗在支路上。用变频器调节风机或水泵转速直接提高了经济效益,也极大的减少了电动机由于启、停造成的对电网冲击,降低了对电机、电缆、电器的冲击造成的损坏和停机,减少了运行费用,增加了设备的可靠性,提高了自动化水平,降低了劳动强度。核反应堆,特别是大规模核电厂需要变频器作为反应堆一回路冷却剂流量调节的最佳设备,例如压水堆一回路水的主泵高温气冷一回路氦气的主氦风机都通过变频器调节驱动电机的转速而改变主泵或主氦风机的流量。 二、高温气冷堆概述高温气冷实验反应堆是国家863计划的重点项目,从研究设计到建成历时17年,总投资为2.75亿元,工程包括了反应堆、蒸汽发电等34个系统。为了促进核能更大规模的发展,近几年来美国能源部和国际核能专家提出了第四代核能系统的理念,其主要特征是具有更好的经济性和安全性,核废物产生量最小化,核资源更有效利用,以及防止核扩散。有关专家认为,模块式高温气冷堆具有第四代核反应堆特性,是能够适应未来能源市场需要的先进堆型。除了安全性好,效率高,它还可以提供900摄氏度以上的高温热源,除了高效发电外,还可以用于水热裂解制氢,为未来氢能时代提供清洁能源。高温气冷堆由于其具有固有安全性,而成为具有第四代功能的先进反应堆。清华大学于10年前为我国建成10MW高温气冷堆实验堆,当前我国正在建设200MW级模块或高温气冷堆示范电站。高温气冷堆用氦气作为反应堆一回路的冷却介质,氦气流过堆芯,将核裂变产生的热量载走,送到水蒸气发生器,一方面使通过蒸汽发生器另一侧的二回路水变成水蒸气到汽轮机发电;另一方面,高温的氦气得到冷却。氦气循环风机主氦风机驱动冷却过的氦气再送到堆芯加热,达到两个独立循环回路的共生利用,这样氦气回路与蒸汽发电回路就只有惰性气体以及热量的耦合连接,其它部分都是隔离的。 三、主氦气循环风机高温气冷堆示范工程的主氦风机额定参数示于表1
表1    主氦风机额定参数
参数名称量  值
参数名称量  值
堆热功率/MW介质进口压力/Mpa质量流量/ kg/s压力升   /kpa458纯氦气7.096200
介质进口温度/℃调节范围     /%额定转速  / r/min电机额定电压/V电机额定功率/kw25020~10540060005000


根据高温气冷堆的总体设计安排,主氦风机设计有以下特点:(1)为解决转轴氦气密封问题,驱动电机与叶轮同轴,整体内至于压力容器的氦气内,所有动力线、控制线和信号线均通过电气贯穿件接出;(2)用电磁轴承系统支承转子;(3)风机为立式结构;(4)被驱动电动机为三相感应鼠笼式异步电动机,通过变频器调节转速;(5)电机用流动的氦气冷却,由氦--水冷却器冷却氦气。 四、高温气冷堆对变频的技术要求4.1工况调节高温气冷堆的工况调节是在三个能量形式转变或能量转换的装置或设备里进行的,他们是堆芯蒸汽发生器和汽轮发电机。(1)堆芯能量形式转变:核裂变核能变成为热能。控制棒的不同位置调节核裂变强度,改变了热能功率。流过堆芯的氦气带走热风,为维持堆芯的温度,流过的氦气流量由主氦风机控制。(2)蒸汽发生器能量转换:氦气侧的氦气温度由高变低的热能转换为水侧低温水变成高温水蒸汽的人能。调节给水量,保持氦气排出的温度。(3)汽轮发电机能量形式转变:热能变为电能。输入蒸汽机的蒸汽流量决定了发电机输出的电功率。高温气冷堆的正常功率运行,反应堆启动和反应堆投入停堆的各种工况状态都离不开主氦风机调节。风机的驱动电机转速即叶轮转速的改变调节了氦气流量,要求调节范围为额定转速的30% ~ 105%。变频器的输出频率调节了电机的转速,也经济地满足了主氦风机流量的调节要求。4.2电磁轴承系统保护
电磁轴承的基本原理是通过磁力将转子悬浮起来,同时用电子线路进行控制,使转子与定子间的间隙得到控制。轴向电磁轴承的控制原理也相似。万一出现电磁绕组失电或控制系统失效,转子就突然跌落。为了防止电磁轴承或电机的损坏,设置了辅助轴承临时作为支承。为减少高速冲击造成的强烈的磨损、摩擦和发热,电磁轴承系统、特别辅助轴承要求在此情况下电机应紧急制动,转速在10秒内降到<20%额定转速以下。为此能量回馈型矢量控制高压变频器满足了这种要求。在系统运行过程中需要考虑到所有可能发生的异常情况:变频器故障、电网掉电、风机故障、磁悬浮轴承异常、核泄漏、反应堆异常等紧急情况时:l发生变频器故障时,可投入备用变频器,不影响系统运行;l如果电网与变频器都正常,但发生其它紧急故障时,可控制变频器快速制动并能量回馈,使电机在30秒内降速到20%的额定转速;风机不装叶片时折算到电机转子后的总的转动惯量是200kg·m2,为保证设计裕度,估计加上叶片后的转动惯量为600 kg·m2;①确定减速曲线 减速曲线。设转速从n1 降至n2(转速从4000 r/min(4200)降到800r/min(840)),要求在td 时间内完成(td=30S),则dt=30s;dш=(4000-800)*2pai/60=335rad/s;(max,dш=(4200-840)*2pai/60=352rad/s);② 计算所需制动转矩电机额定转矩TN=4500*103w/418 rad/s =10.75kN·m ;(max,TN=4800*103w/440 rad/s =10.90kN·m) ;200 kg·m2*dш/dt=200*335/30=2.78 kN·m ;(max,200kg·m2*dш/dt=200*352/30=2.346 kN·m ) ;即只需要10秒左右即可将电机转速降到20%的额定转速 ;如果转动惯量按照600 kg·m2 计算,600 kg·m2* dш/dt=200*335/30=8.34 kN·m ;(max,600 kg·m2*dш/dt=600*352/30=7.04 kN·m ) ;即需要15秒左右将电机转速降到20%的额定转速,可实现快速制动的目的;4.3长期运行可靠性高温气冷堆要求长期可靠运行,已达到最大的电力输出。反应堆的设计寿命原先定为40年,现规定为60年。反应堆还要求其各设备应有极低的停机率,例如主氦风机的非计划停机规定为每堆年小于1次。在此寿期内变频器应能满足这些需求,包括:(1)变频器应有长期的无故障连续运行周期;(2)变频器的零部件、组件和线路应有足够的冗余量,在故障出现时除了标明故障的具体的位置和情况,还能自行将冗件取代故障件而不影响正常运行;(3)变频器的零部件、组件和线路应有足够长时间可靠性;(4)变频器应具有运行参数的自行检测、 输和处理。反应堆的中央控制台及变频器设备均具有变频器的全套参数,又各自具有处理权限。 五、结论高温气冷堆的先进性要求相应的主氦风机—电机机组所配用的变频器能满足各种工况下经济地调节, 能保护电磁轴承系统、能长期可靠运行。高性能的能量回馈型高压变频器被认为是可行的。 参考文献[1] 周惠忠,汤全法。HTR-PM主氦风机设计研究[C]。中国核能动力分会年会,2007昆明130~133。[2] 周惠忠,王捷,汤全法。主氦循环风机的设计、试验和运行[J],核动力工程,2004.2 (1):54~58。
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