1. Introducción
El accionamiento de la bomba de refrigerante del reactor (RCP) es un equipo eléctrico crítico con punto único de falla en la planta de energía nuclear AP1000 de tercera generación. Proporciona funciones como conversión de frecuencia y voltaje para el RCP y limita la corriente de arranque del RCP, sirviendo como única fuente de alimentación para el RCP. La falla inesperada de cualquier RCP Drive activará una señal de disparo por bajo flujo del reactor en 1,1 segundos, lo que provocará una parada no planificada del reactor.
Figura 1: Cuatro unidades RCP por unidad
Figura 2: Diagrama unifilar de la fuente de alimentación RCP original de 60 Hz
Las unidades 1 y 2 de Shandong Nuclear Power se encuentran entre las primeras unidades de energía nuclear AP1000 de tercera generación del mundo y también sirven como proyecto clave de China para el desarrollo autóctono de la tecnología de energía nuclear de tercera generación. Desde la operación comercial de la primera unidad en 2018, se han producido múltiples paradas no planificadas debido a fallas de los motores RCP importados. Estos incidentes plantearon riesgos para la seguridad de las unidades nucleares y provocaron pérdidas económicas directas de aproximadamente 12 millones de RMB por unidad por día, acumulándose hasta más de 100 millones de RMB en total. Por lo tanto, es extremadamente urgente resolver el desafío del 'cuello de botella' de RCP Drives para mejorar aún más la confiabilidad del equipo y garantizar la seguridad de la operación de energía nuclear.
2. Descripción general de la solución del sistema
En 2022, Shandong Nuclear Power Company Ltd. (SDNP), el Instituto de Investigación y Diseño de Ingeniería Nuclear de Shanghai (SNERDI) y Shanghai Nancal Electric Co., Ltd. iniciaron una colaboración y desarrollaron con éxito un RCP Drive para la central nuclear AP1000 de tercera generación en 2023.
El diseño original del sistema de alimentación AP1000 RCP se muestra a continuación:
Figura 3: Sistema original: One-Drive-One, sin Hot Standby
Basado en la configuración de energía RCP del tipo de reactor AP1000, el sistema de suministro de energía RCP original (cuatro unidades operativas) se actualizó agregando una unidad, EV-71, como fuente de energía de reserva activa común. El diagrama unifilar del sistema actualizado es el siguiente:
Figura 4: Topología del sistema '4 operaciones y 1 en espera'
En caso de falla de cualquier unidad RCP, la unidad de respaldo en caliente común se puede conectar rápidamente (activación de la unidad de respaldo). Una unidad reparada puede volver a funcionar mediante tecnología de conmutación por recuperación (la unidad de respaldo se restaura al estado de espera activa). Además, en escenarios extremos en los que falla la conmutación por recuperación, la unidad de respaldo se puede reactivar. Esto mejora significativamente la confiabilidad operativa de los RCP Drives y la flexibilidad de la conmutación del RCP Drive en espera, mejorando aún más la confiabilidad operativa y la eficiencia económica de las unidades de energía nuclear AP1000.
3. Configuración básica del variador RCP
No. | Artículo | Especificaciones técnicas/Configuración |
1 | Voltaje nominal de entrada/salida del variador | Lado de la red: 10,5 kV, Lado del motor: 6,9 kV |
2 | Frecuencia de salida nominal del variador | 60Hz |
3 | Corriente de salida nominal del variador | 880A |
4 | Capacidad de sobrecarga de la unidad | 1100A por 1min |
5 | Celda de energía | Refrigerado por agua, dos cuadrantes |
6 | Número de pulso del rectificador | 54 pulsos |
7 | Sistema de control principal | Diseño redundante, reemplazo en línea, interrupción de salida <1 ms |
8 | Bypass automático de celda de energía | Bypass centralizado, la salida de carga completa sigue siendo posible con 2 celdas bypass |
9 | MTBF de la unidad | >100.000 horas |
10 | Disponibilidad de 18 meses | >0.9999 |
11 | Diseño de vida | 60 años |
12 | Método de enfriamiento del transformador | Refrigeración por aire-agua, diseño de núcleo de refrigeración redundante |
13 | Ventilador de refrigeración | Diseño redundante, reemplazo en línea |
4. Todo el equipo del RCP Drive
Figura 5: Equipo completo del variador RCP
4.1 Gabinete de Distribución de Baja Tensión y Precarga de Media Tensión
El gabinete de distribución de bajo voltaje integra múltiples fuentes de alimentación para ventiladores de 380 V y fuentes de alimentación de control de 220 V. Después del cambio automático, estos suministros se distribuyen a varias secciones funcionales del RCP Drive.
El circuito de precarga adopta un esquema de precarga de media tensión, que consta de una resistencia de precarga y un disyuntor de derivación de precarga conectados en paralelo. Antes de aplicar media tensión al variador, los condensadores de CC de las celdas de potencia se precargan a través de la resistencia de precarga. Esto reduce efectivamente la corriente de irrupción en el momento del cierre del interruptor de media tensión, minimizando el impacto en la red de media tensión.
4.2 Gabinete del transformador y refrigeración aire-agua
El gabinete del transformador alberga un transformador rectificador desfasador de tipo seco con una capacidad nominal de 12.000 kVA. El lado primario recibe una entrada de 10,5 kV y el lado secundario proporciona nueve conjuntos de salidas de 1650 V, que suministran energía a las nueve celdas de energía.
Para resolver fundamentalmente posibles problemas de fugas de agua, se emplea un método de enfriamiento aire-agua. El calor generado por el transformador seco se disipa mediante agua de refrigeración externa. Los ventiladores de refrigeración de la parte superior del gabinete presentan un diseño redundante y se pueden reemplazar en línea.
4.3 Gabinete de celdas de energía
El gabinete de la celda de potencia es el componente principal del variador. Cada fase de accionamiento consta de tres celdas de energía conectadas en serie, con un total de nueve celdas de energía para tres fases. Cada celda de energía es un inversor de fuente de voltaje CA-CC-CA de entrada trifásica y salida monofásica. Las tres celdas de potencia por fase producen una salida de voltaje de 7 niveles. En condiciones extremas, el variador aún puede proporcionar una salida de carga completa incluso con dos celdas de energía omitidas.
4.4 Gabinete de control
El gabinete de control contiene el tablero de control principal, el PLC, la interfaz hombre-máquina (HMI), etc. El tablero de control principal, la fibra óptica y el muestreo de voltaje y corriente de entrada/salida emplean un diseño redundante, con un tiempo de conmutación típico de <1 ms.
4.5 Gabinete de refrigeración por agua
El refrigerante con presión y flujo constantes circula continuamente a través del intercambiador de calor, transfiriendo calor fuera del circuito de la celda de potencia del RCP Drive. Se aplica un diseño redundante a las bombas de refrigeración, el recipiente de intercambio iónico, el intercambiador de calor de placas, el cilindro de nitrógeno y los instrumentos clave.
5. Hitos en la localización de RCP Drive
Para mejorar la confiabilidad del suministro de energía RCP para la planta nuclear AP1000, Nancal Electric ha ayudado a Shandong Nuclear Power a implementar una estrategia 'trifásica' paso a paso para la localización de RCP Drive, proporcionando una 'solución nuclear de Shandong' replicable y escalable para una planta similar en China.
De octubre a noviembre de 2023, las unidades 1 y 2 completaron la modernización de '4 operaciones y 1 de reserva', agregando un variador RCP localizado de reserva por unidad.
En septiembre de 2024, se completó el primer reemplazo localizado de un RCP Drive en la Unidad 2. La aplicación práctica validó completamente la viabilidad y corrección de esta ruta técnica.
En octubre de 2025, se completó el reemplazo de las tres unidades RCP restantes en la Unidad 2 con versiones localizadas. Todas las pruebas de carga completa tuvieron éxito en el primer intento, lo que la convierte en la primera planta AP1000 de China que opera a plena carga y depende completamente de unidades RCP localizadas.
El reemplazo de las cuatro unidades RCP restantes en la Unidad 1 está previsto para el primer semestre de 2026.
6. Indicadores técnicos clave para la conmutación de la unidad principal/de respaldo
6.1 Codificación del equipo
No. | Código de equipo | Grupo de carga | Nombre del equipo | Observaciones |
1 | ECS-EV-31 | 1 | Unidad RCP 31 | Unidad principal |
2 | ECS-EV-41 | 2 | Unidad RCP 41 | Unidad principal |
3 | ECS-EV-51 | 1 | Unidad RCP 51 | Unidad principal |
4 | ECS-EV-61 | 2 | Unidad RCP 61 | Unidad principal |
5 | ECS-EV-71 | 1/2 | Unidad RCP 71 | Unidad de respaldo |
6.2 Escenario uno: cambio de la unidad principal fallida a la unidad de respaldo
Las unidades principales EV-31/41/51/61 operan los RCP en el punto de funcionamiento nominal, mientras que la unidad de respaldo EV-71 está en estado de espera activa. Simulando una falla de la unidad principal, se abre el interruptor de salida de la unidad principal fallida. Después de abrir completamente el interruptor de salida, se cierra el interruptor de salida de la unidad de respaldo EV-71. Al cerrarse, el EV-71 primero realiza un seguimiento de bloqueo de fase basado en el voltaje magnético residual muestreado del motor. Una vez que el seguimiento del bucle de bloqueo de fase es efectivo, puede generar torque directamente para la operación. El tiempo total desde el fallo hasta el cese de la caída de velocidad no supera los 400 ms.
Figura 6: Cambio de la unidad principal fallida a la unidad de respaldo
6.3 Escenario dos: conmutación por recuperación desde la unidad de respaldo a la unidad principal reparada
Después de reparar una unidad principal fallida, se puede realizar una conmutación por recuperación en línea desde la unidad de respaldo a la unidad principal sin necesidad de apagar la unidad. El tiempo de recuperación es ≤30 ms.
Figura 7: conmutación por recuperación desde la unidad de respaldo a la unidad principal
7. Premios y Reconocimientos
2024: Agregado a la Lista de Primeros Equipos Técnicos Importantes del Sector Energético de la Administración Nacional de Energía.
2025: Galardonado con el Segundo Premio al Progreso Científico y Tecnológico otorgado por la Asociación China de Energía Nuclear (CNEA).
8. Conclusión
El sistema de suministro de energía RCP Drive de la central nuclear AP1000 adopta la solución '4 operaciones y 1 en espera'. En caso de falla de cualquier unidad RCP, la unidad de respaldo en caliente puede tomar el control automáticamente en un plazo de 360 ms a 700 ms, lo que mejora significativamente la confiabilidad de la fuente de alimentación RCP. Una unidad RCP reparada puede volver a funcionar en 30 ms utilizando la tecnología de conmutación por recuperación, restaurando la unidad de respaldo al estado de espera activa.
El sistema de control principal del RCP Drive emplea un diseño redundante. El tiempo de conmutación típico entre los sistemas de control principal y de respaldo es inferior a 1 ms y los componentes se pueden reemplazar en línea. Esta tecnología es líder a nivel internacional, garantiza un funcionamiento estable, continuo y a largo plazo de la unidad y mejora en gran medida la confiabilidad intrínseca del RCP Drive.
La práctica de ingeniería de la modernización de la localización en Shandong Nuclear Power Phase I ha validado completamente la viabilidad y corrección de esta ruta técnica. Puede promocionarse y aplicarse en los sistemas de suministro de energía RCP de las unidades AP1000/CAP1000.