Hlavní cirkulační čerpadlo
Zajištění koloběhu chladicí vody
Začlenění cirkulačního čerpadla do primárního okruhu
V podstatě existují dva přístupy v začlenění cirkulačního čerpadla do primárního okruhu. První v rámci eliminace případných úniků počítá s uzavřením celého čerpadla (včetně elektromotoru) do hermetického tlakového pouzdra, které je součástí primárního okruhu. Druhý přístup ponechává v primárním tlakovém pouzdru jen samotné čerpadlo, a ostatní komponenty se nacházejí vně pouzdra. Důležitým bezpečnostním prvkem se v tomto případě stává ucpávkové utěsnění rotujícího hřídele, vycházejícího z tlakové oblasti.
Zapouzdřená (bezucpávková) čerpadla
Hřídel i elektromotor zapouzdřeného cirkulačního čerpadla se nacházejí ve vodě pod tlakem. Přítomnost vody vlivem tření snižuje účinnost čerpadla a samozřejmě klade vyšší nároky na izolaci statorového vinutí elektromotoru. Variantním řešením je použití suchého statoru – hermeticky odděleného statorového vinutí od rotoru kovovou přepážkou. V tomto případě není potřebná dodatečná izolace vinutí, ale magnetické pole, a tím i účinnost elektromotoru negativně ovlivňuje právě zmíněná hermetická přepážka.
Z bezpečnostního hlediska by každé cirkulační čerpadlo mělo mít na hřídeli masivní setrvačník, který by v případě přerušení napájení elektromotoru po nezbytnou dobu poháněl čerpadlo a zabezpečoval tak nepřetržité chlazení aktivní zóny. U bezucpávkového čerpadla je vždy řešena otázka kompromisu mezi velikostí setrvačníku a velikostí (objemem, hmotností, cenou) pouzdra, ve kterém se setrvačník s čerpadlem nachází. Doba doběhu zapouzdřeného čerpadla se obyčejně pohybuje jen kolem 5 sekund.
Čerpadla s utěsněnou hřídelí (ucpávková)
Konstrukce mechanických těsnících systémů je poměrně složitá a pro jejich práci jsou potřebné další pomocné systémy, například systém tlakové ucpávkové vody. Na druhou stranu může čerpadla s utěsněnou hřídelí pohánět klasický elektromotor s vyšší účinností. Na hřídeli vně primárního okruhu je i dostatek místa pro masivní setrvačník, který umožňuje využít doběh čerpadla při ztrátě napájení v řádu několika desítek sekund. Tato fyzikální výhoda dává řídicí automatice v případě potřeby dostatek času na obnovení napájení čerpadla nebo přepnutí jeho napájení na záložní zdroj a tím zabezpečit nepřetržité chlazení aktivní zóny reaktoru.
Vzhledem k nižším ztrátám na tření a k použití standardního elektromotoru mají čerpadla s utěsněnou hřídelí o 10 až 15 % vyšší účinnost než původní zapouzdřená čerpadla. Společně s objemově a hmotnostně menším tlakovým pouzdrem, jednodušším (mazání a chlazení) a dostupným (revize a opravy) motorem je jejich cena přibližně poloviční oproti zapouzdřeným čerpadlům stejného výkonu.
Hlavní cirkulační čerpadla HCČ v jaderných elektrárnách
Počet cirkulačních čerpadel v primárním okruhu odpovídá počtu cirkulačních smyček. Proto je u reaktoru VVER 440 šest cirkulačních čerpadel a u novějších VVER 1000 jsou jen čtyři. V obou případech jsou čerpadla umístěna na studených větvích primárních smyček. Jejich sání je spojeno primárním potrubím se studeným kolektorem parogenerátoru, výtlak z čerpadla směřuje do spodních nátrubků tlakové nádoby reaktoru. Větší počet primárních smyček u VVER 440 dovoluje provozovat blok s nižším výkonem i při poruše a odstavení jedné z nich, reaktor VVER 1000 s nefunkční smyčkou již provozovat nelze.
Provedením jsou hlavní cirkulační čerpadla jednostupňová, ucpávková, odstředivá, jejich umístění na palubě HCČ kolem reaktoru je vertikální s asynchronním motorem nahoře. Hřídel cirkulačního čerpadla je uložena v kluzných ložiscích mazaných tlakovým olejem, kromě prvního ložiska za oběžným kolem, které je, z důvodu zamezení kontaminace primární vody olejem, mazáno vodou. S rotorem motoru je hřídel spojena zubovou spojkou. Tělesa čerpadel nejsou pevně uchycena k podlaze, ale mají částečnou možnost horizontálního posuvu. Toto opatření umožňuje kompenzovat teplotní dilatace primárního potrubí.
Pro hlavní cirkulační čerpadla je charakteristický dlouhodobý bezúdržbový provoz během celé palivové kampaně (1 rok). Správnou funkci čerpadla a dodržování předepsaných parametrů pomáhají udržovat různé pomocné systémy, jako jsou například okruhy chlazení motoru nebo mazání ložisek. Důležitým podpůrným systémem čerpadla je okruh těsnící vody, zabezpečující hlcení těsnících ucpávek.
Fyzikální principy
Pro dopravu kapalin se v průmyslu používá velké množství druhů čerpadel. Podle principu práce a konstrukce se čerpadla dělí na 3 základní skupiny:
- Hydrodynamická čerpadla – mechanická energie pohonu čerpadla se nejdříve mění na dynamickou složku (kinetickou energii kapaliny) a následně na energii hydraulickou (statickou, tlakovou energii kapaliny). Využívají například odstředivé síly působící na kapalinu při jejím rotačním pohybu. Vzhledem ke své jednoduchosti a spolehlivosti jsou to nejpoužívanější čerpadla vůbec. Mezi hydrodynamická čerpadla patří radiální a diagonální odstředivá čerpadla, axiální čerpadla nebo obvodová a labyrintová čerpadla.
- Hydrostatická (objemová) čerpadla – mechanická energie pohonu je přímo transformována na hydraulickou energii kapaliny. Čerpadla jsou založena na cyklickém nasávání a vytlačování určitého objemu kapaliny. Pracovní objem čerpadla může tvořit zdvih pístu, mezera mezi zuby nebo lamelami oběžného kola nebo vnitřní objem úseku trubky. Mezi hydrostatická čerpadla patří především rotační čerpadla (zubová, vřetenová, lamelová a pístová) a čerpadla s kmitavým pohybem (pístová, membránová, plunžrová).
- Čerpadla založená na jiném principu práce – speciální typy čerpadel, obvykle využívající pracovní proud plynu nebo kapaliny, případně mechanický zdvihový mechanismus. Do této skupiny patří hlavně proudová a plynotlaká čerpadla.
Dále budou popsány konstrukce nejrozšířenějších typů čerpadel. Protože většina zařízení na dopravu médií v jaderné elektrárně jsou čerpadla odstředivá, bude jim věnována náležitá pozornost.
Odstředivá čerpadla
Odstředivé čerpadlo patří mezi hydrodynamická čerpadla a je ideálním zařízením pro čerpání větších objemů vody a jí podobných kapalin. Hlavním pracovním prvkem čerpadla je oběžné kolo osazené zakřivenými lopatkami, které se volně otáčí v uzavřené spirálovité skříni. Oběžné kolo je poháněno externím zdrojem – nejčastěji elektromotorem, protože pro účinnou práci čerpadla jsou potřebné poměrně vysoké otáčky rotoru.
Voda je přiváděna sacím otvorem do středu rotujícího oběžného kola, kde ji paprskovité, zakřivené lopatky roztáčejí. Na kapalinu začíná působit odstředivá síla. Vlivem lopatek a odstředivé síly se kapalina posouvá stále dál a dál od osy rotace. Po opuštění konců lopatek (rotoru) se kapalina ve velké rychlosti dostává do vnitřního prostoru spirální skříně a po jejím vnitřním povrchu klouže až k výtlačnému otvoru, ze kterého je vyvržena ven. Její kinetická energie se transformuje na energii tlakovou.
Odstředivá čerpadla jsou z principu své práce vhodná především ke kontinuální dopravě větších množství kapalin, a nehodí se pro dávkovací režimy, kdy jsou v krátkých, ale početných intervalech čerpány malé objemy. Průtok odstředivým čerpadlem není konstantní veličina, ale závisí na otáčkách rotoru a protitlaku výstupního potrubí následujícího za čerpadlem. Když je protitlak velký, může se pro zvýšení parametrů čerpané kapaliny použít vícestupňové provedení čerpadla, kdy je na jedné hřídeli za sebou umístěno několik odstředivých stupňů. Startující odstředivé čerpadlo musí být vzhledem k slabému sacímu efektu nejdřív zavodněno a po odstavení čerpadla musí být zabráněno zpětnému proudění kapaliny, protože stojící oběžné kolo je volně průchozí z obou stran.
Vysokou popularitu a využitelnost v technologii zajišťuje odstředivému čerpadlu jeho jednoduchá konstrukce, nízká pořizovací cena, dobrá škálovatelnost (pracovní parametry čerpadla) a nenáročná údržba.
Axiální čerpadla
Rotační zubová čerpadla
Zubová čerpadla patří mezi hydrostatická čerpadla, u kterých dochází k přesouvání malých objemů kapaliny od sání k výtlaku. U zubových čerpadel tvoří tento objem prostor mezi zuby otáčejících se oběžných kol. A protože je tento elementární přepravní prostor vždy stejný, dá se z otáček a počtu zubů lehce zjistit aktuální průtok čerpadlem. Přesná znalost závislosti průtoku na otáčkách předurčuje zubová čerpadla k použití při přesném dávkování kapalin v různých procesech.
V principu existují dva druhy zubových čerpadel. Oba druhy pracují s dvojicí rotujících ozubených kol, ale v prvním případě mají obě kola vnější ozubení a v druhém je jedno kolo s vnitřním ozubením. Zubová čerpadla s vnějším ozubením vytvářejí odvalováním zubů na sání prázdné prostory, které se plní čerpaným médiem. Zuby, jejichž vrcholy kloužou po vnitřních stěnách pouzdra, přesouvají malé porce kapaliny až k výtlaku čerpadla, kde opět do sebe zapadají a tím vytlačují kapalinu do výstupního hrdla. Proces se cyklicky opakuje a zabezpečuje na výstupu plynulý průtok média s dostatečným tlakem.
Rotační pístová čerpadla
Tato hydrostatická čerpadla využívají pro posuvný zdvih většího množství malých pístů externě poháněný rotující disk. Písty jsou umístěny do kruhu a pohybují se buď v axiálním, nebo v radiálním směru. Rotační pístová čerpadla mají relativně malé průtoky čerpaného média, ale dosahují vysoké hodnoty tlaků, a proto se často využívají ve vysokotlakých, například hydraulických systémech.
Rotační pístová čerpadla mají dobrou samonasávací schopnost, jednoduchou konstrukci, snadnou údržbu. Malé písty axiálních čerpadel jsou buď statické a jejich pohyb zabezpečuje nerovnoměrně tlustý otáčející se souosý disk, nebo se otáčejí společně s diskem s vyosenou hřídelí (o cca 30° proti ose pístů) a pohyb pístů je způsoben různou vzdáleností disku od pístového zásobníku.
