Simulation of the cooling water system of a nuclear power plant

Thumbnail Image

Files

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Insinööritieteiden korkeakoulu | Bachelor's thesis
Electronic archive copy is available locally at the Harald Herlin Learning Centre. The staff of Aalto University has access to the electronic bachelor's theses by logging into Aaltodoc with their personal Aalto user ID. Read more about the availability of the bachelor's theses.
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2024-12-08

Department

Major/Subject

Energia- ja konetekniikka

Mcode

ENG4000

Degree programme

Insinööritieteiden kandidaattiohjelma

Language

en

Pages

28

Series

Abstract

This work was made for the needs of Fortum Power and Heat Oy, focusing on the cooling water system of the Loviisa nuclear power plant. Fortum wants to have a simulation model of the cooling water system in Apros software to assess how the system's flow behaves under varying component dimensions and characteristics. Additionally, the model allows for a more accurate simulation of transient behavior, for example, in cases where the main seawater pumps suddenly trip. The cooling system's main seawater pumps, turbines, and condensers have already been simulated and incorporated into the Apros simulation model of the Loviisa nuclear power plant. The missing components must be simulated and added to the same model. The work also describes how different cooling water systems operate in different nuclear power plants, focusing on the Loviisa nuclear power plant in Finland, the Oskarshamn nuclear power plant in Sweden, and the Hinkley Point C nuclear power plant in England. Oskarshamn and Hinkley Point C were selected for this work because they provide examples of how cooling water can be taken from the seabed via remote intake, in contrast to Loviisa, where it is taken as surface seawater. Remote intake provides cooler water year-round, improving the power plant's net power output. Additionally, this work delves into the operation of the forebay and how the intake tunnel's characteristics and dimensions affect the water flow within it. For the simulation, the dimensions and characteristics of cooling water system components were defined and they are presented in this work without specific values. In addition, the maximum water level rise in the forebay was calculated as a function of the intake tunnel length for three different forebay surface areas, utilizing the laws of conservation of energy and momentum. The calculations were done using MATLAB® software, focusing on a scenario in which the main seawater pumps trip and the kinetic energy of the water flowing in the tunnel is converted into potential energy as the water level rises in the forebay. Based on the calculations, plots were created, showing that the longer the intake tunnel and the smaller the forebay surface area, the higher the water level rises. The plots can also be used to determine the forebay volume required to prevent overflow if the tunnel length and forebay surface area are known. The plots indicate that the longer the intake tunnel, the larger the forebay volume must be. The results from the plots are indicative, and more accurate results will be obtained from the Apros simulation model of the system. The simulation model can be developed in the near future using the identified dimensions and characteristics, along with the modeling guidelines provided in this work.

Tämä työ tehtiin Fortum Power and Heat Oy:n tarpeisiin keskittyen Loviisan ydinvoimalaitoksen jäähdytysvesijärjestelmään. Fortum haluaa jäähdytysvesijärjestelmästä Apros-simulointimallin, jota voidaan käyttää arvioimaan, miten järjestelmän virtaus käyttäytyy sen vaihtelevilla komponenttien mitoilla ja ominaisuuksilla. Lisäksi malli mahdollistaa ongelmatilanteiden tarkemman simuloinnin esimerkiksi tilanteessa, jossa järjestelmän merivesipumput pysähtyisivät. Jäähdytysjärjestelmästä on simuloitu jo merivesipumput, turbiinit ja lauhduttimet, jotka on myös sisällytetty koko Loviisan ydinvoimalan Apros-simulointimalliin. Puuttuvat komponentit tulee simuloida ja liittää samaan malliin. Työssä käsitellään myös, miten eri jäähdytysvesijärjestelmät toimivat eri ydinvoimaloissa keskittyen Loviisan ydinvoimalaan Suomessa, Oskarshamnin ydinvoimalaan Ruotsissa ja Hinkley Point C ydinvoimalaan Englannissa. Oskarshamnin ja Hinkley Point C ydinvoimalat valittiin tähän työhön, sillä ne antavat esimerkin siitä, kuinka jäähdytysvesi voidaan ottaa merenpohjasta etäotolla toisin kuin Loviisassa, jossa se otetaan merenpinnasta. Etäotto mahdollistaa kylmemmän jäähdytysveden ympäri vuoden parantaen voimalaitoksen nettotehoa. Lisäksi työssä perehdytään aaltoilutilan toimin-taan ja siihen, kuinka ottotunnelin ominaisuudet ja dimensiot vaikuttavat siinä virtaavaan veteen. Simulointia varten kartoitettiin Loviisan jäähdytysvesijärjestelmän komponenttien mitat ja ominaisuudet, jotka esitetään tässä työssä antamatta tarkempia arvoja. Lisäksi pohjustuksena mallinnukselle laskettiin MATLAB®-ohjelmistolla maksimi vedenpinnan nousu aaltoilutilassa. Laskenta tehtiin suhteessa ottotunnelin pituuteen ja aaltoilutilan pinta-alaan, hyödyntäen energian ja liikemäärän säilymislakeja. Laskelmat käsittelevät tilannetta, jossa merivesipumput lakkaavat toimimasta, ja tunnelissa virtaavan veden liike-energia muuntuu potentiaalienergiaksi vedenpinnan noustessa aaltoilutilassa. Laskujen perusteella laadittiin kaksi kuvaajaa, jotka osoittavat, että mitä pidempi ottotunneli ja pienempi aaltoilutilan pinta-ala, sitä korkeammalle vedenpinta nousee. Lisäksi kuvaajista voidaan määrittää aaltoilutilan ylivuodon estämiseen tarvittava tilavuus, kun tunnelin pituus ja aaltoilutilan pinta-ala on tiedossa. Kuvaajat osoittavat, että mitä pidempi ottotunneli on, sitä suurempi tilavuus aaltoilutilalla on oltava. Kuvaajien tulokset ovat suuntaa antavia ja tarkemmat tulokset tullaan saamaan järjestelmän Apros simulointimallista. Simulointimalli voidaan rakentaa selvitettyjen mittojen ja ominaisuuksien sekä työssä annettujen mallinnusohjeiden avulla lähitulevaisuudessa.

Description

Supervisor

Holmberg, Henrik

Thesis advisor

Järvinen, Mika

Keywords

apros, cooling water system, forebay, nuclear power plant

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202501282019

Collections

[kand] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG