Simulador de Principios Básicos de la Central Nuclear Embalse
Introducción
Desde que existen computadores veloces, de gran capacidad de almacenamiento de información y de bajo costo, se ha incrementado el desarrollo y uso de simuladores en el entrenamiento de pilotos de aviación y operadores de centrales nucleares u otro tipo de instalaciones complejas, donde errores de operación pueden provocar verdaderas catástrofes.
Un simulador de principios básicos de una central nuclear consiste en un conjunto de programas que resuelven numéricamente y en tiempo real las ecuaciones que gobiernan el comportamiento dinámico de la planta simulada.
Este tipo de herramientas es utilizado, principalmente en la primera fase del entrenamiento del personal de operación de la central para facilitar a los mismos una representación mental de los fenómenos físicos que gobiernan la planta, además de ser utilizados como una herramienta de aprendizaje de las técnicas de control. Se usan igualmente para entrenamiento de estudiantes o profesionales, e incluso pueden ser utilizados por operadores ya experimentados para mejorar su rendimiento frente a situaciones anormales de operación o de accidentes que eventualmente pudieren ocurrir.
Estos simuladores se diseñan en base a modelos simplificados de la planta, reduciendo la réplica de la sala de control a un conjunto de terminales gráficos de computador, a través de los cuales se realiza la interacción con la planta simulada.
En el marco del Proyecto de las Naciones Unidas para el Desarrollo (PNUD) fomentado por la Agencia Internacional de la Energía Atómica (AIEA) conjuntamente con la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA), se comenzó a desarrollar en el año 1985 en la División Control de Procesos del Centro Atómico Bariloche, un simulador de estas características.
Reseña Histórica
En un principio se realizó la llamada arquitectura del simulador, que consiste en un conjunto de programas en el entorno de la simulación encargado de la sincronización de los mismos para que la simulación corra a tiempo real.
Esta arquitectura fue inicialmente utilizada para simular el reactor de investigación RA-6 emplazado en el Centro Atómico Bariloche, con resultados satisfactorios.
Paralelamente se fueron desarrollando sistemas gráficos de presentación de la información para observar la salida del simulador.
Posteriormente se utilizó la arquitectura para introducir finalmente un modelo de la Central Nuclear Embalse (CNE), llamado MANUVR que era utilizado en el Departamento de Sistemas Eléctricos y Control de la Gerencia de Ingeniería (CNEA) para analizar cambios en los sistemas de control de la central.
Luego se llevó el simulador (arquitectura y modelo) a correr bajo un sistema operativo UNIX, en un computador personal. Anteriormente se encontraba implementado en una Micro VAX II bajo sistema operativo VMS.
Se realizaron, además, varios trabajos de contrastes entre la versión del modelo en el simulador y el código original.
Finalmente se lo implementó en la misma central en el área de capacitación a principios del año 1993.
Metodología de diseño utilizada
Como criterios de diseño se tuvieron en cuenta las restricciones propias de un sistema que debe funcionar en tiempo real, lo que le concede características particulares que deben ser satisfechas, a saber:
Capacidad de manejo de varios procesos concurrentes y sincronizados.
Funcionamiento en tiempo real o menor, según la planta a simular.
Estructura flexible y adaptable a los distintos tipos de instalaciones que se deseen simular.
De varios métodos analizados para el diseño de software de sistemas de tiempo real se adoptó para la arquitectura del simulador el método DARTS (Design Approach for Real Time Systems); ya que dicho método permite modularizar adecuadamente la programación de estos tipos de sistemas.
Una descripción detallada de este método se encuentra desarrollada en: Gomaa, H.: "A Software Design Method for Real-Time Systems", Communications of the ACM, Vol. 27, Num. 9, September 1984.
Características de la arquitectura
La arquitectura del simulador fue diseñada de manera tal que se supone la existencia de al menos dos personas que interactúan con el simulador: un instructor, que establece las condiciones de la simulación, introduce fallas en componentes del sistema, etc, con el objeto de evaluar la capacidad de respuesta de la segunda persona: el operador o entrenando, que realiza acciones de control sobre la planta simulada, tendientes a cumplir con objetivos prefijados de operación.
El simulador presenta en el monitor a la persona instructor un conjunto de menúes los cuales le permiten realizar las siguientes instrucciones: iniciar, detener, continuar y finalizar una simulación; configurar la memoria global; definir las condiciones iniciales de una simulación; etc. Además de estos menúes, existen dos visores que indican al instructor las últimas operaciones realizadas sobre el simulador y el estado en que se encuentra el mismo (SIN CONFIGURAR, CONFIGURADO, LATENTE DEFINIDO, CORRIENDO y DETENIDO). Según el estado en que se encuentre el simulador habrá operaciones permitidas que el instructor podrá realizar y otras que no. Algunas de dichas operaciones le permiten pasar de un estado del simulador a otro.
Como interfaz con el usuario operador se diseñó un sistema de presentación de datos en tiempo real. Este sistema utiliza otro computador aparte del que corre la simulación, y se comunica con el simulador a través de una línea Ethernet. El simulador envía las variables que se muestran al operador y espera recibir las acciones que el operador toma sobre la planta simulada.
Este sistema de presentación gráfica terminó convirtiéndose en otro proyecto dado que se le fueron incorporando otros subsistemas que trascendieron a la específica del simulador. A este sistema de adquisición y presentación de datos se lo llamó DISPLAYER.
DISPLAYER mostrando variables del ciruito secundario del simulador.
Características del modelo
El simulador posee un modelo principalmente termohidráulico. Las componentes que se han modelado en la misma son:
Circuito primario: El modelado del circuito primario consiste en un solo lazo (en la central son dos lazos cada uno pasando dos veces por el núcleo) con: un reactor, un presurizador, un generador de vapor (la central tiene cuatro), y una bomba principal (en realidad son cuatro). Para efectuar el cálculo de las variables utiliza las ecuaciones de balance de masa y energía, prescindiendo de las ecuaciones de momento.
Núcleo: En el núcleo se considera solamente la parte térmica de la transferencia de calor desde la barra combustible al refrigerante, determinándose el perfil de temperaturas de una barra combustible promedio. La potencia neutrónica, según el modo de operación de la planta (NORMAL o ALTERNATIVO) es calculada directamente del resultado del control (control ideal e instantáneo) o extraída de una tabla de valores. Si en determinadas ocasiones llegan a producirse condiciones de setback, stepback o trip, el valor de la potencia neutrónica es determinada por tablas especiales para cada uno de estos eventos.
Presurizador: Se modela el control, los calefactores y la apertura de las válvulas de descarga y de relief. La presión en el mismo se determina utilizando el modelo de gas ideal ( PV = nRT ) en el caso de compresión del vapor, y en el caso de expansión se toma un volumen termodinámico en equilibrio que incluye además del vapor, la zonas del líquido que se encuentra en saturación.
Circuito auxiliar: Se modelan tanto el circuito de bleed, de feed y de purificación. Las mismas incluyen resistencias hidráulicas, el tanque de almacenamiento de agua pesada, bombas de feed, válvulas, filtros, el tanque condensador desgasificador.
Circuito secundario: En el circuito secundario se modelan tanto las válvulas: ASDV, CSDV y relief, como las válvulas de arranque (start-up valve) y principal (mainvalve) del agua de alimentación. La extracción del vapor de turbina (potencia de turbina), según el modo de operación de la planta (NORMAL o ALTERNATIVO) se extrae de una tabla de evolución de la potencia de la turbina o directamente se determina del control (control ideal e instantáneo). Para el trip de turbina se tiene una tabla especial para la misma donde se extrae su evolución. Se modelan también las bombas de alimentación a los generadores de vapor y puede simularse el apagado de una de las mismas pero no así el arranque. También se encuentra modelado el generador de vapor con las ecuaciones de balance de masa y energía.
Control: Se modelan el control de presión en el primario y generador de vapor, el control de nivel en el presurizador y en el generador de vapor, el control de inventario del primario, y los controles de la potencia del reactor y de la turbina (éstas últimas según el modo de operación).
DISPLAYER mostrando un mímico del circuito primario del simulador.
Transitorios que simula
El modelo es capaz de simular distintos transitorios tales como:
Operación en plena potencia, en modo normal o alternativo, pudiendo el usuario cambiar la potencia a través de rampas en el rango del 30% al 100% de potencia.
Realizar trip de reactor y turbina.
Pérdida de clase IV, con la detención de las bombas principal, de alimentación al generador de vapor y de feed.
El modelo posee en forma automática la realización de stepback, setback y trip de reactor.
Puede simular unas 30 fallas como pequeñas roturas de la cañería del primario, detención de bombas, fallas de algunas válvulas, malfuncionamiento de algún sistema de regulación, etc.
Limitaciones que posee el modelo
El rango de validez de la potencia es entre el 10% y el 100%.
El modelo no es válido en problemas en donde el transitorio simulado el circuito primario presente fuerte dependencia con las ecuaciones de momento (por ejemplo: si existen zonas de compresión y descompresión de líquido muy marcadas, o existencia de alto título de vapor).
El modelo no es válido en transitorios donde el nivel del generador de vapor descienda demasiado (donde se observan caudales de recirculación negativos).
El modelo tampoco es válido en transitorios en el cual el nivel del presurizador descienda más que el nivel de los calefactores.
No se pueden simular problemas con asimetrías del primario.
Pueden ser simuladas pequeñas pérdidas de líquido del primario (que sean del orden de magnitud del caudal de bleed), no así las roturas de grandes dimensiones.
Introducción
Desde que existen computadores veloces, de gran capacidad de almacenamiento de información y de bajo costo, se ha incrementado el desarrollo y uso de simuladores en el entrenamiento de pilotos de aviación y operadores de centrales nucleares u otro tipo de instalaciones complejas, donde errores de operación pueden provocar verdaderas catástrofes.
Un simulador de principios básicos de una central nuclear consiste en un conjunto de programas que resuelven numéricamente y en tiempo real las ecuaciones que gobiernan el comportamiento dinámico de la planta simulada.
Este tipo de herramientas es utilizado, principalmente en la primera fase del entrenamiento del personal de operación de la central para facilitar a los mismos una representación mental de los fenómenos físicos que gobiernan la planta, además de ser utilizados como una herramienta de aprendizaje de las técnicas de control. Se usan igualmente para entrenamiento de estudiantes o profesionales, e incluso pueden ser utilizados por operadores ya experimentados para mejorar su rendimiento frente a situaciones anormales de operación o de accidentes que eventualmente pudieren ocurrir.
Estos simuladores se diseñan en base a modelos simplificados de la planta, reduciendo la réplica de la sala de control a un conjunto de terminales gráficos de computador, a través de los cuales se realiza la interacción con la planta simulada.
En el marco del Proyecto de las Naciones Unidas para el Desarrollo (PNUD) fomentado por la Agencia Internacional de la Energía Atómica (AIEA) conjuntamente con la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA), se comenzó a desarrollar en el año 1985 en la División Control de Procesos del Centro Atómico Bariloche, un simulador de estas características.
Reseña Histórica
En un principio se realizó la llamada arquitectura del simulador, que consiste en un conjunto de programas en el entorno de la simulación encargado de la sincronización de los mismos para que la simulación corra a tiempo real.
Esta arquitectura fue inicialmente utilizada para simular el reactor de investigación RA-6 emplazado en el Centro Atómico Bariloche, con resultados satisfactorios.
Paralelamente se fueron desarrollando sistemas gráficos de presentación de la información para observar la salida del simulador.
Posteriormente se utilizó la arquitectura para introducir finalmente un modelo de la Central Nuclear Embalse (CNE), llamado MANUVR que era utilizado en el Departamento de Sistemas Eléctricos y Control de la Gerencia de Ingeniería (CNEA) para analizar cambios en los sistemas de control de la central.
Luego se llevó el simulador (arquitectura y modelo) a correr bajo un sistema operativo UNIX, en un computador personal. Anteriormente se encontraba implementado en una Micro VAX II bajo sistema operativo VMS.
Se realizaron, además, varios trabajos de contrastes entre la versión del modelo en el simulador y el código original.
Finalmente se lo implementó en la misma central en el área de capacitación a principios del año 1993.
Metodología de diseño utilizada
Como criterios de diseño se tuvieron en cuenta las restricciones propias de un sistema que debe funcionar en tiempo real, lo que le concede características particulares que deben ser satisfechas, a saber:
Capacidad de manejo de varios procesos concurrentes y sincronizados.
Funcionamiento en tiempo real o menor, según la planta a simular.
Estructura flexible y adaptable a los distintos tipos de instalaciones que se deseen simular.
De varios métodos analizados para el diseño de software de sistemas de tiempo real se adoptó para la arquitectura del simulador el método DARTS (Design Approach for Real Time Systems); ya que dicho método permite modularizar adecuadamente la programación de estos tipos de sistemas.
Una descripción detallada de este método se encuentra desarrollada en: Gomaa, H.: "A Software Design Method for Real-Time Systems", Communications of the ACM, Vol. 27, Num. 9, September 1984.
Características de la arquitectura
La arquitectura del simulador fue diseñada de manera tal que se supone la existencia de al menos dos personas que interactúan con el simulador: un instructor, que establece las condiciones de la simulación, introduce fallas en componentes del sistema, etc, con el objeto de evaluar la capacidad de respuesta de la segunda persona: el operador o entrenando, que realiza acciones de control sobre la planta simulada, tendientes a cumplir con objetivos prefijados de operación.
El simulador presenta en el monitor a la persona instructor un conjunto de menúes los cuales le permiten realizar las siguientes instrucciones: iniciar, detener, continuar y finalizar una simulación; configurar la memoria global; definir las condiciones iniciales de una simulación; etc. Además de estos menúes, existen dos visores que indican al instructor las últimas operaciones realizadas sobre el simulador y el estado en que se encuentra el mismo (SIN CONFIGURAR, CONFIGURADO, LATENTE DEFINIDO, CORRIENDO y DETENIDO). Según el estado en que se encuentre el simulador habrá operaciones permitidas que el instructor podrá realizar y otras que no. Algunas de dichas operaciones le permiten pasar de un estado del simulador a otro.
Como interfaz con el usuario operador se diseñó un sistema de presentación de datos en tiempo real. Este sistema utiliza otro computador aparte del que corre la simulación, y se comunica con el simulador a través de una línea Ethernet. El simulador envía las variables que se muestran al operador y espera recibir las acciones que el operador toma sobre la planta simulada.
Este sistema de presentación gráfica terminó convirtiéndose en otro proyecto dado que se le fueron incorporando otros subsistemas que trascendieron a la específica del simulador. A este sistema de adquisición y presentación de datos se lo llamó DISPLAYER.
DISPLAYER mostrando variables del ciruito secundario del simulador.
Características del modelo
El simulador posee un modelo principalmente termohidráulico. Las componentes que se han modelado en la misma son:
Circuito primario: El modelado del circuito primario consiste en un solo lazo (en la central son dos lazos cada uno pasando dos veces por el núcleo) con: un reactor, un presurizador, un generador de vapor (la central tiene cuatro), y una bomba principal (en realidad son cuatro). Para efectuar el cálculo de las variables utiliza las ecuaciones de balance de masa y energía, prescindiendo de las ecuaciones de momento.
Núcleo: En el núcleo se considera solamente la parte térmica de la transferencia de calor desde la barra combustible al refrigerante, determinándose el perfil de temperaturas de una barra combustible promedio. La potencia neutrónica, según el modo de operación de la planta (NORMAL o ALTERNATIVO) es calculada directamente del resultado del control (control ideal e instantáneo) o extraída de una tabla de valores. Si en determinadas ocasiones llegan a producirse condiciones de setback, stepback o trip, el valor de la potencia neutrónica es determinada por tablas especiales para cada uno de estos eventos.
Presurizador: Se modela el control, los calefactores y la apertura de las válvulas de descarga y de relief. La presión en el mismo se determina utilizando el modelo de gas ideal ( PV = nRT ) en el caso de compresión del vapor, y en el caso de expansión se toma un volumen termodinámico en equilibrio que incluye además del vapor, la zonas del líquido que se encuentra en saturación.
Circuito auxiliar: Se modelan tanto el circuito de bleed, de feed y de purificación. Las mismas incluyen resistencias hidráulicas, el tanque de almacenamiento de agua pesada, bombas de feed, válvulas, filtros, el tanque condensador desgasificador.
Circuito secundario: En el circuito secundario se modelan tanto las válvulas: ASDV, CSDV y relief, como las válvulas de arranque (start-up valve) y principal (mainvalve) del agua de alimentación. La extracción del vapor de turbina (potencia de turbina), según el modo de operación de la planta (NORMAL o ALTERNATIVO) se extrae de una tabla de evolución de la potencia de la turbina o directamente se determina del control (control ideal e instantáneo). Para el trip de turbina se tiene una tabla especial para la misma donde se extrae su evolución. Se modelan también las bombas de alimentación a los generadores de vapor y puede simularse el apagado de una de las mismas pero no así el arranque. También se encuentra modelado el generador de vapor con las ecuaciones de balance de masa y energía.
Control: Se modelan el control de presión en el primario y generador de vapor, el control de nivel en el presurizador y en el generador de vapor, el control de inventario del primario, y los controles de la potencia del reactor y de la turbina (éstas últimas según el modo de operación).
DISPLAYER mostrando un mímico del circuito primario del simulador.
Transitorios que simula
El modelo es capaz de simular distintos transitorios tales como:
Operación en plena potencia, en modo normal o alternativo, pudiendo el usuario cambiar la potencia a través de rampas en el rango del 30% al 100% de potencia.
Realizar trip de reactor y turbina.
Pérdida de clase IV, con la detención de las bombas principal, de alimentación al generador de vapor y de feed.
El modelo posee en forma automática la realización de stepback, setback y trip de reactor.
Puede simular unas 30 fallas como pequeñas roturas de la cañería del primario, detención de bombas, fallas de algunas válvulas, malfuncionamiento de algún sistema de regulación, etc.
Limitaciones que posee el modelo
El rango de validez de la potencia es entre el 10% y el 100%.
El modelo no es válido en problemas en donde el transitorio simulado el circuito primario presente fuerte dependencia con las ecuaciones de momento (por ejemplo: si existen zonas de compresión y descompresión de líquido muy marcadas, o existencia de alto título de vapor).
El modelo no es válido en transitorios donde el nivel del generador de vapor descienda demasiado (donde se observan caudales de recirculación negativos).
El modelo tampoco es válido en transitorios en el cual el nivel del presurizador descienda más que el nivel de los calefactores.
No se pueden simular problemas con asimetrías del primario.
Pueden ser simuladas pequeñas pérdidas de líquido del primario (que sean del orden de magnitud del caudal de bleed), no así las roturas de grandes dimensiones.
Celso Alberto FLURY
fluryc@cab.cnea.gov.ar
Félix MACIEL PALACIO
macielf@cab.cnea.gov.ar
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Félix MACIEL PALACIO
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