Sistema de Control de un BWR

3.1
SISTEMA DE CONTROL DE AGUA DE ALIMENTACION (FWCS)
3.1.1
PROPOSITO
El propósito primordial del Sistema de Control de Agua de Alimentación (FWCS), es
mantener, en todo momento, el nivel de agua en la vasija del reactor dentro de un intervalo
programado, durante todos los modos de operación de la planta. El sistema de control
debe de cumplir los requisitos de disminuir al mínimo posible, el arrastre de agua en el
vapor (carryover) que va a la turbina para evitar la erosión de los álabes de la misma, y
disminuir al mínimo el arrastre de vapor en la masa de agua (carryunder) para evitar
cavitación de las bombas de chorro (Jet) o de las bombas de recirculación. Esto se debe
lograr en conjunción con el incremento y contracción del nivel en la vasija del reactor, que
ocurre cuando aumenta o disminuye la potencia del reactor.
3.1.2
BASES DE DISEÑO DE GENERACION DE POTENCIA
Regular el suministro de agua de alimentación al reactor, sobre el intervalo total de
potencia del reactor, para:
a)
Mantener el adecuado nivel de agua en la vasija del reactor de acuerdo a
los requerimientos de sumersión de los separadores de vapor.
b)
Evitar la iniciación innecesaria de los sistemas de enfriamiento de
emergencia (seguridad) debido a un bajo nivel de agua en la vasija del
reactor.
Dentro de lo que son las bases de diseño, el sistema de control de agua de alimentación
mantiene un nivel preestablecido en la vasija del reactor durante operación normal,
variando el flujo mediante el control de la velocidad de las turbobombas de agua de
alimentación.
Existen tres razones importantes para controlar el nivel de agua en la vasija del reactor:
1.-
Mantener un balance de inventario de refrigerante: El flujo que entra a la
vasija del reactor debe ser el mismo que sale de ésta.
2.-
Mantener cubierto de agua el núcleo del reactor: El nivel del refrigerante
debe mantenerse arriba de la parte alta del núcleo para evitar un
incremento rápido en la temperatura del combustible.
Mantener una eficiencia óptima de los separadores de vapor: La habilidad
de los separadores de vapor para remover agua del vapor depende del
nivel de sumersión del separador.
3.-
Este último punto es el más restrictivo de los tres. Diseñando el sistema de control de nivel
sobre las bases de nivel de sumersión del separador, los otros criterios se satisfacen.
3.1-1
3.1.3
DESCRIPCION GENERAL (Figura 3.1-1 y 3.1-2)
Durante operación normal, el nivel de agua en la vasija del reactor, se mantiene dentro de
sus límites por medio del controlador de agua de alimentación, el cual recibe señales del
nivel de agua en la vasija del reactor, flujo de vapor y flujo de agua de alimentación.
El nivel de agua se mide por medio de tres sistemas independientes de detección; cada
uno consiste de un transmisor de presión diferencial conectado a una columna de
referencia con cámara de condensación, ubicada en el pozo seco. El flujo de agua de
alimentación, se mide por transmisores de flujo acoplados a elementos de flujo instalados
dentro de las líneas de agua de alimentación. El flujo total de agua de alimentación como
se utiliza en este sistema, es la suma de las señales de flujo de las líneas de agua de
alimentación. El flujo de vapor a través de cada una de las líneas de vapor principal, se
mide por medio de transmisores de presión diferencial conectados en los codos de cada
una de las líneas. Las señales de flujo de vapor de cada una de las líneas, se suman
antes de utilizarse en el circuito de control de agua de alimentación.
El sistema de control de agua de alimentación, figura 3.1-1, genera señales que regulan la
apertura de las válvulas de control de velocidad de la turbobomba, por consiguiente
controla el ritmo de inyección de las bombas de agua de alimentación. Este sistema
también genera las señales de control que regulan la apertura de las válvulas de bypass
del flujo de agua de alimentación.
El flujo de agua de alimentación se controla para mantener el nivel de agua en la vasija del
reactor al nivel deseado. Durante operación en estado estable, el flujo de agua de
alimentación es exactamente igual al flujo de vapor y en consecuencia el nivel de agua en
la vasija del reactor se mantiene constante. Un cambio en el flujo de vapor se detecta
inmediatamente, y el sistema de control ajusta el flujo de entrada de agua de alimentación
para balancear las dos masas del flujo y por consiguiente el nivel. El nivel de agua en la
vasija, el flujo de agua de alimentación y el flujo de vapor, se registran en el cuarto de
control principal por medio de graficadores.
En el cuarto de control principal se cuenta con alarmas de condiciones anormales del nivel
de agua en la vasija del reactor. El nivel deseado de agua en el reactor se programa como
una función del flujo de vapor.
3.1.4
DESCRIPCION DE COMPONENTES (Figura 3.1-2)
Las componentes del sistema de control de agua de alimentación son: transmisores,
amplificadores, indicadores, controladores, registradores, convertidores, válvulas de
control, interruptores, relevadores y circuitos de alarma asociados para proteger los
parámetros y controlar el nivel de agua en la vasija del reactor.
3.1.4.1 INSTRUMENTACION DE NIVEL DE AGUA EN EL REACTOR (Figura 3.1-3)
El nivel de agua en la vasija del reactor, se mide por tres transmisores de presión
diferencial independientes. Estos corresponden a los transmisores de rango estrecho, con
3.1-2
un intervalo de 150 cm referido al cero de instrumentación.Cada uno de los transmisores
envía su señal a un indicador en el cuarto de control principal (A/B/C).
Los indicadores de nivel A, B y C se utilizan para proporcionar un sistema confiable para
efectuar el disparo de la turbina principal y de las turbinas de las bombas de agua de
alimentación por una condición de alto nivel de agua en la vasija del reactor (nivel 8). Para
satisfacer la coincidencia de la lógica de disparo del sistema, deben dispararse dos de los
tres instrumentos de nivel existentes (dos de tres).
Para generar la señal real de error nivel/flujo puede seleccionarse como entrada, ya sea el
indicador de nivel A o B a través del selector de nivel A/B (S1).
3.1.4.2 SENSOR DE FLUJO DE VAPOR (Figura 3.1-4)
El flujo de vapor se detecta como una presión diferencial en los codos de las líneas de
vapor principal. Los puntos de conexión al proceso en los codos de las líneas de vapor
utilizan el principio de la fuerza centrífuga, la cual creará una baja presión sobre el radio
interno del codo del tubo. El dispositivo esencialmente consiste de una sección curvada
(codo) de tubo con tomas de presión diferencial que penetran las paredes radiales de
mayor y menor tamaño de la sección curvada.
Hay cuatro puntos de conexión a proceso (tomas) en los codos, para medir el flujo de
vapor principal; estos dispositivos alimentan a cuatro transmisores de presión diferencial, y
por medio de un extractor de raíz cuadrada se obtiene una salida lineal.
Esta salida se alimenta a un sumador de cuatro entradas, el cual proporciona la señal de
flujo total de vapor.La señal de flujo total de vapor se utiliza para alimentar una alarma de
alto flujo de vapor, la entrada del sumador de flujo de vapor/flujo de agua de alimentación
y el amplificador de programación de nivel.
3.1.4.3 FLUJO DE AGUA DE ALIMENTACION (Figura 3.1-2)
El flujo de agua de alimentación se mide mediante elementos de flujo (VENTURI)
ubicados en las entradas de las líneas de agua de alimentación a la vasija del reactor. La
señal de salida de los elementos de flujo se mide con un transmisor de presión diferencial
cuya salida es la entrada a un extractor de raíz cuadrada. La señal de salida del extractor
representa la raíz cuadrada de la presión diferencial, ésta se envía a un sumador de flujo
de agua de alimentación junto con otra señal de flujo de agua de alimentación generada
de una manera similar, las cuales proporcionan la señal de flujo total de agua de
alimentación.
La señal de flujo total de agua de alimentación se utiliza como entrada para el sistema de
Control de Caudal de Recirculación, para que éste límite el caudal de recirculación
cerrando la válvula de control de caudal de recirculación en caso de que la señal indique
una condición de bajo flujo de agua de alimentación. La señal de flujo total de agua de
alimentación también se envía al sumador de flujo de agua de alimentación flujo de vapor.
3.1-3
3.1.4.4 SUMADOR COMPARADOR DEL FLUJO DE AGUA DE ALIMENTACIONFLUJO DE VAPOR (Figura 3.1-1)
La salida del sumador del flujo de agua de alimentación y la salida del sumador del flujo de
vapor que son enviadas al sumador flujo de vapor-flujo de agua de alimentación, se
comparan y producen una señal base para el sistema de control de agua de alimentación
si éstas son iguales. Una desviación, ya sea de flujo de vapor o flujo de agua de
alimentación producirá una señal ya sea mayor o menor que la señal base. Los signos
algebraicos son tales que cuando el flujo de vapor excede al flujo de agua de
alimentación, la señal generada será menor que la señal de nivel y se detectará la
necesidad de flujo de agua de alimentación adicional. Esto significa que se obtiene una
señal anticipada, la cual corrige los cambios proyectados en nivel debido a los cambios en
el flujo del proceso. Esta señal anticipada corrige el flujo de agua de alimentación para
disminuir los efectos de cambios sobre el nivel de agua en el reactor debidos a un cambio
en la demanda de vapor.
La salida del sumador del flujo de agua de alimentación-flujo de vapor, (señal de error) se
compara con la señal de nivel de agua en el reactor para producir una señal referida como
la señal de nivel modificada. Esta señal prevé anticipadamente un cambio en el nivel de
agua de la vasija del reactor que de otra manera resultaría en un cambio de carga. La
señal de nivel provee una referencia para cualquier desbalance entre el flujo de vapor y el
agua de alimentación que de otra manera causaría que el nivel se incrementara o
decreciera.
3.1.5
SELECTOR DE MODO DEL SISTEMA DE AGUA DE ALIMENTACION (Figura 3.14 y 3.1.5)
El selector de modo de FWCS es un interruptor que permite al operador seleccionar el
control con tres elementos (nivel de agua, flujo de vapor, y flujo de agua de alimentación) o
con un sólo elemento (nivel de agua únicamente).
3.1.5.1 CONTROL CON TRES ELEMENTOS (Figura 3.1-4 y 3.1-5)
El control con 3 elementos será usado en niveles de potencia medio y alto.
La salida del sumador del flujo de vapor-flujo de agua de alimentación (error de flujo) se
compara con la señal seleccionada de nivel y produce una señal referida como la señal de
nivel modificada. Esta señal de nivel modificada se suma con la entrada de la señal de
nivel deseado, seleccionado por el operador, vía el ajuste de nivel deseado ubicado en el
frente del controlador maestro de nivel.
Durante operación normal, con el controlador maestro de nivel en automático, el
controlador produce una señal que se transmite a los controladores MANUAL/AUTO de
las bombas de agua de alimentación. Los controladores MANUAL/AUTO reciben la señal
del nivel requerido y la envían directamente al circuito de control de velocidad de las
turbinas de las bombas de agua de alimentación. El circuito de control de velocidad de la
turbina de las bombas de agua de alimentación recibe la señal de entrada, y la utiliza para
abrir o cerrar las válvulas de admisión, cambiando la velocidad de la turbobomba.
3.1-4
3.1.5.2 CONTROL CON UN ELEMENTO (Figura 3.1.4 y 3.1-5)
El control con un sólo elemento, se utiliza durante un arranque, apagado o mal
funcionamiento del sistema de control normal de tres elementos. Cuando se selecciona el
modo de un sólo elemento, la señal de nivel medida se compara con la señal de nivel
deseada, que el operador selecciona en el controlador maestro o controlador de arranque
y se procesa de la misma manera que la del control con tres elementos. El control de un
sólo elemento es menos sensible a los cambios en nivel de agua debido a que la
respuesta anticipada por la señal de error del flujo de vapor/flujo de agua de alimentación
no está presente. En forma distinta al controlador maestro de nivel, el controlador de
arranque únicamente utiliza el modo de control de un sólo elemento.
3.1.6
INTERFASES CON OTROS SISTEMAS
Enseguida, se describirán brevemente las interfases que este sistema (FWCS), tiene con otros
sistemas de la planta:
a)
SISTEMA DE AGUA DE ALIMENTACION Y CONDENSADO. Este sistema
proporciona al FWCS, la señal de flujo de agua de alimentación, y recibe las
señales para modificar adecuadamente dicho flujo.
b)
SISTEMA DE INSTRUMENTACION DE LA VASIJA. Este sistema proporciona la
señal de nivel FWCS.
c)
SISTEMA DE VAPOR PRINCIPAL. Este sistema proporciona la señal de flujo de
vapor al FWCS.
3.1-5
3.2-6
3.2-7
3.2-8
3.2-9
3.2-10
3.2-11
3.2 Sistema de Control del Caudal de Recirculación (Fig. 3.2-1)
El sistema de control del caudal de recirculación, mostrado en la figura 3.2-1, controla el caudal
de recirculación en el núcleo, y por consiguiente la potencia del reactor, en un intervalo limitado.
El caudal de agua es controlado al variar la posición de las válvulas de control (FCV), instaladas
una en cada lazo de recirculación, accionadas por medio de cilindros hidráulicos y unidades de
potencia hidráulica. Este sistema puede proporcionar la capacidad de seguimiento automático
de carga sobre el intervalo del 75 al 100% de la potencia nominal.
Este sistema de control de caudal consiste de los componentes hidráulicos y electrónicos
requeridos para el accionamiento hidráulico de las dos válvulas que controlan el caudal, en los
modos de operación manual y operación automática.
3.2.1 Relación entre el caudal del núcleo y la potencia del reactor (Fig. 3.2-2)
Al momento de entrar al núcleo, el agua se encuentra subenfriada en aproximadamente 20 ºF
al mezclarse con el agua de alimentación. Las burbujas generadas por la ebullición nucleada en
la parte inferior del núcleo se colapsarán a medida que se separan del encamisado del
combustible, como consecuencia del subenfriamiento (ebullición subenfriada). A medida que el
agua asciende a través del núcleo, es calentada hasta que alcanza la temperatura de
saturación para la presión existente. Las burbujas formadas mediante ebullición nucleada no se
colapsarán, con lo que se generarán burbujas más grandes (ebullición generalizada). La
separación entre la ebullición subenfriada y la generalizada se conoce como frontera de
ebullición. Durante operaciones a potencia en estado estable, la rapidez de formación de vapor
y de remoción de vapor son iguales.
Un incremento del caudal en el núcleo produce los efectos siguientes: (1) Inicialmente, el nivel
de la fase líquida en el núcleo aumentará, hasta que alcance la temperatura de saturación, ya
que está menos tiempo en contacto con las barras de combustible. (2) La frontera de ebullición
ha sido desplazada hacia el interior del núcleo, por lo que el moderador ha reemplazado
algunos de los vacíos. (3) El aumento en la moderación de neutrones añade reactividad positiva
al núcleo, ya que el agua es un moderador más eficiente que el vapor. (4) El incremento
resultante en la potencia causa a su vez un aumento en la ebullición, y la frontera de ebullición
desciende cerca de su posición original, añadiendo reactividad negativa hasta que se alcanza
un nuevo estado estable en el nivel de potencia. (5) El resultado neto es un nuevo y más
elevado nivel de potencia, con una mayor rapidez de generación y remoción de vacíos. La
frontera de ebullición y el contenido de vacíos permanecen aproximadamente constantes, así
como la distribución del flujo neutrónico.
Este es un mecanismo excelente para controlar la potencia del reactor. Es posible alcanzar
cambios del 0.5% por segundo en promedio, utilizando las válvulas de control (FCV) para el
control del caudal.
3.2.2 Descripción General (Fig. 3.2-3)
El sistema de control del caudal de recirculación, mostrado en la figura 3.2-3, es capaz de variar
el caudal en el núcleo en un intervalo que va del 35 al 100% del nominal, con las bombas de
recirculación operando en velocidad alta (60 MHz), o en un intervalo que va aproximadamente
del 30 al 40% con las bombas operando en velocidad baja (15 MHz).
3.2-12
En la descarga de cada bomba de recirculación se encuentra instalada una válvula para control
de caudal, misma que regula el caudal en cada lazo de recirculación. El sistema proporciona al
operador los medios suficientes para controlar manualmente la posición de ambas válvulas, de
manera simultánea o por separado. El sistema también permite modos de operación para
controlar el caudal automáticamente.
Al variar el caudal en el núcleo, cambiará la potencia debido al efecto que tal cambio tiene
sobre la formación de vacíos de vapor. Esto permite que la potencia sea controlada en un
intervalo que va del 75 al 100% del valor nominal, aproximadamente.
3.2.2.1 Descripción del Controlador (Fig. 3.2-1)
El sistema de control del caudal de recirculación está formado por tres niveles de controladores
electrónicos: el Controlador Maestro, el Controlador de Flujo Neutrónico, y los Controladores de
los Lazos de Recirculación. Estos controladores proporcionan las señales electrónicas a cada
unidad de potencia hidráulica, las que a su vez controlan la posición de cada una de las
válvulas para control de caudal.
3.2.2.1.1 Controlador Maestro (Fig. 3.2-1)
El controlador maestro genera una señal de demanda de potencia que es utilizada para
controlar la posición de ambas válvulas. Este controlador puede operarse en modo manual o en
modo automático. En el modo manual, el operador establece una señal de demanda de
potencia mediante un interruptor deslizable instalado frente al controlador.
En el modo automático, el controlador maestro acepta una señal de error de demanda de
potencia procedente del sistema de control de presión (el Sistema Electro-Hidráulico), misma
que corresponde a la comparación entre la potencia eléctrica suministrada y la potencia
eléctrica demandada. Esta señal se procesa para variar el caudal de recirculación, y por lo tanto
la potencia del reactor, dependiendo de la demanda de carga presente.
La salida del controlador maestro es una señal de demanda de potencia. Esta señal pasa a
través de un limitador de alto flujo, el cual limita el valor de la señal al 110% de demanda. Este
límite se selecciona para evitar un apagado súbito del reactor (scram), o posibles daños al
combustible cuando la potencia aumente. La señal de demanda de potencia es enviada hacia
un sumador, en donde es comparada con la potencia térmica real del reactor. Esta última señal
es generada por el canal A o el C del Sistema de Monitoreo Promedio en el Intervalo de
Potencia (APRM).
La diferencia entre la señal procedente del controlador maestro y la señal generada por APRM
genera una señal de error de potencia. Esta señal pasa por un limitador de error que limita el
valor de la señal a ±20% de potencia. La salida del limitador es aplicada al controlador de flujo
neutrónico. Si la señal de error de potencia cambia de una manera anormalmente rápida, un
detector de falla de la señal activará una alarma en la consola del operador, y provocará la
transferencia del controlador de flujo a modo manual.
3.2-13
3.2.2.1.2 Controlador de Flujo Neutrónico (Fig. 3.2-1)
El controlador de flujo suministra una señal de demanda de caudal, que es utilizada para
controlar las válvulas de ambos lazos de recirculación. En este controlador existen dos botones
que permiten al operador seleccionar entre los modos de operación automática o manual. En el
modo manual, puede generarse una señal de demanda de caudal utilizando un interruptor
deslizable montado al frente del controlador.
En el modo automático, el controlador de flujo acepta la señal de error de potencia procedente
del limitador de error y del controlador maestro. El controlador de flujo convierte esta señal de
error de potencia en una señal de demanda de caudal, referida al caudal motriz nominal. Esta
señal de demanda de caudal pasa por un limitador de alto caudal que evita que la demanda de
caudal motriz exceda el 102% del valor nominal. Se requiere este límite para evitar que la señal
de salida del controlador de flujo demande un caudal que sobrepase los límites de diseño
establecidos en el mapa de potencia/caudal. La señal progresa entonces hacia un limitador de
bajo caudal, mismo que funciona solamente cuando el controlador está en modo automático. El
limitador de bajo caudal evita que el valor de la señal de demanda de caudal caiga por debajo
del 48%. Este límite de bajo caudal toma en cuenta consideraciones sobre la estabilidad del
núcleo durante la operación en modo automático. No existe límite de bajo caudal para el modo
manual, por lo que el caudal puede reducirse al mínimo.
3.2.2.1.3 Controladores del Caudal en cada lazo (Fig. 3.2-1)
Los controladores del caudal en cada lazo proporcionan una señal modificada de demanda de
caudal, que es utilizada para controlar la válvula correspondiente. Existen en cada uno de los
controladores unos botones que permiten al operador seleccionar entre el modo de operación
manual o el modo automático. En el modo manual, se genera una señal de demanda de caudal
por medio de un interruptor deslizable instalado frente al controlador. El modo manual
proporciona al operador la capacidad de controlar el caudal en cada lazo de manera
independiente.
En el modo automático, el controlador de cada lazo recibe la señal de demanda de caudal
procedente del controlador de flujo neutrónico, y la compara con el caudal real en el lazo. Si
existe una diferencia entre estas señales, el circuito integrador del controlador incrementa o
decrementa el valor de la señal de demanda de salida. Esta señal progresa hasta un circuito
limitador que asegura que el integrador no envía una señal que exceda los límites presentes en
±10%. La señal de salida de cada controlador se procesa en un limitador, para limitar el valor de
la señal de demanda a un 48% como máximo, tomando en cuenta la posible ocurrencia de un
evento de pérdida de una bomba de agua de alimentación. Este limitador es activado cuando
ocurre el disparo de una bomba de agua de alimentación, o cuando se tiene un bajo caudal en
la descarga de tales bombas coincidente con una alarma de bajo nivel en la vasija (Nivel 4).
Esto inicia el cierre de la válvula de control de flujo para reducir la potencia del reactor hasta el
70% aproximadamente, misma que está dentro de la capacidad de la bomba de agua de
alimentación que aún permanece en servicio. De manera simultánea, el circuito también
transfiere a modo manual el controlador de caudal.
3.2.2 Generador de Función (Fig. 3.2-1)
Después de pasar por el limitador, la señal de demanda de caudal es enviada a un generador
3.2-14
de función para corregir la respuesta no lineal de la válvula controladora de caudal. La señal de
control para la demanda de caudal es lineal y directamente proporcional al caudal de
recirculación deseado. Sin embargo, el cambio en el caudal de recirculación provocado por un
cambio en la posición de la válvula no es lineal. Por esto, el generador de función cambia la
señal lineal de demanda de caudal por una señal de posición de válvula compatible con las
características de flujo de la misma. Esencialmente, el generador de función convierte la señal
de demanda de caudal en una señal de demanda de posición de válvula.
La salida del generador de función es monitoreada por un detector de falla de señal. Si la salida
es anormalmente alta (50%) o baja (-5%), se activa automáticamente un interbloqueo para
inhibir el movimiento de la válvula controladora, bloqueandola en la última posición controlada
antes de la falla de señal.
3.2.2.3 Limitador/Controlador de Posición (Fig. 3.2-1)
La salida del generador de función progresa hasta el controlador de posición, el cual desarrolla
la señal de posición de válvula. La señal de demanda de posición se compara con la señal de
posición real de la válvula (una señal real de posición del cero por ciento corresponde a una
posición mínima de apertura de la válvula del 24% aproximadamente). Se tiene entonces una
señal disponible de retroalimentación que permite un control preciso de la posición de la
válvula, limitando oscilaciones y sobrecarrera excesiva de la válvula. Dentro del controlador de
posición existe un limitador que restringe la señal de salida entre un valor mínimo y uno
máximo. La salida del controlador de posición es una señal de demanda de velocidad para la
válvula.
3.2.2.4 Controlador de Velocidad (Fig. 3.2-1)
El controlador de velocidad recibe una señal de demanda de velocidad, y una señal de
retroalimentación de la rapidez de cambio en la posición (velocidad), para limitar oscilaciones y
sobrecarrera excesiva, y proporcionar una respuesta suave respecto a demandas del sistema.
Este controlador genera una señal que se envía hacia el servocontrolador, y limita la rapidez de
la respuesta de la válvula a valores aceptables (10% de cambio de posición por segundo).
3.2.2.5 Servocontrolador (Fig. 3.2-1)
El servocontrolador envía una señal de posición a su servoválvula de control respectiva en la
unidad de potencia hidráulica. Este servocontrolador recibe una señal de voltaje representativa
de la demanda de posición de la válvula, procedente del controlador de velocidad, y la convierte
en una señal de corriente útil para la servoválvula de control.
3.2.2.6 Unidad de Potencia Hidráulica (Fig. 3.2-4)
Para cada válvula controladora existe su correspondiente unidad de potencia hidráulica, como
se puede apreciar en la figura 3.2-4, y cada unidad está constituida por dos subsistemas, uno
en operación y el otro en reserva. Las válvulas controladoras y sus actuadores están instaladas
en el pozo seco, mientras que las unidades de potencia hidráulica están instaladas fuera de la
contención primaria, en el edificio del reactor.
Las bombas hidráulicas de cada unidad son de desplazamiento positivo del tipo pistón, capaces
3.2-15
de entregar 21 gpm, a una presión de 5000 psig a la descarga. Las bombas succionan aceite
de un depósito común cuya capacidad es de 100 galones.
En la descarga de cada bomba se encuentra instalada una válvula de alivio, que mantiene una
presión constante en el cabezal de suministro de 1900 psig, liberando el exceso de presión al
descargar aceite hacia el depósito común. Para amortiguar los cambios en la demanda del
sistema, y reducir al mínimo las fluctuaciones en la presión, existen acumuladores montados en
la descarga de las bombas. Si la presión a la descarga de una bomba disminuye a menos de
1650 psig, la bomba que está en reserva arranca automáticamente. El aceite utilizado en el
sistema es enfriado mediante un intercambiador de calor con aire impulsado por un ventilador
eléctrico.
El aceite que circula de regreso desde la bomba hacia el depósito, pasa por un tubo con aletas
que actúa como intercambiador de calor, y es enfriado con el ventilador. El ventilador arranca
cada vez que la bomba asociada entra en operación. El caudal de aceite en el intercambiador
de calor es controlado por una válvula autocontenida de control de temperatura que detecta la
temperatura del depósito.
Dentro del depósito de aceite, en la succión de cada bomba, están instaladas coladeras
magnéticas, y en la línea de descarga de cada bomba existe un filtro tipo cartucho. Existen
además filtros tipo tierra, instalados en paralelo a los intercambiadores de calor, para controlar
la contaminación química del aceite. La servoválvula de control proporciona el caudal de aceite
requerido al actuador de la válvula controladora del caudal de recirculación, determinando así la
posición de esta última. La servoválvula controla el caudal desde y hacia el actuador,
regulándolo a 25 gpm. El servo recibe señales eléctricas de control procedentes del
servocontrolador, de manera que al incrementar la magnitud de la señal, se incrementa el
caudal y la velocidad del actuador hidráulico. Al invertir la polaridad de la señal, se invierte la
trayectoria de flujo del aceite. Cuando un sub-lazo es apagado, los circuitos lógicos reducen la
señal de control para cerrar la servoválvula.
3.2.2.7 Válvula Controladora de Caudal (Fig. 3.2-5a)
Esta válvula se localiza en la tubería de recirculación, entre la bomba de recirculación y la
válvula de aislamiento instalada en la descarga. Es una válvula de bola, instalada verticalmente
y operada hidráulicamente. Está diseñada, hasta donde las limitaciones prácticas lo permiten,
para tener características lineales de flujo. El caudal es controlado al colocar la bola en diversas
posiciones, mediante un actuador hidráulico montado en el cuerpo de la válvula y conectado al
vástago de la misma por un acoplamiento mecánico.
3.2.3 Operación del Sistema
El arreglo para control está diseñado para cubrir dos requerimientos básicos en la generación
de electricidad. En primer lugar, la capacidad de la central para mantener un nivel fijo de
potencia (carga-base). Esto se logra mediante la estabilidad del sistema de control en el modo
maestro de operación manual, y en la capacidad de retroalimentación del flujo neutrónico para
mantener el nivel de potencia. Por otra parte, el sistema tiene que funcionar adecuadamente en
demanda variable, lo que implica requerimientos de seguimiento de carga. Esos requerimientos
van desde cambios muy pequeños en la carga, que pueden cubrirse conectando o
desconectando unidades a la red, hasta cambios rápidos pero pequeños que requieren de
unidades que controlen la frecuencia de la red. Este problema se resuelve con el modo maestro
3.2-16
de operación automática, el cual provoca que la electricidad generada cambie automáticamente
alrededor de un punto de ajuste para la carga, dependiendo de los cambios de carga en la red,
indicados por variaciones en la velocidad de la turbina. Tal punto de ajuste para la carga puede
ser seleccionado por el operador.
Varios parámetros establecen el intervalo disponible por el seguimiento automático de carga,
respecto a un BWR: (1) la pendiente de la línea del patrón de barras, en el mapa de
potencia/caudal; (2) la estabilidad del lazo cerrado; (3) el caudal y la potencia nominales de la
central; y (4) los límites de cavitación del sistema de recirculación. La consideración de tales
parámetros resulta en una capacidad para el seguimiento automático de carga, comenzando
con un caudal en el núcleo mayor al 65%, y un nivel de potencia en el reactor mayor al 35%
aproximadamente.
3.2.4 Mapa de Potencia/Caudal (Fig. 3.2-6)
La operación normal se desarrolla dentro de los límites del mapa de potencia/caudal. Las líneas
definen cambios en la potencia debidos a cambios en el caudal en el núcleo, y cambios en el
caudal provocados por cambios en la potencia. Las líneas importantes del mapa de
potencia/caudal, mostrado en la figura 3.2-6, son las siguientes:
Línea de Circulación Natural
A medida que la potencia se incrementa mediante la extracción de barras de control, el caudal
en el núcleo aumentará como consecuencia de los efectos de la circulación natural. El vapor y
el agua más caliente dentro de la envolvente del núcleo, poseen una densidad menor que el
agua subenfriada del área de escurrimiento. Este efecto soportará un caudal por circulación
natural en el núcleo, que suplementará a la circulación forzada. La circulación natural ocurre
independientemente de la circulación forzada. Su efecto es más pronunciado a bajo caudal en
el núcleo, ya que a bajo caudal y baja potencia, la resistencia al flujo disminuye.
Línea de Velocidad Mínima de la Bomba
Esta línea define el caudal en el núcleo para varios niveles de potencia, con las bombas
operando a velocidad mínima. Existen en realidad dos líneas de velocidad mínima, una
correspondiente a la máxima apertura de la válvula controladora de caudal, y otra para la
mínima apertura de la misma válvula.
Interbloqueo de Cavitación de la Válvula Controladora
Esta línea define el límite del 30% de potencia, para la mínima apertura de la válvula
controladora, si la posición de esta válvula es menor que el límite de cavitación del 26%.
Línea de Control de Caudal
Define el cambio en la potencia para un patrón de barras fijo, en función del cambio de caudal
en el núcleo.
3.2-17
Línea de Velocidad Constante
Define el cambio de caudal en el núcleo, con las bombas operando a velocidad constante,
debido a cambios en el patrón de barras. El caudal aumenta cuando la potencia disminuye
(mediante la inserción de barras de control), a consecuencia de una disminución en la
resistencia al flujo en el canal, a medida que la generación de vapor disminuye.
Interbloqueos de Cavitación de las Bombas de Chorro
Estas líneas definen áreas fuera de la región de operación normal, donde puede manifestarse
cavitación en las bombas de chorro.
Línea de Cavitación de las Bombas de Recirculación
Debajo de esta línea es posible la ocurrencia de cavitación en las bombas de recirculación.
Posición Mínima de la Válvula Controladora de Caudal
Esta línea define relaciones entre el caudal en el núcleo y la potencia, con las válvulas
controladoras en su mínima posición, y con las bombas de recirculación operando a velocidad
alta.
3.2.5 Arranque de la Central
Antes del arranque de la central, los controladores maestro, de flujo neutrónico, y de caudal en
cada lazo, deben operarse en modo manual y en su mínima posición. Las bombas de
recirculación se arrancan a velocidad baja (suministro de 15 Hz), tal como se expuso en la
sección correspondiente al Sistema de Recirculación. Mientras las bombas están operando a
velocidad baja, el caudal en el núcleo puede ser ajustado por el operador, fijándolo dentro de
las líneas correspondientes a la máxima y la mínima posición de la válvula controladora de
caudal, correspondientes a la velocidad mínima de la bomba.
Una vez que el reactor ha alcanzado la criticidad, y que la central se estabiliza al 10-15% de la
potencia nominal, la elevación hacia potencia máxima se lleva a cabo mediante una
combinación de extracción de barras de control y cambios en el caudal de recirculación. A
medida que la potencia aumenta por la extracción de barras de control, el caudal en el núcleo
se incrementa siguiendo la línea de posición mínima de la válvula controladora a 15 Hz, como
consecuencia de la circulación natural.
Las barras de control son extraídas de acuerdo a patrones aprobados, hasta que la potencia es
del 30% o mayor, para evitar los interbloqueos por cavitación. Ambas válvulas controladoras de
caudal son colocadas en la posición mínima, para transferir las bombas de recirculación, una a
la vez, hacia velocidad alta, suministrándoles potencia a 60 Hz. Una vez que ambas bombas
han sido transferidas a velocidad alta, el sistema de control de caudal puede transferirse al
modo manual por flujo neutrónico.
Nuevamente se extraen barras de control hasta que se alcanza una línea correspondiente al
patrón de barras deseado. Entonces, la operación a lo largo de esa línea es posible ajustando
el caudal de recirculación.
3.2-18
Cuando se alcanza la potencia requerida en el reactor, y se espera una operación en este
nivel de potencia o alrededor de este, el operador puede transferir el controlador de flujo
neutrónico al modo automático. Con esto, el sistema de control de caudal de recirculación
se encuentra operando en el modo maestro manual.
Debido a los considerables cambios que ocurren localmente cuando se extraen barras de
control con el reactor operando cerca de la potencia nominal, es muy poco frecuente la
extracción de barras en estas condiciones. Si se requiere alterar el patrón de barras, es
común que la válvula controladora se ubique en su mínima posición, con el controlador de
flujo neutrónico en modo manual, antes de alterar el patrón de barras. Es importante
observar que los cambios debidos a movimiento de barras de control, con el controlador
maestro en modo manual, serán compensados por un cambio automático en la posición
de la válvula controladora demandado por la señal de retroalimentación proveniente de los
APRM.
Fig.3.2-1
3.2-19
3.2-20
3.2-21
3.2-22
Fig.3.2-4
3.2-23
3.2-24
3.3
SISTEMA DE CONTROL ELECTROHIDRAULICO (EHC) Fig. 3.3-1
3.3.1
Objetivo
Los objetivos del sistema de control electrohidráulico (EHC) son los siguientes:
3.3.2
a.
Mantener una presión constante en la vasija del reactor durante la
operación normal.
b.
Controlar la velocidad y carga del turbogenerador, así como la presión en la
vasija del reactor.
Efectos de la Presión en un BWR
Los efectos que tiene un cambio en la presión de un reactor BWR en ciclo directo son los
siguientes:
a.
Aumento de Presión.
Al aumentar la presión se origina un colapso de vacíos, lo cual aumenta la
densidad del moderador, dando como resultado, más neutrones térmicos
disponibles para el proceso de fisión, aumentando la potencia del reactor.
Un incremento de potencia tiende a aumentar la presión aún más
produciendo un efecto acumulativo.
b.
Disminución de Presión
Este hecho origina una cierta vaporización súbita del moderador,
aumentando el volumen de vacíos en el núcleo, lo que ocasiona una menor
moderación (mayor fuga) neutrónica y una reducción en la potencia del
reactor; dicha reducción tiende a disminuir aún más la presión.
3.3.3
Descripción
El EHC es un sistema que conjuga unos componentes eléctricos que actúan
hidráulicamente sobre las válvulas de control y de baipas de la turbina para controlar la
presión en la vasija, ofreciendo también la posibilidad de regular la potencia del reactor
variando el caudal de recirculación.
Las principales unidades de control del EHC son:
-
Subsistema de control de presión
Subsistema de control de baipas
Subsistema de control de velocidad-carga
Subsistema de control de caudal
3.2-25
3.3.4
Subsistema de Control de Presión (Fig. 3.3-2b)
La misión básica de este subsistema de control es comparar la presión en el colector
igualador con la referencia ajustada en el selector de presión, y convertir el error resultante
en una demanda de caudal de vapor.
Para aumentar la fiabilidad del sistema, se dispone de dos comparadores que realizan, la
misma función. Sin embargo, con el fin de asegurar el control de un solo comparador a la
vez, se introduce un voltaje constante (set point bias) en uno de los comparadores
(normalmente el B) el cual actuará como respaldo del otro.
El intervalo de actuación del selector de presión es de 10 kg/cm2 a 75 kg/cm2 y genera dos
señales, iguales, de referencia para la posterior comparación con las señales de los
Transmisores de presión que se encuentran en el colector igualador.
En el panel del EHC, se dispone de dos luces, las cuales mostrarán cuál controlador esta
seleccionado para controlar la presión.
La señal de error de presión procedente de cada comparador, se convierte en una señal
de demanda de caudal de vapor en la unidad de ganancia, la cual tiene un factor de
amplificación de 47.57%/kg/cm2. Esta ganancia se determinó empíricamente para
conseguir una respuesta rápida y una buena estabilidad.
a)
Relación Presión del Reactor - Caudal de Vapor (Fig. 3.3-3)
Una vez realizado el calentamiento del reactor, se ajusta el valor de la presión en el
selector a 68.2 kg/cm2, este será el valor de la presión al 100% del caudal de
vapor.
Adicionalmente en forma experimental se determinó una banda de regulación de
presión de 2.1 kg/cm2, en base a la necesidad de contar con un sistema de control
que tuviese una respuesta rápida y fuese relativamente estable.
En base a lo anterior se puede calcular el caudal de vapor utilizando la siguiente
relación:
Qv =
Pi - Pref + 2.1
2.1
x 100
donde
Qv:
Pi:
Pref:
Caudal de Vapor
Presión en el colector igualador
Presión de referencia
3.2-26
Por ejemplo:
Si no existe presión en el colector igualador el flujo de vapor será cero.
Si la presión en el colector igualador es 66.8 kg/cm2 obtendremos que
Qr =
66.8 - 68.2 + 2.1
2.1
x 100
por lo tanto
Qv =
33.3%
Si la presión en el colector igualador es de 68.2 kg/cm2 obtendremos que:
Qv =
68.2 - 68.2 + 2.1
2.1
x 100
por lo tanto
Qv =
100%
En definitiva, y tal como se había adelantado, debe existir un pequeño error de
presión entre el valor de referencia y la presión en el colector igualador de presión
más 2.1, ya que si no existiera no habría caudal de vapor hacia la turbina.
En la figura 3.3-3 se observa también la evolución de la presión del reactor en todo
el rango de operación de la planta. Como se ve, la presión en el reactor a 0% de
carga es de 66.1 kg/cm2 mientras que al 100% es de 72.1 kg/cm2.
El área comprendida entre la curva de la presión del reactor y la del colector
igualador representa las pérdidas de carga originadas en las tuberías (recuérdese
que a mayor caudal, mayor pérdida de carga).
La señal de demanda de caudal de vapor pasa por una compuerta de alta señal, la
cual seleccionará la señal de vapor más alta de las dos entradas para controlar las
válvulas respectivas. El arreglo mencionado protege al sistema contra fallas del
regulador de presión que pudieran provocar que su
salida disminuyera
sustancialmente, lo que conduciría a que las válvulas de control cerrarán y se
incrementará la presión y la potencia del reactor.
Posteriormente, la señal de demanda del caudal de vapor pasa por una compuerta
de baja señal, que la dejará progresar siempre que sea inferior al valor del
"limitador de caudal máximo combinado".
Generalmente, se ajusta el potenciómetro del limitador de caudal máximo
combinado a 105% para evitar una apertura conjunta de válvulas de control y de
baypass superior al 105% del caudal nominal de vapor.
3.2-27
A continuación la señal de salida se dirige hacia otra compuerta de baja señal, que
la dejará progresar siempre que sea inferior al valor del limitador de carga o no
exista señal de disparo de turbina.
La señal que progresa es conducida hacia otra compuerta de baja señal, la cual
escoge la señal más baja entre esta señal y la señal del limitador de posición de
válvulas del control.
Generalmente, se ajusta el potenciómetro del limitador de posición de válvulas de
control a 102% para proteger a la turbina o al generador durante condiciones
anormales de operación.
3.3.5
Susbsistema de Control de Baypass (Fig. 3.3-4)
El objetivo esencial de este subsistema es ordenar la apertura de las válvulas de baypass
para absorber el vapor producido en el reactor que no pueda ser absorbido por las
válvulas de control.
El subsistema dispone de un sumador que recibe la señal que sale de la compuerta de
baja señal, que compara la señal de demanda de caudal de vapor y la del limitador
máximo combinado, y de la compuerta de baja señal que compara la señal de demanda
de caudal de vapor y la del limitador de posición de válvulas de control.
Adicionalmente a este sumador le llega una señal que evita la apertura de las válvulas de
baypass si no existe un buen vacío en el condensador.
El subsistema dispone de un relevador que permite abrir manualmente las válvulas
cuando en el panel del EHC se selecciona operación manual.
3.3.6
Subsistema de Control de Velocidad - Carga (Fig.3.3-5)
a)
Descripción
El objetivo de este subsistema es demandar una señal de caudal de vapor de
acuerdo con la carga eléctrica o con la velocidad requerida de la turbina. Utilizando
el panel del EHC el operador demanda el valor de velocidad o carga en la
compuerta 1 que actuará como punto de ajuste. Posteriormente en el mismo panel
el operador demanda la razón de aceleración en la compuerta 2, ocasionando que
el contador de referencia trate de alcanzar al contador de ajuste, su valor será
introducido a un convertidor digital-analógico, cuyo valor final (analógico) será el
punto de referencia definitivo, ya sea en revoluciones por minuto (RPM) o en
megawatts (MW), para el subsistema de control de velocidad-carga.
b)
Aceleración del Turbogenerador
Cuando se trata de acelerar el Turbogenerador (antes de la sincronización), el
valor de referencia se introduce a través del interruptor de máquina que se
3.2-28
encuentra normalmente cerrado a un circuito comparador, en donde se compara
con la señal de velocidad (canal principal) que proviene del Turbogenerador, la
señal de error de velocidad se dirige hacia el módulo de regulación de velocidad
donde se convierte en una señal de demanda de caudal de vapor en la unidad de
ganancia, la cual tiene un factor de amplificación de 5%, a partir de este punto se
manda la señal a un sumador (durante un arranque de Turbina, es la única señal
que llega al sumador), introduciéndose después al controlador de velocidad-carga,
siendo la única señal que se envía al próximo sumador (durante un arranque de
turbina, es la única señal que llega al sumador), su salida se introduce a una
compuerta de baja señal donde el valor en cuestión se compara con la señal de
salida del subsistema de control de presión.
c)
Toma de Carga
Cuando se cierra el interruptor se cambia el estado de los contactos auxiliares del
interruptor de máquina, cambiando la trayectoria de las señales; la referencia de
MW ahora entra al primer sumador; se conecta una referencia de velocidad
constante, de 1800 RPM para compararse con la señal de velocidad proveniente
del Turbogenerador y la diferencia se introduce al módulo de regulación de
velocidad y de aquí se manda al primer sumador.
Adicionalmente este sumador recibe la señal de presión del primer paso de la
turbina que representa la carga actual de la turbina.
La señal de salida del primer sumador es la diferencia que existe entre la carga
actual en la turbina y la carga demandada por el operador.
Esta señal se envía al controlador de velocidad-carga, el cual da una señal
proporcional al error, la cual es introducida al segundo sumador.
A este sumador le llegan otras tres señales que evitan problemas de presión en la
vasija cuando se esta trabajando en determinadas condiciones de operación.
La señal de salida se introduce a una compuerta de baja, donde el valor en
cuestión se compara con la señal de salida del subsistema de control de presión.
d)
Aspectos Generales
El subsistema de control de velocidad-carga está compuesto por dos canales
(canal A y B) idénticos; el canal A es utilizado para operación normal y el canal B
para respaldo. El canal B sigue automáticamente al canal A de modo que ambas
señales de control son siempre iguales, en caso de que se presente una condición
anormal (diferencia mayor al 20%) se presenta una alarma en el panel de
mantenimiento para que el operador juzgue cuál canal es el anormal y lo ponga
fuera de servicio.
Este subsistema posicionará las válvulas de control de acuerdo con la velocidad y
3.2-29
ritmo de aceleración seleccionado durante el rodado de turbina, o bien durante el
calentamiento de la carcasa o caja de válvulas de turbina.
3.3.7. Subsistema de Control de Caudal
El subsistema de control de caudal permite variar el caudal de recirculación para modificar
la potencia del reactor.
Las demandas de carga originadas en el subsistema de control de velocidad-carga se
comparan con la potencia a la que se encuentra la unidad. El error resultante de esta
comparación, siempre que el sistema de control de recirculación esté en automático,
modificará el caudal de recirculación para acomodar el caudal de vapor con la carga
eléctrica deseada.
Hay que hacer notar, que si el controlador maestro del control de recirculación está en
manual la señal de error de demanda de carga no progresa hacia el sistema de
recirculación, y la potencia del reactor no puede modificarse desde el selector de carga.
El subsistema dispone además de un dispositivo que modifica el punto de ajuste de
referencia del subsistema de control de presión durante las demandas de carga, siempre
que el controlador maestro de recirculación esté en automático.
Las características principales de este dispositivo son tales que ante demandas de carga,
provoca una disminución del punto de ajuste de presión, produciendo una apertura
instantánea de las válvulas de control aumentando el caudal de vapor mientras tanto el
error de demanda de carga iría progresando hacia el sistema de recirculación para
aumentar el caudal e incrementar la potencia del reactor.
El incremento del caudal de vapor en el instante inicial procede de la energía almacenada
en la vasija y en las líneas de vapor. Físicamente lo que sucede es que al abrir las
válvulas de control, la vasija se despresuriza, produciéndose una brusca vaporización de
parte del agua presente en el reactor. Cuando el caudal de vapor sea igual al demandado
es decir que la señal de error de demanda sea nula, la señal de ajuste del punto de
referencia de presión debe ser restablecida a cero para mantener las condiciones de
operación deseadas.
3.2-30
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