"En el más amplio sentido, la simulación es la imitación del comportamiento de procesos o sistemas del mundo real, que durante el tiempo implica la observación histórica. El objetivo de la simulación es evaluar la alternativa de la práctica disponible para sustentar las mejores estrategias que implican un comportamiento y el uso óptimo de recursos. Por tanto, un simulador debe proveer a los operadores, en el caso de la generación de centrales eléctricas, las mejores y más modernas herramientas, así como un poderoso y sólido conocimiento en casos de emergencia mediante la capacitación."

Referirnos a la simulación, implica computadoras, software, hardware, modelos matemáticos y una serie de disciplinas profesionales que interactúan entre sí, así como técnicos de diversas áreas. El uso continuo de cualquier simulador degrada las partes del equipo, por lo que es necesario actualizarlo y darle mantenimiento para conservarlo en óptimo estado, dando como resultado una alta disponibilidad que repercute en beneficios de la capacitación y operación diaria de operadores, por lo que es necesario enfocar la atención a situaciones de riesgo, accidentes, incidentes y otros aspectos relacionados con la seguridad de los recursos en las plantas generadoras.

Las plantas nucleares cuentan con procedimientos muy rigurosos de seguridad. Sin embargo, y a pesar de eso, por diversas razones han ocurrido graves accidentes culminando en el cierre de algunas centrales, como ha sido el caso de la central Three Mile Island, Pensilvania, EE. UU., en 1979, cuyo reactor TMI-2 colapsó debido a una fusión parcial del núcleo del reactor. La central ha pasado a un largo y costoso proceso de descontaminación y actualmente está fuera de servicio. Otro severo accidente fue el conocido caso de la central Vladimir Ilich Lenin, mejor conocida como Chernóbil, Ucrania, en 1986, causado por un incremento súbito de potencia en el reactor 4, produciendo un sobrecalentamiento del reactor que culminó en una explosión de hidrógeno en su interior y en el cierre no nada más de la central, sino en la permanente evacuación de la ciudad Chernóbil. Un caso más reciente ocurrió en la central Fukushima I, Japón, en 2011, causado por un maremoto de magnitud 9, de acuerdo a la escala sismológica de magnitud de momento (Mw). Como medida de autoprotección, los reactores se detuvieron, interrumpiendo la generación de energía eléctrica, iniciando nuevamente la puesta en operación de la central mediante apoyo de generadores diésel de emergencia, sin embargo, el maremoto produjo una serie de complejos eventos seguido de una ola muy grande cargada de energía, conocida como tsunami, sin posibilidad de detenerla, inundando secciones de la central y deteniendo súbitamente los generadores diésel, causando a su vez fallas técnicas en cascada, pérdida total de control de la central y sus reactores. Después del incidente, fue inminente la evacuación de miles de personas afectadas en una región de hasta 64 kilómetros a la redonda. Subsecuente a esta catástrofe, organismos certificados en la seguridad nuclear iniciaron una exhaustiva revisión a los sistemas de seguridad a nivel mundial, identificando oportunidades de mejora en caso de ocurrir severos accidentes como los mencionados.

Es así que, con estos antecedentes, el Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias (INEEL) desarrolló un proyecto que consiste en el diseño, elaboración, pruebas y puesta en operación de la infraestructura de un simulador para un generador diésel de emergencia (SDE), para apoyar y reforzar la capacitación de operadores ante la ocurrencia de emergencia o pérdida de energía (blackout) mediante el entrenamiento en un SDE.

Antes de abordar un caso práctico, es conveniente aclarar algunos aspectos sobre la simulación y la capacitación, lo que facilitará la comprensión del tema en cuestión.

La complejidad de la simulación depende de la precisión deseada, es decir, qué tanto es deseable simular un proceso. Esta exigencia depende del grado de fidelidad del simulador, la computadora, los modelos matemáticos, la precisión de los instrumentos de campo, la velocidad de adquisición de los datos, entre otros, y desde luego, de la completa información de la planta o proceso a simular.

La simulación ofrece grandes beneficios para la capacitación y existen evidencias de la relación costo vs beneficio en términos financieros. Algunos aspectos que determinan los beneficios de la simulación son:

 La simulación es divertida, sí pero extremadamente útil para tareas teóricas o de investigación, es decir, resuelve el "qué pasaría si..." para determinar un posible resultado.

 Aún para pequeñas organizaciones, ya sea de manufactura, de proceso o afines, identifica problemas dentro del proceso.

 Una vez identificada alguna problemática, los modelos son utilizados con el propósito de mejorar el proceso. Ayuda a mejorar métricas de rendimiento.

 Es totalmente libre de riesgos ante maniobras que no podrían realizarse en la realidad por el costo y pérdidas que en la realidad implican.

 La simulación sustenta la toma de decisiones en pro de cualquier beneficio.

De acuerdo con Invensys, fabricante de simuladores del multinacional grupo Scheneider Electric, la simulación llevada a cabo en un simulador redunda en un 80-100% el aprovechamiento de la capacitación.

En resumen, la simulación no es un lujo, sino una redituable inversión.

El simulador diésel de emergencia reproduce la instrumentación de los paneles reales y con la infraestructura necesaria adquiere y actualiza las señales de entrada y salida (E/S), que están embebidas en la arquitectura de hardware diseñada por el INEEL. Posteriormente, los modelos matemáticos del SDE que han sido incorporados procesan las señales adquiridas y los valores son presentados en interfaces de despliegue en monitores, así como también la instrumentación virtual. La arquitectura está implementada en la plataforma tecnológica de E/S Beckhoff®, especialmente para ser utilizada en paneles en cuartos de control donde se ubica el simulador completo. El SDE está formado por varias partes: fuentes de alimentación general, servidor, modelos matemáticos, conmutador LAN, conexiones auxiliares y módulos de E/S, así como la que contiene instrumentación asociada tal como medidores analógicos, digitales, manetas, sincronoscopios, bocinas, alarmas entre otros, conectados a los módulos de E/S. La instrumentación está instalada en las partes frontales de las puertas de los gabinetes de cada una de las secciones del generador diésel.

En este tipo de desarrollos es muy importante preservar la funcionalidad de cada tipo de E/S, considerando que el SDE puede integrarse a un simulador ya existente.

Configuración de la plataforma de E/S

La configuración inicia suministrando el voltaje necesario de +24 VCD, así como la tierra de referencia y seguridad a 0 V. Después se asigna una dirección IP al controlador, para que éste se comunique apropiadamente con la computadora principal a través de una red Ethernet.

Los valores de las señales de E/S residen en una base de datos, así como los consumos de corriente, tipo de cableado, módulo asociado de E/S, variables, entre otros. Una vez realizada la configuración adecuada, el controlador identifica cada módulo de E/S, inicia un diagnóstico local y establece una comunicación continua con cada módulo, dando por iniciada la sesión de simulación.

Previo a la puesta en operación, es importante considerar todos los aspectos de seguridad, como son los parámetros eléctricos y la configuración, y validarlos para asegurar el correcto funcionamiento de la tecnología del simulador que será utilizado por los operadores durante alguna de las etapas en un programa de capacitación.

Pruebas de aceptación en fábrica

En el INEEL, cada vez que se realiza un simulador, se construye un prototipo con una configuración mínima de instrumentación, entradas y salidas de tipo digital y analógica y tierra de referencia común.

En sitio

Una vez realizadas las pruebas de fábrica, el SDE se traslada a sitio, se instala y se verifican los aspectos eléctricos, fuente de alimentación, cableado, señales punto a punto, tanto con multímetro como con interfaz de diagnóstico de E/S.

Se establecen los criterios de prueba basados en la especificación original para comprobar los resultados, en presencia del cliente o usuario final. Todas las señales deben verificarse dentro de operaciones y rangos admisibles de manera satisfactoria y se realizan los ajustes necesarios para minimizar las discrepancias existentes.

Paneles físicos y virtuales

El desarrollo del SDE es la plataforma básica necesaria para la adquisición de señales de E/S. El hardware del simulador es una de las partes tan importantes como lo son los modelos e interfaces del mismo, y todas interactúan entre sí formando el simulador completo.

El SDE ahora puede integrarse a cualquier simulador de alcance total, ya sea que cuente con tableros físicos o paneles virtuales en un aula de capacitación. Este es el resultado de un simulador diésel de emergencia completo.

Resultados finales

Una vez que los diversos elementos han sido verificados e integrados entre sí, es decir, el hardware con sus parámetros eléctricos y señales interconectadas a los modelos matemáticos, las interfaces de despliegue y monitoreo en los paneles, y habiendo realizado maniobras operativas, se observa el comportamiento del simulador, la respuesta de los instrumentos de campo y se corrobora contra la especificación, el diseño original y los requerimientos de capacitación que el cliente demanda.

Finalmente, cabe mencionar que este tipo de desarrollos realizados en el INEEL forman parte de las aplicaciones que demanda la capacitación de operadores de centrales generadoras de la Comisión Federal de Electricidad, y también son parte de los programas de capacitación que el INEEL ofrece a usuarios fuera del territorio nacional.

Autores:
Eric Zabre Borgaro, ezabre@ineel.mx
Rafael Román Cuevas, rroman@ineel.mx