Ciencia al descubierto
Simulación de centrales eléctricas:
grandes beneficios en la capacitación de operadores
"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."
Antecedentes
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 simulación es complicada?
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.
Beneficios de la simulación
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:
- 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.
Aprovechamiento del simulador - Invensys.
Caso práctico: simulador diésel de emergencia
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.
Pruebas y seguridad, ante todo
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.
Módulos del proyecto simulador.
Prototipo para pruebas de diversos módulos del simulador.
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.
Validación de pruebas del simulador
Autor:
Eric Zabre Borgaro, ezabre@ineel.mx
Rafael Román Cuevas, rroman@ineel.mx