Usando aquisição de dados para garantir a operação segura e confiável de uma usina nuclear

Informações de contexto

Testar rigorosamente Plantas de Reatores Nucleares (NPPs) é fundamental para assegurar a resistência, durabilidade e confiabilidade de seus sistemas primários e elementos estruturais ao longo de seus ciclos de vida. O comissionamento das unidades de potência das NPP inclui testes de campo usando equipamentos de ensaio conhecidos como Sistemas de Medição de Comissionamento (CMS). 

Os engenheiros usam essas ferramentas CMS para aprovar as condições de projeto de montagem e facilitar quaisquer ajustes necessários nos equipamentos. As ferramentas CMS medem dados sobre o comportamento em modos de operação e dados 'ao vivo' para detecção de incidentes. Elas também auxiliam na tomada de decisões relativas à mitigação de incidentes durante a fase de comissionamento.

Este estudo de caso descreve como a maior usina nuclear da Índia padronizou os instrumentos de aquisição de dados (DAQ) da Dewesoft para realizar esses testes que garantem a segurança e a confiabilidade dos sistemas críticos da usina.

Os trabalhos de comissionamento envolvem uma ampla gama de requisitos de ensaio e medição. São selecionados instrumentos CMS capazes de coletar dados em ambientes exigentes. O processo inclui numerosas tarefas e prioridades:

• Definir o escopo dos requisitos de ensaio e elaborar uma lista de requisitos para os equipamentos de teste necessários. Os equipamentos CMS devem ser capazes de confirmar a resistência da planta do reator, a confiabilidade termotécnica e funcional.

• Publicar o projeto do sistema de medição de comissionamento e a documentação de engenharia. Essa documentação inclui desenhos de arranjo geral, esquemas elétricos e detalhes de instrumentação dos equipamentos. Esses detalhes são desenvolvidos com base em tarefas críticas do projeto e na experiência em testes de campo de reatores nucleares.

• Desenvolver e fabricar sensores especializados, linhas primárias, dispositivos de fixação, dispositivos de proteção e nós de saída.

• Entregar e instalar os instrumentos de medição primários, linhas secundárias e equipamentos de medição e processamento na planta do reator.

• Redigir e publicar procedimentos operacionais detalhando programas e métodos do projeto relativos às especificidades das unidades de potência comissionadas e especificar a sequência de testes no cronograma de comissionamento.

• Identificar falhas na documentação e nos sistemas e corrigi-las.

• Organizar e executar modos de teste e medições da planta do reator.

• Fornecer ao cliente dados de medição 'ao vivo' que confirmem as condições de projeto da montagem e ajuste dos componentes dos equipamentos. Fornecer dados que confirmem o comportamento em modos operacionais de projeto e auxiliar na detecção de incidentes e na tomada de decisões sobre sua eliminação,

• Processar e analisar os resultados das medições com as estimativas necessárias e os resultados do nível de carga dos equipamentos monitorados e verificação das características de projeto.

• Publicar relatórios com dados que confirmem as características de projeto de resistência e condições de confiabilidade, definindo os nós e unidades de equipamento mais carregados. Fornecer dados detalhados sobre o comportamento em modos operacionais, incluindo recomendações sobre otimização dos modos operacionais e sobre o uso dos sistemas de medição de comissionamento como dispositivos de monitoramento operacional.

Realizamos esses testes durante o desenvolvimento do projeto da planta do reator para as Unidades #3 e #6 da NPP de Kudankulam. Localizada no estado meridional de Tamil Nadu, a NPP de Kudankulam é a maior usina nuclear da Índia. Com base em uma colaboração de uma década, o fornecedor de instrumentos de medição Dewesoft d.o.o. foi escolhido como nosso provedor principal de hardware e software para CMS.

Hardware da Dewesoft no sistema de medição de comissionamento

O CMS realiza testes e medições de comissionamento em equipamentos da planta do reator durante limpeza por circulação e execuções de teste, estágios de partida física e de energia, e testes do projeto da usina de energia do reator. O sistema consiste em sistemas e dispositivos estacionários e portáteis conectados ao Sistema de Controle de Processos da Unidade de Potência (PCS) da usina nuclear.

Os sistemas de medição de comissionamento em estado estacionário fornecem três direções temáticas de medição e análise de dados:

• Sistemas de monitoramento de parâmetros vibrodinâmicos de equipamentos da planta do reator

• Sistemas de monitoramento de carga termomecânica de componentes da planta do reator,

• Sistemas de monitoramento de parâmetros termohidráulicos de equipamentos da planta do reator.

Os sistemas de medição de comissionamento portáteis realizam testes de vibração e adquirem dados iniciais sobre as características hidráulicas e mecânicas dos equipamentos primários da planta do reator.

Os componentes críticos dos sistemas de medição de comissionamento estacionários e portáteis são os instrumentos da Dewesoft. Esses instrumentos operam próximos ao equipamento em teste, incluindo condições de acesso com temperaturas severas e acesso controlado por radiação (áreas não ocupadas) e na sala de controle CMS ocupada.

Em geral, os CMS são sistemas distribuídos de informação e medição. Veja a Figura 1 abaixo para uma ilustração da configuração de um CMS moderno: 

A área de contenção do reator contém Dewesoft SIRlUS-8xSTGM módulos universais de medição e SIRlUSr-8xSTG módulos de medição por extensometria. Baseando-se no uso de dois ADCs de 24 bits por canal, SIRIUS® instrumentos têm a ampla faixa dinâmica necessária para medições de vibração e medições físicas relacionadas. Na Figura 1, esses instrumentos formam a base do hardware vibrodinâmico (RI VD) e do hardware vibrodinâmico do conjunto simulado (DA VD).

A área de contenção do reator também contém KRYPTON-16xTH módulos termopar de medição de temperatura e KRYPTON-6xSTG módulos extensométricos. KRYPTON® os instrumentos têm uma ampla faixa de funcionamento de temperatura de -40 a +85 °C. São vedados contra líquidos, fumaça e poeira e possuem elevada resistência a choques e vibrações. Esses instrumentos formam a base do hardware termomecânico (ТМ), do hardware de medição termohidráulica do reator e do circuito primário (R&PC THM) e do hardware de medição termohidráulica da cabeça do reator e do volume da cavidade (RH&CV THM) localizado na área de contenção do reator não ocupada.

A sala de controle do sistema de medição de comissionamento contém Dewesoft SIRlUS-8xSTGM módulos universais de medição e SIRlUS-8xSTG módulos de medição por extensometria. Esses formam a base do hardware vibrodinâmico do circuito de refrigeração do reator (RCC VD) e do hardware de medição de vibro-ruído (VNM VD) mostrado no lado esquerdo da Figura 1.

Software DewesoftX no sistema de medição de comissionamento

A Sala de Controle contém os Complexos de Software e Hardware (SHC) do CMS e uma Estação de Trabalho Automatizada (AW) conectada ao sistema de nível superior da unidade (UULS) do sistema de controle de processos. Esses sistemas usam o software DewesoftX para adquirir dados do hardware Dewesoft.

O software DewesoftX controla e adquire dados dos instrumentos SIRIUS e KRYPTON. Pode aplicar um conjunto abrangente de operações matemáticas tanto a dados em tempo real quanto a dados gravados. O DewesoftX envia dados para os Complexos de Software e Hardware (SHC) via um plugin de software “File streamer”. O software também resolve tarefas de aquisição de dados e de processamento de resultados de testes, tanto de curto quanto de longo prazo.

O software inclui modelos matemáticos, métodos e algoritmos abertos de processamento de dados alinhados com os processos monitorados em termos de taxas de modo operacional. Fornece filtragem digital de sinal/arquivo, processamento estatístico de dados analógicos e digitais e o paralelismo e a interação das tarefas resolvidas pelos complexos de software e hardware do sistema de medição de comissionamento.

Os operadores podem criar DewesoftX configurações e salvá-las para uso repetido, economizando tempo e recursos. O DewesoftX permite que desenvolvedores e usuários ampliem as funções do sistema. Os protocolos de comunicação padrão do DewesoftX garantem interoperabilidade com outros softwares e hardwares do CMS.

Os dados DewesoftX com carimbo de data/hora são armazenados em backup e sincronizados com o banco de dados PCS. Todos os dados medidos e estimados que definem os parâmetros monitorados estão disponíveis em forma numérica e gráfica. Apenas usuários autorizados podem acessar os dados com base em suas responsabilidades e na categoria dos dados.

O software CMS consiste em dois componentes: sistema e aplicação. O software passa por configuração, depuração e testes durante os testes preliminares individuais e combinados dos correspondentes subsistemas de medição de comissionamento.

O software CMS assegura o funcionamento de todo o hardware do sistema, incluindo a resolução de tarefas de cálculo. O software segue o princípio de montagem modular em que cada aplicação (módulo) implementa uma função ou um conjunto de funções. O software inclui ferramentas para criar e editar desenhos, registros e formulários operacionais.

Resultados do sistema de medição de comissionamento

O CMS operou nas unidades de potência #1 e #2 da Kudankulam NPP nos últimos dez anos. Foram coletados dados que confirmam a conformidade geral dos parâmetros reais (vibrodinâmicos, termomecânicos, mecânicos e termohidráulicos) do equipamento monitorado e dos sistemas da planta do reator (RI, DA, RH, SRS, MCP, SG, PC, PHRS, QBIS, AGRS, RCH) com os valores de projeto. Encontramos várias não conformidades com os requisitos do projeto da planta do reator, incluindo:

• Cargas térmicas mais elevadas na tubulação de injeção do compensador de pressão (PC) envolvendo a seção de ligação das tubulações de derivação do sistema de injeção rápida de boro (QBIS) DN25.

• Durante os modos de aquecimento e de resfriamento na parada da planta do reator, observamos ciclos térmicos de até +55 °С na tubulação de injeção do compensador de pressão e nivelamento da concentração de ácido bórico no circuito primário e no modo do compensador de pressão.

• Para justificar a resistência, é necessário registrar os níveis de estratificação térmica do refrigerante na tubulação de conexão do compensador de pressão.

• Quando o aquecedor elétrico tubular do compensador de pressão (PC TEH) estava em operação, houve um ajuste de pressão não otimizado no circuito primário durante a operação em regime estacionário da planta do reator.

• Durante os testes operacionais a quente na unidade #1 da Kudankulam NPP, houve um aquecimento anormal das saídas do conjunto de aquecimento do compensador de pressão.

• Houve refrigeração insuficiente na parte superior da caixa do compensador de pressão.

• O metal da área da tubulação do vaso do reator esfriou entre 15 e 20 °С, conforme detectado por leituras regulares do termômetro de resistência.

• Detectamos a ausência de controle de estanqueidade por válvula de ação rápida acionada pneumaticamente nas tubulações DN200. Essas tubulações eram derivações do sistema de injeção rápida de boro.

• Durante o aquecimento da planta do reator e no modo de 'parada a quente', medimos variações de temperatura da tubulação de água de até 180 °C (o valor de referência é 120 °C). A alimentação auxiliar de água pode ter sido fornecida pelo tubo principal por engano. A diferença de temperatura registrada na tubulação foi de 202 °С.

• Ao testar o Sistema de Remoção de Calor de Emergência do Gerador de Vapor (SG HRS), a temperatura da alimentação auxiliar de água foi de 33 °С (o critério de aceitação era 40 a 70 °С).

• Houve purga insuficiente das bolsas do coletor do gerador de vapor. Um depósito de lodo em tubulações de pequeno diâmetro (∅ 25 mm) causou esse problema. O fluxo de purga do gerador de vapor através das tubulações de purga das bolsas do coletor foi interrompido durante uma contaminação 'por estouro' (resina de troca iônica), resultando na entrada de contaminantes no gerador de vapor.

• Aquecimento rápido dos trocadores de calor do sistema passivo de remoção do decaimento térmico (ARPS) quando aquecidos até a temperatura de ensaio hidráulico e conectados ao circuito aquecido após a parada para manutenção.

• A direção do movimento térmico dos 'hot legs' da Linha Principal de Refrigerante (MCP) diferiu da direção de projeto.

• Os medidores de vazão da água de alimentação instalados nas unidades 1 e 2 apresentaram flutuações de leitura. Medidores de vazão ultrassônicos operam de forma estável e confiável em várias usinas nucleares; medições ultrassônicas da vazão de água de alimentação, como medição direta ou para calibração regular de medidores de vazão, são usadas com sucesso segundo a documentação da IAEA.

• Houve dano ao conjunto da bomba do refrigerante do reator (RCPS) no impulsor nº 2 na unidade #2. A superfície interna do coletor do gerador de vapor número 2 apresentava fixadores danificados remanescentes não fixados.

• O desenvolvimento significativo de harmônicos de alta frequência (198.8 Hz) no espectro vibrodinâmico do Circuito de Circulação Principal das unidades #1 e #2 mostrou a necessidade de uma análise aprimorada do dano por fadiga da Linha Principal de Refrigerante.

• A operação com taxas de carga do sistema aumentadas quando a planta do reator estava no modo de 'resfriamento a frio' resultou em aumento do ruído acústico dos sistemas de resfriamento de emergência e planejados. 

A detecção de não conformidades comprova a necessidade de sistemas CMS abrangentes, incluindo os instrumentos de medição e o software da marca Dewesoft aqui descritos. Planejamento e medição adequados nos permitiram identificar problemas e trabalhar para sua mitigação e eliminação. 

Estamos satisfeitos de que nossa escolha da Dewesoft como nosso fornecedor principal de instrumentos CMS tenha sido acertada, e esperamos muitos mais anos de cooperação conjunta.