Análisis Transitorio de Tensión y Frecuencia de un Generador Diesel de Emergencia

Transcripción

1 Análisis Transitorio de Tensión y Frecuencia de un Generador Diesel de Emergencia Ing. Alberto Bañó Azcón WESTINGHOUSE ELECTRIC SPAIN C.N. de Vandellòs II, edificio de Ingeniería L Hospitalet de l Infant (Tarragona) Tel banoaza@westinhouse.com Resumen El objetivo de esta ponencia es realizar el análisis dinámico de los transitorios de tensión y de frecuencia consecuencia de los escalones de carga controlados por el secuenciador, en el caso más desfavorable de IS+PPE utilizando el software ETAP v de cálculo eléctrico. Del desarrollo del cálculo se concluye que el Generador Diesel de Emergencia es capaz de atender el total de cargas previstas en caso de IS+PPE, manteniendo la tensión y la frecuencia dentro de los márgenes de diseño en todos los escalones de carga. In this paper we will present a dynamic modelling of an Emergency Diesel Generator with their charges to analyze voltage and frequency parameters during its loading steps, in case of loss of external power and security injection; that assures the correct sizing of the Emergency Diesel Generator. The result is a frequency and voltage versus time diagram that shows the correct sizing of the Emergency Diesel Generator. In order to solve the dynamic model, we have modelled the electric system using ETAP v This software has been qualified to be used in nuclear safety related calculations. 1. INTRODUCCIÓN En el General Design Criteria nº17 del apéndice A del 10 CFR 50, se indica que existirá una fuente de alimentación interna y otra externa que permita el funcionamiento de las estructuras, sistemas y componentes importantes para la seguridad. Generalmente se utilizan generadores diesel para realizar esta función relacionada con la seguridad, por lo que para asegurar que su diseño es conforme a los requerimientos de la Regulatory Guide 1.9, se deberá justificar que dicho generador diesel tiene la capacidad de mantener el voltaje y la frecuencia dentro de los límites aceptables que hacen posible que todos los elementos relacionados con la seguridad que de él dependen cumplan con su función de seguridad. Para poder dar cumplimiento con las exigencias normativas, planteamos en esta ponencia un método de cálculo basado en el modelado y la simulación del sistema generador diesel de emergencia junto a las cargas que éste alimenta. 1

2 Para poder modelar y resolver de una forma rápida y eficaz el generador diesel de emergencia y el conjunto de cargas alimentadas por éste, vamos a utilizar el software informático ETAP v de cálculo eléctrico, que dispone de una versión calificada para realizar cálculos relacionados por la seguridad. Utilizando este software, y siguiendo el proceso de validación propuesto, podremos evaluar de una forma precisa si el Generador Diesel de Emergencia tiene la capacidad de mantener el voltaje y la frecuencia dentro de los límites aceptables. 2. DATOS DE PARTIDA 2.1. Discusión de Hipótesis No se han modelado dinámicamente los motores de baja tensión de potencia < 1 kw. Se ha escogido como AVR del Generador el tipo ST2 normalizado por IEEE. Los parámetros del AVR corresponden a los datos típicos proporcionados por ETAP. Los circuitos equivalentes de los motores asíncronos se han obtenido utilizando la herramienta Parameter Estimation de ETAP. Las curvas de carga de los distintos motores asíncronos son standards para que al 100% de velocidad síncrona entreguen el 100% del par nominal. Todas las MOV han sido simuladas en el análisis transitorio según el tiempo que tienen especificado para su operación. No se han considerado las MOV en el cálculo estacionario, al considerarse que todas ellas se encuentran en posición una vez superado el transitorio Criterios de Aceptación La variación de la frecuencia y de la tensión en bornas del alternador no deben descender en ningún momento de la secuencia de carga de los valores límite del -5 % para la frecuencia (-2,5 Hz) y del -25 % (-1725 V) para la tensión. La frecuencia debe recuperarse y quedar dentro del ±2% (±1 Hz) del nominal en menos del 60% (3 segundos) del tiempo que dura un escalón de la secuencia de carga, y en menos del 80% (4 segudos) del tiempo que dura un escalón de la secuencia de carga deberá quedar la frecuencia en el caso de desconexión de la carga más grande. 2

3 La tensión debe recuperarse y quedar dentro del ±10% (±690 V) del nominal en menos del 60% (3 segundos) del tiempo que dura un escalón de la secuencia de carga Alternador Síncrono Los datos utilizados para el alternador síncrono son: Fabricante: Jeumont-Schneider Modelo: SAT 94 /99,5/4 Potencia mecánica: 2x2650 kw Velocidad: 1500 rpm Potencia nominal: 4500 kw con factor de potencia: 0,8 Potencia aparente nominal: 5625 kva. Corriente nominal: 470 A. Sobrecargas: 5200 kw 6500 kva (cos φ=0,8) 2000 h 5300 kw 6625 kva (cos φ =0,8) 7 días kw 7500 kva (cos φ =0,8) 30 min Tensión nominal: 6,9 kv. Frecuencia: 50Hz Rendimiento a potencia nominal: 96,5 % X d : 123% X d : 17,3% X d : 11,5 % X q : 71% X 2 : 15% X 0 : 7,9% R armadura: 0,031 ohm/fase Excitación del Alternador Los datos utilizados para la excitación del alternador síncrono son: Fabricante: Jeumont-Schneider Modelo: ESCA ( Excitation Statique Compound pour Alternatour ) Diagrama de bloques del AVR tipo ST2 normalizado por IEEE 3

4 Figura 1. Diagrama de bloques AVR tipo IEEE ST Gobernador Los datos utilizados para el gobernador son: Fabricante: WOODWARD Modelo: 2301A Figura 2. Diagrama de bloques gobernador Woodward 2301A 4

5 Ajustes del gobernador: Siguiendo las indicaciones del Manual de Operación del gobernador electrónico Woodward 2301A, se han ajustado los parámetros de α ( gain ), β ( reset ) y ρ ( actuator compensation ), para que el comportamiento dinámico del sistema sea óptimo. Los parámetros utilizados son los siguientes: Modo Isocrono. Load Sharing: 2 Droop (D)= 5,5. ρ (compensación del actuador)= 0,8. β (reset setting)= 0,01 α (gain) =0,8 Variables internas: Para la obtención de estos valores se ha utilizado el manual de WOODWARD del año Analytic Representation of Mechanical-Hydraulic and Electro-Hydraulic Governors. Parámetro K1 (partially very high pressure power fraction) se deduce teniendo en cuenta que el desplazamiento es lineal: 3º - 20mA; El actuador se encuentra aproximadamente a 3º con motor en vacío. 45º - 400mA; Máximo desplazamiento a intensidad máxima. K1=42º/380mA=110,5 º/A Parámetro τ (actuator time constant) se deduce de la expresión de un actuador proporcional: τ= 1.06 P -(1/2) P (1/2) sec.= 167 ms Donde la presión de aceite P =350psi para el modelo EGB-35P. Parámetro T1 (engine Dead time constant) utilizaremos la siguiente expresión: T1=(15/N)+(60/Nn) sec.= 0,035 s Donde N=1500rpm y n =16 (nº de cilindros que ignician por revolución). 5

6 Parámetro T2 (Amplifier/compensator time constant) se deduce a partir del % de aceleración, y se calcula de la siguiente manera: T= par del motor a plena carga (full load engine torque) kw 1, kw 1, T = = = in lb N 1500 rpm I= momento de inercia (Inertia) 2 WK I = = = 4322 lb in sec 12 32,2 32,2 2 % acc= % de aceleración Valores de saturación: T % acc = = = I N ,96%/sec T2=0,0227 sec 43,96% / sec θmax y θmin corresponden a la posición máxima y mínima del eje respectivamente, siendo θmax =45º y θmin=0º Pmax y Pmin corresponden a la potencia máxima y mínima en el eje motor, siendo Pmax= 5389 kw y Pmin=0 kw Otros parámetros: k es una variable interna que calcula el propio ETAP. 3. VALIDACIÓN DEL MODELO Para comprobar si las cargas conectadas a la barra 7A donde se acopla el Generador Diesel de Emergencia corresponden con lo esperado, se ha partido de los resultados analíticos de la tabla (1), donde se puede observar que la potencia absorbida es de 4469,64 kw, con un cos φ=0,863, lo que representan 2614,70 kvar y 433,24 A a 6,9 kv y una potencia aparente de 5177,74 kva. 6

7 Tabla 1. Resumen potencias acumuladas en los escalones. ESCALÓN Pot (HP) Pot (kw) Eficien. Global Pe (kw) Abs. Cos φ Pot React. (kvar) Pot (kva) I Consu mida (A) ,73 811,10 0, ,67 0, ,38 946,04 79, , ,41 0, ,00 0, , ,93 148, , ,27 0, ,12 0, , ,63 221, , ,51 0, ,27 0, , ,28 268, , ,06 0, ,94 0, , ,04 289, , ,73 0, ,76 0, , ,26 319, , ,41 0, ,58 0, , ,18 363, , ,41 0, ,84 0, , ,10 373,28 CCM Asociado. Acción manual o por proceso 5456, ,24 0, ,49 0, , ,42 411,04 CCM Accion Manual o por proceso 5756, ,84 0, ,04 0, , ,74 433,24 Utilizando la herramienta de ETAP Load Flow Analysis hemos obtenido los resultados que se muestran en la tabla 2. Tabla 2. Resultados Load Flow Analysis Elemento kv MW MVAr MVA % PF Amp Barra 7A 6,900 4,492 2,598 5,189 86,6 434,2 En la tabla 3 se comparan los resultados obtenidos analíticamente con los resultados obtenidos con la herramienta de ETAP Load Flow Analysis. Se puede comprobar que la intensidad consumida difiere en menos del 0,5%, por lo que se puede considerar que el modelo utilizado es conforme a lo esperado. Tabla 3. Comparación de resultados.esultados Elemento MW MVAr MVA % PF Amp Calculado 4,469 2,614 5,178 86,3 433,24 ETAP Load Flow Analysis 4,492 2,598 5,189 86,6 434,20 Diferencia entre resultados (%) -0,51% 0,61% -0,21% -0,35% -0,22% 4. RESULTADOS Análisis Dinámico de los Escalones de Carga. Se ha realizado una simulación del sistema dinámico formado por las cargas descritas en la tabla 1, utilizando el módulo de cálculo de ETAP Transient Stability Analysis. Para la resolución de dicho transitorio, se han utilizado los siguientes parámetros de cálculo: Método de cálculo: Newton-Raphson. Iteraciones máximas: 99. Resolución: Tiempo de simulación: 120 segundos. 7

8 Los resultados obtenidos se muestran a continuación: 1510 "GD1" Speed 800 "GD1" Terminal Current Speed (rpm) Current (A) Figura 3. Velocidad del Alternador síncrono 0 Figura 6. Intensidad en bornas del alternador. 5,0 "GD1" Electrical Power "7A" Bus Voltage Electrical Power (MW) 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 Figura 4. Potencia activa del alternador síncrono. Voltage (V) 8,18 7,68 7,18 6,68 6,18 5,68 5,18 Figura 7. Tensión en barra 8 "GD1" Reactive Power 52,50 "7A" Bus Frequency 7 52, ,50 Reactive Power (kvar) Frequency (Hz) 51,00 50,50 50,00 49,50 49, Figura 5. Potencia reactiva del alternador. 48,50 48,00 47,50 Figura 8. Frecuencia en barra 8

9 4.2. Comprobación del Régimen Permanente. A los 120 segundos se puede considerar que el Generador Diesel de Emergencia (GD-1) ya se encuentra en régimen permanente. En este instante de tiempo, la intensidad calculada por ETAP corresponde a 443 A con un factor de potencia del 86%. Pueden verse el resto de variables en la tabla 4. Tabla 4. Variables a los 120 segundos del arranque del Generador Diesel. Elemento kv MW MVAr MVA % PF Amp GD-1 6,883 4,545 2,692 5,282 86,0 443,0 Si comparamos estos valores con los calculados en la tabla 1 (ver tabla 5), podemos afirmar que a los 120 segundos del arranque del Generador Diesel de Emergencia, la intensidad difiere en menos del 3%. Si tenemos en cuenta que ETAP utiliza las características nominales de los motores y no tiene en cuenta el proceso a la hora de realizar un análisis de transitorios, podemos afirmar que la intensidad pasados los 120 segundos será menor en la realizad que la calculada por ETAP. Tabla 5. Comparación de resultados a los 120 seg. ETAP Load Flow Analysis 120 Elemento MW MVAr MVA % PF Amp Calculado 4,469 2,614 5,178 86,3 433,24 4,545 2,692 5,282 86,0 443,00 Diferencia entre resultados (%) -1,70% -2,98% -2,01% 0,35% -2,25% Para la total validación del modelo utilizado, se podría realizar una prueba de arranque real, contrastando el comportamiento del alternador con el modelo, aunque no se espera que se llegue en ningún caso a los consumos calculados, debido a que por diseño, los motores trabajan por debajo de su potencia nominal. 5. CONCLUSIONES Del desarrollo del cálculo se concluye que el Generador Diesel de Emergencia es capaz de atender los 4470 kw de potencia activa en régimen estacionario requeridos en caso de IS+PPE, y mantener la tensión y la frecuencia dentro de los márgenes de diseño en todos los escalones de carga, fijados en ±25% en tensión ( V) (figura 7) y ±5 en frecuencia (47,5 52,5 Hz) (figura 8). 6. AGRADECIMIENTOS - WHESTINGHOUSE ELECTRIC COMPANY - ANAV. 9

10 7. REFERENCIAS 1. General Design Criteria nº17 del apéndice A del 10 CFR Regulatory Guide 1.9 revision 4 - Application and Testing of Safety-Related Diesel Generators in Nuclear Power Plants. 3. IEEE Std IEEE Standard Criteria for Diesel-Generator Units Applied as Standby Power Supplies for Nuclear Power Generating Stations. 4. IEEE Std IEEE Standard Definitions for Excitation Systems for Synchronous Machines. 5. IEEE Std IEEE Recommended Practice for Excitation System Models for Power System Stability Studies 6. EPRI TR August A methodology for determining an EDG s Capability to start its emergency loads. 7. WOODWARD Analytic Representation of Mechanical-Hydraulic and Electro- Hydraulic Governors. 8. WOODWARD Installation and Operation Manual. 2301A Electronic Load Sharing and Speed Control (revision P). 10