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Calificación sísmica de un grupo electrógeno para energía de emergencia de 4 MW
David W. Brandes
Caterpillar, Inc. Electric Power
Generadores diésel de emergencia nucleares
Septiembre de 2015
RESUMEN
El funcionamiento durante y después de un evento sísmico es el requisito típico para el equipo de emergencia instalado en una instalación nuclear. A menudo no están disponibles los datos de la prueba de la mesa vibratoria de un grupo electrógeno de emergencia grande mientras está en funcionamiento. Este documento cubre el proceso de calificación incluido el análisis estructural estático representativo, la prueba de mesas vibratorias y la investigación de los datos estructurales tomados de las aplicaciones móviles usando el motor C175-20.
Introducción
Dos instalaciones nucleares en la República Checa requirieron generadores diésel de emergencia (EDG, Emergency Diesel Generators) adicionales para respaldo del apagón de la estación. La especificación del sitio requirió la calificación sísmica que cubre el funcionamiento durante y después de un evento sísmico. NUREG/ CR-0098 era la regulación guía. El producto seleccionado para la instalación fue el grupo electrógeno diésel Cat® C175-20. Cada instalación nuclear requirió dos unidades.
REQUISITOS/DETALLES DEL PROYECTO
Las dos instalaciones nucleares en la República Checa requirieron dos grupos electrógenos diésel de emergencia de 4 MW que funcionan a 50 Hz.
Peso húmedo máximo: 37 t. Longitud: 8,5 m. Ancho: 2,5 m Altura: 2,5 m
Cada unidad estaba instalada en su propio recinto montado en una base de concreto diseñada para las cargas sísmicas.
Figura 1: Espectro de respuesta requerido
Figura 2: Requisito para el análisis estático
Figura 3: Descripción del modelo Cat C175-20
Figura 4: Fuerza de rendimiento de Cat C175-20 en comparación con la fuerza máxima
Figura 5: Análisis de acoplamiento del motor con el generador
Figura 6: Diagramas del nivel g combinados para los grupos electrógenos Cat
Figura 7: análisis de los datos del acelerómetro 797F
La regulación internacional para este proyecto era NUREG/CR-0098, con los niveles g específicos del sitio definidos por lo siguiente:
- PGAH = 0,150 g
- PGAV = 0,105 g
Para ser cautos, los factores de ductilidad y amortiguación se seleccionaron como 7 % y 1,3 respectivamente. Se obtuvo el espectro de respuesta requerido y se muestra en la siguiente Figura 1.
El análisis debe demostrar la resiliencia del grupo electrógeno y su integridad durante y después de un evento sísmico.
El primer paso para completar la cualificación fue identificar los requisitos detallados para las condiciones estáticas y dinámicas. Las condiciones dinámicas son definidas por una curva del espectro de respuesta requerida, con entradas derivadas de las cargas g máximas mencionadas en los requisitos del proyecto y de NUREG/CR-0098.
Entradas de la curva de espectro de respuesta requerida:
- Acero remachado o con pernos ..............................7 % de amortiguación crítica
- Factor de ductilidad Clase I-S ..............................1,3
- Factores de amplificación
Aceleración .................................................. 2,36
Velocidad.......................................................... 2,08
Desplazamiento ................................................ 1,85
Los requisitos para el análisis estático fueron definidos por la regulación NUREG/CR-0098 y los niveles g máximos específicos en la Figura 2.
PROCESO DE CALIFICACIÓN
El proceso para calificar el grupo electrógeno consistía de varias fases, incluidas:
- Análisis estructural
- Prueba de la mesa vibratoria anterior existente de productos similares
- Incorporación de datos desde aplicaciones móviles
Análisis estructural:
Los componentes principales que se analizaron incluyeron la base estructura, el acoplamiento de la línea de mando, el volante del motor, el rotor y el bastidor del generador y el panel de control remoto montado. El componente más importante en el grupo electrógeno es la base estructura, que se analizó con los niveles g de la Figura 2 y se aplicó al modelo mostrado en la Figura 3.
Los resultados estuvieron por debajo del mínimo del 50 % del límite elástico del diseño, como se muestra en la Figura 4.
Otro componente dinámico en la línea de mando es el acoplamiento del motor y el generador. El acoplamiento es un anillo de caucho que conecta el volante del motor al eje del rotor del motor y está diseñado para absorber las vibraciones torsionales. Los resultados de este análisis se muestran en la Figura 5.
Otros componentes principales se analizaron de la misma manera y se encontró que cumplen con los requisitos sísmicos.
Prueba de la mesa vibratoria anterior
En los últimos años, la prueba de la mesa vibratoria de los grupos electrógenos Cat y de los componentes relacionados del grupo electrógeno se ha realizado para alcanzar la certificación para las disposiciones sísmicas de todas las ediciones publicadas del Código Internacional de Construcción (IBC, International Building Code). Los niveles g requeridos en el proceso de certificación de IBC generalmente son mayores que 2.0, lo cual es mayor que el nivel g requerido para el proyecto de la República Checa.
La Figura 6 muestra los diagramas combinados de estos productos similares. Los requisitos del sitio se diagraman en azul para cada dirección:
El diagrama de prueba que se muestra en rojo es significativo, como lo es la versión de 16 cilindros del grupo electrógeno Cat C175-20 bajo revisión. Los componentes principales para el Cat C175-16, culatas de cilindro, pistones, bielas, vástagos y rodamientos principales, válvulas y tren de válvula, sistema de escape y admisión, bloque de cilindros básico y diseño de cigüeñal, son los mismos que en el Cat C175-20. Los niveles g máximos probados son aproximadamente 8 veces el nivel requerido, lo cual indica que el grupo electrógeno Cat C175-20 es sólido y resiste los eventos sísmicos definidos.
Datos de la aplicación móvil
El motor Cat usado en el grupo electrógeno diésel Cat C175-20 de 4 MW se aplica en muchos mercados diferentes, incluidos el mercado de potencia eléctrica, marino, industrial y petrolero. Otra aplicación notable es el camión Cat 797F para las aplicaciones de minería y fuera de la carretera. Es el camión más grande que produce Caterpillar y uno de los camiones más grandes del mundo. Está diseñado para transportar 400 toneladas (363 megagramos) de material fuera de una mina o cantera grande.
El camión 797F es una aplicación con factor de carga alto diseñado para funcionar muchas horas y se considera una de las aplicaciones más severas de un motor Cat. Generalmente, un cucharón de pala de minería llena el camión en no más de tres cargas, lo que significa que el camión experimenta 133 toneladas (121 megagramos) bajados en tres veces para cada carga del camión. El camión luego transporta esa carga a una ubicación de descarga.
Puede llevar varias horas salir de la mica en cada viaje, y las rutas temporales en un sitio de minería cambia a medida que el proceso de minería avanza. Esto crea condiciones operativas muy difíciles y cargas en la estructura del camión.
En el proceso de desarrollo del producto en Tucson Proving Grounds, los ingenieros de Caterpillar captaron los datos del acelerómetro cuando dirigieron los camiones por un camino operativo simulado.
El camión atravesó un camino definido de zanjas, baches, cuestas escalonadas y rocas que caen desde alturas extremas, además de estar sujetos a varias pruebas de trabajo pesado, como retroceder hacia una pared de rocas.
El motor estaba equipado con acelerómetros en el frente, medio y parte trasera del bloque de cilindros.
Los datos de todas las pruebas se combinaron y diagramaron en la Figura 7 contra la relación de la curva de espectros de respuesta (RRS, Ratio of Response Spectra) para el proyecto. Las frecuencias más bajas muestran niveles g significativamente más altos que la curva de RRS, y las frecuencias más altas generalmente son menores que RRS. La frecuencia donde los niveles g comienzan a disminuir es en el rango de 8 a 10 Hz. Estos resultados se pueden atribuir a las diferentes velocidades que el vehículo pasa por los obstáculos y las frecuencias en que el sistema de montaje del motor comienza a atenuar el desplazamiento. Las frecuencias más bajas representan el desplazamiento general del vehículo a medida que se traslada por el camino de prueba y se eleva y rueda hacia la derecha y la izquierda.
Un total de 228 camiones 797F todoterreno con el motor C175-20 se han combinado durante más de 1 millón de horas de trabajo sin una falla importante de componentes del motor, incluidas 20 unidades con más de 100.000 horas de operación cada una. Esto es significativo porque las cargas transportadas por estos camiones ejercen un alto grado de esfuerzo en cientos de horas de funcionamiento, mientras que un evento sísmico experimentado por un grupo electrógeno configurado con el mismo motor solo tarda unos segundos.
CONCLUSIÓN
Basado en el trabajo de análisis estructural, pruebas de la mesa vibratoria anterior y la experiencia del motor Cat C175-20 en los camiones todoterreno y para minería en una aplicación móvil de gran operación y muchas horas de duración, el grupo electrógeno diésel Cat C175-20 puede considerarse sísmicamente calificado para las aplicaciones nucleares.