aplicación de la teoría de perturbación – método diferencial- al ... · aplicación de la...

13
Aplicación de la Teoría de Perturbación – Método Diferencial- al Análisis de Sensibilidad en Generadores de Vapor de Centrales Nucleares PWR- Caso Angra I Giol Sanders R., Andrade de Lima F., Marques A., Gallardo A., Bruna M., Zúñiga A.

Upload: others

Post on 10-Feb-2020

8 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Aplicación de la Teoría de Perturbación – Método Diferencial- al ... · Aplicación de la Teoría de Perturbación – Método Diferencial- al Análisis de Sensibilidad en Generadores

Aplicación de la Teoría de Perturbación – Método

Diferencial- al Análisis de Sensibilidad en

Generadores de Vapor de Centrales Nucleares PWR-

Caso Angra I Giol Sanders R., Andrade de

Lima F., Marques A., Gallardo A., Bruna M., Zúñiga A.

Page 2: Aplicación de la Teoría de Perturbación – Método Diferencial- al ... · Aplicación de la Teoría de Perturbación – Método Diferencial- al Análisis de Sensibilidad en Generadores

APLICACIÓN DE LA

TEORÍA DE PERTURBACIÓN –

MÉTODO DIFERENCIAL- AL

ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD

EN GENERADORES DE VAPOR

DE CENTRALES NUCLEARES PWR-CASO ANGRA I

Primera edición

Enero, 2012

Lima - Perú

© Giol Sanders R.Andrade de Lima F.Marques A.Gallardo A.Bruna M.Zúñiga A.

PROYECTO LIBRO DIGITAL

PLD 0387

Editor: Víctor López Guzmán

http://www.guzlop-editoras.com/[email protected] [email protected] facebook.com/guzlopstertwitter.com/guzlopster428 4071 - 999 921 348Lima - Perú

Page 3: Aplicación de la Teoría de Perturbación – Método Diferencial- al ... · Aplicación de la Teoría de Perturbación – Método Diferencial- al Análisis de Sensibilidad en Generadores

PROYECTO LIBRO DIGITAL (PLD)

El proyecto libro digital propone que los apuntes de clases, las tesis y los avances en investigación (papers) de las profesoras y profesores de las universidades peruanas sean convertidos en libro digital y difundidos por internet en forma gratuita a través de nuestra página web. Los recursos económicos disponibles para este proyecto provienen de las utilidades nuestras por los trabajos de edición y publicación a terceros, por lo tanto, son limitados.

Un libro digital, también conocido como e-book, eBook, ecolibro o libro electrónico, es una versión electrónica de la digitalización y diagramación de un libro que originariamente es editado para ser impreso en papel y que puede encontrarse en internet o en CD-ROM. Por, lo tanto, no reemplaza al libro impreso.

Entre las ventajas del libro digital se tienen:• su accesibilidad (se puede leer en cualquier parte que tenga electricidad),• su difusión globalizada (mediante internet nos da una gran independencia geográfica),• su incorporación a la carrera tecnológica y la posibilidad de disminuir la brecha digital (inseparable de la competición por la influencia cultural),• su aprovechamiento a los cambios de hábitos de los estudiantes asociados al internet y a las redes sociales (siendo la oportunidad de difundir, de una forma diferente, el conocimiento),• su realización permitirá disminuir o anular la percepción de nuestras élites políticas frente a la supuesta incompetencia de nuestras profesoras y profesores de producir libros, ponencias y trabajos de investiga-ción de alta calidad en los contenidos, y, que su existencia no está circunscrita solo a las letras.

Algunos objetivos que esperamos alcanzar:• Que el estudiante, como usuario final, tenga el curso que está llevando desarrollado como un libro (con todas las características de un libro impreso) en formato digital.• Que las profesoras y profesores actualicen la información dada a los estudiantes, mejorando sus contenidos, aplicaciones y ejemplos; pudiendo evaluar sus aportes y coherencia en los cursos que dicta.• Que las profesoras y profesores, y estudiantes logren una familiaridad con el uso de estas nuevas tecnologías.• El libro digital bien elaborado, permitirá dar un buen nivel de conocimientos a las alumnas y alumnos de las universidades nacionales y, especialmente, a los del interior del país donde la calidad de la educación actualmente es muy deficiente tanto por la infraestructura física como por el personal docente.• E l pe r sona l docente jugará un r o l de tu to r, f ac i l i t ador y conductor de p r oyec tos

Page 4: Aplicación de la Teoría de Perturbación – Método Diferencial- al ... · Aplicación de la Teoría de Perturbación – Método Diferencial- al Análisis de Sensibilidad en Generadores

de investigación de las alumnas y alumnos tomando como base el libro digital y las direcciones electró-nicas recomendadas.• Que este proyecto ayude a las universidades nacionales en las acreditaciones internacionales y mejorar la sustentación de sus presupuestos anuales en el Congreso.

En el aspecto legal:• Las autoras o autores ceden sus derechos para esta edición digital, sin perder su autoría, permitiendo que su obra sea puesta en internet como descarga gratuita.• Las autoras o autores pueden hacer nuevas ediciones basadas o no en esta versión digital.

Lima - Perú, enero del 2011

“El conocimiento es útil solo si se difunde y aplica” Víctor López Guzmán Editor

Page 5: Aplicación de la Teoría de Perturbación – Método Diferencial- al ... · Aplicación de la Teoría de Perturbación – Método Diferencial- al Análisis de Sensibilidad en Generadores

Revista ECIPERÚ

119

Aplicación de la Teoría de Perturbación – Método

Diferencial- al Análisis de Sensibilidad en Generadores de Vapor de Centrales Nucleares PWR-Caso Angra I

Aplication of the Perturbation Theory- Differential Method- to Sensibility Análisis in PWR Nuclear Power Plant Steam

Generator- Angra I Giol Sanders R.1, Andrade de Lima F2., Marques A.2, Gallardo A1.,Bruna M.1, Zúñiga A 1 Institución Peruano de Energía Nuclear 2 Universidad Federal de Rio De Janeiro-Brasil RESUMEN En este trabajo basado en la tesis del Magíster Roberto Giol S. [1] presenta una aplicación del formalismo diferencial de la teoría de perturbación a un modelo termo-hidráulico homogéneo de simulación del comportamiento estacionario de uno de los generadores de vapor de la Central Nuclear tipo PWR Angra I del Brasil. Se desarrolla un programa de cálculo PERGEVAP tomando como base el código GEVAP de Souza[2]. El programa PERGEVAP permite realizar cálculos de sensibilidad de funcionales lineales (temperatura media del primario)y no lineales (flujo de calor medio a través de las paredes de los tubos del generador) con relación a las variaciones de ciertos parámetros termo-hidráulicos(flujo másico del primario, calor específico, etc), Los resultados obtenidos con este formalismo son luego comparados con los obtenidos del cálculo directo con el propio código GEVAP, pudiéndose verificar una excelente concordancia. Este método se muestra promisorio para efectuar cálculos repetitivos asociados al diseño y análisis de Seguridad de los componentes de las Centrales Nucleares. Descriptores: teoría de perturbación, método diferencial, sensibilidad, generador

de vapor, central nuclear PWR ABSTRACT This report presents an application of the differential approach of the perturbation theory to an homogeneous model of a PWR steam generator in the Angra 1 Nuclear Power Plan in Brazil under steady-state conditions. Program PERGEVAP was built fom the code GEVAP developed by Souza and allows sensitivity calculations of linear (average primary loop temperature) and non-linear (average heat flux) functionals due to variations in some thermo-hydraulics parameters (flow rate, specific heat, , etc). Results obtained with this approach are then compared with direct calculations performed using the GEVAP code, with excellent agreements. The method has good potential to treat repeated calculations needed in the design and safety analysis of the Nuclear Plant components. Keywords: perturbation theory, differential method, steam generator, PWR

nuclear Power Plant INTRODUCCIÓN

AApplliiccaarr llaa tteeoorrííaa ddee ppeerrttuurrbbaacciióónn--FFoorrmmaalliissmmoo DDiiffeerreenncciiaall-- aa uunn mmooddeelloo hhoommooggéénneeoo ssiimmpplliiffiiccaaddoo qquuee ssiimmuullaa eell ccoommppoorrttaammiieennttoo eessttaacciioonnaarriioo ddee uunn ggeenneerraaddoorr ddee vvaappoorr ddee llaa CCeennttrraall

NNuucclleeaarr AAnnggrraa 11 ddeell BBrraassiill,, ppaarraa eeffeeccttuuaarr uunn aannáálliissiiss ddee SSeennssiibbiilliiddaadd ddee cciieerrttooss ffuunncciioonnaalleess rreelleevvaanntteess:: lliinneeaall ((tteemmppeerraattuurraa mmeeddiiaa ddeell rreeffrriiggeerraannttee pprriimmaarriioo)) yy nnoo lliinneeaall ((fflluujjoo ddee ccaalloorr)) ccoonn rreellaacciióónn aa aallgguunnooss ppaarráámmeettrrooss tteerrmmoo--

Page 6: Aplicación de la Teoría de Perturbación – Método Diferencial- al ... · Aplicación de la Teoría de Perturbación – Método Diferencial- al Análisis de Sensibilidad en Generadores

120 Volumen 8, número 2, agosto 2011

hhiiddrrááuulliiccooss ddee iinntteerrééss yy dduurraannttee eell rrééggiimmeenn eessttaacciioonnaarriioo ddee ooppeerraacciióónn ddee llaa CCeennttrraall NNuucclleeaarr.. DESCRIPCIÓN DEL FORMALISMO DIFERENCIAL

En este método se plantea tres tipos de ecuaciones: - Ecuaciones directas. - Ecuaciones Derivadas.

- Ecuaciones adjuntas. El Problema Directo Considere el problema general de un sistema de K ecuaciones no-lineales acopladas. Puede escribirse este sistema formalmente como:

(1)

en toda la región del espacio de fase y en donde m incluye en general operaciones con relación a las variables del espacio de fase. El vector de las variables de estado, o campo:

(2)

es una función del vector de posición en el espacio de fase:

(3)

(Todos los vectores columna son escritos horizontalmente por cuestión de conveniencia solamente) Y del vector de parámetros de

entrada :

(4)

Las componentes mi ( i = 1 , 2 , ...... K) son funciones no lineales de f y del vector de los parámetros de entrada , que describen totalmente el sistema. Este sistema de ecuaciones representa las ecuaciones directas.Las condiciones de contorno del sistema (1) son escritas formalmente como:

(en ) (5)

donde: Los vectores m y C incluyen en general las ecuaciones que relacionan a las variables de estado, los parámetros de entrada y las variables independientes contenidas en el vector de posición en el espacio de fase.

El Problema Derivado

Expandiendo la ecuación perturbada (aquí denotada con el símbolo '), es decir:

(6)

alrededor de una solución de referencia de ( unívocamente determinada dado que los parámetros pI son conocidos) hasta el primer orden, se obtiene:

= (7)

Donde H es un operador matricial Jacobiano dado por:

(8)

Dado que las perturbaciones δpi (admitidas independientes) son arbitrarias, es necesario para que se cumpla la ecuación (7) que:

O lo que es lo mismo: (9)

Esta expresión constituye el sistema de ecuaciones derivadas donde:

(10)

Las condiciones de borde para las ecuaciones derivadas [ecuación(9)] se obtienen derivando la expresión (5) obteniéndose:

0._

ii p

f

f

C

p

C

(en )

(11)

y if

_

denota una derivada de Frechet

Page 7: Aplicación de la Teoría de Perturbación – Método Diferencial- al ... · Aplicación de la Teoría de Perturbación – Método Diferencial- al Análisis de Sensibilidad en Generadores

Revista ECIPERÚ

121

ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD EL FUNCIONAL DE RESPUESTA

Considere un funcional respuesta R definido por:

R = < T1 + > (12)

donde: S+ es una función conocida y la integración es realizada en todo el espacio de fase.

Se desea calcular la variación d R resultante de las perturbaciones dpi ( i =1, 2, ..., N) de los parámetros del sistema. El análisis de sensibilidad consiste en evaluar la variación dR resultante de las perturbaciones dpi ( i = 1, 2, ..., I) en algunos o todos los parámetros del sistema.. La variación de R obtenida a partir de la ecuación (12), está dada por:

(13)

donde: (14)

(15)

Para obtener R es necesario evaluar

El coeficiente de sensibilidad relativo a un dado parámetro “pi” del sistema resulta:

(16)

La ecuación (9) junto con la condición de contorno dada por la ecuación (11) permiten evaluar /pi valor que sustituido en la ecuación (16) nos daría el coeficiente de sensibilidad. Sin embargo, a pesar de que la ecuación (9) es lineal dado que el operador

matricial y el término fuente no son función del vector de estado derivado (H depende de más no de /p i ), su solución presenta el inconveniente de depender del parámetro pi.

Por lo anterior se tiene que por cada parámetro de interés para el estudio de un funcional dado debe resolverse una nueva ecuación como la (9) para obtener el valor f/pi que será utilizado en la ecuación (17). En otras palabras, para cada funcional dado, si se quieren analizar “I” parámetros se tendrán también “I” ecuaciones a resolver.

Es por eso que se recurre al uso de un sistema de ecuaciones adjunto asociado a la ecuación (9) el cual además de permanecer lineal, presenta la ventaja con respecto al anterior sistema de no depender de pi, como se verá a continuación. Ecuación Adjunta

Definiendo un operador H* “Adjunto Extendido” de H, por la expresión:

(17) donde: *: es el vector adjunto de /pi

: es el concomitante bilineal de

y evaluado en el entorno del espacio de fase .Es lineal tanto en * como en .

Es posible definir el problema adjunto planteando las ecuaciones adjuntas a las ecuaciones (9) y (11) formalmente como sigue: Ecuación Adjunta: STH ** 1~

(18)

: Condiciones de contorno adjuntas:

* ( *) = (19) es el vector de funciones de peso

(20)

Remplazando las ecuaciones (9) y (18) en la ecuación (17) y con las consideraciones anteriores, sta puede ser rescrita como:

Page 8: Aplicación de la Teoría de Perturbación – Método Diferencial- al ... · Aplicación de la Teoría de Perturbación – Método Diferencial- al Análisis de Sensibilidad en Generadores

122 Volumen 8, número 2, agosto 2011

(21) Ecuación que remplazada en la ecuación (13) resulta en:

(22)

La ecuación (22) permite evaluar R a partir de una solución de la ecuación directa (1) con la condición de contorno dada por la ecuación (2) y una solución de la ecuación adjunta(18), independiente de pi , con la condición de contorno dada por la ecuación(19). APLICACIÓN AL MODELO HOMOGÉNEO DE GENERADOR DE VAPOR

Fig. 1

Ecuaciones básicas La ecuación directa resulta de aplicar la ecuación de continuidad y la ecuación de conservación de energía para un flujo unidimensional en régimen permanente en el primario. Se demuestra que:

(23)

donde:

Asimismo, la ecuación de conducción de calor o Ley de Fourier, aplicada a la pared de transferencia de calor (tubería del circuito primario), resulta en:

0

~

2123~

)(2 ddx

dT TT (24)

donde:

Es posible rescribir la ecuación directa (23) como: (25) donde:

(25)a

siendo:

tA : Area total de transferencia de calor, (m2) =

tt HDN ...

_

Nt : Número total de tubos del generador de calor Cp1 : Calor específico del fluido primario, (J/m2.s)

:_D Diámetro medio de los tubos del generador de

calor, (m) Ht : Longitud de cada tubo, (m)

W1 : Flujo másico del primario, (Kg/s) 111 .. AV

K2 : conductividad térmica de la pared de los tubos, (J/m.s.oC) d : Espesor de la pared de los tubos, (m) la ec. (23) se puede escribir de otra forma:

1: Densidad del fluido primario (Kg/ m3 ) V1: Velocidad del fluido primario, (m/s) he1: Entalpía específica del fluido primario, (J/Kg)

1

.q ”: Flujo de calor a través de la pared del primario, (J/m2.s)

0". 1

.

111

dZ

qd

dZ

dheV

Superficie de calentamiento

Rama Fría Rama caliente

2

1

3

111

11 .1

1..

.)(

k

dh

h

hHCpW

AhTb

t

T

)(" 11

SATTTT

bbb

Page 9: Aplicación de la Teoría de Perturbación – Método Diferencial- al ... · Aplicación de la Teoría de Perturbación – Método Diferencial- al Análisis de Sensibilidad en Generadores

Revista ECIPERÚ

123

(26) donde: (Por comodidad llamaremos a b(T1) = b de aquí en adelante.)

Luego, debido pues a las hipótesis simplificadoras adoptadas, el problema se reduce al cálculo del campo de temperaturas T1, obteniéndose las demás temperaturas (T2 y T3) en función de T1. Derivando la ec.(26) con relación a un parámetro “p” cualquiera : se obtiene la ecuación derivada que puede ser escrita como: (27) donde se demuestra que:

(pi)= i

SATSAT

ii p

TbTT

p

b

p

m

)( 1

El Funcional de Respuesta

Consideremos un funcional o respuesta genérica no lineal

R = < T1 + > (28) Donde:

= f1 (T1, pi)

= f2 (T1, pi)

< (.) > Representa la integración efectuada a

todo lo largo de los tubos del generador de vapor

El coeficiente de sensibilidad de “R”, con relación al parámetro “pi”, es obtenido derivando la ecuación (28) con relación a “pi”, esto es:

(29)

(30) Caso Particular Un caso particular que se presenta con frecuencia es aquel en el cual “R” es lineal con respecto a T1. En este caso, α es independiente de T1 y β = 0 y las ecuaciones (29) y (30) se transforman en: (31) S+ = α (32) El coeficiente de sensibilidad dR/dpi puede calcularse a partir de la ecuación (31) siempre y cuando se conozcan T1 y T1 /pi .

Las ecuaciones (26) y (27) permiten obtener el valor de T1 y T1 /pi respectivamente. Sin embargo, la solución de la ecuación (27) presenta el inconveniente de depender del parámetro “pi”. Este problema puede ser resuelto y evitado hallando la ecuación adjunta de la ecuación (27). El Problema Adjunto y el Concomitante Bilineal

De la definición de operador adjunto extendildo, anteriormente mencionado, se tiene que:

(33) Escribiendo el sistema adjunto como: (34) donde:

0, 11

TLpTm

)( 1 ~

Tbdz

dL

= b TSAT

01

1

_

p

m

p

T

T

m

dp

dm

pSp/TH 1

H = ).(").(1

_

bzT

m

pTp/T 1

1

ii

p

i pT

pTS

dp

dRi

1/1

11

1 TT

TS

)*,(*** /11/1~11~/1iii ppp TTPTHTTHT

1//1 TSTSdP

dRi

ipp

i

Page 10: Aplicación de la Teoría de Perturbación – Método Diferencial- al ... · Aplicación de la Teoría de Perturbación – Método Diferencial- al Análisis de Sensibilidad en Generadores

124 Volumen 8, número 2, agosto 2011

S+ = Término de fuente relacionado con el funcional R, a través de las ecuaciones (28) y (30).

Se demuestra que: (35) donde: (36) siendo: y además:

(37) donde

Reemplazando estos valores en la ecuación (34) se obtiene la ecuación adjunta de la ecuación (27):

(38) Esta ecuación es lineal, dado que b" depende de T1 más no de T1 * y su solución es independiente de las variaciones del parámetro “pi”. La condición de contorno, impuesta por conveniencia, es: o sea, el valor de la función importancia es nulo en el punto final. Sustituyendo las ecuaciones (27), (34) y (37) en la ecuación (33) se obtiene:

(39) Finalmente, sustituyendo (39) en (29) se obtiene la expresión del coeficiente

de sensibilidad de “R” con relación al parámetro arbitrario “p”, esto es:

1//10101 .** TTTpSTdp

dRii ppi

i

ip/

(40) De este modo, resolviendo las ecuaciones (25) y (38) podemos pues calcular dR/dpi a partir de la ecuación (40) ya que a, b y y S+ son conocidos con la definición de R y piy el valor de S(pi) es calculado (ver ec. 27). Discretizando la ecuación (40) esta puede ser escrita aproximadamente :

(41) DESCRIPCION DEL CASO ANALIZADO FUNCIONAL: TEMPERATURA MEDIA

DEL FLUIDO PRIMARIO ( )

En este caso:

(42) De la ecuación (29), por definición tenemos:

43)

Comparando (42) con (43) se deduce que:

tH

11

(44)

01 y de la ecuación (30) se obtiene:

(45) En este caso, para el análisis de sensibilidad fueron seleccionados los siguientes parámetros: Cp1, h1 , h3, K2, W1.

)0(110 zTT

)0(** 110 zTT

Page 11: Aplicación de la Teoría de Perturbación – Método Diferencial- al ... · Aplicación de la Teoría de Perturbación – Método Diferencial- al Análisis de Sensibilidad en Generadores

Revista ECIPERÚ

125

RESULTADOS Y DISCUSION

La Tabla 1 muestra los resultados de los cálculos de sensibilidad de la temperatura media del fluido primario con relación a uno de los parámetros seleccionados.(Cp1) En dichas Tablas, RNP representa la respuesta no perturbada. RP.DIF la respuesta perturbada calculada a partir del formalismo diferencial y RPDIR, la respuesta perturbada calculada directamente a través del modelo de simulación. “∆” representa el módulo de la diferencia relativa entre RP.DIF y RP.DIR y finalmente, representa la sensibilidad del funcional “R” relativa al parámetro “pi” y es definida como:

(46) Evidentemente, una vez calculado para algún valor cualquiera de dpi /pi, se podrán calcular los demás valores de RP.DIF, para cada valor de dpi /pi de los parámetros analizados, directamente utilizando la ecuación (46). Tabla 1: Resultados de sensibilidad de la temperatura media del fluido primario con relación al calor específico del primario.(Cp1)

GRAFIC0 1

OBSERVACIONESY CONCLUSIONES

Como conclusión podemos afirmar que el programa desarrollado para la aplicación de la Teoría de Perturbación-Formalismo Diferencial- en el análisis de sensibilidad en generadores de vapor del tipo de tubos en U de Centrales Nucleares PWR, como el de la central Angra 1 del Brasil - resulta adecuado y permite analizar diferentes parámetros térmicos.

A diferencia de un análisis típico de sensibilidad usando las ecuaciones directas, que requiere muchas corridas y deben realizarse para cada parámetro y para cada orden de magnitud o variación de los parámetros, las ecuaciones del formalismo perturbativo diferencial son lineales, de solución rápida permitiendo obtener valores de sensibilidad para diversos parámetros termo-hidráulicos con un solo cálculo inicial (una sola corrida del programa desarrollado).

AGRADECIMIENTOS

A los Drs. Carlos Marques Alvim y Fernando Andrade Lima de la UNFRJ-Rio de Janeiro por su asesoría en Brasil y a los Srs. Magíster Alberto Gallardo Padilla, asesor en el IPEN-Lima-Perú, y Agustín Zúñiga y Rubén Bruna por su contribución al desarrollo de este trabajo.

Page 12: Aplicación de la Teoría de Perturbación – Método Diferencial- al ... · Aplicación de la Teoría de Perturbación – Método Diferencial- al Análisis de Sensibilidad en Generadores

126 Volumen 8, número 2, agosto 2011

REFERENCIAS

[1] GIOL S.R.,A, “Aplicación de la Teoría de Perturbación –Formalismo Diferencial- para el análisis de sensibilidades de variables termo-hidráulicas de un generador de vapor de la Central Nuclear Angra 1 del Brasil”, Tesis para la obtención del Grado de Magíster en Energía Nuclear en la Universidad Nacional de Ingeniería-Facultad de Ciencias, Lima, Diciembre del 2010.

[2] LOBO DE SOUZA, A., “Modelo Homogéneo de um Gerador de Vapor para Simulacao de transitorios Operacionais e accidentes em Centráis Nucleares tipo PWR”. Tesis de Maestría IME (1981).

Page 13: Aplicación de la Teoría de Perturbación – Método Diferencial- al ... · Aplicación de la Teoría de Perturbación – Método Diferencial- al Análisis de Sensibilidad en Generadores

ENCUENTRO CIENTIFICO INTERNACIONAL

REVISTA ECIPERU

ISSN: 1813 - 0194 Volumen 8, número 2, agosto 2011