Post tecnico No.3: a proposito dei generatori diesel di emergenza PARTE 1

Ai potenziali lettori: questo post fa parte di una serie di scritti che raccolgono delle considerazioni tecniche postate sul blog unico-lab, in merito a svariati aspetti dell'incidente della centrale di Fukushima 1. La pubblicazione su giappopazzie viene fatta solo per comodita' di rielaborazione e per avere un backup delle quattro riflessioni raffazzonate che l'autore ha messo assieme in questo periodo e che, tutto sommato, vale la pena di rendere di pubblico dominio. Capisco che molti vorrebbero il ritorno al vecchio regime di post, ma al momento vi chiedo di pazientare (tranquilli, che almeno Luca da Osaka non vi dimentica).

Grazie per la comprensione.
mamoru

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Della stessa serie:
Post tecnico No.1: Tutto il giro dell'acqua a Fukushima
Post tecnico No.2: Quanta acqua ci sta nel contimento di un reattore di Fukushima?
Post tecnico No.4: approfondimento sulla struttura del R3 

Nota:
l'impiantistica descritta nel post e' stata dedotta a partire da vari report ufficiali, rilasciati negli scorsi anni della TEPCO, incrociati con le planimetrie e quantaltro trovato e pubblicato nei precedenti post. Tuttavia laddove non e' stato possibile reperire dati tecnici specifici relativi alla centrale di Fukushima 1 si e' fatto ricorso a manuali tecnici e documentazione di training della General Electric per i reattori BWR, nonche' a informazioni disponibili pubblicamente da aziende fornitrici di dispositivi e impiantistica per l'industria nucleare e non. Per quanto possibile nel post verranno distinte le parti generiche che potrebbero non essere una fedele rappresentazione delle specificita' di Fukushima 1.

A causa del rilascio di ulteriori dati e rilevazioni on-site da parte di Tepco il post e' stato modificato rispetto all'impostazione iniziale e potrebbe contenere alcuni salti logici e sara' pertanto soggetto ad ulteriori (e discrezionali) modifiche. Sono state inoltre incorporate alcune illustrazioni e rielaborazioni tratte da un testo protetto da copyright, la cui ripubblicazione in questa sede ci e' stata autorizzata da uno degli autori.

Introduzione
Il principale elemento scatenante della crisi della centrale di Fukushima 1 e' stata l'interruzione completa di tutte le fonti di energia elettrica sul sito (i.e. linee elettriche esterne, gruppi elettrogeni di emergenza, batterie di backup e relativi gruppi di continuita').
Nelle varie parti che comporranno il presente post ci occuperemo dei gruppi elettrogeni di emergenza della centrale, iniziando da una infarinatura generale sui grupppi elettrogeni, la loro configurazione ed impiego.

Il gruppo elettrogeno
L'impiego dei gruppi elettrogeni diesel (da qui in avanti GE) nella produzione di energia elettrica e', a tuttoggi, molto diffuso. Prima di addentrarci nelle specificita' della centrale giapponese e' il caso di chiarire per sommi capi cosa e' un gruppo elettrogeno e come funziona.

Macro componenti di un gruppo elettrogeno

Il GE è un sistema di produzione di energia elettrica costituito da tre apparati fondamentali:

1- Apparato motore (fonte di energia): nelle applicazioni di più ampia diffusione è costituito da un motore a combustione interna alimentato a gasolio, benzina, metano o molto più raramente gpl.
A differenza delle applicazioni stradali sono motori industriali che operano in regime isocrono, ossia a velocita' di rotazione costante indipendentemente dal carico.

2- Apparato generatore (macchina elettrica): e’ di grande diffusione in ambito civile e industriale l’alternatore sincrono utilizzato per la generazione di corrente alternata per l’alimentazione di utenze a bassa tensione (e.g. 220,230,380,400,440 V a 50 o 60 Hz), oltre ad applicazioni in ambito di media tensione o alta frequenza. L'alternatore viene trascinato dal motore di cui al punto 1 e genera tensione ad una frequenza che e' funzione (tra le altre cose) del numero di giri del motore (1). Solitamente si hanno 50Hz @ 1500 giri/min e 60Hz @1800 giri/min .
3- Quadri elettrici: i quadri elettrici presenti all’interno di un sistema dotato di GE sono riconducibili ad almeno tre grandi categorie:

3.1. quadri elettrici/apparati elettrici di potenza: gestiscono mediante dispositivi elettrici di protezione, sezionamento, scambio e misura le linee di potenza, ossia quelle attraversate da correnti di entita' rilevante che alimentano le utenze.

3.2. quadri di comando e controllo (logica): si occupano della gestione del GE nel suo complesso monitorando svariati parametri di esercizio della macchina, i circuiti elettrici di potenza, interpretano i segnali di allarme o preallarme e inoltrano i dati acquisiti alle (eventuali) stazioni di telemetria.

3.3. impianti ed interfacce di controllo a bordo macchina: costituiscono il tramite tra il quadro di logica e gli apparati motore e generatore. Le interfacce sono dispositivi specializzati nel controllare porzioni del GE in accordo a parametri di funzionamento pre-impostati (sostanzialmente il regolatore di giri del motore e il regolatore di tensione dell'alternatore).

In buona sostanza il quadro elettrico di un GE monitora i "parametri meccanici" del motore (un poco come per la propria autovettura) ed i "parametri elettrici" dell'alternatore durante il funzionamento, se qualche parametro va fuori dai limiti programmati le utenze vengono disalimentate e il GE si arresta con segnalazione di avaria.

Panoramica dei pricipali sistemi di allarme, preallarme e segnalazione

Esemplificazione di alcuni parametri di funzionamento monitorati

Dipendentemente dalle normative nazionali di sicurezza antincendio e' consentita l'installazione di un serbatoio di limitata capacita' all'interno del locale che accoglie il GE (solitamente viene incorporato all'interno del telaio portante), il cui livello viene periodicamente ripristinato automaticamente (o manualmente in caso di guasto) per mezzo di una o piu' pompe che pescano da una cisterna piu' grande posta a debita distanza dai GE, solitamente in un altro locale, preferenzialmente interrata.

In alternativa si puo' ricorrere al solo pescaggio da una cisterna esterna senza serbatoio incorporato.

Un altro importante particolare impiantistico e' il sistema di raffreddamento che solitamente non differisce di molto da quello di un veicolo (il classico radiatore). Se sulle potenze piccole si puo' utilizzare il raffreddamento ad aria (che lambisce i cilindri alettati del motore), lo standard per le potenze medie e grandi e' quello del raffredddamento a liquido sul lato motore (primario).

In questo ambito e' importante differenziare il fluido sul secondario del raffreddamento motore: normalmente questo fluido e' l'aria (come per l'automobile) e nei report della centrale di Fukushima quello che, per alcuni dei GE diesel, viene definito come "raffreddamento ad aria" non e' altro che questa tipologia di circuito (motore - radiatore - aria).

Tuttavia nella centrale e' presente una seconda tipologia di raffreddamento a liquido ed e' quella con acqua di mare (usata nei motori diesel marini per esempio). Il sistema differisce dal precedente per il tipo di radiatore, in cui anziche fluire dell'aria che raffredda il fluido motore, si ricorre a radiatori speciali in cui viene pompata dell'acqua di mare che asporta il calore in eccesso dal fluido refrigerante del motore senza contatto diretto e mescolamento.

Ovviamente con il sistema liquido/liquido si puo' asportare una maggiore quantita' di calore rispetto al sistema aria/liquido.

Come ultima nota possiamo considerare non vincolante la posizione dei radiatori, in quanto sostanzialmente li si puo' spostare a piacere mediante una pompa di adeguate caratteristiche sul circuito di circolazione.

Il ruolo dei gruppi elettrogeni di emergenza
Uno degli impieghi principali dei GE e' il servizio di sicurezza e di riserva (detto anche di emergenza). Secondo la definizione standard questo sistema sopperisce ad una mancanza di elettricità dovuta ad una interruzione di fornitura del servizio sulla Rete elettrica Pubblica (black out), sganciandosi da essa ed entrando in regime di autoproduzione (funzionamento in isola), andando ad alimentare quelle utenze (definite privilegiate) la cui mancata alimentazione possa comportare:

• pericolo per la vita umana o danni alle persone;
• danno ad una attività economica.

2 GE in isola (no rete/ parallelo per scambio) ~16 kW cad.

3 GE di emergenza in una banca,  3 x ~600 kW= ~1800 kW (parallelo/isola)

Semplifichiamo i principali eventi nello scenario tipico di impiego in emergenza attraverso  cinque passaggi:

1a - regolare alimentazione delle utenze dalla rete pubblica;
2a - mancanza di tensione e verifica della condizione di black-out (mancanza di tensione su una o piu' fasi per un certo tempo etc.)
3a - sgancio delle utenze dalla Rete Pubblica;
4a - partenza del GE e presa dei carichi privilegiati;
5a - regolare alimentazione delle utenze dal GE.

Funzionamento in emergenza: analisi qualitativa dei principali passsaggi

Funzionamento in emergenza: commutazione da Rete a GE

Al rientro della tensione sulla rete pubblica avviene l’uscita dal funzionamento di emergenza in quattro passaggi:

1b - verifica della stabilità della rete pubblica (parametri entro i limiti di accettabilità);
2b - distacco dei carichi dal gruppo elettrogeno;
3b - riconnessione dei carichi con alimentazione dalla Rete Pubblica;
4b - funzionamento a vuoto del gruppo elettrogeno per raffreddamento e spegnimento.

Nel seguente grafico sono state rappresentate le fasi sopra descritte.

Fine funzionamento in emergenza: analisi qualitativa dei principali passsaggi

Si noti come in tale configurazione sia presente un’interruzione di erogazione di energia sulle utenze, poichè durante la fase di riconnessione dei carichi sulla Rete Pubblica è necessario un intervallo di tempo nel quale non vi è alcuna alimentazione, al fine di evitare la contemporanea alimentazione dal gruppo elettrogeno e dalla Rete Pubblica (soluzione a questa problematica e' data dagli impianti in grado lavorare in parallelo transitorio). Il sistema verrà quindi ripristinato nelle condizioni di esercizio normale, ossia con i carichi alimentati dalla Rete Pubblica, come illustrato dallo schema seguente.

Fine funzionamento in emergenza: commutazione da GE a Rete

A seconda dalla criticita' della funzione di emergenza ci possono essere richieste piu' o meno stringenti in merito all'avviamento del rispettivo (o dei rispettivi) GE.
Ad esempio in ambito ospedaliero si richiedeva una presa di carico pari al 50% della potenza nominale del GE, in unica soluzione ed entro 10 secondi dalla mancanza della Rete Pubblica, con una variazione di frequenza ammissibile dell'ordine di +/-0,5 Hz (3).

Per quanto riguarda le centrali nucleari BWR4 il manuale General Electric da un tempo di intervento del GE dell'ordine di 10 ~ 13 secondi.

Per poter avere queste performance (tra le altre cose) si deve tenere sempre "in caldo" il motore, a lato pratico ossia si applica una scaldiglia sulla coppa dell'olio e/o una sull'acqua del circuito di raffreddamento in modo da non far partire il motore "a freddo".
Le tempistiche sono, grossomodo, le seguenti:
- l'interruzione di energia dalla Rete Pubblica viene confermata per 2 secondi circa (4)
- seguono 3/5 secondi di segnale di motorino di avviamento (in piu' sequenze se l'avviamento fallisce al primo tentativo)
- altri 2/3 secondi di stabilizzazione della velocita' del motore e controlli (automatici) dei parametri e chiusura dell'interruttore di macchina GCB (Genset circuit breaker) che porta all'alimentazione delle utenze privilegiate.

Ovviamente il funzionamento di emergenza in isola con commutazione secca non e' l'unica modalita' di funzionamento possibile, ma ce ne sono tante altre che al momento non e' il caso di approfondire troppo altrimenti servirebbe ancora qualche decina di pagine.

Quanto esposto precedentemente ci servira', dal punto di vista concettuale, per meglio analizzare il sito della centrale di Fukushima 1.

(continua con la parte 2)
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(1) piu' precisamente secondo la relazione n = 60 * f / p dove n e' il nr. di giri/min, f la frequenza in Hz e p il numero di coppie polari. E' chiaro pertanto che 1500 e 1800 rpm sono solo due delle possibili velocita' di rotazione di un alternatore, dipendentemente dalle sue caratteristiche costruttive. Tale velocita' dovra' in ogni caso collimare con quella in uscita dal motore diesel.
(2) la rete pubblica potrebbe anche non esistere come nel caso di un rifugio di montagna alimentato dal solo GE
(3) perche' quando ad un motore da 1000kW gliene chiedi 500 in una frazione di secondo c'e' il rischio che il "pendolamento" temporaneo della velocita' di rotazione faccia derivare la frequenza oltre i limiti accettabili e, se ci sono problemi, c'e' il rischio che il GE si arresti
(4) valori indicativi, programmabili a seconda delle esigenze e delle condizioni operative