IMPLANTAÇÃO DE UMA METODOLOGIA DE PROJETO DE INSTRUMENTAÇÃO PARA UMA APLICAÇÃO EM CENTRAIS NUCLEARES A ÁGUA PRESSURIZADA

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1 IMPLANTAÇÃO DE UMA METODOLOGIA DE PROJETO DE INSTRUMENTAÇÃO PARA UMA APLICAÇÃO EM CENTRAIS NUCLEARES A ÁGUA PRESSURIZADA Flávio Matsuyama *, Roberto T. Nakane *, Rafael do Espirito-Santo *, Rubens Gedraite * e José Carlos Pires Ferreira * * Centro Tecnológico da Marinha em São Paulo - CTMSP Av. Prof. Lineu Prestes, nr , São Paulo, Brasil RESUMO A instrumentação representa um dos elos fundamentais entre os equipamentos utilizados na automação de processos. A sua definição e área de abrangência estendem-se hoje cada vez mais, cobrindo desde itens do nível de instrumentos de campo até o nível de sala de controle O seu projeto já conta com a utilização de equipamentos baseados em hardware digital e software. No caso da área nuclear, a utilização de itens de instrumentação baseados em hardware e software ainda é encarada com muita parcimônia, dada a dificuldade de se comprovar a correção de software. Tanto no caso dos sensores quanto no caso dos equipamentos, submetidos ou não à radiação, há uma série de atividades a serem executadas e documentos a serem gerados no escopo de uma metodologia de projeto de instrumentação, para se cumprir as etapas essenciais para obtenção de itens com qualificação para aplicação na área nuclear. Este trabalho relata aspectos relacionados com essa metodologia e as dificuldades que esse tipo de abordagem pode trazer para o empreendimento I. INTRODUÇÃO A globalização da economia tem impulsionado a evolução dos meios de produção, visando suportar as fortes pressões do concorrido mercado de bens duráveis e não duráveis. O segmento de automação evolui, por conseguinte, no mesmo ritmo dos outros segmentos, experimentando inovações tecnológicas inimagináveis na década passada. A área nuclear, embora extremamente conservadora na adoção de novas tecnologias, tem-se destacado por meio da utilização de itens implementados segundo essas modernas tecnologias [1]. A adoção de itens implementados com tecnologia digital, por exemplo, não pode ser realizada sem uma comprovação do correto funcionamento desses itens, pois as exigências quanto a itens de controle e instrumentação de Centrais Nucleares recaem principalmente no aspecto de segurança, ficando em segundo plano aspectos como funcionalidade, versatilidade ou facilidade de operação. Nesse sentido, a automação na área nuclear, usando itens com tecnologia digital, deve ser executada com muita moderação e cuidados, visando garantir que esses itens não levem a planta a uma condição insegura. O presente trabalho relata a experiência do Centro Tecnológico da Marinha em São Paulo no desenvolvimento de uma planta nuclear, que demandou a elaboração de metodologia de projeto de instrumentação que visa atender aos rigorosos requisitos de licenciabilidade existentes na área. II. TIPOS DE INSTRUMENTAÇÃO UTILIZADOS Uma Central Nuclear a água pressurizada (Pressurized Water Reactor - PWR) é uma instalação que possui peculiaridades não encontradas em outros processos industriais. A alta pressão tipicamente verificada na operação de uma Central Nuclear, aliada ao risco de acidente com liberação de radionuclídeos para o meio-ambiente, faz com que sejam adotadas medidas especiais no que diz respeito à instrumentação de processo e de segurança. Podemos descrever o processo típico de uma Central Nuclear PWR através do diagrama de blocos ilustrado na figura 1. Neste diagrama, pode-se verificar que uma Central Nuclear PWR é sub-dividida em dois circuitos principais, a saber: Circuito Primário e Circuito Secundário. O Circuito Primário é o responsável pela refrigeração do núcleo do reator, sendo a água usada como fluido refrigerante. Esta é diretamente aquecida pelo calor produzido internamente

2 ao núcleo do reator (RT) por intermédio de fissão nuclear controlada. A água é mantida na fase líquida por meio do pressurizador (PZ). O Circuito Secundário corresponde a um sistema convencional de instalação a vapor, abrangendo o gerador de vapor (GV), a turbina que está diretamente acoplada ao gerador de energia elétrica (TG) e o condensador (CD). Os fluidos dos circuitos primário e secundário são recirculados através dos respectivos conjuntos de bombas (BP e BS). A instrumentação empregada numa Central Nuclear PWR pode ser classificada em instrumentação de segurança e em instrumentação de não-segurança. A instrumentação de segurança é aquela empregada para garantir a segurança operacional da Central Nuclear, estando diretamente associada com a cadeia de ações que devem ser tomadas no sentido de não permitir a liberação de radionuclídeos ao meio ambiente. É função da instrumentação de segurança propiciar o desligamento seguro do reator nuclear. A instrumentação de não-segurança é utilizada basicamente para o controle e monitoração da Central Nuclear e é instalada na planta com o objetivo de manter a operacionalidade e a disponibilidade da mesma. Seu principal requisito consiste no fato de não poder falhar de forma a comprometer a segurança da instalação. A principal diferença entre os instrumentos de segurança e os instrumentos de não-segurança, que torna os últimos especiais, é o fato de que eles, além de detectar condições de acidentes, devem ser capazes de sobreviver aos mesmos. Em outras palavras, os instrumentos de segurança devem apresentar uma qualidade muito superior àquela dos instrumentos que são utilizados somente para controle e monitoração. Figura 1. Diagrama de Blocos de uma Central Nuclear PWR típica. da mesma e emita uma Autorização para Operação Inicial. Esta autorização só é emitida após rigorosa análise do atendimento dos requisitos estabelecidos pelas normas da CNEN para a instrumentação aplicada à Central Nuclear, em especial para a instrumentação de segurança. Dentre estes requisitos, podemos ressaltar os seguintes: a) capacidade para resistir a abalos sísmicos típicos da região de instalação, mantendo-se operacionais; b) apresentar índices de confiabilidade, disponibilidade e de segurança elevados; c) apresentar tempos de resposta e processamento pequenos, compatíveis com os tempos envolvidos com a evolução dos acidentes; e d) quando instalados no campo, próximos ao reator, devem suportar altas doses de radiação, e possuir invólucros que os protejam das condições de acidentes postulados. O licenciamento da Central Nuclear depende do atendimento aos requisitos impostos pelas normas da CNEN e justifica o rigor utilizado nos Critérios Básicos de Projeto adotados para a instrumentação da mesma. A licença de operação é garantida por inspeções regulares. A configuração típica dos sistemas de controle passíveis de utilização em Centrais Nucleares pode empregar tecnologia analógica, tecnologia digital, ou tecnologia mista. Podemos dizer que o emprego de Instrumentação e de Sistemas de Controle com tecnologia digital teve início na década de 60, com uma pequena planta nuclear (CHANTILLY-1) em Quebec (Canadá). De uma maneira geral, podemos, também, afirmar que as novas plantas nucleares em contratação no mundo apresentam tendência para utilizar sistemas de controle e de proteção totalmente digitais, juntamente com sistema de proteção hardwired funcionando como back-up [2]. Atualmente, a nível mundial, sabe-se da existência de três Centrais Nucleares em operação com o emprego de sistemas de controle totalmente digitais (na França, na Inglaterra e no Japão). É importante salientarmos que mesmo estas plantas possuem sistema de segurança hardwired como redundância. Podemos classificar a instrumentação utilizada em Centrais Nucleares de acordo com a tecnologia empregada na sua fabricação, como instrumentação com componentes digitais e instrumentação com componentes analógicos (instrumentação convencional). A figura 2 representa o que se está querendo dizer. Para que uma Central Nuclear possa operar é necessário que um órgão licenciador (Comissão Nacional de Energia Nuclear - CNEN) aprove o projeto

3 Figura 2. Classificação do tipo de instrumentação empregada em Centrais Nucleares de acordo com a sua tecnologia de implementação e aplicação. Os instrumentos classificados como sendo do tipo I são aqueles que empregam hardware (HW) e software (SW) e são utilizados em aplicações de nãosegurança, tais como: sistemas digitais (SDCDs, CLPs, etc), controladores single-loop, transmissores inteligentes, etc. Aqueles classificados como sendo do tipo II são aqueles empregados também em aplicações de não-segurança, porém sem utilizarem hardware nem software na sua implementação, tais como elementos sensores (placas de orifício, termoresistências), condicionadores de sinal, indicadores locais, unidades de proteção de equipamentos baseados em relés, etc. Analogamente, os instrumentos classificados como sendo do tipo IV e do tipo III seguem a mesma linha de raciocínio apresentada no parágrafo anterior, porém estão associados a aplicação de segurança. III. JUSTIFICATIVAS PARA A ADOÇÃO DE UMA METODOLOGIA. A adoção de metodologia de projeto é amplamente incentivada atualmente, em função da disseminação de conceitos de garantia de qualidade e qualidade assegurada, no âmbito das exigências da certificação ISO A área de instrumentação não é uma exceção nesse caso e deve seguir as regras das normalizações quanto à garantia da qualidade [3]. O licenciamento representa, na área nuclear, o processo de liberação para operação de uma Central Nuclear e é regido pelo órgão licenciador independente de cada país. No caso do Brasil o órgão licenciador é a Comissão Nacional de Energia Nuclear, CNEN, filiada à Agência Internacional de Energia Atômica, IAEA, que estabeleceu uma série de normas a esse respeito. Como foi mencionado no item anterior, a instrumentação aplicada a uma Central Nuclear pode ser dividida nos grupos de instrumentação de segurança e instrumentação de não-segurança. A existência da instrumentação classificada como de segurança obriga, por razões de licenciamento, a adoção de metodologia de projeto rigoroso. Essa exigência se justifica pela necessidade que se tem de, a qualquer instante do processo de desenvolvimento e implantação de uma Central Nuclear, se rastrear a documentação disponível para se executar alguma alteração ou para se verificar algum requisito de projeto. É também a partir dessa documentação gerada no âmbito da metodologia de projeto de instrumentação que o órgão licenciador irá verificar a capacidade da instrumentação da planta ser licenciada, principalmente no aspecto da sua segurança. Essa metodologia deve conter, ainda, as regras e procedimentos de execução de atividades tanto de projeto quanto de verificação, fornecendo subsídios fundamentais para o efetivo controle do projeto. Este controle é essencial para que se possa a cada passo de projeto conhecer-se a sua evolução, assegurando-se com isso, a aplicação correta das técnicas de projeto e a verificação dos requisitos pré-estabelecidos. Esse controle de projeto propicia ainda o acompanhamento do cronograma físico do empreendimento e a evolução dos custos de desenvolvimento. IV. METODOLOGIA DE PROJETO DE INSTRUMENTAÇÃO ADOTADA NO CTMSP A metodologia de projeto de instrumentação adotada deve ser compatível com a aplicação e com os requisitos que a mesma aplicação impõe, evitando-se, com isso, gastos desnecessários. A instrumentação prevista para a aplicação pode ser de quatro tipos, sob o ponto de vista da sua tecnologia de implementação, conforme foi apresentado no item II, ou seja, instrumentação para aplicação de segurança com componentes digitais ou convencionais e instrumentação para aplicação de não-segurança com componentes digitais ou convencionais. O tipo de instrumentação que hoje demanda um conjunto maior de atividades e documentos é a instrumentação para aplicações de segurança utilizando componentes digitais. O uso de software nestas aplicações leva à necessidade de técnicas especiais, como diversidade de programas ou utilização de linguagens formais, para se atender a rigorosos requisitos de segurança, confiabilidade e disponibilidade. A instrumentação classificada nesse tipo apresenta o elenco máximo de requisitos de garantia de qualidade, pois envolve tanto a metodologia de projeto de instrumentação quanto a metodologia de projeto de sistemas digitais com requisitos de segurança. Os demais instrumentos são obtidos aplicandose, portanto, um subconjunto dos requisitos de garantia

4 da qualidade impostos à instrumentação implementada com componentes digitais. O desenvolvimento da instrumentação é dividido em várias fases, segundo o modelo de projeto em cascata, tendo sido identificadas as seguintes fases: concepção, básico, detalhado, implementação e testes, integração, validação, instalação, operação e manutenção. Sob o ponto de vista da metodologia de projeto de instrumentação, são executadas atividades de cálculo em função do processo, especificações/análises de materiais, estudos de balanços de massa e de energia e testes de protótipos, que devem ser consolidados sob forma de registros em documentos do tipo fluxograma de processo, fluxograma de engenharia, memórias de cálculo, folhas de dados de processos para instrumentos, folha de dados de instrumentos, lista de set-points, índice de instrumentos, diagramas lógicos, diagramas de controle de processo, diagramas funcionais, diagramas de malhas e desenhos de arranjo. Há documentos eminentemente descritivos de instrumentação e outros que trazem detalhes da implementação de processo. No caso da instrumentação convencional para aplicação de segurança, o rigor da metodologia é determinado pelos testes de qualificação a serem executados. A metodologia de desenvolvimento de sistemas digitais deve ser aplicada juntamente com a metodologia de verificação e validação, que visa justamente executar uma avaliação contínua no desenvolvimento do sistema durante todas as fases. A metodologia de desenvolvimento de sistemas digitais, aplicável para instrumentos implementados através da utilização de componentes digitais, apresenta no seu conjunto de documentos de engenharia previstos, documentos como especificação funcional do sistema, especificações de hardware e software, descrições de arquiteturas de sistema, de hardware e de software, avaliações de arranjo, confiabilidade, segurança, descrições detalhadas de hardware e software, planos e especificações de testes, relatórios de testes e manuais de geração de códigos de programas de software, de instalação, de operação e de manutenção. No âmbito da metodologia de verificação e validação, os tipos de documentos previstos são documentos de acompanhamento de aplicação de requisitos, documentos de análises de confiabilidade e segurança, relatórios de análises críticas de projeto e avaliações de qualidade de software. Para os instrumentos com classificação de segurança deve-se, em princípio, gerar todos os documentos previstos nas duas metodologias no que tange à parte correspondente à implementação com componentes digitais. No caso de instrumentos não classificados como de segurança, é aceitável adotar-se um subconjunto de documentos que descreva convenientemente o instrumento em desenvolvimento. V. DIFICULDADES DA IMPLANTAÇÃO DAS METODOLOGIAS A adoção por si só de uma metodologia não é suficiente para se conseguir a sua disseminação por todos os profissionais envolvidos no projeto. Há aspectos culturais e históricos que fazem com que haja grande dificuldade de aceitação maciça das regras impostas nas metodologias. A inexistência de alguns procedimentos e a elaboração das próprias metodologias em paralelo com o desenvolvimento da instrumentação são fatores que dificultam a utilização das metodologias. A documentação e as atividades pertinentes das metodologias devem ser executadas com acompanhamento e supervisão do departamento de garantia da qualidade, exigindo, portanto, investimentos na qualificação de pessoal. A necessidade de executar as atividades de verificação e validação de maneira independente traz uma série de inconvenientes, tanto no que tange a fatores de custo quanto à dificuldade de controlar a entidade que executa as atividades de verificação e validação. No caso de itens de instrumentação classificados como de segurança adquiridos como sistemas pacotes, há grandes dificuldades de obtenção de documentação, principalmente no que tange aos documentos contidos no âmbito das metodologias de projeto de sistemas digitais e de verificação e validação, incorrendo em grande obstáculo para o licenciamento. VI. CONSIDERAÇÕES FINAIS A elaboração de uma metodologia de projeto de instrumentação, por si só, não é suficiente para se garantir a segurança de uma Central Nuclear. A correta adoção da metodologia e a execução exaustiva das atividades previstas visando garantir a segurança do projeto e, por conseguinte, da instalação, podem servir como aval para o órgão licenciador liberar a operação da Central Nuclear. Devido ao rigor das exigências, o projeto de instrumentação de uma Central Nuclear é mais oneroso do que projetos de instrumentação de plantas industriais. Porém, a experiência acumulada na aplicação nuclear pode perfeitamente ser transportada para outras áreas de aplicação, executando-se, nesse caso, as adaptações que se fizerem necessárias.

5 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ABSTRACT [1]- UHRIG, R. E., International Perspective on Advanced Instrumentation and Control and Plant Protection Systems. Palestra proferida na Pennsylvania State University. Pennsylvania - EUA. Maio/1996; [2]- SILVA, M. M. da, Como o Fieldbus pode Facilitar a Implementação de Sistemas de Controle de Usinas Nucleares. Monografia apresentada à Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo - SP, 1994; [3]- KOCH, R., Projeto de Instrumentação, Revista INSTEC, Setembro/1993. Instrumentation has played an important role in plant automation, covering a wide range from the field to the control room level. It can be implemented by using hardware and software components. In nuclear applications, however, the employment of digital instrumentation is not a current practice. It means that software correctness must be demonstrated before starting up the plant. All and all, the Instrumentation Project Methodology is the answer to reach the dependability levels required for nuclear applications. This paper discusses in a brief way some aspects related to this Methodology and also shows typical difficulties that such approach brings up to the project as a whole.