Может ли цифровая трансформация обеспечить более высокую энергоэффективность и продлить срок службы атомных электростанций значительно больше, чем на 40 лет? Именно на это способно программное обеспечение от Ansys. Предлагаем вам убедиться в перспективах использования симуляций Ansys Twin Builder в атомной энергетике на основе эксклюзивного интервью с вице-президентом и генеральным менеджером Ansys Эриком Бантени, которое он дал французской группе EDF, которая способствует разработке безопасных технологий производства электроэнергии с низким содержанием углерода с помощью инструментов мультифизического моделирования Ansys.
Почему атомная отрасль заинтересована в цифровом моделировании?
Как можно гарантировать продление срока службы электростанций, проводить прогнозное техническое обслуживание, сравнить, насколько система снижает производительность по сравнению с запланированным, с учетом индивидуальных особенностей на уровне каждого компонента?
На атомной станции работает множество систем. Существуют тысячи насосов с широким диапазоном рабочих режимов, которые работают в различных условиях, с очень длительным сроком службы, очень высокой стоимостью активов и т. д. Поэтому очень важно обеспечить их защиту и сократить расходы на техническое обслуживание. Здесь речь идет как о вопросах безопасности, так и об экономических аспектах. Программное обеспечение Ansys предоставляет возможность создания цифрового двойника для всего обслуживаемого оборудования.
Эрик Бантени (Eric Bantegnie), вице-президент и генеральный менеджер Ansys
О каком оборудовании идет речь?
Это оборудование, которое оператор установки считает критически важным для управления.
Это варьируется от сложного оборудования, такого как турбогенераторы, до простых устройств, таких как насосы. Ограничений по оборудованию нет. Например, если на заводе есть два одинаковых насоса, они не будут эксплуатироваться одинаково, у них не будет одинакового срока службы. Поэтому мы создадим имитационную модель для каждого насоса. Данные датчиков, установленных на каждом насосе, позволят программному обеспечению давать индивидуальные прогнозы для каждой единицы оборудования.
Инженер использует компьютер для обслуживания оборудования на электростанции
Как работает симуляция?
Ansys предлагает мультифизические, многооборудовательные и многомасштабные симуляции.
Мультифизика: для данного оборудования выполняется моделирование сочетания всех физических явлений одновременно. Для электродвигателя моделируются электрическая часть, а также тепловая часть и вибрация. Можно сочетать несколько типов физических явлений одновременно, чтобы получить точное моделирование. Другие средства моделирования могут моделировать только одно физическое явление за раз.
Многокомпонентность: можно объединять различные взаимодействующие компоненты в программном обеспечении. В генераторе переменного тока есть десятки различных частей, и можно смоделировать каждую из этих частей, а также смоделировать целое.
Многомасштабность: симуляция чрезвычайно тонких и детальных явлений, таких как электронный чип или небольшой участок в трубе, поэтому можно имитировать очень малые и микроскопические масштабы. Но также можно моделировать очень масштабные физические явления на сотни метров (радары дальнего радиуса действия) и различных порядков величины (турбогенераторы, автономные автомобили). Таким образом, последовательно увеличивается часть оборудования, его вспомогательные узлы, компоненты и т. д.
Как программное обеспечение Ansys может продлить срок службы атомной станции?
При использовании программного обеспечения Ansys появляется возможность применять инструменты анализа безопасности, которые позволяют операторам перечислять все возможные режимы сбоев технических систем. Это всё, что потенциально может не работать. Таким образом, разработчик имеет в своём распоряжении этот каталог, а с помощью моделирования может в режиме реального времени видеть, переживает ли система определённый режим сбоя (то есть аномальная вибрация, аномальная температура).
Проблемы в работе можно выявить в режиме реального времени. Обычно датчики устанавливаются там, где это возможно, а не обязательно там, где они нам нужны. Например, если внутри насоса происходит коррозия из-за песка или окислителей, датчик нельзя установить в насос, так как это заблокирует его. Но моделирование позволяет точно предсказать, какими будут физические параметры работы насоса. Моделирование дает очень точные прогнозы, предупреждает об отклонениях в системе, сообщает, требуется ли операция по техническому обслуживанию или следует ли остановить систему. Подход на основе цифрового двойника позволяет избежать поломок и отслеживать износ систем. Таким образом становится возможным продлить срок службы атомной станции.
ТЭЦ с большой дымовой трубой
Моделирование режимов работы атомных станций, находящихся в эксплуатации
Электростанции были построены десятки лет назад, когда вычислительные мощности и возможности моделирования были не такими, как сегодня. Но цифровые двойники можно использовать на оборудовании старых электростанций, которые все еще работают. С помощью Ansys можно моделировать существующее оборудование, для которого не обязательно иметь подробные 3D-данные. Можно создавать крупномасштабные симуляции на основе рабочих данных для проведения прогнозного технического обслуживания. Режимы отказов также можно моделировать и анализировать в целях обеспечения безопасности.
Цифровое моделирование сегодня массово используется в автомобильной и аэрокосмической промышленности. Как применяется Twin Builder в атомной отрасли?
Атомная отрасль подходит для моделирования, поскольку в атомной промышленности есть много вещей, которые физически невозможно проверить. Если нужно узнать, может ли атомная станция выйти из режима работы, вы не можете это сделать — лучше это смоделировать. Решения, разработанные для атомной отрасли, часто внедряются в других отраслях промышленности через несколько лет. Программное обеспечение Ansys для мультифизического моделирования Ansys Twin Builder ориентировано на использование и в атомной промышленности.
Новая библиотека жидкостного охлаждения (LCL), доступная в библиотеке Ansys Twin Builder Heating and Cooling Library, расширяет возможности моделирования в атомной энергетике. Эта библиотека совместима со многими инструментами библиотеки Modelica, что может помочь по-новому подойти к моделированию систем охлаждения. В целом LCL можно использовать для моделирования контуров охлаждения во многих отраслях промышленности, таких как энергетика, аэрокосмическая, автомобильная, перерабатывающая и т. д. Сочетание с обширными библиотеками электроники и электрических машин в Twin Builder делает LCL естественным инструментом для охлаждения силовой электроники и управления температурой технических устройств.
Какие можно привести примеры успешного внедрения Ansys?
Решения, которые Ansys разрабатывает и прототипы которых создает для атомной промышленности, через год-два будут широко применяться в других отраслях промышленности, где предъявляются высокие требования к безопасности. Это аэрокосмическая отрасль, традиционная и возобновляемая энергетика, а также расширяющаяся сфера применения в автомобильной промышленности с автономными системами. Ядерная система сталкивается со сложными проблемами, связанными с многочисленными взаимодействиями с механическими и тепловыми системами. Термомеханические проблемы очень сложны: высокие температуры, вибрации и т. д., а физика, связанная с этим, чрезвычайно сложна.
Атомная энергетика также связана с проблемами коррозии, поскольку системы созданы для того, чтобы служить очень долго. С помощью Ansys можно решить указанные проблемы и получить ответы, которые можно применить в нефтегазовой промышленности, где также существуют проблемы с коррозией на трубопроводах и нефтеперерабатывающих заводах.
Какие следующие задачи предстоит решить с помощью Ansys?
Разработчики Ansys значительно продвинулись в области точного физического моделирования. Сотрудничество с французской группой EDF представляет интерес в плане внедрения цифровых двойников. Атомные станции имеют множество подсистем, которые потенциально могут стать цифровыми двойниками. Атомная электростанция потенциально означает 20 000 или 30 000 цифровых двойников. Таким образом, когда мы узнаем, как внедрить все эти цифровые двойники для обслуживания атомной станции, мы также сможем внедрить их, например, на атомной подводной лодке или на нефтеперерабатывающем заводе — в крупных и очень сложных системах. Ещё предстоит многое узнать о том, как разрабатывать стратегии развертывания и как получать данные. Сегодня у клиентов Ansys есть всего несколько тысяч цифровых двойников. Переход к 10 000 или 100 000 означает смену масштаба, и это еще впереди.