Отделение математического моделирования и тренажеростроения

Тренажеростроение является неотъемлемой частью деятельности ВНИИАЭС практически с момента основания института. Сотрудники отделения имеют успешный опыт реализации более 70 проектов по разработке тренажеров различного уровня для персонала АЭС технологий ВВЭР, РБМК, БН, расположенных как на территории РФ, так и за рубежом (Китай, Индия, Украина, Словакия, Болгария).

Отделение обладает всеми компетенциями для выполнения функций генерального подрядчика по созданию и поставке тренажеров заказчику, включая решение «под ключ» следующих задач:

-            разработка технического задания на поставку тренажера;

-            разработка технического проекта тренажера;

-            разработка программного обеспечения тренажера для имитации объекта, для управления которым готовится персонал;

-            комплексный заказ технических средств, на базе которых строится тренажер (вычислительные средства, имитаторы пультов и панелей управления);

-            интеграция программного обеспечения тренажера в состав комплекса технических средств;

-            разработка эксплуатационной документации для тренажера;

-            разработка комплекса учебно-тренировочных задач, на базе которых должна вестись подготовка обучаемого персонала;

-            монтаж комплекса технических средств тренажера на площадке заказчика;

-            наладка тренажера на площадке заказчика;

-            обучение персонала заказчика навыкам работы на тренажере;

-            организация и сопровождение предварительных испытаний, опытной эксплуатации и приемочных испытаний тренажера на площадке заказчика;

-            сопровождение эксплуатации тренажера, включая его периодические модернизации с целями расширения функциональных возможностей и приведения в соответствие текущему состоянию энергоблока-прототипа.

Продуктовая линейка отделения включает в себя следующие средства обучения:

-            универсальные лаборатории для ознакомления с базовыми физическими и технологическими принципами работы и управления энергоблоком АЭС;

-            классы анализаторов режимов реакторной установки (тренажеры активной зоны) для ознакомления с физическими основами процессов и явлений, происходящих в активной зоне ядерного реактора, а также порядка управления ходом протекания этих процессов и явлений;

-            тренажеры оборудования и систем (ТОС) для различных технологических систем (например, водоподготовительной установки), а также систем АСУ ТП энергоблока для наработки оперативным персоналом отдельных цехов практических навыков работы с оборудованием различного назначения;

-            аналитические и полномасштабные тренажеры для наработки оперативным персоналом энергоблока АЭС навыков управления энергоблоком в целом в различных ситуациях (включая аварийные).

Накопленный опыт позволяет предлагать заказчикам современную высококачественную продукцию. Сегодня отделение в составе АО «ВНИИАЭС» является центром по методическому и техническому обеспечению проектирования, изготовления и сопровождения технических средств обучения в дивизионе «Электроэнергетический» Госкорпорации «Росатом» и единственным предприятием в России, способным разрабатывать и модернизировать полномасштабные и аналитические тренажеры для отечественных АЭС с любыми типами реакторов, АСУ ТП (аналоговыми или цифровыми) и на всех типах платформ (USDS, ENICAD, InSIDE), использованных при создании действующего тренажерного парка АО «Концерн Росэнергоатом».

В основе технологий моделирования, применяемых отделением, лежит современный подход, основанный на применении графических систем автоматизированного проектирования, который позволяет многократно повысить эффективность разработки математических моделей конкретного энергоблока. Более того, в настоящее время в практику внедрены подходы по частичной автоматизации создания моделей на основе актуальной проектной документации по энергоблокам, разработанной с применением современных средств проектирования (например, SmartPlant Foundation). А для моделей АСУ ТП доступен полностью автоматический подход их создания на основе конкретной версии прикладного программного обеспечения оборудования автоматизации ТПТС (ЕМ, НТ, СБ) и TXS. Весь набор применяемых инструментов позволяет вести оперативную разработку математических моделей энергоблоков, воспроизводящих работу реальных объектов с высоким уровнем детализации и достоверности.

Современный полномасштабный тренажер, разрабатываемый отделением, включает в себя всережимную полномасштабную модель энергоблока, учитывающую в комплексе:

-            нейтронно-физические процессы, происходящие в активной зоне ядерного реактора;

-            теплогидравлические процессы, происходящие в оборудовании и системах реакторного и турбинного отделений;

-            электромеханические процессы, протекающие в оборудовании и системах электрической части энергоблока;

-            управляющие воздействия, инициированные АСУ ТП;

-            процессы переноса массы и энергии, протекающие во время тяжелых аварий (тепловое разрушение конструкций активной зоны и корпуса реактора, поведение расплава на днище бетонной шахты реактора или в устройстве локализации расплава);

-            процессы накопления и распространения радиоактивных веществ (накопление продуктов деления в топливе, их выход в контур циркуляции теплоносителя и контайнмент, распространение по пристанционной территории).

Для решения всего объема задач отделения его численный состав насчитывает порядка ста квалифицированных специалистов, обладающих компетенциями в различных областях -от математического моделирования до практических навыков технологического сопровождения процесса оперативного управления энергоблоком).

За последние годы сотрудники отделения успешно завершили разработку и ввели в обучение полномасштабные тренажеры для энергоблоков №4 Калининской АЭС (2013 г.), №3 Смоленской АЭС (2015 г.), №1 Балаковской АЭС (2015 г.), №3,4 Ростовской АЭС (2016 г.), №4 Белоярской АЭС (2019 г.). Кроме этого, введен целый ряд тренажеров оборудования и систем для энергоблоков №6 Нововоронежской АЭС и №4 Белоярской АЭС.

Компетенции коллектива отделения не ограничиваются только опытом поставки технических средств обучения для персонала АЭС, но охватывают и смежную область - тренажеры для тепловых электростанций. Так, например, сотрудники отделения участвовали в разработке: 

Программно-технический комплекс

«Виртуально-цифровая АЭС с ВВЭР»

Что такое программно-технический комплекс

«Виртуально-цифровая АЭС с ВВЭР»?

Рисунок 7 – Объем моделирования ПТК ВЦАЭС

Технической основой ПТК ВЦАЭС являются современные высокопроизводительные вычислительные средства (в том числе и уровня супер-ЭВМ), а также развитая визуализации. 

               Рисунок 8 – Общий вид комплекса

Функциональные возможности программно-технического комплекса 

«Виртуально-цифровая АЭС с ВВЭР»

ПТК ВЦАЭС может быть использован для решения следующих задач, важных в контексте атомной энергетики:

-            расчетный анализ (экспертиза) проектных и конструкторских решений по технологическим системам и оборудованию, принимаемых при проектировании новых и модернизации действующих энергоблоков, включая решения по алгоритмам управления технологическими процессами, реализованными в рамках данных систем и оборудования;

-            разработка полномасштабных математических моделей энергоблоков для полномасштабных и аналитических тренажеров оперативного персонала;

-            расчетный анализ (экспертиза) противоаварийных инструкций различного уровня, включая инструкции по управлению энергоблоком в тяжелоаварийных режимах;

-            инженерная поддержка Кризисного центра АО «Концерн Росэнергоатом».

Рисунок 9 – Линии тока газа в контайнменте энергоблока проекта «АЭС-2006»

В рамках проведения расчетного анализа (экспертизы) проектных и конструкторских решений по технологическим системам и оборудованию ПТК ВЦАЭС выступает как расчетная часть цифрового энергоблока АЭС. Основные проектные и конструкторские решения по оборудованию, технологическим системам и способам их автоматизированного управления должны быть предварительно проверены на расчетной модели проектируемого или модернизируемого энергоблока. И только при подтверждении оптимальности принятых решений на модели они могут быть внедрены в реальной жизни.

Общая схема процесса проверки проектных решений на расчетной части цифрового энергоблока приведена на рисунке ниже.

Рисунок 10 – Схема «цифровой» проверка проектных решений

ПТК ВЦАЭС является современной платформой для создания технических средств обучения персонала энергоблоков АЭС, обладающей следующими преимуществами по сравнению с прочими платформами аналогичного назначения:

-            возможность повышенной детализации расчетной области при выполнении нейтронно-физического моделирования активных зон реакторных установок;

-            увеличение точности моделирования теплогидравлических процессов, происходящих в основном оборудовании реакторного и турбинного отделений за счет использования расчетного кода, основанного на более совершенном приближении;

-            возможность частичной автоматизации создания теплогидравлических моделей отдельных технологических систем за счет автоматического конвертирования проектной информации, разработанной с использованием современных САПР (например, SmartPlant Foundation), в исходный программный код моделей;

-            полная автоматизация созданий моделей оборудования АСУ ТП, реализованных на базе средств ТПТС и TXS различных версий, на базе конкретных версий прикладного программного обеспечения оборудования;

-            возможность моделирования радиационных последствий аварий, включая поведение продуктов деления в контурах теплоносителя, контайнменте и пристанционной территории в различных фазах;

-            возможность моделирования тяжелой стадии аварийных ситуаций на уровне приближений, не уступающих приближениям, используемым при проведении анализа безопасности;

-            возможность первичной настройки нейтронно-физических и теплогидравлических моделей на основе результатов прецизионного моделирования.

Расчетный анализ (экспертиза) противоаварийных инструкций различного уровня с применением ПТК ВЦАЭС заключается в расчетном воспроизведении аварийных ситуаций, которые могут иметь место на энергоблоке АЭС, и прямом моделировании управляющий воздействий на энергоблок, которые постулируются в соответствующих инструкциях по управлению энергоблоком в рассматриваемых аварийных ситуациях. Цель выполнения расчетов такого типа – подтверждение того, что управляющие воздействия, зафиксированные в инструкциях, действительно способствуют переводу энергоблока в более безопасное (стабильное) состояние. При этом проведение расчетного анализа (экспертизы) противоаварийных инструкций именно на базе ПТК ВЦАЭС имеет следующие отличительные особенности:

-            учет одновременного функционирования всех технологических систем и оборудования энергоблока при моделировании аварий, которые оказывают значимое влияние на ход моделируемых технологических процессов (без априорных предположений о возможном порядке их работы);

-            учет влияния АСУ ТП на ход аварийных процессов на основе эмуляции конкретной версии прикладного программного обеспечения оборудования АСУ ТП, используемого на анализируемом энергоблоке;

-            проведение детального анализа радиационных последствий аварий (при их наличии) путем прямого бесшовного моделирования аварий, начиная с исходных воздействий в режиме нормальной эксплуатации.

В контексте выполнения работ по направлению инженерной поддержки Кризисного центра АО «Концерн Росэнергоатом» ПТК ВЦАЭС может быть использован для подготовки и инженерной поддержки проведения противоаварийных тренировок и комплексных противоаварийных учений персонала АЭС и групп оперативного реагирования. На базе ПТК ВЦАЭС возможна разработка сложных сценариев тренировок и учений, которые позволят подготовить персонал АЭС к оперативному реагированию в самых сложных аварийных ситуациях.

Рисунок 11 – Работа на комплексе

Направления дальнейшего развития программно-технического комплекса «Виртуально-цифровая АЭС с ВВЭР»

Успешное завершение разработки ПТК ВЦАЭС было утверждено в феврале 2020 г. приемочной комиссией АО «Концерн Росэнергоатом», но развитие комплекса на этом не остановилось.

Основным приоритетом дальнейшего развития ПТК ВЦАЭС является проведение аттестации расчетного инструментария, входящего в состав ПТК ВЦАЭС, в Ростехнадзоре, что, согласно действующим нормативным требованиям регулирующего органа, является обязательным требованием для применения моделирующего программного обеспечения в любых работах по созданию расчетных моделей процессов, влияющих на безопасность объектов использования атомной энергии и (или) видов деятельности в области использования атомной энергии. Наличие аттестационных паспортов для расчетного инструментария ПТК ВЦАЭС позволит повысить уровень легитимности его применения, а также достоверности получаемых результатов, с позиции как внутриотраслевых, так и внеотраслевых организаций, занимающихся математическим моделированием в области ядерной энергетики.

Отдельно следует отметить, что аттестация расчетных средств проводится на основе экспертизы Ростехнадзором результатов их верификации и валидации, которая заключается в расчетном воспроизведении с помощью аттестуемых расчетных средств и оценке точности моделирования большого количества различных экспериментов, проводимых как на сравнительно небольших локальных стендах, так и крупных интегральных стендах и реальных энергоблоках. Такого рода верификация и валидация является трудоемкой задачей, но позволяет оценить качество моделирования как отдельных процессов и явлений на экспериментальных стендах, так и проявления этих процессов в комплексе на реальном объекте, что, в итоге, несомненно, поднимает уровень доверия к расчетным результатам, получаемым с помощью аттестованного таким образом инструмента.

В более длительной перспективе рассматривается возможность адаптации ПТК ВЦАЭС под энергоблоки других, отличных от ВВЭР-1000/1200, типов: АСММ различных типов, БН, БРЕСТ. Такая адаптация - длительный и сложный процесс, который должен включать в себя следующие этапы: оценка применимости текущего расчетного инструментария ПТК ВЦАЭС к моделированию энергоблока другой технологии и определение направлений, по которым потребуется доработка комплекса, проведение доработки расчетного инструментария и его верификация и валидация с применением экспериментальных данных в новой области.

ПТК ВЦАЭС может стать одним из основных элементов при переходе на новую методологию проектирования энергоблоков, основанную на применении математических моделей (цифровых двойников), начиная с самых ранних этапов проектирования. При этом подходе математическая модель проектируемого объекта является интеграционным ядром проекта, а все основные проектные решения находят в ней свое отражение и постоянно проверяются путем расчетного воспроизведения различных режимов (как нормальных, так и аварийных) работы энергоблока. Применение данной методологии проектировании более трудоемко по сравнению с принятым в настоящий момент подходом, однако позволяет увеличить вероятность раннего определения ошибок проектирования, когда стоимость их устранения значительно ниже, чем на этапе строительства или проведения пусконаладочных работ.

Таким образом, основной положительный экономический эффект от применения такого подхода проявится уже на этапах жизненного цикла энергоблока, следующих за этапом проектирования. И данный положительный эффект, как показывает мировая практика, значительно больше, чем дополнительные затраты на разработку и постоянное поддержание в соответствии текущему состоянию проекта модели энергоблока, внедренной в этап проектирования. Отдельно следует отметить, что такой подход (использование цифровых двойников) при проектировании сложных объектов уже апробирован в разных сферах промышленности -  в автомобилестроении, производстве двигателей для самолетов, парогазовых турбин. Это позволяет вырабатывать оптимальные проектные решения, а также сокращать количество натурных испытаний при разработке новых конструкций, что в итоге снижает себестоимость проектирования, производства и эксплуатации этих сложных объектов. Несомненно, что такой подход переносим и на сложную технологическую отрасль атомной энергетики, но с обязательным учетом при этом реальной специфики отрасли.

Развитие и порядок внедрения ПТК ВЦАЭС в научно-инженерную деятельность, реализуемой как внутри отрасти, так и за ее пределами, регулируется консолидированным планом мероприятий по продвижению и коммерциализации ПТК ВЦАЭС на 2020 - 2023 гг., утвержденным в АО «Концерн Росэнергоатом» в сентябре 2020 года. В рамках консолидированного плана определен порядок практического внедрения ПТК ВЦАЭС в деятельность дивизиона и отрасли согласно его назначению, определённому выше (от расчетной верификации проектных решений до создания математических моделей энергоблоков для целей обучения персонала), а также дополнительные инициативы по развитию комплекса и его окружения (например, рассмотренная выше процедура по аттестации расчетных средств, входящих в состав ПТК ВЦАЭС).

Система предиктивной аналитики оборудования АЭС

-            автоматическое определение параметров оборудования, на значение которых обнаруженные скрытые дефекты оказывают наибольшее влияние;

-            автоматическая оценка времени по выходу параметров оборудования за пределы безопасной эксплуатации оборудования в случае детектирования и дальнейшего развития скрытых дефектов;

-            автоматизированное (с участием экспертов) определение коренных причин возникновения скрытых дефектов.

Пилотная реализация СПА, подготовленная в первой половине 2020 года, имеет следующую ИТ-структуру:

Рисунок 12 – ИТ-структура СПА

Программное обеспечение СПА размещено на базе ЦОД АО «Концерн Росэнергоатом» и отдельных рабочих мест пользователей, размещенных на специально созданном под нужды СПА полигоне на базе АО «ВНИИАЭС». Дополнительно есть возможность полноценного удаленного доступа к системе. Программное обеспечение СПА имеет следующую архитектуру:

Рисунок 13 – Программная архитектура СПА

СПА подключена к источнику информации (комплексная система централизованного оперативного планирования и управления производством АО «Концерн Росэнергоатом», КС ЦОПиУП), обеспечивающему онлайн-доступ к измерительной информации, регистрируемой контрольно-измерительными приборами на оборудовании энергоблока №6 НВАЭС. Благодаря наличию данного интерфейса на базе СПА организован опытный мониторинг текущего состояния основного оборудования энергоблока – турбогенератора, паротурбинной установки, циркуляционных насосов.

По результатам опытной эксплуатации СПА, проводимой в настоящее время, всеми участниками данного процесса должно быть принято единое решение о практической полезности применения инструментов предиктивной аналитики в контексте эксплуатации АЭС. При положительном выводе дальнейшее развитие направления предполагает поступательное вовлечение эксплуатационного персонала в анализ результатов работы СПА с последующим их учетом при эксплуатации оборудования.