ТЭС в виртуальной реальности

Каждый, наверное, играл в какую-нибудь компьютерную игру, которая в той или иной степени представляла собой виртуальную модель поведения человека, например за рулём автомобиля. Но учёные, в какой-то мере отталкиваясь от компьютерных игр, начали моделировать всё более сложные ситуации и процессы. Действительно, если есть тренажёры, позволяющие обучать пилотов сверхскоростных самолётов, почему не может быть своего рода тренажёра – виртуальной модели, которая будет, скажем, обучать персонал тепловой электростанции (ТЭС)?

По двум направлениям

Целевая виртуальная модель – это тесная интеграция устройства объекта и протекающих в нём процессов, которые влияют друг на друга в едином информационном пространстве. В той или иной степени также возможен и прогноз состояния материалов, для чего требуется создание особого класса моделей – деградационных моделей механических, тепломеханических, электрических устройств.

Существующие средства системы автоматизированного проектирования (САПР), такие как программные комплексы CAD, уже давно применяются проектировщиками для создания 3D-моделей объектов, что является основой для виртуального моделирования структур (устройства) энергоблоков и ТЭС в целом.

Моделирование процессов в технологических системах и оборудовании ТЭС идёт в настоящее время по двум не пересекающимся друг с другом направлениям. Во-первых, направление, связанное с эксплуатационными расчётами для проверки оперативных технических решений, оптимизации распределения нагрузок между агрегатами, управления агрегатами. Это моделирование используется для планирования ремонтов, мероприятий по техническому перевооружению, реконструкции, повышению энергоэффективности. И во-вторых, направление, связанное с тренажёрной подготовкой оперативного персонала.

Над созданием виртуальных моделей для ТЭС работал не один коллектив учёных. Основы виртуального моделирования сложного энергетического оборудования для целей конструирования были заложены, в частности, в работах кафедры «компьютерные технологии» механико-машиностроительного факультета СПбГТУ под руководством доктора технических наук, профессора Н. Н. ШАБРОВА.

Виртуальный энергоблок с реактором ВВЭР-1000 ЛАЭС-2 с пультом оперативного персонала для целей отладки АСУ ТП создан большим коллективом учёных и инженеров под эгидой ОАО «Санкт-Петербургский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт «АТОМЭНЕРГОПРОЕКТ». Большой вклад в это инновационное направление внесён В. В. БЕЗЛЕПКИНЫМ. Система представляет собой программно-аппаратный комплекс, состоящий из проекционно-экранного оборудования, видеокластера с пиковой производительностью 1,4 TF, оптической трекинг-системы и системы видео-конференц-связи.

Чем ближе к жизни, тем полезнее

Эффективность виртуальной модели, несомненно, зависит от того, насколько всеобъемлющи параметры, которые задаются при её разработке. Отметим две имеющиеся возможности виртуального моделирования энергоблоков ТЭС, которые вытекают из интеграции структуры объекта и протекающих в нём процессов.

Первая касается развития виртуальной модели, главным образом её расчётной части, на стадии эксплуатации путём включения в неё реальных датчиков различных физических величин. В виртуальную модель вводятся значения модельных величин, полученных из измерительных систем в процессе работы реального объекта. Это достигается избыточностью измерений по сравнению с необходимым их количеством по условию наблюдаемости технологической системы. Особенность такого виртуального моделирования относительно просто может быть реализована для электрической сети, для котельного и турбинного агрегатов ТЭС.

Вторая возможность также относится к связи виртуальной модели со своим прототипом, но в данном случае – с реальной аппаратурой (и, возможно, с реальным оборудованием). Для этого необходимо в первую очередь организовать интерфейс между аппаратурой (управления, защиты, регулирования) и виртуальными устройствами, к которым она должна быть подключена в реальном объекте. Фактически мы имеем виртуальный лабораторный или наладочный стенд, позволяющий опробовать работу поставляемой аппаратуры и оборудования в условиях, приближенных к эксплуатационным. На этом принципе основаны тренажёры оперативного персонала (ручное вмешательство в работу виртуальной системы), виртуальные пульты АСУ ТП.

Предскажет будущее

Моделирование технологических процессов может оказать существенную помощь в прогнозировании и определении остаточного ресурса оборудования, может подсказать износ оборудования, спрогнозировать выход из строя того или иного агрегата. В этом случае целесообразно применить подходы системно-динамического моделирования при построении системы уравнений для математических вычислений. Применительно к модели энергоблока такая система будет состоять из расчётной и оптимизационной моделей, описывающих технико-экономическую деятельность работы энергоблока.

Расчётная модель, построенная по такому принципу, позволит производить сценарный анализ, варьировать различными техническими решениями, анализировать их, производить про­гноз­ные расчёты с учётом действующего состояния оборудования для оценки последствия принимаемых решений. То есть управлять жизненным циклом оборудования электростанции. Кроме того, появится возможность выполнять оптимизационные задачи для определения наиболее экономичного режима работы генерирующего оборудования с учётом вида топлива, режима работы и других исходных данных. Модель такого уровня позволит оптимизировать загрузку оборудования и расход топлива, обеспечив тем самым надёжность работы.

По принципу пазла

С появлением сверхмощных вычислительных комплексов стало возможным создавать виртуальные модели для реализации жизненного цикла оборудования ТЭС. Специалисты фонда «Энергия без границ» разрабатывают основы виртуального моделирования сложных технологических систем, виртуального моделирования энергоблоков и ТЭС на всех стадиях их жизненного цикла на базе методологии CALS, предсказательного и имитационного моделирования, технологий проектирования 3D, 4D. Данная разработка позволит оптимизировать трудозатраты и обеспечит корректное и вариантное моделирование энергоблоков и станций.

В 2008 году ФГУП «Российский федеральный ядерный центр – Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики» (РФЯЦ-ВНИИЭФ) совместно с научно-исследовательским центром «Курчатовский институт» разработало технологию объединения независимых программных продуктов для моделирования сложных ТС на суперЭВМ. Она получила название PSS-система интеграции программных пакетов.

PSS ориентирована на кластерные вычислительные системы общего типа, которые могут быть созданы в принципе даже путём объединения персональных ЭВМ в рамках сети Интернет или просто локальной сети. В связи с тем, что при виртуальном моделировании появилась потребность в проведении связанных расчётов на большом количестве процессоров с применением неоднородных вычислительных комплексов с распределённой памятью, была поставлена задача принципиальной модернизации PSS. В результате была разработана новая технология связывания мультипакетов программ, названная SMM. То есть связывания из кусочков в целое.

SMM позволяет создавать системы интегрированных в единую информационную среду программ (кодов) для комплексного моделирования работы различных систем виртуального энергоблока с учётом связанных между собой физических процессов различной природы. Так, с целью решения ключевых вопросов по повышению тепловой мощности реактора на базе SMM создан пул пакетов программ ЛОГОС (3D-теплогидравлика) – КОРСАР/ГП (1D-теплогидравлика), предназначенных для высокоточного моделирования массопереноса и теплогидравлических процессов в различных зонах реактора.

Накопленный опыт в области расчётных методов и критериев прогнозирования ресурса оборудования в сочетании с постоянно сопровождающей реальный энергоблок виртуальной моделью позволит получить эффективный инструмент управления жизненным циклом оборудования.