Ключевым технологическим трендом в энергетической отрасли, существенно повышающим ее эффективность и рентабельность, является цифровая трансформация. С развитием таких технологий, как численное моделирование, цифровые двойники, Промышленный Интернет вещей и обработка больших данных многие компании взяли курс на цифровизацию своих производств. В краткосрочной перспективе цифровая трансформация энергетики сможет увеличить доходы компании в отрасли на 3-4% в год. О том, какие задачи позволяют решать инновационные подходы, какова роль цифровых двойников и данных о материалах, а также о перспективах цифровизации атомной энергетики в специальном интервью научному порталу «Атомная энергия 2.0» рассказали Ян Поженько, ведущий инженер-расчетчик, и Михаил Кочетков, директор по продажам и развитию бизнеса в атомной отрасли компании «КАДФЕМ Си-Ай-Эс».
- Какого рода инновации преимущественно внедряются сейчас в атомной энергетике? В чем их актуальность?
- К инновациям можно подойти с разных сторон. Это и технологические инновации, например, разработка методов добычи полезных ископаемых с помощью новых выщелачивающих агентов; и создание новых высокотехнологичных объектов и изделий, таких как реакторы на быстрых нейтронах; и применение инновационных технологий вроде цифровых двойников и инженерного анализа. Мы предлагаем сосредоточиться на последнем аспекте. В данном случае нельзя рассматривать цифровые двойники в отрыве от инженерного анализа, так как для создания цифрового двойника какого-либо узла мы должны сначала провести анализ различных условий эксплуатации объекта и построить упрощённую модель на основе полученных результатов, которая и будет являться цифровым двойником.
Применение этой технологии дает возможность повысить безопасность на объектах использования ядерной энергии (ОИЯЭ) за счёт глубокого понимания физики процессов, позволяет увеличивать интервалы между обслуживанием устройств и агрегатов, а также уменьшать само время технического обслуживания. Инженерный анализ, в свою очередь, дает возможность моделировать различные сценарии аварийных ситуаций, прогнозировать последствия внештатных ситуаций и принимать более эффективные решения в случае наступления последних. Также с помощью инженерного анализа можно подтверждать продление сроков эксплуатации ОИЯЭ, в частности, проектировать наименее материалоёмкое и устойчивое к внешним воздействиям оборудование.
- Что представляют собой сегодня цифровые двойники объектов атомной энергетики?
- Цифровой двойник – виртуальная копия реального объекта, который находится на стадии проектирования, строительства, эксплуатации или выведения из нее. На цифровых двойниках отрабатываются все технологические процессы. Целью их применения является повышение безопасности ОИЯЭ и снижение расходов на эксплуатацию. Их использование позволяет глубже понимать процессы, происходящие как в целом на всем объекте, так и в частности на отдельно взятом оборудовании в конкретно рассматриваемый промежуток времени. В результате это дает возможность с высокой точностью спрогнозировать последствия тех или иных воздействий.
- Какие ключевые задачи атомной отрасли позволяет решить численное моделирование и инженерный анализ? Каковы основные сценарии применения технологии (примеры применения)?
- Таких задач огромное множество, им можно посвятить не одну статью. Условно разделим их на несколько классов, которые уже нашли широкое применение в атомной отрасли: течение жидкости и газа, расчёты прочности и жёсткости, динамические расчёты. Решение такого рода задач направлено на повышение безопасности и увеличение экономической эффективности объектов использования ядерной энергии (ОИЯЭ). Из более простых задач можно привести пример расчёта оборудования на сейсмическое воздействие. При этом можно определить наиболее эффективный и дешёвый материал для изделия, либо, наоборот, найти слабое место в изделии и устранить его. Можно увеличить эффективность теплообменника. Картины распределения температур полей и направления скоростей могут подсказать, что необходимо изменить в конструкции для увеличения эффективности.
Примером более сложных задач может послужить моделирование удара фюзеляжа самолёта и его крупных обломков по зданию АЭС. Подобная задача была выполнена в рамках проекта Ханхикиви-1external link, opens in a new tab командой инженеров АО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс». Экспериментальная проверка, пусть даже и упрощённой модели здания, стоила бы огромных денежных и временных затрат, что не сопоставимо с затратами на математическое моделирование.
- Какие решения компании Ansys наиболее востребованы в настоящее время на предприятиях Госкорпорации «Росатом» с учётом приоритетных направлений развития атомной отрасли, установленных в комплексной программе «Развитие техник, технологий и научных исследований в области использования атомной энергии в РФ на период до 2024 года»? В чём их особенность?
- На сегодняшний день широкое распространение получили четыре программных продукта: Ansys Fluentexternal link, opens in a new tab и Ansys CFXexternal link, opens in a new tab – для моделирования процессов течения жидкости и газа; Ansys Mechanicalexternal link, opens in a new tab – для моделирования в области задач прочности и жёсткости и Ansys LS-Dynaexternal link, opens in a new tab для моделирования быстропротекающих динамических процессов, таких как взрывы или тот же удар фюзеляжа самолёта по зданию АЭС.
С учётом тенденций по созданию цифровых двойников на рынке атомной энергетики растёт востребованность в программном продукте Ansys Twin Builderexternal link, opens in a new tab. В нем можно создавать цифровые двойники и производить интеграцию с платформами промышленного Интернета вещей (IIoT). Кроме того, наращиваются поставки программных продуктов Ansys SCADEexternal link, opens in a new tab и Ansys Medini Analyzeexternal link, opens in a new tab. Ansys SCADE позволяет, используя принцип модельно ориентированного подхода, создавать уникальное встраиваемое программное обеспечение для управления системами АЭС, отвечающее последним требованиям по кибербезопасности. С помощью Ansys Medini Analyze можно легко и быстро произвести оценку безопасности и расчёта надёжности создаваемых систем АЭС.
Для систем генерации и передачи энергии в настоящее время востребованы продукты линейки Electronic Desktop: Ansys Maxwellexternal link, opens in a new tab, Ansys HFSSexternal link, opens in a new tab и Ansys EMA3D Cableexternal link, opens in a new tab. Ansys Maxwell позволяет проектировать наиболее эффективные генераторы, преобразователи, трансформаторы, изделия силовой электроники, высоковольтные изоляторы и другие электрические и электромеханические устройства. Ansys HFSS и Ansys EMA3D Cable необходимы для проведения анализа электромагнитной совместимости на соответствие электронного оборудования сертификационным нормам и оценки конструкции кабельных жгутов на системном уровне.
- Какова роль данных о материалах в цифровой трансформации атомной промышленности?
- Все физические объекты сделаны из материалов, в том числе сложные инженерные сооружения атомной отрасли. Материаловедение занимает ключевое место в процессе изготовления изделий для ОИЯЭ. Материалы обладают свойствами, у них есть свой жизненный цикл, их изготавливают определенные производители, обеспечивают конкретные поставщики, они соответствуют конкретным нормам и так далее. Всё это – огромный объём данных о материалах. Тенденция общей цифровизации касается и этой информации: их необходимо накапливать, сопоставлять и управлять ими. Невозможно создать корректный цифровой двойник или провести инженерный анализ без точных данных о материалах.
Схема работы системы обращения информации о материалах – Granta MI- Какие ключевые проблемы возникают при работе с материалами? С помощью каких инструментов их можно решить?
- Основные проблемы, как правило, возникают в процессе управления информацией о материалах. На большинстве предприятий это слабо контролируемый процесс. Данные фрагментировано находятся в различных подразделениях, и обмен ими, зачастую, представляет собой децентрализованную передачу информации. Это приводит к тому, что с течением времени она теряется, приходится дублировать испытания, а это неизбежно приводит к финансовым убыткам. При проведении расчётов необходимо ориентироваться на одобренные к применению материалы и их свойства. Поэтому специалисты компании АО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» разработали RUSATOMMATERIALexternal link, opens in a new tab – базу данных отечественных материалов, применяемых в атомной отрасли. Данные из нее можно применять в продукте Ansys Granta MI Enterpriseexternal link, opens in a new tab, который позволяет управлять данными о материалах и связывает их с локальными PLM, ERP, CAD системами и расчётными средами. При внедрении этих продуктов данные накапливаются в одном месте, они полностью прослеживаемые и контролируемые. Система связывает информацией о материалах всех пользователей – закупщиков, расчётчиков, конструкторов, технологов, испытателей, экологов, материаловедов на каждом из этапов жизненного цикла. Таким образом, на предприятии создается «золотой» источник информации о материалах. RUSATOMMATERIAL выполняет функцию точки отсчёта в этом процессе, на которую сверху накладывается вся сопутствующая информация.
Granta MI выполняет роль, аналогичную CAD или CAE, синхронизируя данные о материалах с PLM- Какие препятствия возникают на пути внедрения цифровых технологий на предприятиях атомной отрасли?
- Одно из основных препятствий на пути внедрения цифровых технологий – нехватка квалифицированных кадров. Процесс цифровизации сопряжен с постоянной необходимостью обучения потенциальных конечных пользователей новым инновационным возможностям программных продуктов. Следует наращивать осведомлённость технического персонала и руководителей всех рангов об актуальном функционале передовых цифровых продуктов.
- Каковы дальнейшие перспективы внедрения инноваций в атомной энергетике?
- Современная атомная энергетика, по своей сути, является синонимом инновации. Атомная отрасль является одной из наиболее передовых индустрий, как в Российской Федерации, так и во всем мире в целом. Это сопряжено с высоким ростом экономических показателей и производственной базы. Атомная энергетика – это международный рынок с высокой конкуренцией, который можно выиграть только за счёт внедрения инновационных технологий. Применение инновационных технологий будет способствовать разработке новых глобальных проектов – реакторов малой мощности, плавучих АЭС, современных ледоколов. Это позволит круглогодично использовать порты в северных регионах, эксплуатировать северный морской путь и многое другое.
