Технические средства обучения

Обеспечение эффективной и безопасной эксплуатации АЭС требует особого внимания к уровню подготовки оперативного персонала управления энергоблоками. Процесс подготовки персонала, в свою очередь, сильно зависит от качества технических средств обучения (ТСО), на основе которых он проводится. Эти ТСО представляют собой тренажеры различных видов, которые состоят из математической модели объекта, для управления которым готовится персонал, а также технических средств, которые в том числе включают в себя и имитаторы пультов и панелей управления энергоблоком АЭС разной детализации (вплоть до копий, идентичных реальным пультам и панелям блочного пульта управления энергоблока). Разработка и поставка заказчику (в первую очередь АЭС) таких тренажеров и является одним из основных направлений работы отделения.

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 с реакторными установками ВВЭР, РБМК, БН, ЭГП и PWR, расположенных как на территории РФ, так и за рубежом (Китай, Индия, Украина, Словакия, Болгария, Иран).

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. Продуктвая линейка отделения включает в себя следующие средства обучения:
• образцы и макеты оборудования, стенды для выполнения работ с оборудованием для технического оснащения классов подготовки персонала учебно-тренировочных центров;
• 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 и оборудования электрического цеха энергоблока для наработки оперативным персоналом отдельных цехов практических навыков работы с оборудованием различного назначения;
• тренажеры местных щитов (пультов) управления для наработки оперативным персоналом энергоблока АЭС навыков управления одной или несколькими технологическими системами и единицами оборудования в различных ситуациях (включая аварийные);
• 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 (S3, 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 (перечислены как вновь разработанные тренажеры, так и тренажеры, введенные в эксплуатацию после значительной модернизации) 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.), № 1,2 Ростовской АЭС (2021 г.). Также успешно прошли комплексные испытания полномасштабный тренажер энергоблока № 1 Калининской АЭС (2021 г.) и полномасштабный тренажер, аналитический тренажер и класс анализаторов режимов реакторной установки энергоблока № 1 АЭС «Аккую» (2022 г.).

Кроме этого, поставлен целый ряд тренажеров оборудования и систем для энергоблоков № 1 Нововоронежской АЭС-2 и № 4 Белоярской АЭС, а также специализированное оборудование для оснащения классов обучения персонала учебно-тренировочного центра АЭС «Аккую» по следующим направлениям: техническое обслуживание и ремонт тепломеханического оборудования, работа на высоте, работа в подземных резервуарах и сооружениях, пожарная безопасность, охрана труда, радиационная безопасность и дозиметрия, психофизиологическая диагностика, средства индивидуальной защиты. Отдельно следует отметить, что в конце 2022 г. отделение приступило к реализации проекта по поставке полномасштабного и аналитического тренажеров и тренажера местного щита управления для энергоблока с реакторной установкой БРЕСТ-ОД-300.

Рисунок 1 - Общий вид полномасштабного тренажера энергоблока № 1 Балаковской АЭС

Рисунок 2 - Общий вид полномасштабного тренажера энергоблока № 3 Калининской АЭС.

Рисунок 3 - Общий вид полномасштабного и аналитического тренажеров энергоблока № 4 Белоярской АЭС.

Рисунок 4 - Общий вид полномасштабного тренажера блока № 4 Калининской АЭС (блочный и резервные пульты управления).

Рисунок 5 - Общий вид полномасштабного тренажера блока № 3 Смоленской АЭС.

Рисунок 6 - Благодарственные письма АЭС за реализацию своевременных и высококачественных поставок полномасштабных тренажеров

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:

• тренажера для подготовки оперативного персонала блока № 3 ТЭЦ-27 ОАО «МОСЭНЕРГО» (ПГУ-450Т) (г. Москва);
• полномасштабного тренажера блока мощностью 215 МВт Харанорской ГРЭС АО «Интер РАО - Электрогенерация" (п. Ясногорск, Забайкальский край);
• полномасштабного тренажера энергоблока мощностью 800 МВт «Березовская ГРЭС» ОАО «ОГК-4» (г. Шарыпово, Красноярский край);
• комплексного тренажёра энергоблока ПГУ мощностью 420 МВт Южноуральской ГРЭС-2 АО «Интер РАО – Электрогенерация» (г. Южноуральск, Челябинская обл.);
• тренажера энергоблока ПГУ-800 Пермской ГРЭС АО «Интер РАО – Электрогенерация» (г. Добрянка, Пермский край);
• полномасштабного тренажера энергоблока ПГУ-400 Нижневартовской ГРЭС АО «Интер РАО – Электрогенерация» (п. Излучинск, Ханты-Мансийский автономный округ — Югра);
• комплексного тренажёра энергоблока ПГУ-450 Уренгойской ГРЭС АО «Интер РАО – Электрогенерация» (г. Новый Уренгой, Ямало-Ненецкий АО);
• комплексного тренажёра энергоблока ПГУ-420 Верхнетагильской ГРЭС АО «Интер РАО – Электрогенерация» (г. Верхний Тагил, Свердловская обл.).

Помимо разработки комплексов, ориентированных на решение задач обучения персонала, отделение успешно реализует проекты по созданию инструментов поддержки эксплуатационного персонала. Одна из последних разработок отделения - система автоматизированного тестирования АСУ ТП - позволяет оперативному персоналу АЭС более чем на порядок сократить время проверки алгоритмов защит и блокировок на энергоблоке, а также проверять решения по модернизации алгоритмов управления, до их внедрения на реальном объекте (такого класса системы в настоящее время эксплуатируются на энергоблоках № 1,2 Ленинградской АЭС-2, планируется поставка аналогичной системы для энергоблока № 1 Курской АЭС-2).

Отделение ведет многолетнюю успешную работу по созданию инструментов для обучения оперативного персонала АЭС, а также постоянно расширяет профиль своих компетенций и область интересов. Ведутся планомерные работы как по внутреннему развитию потенциала коллектива - разработка современной платформы для создания моделирующих программно-технических комплексов, в том числе и тренажеров (программно-технический комплекс «Виртуально-цифровая АЭС с ВВЭР»), так и работы по расширению линейки продукции, разрабатываемой отделением - реализация обучающего инструментария для смежных рынков (тепловая энергетика, «облачные» тренажеры для подготовки студентов ВУЗов по профильным специальностям) и расширение областей применимости разрабатываемой продукции (выход за рамки деятельности по обучению и переход к поддержке процессов сопровождения эксплуатации). Все это позволяет утверждать, что отделение является динамично развивающимся коллективом и технологическим лидером в области тренажеростроения и разработки разноуровневых моделей (включая полномасштабные) для атомных и тепловых энергоблоков.

Программно-технический комплекс «Виртуально-цифровая АЭС с ВВЭР» Что это такое?

Программно-технический комплекс «Виртуально-цифровая АЭС с ВВЭР» (ПТК ВЦАЭС) является универсальной платформой для проведения моделирования энергоблоков технологии ВВЭР. Ядром ПТК ВЦАЭС является система расчетных кодов, на базе которой на основе проектной документации возможно построение разноуровневых математических моделей энергоблоков технологии ВВЭР-1000/1200 (в перспективе и ВВЭР-ТОИ). Это позволяют в связанной постановке вести моделирование следующих процессов и явлений:

• нейтронно-физических процессы в активной зоне;
• теплогидравлические процессы в технологических системах реакторного и турбинного отделений;
• электромеханические процессы в оборудовании электрической части энергоблока;
• управляющие воздействия систем автоматики энергоблока;
• процессы, связанные с накоплением и распространением продуктов деления по энергоблоку и прилежащей территории в аварийных режимах, включая разгерметизацию твэлов, поведение продуктов деления в газовой и аэрозольной фазах в контурах теплоносителя и в контайнменте;
• процессы, протекающие в реакторной установке во время тяжелой аварии (разрушение активной зоны, поведение расплава на днище корпуса, проплавление корпуса реактора, поведение расплава в устройстве локализации расплава или на поверхности бетонной шахты реакторной установки).

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) противоаварийной документации различного уровня;
• 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» проверки 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 быстродействующих 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 – Общий вид комплекса

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 достоверности получаемых результатов моделирования, с позиции как внутриотраслевых, так и внеотраслевых организаций, занимающихся математическим моделированием в области ядерной энергетики. В настоящее время полным ходом идут работы по подготовке к аттестации ряда расчетных модулей и их комплексов, входящих в состав ПТК ВЦАЭС – отдельные расчетные модули (комплексы расчетных модулей) уже поданы на аттестацию в организацию научно-технической поддержки Ростехнадзора, подготовительные работы по оставшимся расчетным модулям завершаются в течение 2023 г.

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, 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 несоответствий 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, утвержденным в АО «Концерн Росэнергоатом» в сентябре 2020 года и пересматриваемым ежегодно. 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).

Опыт практического применения программно-технического комплекса «Виртуально-цифровая АЭС с ВВЭР»

С момента ввода ПТК ВЦАЭС в эксплуатацию был инициирован и реализован ряд проектов с использованием данного комплекса, а именно:

• расчетный анализ предложений по оптимизации конструктивных решений и режимов работы теплотехнического оборудования конденсатно-питательного тракта и системы охлаждения конденсационной установки с целью повышения эффективности эксплуатации турбоустановок АЭС (проект завершен);
• разработка технологических сценариев и сопровождение проведения противоаварийных тренировок и комплексных противоаварийных учений на Нововоронежской АЭС (проект завершен);
• разработка цифровых двойников АСММ с РУ РИТМ-200 и АСММ с РУ «Шельф» (проект в процессе выполнения);
• проведение расчетного анализа противоаварийных инструкций и руководств энергоблока №1 Нововоронежской АЭС-2 (проект в процессе выполнения);
• комплексный анализ режимов с отключением основного оборудования первого и второго контуров и разработка рекомендаций по повышению динамической устойчивости энергоблоков АЭС с ВВЭР-1200 и ВВЭР-ТОИ» (проект в процессе выполнения).

Система предиктивной аналитики оборудования АЭС

В октябре 2019 года приказом АО «Концерн Росэнергоатом» АО «ВНИИАЭС» было официально назначено дивизиональным центром компетенций по направлению предиктивной аналитики состояния оборудования АЭС (ДЦК ПА), и уже со следующего месяца официально стартовали работы по пилотному проекту по данному направлению. Целью функционирования ДЦК ПА является создание и сопровождение эксплуатации системы предиктивной аналитики (СПА) состояния основного тепломеханического и электротехнического оборудования энергоблоков АЭС.

Область назначения СПА:

• автоматическое раннее обнаружение фактов возникновения отклонений в работе оборудования;
• автоматизированное определение коренных причин возникновения отклонений в работе оборудования;
• автоматизированная оценка времени выхода параметров оборудования за пределы безопасной его эксплуатации в случае раннего выявления отклонений в его работе;
• формирование рекомендаций по порядкам дальнейшей эксплуатации и технического обслуживания и ремонта (ТОиР) оборудования в случае раннего выявления отклонений в его работе и определения коренных причин возникновения данных отклонений.

Основная концепция предиктивного анализа строится на построении статистической цифровой модели (ЦМ) нормальной эксплуатации оборудования (чаще не единицы оборудования в целом, а его отдельного узла, либо технологической функции). ЦМ строится на базе опыте эксплуатации оборудования и в дальнейшем запускается для анализа в режиме реального времени текущего состояния оборудования, используя актуальные значения параметров оборудования, зафиксированные системами контроля и диагностики, размещенными на данном оборудовании (см. рисунок 12). В случае выявления мельчайших отклонений текущего состояния оборудования от того массива состояний, который был зафиксирован в истории его эксплуатации, СПА формируется соответствующая сигнализация и пользователю системы предоставляется дополнительная аналитическая информация, помогающая пользователю установить истинные причины возникновения отклонений (несовершенство ЦМ, отклонения в работе контрольно-измерительных приборов, отклонения в работе оборудования).

Рисунок 12 – Концепция предиктивного анализа

В качестве пилотного объекта внедрения СПА был определен энергоблок № 1 Нововоронежской АЭС-2. Пилотная реализация СПА, подготовленная в первой половине 2020 года, имеет следующую ИТ-структуру:

Рисунок 12 – ИТ-структура пилотной реализации 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. 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 № 1 Нововоронежской АЭС-2. Благодаря наличию данного интерфейса на базе СПА организован опытный мониторинг текущего состояния основного оборудования энергоблока – турбогенератора, паротурбинной установки, циркуляционных насосов. Структура прикладного (специализированного) программного обеспечения СПА приведена на рисунке 13.

Рисунок 13 – Структура прикладного (специализированного) программного обеспечения СПА

На первых этапах опытной эксплуатации пилотной реализации СПА была проведена валидация подходов предиктивного анализа, заложенных в систему. Валидация проводилась путем анализа системой отклонений в работе оборудования энергоблока № 1 Нововоронежской АЭС-2, зафиксированных в его опыте эксплуатации. Было установлено, что при условии наличия влияния отклонений, реализующихся в оборудовании, на показания контрольно-измерительных приборов, размещенных на данном оборудовании, СПА фиксирует возникновение данных отклонений заблаговременно в сравнении с действующей АСУ ТП энергоблока.

В период опытной эксплуатации пилотной реализации СПА (с середины 2021 по конец 2022 г.г.) было зафиксировано более 20 случаев возникновения отклонений в работе оборудования. Большинство выявленных отклонений подтвердились по результатам проведения независимых проверок текущих условий эксплуатации оборудования со стороны эксплуатационного персонала АЭС, что является прямым подтверждением применимости подходов предиктивного анализа для заблаговременного выявления отклонений в работе основного электротехнического и тепломеханического оборудования АЭС.

По результатам опытной эксплуатации системы пилотной реализации СПА было принято решение о переводе системы в промышленную эксплуатацию (декабрь 2022 г.), а также решение о распространении системы на дополнительные типы оборудования (6 типов насосного оборудования реакторного и турбинного отделений энергоблока АЭС и основные системы регулирования турбинного отделения энергоблока АЭС) и дополнительные энергоблоки АЭС (энергоблок № 2 Нововоронежской АЭС, энергоблок № 1 и 2 Ленинградской АЭС-2, энергоблок № 4 Белоярской АЭС). Дополнительно рассматривается возможность применение полученного опыта предиктивного анализа на смежные отрасли энергетики и высокотехнологичной промышленности.

Облачные тренажеры АЭС

С начала 2020 г. отделением проводится работа по созданию платформы разработки облачных тренажеров (ОТ) АЭС, доступ к которым осуществляется браузером посредством сети Интернет. Такие тренажеры относятся к категории SaaS - software as a service - программное обеспечение как услуга. Первые компании, предлагавшие программное обеспечение как услугу, появились в западных странах к началу 2000-х годов. Сейчас такое программное обеспечение является стремительно развивающимся направлением, как в сфере хранения данных, так и в офисных, игровых и многих других областях, включая образование и, в последнее время, искусственный интеллект (нейросети) и квантовые вычисления.

Облачные тренажеры, или веб-тренажеры, уже применяются в мировой атомной промышленности. В числе разработчиков таких тренажеров - ведущие мировые компании, занимающиеся в том числе созданием моделирующих и обучающих средств: GSE solutions (США), Western Services Corporation (США), TECNATOM (Испания).

Преимущества облачных сервисов очевидны:

• не требуется специальное оборудование - используются вычислительные ресурсы поставщика услуги;
• мультиплатформенность – для работы подходит любая операционная система (Windows, MacOS, Linux, Android и др.);
• не требуется установка специализированного ПО – для работы нужен только браузер (Google Chrome, MS Edge, Yandex, Mozilla Firefox и другие) и выход в интернет (в некоторых решениях используется программа-клиент, размещаемая на ресурсе пользователя).

Достоинства облачных тренажеров, разработкой которых занимается отделение:

• актуальность - централизованное обслуживание с внесением необходимых изменений разработчиком для всех пользователей одновременно;
• высокая надежность – размещение в специализированном центре обработки данных (ЦОД), профессиональная поддержка работоспособности и сохранности данных;
• использование только российского и свободно распространяемого программного обеспечения (или недорогого и широко распространенного, как Windows);
• доступность: затраты на обучение с использованием ОТ существенно ниже, чем приобретение и обслуживание специального собственного оборудования и системного программного обеспечения;
• возможность проведения как индивидуальных, так и совместных занятий – отработка навыков индивидуально либо в группе (симуляция коллектива БЩУ);
• проведение совместных территориально распределенных занятий на одном тренажере в разных учебно-тренировочных подразделениях, а также обучение работе с разными блоками в одном подразделении;
• инструкторы могут обслуживать несколько подразделений;
• доступность для самостоятельного дистанционного использования (на индивидуальном экземпляре тренажера) с возможностью отложить работу на неопределенное время и в дальнейшем возобновить ее с того же состояния;
• возможность использования сервисов web-браузеров: touch-screen, печать, поиск, Google-перевод.

К настоящему времени отделением разработаны:

• технология создания облачного тренажера и все программные инструменты разработки САТУРН - Среда Автоматизированного Тестирования, Управления Разработкой и Наладкой (зарегистрирована в Роспатенте 13.05.2022 г.):
• серверная (облачная) часть (backend) с физической моделью - разработана на базе модернизированной технологии создания тренажеров S3;
• клиентская часть (frontend), в том числе графический редактор диаграмм (расчетных схем) технологических систем, панельной графики и конвертер диаграмм в web-формат;
• облачный тренажер оперативного моделирования аварийных ситуаций WEBTOMAS – пилотный проект.
• облачный тренажер на основе полномасштабной математической модели блока 1 Ростовской АЭС - ОПУС - Облачный Портал Учебных Систем.

Структура облачного тренажера представлена на рисунке 14.

Рисунок 14 - Структура облачного тренажера

Платформа разработки облачных тренажеров САТУРН

Платформа САТУРН - Среда Автоматизированного Тестирования, Управления Разработкой и Наладкой - обеспечивает все необходимые функции для разработки и эксплуатации сложных моделирующих и обучающих систем:

• моделирование сложных технологических систем;
• загрузка моделирующих программ и управление их выполнением;
• поддержка, отладка и многопользовательская разработка программ;
• контроль очередности выполнения программных модулей в реальном времени;
• выполнение программных модулей и утилит в реальном времени на многопроцессорных компьютерах;
• поддержка расчетов в гетерогенных (Linux-Windows) и распределенных вычислительных средах, в том числе с использованием суперкомпьютерной MPI- технологии и облачной среды;
• ускоренное и замедленное моделирование процессов;
• ввод-вывод информации на компьютерные имитаторы блочных щитов и панелей управления.

Моделирующий сервер с физической моделью разработан на базе модернизированной технологии создания тренажеров S3, операционная система сервера - CentOS Stream 8 (64 bit, ядро 4.18).

Программа разрабатывалась с учетом стандартов РФ и международных органов регулирования в атомной энергетике, а также более чем тридцатилетнего опыта создания и эксплуатации тренажерных и комплексов атомных станций.

Пилотная версия облачного тренажера - WEBTOMAS

Облачный тренажер (онлайн- или веб-симулятор) WEBTOMAS был создан как пилотный проект для отработки технологии создания облачных тренажеров. Ближайшей целью работы являлась разработка облачного тренажера для обучения студентов ВУЗов профильных специальностей.

Онлайн-симуляторы могут стать основным средством обучения для многих студентов. Дистанционное обучение и вообще дистанционная работа стали очевидным трендом последних лет. Такие симуляторы всегда доступны пользователям, которые могут получать доступ к ним в свое свободное время и учиться в своем собственном темпе вне учебного заведения. WEBTOMAS обеспечивает как групповые сеансы, когда группа студентов может работать на одном симуляторе, а инструктор может подключаться к сеансу этого симулятора и управлять процессом моделирования, так и индивидуальные, когда студент работает на своем экземпляре тренажера, имея в распоряжении помимо «операторского» (учебного) интерфейса, интерфейс «инструктора» (преподавателя). Централизованное обслуживание веб-тренажера радикально сокращает расходы пользователя, поскольку ему не нужно обслуживать серверы и обновлять их программное обеспечение, а для разработчика таких тренажеров важна небольшая стоимость облачного сервиса при его очень высокой надежности.

Тренажер разработан на платформе САТУРН и установлен в ЦОД «Калининский» Концерна «Росэнергоатом». Доступ к тренажеру осуществляется с помощью сети интернет с любого устройства - от ПК до смартфона. Поддерживаемые браузеры на клиентских рабочих местах - Google Chrome, Opera, MS Edge, Yandex, Mozilla Firefox и др. кроме MS Internet Explorer.

В качестве математической модели энергоблока использовалась модель аналитического тренажера базовых принципов ТОМАС (Тренажер Оперативного Моделирования Аварийных Ситуаций), разработанного в 2010 г для обучения студентов старших курсов отраслевых ВУЗов, и внедренного в последующие годы в МИФИ, УГТУ-УПИ и МЭИ, а также в институте «Сосны» Национальной академии наук Беларуси. За блок-прототип был принят 4-й блок Балаковской АЭС (ВВЭР-1000, В-320) со значительными упрощениями технологических систем, принятыми при моделировании с целью их адаптации к задачам обучения студентов ВУЗов. Основное назначение тренажера - моделирование аварий с течью теплоносителя, потерей электропитания собственных нужд, отказами основного оборудования. Также моделируется авария с плавлением активной зоны. Учащийся может наблюдать за работой автоматики, срабатыванием систем безопасности. На рисунках 15 и 16 приведены окно Инструкторской станции и пример «операторских» диаграмм. Пользовательский интерфейс тренажера составляют 15 диаграмм технологических систем - схем и пультов (панелей) управления и сигнализации.

Рисунок 15 - Окно инструкторской станции (1-й контур, контайнмент)

Рисунок 16 - Диаграмма «оператора» (2-й контур)

WEBTOMAS был зарегистрирован в Роспатенте 21.01.2021 г. и в течение года обсуждался со специалистами нескольких ведущих ВУЗов, которым был предоставлен доступ к тренажеру. В результате этого обсуждения в течение 2022 г. математическая модель была существенно модернизирована: была разработана новая версия тренажера ОПУС, основанная на полномасштабной модели 1-го блока Ростовской АЭС (проект В-320), разработанной в ходе модернизации полномасштабного тренажера этого блока в 2020-2021 годах.

В новой версии тренажера достаточно подробно для целей обучения моделируются:

• 1-й контур и активная зона;
• АРМ, РОМ, аварийные и предупредительные защиты реактора, УРБ (УПЗ);
• СВРК в части отображения полей активной зоны, АКНП;
• турбинное отделение;
• активные и пассивные системы безопасности, СКУ систем безопасности;
• система подпитки-продувки первого контура;
• гермооболочка, помещения внутри гермооболочки, объёмы, в которых при авариях скапливается вода, и перетоки между ними;
• электропитание основного моделируемого оборудования.

На рисунках 17 и 18 представлены окна инструкторской станции и примеры диаграмм оператора. Всего пользовательский интерфейс тренажера содержит более 80 диаграмм. Целесообразно также разработать и включить в состав тренажера автоматизированную систему учебно-тренировочных занятий (АУТЗ), включающую в себя автоматическую оценку действий обучаемого.

Рисунок 17 - Окно инструкторской станции

Рисунок 18 - Диаграммы оператора (панель СУЗ, обзорная диаграмма турбинного отделения)

Результаты работы планируется внедрить в высшие учебные заведения, где проходят обучение студенты профильных специальностей. Учитывая значительный экспортный потенциал российских энергоблоков, можно рассматривать применение облачных тренажеров для начального обучения иностранных специалистов строящихся энергоблоков на стадии ВУЗовской подготовки, когда оборудование учебно-тренировочных подразделений АЭС еще не готово к использованию или недоступно для студентов.

Новая версия облачного тренажера предлагается также для обучения неоперативного персонала АЭС, значительная часть которого проходит подготовку на должность по программам, включающим в себя базовые знания для ведения технологических процессов по следующим темам: принципиальная схема энергоблока, конструкция и принцип работы основного оборудования, системы безопасности, конструкция реактора, функции и конструкция СУЗ, основы физики реакторов, теплогидравлика реакторных установок и др.

Рассматривается возможность использования разработанной технологии облачных тренажеров в тепловой электроэнергетике.