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數(shù)字化轉(zhuǎn)型 | 數(shù)字孿生技術(shù)助力核能產(chǎn)業(yè)制勝精益運(yùn)營
發(fā)布時間:2023-02-22

本文原刊登于Ansys Blog:《Digitally Transforming Nuclear Energy for a More Sustainable Future with the ConnexITy Consortium》

作者:Lucas Boucinha | Ansys 首席產(chǎn)品專家


核能是全球可持續(xù)性水平最高、最清潔的能源之一,其機(jī)制來自原子核或原子核心自然反應(yīng)釋放能量。為產(chǎn)生核能,原子需要在熱反應(yīng)堆中分裂,產(chǎn)生能將水轉(zhuǎn)化為蒸汽的熱量。而后由高壓蒸汽驅(qū)動與發(fā)電機(jī)連接的渦輪機(jī)產(chǎn)生電力。此外,核能發(fā)電的二氧化碳(CO2)排放量接近0。


能源生產(chǎn)和消費(fèi)是目前聯(lián)合國制定的許多可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)(SDG)的基礎(chǔ)。其中一個目標(biāo),俗稱SDG 7或7號全球目標(biāo),其旨在確保下一個十年末所有人都能夠使用低成本、可靠、可持續(xù)的現(xiàn)代能源。


根據(jù)國際核能署提供的資料,在可持續(xù)發(fā)展框架內(nèi)進(jìn)行的核能特征分析,證明核能行業(yè)采取的方法總體上符合基本的SDG要求,同時能最大限度地減少對環(huán)境的影響。根據(jù)核能機(jī)構(gòu)(NEA)的資料,在可持續(xù)發(fā)展框架內(nèi)對核能特征的分析表明,核能部門采取的方法總體上符合基本的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo),同時最大限度地減少對環(huán)境的影響。不過,為了保持這種一致性以及滿足不斷增長的環(huán)保與安全需求,核能行業(yè)亟需進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)型。


由法國跨國公共事業(yè)機(jī)構(gòu)法國電力集團(tuán)(EDF)主導(dǎo)的ConnexITy聯(lián)盟正在引領(lǐng)此類舉措。包括Ansys在內(nèi),來自核能行業(yè)的14家企業(yè)確立了共同目標(biāo),根據(jù)數(shù)字技術(shù)打造新的應(yīng)用與服務(wù),以支持核能行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。


例如,為了優(yōu)化核電廠場地的維護(hù)與運(yùn)行,該聯(lián)盟提出:如果核電廠能夠使用數(shù)字化的手段實時預(yù)測運(yùn)行中的設(shè)備行為,這會產(chǎn)生哪些影響?


為了探索這一主題并實現(xiàn)設(shè)想,EDF、Atos、Assystem、Siemens Energy、Technicatome、Naval Group和Ansys等合作伙伴正在采用數(shù)字孿生技術(shù)開發(fā)相關(guān)工作流程。


數(shù)字孿生制勝精益運(yùn)營:數(shù)字化電廠解決方案


2020 NEA報告”Unlocking Reductions in the Construction Costs of Nuclear: A Practical Guide for Stakeholders”明確了加快核能項目開發(fā)的各方面技術(shù)、組織、管理與政策要點(diǎn)。


圖1:ConnexITy數(shù)字孿生用戶體驗示意圖


數(shù)字化轉(zhuǎn)型是該報告重點(diǎn)介紹的、能夠在短期內(nèi)改進(jìn)反應(yīng)堆項目,并且有望迅速降低成本的三大技術(shù)方法之一。系統(tǒng)的數(shù)字化可以改進(jìn)工程方法和供應(yīng)鏈集成效能,實現(xiàn)對組件的在線監(jiān)控并提高生產(chǎn)力。此類改進(jìn)有助于降低核電廠建造與經(jīng)營成本并提高其效率,從而促進(jìn)核能的更大規(guī)模普及。


ConnexITy聯(lián)盟提供了新的改進(jìn)解決方案:核電廠組件數(shù)字孿生。目前聯(lián)盟主要關(guān)注渦輪發(fā)電機(jī)應(yīng)用,用于在發(fā)電鏈末端將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。由于其在工作流程中的重要作用,妥善監(jiān)控渦輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中的性能具有巨大優(yōu)勢:能夠檢測異常,避免意外停機(jī),并提供相關(guān)信息,以便操作人員優(yōu)化預(yù)防性維護(hù),最終降低相關(guān)成本。另外,通過監(jiān)控機(jī)械性能,電廠操作人員可以節(jié)約能源,同時能夠降低許多生產(chǎn)流程的碳排放量。


為此,ConnexITy正采用Ansys Twin Builder設(shè)計渦輪發(fā)電機(jī)的數(shù)字孿生體,可以分四個步驟優(yōu)化維護(hù)與運(yùn)行:

  1. 監(jiān)控:檢測相對于正常資產(chǎn)性能的偏移
  2. 識別:預(yù)測偏移的根本原因
  3. 確認(rèn):證實預(yù)測的失效模式反映實際正常資產(chǎn)性能
  4. 建議:提供維護(hù)指南和見解。


數(shù)字孿生聯(lián)盟指出,數(shù)字孿生是一種以特定頻率和保真度與物理實體與流程同步的虛擬表示。


Ansys Twin Builder使團(tuán)隊能夠創(chuàng)建、驗證和部署數(shù)字孿生,有可能將創(chuàng)建精確產(chǎn)品模型的時間減少一半。這有助于優(yōu)化生命周期管理和實現(xiàn)真正的預(yù)測性維護(hù),從而節(jié)約成本,助力企業(yè)保持競爭優(yōu)勢。


渦輪發(fā)電機(jī)這一種能夠?qū)u輪機(jī)所產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的電力設(shè)備。在本例中,偏移表示兩個量之間的差異,就流量傳感器的電壓輸出量而言,偏移是數(shù)字孿生模型預(yù)測值和實際測量值之間的差異。


圖2:位于法國巴黎Saclay臺地ConnexLab的ConnexITy渦輪發(fā)電機(jī)測試臺


渦輪發(fā)電機(jī)的數(shù)字雙胞胎可以通過學(xué)習(xí)傳感器數(shù)據(jù)和瞬變電磁行為的降階模型(rom)來實時預(yù)測發(fā)電機(jī)的健康狀態(tài)。它還采用基于支持向量機(jī)(SVM)的嵌入式缺陷分類器預(yù)測可能的失效模式。在機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)應(yīng)用中,SVM是一種算法監(jiān)督模型,可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和分類。另外,數(shù)字孿生還可與Atos的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)平臺Codex Smart Edge集成,配備能夠支持操作人員與專家之間進(jìn)行互動的網(wǎng)頁端看板提供可視化信息。


雖然該解決方案主要面向發(fā)電機(jī)應(yīng)用,不過同樣的數(shù)字孿生技術(shù)和方法還可以應(yīng)用于電廠的其它設(shè)備。數(shù)字化轉(zhuǎn)型的這種更廣泛普及以及最終邁向更具可持續(xù)性的發(fā)展也是聯(lián)盟堅持推進(jìn)的使命。


圖3:本圖演示了降階模型(ROM)如何采用機(jī)器學(xué)習(xí)從3D求解器提取物理場,將其插入數(shù)字孿生體后端,從而實時獲得準(zhǔn)確的物理預(yù)測


ConnexITy互聯(lián)


ConnexITy從2017年開始一直在開發(fā)旨在將創(chuàng)新融入核電廠設(shè)計與運(yùn)營業(yè)務(wù)的研發(fā)項目。該聯(lián)盟在過去五年在位于法國巴黎Saclay臺地的ConnexLab實驗室中設(shè)計、集成和評估了相關(guān)創(chuàng)新。


聯(lián)盟的多個項目已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,證明核能行業(yè)有能力在現(xiàn)有工作流程采納和實施新的技術(shù)。ConnexITy將繼續(xù)根據(jù)數(shù)字技術(shù)創(chuàng)造新的應(yīng)用與服務(wù),以促進(jìn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型在核能行業(yè)更廣泛的普及并提高可持續(xù)性。


文章來源公眾號:Ansys


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