首頁 > 新聞資訊 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 首席產品專家
核能是全球可持續性水平最高、最清潔的能源之一，其機制來自原子核或原子核心自然反應釋放能量。為產生核能，原子需要在熱反應堆中分裂，產生能將水轉化為蒸汽的熱量。而后由高壓蒸汽驅動與發電機連接的渦輪機產生電力。此外，核能發電的二氧化碳（CO2）排放量接近0。
能源生產和消費是目前聯合國制定的許多可持續發展目標(SDG)的基礎。其中一個目標，俗稱SDG 7或7號全球目標，其旨在確保下一個十年末所有人都能夠使用低成本、可靠、可持續的現代能源。
根據國際核能署提供的資料，在可持續發展框架內進行的核能特征分析，證明核能行業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境的影響。根據核能機構(NEA)的資料，在可持續發展框架內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發展目標，同時最大限度地減少對環境的影響。不過，為了保持這種一致性以及滿足不斷增長的環保與安全需求，核能行業亟需進行數字化轉型。
由法國跨國公共事業機構法國電力集團（EDF）主導的ConnexITy聯盟正在引領此類舉措。包括Ansys在內，來自核能行業的14家企業確立了共同目標，根據數字技術打造新的應用與服務，以支持核能行業的數字化轉型。
例如，為了優化核電廠場地的維護與運行，該聯盟提出：如果核電廠能夠使用數字化的手段實時預測運行中的設備行為，這會產生哪些影響？
為了探索這一主題并實現設想，EDF、Atos、Assystem、Siemens Energy、Technicatome、Naval Group和Ansys等合作伙伴正在采用數字孿生技術開發相關工作流程。
數字孿生制勝精益運營：數字化電廠解決方案
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的各方面技術、組織、管理與政策要點。
圖1：ConnexITy數字孿生用戶體驗示意圖
數字化轉型是該報告重點介紹的、能夠在短期內改進反應堆項目，并且有望迅速降低成本的三大技術方法之一。系統的數字化可以改進工程方法和供應鏈集成效能，實現對組件的在線監控并提高生產力。此類改進有助于降低核電廠建造與經營成本并提高其效率，從而促進核能的更大規模普及。
ConnexITy聯盟提供了新的改進解決方案：核電廠組件數字孿生。目前聯盟主要關注渦輪發電機應用，用于在發電鏈末端將機械能轉化為電能。由于其在工作流程中的重要作用，妥善監控渦輪發電機運行過程中的性能具有巨大優勢：能夠檢測異常，避免意外停機，并提供相關信息，以便操作人員優化預防性維護，最終降低相關成本。另外，通過監控機械性能，電廠操作人員可以節約能源，同時能夠降低許多生產流程的碳排放量。
為此，ConnexITy正采用Ansys Twin Builder設計渦輪發電機的數字孿生體，可以分四個步驟優化維護與運行：
- 監控：檢測相對于正常資產性能的偏移
- 識別：預測偏移的根本原因
- 確認：證實預測的失效模式反映實際正常資產性能
- 建議：提供維護指南和見解。
數字孿生聯盟指出，數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使團隊能夠創建、驗證和部署數字孿生，有可能將創建精確產品模型的時間減少一半。這有助于優化生命周期管理和實現真正的預測性維護，從而節約成本，助力企業保持競爭優勢。
渦輪發電機這一種能夠將渦輪機所產生的機械能轉換為電能的電力設備。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，偏移是數字孿生模型預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渦輪發電機測試臺
渦輪發電機的數字雙胞胎可以通過學習傳感器數據和瞬變電磁行為的降階模型(rom)來實時預測發電機的健康狀態。它還采用基于支持向量機（SVM）的嵌入式缺陷分類器預測可能的失效模式。在機器學習（ML）應用中，SVM是一種算法監督模型，可以對數據進行分析和分類。另外，數字孿生還可與Atos的工業物聯網（IIoT）平臺Codex Smart Edge集成，配備能夠支持操作人員與專家之間進行互動的網頁端看板提供可視化信息。
雖然該解決方案主要面向發電機應用，不過同樣的數字孿生技術和方法還可以應用于電廠的其它設備。數字化轉型的這種更廣泛普及以及最終邁向更具可持續性的發展也是聯盟堅持推進的使命。
圖3：本圖演示了降階模型（ROM）如何采用機器學習從3D求解器提取物理場，將其插入數字孿生體后端，從而實時獲得準確的物理預測
ConnexITy互聯
ConnexITy從2017年開始一直在開發旨在將創新融入核電廠設計與運營業務的研發項目。該聯盟在過去五年在位于法國巴黎Saclay臺地的ConnexLab實驗室中設計、集成和評估了相關創新。
聯盟的多個項目已經實現產業化，證明核能行業有能力在現有工作流程采納和實施新的技術。ConnexITy將繼續根據數字技術創造新的應用與服務，以促進數字化轉型在核能行業更廣泛的普及并提高可持續性。
（文章來源公眾號：Ansys）
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