Моделирование работы участка контроля герметичности ядерного реактора

Заказчик:




Государственная корпорация по атомной энергии «Росатом» — российский государственный холдинг, объединяющий более 360 предприятий атомной отрасли. В состав «Росатома» входят все гражданские атомные компании России, предприятия ядерного оружейного комплекса, научно-исследовательские организации, а также атомный ледокольный флот.


Госкорпорация является одним из лидеров мировой атомной промышленности, занимает второе место в мире по запасам урана и пятое по объёму добычи, четвёртое место в мире по производству атомной энергии, контролирует 40 % мирового рынка услуг по обогащению урана и 17 % рынка ядерного топлива.


Разработчики модели: Юрий Подвальный, Денис Герасимов.

Описание проблемы:




На стадии проектирования участка контроля герметичности оболочек тепловыделяющих элементов реактора (ТВЭЛ) разработчикам необходимо было собрать данные о параметрах работы системы в ситуациях появления брака.


Участок входит в состав автоматизированной линии для сборки твэл. Контроль базируется на проверке партий твэлов с помощью нагревания: при нагревании из бракованных твэлов истекает контрольный газ, который фиксируется течеискателем. Бракованная партия разделяется на две. Каждая партия проходит контроль до полной «размотки» партии, пока не выявлено бракованное изделие.


Проектировщикам системы требовалось определить зависимость годовой выработки от размера входного накопителя и размера партии твэлов, загружаемых в печь при различных частотах появления брака. Дополнительно необходимо было определить количество потерянных твэлов из-за простоя системы при заполнении входного накопителя.

Решение:




Поскольку частота возникновения брака носит вероятностный характер, авторы проекта разработали имитационную модель участка контроля и провели многократные эксперименты, тестируя разные алгоритмы работы оборудования.


Модель, построенная с помощью AnyLogic, имитирует два алгоритма работы участка контроля. Разница между ними состоит в способе обнаружения бракованного твэла после обнаружения бракованной партии.


При первом алгоритме работы после обнаружения бракованной партии поддон выгружается из печи, половина партии перегружается на поддон второй печи. Далее оба поддона перегружаются в печи, и начинается новая проверка. Годная партия выгружается в выходной накопитель. Бракованная снова делится и т.д.


Моделирование производства ядерного топлива
Скриншот имитационной модели

Если обе партии бракованные. тогда половина каждой выгружается в выходной накопитель и начинается проверка оставшейся половины каждой партии. Затем проверяются партии выгруженные в выходной накопитель. В это время входной накопитель принимает твэлы, поступающие с заданной частотой. Таким образом, бракованная партия "разматывается" двумя печами. Загрузка новой партии не начинается, пока не будет найден бракованный твэл. После определения бракованного твэла, новая партия загружается в печь следующую по очереди. При отсутствии брака печи работают по очереди и не могут работать одновременно. Вторая печь "ожидает" окончания проверки партии в печи №1.


При втором алгоритме каждая печь работает независимо. Бракованная партия "разматывается" каждой печью по отдельности, пока не будет найден бракованный твэл. Пока одна партия не будет проверена полностью, загрузка новой партии в печь не производится. При отсутствии брака загружается первая освободившаяся печь. При этом печи могут работать одновременно.


Пользователь модели может варьировать параметры для любого из двух алгоритмов:

  • Частота появления брака;
  • Размер партии твэлов, загружаемых в печь для проверки.
  • Размер входного накопителя

В рамках исследования модели для каждой комбинации входящих параметров было сделано 100 «прогонов» длительностью один год "модельного" времени каждый.

Результаты:




  • Проверена производительность алгоритмов при различных частотах появления брака.
  • Определены размеры загружаемых в печь партии твэлов, обеспечивающие максимальную производительность при заданной частоте появления брака.
  • Выявлены объемы сокращения потерь из-за простоя линии при увеличении емкости входного накопителя.
  • Получена статистика производительности участка контроля при различных частотах появления брака и других параметрах (прогоны по 100 лет).
  • Выявлена зависимость максимального размера выходного накопителя от размера партии твэлов, загружаемых в печь. Получены численные значения, выражающие эту зависимость при различных частотах появления брака.

Выводы:




Проведение экспериментов над реальной системой в период проектирования потребовало бы больших затрат времени и финансов. Анализ данных, собранных с помощью модели, позволил определить оптимальные проектные параметры участка контроля для обеспечения максимальной выработки. На стадии техпроекта были найдены решения, которые значительно улучшили производительность. При минимальных затратах, без проведения дорогостоящих натурных испытаний, была выбрана наилучшая конфигурация автоматической линии с точки зрения пропускной способности, надёжности и количества потерь.


В дальнейшем заказчик сможет использовать имитационную модель для будущих изменений внутри производственной линии – например при принятии решения о расширении мощностей добавить в модель дополнительные печи не составит труда. Пользователи могут экспериментировать с разными параметрами, менять вводные данные через интерфейс модели. Эта модель будет служить заказчику оборудования инструментом поддержки принятия решений в течение долгого времени.

Другие проекты

  • Анализ производственных возможностей комплекса подводного кораблестроения
    В рамках работ по оценке перспектив развития производственных мощностей руководство ОАО "Адмиралтейские верфи" хотело проанализировать и оценить возможности реализации производственной программы по строительству и ремонту дизельных подводных лодок. Требовалось проверить, насколько предприятие справится с производственным планом на 2011-2016 гг. на существующих мощностях.
  • Имитационная модель электросталеплавильного цеха Челябинского металлургического комбината
    Модель имитирует переоборудованную инфраструктуру цеха, конфигурацию оборудования и все значимые параметры происходящих в цеху процессов. Это один из показательных примеров применения технологии имитационного моделирования в металлургической промышленности.
  • Планирование и оптимизация автоматизированного производства
    Centrotherm Photovoltaics AG – это мировой поставщик технологий и оборудования для рынка солнечной энергетики, полупроводников и микроэлектроники. Компании требовалось определить лучшие конфигурации фабрики и автоматизированной производственной линии для минимизации затрат и максимизации пропускной способности и надежности работы.
  • GE моделирует производство для поддержки принятия решений в реальном времени
    При запуске нового продукта – батарей Durathon, компании General Electric необходимо было увеличивать объемы выпуска продукции в условиях неопределённости одновременно с модернизацией производственных процессов и снижением себестоимости товаров. Специалисты GE использовали имитационное моделирование для решения этих задач.
  • Комплексный анализ производственных ресурсов судоверфи
    Крупнейший судостроительный завод General Dynamics NASSCO разработал комплексную систему компьютерного имитационного моделирования для судостроения и управления цепочками поставок на судоверфи, которая включает в себя построенную в AnyLogic имитационную модель всего цикла судостроительного процесса.
  • Моделирование прокладки тоннеля с использованием тоннелепроходческого комплекса
    Цена часа простоя тоннелепроходческого комплекса обычно очень высока, и менеджеры делают всё возможное, чтобы избежать его остановок. Целью моделирования, проведенного в Рурском университете, стало создание инструмента для определения узких мест в процессах при прокладке туннелей, помогающего снизить потери при простоях.
  • Производственное планирование в кораблестроении
    Менеджмент одного из крупнейших итальянских производителей яхт нуждался в решении, которое помогло бы упростить планирование производственных процессов и повысить эффективность использования человеческих ресурсов на производстве. Целью проекта было обеспечение менеджеров компании-клиента исчерпывающей информацией для планирования, которая позволила бы им тестировать и оптимизировать производственные планы до их внедрения.
  • Моделирование производства мороженого: определение ограничений и оптимизация плана
    Conaprole, крупнейшая молочная компания Уругвая, производит более 150 SKU мороженого на заводе с пятью производственными линиями. Задачей менеджмента было получить возможность легко пересматривать производственные планы, чтобы лучше удовлетворять спрос и избегать дефицита ключевых продуктов.
  • Анализ стратегий управления при запуске переходе к серийному производству самолётов
    Группа компаний Airbus приняла участие в проекте ARUM, направленному на создание IT-решения для уменьшения рисков, планирования и поддержки принятия решений при переходе к серийному производству в областях авиа- и судостроения. Для оценки работы ARUM участники решили создать имитационную модель сборочной линии самолётов Airbus.
  • Простая модель помогает Intel избежать простоев на производстве
    Заводы компании Intel использовали определённый тип оборудования, который часто выходил из строя, приводя к уменьшению объемов производства. Запасные детали стоили дорого и были неравномерно распределены между заводами: одни фабрики часто испытывали нехватку материалов, другие приобретали слишком много запчастей.