ATSn jäsentilaisuus APROSista 4.2.2020

Simulointikokemuksia

APROS-kehittämisen taustana

TkT Kaj Juslin

kaj.juslin@enbuscon.com

Tässä esityksessä:

• 1. Loviisan ensimmäisen automaatiojärjestelmän testaus ennen käyttöönottoa (1974-1976)

• 2. SECURE-ydinlämpölaitoksen automaatiosuunnitelma tarkastettiin simuloimalla (1976-1977)

• 3. Loviisan ensimmäisen täysmittakaavaisen koulutussimulaattorin mallit (1977-1979)

• 4. Analyysiohjelmien kehitys TMI jälkeen, esim. VTT:n SMABRE (1979-1984)

• 5. APROS-ohjelmiston toiminnalliset määrittelyt (1985)

• 6. APROS-laskentamoottorin ja graafisten käyttöliittymien kehitystyö (1986- )

• 7. Uudet sovellusalueet, laajentunut käyttäjäkunta sekä V&V-käytännöt

1. Loviisan ensimmäisen automaatiojärjestelmän testaus ennen käyttöönottoa (1974-1976)

• VTT hankki EAI 680 hybriditietokoneen vuonna 1970. Se sijoitettiin TKK:n tiloihin. Sillä tehtiin oppilastöitä mutta kehitettiin myös mallit sekä PWR ja BWR voimalaitoksista [1].

• Hybriditietokoneen yhden kortin operointivahvistimet oli toteutettu diskreeteillä komponenteilla. YV-sovelluksilla koneen kapasiteetti oli loppua kesken. Markkinoille oli kuitenkin sopivasti tullut yhden sirun operointivahvistimia. Sain kehitetyksi lisää laskentakapasiteettia siirtämällä turpiinimallit niille räätälöidyille piirikorteille [2].

• Mallien käytön helpottamiseksi kehitettiin kummallekin laitosmallille yksinkertaistetut operointipulpetit. Ne mahdollistivat myös kummankin laitoksen operaattoreiden alkukoulutuksen järjestämisen Otaniemessä.

• Ennen Loviisaan toimittamista, Siemensin ja KWU:n automaatiokaapit testattiin liitettyinä hybriditietokoneeseen.

EAI 680 hybriditietokoneen

kytkentäpaneeli [1]Räätälöityjä säätäjiä, suotimia

ja turpiinimalleja [2]

2. SECURE-ydinlämpölaitoksen automaatiosuunnitelma tarkastettiin simuloimalla (1976-1977)

• Asea-Atom, Atomenergi, Finnatom ja VTT suunnittelivat yhdessä pientä SECURE 200 MW kaukolämpövoimalaitosta. Laitos suunniteltiin luonnostaan turvalliseksi, ts. sen alasajo ei edellyttänyt aktiivisia automaatio tai ohjaustoimenpiteitä [3].

• Suunnitteluprojektiin käytettiin 408 henkilötyökuukautta. Asea-Atomin asiantuntijoista oli mukana esim. Kåre Hanners [12]. Parhaimmillaan suunnitteluryhmässä oli mukana 11 Suomalaista edustajaa. Esimerkiksi Matti Hannus VTT:ltä oli suunnittelemassa laitoksen betonipaineastiaa.

• Olin mukana Västeråsissa kehittämässä laitoksen dynaamista mallia ja testaamassa suunniteltua automaatiokonseptia.

• Asealla oli käytössä yhdistettyjen differentiaali ja algebrallisten yhtälöiden laskentaohjelma EKVGEN [4] . Sen käyttö edellytti kuitenkin, että mallintaja osasi kehittää oikeat yhtälöt oikeilla parametreilla.

SECURE 200 MW (th) intrinsically safe nuclear district

heating plant [3]

3. Loviisan ensimmäisen täysmittakaavaisen koulutussimulaattorin mallit (1977-1979)

• Loviisaan päätettiin hankkia ns. täysmittakaavainen koulutussimulaattori, jossa laskentamallit oli liitetty kopioon oikeasta valvomosta [5].

• LOKS-simulaattorin rakensi Nokia Elektroniikka. PTI Yhdysvalloista toimi konsulttina. PTI:n toimitukseen kuului esimerkiksi THLF homogeenisen virtauksen putkistolaskentaohjelma.

• Vaikka laskentaan oli varattu kaksi PDP 11 tietokonetta niin vaikeutena oli saada Loviisan laajat mallit toimimaan reaaliajassa.

• Olin mukana nopeuttamassa THLF laskentaa soveltamalla harvamatriisitekniikkaa virtausverkkojen yhtälöiden ratkaisuun [6].

• Saatiinpa simulointi reaaliaikaiseksi.

Näkymä Loviisa 1 päävalvomoon 1978 [5] Simulaattorin tietokonejärjestelmä [5]

4. Analyysiohjelmien kehitys TMI jälkeen, esim. VTT:n SMABRE (1979-1984)

• TMI jälkeen INL lisäsi RELAP5 analyysiohjelmansa ominaisuuksia siirtymällä homogeenisesta virtauslaskennasta erillisfaasivirtauslaskentaan, erityisesti soveltuvaksi SB-LOCA tarkasteluihin.

• VTT:llä kehitettiin vastaavasti 5-yhtälömalli SMABRE [7] ja 1-D reaktorimalleja [8].

• Testitapaukset ajettiin erä-ajoina keskustietokoneilla. Virtauspiirimallien rakennetta ei ollut kovin helppo muuttaa.

• Analyysiohjelmilla oli yleensä mallinnettu vain pääjärjestelmät eikä reaaliaikaisuuttakaan tarvittu.

• Loviisan LOKS koulutussimulaattorin THLF ohjelman homogeeniset laskemiset primääripiirin osalta korvattiin myöhemmin SMABREn 5-yhtälömallilla.

5. APROS-ohjelmiston toiminnalliset määrittelyt (1985)

IVO:lla käynnistettiin APROS-ohjelmiston määrittelyprojekti. Nähtiin että:

• Käyttäjän ei tarvitsisi ohjelmoida tai kirjoittaa differentiaaliyhtälöitä. Mallin määrittelyssä tulisi voida käyttää suoraan rakennetietoja kuten prosessikomponenttien parametrejä ja liityntöjä.

• Simuloinnin ohjaamiseen määriteltäisiin oma komentokieli.

• Sille kehitettäisiin komentotulkki, joka syöttäisi määrittelytiedot ja ohjauskomennot laskentamoottorille.

• Laskentamoottorin tulisi yhdistää ratkaisut prosessikomponenteille, virtausverkoille, sähköverkoille ja automaatiojärjestelmille.

• Tilamuuttujien ratkaisuihin tulisi käyttää liittomallimenetelmää, joka suosii prosessien rakennepohjaista määrittelyä [9].

Kuhunkin solmuun liittyvät virtausyhtälöt Σ𝒋,𝒊𝒏𝒎𝒋𝒊 - Σ𝒋,𝒐𝒖𝒕𝒎𝒊𝒋 = 0 yhdistetään ja saadaan

matriisiyhtälö Ap = b paineiden ratkaisuun.

Virtausverkkojen tilamuuttujat ratkaistaan tehokkaasti harvamatriisitekniikalla [9].

𝒎𝒊𝒋 = 𝒑𝒊𝒈𝒇 - 𝒑𝒋𝒈𝒃 + 𝒔𝒊𝒋

pipjmij

sij

pi gf

pj gb

Virtausvastuksen, kokoonpuristu-vuuden ja liikemäärän yhtälöt linearisoidaan ja diskretoidaan virtaushaaroiksi:

pipj

RkEk

mij

pi - pj - Rkmij + Ek = 0

Niistä muodostetaan liittomallit:

Liittomalleja tarjotaan rakenteellisesti määritettyjen mekanismien laskentaan

Rakenteista voidaan esimerkiksi määritellä liittomallikaaviot paineiden p, ominais-entalpioiden h ja massaosuuksien c laskemiseksi. Näillä voidaan määrittää kunkin tällaisen homogeenisen solmun muut ominaisuudet [9].

Putki voidaan kuvata ”limitettynä” hilana ja siitä edelleen laskentatason kaavioksi

Energian diffuusio w12 faasien välisessä epätasapainotilassa

Esimerkki lämmön-vaihtimen energian konvektion ja diffuusion liitto-mallikaaviosta [9]

6. APROS-laskentamoottorin ja graafisten käyttöliittymien kehitystyö (1986- )

• APROS ohjelmiston laskentamoottorin ratkaisijoiden kehitys tehtiin IVO:n ja VTT:n yhteistyönä Prosessien Numeerinen Simulointi PNS tutkimusohjelmassa [10]

• Laskentamoottorin ohjelmointikielenä on ollut FORTRAN. Se on helposti siirtynyt tietokonealustalta toiselle.

• Sen sijaan graafisen käyttöliittymän siirrot ovat aiheuttanut paljon työtä:- VAX/VMS koneiden DOGS käytettiin pelkästään tulosten esittämiseen,- Alliant/UNIX ympäristössä tehtiin oma GRINAP ohjelma, joka jo mahdollisti mallien rakenteellista määrittelyä, - PC/Windowsilla käytettiin aluksi GRADES ohjelmaa (Process Vision Oy), - Nykyinen PC-grafiikka on kehitetty Simantics alustalle (Semantum Oy).

• Nähtiin pian että APROS malli voisi olla voimalaitoksen tukena koko sen elinkaaren aikana: Suunnittelussa, testauksessa ja koulutuksessa.

7. Uudet sovellusalueet, laajentunut käyttäjäkunta sekä verifiointi- ja validointikäytännöt laadun takeena

• PNS tutkimusohjelman aikana testattiin laskentamoottoria kahdella sovelluksilla: PWR laitosmalli ja Haapaveden turvevoimalaitosmalli.

• Laskentamoottorin pohjalla olevat ratkaisijat ovat olleet käytössä jo yli 30 vuotta. APROS käyttäjiä on noin 30 maassa. Käyttäjien toivomukset on pyritty ottamaan huomioon laskentamoottoria edelleen kehitettäessä.

• Veden ja vesihöyryn homogeenisen virtauslaskennan, ns. 3-yhtälömallin rinnalle on otettu käyttöön 5-yhtälömalli ja 6-yhtälömalli. Reaktorin pistekinetiikkamallin rinnalle on kehitetty sekä 1-D että 3-D reaktorimallit.

• Leijupetikattilan savukaasuvirtauksessa kulkee mukana kiinteä aine. Paperikoneen vesikierrossa on mukana kuituja. Keskittävän aurinkovoimalan putkissa on sula suola.

• PACTEL testilaittetta Lappeenrannassa on mallinnettu ja simulointituloksia verrattu tehtyihin mittauksiin [11]. Uudet APROS-versiot käyvät läpi vakiintuneen V&V-prosessin.

Lähteet[1] Juusela, A. & Juslin K., 1976, A nonlinear simulation model of a BWR nuclear plant, Espoo: VTT/SÄH Tiedonanto n:o 20, 87 p. https://cris.vtt.fi/en/publications/a-nonlinear-simulation-model-of-a-bwr-nuclear-power-plant

[2] Wahlström, B. & Juslin K., 1977, Simulation with hard - wired analog subprograms, SIMULATION, V. 28, Issue 4, pp. 107-111. https://journals.sagepub.com/doi/10.1177/003754977702800403

[3] Hannus, M., 1977, Suomalais-Ruotsalainen SECURE-lämmitysreaktoriprojekti on päättynyt, ATS Ydintekniikka n:o 3, pp. 45-53. https://ats-fns.fi/images/files/ydintekniikka/atsyt_1977_3.pdf

[4] Kollberg, S. & Johnsson, L., 1975, EKV GEN: A block diagram oriented computer program for the simulation of dynamical Systems, ASEA Technical Report. https://lennartjohnsson.com/about-dr-johnsson/publications/

[5] Nevalainen, M. & Wahlström, B., 1978, Loviisan ydinvoimalaitoksen koulutussimulaattori, Sähkö 51 (1978) 10, pp. 298-305. http://www.marttinevalainen.com/pdf/loks.pdf

[6] Juslin K., Silvennoinen E. & Karppinen J., 1985, Experiences on real time solution of sparce network equations, IMACS 11th World Congress, Oslo, pp. 265-268. https://www.researchgate. net/publication/27778374_Experiences_on_real_time_solution_of_sparse_network_equations

[7] Hänninen, M. & Miettinen, J., 1984, Two-phase thermohydraulics in the training simulators, Nuclear power plant training simulators: IAEA/NPPCI Specialists’ Meeting. Espoo: VTT Symp. 41, pp. 269-283 https://cris.vtt.fi/en/publications/two-phase-thermohydraulics-in-the-training-simulators

[8] Puska, E-K., 1999, Nuclear reactor core modelling in multifunctional simulators: Dissertation, Espoo: VTT Publications 376, 67 p. https://cris.vtt.fi/en/publications/nuclear-reactor-core-modelling-in-multifunctional-simulators-diss

[9] Juslin, K., 2005, A companion model approach to modelling and simulation of industrial processes, Espoo: VTT publications 574, 155 p. https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/2591

[10] Silvennoinen, E., Juslin, K., Hänninen, M., Tiihonen, O., Kurki, J. & Porkholm, K., 1989, The APROS software for process simulation and model development, Espoo: VTT Research Reports 618, 130 p. https://cris.vtt.fi/en/publications/the-apros-software-for-process-simulation-and-model-development

[11] Tuunanen, J., Kouhia, J., Purhonen, H., Riikonen, V., Puustinen, M., Scott Semken, R., Partanen, H., Saure, I. & Pylkkö, H., 1998, General description of the PACTEL test facility, Espoo: VTT Research Notes 1929, 110 p. https://www.vtt.fi/inf/pdf/tiedotteet/1998/T1929.pdf

[12] Hanners, K., Secure reactors. Trans. Am. Nucl. Soc.; Vol.: 56:1; Con.: 6. Pacific Basin nuclear con., Beijing, China, 1987. https://www.osti.gov/biblio/6170425-secure-reactors