Den digitala tvillingen avslöjade läckaget i kärnkraftverket

2018-02-19 06:00  

Kärnkraftindustrin gasar och bromsar samtidigt. Flera reaktorer ska avvecklas men de som är kvar moderniseras. Där pågår nu en digital omställning.

I kontrollrummet på Ringhals 4 är stämningen bister. En styrventil har strulat och operatörerna har varit tvungna att sänka effekten med 240 MW under några timmar. Nu har ventilen bytts ut och effekten höjts igen, men skiftchef Ulf Antonsson är fortfarande sammanbiten.

På en skärm visar processteknikingenjör Anton Lundin vyn från verkets digitala tvilling. Det är en modell som utgör en kopia av turbinanläggningen.

I slutet av 1970-talet var de svenska kärnkraftverken tidigt ute med att digitalisera övervakning och optimering av härden. Nästa steg var att införa datorer som registrerade processdata i blocken.

I stora omställningsprogram från slutet av 1990-talet byttes flera av de analoga styrsystemen ut mot digitala motsvarigheter. Då blev kontrollrummen digitala.

– Min bild nu är att vi inte ligger i framkant. Vi har vissa projekt som utnyttjar den senaste tekniken, men vi är inte så systematiska ännu i att analysera all processdata för att kunna arbeta med förutseende underhåll, så kallat tillståndsbaserat underhåll, i den utsträckning vi önskar, säger Christopher Eckerberg, som driver digitaliseringen inom Vattenfalls elproduktion.

Ett undantag är Ringhals kärnkraftverk. Här har digitala tvillingar byggts upp för delar av processen.

Digitala tvillingar är ett hett begrepp när industrin digitaliserar sin verksamhet. Ofta avses digitala modeller som kopierar en hel fabrik. Syfte är vanligtvis att kunna utvärdera processändringar genom olika simuleringar i modellen.

Läs mer: Barsebäcks reaktorer monteras ned digitalt

I Ringhals block 1,3 och 4 har man gått ett steg längre. Här är de digitala modellerna anslutna till sina fysiska motsvarigheter i turbinanläggningen och förses med verkliga mätvärden.

Modellerna räknar ut den teoretiska elproduktionen som anläggningen borde kunna prestera, vilket kan jämföras med den verkliga elproduktionen.

– Modellen representerar den ideala processen. Om något inte är som det ska syns det i jämförelsen med de verkliga värdena, berättar Anton Lundin.

Han har arbetat mycket med modellens gränssnitt, det som operatörerna i kontrollrummet ser på sina skärmar. Turbinprocessens komponenter representeras här av olika geometriska former. I grafer kan operatörerna följa hur de verkliga värdena stämmer överens med modellens värden.

På skärmen visas också ett så kallat trafikljus, en cirkel som skiftar färg när det är dags att rengöra kondensorn. Eftersom kärnkraftverket använder havsvatten för att kyla och kondensera ångan bildas biologisk påväxt på insidan av kondensorns tuber.

Den digitala tvillingen räknar ut en så kallad försmutsningsfaktor, som anger hur mycket den biologiska påväxten försämrar kondensorns prestanda. Utifrån det skiftar trafikljuset färg. I dag är det grönt, vilket betyder att rengöring inte behövs än.

Läs mer: Experten: Ökad digitalisering kräver kärnkraft

Rengöringen görs med hjälp av små naturgummibollar, som släpps in i tusental i kondensorn åt gången, och får passera runt, runt i ungefär en månad. De sliter bort påväxten, som sedan spolas ut i havet.

Men rensbollarna kostar en del, och snurrar de runt länge i kondensorn minskar de i omfång och riskerar att spolas ut i havet. Därför vill driftpersonalen inte låta dem vara kvar för länge.

– Med hjälp av modellen kan vi optimera så att vi kör med så många bollar som behövs och byter ut dem lagom ofta, säger Anton Lundin.

Han bedömer att den optimerade rengöringen leder till att Ringhals kan producera minst 3 000 MWh mer el per år. Det är ett relativt litet tillskott jämfört med Ringhals totala årsproduktion på drygt 21 TWh, men motsvarar ungefär energibehovet i 120 villor under ett år.

Men den digitala tvillingen har också avslöjat ett internt läckage. I slutet av 2015 upptäcktes en avvikande temperatur på ångan från en mellanöverhettare i Ringhals 1 jämfört med modellen.

Läs mer: Energijättarna nobbar återvunnet kärnbränsle

Temperaturen hade sjunkit med en grad, vilket försämrade anläggningens verkningsgrad.

– Vi såg det tidigt och förstod att det troligen var ett internt tubläckage, berättar Anton Lundin.

I samband med revisionen, när kärnkraftverket stängdes för planerat underhåll, öppnades mellanöverhettaren. En tub var helt av och tre övriga var skadade.

– Det hade sannolikt inte upptäckts utan den digitala modellen. I en ångtemperatur på 250 grader ska det mycket till för att se en förändring på en grad, säger Anton Lundin.

Ringhals arbete med digitala tvillingar inleddes för ungefär tio år sedan, från början mest med syftet att personalen skulle lära sig mer om den egna anläggningen. Men det är först på senare år som programvaran fungerar som den ska och modellen förses med verkliga värden från turbinanläggningen.

Enligt Hans Bjarnehed, säljchef på teknikkonsultföretaget ÅF, var Ringhals mycket tidigt ute med digitala tvillingar, till och med innan begreppet ens var uppfunnet.

– Inom alla industrier jobbar man brett med simuleringsmodeller, men just den typen av digital tvilling som Ringhals har, där modellen är uppkopplad mot sin fysiska motsvarighet, finns det väldigt få av i Sverige, säger han.

Hittills är erfarenheterna från de digitala tvillingarna på Ringhals goda. Nu överväger man att utveckla en liknande tvilling för att övervaka flödet på matarvattnet som leds till ånggeneratorn.

– Matarvattenflödet är direkt proportionellt mot effekten och i dag har vi väldigt stora marginaler eftersom mätningen är trubbig. Det innebär att vi inte kör med så höga flöden som vi skulle kunna. Kan vi höja flödet kan vi också köra på högre effekt, säger Anton Lundin.

Framtiden för kärnkraften i Sverige kan tyckas oviss. Branschen står inför förändrade ekonomiska villkor och energiöverenskommelsen har lagt fram målet om 100 procent förnybar elproduktion år 2040. Fyra reaktorer har redan stängts.

I Ringhals ska reaktor 1 och 2 avvecklas inom tre år. Men Anton Lundin tycker ändå att det finns ett gott engagemang för att driva utvecklingsarbetet vidare.

– Jag tycker att ägarna visar att de vill satsa på att optimera anläggningarna. Sedan har man så klart inte samma utvecklingsaktivitet på 1:an och 2:an, säger han.

En farhåga med att digitalisera kärnkraften är att it-säkerheten fallerar, så att anläggningarna blir föremål för hackerattacker. I Ringhals sker dataöverföringen till de digitala tvillingarna via kabel i kärnkraftverkets interna nätverk. Inget hamnar i molnet.

Investerar och avvecklar

I dagsläget finns fyra reaktorer på Ringhals kärnkraftverk norr om Varberg. De togs i drift från 1975 till 1983 och har en sammanlagd effekt på drygt 3 900 MW. Ringhals 1 är en kokvattenreaktor medan de övriga tre är tryckvattenreaktorer.

Beslut har tagits om att avveckla Ringhals 1 och 2. Först ut är Ringhals 2, som stänger på nyårsafton 2019, därefter stängs Ringhals 1 på nyårsafton 2020.

I höstas tog ägaren Vattenfall beslut att investera 900 miljoner kronor i oberoende härdkylning på Ringhals 3 och 4 för att de ska kunna drivas vidare. Målsättningen är drift fram till 2040-talet. Bygget av två nya byggnader för oberoende härdkylning pågår redan på området.

Så funkar en tryckvattenreaktor

Bränsleatomkärnor klyvs med hjälp av neutroner i reaktorn. Vattnet i reaktorn värms upp av klyvningen men kokar inte på grund av det höga trycket. När vattnet leds vidare till ånggeneratorn, där trycket är lägre, bildas ånga. Ångan leds vidare till turbinen, som sätts i rörelse.

Först passerar ångan en högtrycksturbin, varpå den kyls av och blir fuktig. För att inte orsaka korrosion eller försämra verkningsgraden avfuktas och värms ångan i en mellanöverhettare innan den leds vidare till lågtrycksturbinen.

Därifrån passerar ångan genom en kondensor, som består av många små rör där havsvatten cirkulerar. När ångan möter de kalla rören kondenserar den till vatten igen. Vattnet värms upp och leds sedan tillbaka till ånggeneratorn.

Turbinaxeln är ansluten till en elektrisk generator som omvandlar den mekaniska rörelsen till elektricitet.

Sveriges tre enda tryckvattenreaktorer finns i Ringhals. De fem övriga reaktorer som är i drift är kokvattenreaktorer: Ringhals 1, Forsmark 1-3, Oskarshamn 3.

Fem nivåer på digitala tvillingar

Teknikkonsultbolaget ÅF har tagit fram en gradering av digitala tvillingars värde och digitala funktionalitet. Ju högre nivå, desto högre värde och funktionalitet.

Nivå 0: Digital simuleringsmodell. Inte uppkopplad. Används för att simulera hur en produkt eller process fungerar i olika scenarier.

Nivå 1: Uppkopplad (smart) simuleringsmodell. Räknas som en digital tvilling. Uppkopplad mot sin fysiska motsvarighet i realtid.

Nivå 2: Diagnos (smart). Den digitala tvillingen kan användas för att diagnosticera hur produkten eller processen fungerar just nu.

Nivå 3: Prognos (smart). Den digitala tvillingen kan prognostisera när delar av produkten eller processen kommer att få nedsatt funktion eller stillestånd. Här placerar ÅF Ringhals digitala tvilling.

Nivå 4: Självlärande (intelligent). Med artificiell intelligens lär sig den digitala tvillingen kontinuerligt av egna och andras erfarenheter och kan själv föreslå åtgärder.

Nivå 5: Autonom (intelligent). Den digitala tvillingen tar egna beslut och styr produkten eller processen.

Linda Nohrstedt

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Debatt