Учредитель журнала

Повышение квалификации персонала путем внедрения цифровых тренажеров

УДК 621.311

DOI 10.52815/0204-3653_2022_03187_46
EDN: GYJDGG

Орлов Константин
Доцент, к.т.н.,
заведующий кафедрой теоретических основ теплотехники
им. М.П. Вукаловича
ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ».
E-mail: OrlovKA@mpei.ru

Охлопков Андрей
Начальник службы экспертизы и технического развития (СЭТР) ПАО «Мосэнерго».
E-mail: OkhlopkovAV
@mosenergo.ru

Битней Владислав
Главный специалист
по управлению проектами.
E-mail: BitneyVD@mosenergo.ru

Введение

Повышение квалификации персонала – одна из наиболее значимых задач в энергетике, что подтверждается соответствующим приказом Минэнерго России от 22.09.2020 г. № 796 «Об утверждении правил работы с персоналом в организациях электроэнергетики Российской Федерации» [1]. На данный момент, на каждом объекте электроэнергетики имеются опытные специалисты, но не все из них способны передать свои знания новым сотрудникам. Молодые специалисты, приходящие в компанию, не только не обладают опытом и знаниями, но и зачастую должной мотивацией к обучению, что негативно сказывается как на собственной безопасности, так и на надежности и безопасности энергосистемы в целом.
В каждой организации электроэнергетики вопросам безопасности и снижения травматизма уделяется большое внимание. Для этих целей зачастую создаются отдельные службы, основными задачами которых являются: контроль соблюдения работниками организации требований в области охраны труда, проведение мероприятий по минимизации травматизма на производстве и организация инструктажей для работников предприятия по охране труда. К сожалению, полностью исключить травматизм невозможно, однако за счет применения современных методов подготовки и обучения персонала, можно значительно снизить количество несчастных случаев. Министерство энергетики России в своих отчетах регулярно публикует отраслевую статистику производственного травматизма. В отчете по итогам второго полугодия 2020 г. отмечены основные факторы несчастных случаев [2]:

– в генерирующих компаниях на первом плане нарушения требований и норм охраны труда (45,3 % случаев), которая усугублялась неудовлетворительной организацией производства работ (26,6 % случаев), личной неосторожностью пострадавших (15,6 % случаев);
– в электросетевых предприятиях на первом плане нарушения требований и норм охраны труда (41,3 % случаев), к которым добавились личная неосторожность пострадавших (26,9 % случаев), неудовлетворительная организация работ (15,9 % случаев).
В применении к любой категории оперативного персонала объем выполняемых работ, в том числе оперативных переключений, а, следовательно, и количество технологических нарушений, приводящих к авариям и несчастным случаям, зависят от ряда факторов, таких как состав оборудования, схема первичных соединений, режим работы и организация обслуживания энергообъекта.
По данным анализа ошибочных действий оперативного персонала ОАО «Федеральная сетевая компания единой энергетической системы» количество технологических нарушений, связанных с ошибочными действиями оперативного персонала от общего числа ошибочных действий составило в период с 2015 по 2021 гг. соответственно 58 %, 40 %, 74 %, 41,7 %, 30,9 %, 28,1 %, 39 % [3]. Классификация причин ошибок при оперативных переключениях приведена на рис. 1.

Рис. 1. Классификация причин ошибок при оперативных переключениях

Нормативно-­технические документы и регламентация требований к тренажерам оперативного персонала

Требования к тренажерам и программным средствам подготовки персонала энергетических предприятий регламентируются двумя нормативными документами, которые действуют в России и странах СНГ [4]: «Технические условия для сертификации прикладных программных средств тренажеров для тепловых электростанций и сетей» СТУ 115.015–2003 [5] и «Нормы годности программных средств подготовки персонала энергетики» – СО 153–34.0–12.305–99 [6].
Рассмотрим каждый из них:

  1. Технические условия для сертификации прикладных программных средств тренажеров для ТЭС и сетей СТУ 115.015–2003 были введены 5 июня 2003 г. Министерством РФ по связи и информатизации. Данный документ, разработанный ФГУП «ВНИИПВТИ» совместно с ЗАО «ТЭСТ» и согласованный с РАО «ЕЭС России», регламентирует состав и возможные границы значений параметров для ПО тренажеров в соответствии с требованиями стандартов [7]. Особо значимым является описание основных требований к функциям обработки данных, методам оценки характеристик и информационной безопасности.
  2. Нормы годности программных средств подготовки персонала энергетики были разработаны и введены в 1999 году департаментом генеральной инспекции по эксплуатации и финансового аудита РАО «ЕЭС России» и акционерным обществом «Главный вычислительный центр энергетики» при участии Московского энергетического института, Московского государственного университета, Новочеркасского государственного технического университета, Южного центра подготовки кадров предприятия «Южэнерготехнадзор». Данный документ устанавливает требования к программным средствам подготовки, используемым для персонала предприятий энергетики России на различных этапах производственной подготовки, которые состоят из программно-­технических и функциональных норм годности.

Особенно важно отметить регламентированные требования к моделям объектов управления тренажеров:

  • все допущения, которые принимаются при построении моделей, не должны искажать физическую картину происходящих в объекте процессов, при любых режимах работы объекта в тренажере;
  • математическое описание физических процессов, которые происходят в реальном объекте, в виде систем дифференциальных, алгебраических и логических уравнений, должны лежать в основе построения модели. Определение параметров должно производиться на основе технологических характеристик оборудования и экспериментальных данных о работе объекта;
  • модель должна иметь достаточную точность – отклонение моделируемых параметров от реальных настолько мало, что допускается экспертами при приемке тренажера;
  • необходимо сохранение реального (ускоренного) масштаба времени при воспроизведении процессов на тренажере;
  • должна обеспечиваться необходимая полнота моделирования, определяемая конкретной стадией подготовки: должны моделироваться все необходимые для этой стадии режимы работы, контролируемые параметры и органы управления объекта моделирования при наличии требуемого набора воспроизводимых аварий и отказов в работе технологического оборудования и устройств автоматики.

Компьютерный тренажер для персонала энергоблока мощностью 800 МВт Пермской ГРЭС

Особой подготовки требует не только эксплуатационный персонал котлотурбинного цеха, действия которого определяют состояние водного режима энергоблока, но и персонал химического цеха, обеспечивающего работу установок по организации водного режима. Высокая квалификация персонала лежит в основе надежности и экономичности работы оборудования при эксплуатации мощных энергоблоков сверхкритического давления [8].
На данный момент на ТЭС применяются тренажеры, которые готовят и тренируют персонал отдельных цехов. Это позволяет осуществлять специализированную индивидуальную подготовку сотрудников, обслуживающих конкретное оборудование электростанций.
Однако в нештатных и аварийных ситуациях самой главной проблемой является взаимодействие групп специалистов. Поэтому проведение совместных (комплексных) тренировок оперативного персонала всех цехов и служб, направленных на совершенствование навыков взаимодействия при решении той или иной задачи, становится все более актуальным. Создание программ-­тренажеров, моделирующих работу всего теплоэнергетического оборудования и процессов, протекающих в нем, является одним из путей решения этой проблемы.
Попытка разработки единого тренажера для сотрудников котлотурбинного и химического цехов была предпринята на Пермской ГРЭС. Основной программный комплекс тренажера энергоблока был создан специалистами ЗАО «Пик Прогресс». В результате их сотрудничества с кафедрой ТВТ (сейчас кафедра называется ТОТ) МЭИ тренажер был дополнен программами, моделирующими рабочие места аппаратчика блочной обессоливающей установки и лаборанта химической лаборатории.

Работник инструментальной мастерской
Источник: kalinovsky / depositphotos.com

Тренажер для подготовки персонала тепловых сетей

В соответствии с корпоративным стандартом «Стандарт организации профессиональной подготовки, переподготовки, повышения квалификации персонала» РАО «ЕЭС России» раз в три года проводятся соревнования по профмастерству сотрудников. В последнее время для оценки уровня квалификации персонала используются тренажеры и программно-­технические средства, позволяющие смоделировать основные процессы, применяемые в энергетике. Для проведения соревнований по работе диспетчера по управлению оборудованием тепловых сетей при аварийных режимах и нормальной эксплуатации НИУ «МЭИ» и ООО «Триеру» разработали тренажер на базе оболочки ТВТ Shell [9].
Задачей тренажера была разработка программного продукта, который позволит проводить обучение и проверку знаний диспетчера тепловой сети, его умений по эксплуатации оборудования и локализации аварий. Оперативная технологическая схема с актуальными параметрами арматуры и приборов являлась основным вспомогательным инструментом диспетчера для принятия решений.

Тренажер КТЦ нового поколения для тепловой генерации «Русгидро» на базе открытой цифровой модели

НИУ «МЭИ» совместно с АО «ХЭТК» инициировало создание тренажера в сентябре 2021 г. для ПАО «Русгидро». На данный момент большинство существующих программ для повышения квалификации персонала имеют следующий набор проблем:

  • созданы под устаревшее ПО (MS-DOS, Windows NT, Unix и т. д.);
  • значительно ограничены (или полная невозможность) изменения пользователем;
  • сложность или закрытость в изменении модели (нет компетенций у пользователя и требуется участие разработчика);
  • невозможность или значительное неудобство использования для решения других задач, в том числе тиражирования и развития.

НИУ «МЭИ» осуществляет разработку научных основ и пилотного тренажера для персонала котлотурбинного цеха нового поколения на базе открытой цифровой модели с возможностью комплексных тренировок с участием сотрудников химического и тепловой автоматики и измерений цехов.
Открытая цифровая модель программно-­технического комплекса будет иметь следующие преимущества:

  • возможность изменения модели пользователем;
  • возможность расчета модели в базовом ПО с возможностью получения всех данных по работе модели;
  • первоначальная оптимизация модели для применения в тренажере КТЦ с возможностью развития модели для других применений;
  • возможность подключения к внешней АСУ ТП и другим тренажерным комплексам;
  • возможность расчета переходных теплогидравлических (с учетом сжимаемости), электрических и физико-­химических процессов.

Тренажер-­анализатор главной электрической схемы станции

ЗАО «Тренажеры для электростанций» разработало компьютерный тренажер-­анализатор главной электрической схемы электростанции для оперативного персонала электроцеха.
Основная особенность тренажера: наличие высокоточной полной всережимной математической модели электрической части станции. Теоретические основы построения модели и основные уравнения изложены в статье «Комплексные анализаторы процессов функционирования электрооборудования электростанций» [10].
Высокоточная модель в составе тренажера-­анализатора позволяет предсказывать электрический режим работы станции (или подстанции) и производить анализ произошедших аварийных ситуаций, для чего в тренажер-­анализатор включена функция построения осциллограмм «быстрых» переходных процессов.
В состав тренажера-­анализатора включена подсистема поддержки обучения персонала, включающая:

  • дополнительные защиты и блокировки, которых нет на реальной станции, или подстанции, но которые предупреждают обучаемого о сделанной ошибке, или о приближении к аварийной ситуации (за несколько шагов до нее);
  • традиционными сервисными функциями обучающих систем, такими как:
    • загрузка исходного состояния;
    • сохранение текущего состояния;
    • режимы реальное/ускоренное время;
    • режимы работа/заморозка;
    • возможность повторения ранее выполненных действий.
  • возможность работы в локальной сети одновременно на нескольких компьютерах.
  • Назначение тренажера-­анализатора:
  • анализ электрических режимов станции (подстанции), возникающих в результате переключений в главной электрической схеме и изменений генерируемых и выдаваемых в систему (потребителям) активных и реактивных мощностей;
  • проверку профессиональной квалификации оперативного персонала при управлении электрическим оборудованием в сложных режимах;
  • проведение соревнований и конкурсов оперативного персонала по профессиональному мастерству;
  • проведение противоаварийных тренировок.

Разработка тренажера-­анализатора применительно к главной электрической схеме ТЭЦ‑26 «Мосэнерго» завершена в апреле 2004 г. Тогда же тренажер поставлен на ТЭЦ‑26 «Мосэнерго» в двух модификациях: как анализатор (на одном компьютере – установлен на ЦЩУ) и как тренажер в центре подготовки персонала ТЭЦ‑26 (на сети из трех компьютеров). В ноябре 2004 г. указанный тренажер использовался на системных соревнованиях оперативного персонала ОАО «Мосэнерго».

Разработка
математической модели турбогенератора Т3ФГ‑160–2МУЗ

В рамках проведения НИОКР «Разработка методики выбора оптимальных режимов по реактивной мощности для турбогенераторов с оценкой влияния режимов работы на надежность работы генерирующего оборудования» ФГБОУ ВО НИУ «МЭИ» разработало математическую модель турбогенератора Т3ФГ‑160–2МУЗ для ПАО «Мосэнерго», которую в дальнейшем планируется перевести в цифровой тренажер, позволяющий исследовать поведение ТГ в маневренных режимах работы и обучить персонал базовому набору инструкций при его поломке.
Для расчетов электромагнитного поля турбогенератора использован программный комплекс EasyMag3D, разработанный в НИУ «МЭИ». Он базируется на методе пространственных интегральных уравнений и обеспечивает высокопроизводительные расчеты трехмерных магнитных систем в параллельных процессах.
На рис. 2 показана модель конструкции магнитной системы турбогенератора Т3ФГ‑160–2МУЗ. Принято допущение о наличии полной зеркальной симметрии по длине генератора, т. е. расчетная область была ограничена половиной длины генератора. В азимутальном направлении расчетная область полная и охватывает 360°.

а – общий вид модели турбогенератора;
б – лобовая часть турбогенератора;
в – поперечное сечение в средней части генератора

Рис. 2. Модель конструкции магнитной системы турбогенератора Т3ФГ-160-2МУЗ
в программном комплексе Easymag3D

В результате расчетов будут получены данные о процессах, происходящих в режимах работы с регулированием реактивной мощности, которые позволят оценить их влияние на элементы конструкции турбогенератора. На рис. 4 представлена 3D-модель, используемая для расчета. Современные вычислительные средства позволяют воспроизвести геометрию магнитной системы и учесть ее особенности при анализе электромагнитного поля. Особое внимание уделяется торцевой части статора.
В результате моделирования могут быть получены различные типы данных, которые в дальнейшем анализируются и сопоставляются с режимами работы турбогенераторов. На рис. 3 представлены данные по осевой компоненте намагниченности в стали, на основе которых оценивается насыщение различных участков статора. Такие расчеты проводятся с целью проверки известного предположения об увеличении осевого магнитного поля в турбогенераторах в режиме потребления реактивной мощности, которое может вызывать увеличение потерь в торцевых зонах.

Рис. 3. Зависимость осевой компоненты намагниченности от осевой компоненты напряженности магнитного поля в статоре

На рис. 4 показано распределение вектора удельной силы, действующей на один стержень обмотки статора в зоне выхода из паза. Эти расчеты позволяют исследовать усилия, действующие в торцевых зонах, которые могут приводить к повышенным вибрациям обмотки и ее повреждению.

Рис. 4. Вектор удельной силы, действующий на стержень обмотки статора

Разработанное программное обеспечение и модели позволяют выполнять расчеты магнитного поля турбогенератора в полной трехмерной постановке и представляют информацию о режимах работы, магнитном состоянии элементов конструкции, силовых взаимодействий и др.

Выводы

  1. Всестороннее применение программно-­технических комплексов по подготовке оперативного персонала позволит значительно снизить аварийность по вине персонала. Соответственно повышение капитальных затрат на реорганизацию процесса обучения сотрудников позволит получить значительный экономический эффект.
  2. Приобретение персоналом навыков оперативной деятельности в нормальных и экстренных ситуациях, которые позволят обеспечить наилучшие показатели работы оборудования, особенно его сохранность, является основной задачей обучения персонала. При этом полученные знания должны служить только задаче принятия наилучших решений при управлении оборудованием.
  3. Главной составляющей получаемых знаний является формирование навыка принятия оперативных решений.
  4. Совместное использование программных средств подготовки персонала и обучающих вычислительных систем позволит получить наиболее качественное формирование навыков оперативной деятельности.
  5. Тренажеры должны стать центральным, системообразующим фактором системы подготовки и повышения квалификации персонала, а также гарантом обеспечения надежной, безопасной и экономичной эксплуатации оборудования электроэнергетики России.