Modelownie - nowoczesna forma projektowania

Waldemar Cieślakiewicz – CompuSim SA
Modelowanie – nowoczesna forma
projektowania
Modelowanie jako technologia pozwalająca lepiej zrozumieć pracę procesów
technologicznych i zwiększyć bezpieczeństwo pracy zakładów
Wprowadzenie
Modelowanie komputerowe (numeryczne) stało się już standardem
w procesie badań i analiz we wszystkich dziedzinach nauki: technice, medycynie, ekonomii czy każdej innej dyscyplinie wiedzy. Modele
genetyczne, modele układu limfatycznego, modele klimatyczne, modele ekonomiczne, skomplikowane modele procesów termiczno-chemicznych w zakładach przemysłowych i wiele innych modeli, które
można by wyliczać bez końca, stały się nieodzownym elementem życia człowieka XXI wieku, który tak się do nich przyzwyczaił, że nawet
ich nie zauważa.
Modelowanie sukcesywnie wkracza już od 30 lat we wszystkie
dyscypliny techniki. Początkowo były to programy do obliczania naprężeń w konstrukcjach lub w elementach konstrukcji, obliczanie przepływów płynów w instalacjach, obliczanie procesów termodynamicznych, obliczanie sieci elektrycznych itp.
Numeryczne analizy stosowane w modelowaniu, które były często zdefiniowane dużo wcześniej (np. metoda Galerkina na przełomie
XIX i XX wieku), znalazły swoje praktyczne zastosowanie dopiero po
wprowadzeniu techniki komputerowej. Do metod tych można zaliczyć
Metody Różnic Skończonych, Elementów Skończonych, Objętości
Skończonych, algorytmy optymalizacyjne, jak Monte Carlo, Simplex
czy Genetic Algorithm.
bezpieczeństwo w strefach zagrożonych wybuchem nr 1/2011 (21) 79
MagazynEx_1_2011.indb 79
2011-03-17 20:33:50
detekcja i pomiary
Struktura samych modeli w ostatnich dziesięciu latach również
przechodziła (i w dalszym ciągu przechodzi) swoją ewolucję. Było to
uzależnione głównie od postępu w sprzęcie komputerowym. Do tego
można zaliczyć rozwój w budowie procesorów z obecną szybkością
3 Ghz, budowę procesorów wielordzeniowych, łączenie procesorów
w klastry, a obecnie wkraczanie w wysoko wydajnościowe przetwarzanie z użyciem procesorów GPU. Rozwój w dziedzinie technik oprogramowania również jest bardzo dynamiczny – począwszy od systemów operacyjnych DOS do obecnych Microsoft.Net czy LINUX.
Języki programowania sekwencyjne, jak FORTRAN czy COBOL, zmieniły swoją formę do języków zorientowanych obiektowo, jak C++
czy JAVA.
Modelowanie systemów
Modelowanie systemów procesowych za pomocą programów
z wyżej wymienionej grupy jest z punktu widzenia czasu obliczeń
i kosztów niemożliwe, szczególnie dotyczy to modeli dynamicznych. Do tego typu modeli stosuje się oprogramowania CFD (network
approach).
Rozwój z punktu widzenia wielkości modeli przedstawia się następująco. Początkowo były to modele 1D lub 2D zawierające od kilkudziesięciu do kilkuset elementów. Obecne modele 3D posiadają od
kilku do kilkudziesięciu milionów elementów. Innej klasyfikacji modeli można dokonać, uwzględniając element czasu, czyli będą to modele
stacjonarne (bez elementu czasowego) i modele niestacjonarne (z elementem czasu). Te ostatnie, pomimo obecnie tak rozwiniętej techniki komputerowej, w dalszym ciągu wymagają okresu kilku tygodni dla
jednego przebiegu obliczeniowego.
W inżynierii mechanicznej i procesowej można dokonać innej klasyfikacji: modelowanie elementów systemów procesowych i modelowanie całych systemów. Pierwsza z wymienionych metod używa
CFD (Computer Fluid Dynamic) jako techniki modelowania płynów
i procesów termodynamicznych. W tej samej grupie, używając techniki FEM (Finite Elem Modeling), dokonujemy modelowania naprężeń
materiałowych.
Rys. 1. Model CFD przepływu gazów w kulowym młynie węglowym
80
MagazynEx_1_2011.indb 80
Rys. 2. Model kotła elektrowni wykonany w tym systemie modelowania
Taka platforma programowa umożliwia modelowanie i symulowanie systemów cieplno-przepływowych całych zakładów i ich podsystemów lub elementów systemów w stanach statycznych lub dynamicznych. Dodatkowe biblioteki pozwalają na równoczesne symulowanie
systemów elektrycznych i kontrolnych DCS. Biblioteki komponentów,
jak pompy, zawory, turbiny itp., umożliwiają szybkie i bezbłędne konstruowanie modeli procesów w zakładach. System posiada własne biblioteki, ale również pozwala na dołączanie bloków programowych innych użytkowników lub komponentów innych producentów.
Rys. 3. Przykłady współpracy z innymi programami
Automatic Systems Engineering
2011-03-17 20:33:56
„Dominion Virginia Power” USA
Dominion jest największym producentem energii elektrycznej w Stanach Zjednoczonych, a Virginion Power w stanie Wirginia. Konsorcjum
to nie tylko generuje i rozprowadza energię elektryczną w regionach
środkowo-wschodnim i środkowo-zachodnim, ale również magazynuje i dystrybuuje gaz naturalny. W elektrowniach zainstalowane są wymienniki ciepła dla wody podawanej do kotła, jako wstępne podgrzewanie tej wody. Woda ta jest podgrzewana parą upustową z turbin.
Scenariuszem symulacji było pękniecie rury, w następstwie czego nastąpiło otwarcie zaworu bezpieczeństwa i wypuszczenie pary pod ciśnieniem do atmosfery. Model obejmował również efekt przenoszenia
się powstałej fali ciśnienia i parametry czynnika tuż przed otwarciem
zaworu. Jako cel symulacji został wybrany podgrzewacz wody drugiego stopnia w jednostce nr 6 elektrowni Chesterfield.
Rys. 4. Wizualizacja zamodelowanego procesu
Graficzna forma wprowadzania danych i prezentowania wyników sprawia, że system jest bardzo łatwy w obsłudze i przejrzysty
w analizach wyników. Dzięki tej właściwości użytkownik łatwo może
znajdować przyczyny awarii w rzeczywistych zakładach. Wizualizacja procesu i możliwość podłączania systemu SCADA jako interfejsu z operatorem sprawia, że system staje się bardzo komunikatywny.
Trend w budowie symulatorów w miarę rozwoju techniki komputerowej zmierza w kierunku łączenia różnych technik modelowania, na
przykład FEM z CFD czy DMM. Rys. 5. przedstawia połączenie modelu CFD kotła z modelem zdyskretyzowanym ścian z płaszczem wodnym kotła.
Rys. 6. Schemat modelu zdyskretyzowanego
Powyżej przedstawiony jest diagram systemu. Korzyści z symulacji były następujące:
• poznanie przebiegu procesu awarii,
• właściwe dobranie wielkości systemu bezpieczeństwa,
• pełna analiza fali ciśnieniowej i sprawdzenie, czy powstałe ciśnienia
są niższe od maksymalnie dopuszczalnych projektowych.
Poniżej przedstawiona jest symulacja charakterystyki dynamicznej ciśnień w podgrzewaczu i zaworze bezpieczeństwa w momencie
awarii.
Rys. 5. Model CFD kotła w elektrowni Lethabo RPA
Przykłady zastosowań modelowania systemów
Poniżej przedstawiono kilka zastosowań modelowania, dzięki którym zmniejszono możliwość awarii w systemach i zwiększono bezpieczeństwo pracy systemów przemysłowych.
Rys. 7. Dynamiczna charakterystyka oscylacji ciśnień
bezpieczeństwo w strefach zagrożonych wybuchem nr 1/2011 (21) 81
MagazynEx_1_2011.indb 81
2011-03-17 20:34:01
detekcja i pomiary
W czasie symulacji stwierdzono, że w momencie awarii cała para
w podgrzewaczu ulegnie kondensacji i tylko woda zostanie wyrzucona przez zawór. Ponieważ podgrzewacz wypełniony jest tylko wodą,
nie będzie gazowego bufora do przejęcia oscylujących ciśnień w zaworze oscylującym. Symulacja wykazała, że zawór bezpieczeństwa
jest niedowymiarowany.
„Analiza temperatur w regulatorze ciśnienia w elektrowni gazowej”
Australia
W elektrowniach gazowych stosuje się regulatory ciśnienia na przewodzie z podgrzewacza do turbiny. Ciśnienie redukuje się z maks. 15
MPa do około 3,5 MPa. Na podstawie Joule-Thompson efektu temperatura gazu może obniżyć się o około 55°C. Zakładając temperaturę
zewnętrzną -6°C zawór regulacyjny będzie pracował w temperaturze
-61°C. Według specyfikacji producenta zaworów dopuszczalna temperatura pracy powinna wynosić nie mniej niż -20°C. Dla inżynierów
elektrowni istotne było dokonanie analizy czasowej zaworu poddanego niskim temperaturom pracy, szczególnie gniazda zaworu (O-ring),
które mogło się zdegenerować przez skruszenie, a później pęknięcie,
powodując utratę szczelności zaworu.
Rys. 8. Schemat symulowanego systemu
Rys. 10. Charakterystyki czasowe temperatur w zaworze
Każdy zaznajomiony z dynamicznym przewodzeniem ciepła w sieciach przepływowych ze skomplikowaną geometrią musi przyznać, że
tego typu analizy są poza zasięgiem wielu biur technologicznych. Modelowanie pozwoliło mi w ciągu krótkiego czasu osiągnąć zadowalające wyniki. Kiedy potencjalny koszt awarii urządzeń może sięgnąć
dziesiątek milionów USD, te zaskakujące rezultaty analiz uwidaczniają niesamowitą siłę i korzyść z użycia systemu modelowania (Senior
Thermal & Process Engineer, Mr. Hannes van der Walt).
Korzyści wynikające z symulacji przy użyciu systemu modelowania:
• Przewodzenie ciepła było zasymulowane w modelu 2D.
• Temperaturowa pojemność cieplna materiału podczas dynamicznej
symulacji została uwzględniona.
• Dane przewodów automatycznie mogą być użyte z bibliotek
systemu.
• Zastosowanie bibliotecznego komponentu przewodności ciepła
(heat transfer).
• Wynikowe profile temperatur zostały przedstawione graficznie.
• Symulacje zostały przeprowadzone dla różnych rodzajów izolacji
i różnych parametrów początkowych.
• Użytkownik mógł określić na podstawie symulacji limity temperatur minimalnych i podjąć właściwe działania w celu uniknięcia awarii systemu.
Następna klasa symulacji w modelowaniu systemów to symulatory dla całych zakładów przemysłowych. Symulatory te są kompleksowym modelem wszystkich systemów (termiczno-przepływowych,
elektrycznych, chemicznych, mechanicznych, kontrolnych DCS) w zakładach przemysłowych pracujących w czasie rzeczywistym, a nawet
szybszym (10 razy) niż czas rzeczywisty.
Rys. 9. Model 2D zaworu (zdyskretyzowany)
Rys. 11. Typowy nowoczesny pokój kontrolny w elektrowni
82
MagazynEx_1_2011.indb 82
Główne rodzaje tego typu symulatorów:
• szkoleniowe operatorów OTS (Operator Training Simulator) – pełnią
funkcję szkoleniową oraz wspomagają pracę operatorów, np. poprzez analizę wcześniej zaistniałych stanów awaryjnych,
• symulatory optymalizacyjne – pozwalają na przetestowanie planowanych modernizacji przed poniesieniem rzeczywistych kosztów
inwestycyjnych.
Automatic Systems Engineering
2011-03-17 20:34:07
Stosowanie wyżej wymienionych symulatorów zwiększa wydajność produkcyjną elektrowni oraz zwiększa ochronę środowiska, np.
poprzez wpływ na zmniejszenie emisji gazów.
Głównymi celami Symulatorów Szkoleniowych są:
• Praktyczne szkolenie na kompleksowych systemach kontrolnych,
przy następujących zdarzeniach:
ƒƒ Normalna kontrola nad systemem przy różnych obciążeniach.
ƒƒ Wadliwe działanie systemu lub zakłócenia w systemie.
ƒƒ Normalne włączenie i wyłączenie bloku z systemu.
ƒƒ Awaryjne wyłączenie (odstawienie) bloku.
ƒƒ Powrót do normalnego stanu z wadliwego działania systemu lub
zakłócenia systemu.
• Ciągłe testowanie umiejętności operatorów i wydawanie świadectw umiejętności technicznych dla operatorów.
Przykład panelu operatora w symulatorze OTS dla elektrowni Attala USA. Panel jest częścią General Electric SCADA użytego w tej
elektrowni.
Rys. 14. Wizualizacja 3D hali turbin w elektrowni Kusele RPA
Na podstawie przytoczonych rozważań wyraźnie widzimy, że obecny proces projektowania nowych zakładów lub modernizowania starych może być znacznie usprawniony poprzez wprowadzenie metod
modelowania komputerowego. Budowanie modeli, czy to do celów
szkoleniowych, optymalizacyjnych czy zwiększenia bezpieczeństwa
pracy zakładów, jest bardzo korzystne, a w takich zakładach jak elektrownie atomowe – bezwzględnie wymagane.
Modelowanie jest nowoczesnym narzędziem służącym do realizacji tego celu. Używając tego oprogramowania, możemy szybko i tanio budować modele systemów operacyjnych w różnych zakładach
przemysłowych.
Dodatkowe informacje na temat modelowania:
[email protected].
Rys. 12. Panel operatora w symulatorze OTS – Elektrownia Attala USA
Nieodzowną częścią obecnych symulatorów OTS jest trójwymiarowa wizualizacja zakładów. Pozwala na obserwowanie instalacji i urządzeń systemu wewnątrz budynków zakładu. Pozwala na poruszanie
się po zakładzie, testowanie poszczególnych lokalizacji i umożliwia lepsze zrozumienie funkcjonalności systemu.
Rys. 13. Wizualizacja 3D stacji młynów węglowych w elektrowni Kusele RPA
bezpieczeństwo w strefach zagrożonych wybuchem nr 1/2011 (21) 83
MagazynEx_1_2011.indb 83
2011-03-17 20:34:20