Въведение
Енергетиката и свързаните с нея източници за енергия се явяват ключови фактори за развитието на икономиките на държави и цели континенти. Постигането на максимал- на ефективност, тоест количество на получената енергия отнесена към вложените за нея енергийни източници са във фокуса на разработките на проектанти, енергетици и инженери. Не е случаен факта, че за да е възможно да се „проиграят“ различни конфигурации на дадена енерге- тична инсталация преди да бъде взето крайното решение за строеж е нужно да се изградят виртуални модели на централата и инсталациите и да се проведат възможни- те предварителни симулации. Употребата на мощни CAD приложения за виртуално проектиране са се превърнали днес в неминуема част от всеки проект за разработка на енергетични инсталации. Чрез реалистичното предста- вяна на дадена енергетична инсталация проектантите се стремят да спечелят максимално доверието от страна на капиталовложителите инвестиращи в дадено съоръже- ние. Освен предварителното виртуално представяне на съоръженията, симулацията на работата им е нужно да се докаже пред инвеститорите, а често и пред държавни и международни сертифициращи органи, че екипът упра- влящ дадена централа е в състояние да управлява сигур- но съоръжения и инсталации струващи стотици милиони и дори милиарди евро, които при евентуална неточност или дори организационна немърливо могат да доведат до екологически катастрофи с големи размери. За да е успешен даден енергиен проект е нужно проектиращия и по-късно експлоатиращия екип да притежа- ват нужните познания и опит за управление на големи капитални проекти с голям активи, регулярни процеси по поддръжката и експлоатацията на централата при пълно спазване на нормативите за екологичност и проследяе- мост на разходите. Тези дейности се поемат днес до голя- ма степен от софтуерни системи за Управление на Жизнения цикъл на компонентите на дадена централа или инсталация. Чрез подобни системи проектната документация налична под формата на сдокументи, 3D модели и чертежи е нужно да се управляват централизирано при пълен контрол над версиите. Особено важно става това при капитални проекти с дълъг жизнен цикъл на инста- лациите и отделните компоненти. Само чрез PLM e възможно да се осъществи оптимално проследяване и да се реализира обща платформа за комуникация между поръчители на проекта, проектанти и държавните институции.
Раздели в енергетиката и насоки на работа в тях
При постоянно увеличаващата се цена на труда, на материалите вложени в изгражданите инсталациите, както и драстичното скъсяване на сроковете за тяхното изграждане при гарантиране на всички изисквания за пускане в експлоатация е неминуемо и в енергетиката да се търсят начини за повишаване на ефективността на процеса на проектиране.
За да се постигнат горепосочените цели днес все по-често се прибягва до използване на виртуалното проектиране, симулации и Управлението на Жизнения Цикъл, понятия познати до преди десет години само в авиационната и ав- томобилната индустрия.
Главните насоки, в които се работи в енергетиката днес:
- Удължаване на живота на съществуващи електроцентрали
- Изграждане на голям брой нови атомни електроцентрали
- Глобализиране на проектите чрез международни доставчици
- Повишаване на сигурността за персонала и за жители в околните населени места
- Намаляване на разходите при редовни експлоатационни ремонти.
Фаза проектиране- предимствата на 3D CAD
Проектирането на инсталации, системи и отделни детайли може да бъде значително ускорено чрез изграждането на идейни проекти директно под формата на тримерен модел съобразен с особеностите на архитектурната подложка или на избраната площадка. Още в тази пър- воначална фаза могат да се избегнат грешки възникнали поради геометрична несъвместимост с даденостите, както и да се избегнат грешки, които най-често се откриват в много напреднала фаза на проекта. 3D проектирането дава освен това възможност да се “проиграят” голям брой варианти и конфигурации преди да бъде избрано най-оп- тималното решение.
CAD системата CATIA на фирма Dassault Systemes e най- разпространеното решение за виртуално проектиране в света и по-специално при сложни приложения, при които се налагат да се работи със сглобени единици съдържащи няколко хиляди елемента. CATIA е не само една от най-използваните 3D програми в света, но и един от малкото по рода си продукти за решаване на инженерно-конструк- тивни задания от най-висок клас.
В платформата CATIA Systems & Installations са групирани всички модули на CATIA предоставящи пълен набор от инструменти за виртуално създаване, проверка и оптимизация на проекти на системи и инсталации в жилищното и капиталното строителство, в химическата, нефтената и преработвателната индустрия, в корабостроенето и в създаването на всякакъв вид промишлени инсталции с висока степен на сложност и изисквания за екологичност и на- дежност. Основен модул от платформата CATIA Systems & Installations е модула HVAC Design. Този модул се използва от много водещи проектантски бюра за изграждане на инсталации в енергетиката и е създаден на базата на изискванията на проектантските бюра и предприятията. Работната среда на програмата позволява възможност за бързо създаване на 3D модела, както и неговата промяна.
CATIA HVAC в помощ на проектанта
Проектирането на системи и инсталации днес заема голяма част от цялостното време за проектиране. Към проектирането на инсталации спадат; маршрутизация на тръбни инсталации, климатизация, окабеляване. За да бъдат приложими в процеса на проектиране 3D програмите трябва да съдържат пълния набор от инструменти за проектиране на инсталацията, съобразяването на даденостите на площадката или сградата, но едновременно с това да бъдат лесни и удобни за ползване. CATIA HVAC напълно покрива тези изисквания. Нейната употреба в стотици проекти по света е доказала, че с CATIA HVAC могат да бъдат постигнати бързо положителни резултати в проекта чрез точно и бързо планиране на инсталациите, взимайки под внимание всички важни детайли. Мощни инструменти за проверка на инсталацията и нейната оптимизация проведени изцяло в 3D позволяват да се проведат виртуални експерименти още преди да бъде поръчано скъпо струващо обурудване и да бъде изградена самата инсталация- рискове, които все по-мал-ко пректантски бюра желаят да поемат. Затова днес все по-често се залага на Виртуално проектиране и компютърна симулация и вали- диране на характеристиките на инсталацията.
Отделните части на дадена инсталация се създават паралелно като в крайната фаза се обединяват в единна система, като се проверява нейната завършеност или се симулират характеристиките и чрез провеждане на термофлуидни симулации изцяло в работната среда на CATIA.
Характеристики на CATIA HVAC
Характеристиките на CATIA HVAC могат да се опишат накратко като;
- Разработка на инсталацията се провежда по строги определени стандартизирани правила
- Номерация на тръбните компоненти с цел точна спецификация на инсталацията, търсене и документация
- Автоматичен контрол, дали инсталацията е затворена
- Задаване на стандартизирани компоненти като вентилатори, клапани, помпи и др.
- Възможност за лесна промяна на вече изградена инсталация при запазване на връзките между обектите
• Параметрична асоциативност между 3D и чертежа
• Задаване и възможност за промяна на посоката на протичане на флуида
• Автоматична проверка за технологична изпълни- мост на тръбните сегменти, радиуси на тръбните сегменти, разтояния между отделните закръгления
• Задаване на интелигентни каталожни детайли с ав- томатично разпознаване на прикрепването
• Функции за търсене на колизии
• Улеснено търсене на обекти
• Много широки възможности за адаптация на модула към фирмени стандарти
• Винаги се работи в контекста на цялостния проект
• Управление на свойствата на компонентите
• Интеграция към симулационни програми
• Създаване на доклади с всички нужни за производ- ството информации
Автоматично създаване на интелигентни чертежи
CATIA Drafting служи за създаване на 2D чертеж на 3D модела, оразмеряване и вмъкване на стандартни чертожни листове, както и създаване на спецификация. Проекциите в чертежа се извеждат автоматично и са асоциативни към 3D модела. Това означава, че всяка промяна на 3D модела води след себе си регенериране на проекциите и свързаните с тях оразмерявания.
Модерните CAD решения притежават не само модули за
Анализ за колизии- Clash Analysis
В CATIA са заложени мощни функции за провеждане на анализ за колизии. По този начин автоматично е възмож- но да се провери цялостния интегритет на инсталацията спрямо останалата част от сградата. Това може да стане и тогава, когато останалата част от сградата не е изградена в CATIA.
Якостни симулации с CATIA Analysis
CATIA Analysis позволява провеждането на симулации на якостните и вибрационните характерстики на части от инсталацията, като и на цялата инсталация в типична- та работна среда на CATIA. Симулациите с CATIA Analysis се провеждат изцяло в работната среда на CATIA при пъ- лен достъп до параметрите на изградения детайл или ин- сталация. Това позволява бърза промяна на 3D модела, автоматична актуализация на омрежването и повторно провеждане на симулацията до постигане на желания ре- зултата по отношение на здравината и издръжливостта на детайла.
Провеждане на термофлуидни симулации- CFD
Проблемите в енергетични инсталациии съоръжения чес- то не са свързани само с качеството на проектираната ин- сталация, а и със заложените в нея характеристики свър- зани с движението на зададения флуид и произтичащите с това физически феномени като: топлообмен, конденза- ция, смесване на флуиди от различен вид, фазови превръ- щани. Тези феномени трудно могат да бъдат анализира- ни с помощта на общите математически формулировки от Механиката на флуидите поради комплексността на зада- нието, като най-често става дума за задания в тримерното пространство. В помощ на решаването на подобен тип за- дания идва Изчислителната Динамика на Флуидите – ИДФ (на английски: Computational Fluid Dynamics- CFD). Напълно интегрирания в CATIA модул Flo.EFD.V5 позво- лява тримерни симулации на всякакъв вид движения на флуидни потоци и топлообмен по метода на Изчис- лителната Динамика на Флуидите (Computational Fluid Dynamics) в тръбни трасета, топлообменници и помещения.
Чрез пълната интеграция на термофлуидния анализ в процеса на проектиране на инсталацията се дават нови възможности за проверкана реалните й характеристики, като се дават конкретни предложения за нейната оптимизация.
За разлика от други CFD програми насочени към тесни специалисти с дългогодишен опит в областта на меха- никата на флуидите, FloEFD.V5 е предназначен за проек- танти на инсталации, като дава възможност флуидните симулации да се извършват по време на самия процес на проектиране в познатата работна среда на CATIA. Този ин- тегриран подход за провеждане на флуидни симулации в работната среда на CATIA дава изключителни големи пре- димства, като например:
• Пълна асоциативност между тримерния модел на отръбяването и зададеното омрежване. Промяна на геометричната форма на 3D модела води до актуали- зиране на омрежването при спазване на зададените гранични условия.
• Възможност за провеждане на експерименти чрез провеждане на вариации на параматери от геометрич- ния 3D модел с цел подобряване на стойостите на оп- тимизираните величини.
• Възможност за сравнение на оптимизираните величи- ни на няколко алтернативни геометрични конфигура- ции на тръбното трасе при идентични гранични усло- вия и характеристики на омрежването.
• Резултатите от флуидния анализ могат да бъдат сво- евременно взети впредвид в тримерния модел чрез промяна на геометричната форма в критични области.
Виртуално планиране на процеса на изграждане и на планови ремонти в енергетиката с DELMIA
DELMIA е системно решение разработвано от фирма Dassault Systemes за симулация на производствени про- цеси. DELMIA е съкращение за Digital Enterprise Lean Manufacturing Interactive Application. DELMIA спада към
решенията от категорията решения MPM (Manufacturing Process Management) и позволява провеждане на всяка- къв тип симулации типични за производствени предпри- ятия, като например симулация на работата на поточни линии, на роботизирани процеси, на монтажно-демон- тажни дейности, както и хармонизация и оптимизация на всички тези дейности с цел съкращаване на времето за производство на крайното изделие и облекчаване на чо- вешкия труд. Особено важно в АЕЦ например при смяна на горивни елементи в реактор. В DELMIA в среда близка до CAD сис- темата могат да се плануват и симулират всякакъв тип ремонтни или експлоатационни дейности извършвани с помощта на персонал или с помощта на роботизирани системи.
Изхождайки от тримерно представените модели енерге- тичната инсталация и на отделните сглобени единици в нея, както и на заетия в монтажа персонал се пресъзда- ват нужните за изпълнение и проверка на монтажа опе- рации, като се търси съкращаване на загубите в ненужни операции, избягват се опасни за здравето и живота на персонала дейности и се гарантира качеството на сглобената единица. По този начин риска при провеждането на монтажни и демонтажни дейности при строежа на нови енергетични инсталации, както и при провеждането на планови ремонти може да бъде преценен и по този начин намален до минимум. Чрез симулация на критични дей- ности в инсталацията чрез цифрово представени модели на оператора може да бъде намален и практически пре- махне риска за здравето на персонала.
С DELMIA е възможно предварително да се симулират и анализират всички стъпки при провеждането на ремонт- ни дейности. Анализът дава ясна картина и за времето нужно за провеждане на отделните стъпки във времеди- грами. Те дават възможност да се преразпределят и опти- мизират дейностите с цел общо съкращаване на времето за провеждане на ремонтните дейности. Друго важно предимство на DELMIA е възможността за запазване на познание – Knowledgeware. По този начин е възможно да се запази натрупаното познание с цел из- ползване и в бъдещи проекти и за обучение и квалифика- ция на обсулжващия персонал. За реализиране на симулацията на даден обект DELMIA е в състояние да използва почти всичко познати 3D форма- ти.
