وزارت انرژی آمریكا، برنامه های بسیاری برای آینده تولید انرژی از نیروگاه های زغال سنگ سوز درنظرگرفته است. نیروگاه های پیشرفته آینده بازده بالاتر وآلایندگی بسیار كمتری خواهند داشت، آنقدر كم كه برخی آنها را نیروگاه های با «خروجی آلاینده نزدیك به صفر می دانند».

نیروگاه های آینده نه تنها با انواع كنونی تفاوت خواهند داشت كه ابزار طراحی آنها نیز بسیار متفاوت خواهند بود. برای كاهش هزینه وكوتاه كردن زمان اجرای طرح های نیروگاه های آینده، وزارت انرژی، مهندسی مجازی را به عنوان یك فناوری توانمند به كار می گیرد. این فناوری، مهندسان آینده را قادر خواهد ساخت كه ایده های بیشتری را كه تا پیش از این با روش های سنتی مدت ها به طول می انجامید، سریع تر آزمایش كنند. نه تنها در زمینه ساخت نیروگاه های جدید كه دربسیاری زمینه های دیگر مهندسی نیز، می توان از این فناوری سود جست.

طرح های جدید برای مجتمع های نیروگاهی می باید به طورسنتی در انواع مقیاس ها ساخته می شدند تا امكان آزمایش روی آنها فراهم می شد. این فرآیند نیازمند صرف هزینه و زمان بسیاری است. این روش، محدودیت های عملی و اجرایی فراروی ایده های خلاقانه و نوگرا می گذارد. هدف سیستم مهندسی مجازی این است كه به طراحان نسل بعد نیروگاه ها اجازه دهد فناوری های روز آمد را آزمایش كنند و توسعه دهند. نیروگاه هایی مانند نیروگاه هایی مانند نیروگاهای هواپاك، شكاركننده كربن و نیروگاه های استخراج هیدروژن از زغال سنگ، پیش از اجرا می توانند طراحی و آزمایش شوند. وزارت انرژی درنظر دارد با كاهش دوره طراحی و افزایش سرعت ساخت نیروگاه ها و به بهره برداری رساندن آنها، هرچه سریع تر نسل جدید نیروگاه ها را بسازد. این سامانه را پژوهشگران آزمایشگاه ملیAmes در دانشگاه ایالتی آیوا، دانشگاه كارنگی ملون و شركای صنعتی پروژه از جملهReaction Engineering Int, Fluent Inc تولیدكرده اند.

پژوهشگران در مركز كاربری حقیقت مجازی در دانشگاه آیوا مدل های محاسباتی را با مشاهده چشمی و ابزار مجازی با قابلیت بر هم كنشی همراه می سازند تا امكان تحقیق و اعمال تغییرات هم زمان روی طرح های پیشنهادی وجود داشته باشد. این ابزار مهندسان را قادر می سازد كه سامانه ها و اجزای آنها را درفضای مجازی طراحی كنند، تغییردهند و عیب یابی كنند، درست مانند هنگامی كه با اجزای واقعی كار می كنند. اجزای جدیدی در نیروگاه ها قرارداده خواهند شد و كارآیی آنها آزمایش خواهد شد، بدون این كه به ساخت مدل های فیزیكی نیاز باشد. اجزای سامانه در زمان(real time) بدون این كه نیازی به مدل سازی و آنالیز دوباره مدل ها باشد، قابل اصلاح و بهینه سازی هستند.

طراح یكVisual Interface دراختیار خواهد داشت كه همانند یك نیروگاه حقیقی برای استفاده بهینه مهندسان ساخته شده و مزیت هایی به آن افزوده شده است. ابعاد نیروگاه مجازی مدل سازی شده را می توان دراندازه های گوناگون تنظیم كرد. مهندس طراح قادر خواهد بود درنیروگاه مجازی قدم بزند، كاركرد آن را تماشا كند، به درون فیلترهای تمیزكننده گام بگذارد، یا بر تكه ای زغال سوار شود و مسیر آن را درون نیروگاه بپیماید.

این ابزار زمان تولید را پایین می آورند و طراحی مهندسی و كیفیت تولیدات را بهبود می بخشند. هسته دست یابی به این مزیت ها افزودن شبیه سازی محاسباتی عددی با درنظرگرفتن تمام جزئیات Numerical Simulations و در دسترس بودن اجزای طراحی شده در طرح مجازی است.

نرم افزار به گروه مهندسی اجازه می دهد كه شكل، اندازه، شرایط كاری و دیگر ویژگی های تجهیزات موجود دریك نیروگاه را تغییر دهند و اثر این تعمیرات را برعملكرد نیروگاه را مشاهده و بررسی كنند. برای مثال، اگر مهندسی بخواهد ویژگی های عملكردی یك كوره زغال سنگ سوز را با تنظیم پارامترهای نازل(قطر، زاویه، طول و...)تغییر دهد، می تواند با اعمال این تغییرات برنحوه تزریق دوغاب اكسیژن و زغال سنگ بدون كوره اثر بگذارد، آنگاه سامانه مهندسی مجازی تعیین خواهد كرد كه این تغییر چه اثری بر تركیبات گازمصنوعی تولید شده درنیروگاه خواهد گذارد، درضمن محاسبه هم زمان بازده و هزینه نیز، شدنی است. تقریباً تمام زاویه های شبیه سازی(Simulation) نیروگاه، به لحاظ طراحی، ساخت و یا نگهداری را پوشش می دهد. شبیه سازهای نفتی، فرآیندیoff-line محسوب می شوند و محاسبات و آنالیز داده ها درآنها پیش تر انجام شده است. زمان تكرار هرآزمایش مجازی می تواند از یك روز تا چند هفته به طول بینجامد. برپایه تصمیم گیری مهندسی و نتایج شبیه سازی های پیشین، فرآیند آماده سازی یك نرم افزار شبیه سازی با اعمال تغییرات كوتاه مدت، زمان بسیاری به درازا خواهد كشید. سپس نتایج مدل های محاسباتی دراختیار سایر مهندسان،گروه طراحی و مدیریت قرار می گیرد. حتی اگر ابزارهای آنالیز سه بعدی به كار گرفته شوند، باز هم حضور گروه طراحی در فرآیند ناپیوسته خواهد بود، زیرا آنها تنها هنگامی می توانند فعالانه درفرآیند طراحی شركت كنند كه نتایج محاسبات تكمیل، بازبینی و تصحیح شده باشند.

به دلیل این كه این فرآیند ذاتاً زمانبر است، محاسبات سیالاتی و انتقال حرارتی معمولاً نزدیك به زمان پایان فرآیند طراحی استفاده می شوند تا دیدگاه بهتری به طراحان بدهند، حال آن كه این محاسبات خود می توانند مبنای طرح های جدید قرار گیرند. به دلیل این كه تغییرات بنیادین به هنگام انجام فرآیند طراحی پرهزینه اند، تأثیر مدل سازی تحلیلی محاسباتی برجزئیات طرح نهایی اندك است؛ از این رو روند سنتی، توان طراحی on-line را ندارد. طراحی برهم كنشی (Collaboratire) كه درآن مهندس، روند پویایی را برای طراحی درپیش می گیرد، نیازمند كسب درك آنی از عملكرد طبیعی كار نیروگاه است. روند قدیمی همچنین اجازه كاوش درباره پرسش های مهندسان، طراحان و مدیران را نمی دهد. این شیوه كار تعداد راه حل های فراروی گروه های طراحی را محدود و خلاقیت در روند طراحی را ضعیف می كند. پرسش هایی همچون «چه می شد اگر» كه از اركان اساسی طراحی است، زیاد پرسیده نمی شود.

مهندسی مجازی با آفریدن فضای كاری مجازی و ارتقای بسیاری از فناوری های محاسباتی پیچیده همچون مهندسی و طراحی به كمك رایانه(CAD)، دینامیك تحلیلی سیالات، آنالیز المان محدود، محاسبات پرسرعت، كنترل فرآیند هوشمند، مدیریت اطلاعات و تجهیزات واقعیت مجازی پیشرفته، راهی برای چیرگی بر مشکلات طراحی می جوید. این محیط کار مهندسی تمام فعالیت های نیروگاهی، نتایج تحلیلی، مدل های اقتصادی و هر گونه اطلاعات کیفیتی و کمیتی را که برای فرآیند طراحی مهندسی لازم است، در بر می گیرد.

این محدوده وسیع از اطلاعات و توانمندی ها، تمام متولیان را قادر می سازد که به طور کامل و با فهم عمیق تر و دقیق تر، تحلیل ها و نتایج را بررسی و بیشترین بهره را از همین نتایج برداشت کنند و راهکارهای مهندسی نوآورانه تری را به بوته آزمایش بگذارند.

تکنیک های مهندسی مجازی نیازمند گردآوری اطلاعات از منابعی گوناگون است که تمام مراحل تولد تا مرگ یک نیروگاه را بررسی می كنند و از آن پس، قضاوت مهندسی و تجربه را با هم در می آمیزند تا اطلاعات خام را به دانشی کاربردی تبدیل كنند. اطلاعات اگر به گونه ای مؤثر به بشر عرضه شوند، امکان تحلیل الگوهای پیچیده، ساخت فرصت های نو و آنالیز فرآیندهای جانشین را در اختیار او می گذارند. با عجین ساختن برنامه های شبیه سازی، نقشه های با اندازه های دقیق و محصولات بینایی مجازی با دقت بالا می توان بازرسی شبیه به بازرسی با حضور فیزیکی در محل را شبیه سازی کرد. در چنین محیطی، افرادی با رشته های تحصیلی متفاوت اما با هدفی مشترک، امکان همکاری دو جانبه دارند. این همکاری منشأ فرصت های بی نظیری برای بهینه سازی طرح، رویارویی با موارد پیش بینی نشده و ارتقای توانمندی حل مسائل خواهد بود.

برای همراه ساختن تمام این بخش ها در یک محیط آشنا و طبیعی، نیاز به نرم افزاری بسیار توانمند است. گروه پژوهشی مهندسی مجازی دانشگاه ایالتی آیوا، این نرم افزار را ساخته است. ابزار مهندسی مجازی آن کیت VE-Suite است که از سه موتور نرم افزاری اصلی VE-Xplore، VE-CE و VE-Conductor تشکیل شده است که وظیفه انتقال داده ها از مهندسی طراح به اجزای مجازی را برعهده دارند.

VE-CE وظیفه سینکرونیزه کردن داده ها در میان تحلیل های متفاوت، مدل های فرآیندها و موتور نرم افزار را برعهده دارد. VE-Xplore محیط تصمیم گیری است و به مهندس طراح اجازه می دهد که با مدل های تجهیزات در یک محیط مجازی کار کند. VE-Conductor سازكار کنترلی مهندسی برای کنترل مدل ها و دیگر اطلاعات خواهد بود. با یک استاندارد Open-Source، VE-Open به نرم افزار VE-Suite این امکان داده می شود که مهندس طراح و دیگر متولیان به تمام اطلاعات نیروگاه مجازی دسترسی داشته باشند. هدف اصلی از به کارگیری VE-Suite توانمند کردن کاربران برای به کارگیری اجزای (نیروگاه) و مدل های گرافیکی دوبعدی و سه بعدی آنها برای طراحی قطعات و اجزای جدید در نیروگاه است.

محاسباتی که می باید به دقت در طراحی نیروگاه ها به کار گرفته شوند، مربوط به جریان سیال، انتقال جرم، حرارت و واکنش های شیمیایی اثرگذار بر عملکرد نیروگاه هستند؛ از این رو می توان امیدوار بود که نیروگاه هایی با خروجی گازهای آلاینده نزدیک به صفر، درآینده ای نزدیک تولید شوند.

نویسنده: مارك - برایدین / داگ مك - كوركل

منبع: مارك برایدین و داگ مك كوركل، www.memagazine.com

منبع: خبرگزاری – شانا

www.smsm.ir

نوع مطلب : مهندسی مکانيک - جامدات
نوشته شده در جمعه ۲۵ تیر ۱۳۸۹ توسط SMSM |           |