وزارت انرژی آمریکا، برنامه های بسیاری برای آینده تولید انرژی از نیروگاه های زغال سنگ سوز درنظرگرفته است. نیروگاه های پیشرفته آینده بازده بالاتر وآلایندگی بسیار کمتری خواهند داشت، آنقدر کم که برخی آنها را نیروگاه های با «خروجی آلاینده نزدیک به صفر می دانند».
نیروگاه های آینده نه تنها با انواع کنونی تفاوت خواهند داشت که ابزار طراحی آنها نیز بسیار متفاوت خواهند بود. برای کاهش هزینه وکوتاه کردن زمان اجرای طرح های نیروگاه های آینده، وزارت انرژی، مهندسی مجازی را به عنوان یک فناوری توانمند به کار می گیرد. این فناوری، مهندسان آینده را قادر خواهد ساخت که ایده های بیشتری را که تا پیش از این با روش های سنتی مدت ها به طول می انجامید، سریع تر آزمایش کنند. نه تنها در زمینه ساخت نیروگاه های جدید که 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 امکان 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 که به طراحان نسل بعد نیروگاه ها اجازه دهد فناوری های روز آمد را آزمایش کنند و توسعه دهند. نیروگاه هایی مانند نیروگاه هایی مانند نیروگاهای هواپاک، شکارکننده کربن و نیروگاه های استخراج هیدروژن از زغال سنگ، پیش از اجرا می توانند طراحی و آزمایش شوند. وزارت انرژی درنظر دارد با کاهش 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 ملی Ames در دانشگاه ایالتی آیوا، دانشگاه کارنگی ملون و شرکای صنعتی پروژه از جمله Reaction Engineering Int, Fluent Inc تولید کرده اند.
پژوهشگران در مرکز کاربری حقیقت مجازی در دانشگاه آیوا مدل های محاسباتی را با مشاهده چشمی و ابزار مجازی با قابلیت بر هم کنشی همراه می سازند تا امکان تحقیق و اعمال تغییرات هم زمان روی طرح های پیشنهادی وجود داشته باشد. این ابزار مهندسان را قادر می سازد که سامانه ها و اجزای آنها را درفضای مجازی طراحی کنند، تغییردهند و عیب یابی کنند، درست مانند هنگامی که با اجزای واقعی کار می کنند. اجزای جدیدی در نیروگاه ها قرارداده خواهند شد و کارآیی آنها آزمایش خواهد شد، بدون این که به ساخت مدل های فیزیکی نیاز باشد. اجزای سامانه در زمان(real time) بدون این که نیازی به مدل سازی و آنالیز دوباره مدل ها باشد، قابل اصلاح و بهینه سازی هستند.
طراح یکVisual Interface دراختیار خواهد داشت که همانند یک 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 کرد. مهندس طراح قادر خواهد بود درنیروگاه مجازی قدم بزند، کارکرد آن را تماشا کند، به درون فیلترهای تمیزکننده گام بگذارد، یا بر تکه ای زغال سوار شود و مسیر آن را درون نیروگاه بپیماید.
این ابزار زمان تولید را پایین می آورند و طراحی مهندسی و کیفیت 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 که شکل، اندازه، شرایط کاری و دیگر ویژگی های تجهیزات موجود دریک نیروگاه را تغییر دهند و اثر این تعمیرات را برعملکرد نیروگاه را مشاهده و بررسی کنند. برای مثال، اگر مهندسی بخواهد ویژگی های عملکردی یک کوره زغال سنگ سوز را با تنظیم پارامترهای نازل(قطر، زاویه، طول و…)تغییر دهد، می تواند با اعمال این تغییرات برنحوه تزریق دوغاب اکسیژن و زغال سنگ بدون کوره اثر بگذارد، آنگاه سامانه مهندسی مجازی تعیین خواهد کرد که این تغییر چه اثری بر ترکیبات 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 تکرار هرآزمایش مجازی می تواند از یک روز تا چند هفته به طول بینجامد. برپایه تصمیم گیری مهندسی و نتایج شبیه سازی های پیشین، فرآیند آماده سازی یک نرم افزار شبیه سازی با اعمال تغییرات کوتاه مدت، زمان بسیاری به درازا خواهد کشید. سپس نتایج مدل های محاسباتی دراختیار سایر مهندسان،گروه طراحی و مدیریت قرار می گیرد. حتی اگر ابزارهای آنالیز سه بعدی به کار گرفته شوند، باز هم حضور گروه طراحی در فرآیند ناپیوسته خواهد بود، زیرا آنها تنها هنگامی می توانند فعالانه درفرآیند طراحی شرکت کنند که نتایج محاسبات تکمیل، بازبینی و تصحیح شده باشند.
به دلیل این که این فرآیند ذاتاً زمانبر است، محاسبات سیالاتی و انتقال حرارتی معمولاً نزدیک به زمان پایان فرآیند طراحی استفاده می شوند تا دیدگاه بهتری به طراحان بدهند، حال آن که این محاسبات خود می توانند مبنای طرح های جدید قرار گیرند. به دلیل این که تغییرات بنیادین به هنگام انجام فرآیند طراحی پرهزینه اند، تأثیر مدل سازی تحلیلی محاسباتی برجزئیات طرح نهایی اندک است؛ از این رو روند سنتی، توان طراحی on-line را ندارد. طراحی برهم کنشی (Collaboratire) که درآن مهندس، روند پویایی را برای طراحی درپیش می گیرد، نیازمند کسب درک آنی از عملکرد طبیعی کار نیروگاه است. روند قدیمی همچنین اجازه کاوش درباره پرسش های مهندسان، طراحان و مدیران را نمی دهد. این شیوه کار تعداد راه حل های فراروی گروه های طراحی را محدود و خلاقیت در روند طراحی را ضعیف می کند. پرسش هایی همچون «چه می شد اگر» که از ارکان اساسی طراحی است، زیاد پرسیده نمی شود.
مهندسی مجازی با آفریدن فضای کاری مجازی و ارتقای بسیاری از فناوری های محاسباتی پیچیده همچون مهندسی و طراحی به کمک رایانه(CAD)، دینامیک تحلیلی سیالات، آنالیز المان محدود، محاسبات پرسرعت، کنترل 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 کنند و از آن پس، قضاوت مهندسی و تجربه را با هم در می آمیزند تا اطلاعات خام را به دانشی کاربردی تبدیل کنند. 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 سازکار 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.
منبع: مارک برایدین و داگ مک کورکل، www.memagazine.com