Цифровое будущее, которое все давно ждут, уже наступило. Сегодня сложно представить нашу жизнь без гаджетов и устройств, помогающих людям в быту и на работе: систем умного дома, роботов-пылесосов и чата GPT. Конечно, до полной замены человека роботами далеко. Но даже такие консервативные сферы, как энергетика, вовсю цифровизируются. Обсуждают внедрение smart grid, используют лазерное сканирование и 3D-модели. Разрабатывают цифровые двойники, закладывают разработку цифрового паспорта и CFD-модели в требования к проектам.
Традиционное vs BIM-моделирование
Все больше заказчиков сегодня знают о технологиях BIM и целенаправленно ищут исполнителей для цифрового информационного моделирования. Ведь при традиционном 2D-проектировании приходится работать с совокупностью оцифрованной или неоцифрованной документации. Конечно, это далеко не прошлый век кульманов и карандашей, а вполне современное компьютерное проектирование с использованием специализированных программ для расчетов и чертежей. Но коллизии при традиционном проектировании, конфликты между смежными разделами, недопонимание на этапе строительства не редкость.
Building Information Modeling (BIM), или цифровая информационная модель (ЦИМ), в разы снижает риски противоречий и ошибок по вине человеческого фактора. Позволяет сократить срок работ, облегчает процесс принятия технических решений и взаимодействия смежных отделов в едином трехмерном пространстве. BIM-модель – это не только 3D-картинка. Это полное визуальное или цифровое описание особенностей объекта, включая отдельные части на разных стадиях жизненного цикла (существующая часть, подлежащая демонтажу, проектируемая, поставляемая и т. п.).
Цифровой паспорт в энергетике
Следующий шаг – разработка цифрового паспорта или цифрового двойника объекта. Это упорядоченный электронный массив данных, который содержит полные и самые актуальные сведения об объекте. Паспорт может включать информационные модели (в том числе BIM), документацию (архивные чертежи, пояснительные записки, ведомости, спецификации, сметы, отчеты, паспорта на оборудование) и другую структурированную информацию. Это не только максимально полный архив данных об объекте, но и полезный инструмент для координации работы между эксплуатационным и инженерно-техническим персоналом. Цифровой паспорт облегчает распределение и контроль любых текущих или планируемых работ, позволяет настроить напоминания о плановом обслуживании и поверках. Также он является отличной учебной моделью и электронным журналом.
CFD (Computational Fluid Dynamics)
Компьютерное моделирование потоковых процессов – еще один современный инструмент, который не только упрощает жизнь инженерам, но и позволяет сократить объем дорогостоящих экспериментов за счет проведения их в виртуальной среде.
Компьютерное моделирование позволяет провести анализ физических процессов внутри технических систем при различных условиях работы, то есть смоделировать поведение жидкостей и газов в определенной среде. В энергетике технология используется для прогнозирования образования вредных веществ (NOx, SOx), шлакования и перегрева поверхностей нагрева. CFD-моделирование позволяет проверить и проектные, и конструкторские решения. Незаменимо при проведении собственных научно-исследовательских работ. Значительно повышает точность выбора эффективных решений по снижению вредных выбросов и сбросов.
Уникальный опыт КОТЭС
«КОТЭС Инжиниринг» уже много лет применяет в своих проектах технологии BIM и CFD-моделирования на крупных энергообъектах в России и за рубежом.
К примеру, при разработке проекта реконструкции двух котлов паропроизводительностью 700 т/час на ТЭС «Никола Тесла» в Сербии сразу было выполнено лазерное сканирование блоков А1 и А2. На основании полученного облака точек команда разработала модель «как есть». Дальнейшая разработка основных технических решений производилась в пространстве информационной BIM-модели, которая отражает состояние объекта: демонтаж, проект реконструкции котельной ячейки и проект выполненного состояния после завершения реконструкции.
Команде КОТЭС удалось увеличить паропроизводительность блоков Никола Тесла на 50 т/ч каждый, снизить NOx до предельно допустимых значений, повысить надежность и ремонтопригодность котлов. Расчетные выбросы оксидов азота до 230 мг/нм3 получилось снизить первичными методами. В основе внедренной системы – горелки с низким выбросом NOx, рециркуляция дымовых газов и ступенчатая подача воздуха. Оптимальный размер и расположение сопел воздуха для горения, а также скорость на выходе из сопел были рассчитаны с использованием CFD-моделирования.
CFD и BIM для решения вопросов экологии
Строгие требования к экологии сегодня закладываются в каждом проекте реконструкции и модернизации, в том числе в соответствии с федеральными программами, такими как «Чистый воздух». При этом в энергетике нет универсальных решений, которые подходили бы всем типам объектов. Для каждого предприятия с разным набором параметров и оборудования наиболее оптимальное решение должно рассчитываться отдельно. В ходе одного из таких проектов команда КОТЭС предложила провести сравнительный анализ возможных мер, определение диапазонов возможного снижения выбросов и стоимость этих мероприятий в связке CFD- и BIM-моделирования.
Так, в 2023 году команда КОТЭС выполнила BIM-модель и математическое моделирование внутритопочных процессов котлоагрегата БКЗ-500-140. Перед командой стояла задача выявить причины образования оксидов азота и разработать концептуальные технологические решения по их снижению.
В ходе работ на базе архивных чертежей и материалов были подробно смоделированы основные части пароводяного тракта. На базе конструктива топки была создана расчетная область для проведения CFD-моделирования, которое дало поля температур, концентрации веществ (кислорода, оксидов азота).
Команда проекта получила расчетное формирование оксидов азота на уровне 640 мг/нм3 для варианта с нижним дутьем, 670 мг/нм3 – для варианта без нижнего дутья для существующей конфигурации котла (в части конструкции и режима). В результате CFD-моделирования установлены причины и места очагов образования оксидов азота: более 90 % оксидов азота оказались топливными. Математическое моделирование также помогло выявить общую тенденцию формирования зоны высоких температур в объеме центральной зоны топки.
Для снижения образования топливных оксидов азота КОТЭС предложил технологии сжигания, приводящие к выравниванию профиля температур по объему топочной камеры и созданию восстановительных зон: третичный воздух, концентрическое сжигание и перераспределение воздуха по ярусам. В качестве еще одного решения с целью снижения оксидов азота до уровня 370 мг/нм3 команда КОТЭС предложила дополнительное применение системы СНКВ на основе впрыска раствора карбамида.
В математической модели специалисты КОТЭС рассчитали три разных варианта снижения оксидов азота за счет выравнивания профиля температур по высоте топки и отметили наиболее приоритетный вариант с перераспределением воздуха по ярусам горелок. Использование CFD-моделирования вместо режимно-наладочных испытаний и работы сразу на котле значительно сократило срок разработки решения. Такой подход также существенно снижает стоимость внедрения подобных решений.
Технический прогресс сегодня набрал впечатляющие обороты, инновации и новые устройства появляются каждый день. Новые технологии повышают планку требований к технике и качеству выполнения работ человеком – точности, скорости, экологичности.
Без новых технологий сложно идти в ногу со временем. С точки зрения команды КОТЭС, BIM- и CFD-технологии в ближайшем будущем начнут использоваться еще активнее. Ведь они открывают новые возможности для создания интеллектуальных и устойчивых систем не только в энергетике, но и смежных специальностях, а также полностью соответствуют современным трендам на цифровизацию, экологизацию и повышение эффективности одной из самых консервативных отраслей промышленности – энергетики.
