Petr Navrátil1 PROCESNÍ VÝPOČTY Abstrakt Článek pojednává o odborné praxi ve společnosti Královopolská RIA a.s., kterou jsem měl možnost absolvovat díky projektu Partnerství v energetice. Po přihlášení do projektu a seznámení se s jeho cílem, jsem se dostal až mezi vybranou skupinu, jež absolvuje stáž ve vybrané firmě. V KP RIA jsem pak během čtvrt roku pracoval na svěřených dílčích úkolech z oblasti procesního inženýrství. Převážně se týkaly výpočtů tlakových ztrát, tepelně hydraulických výpočtů výměníků a přestupu tepla mezi potrubím a okolím. V následujícím textu představím některé z mých úkolů v KP RIA, software který jsem při jejich řešení používal a také přiblížím technologické celky, kterých se tyto dílčí výpočty týkaly. Klíčová slova Partnerství v oblasti energetiky, Královopolská RIA, odborná praxe, procesní inženýrství
1
ÚVOD
V rámci projektu Partnerství v oblasti energetiky jsem měl možnost v létě 2013 absolvovat odbornou praxi ve společnosti Královopolská RIA. Jako student Vysokého učení technického v Brně jsem se o možnosti zúčastnit se projektu dozvěděl poprvé na úvodní přednášce uspořádané v aule na Fakultě strojního inženýrství. Projekt představil prof. Ing. Petr Stehlík, CSc., dr. h. c. a Ing. Martin Pavlas, Ph.D. Prezentace a náplň projektu mě zaujala. Právě v té době jsem se snažil najít firmu, kde by bylo možné během studia nějakou praxi získat. Postupně se ukázalo, že bez většího přehledu o firmách, které se zabívají energetikou a bez doporučení není úplně snadné takovou praxi ještě během studia získat. Na samotnou prezentaci přišla opravdu velká spousta studentů a proto jsem rád, že jsem se po vyplnění kompetenčního profilu na stránkách projektu (http://partnerstvienergetiky.msek.cz) dostal mezi vybrané účastníky, kteří mohli nastoupit na odbornou praxi. Ta se konala ve společnosti, která nejlépe vyhovovala jak očekávání studentů, tak nárokům společnosti na předchozí vzdělání a současné odborné zaměření studenta.
1
Bc. Petr Navrátil, Ústav procesního a ekologického inženýrství, Fakulta strojního inženýrství, Vysoké učení technické v Brně, Antonínská 548/1 Brno 601 90, e-mail:
[email protected] tel: 737 927 456.
1
Studuji magisterský obor Procesní inženýrství na Ústavu procesního a ekologického inženýrství. Zaměření ústavu propojuje oblasti vědy a poznání z energetiky, fyzikální chemie, mechaniky, automatizace a dalších. Pracoviště se rozdělují do sekcí: • • • • •
energetické systémy a simulační výpočty, termické procesy a čištění plynů, výpočtové modelování dynamiky tekutin (CFD), konstrukce zařízení, systémy pro přenos tepla.
Při výuce procesního inženýrství je kladen důraz na prohloubení znalostí z oborových disciplín zaměřených na přenos tepla, hybnosti a hmoty. Profilové předměty jsou tepelné, hydraulické a difuzní pochody. Teoretické znalosti termodynamiky a fyzikální chemie prohlubuje výuka v kurzech systémového inženýrství. Uplatnění poznatků z mechaniky těles zajišťuje blok několika předmětů zaměřených na stavbu a konstrukci procesních a energetických zařízení. Praktické znalosti profilované na měření a regulaci pokrývá výuka experimentálních metod, projektování a řízení procesů a energetických systémů. Další výuka postihuje také obory ekologie, bezpečnosti a práce se specializovaným softwarem. Jako pracoviště, kde bych mohl nejlépe uplatnit teoretické znalosti, dále je prohlubovat a poznat také praktické aspekty této profesní specializace se zdálo nejvhodnější oslovit projekční oddělení ve společnosti Královopolská RIA. V tomto nejvíce děkuji Ing. Richardu Nekvasilovi, Ph.D., který mi v Královopolské RIA odbornou praxi dojednal a zajistil schůzku přímo s vedoucím projekce Ing. Janem Štaffou. Přijímací pohovor u Ing. Štaffy proběhl dobře a dohodli jsme se na zahájení praxe v polovině července. Nástup do nového zaměstnání bývá často spojen se začátkem měsíce. Já jsem měl dlouho dopředu objednanou dovolenou a tak jsem byl velice rád, že mi v Královopolské vyšli vstříc a umožnili mi začít o něco později. S potěšením můžu konstatovat, že jak začátek, tak i celá praxe byla provázená vstřícnou atmosférou.
2
KRÁLOVOPOLSKÁ RIA
Královopolská RIA akciová společnost je inženýrsko-dodavatelská firma, která se dlouhodobě orientuje na vyšší typy dodávek v oborech jaderná energetika, chemie a petrochemie, čištění a úprava vod. Obrázek 1 Logo KP RIA [1] V rámci zakázek, na kterých společnost pracuje, zajistí vypracování projektové dokumentace technologických celků a konstrukční dokumentaci zařízení. Výstupy jsou podloženy pevnostními výpočty, které se provádějí nejčastěji pro potrubí, nádrže aparáty a ocelové konstrukce. Kompletaci dodávku a montáž dílčích technologických celků nebo rovnou celých provozních souborů firma zajišťuje taktéž. V řadách zaměstnanců jsou zkušení specialisti, kteří mohou dohlížet na místě realizace při stavbě a také při funkčních zkouškách či uvádění zařízení do provozu. A dokáží také nabídnout sofistikovanou pomoc při řešení technických problémů, které přesahují možnosti zadavatele z hlediska technického know-how. Na realizovaných
2
projektech tak pracuje tým zkušených projektantů, výpočtářů, techniků a obchodníků. Celkový počet zaměstnanců je cca 170. Královopolská RIA a.s. má za sebou velkou tradici a spoustu dobře odvedené práce. Reference firmy by vydaly na obsáhlou příručku, z nejdůležitějších projektů uveďme, že se KP RIA podílela v postavení finálního dodavatele na výstavbě všech jaderných bloků na území České a Slovenské republiky. Na poli jaderné energetiky pracovala KP RIA především na technologických systémech primární části jaderných elektráren. Těmi jsou pomocné systémy primárního okruhu, čistící stanice radioaktivních médií a kontaminovaných vod, aktivní i pasivní havarijní systémy, příprava a dávkování chemických roztoků a další. Ostatně jako velice zajímavý zdroj informací o referencích KP RIA mohou sloužit přímo webové stránky, které naleznete na adrese http://www.kpria.cz/reference/ [1]. Z poslední doby bych vyzvednul dva projekty a to Diamo, s.p., Stráž pod Ralskem a JE Mochovce. V době mé stáže se na obou pracovalo a já jsem tak měl možnost k nim též přispět.
2.1 Struktura podniku Mnoho lidí má Královopolskou jako synonymum části Brna. Královopolská, a.s. jako strojírenský podnik s dlouholetou tradicí je firma založena 26. září 1889 bratranci Filipem Porgesem a Augustem Ledererem pod názvem Brünn-Königsfelder Maschinenfabrik Lederer & Porges (Brno-Královopolská strojírna Lederer & Porges) [2]. V minulé době, kdy byla zcela jiná hospodářská situace a požadavky trhu šlo o skutečně velkou „fabriku“, orientovanou od čistě strojírenské výroby jako například sekce jeřábů, až k zařízení pro chemii a petrochemii. Postupem času se měnili požadavky a očekávání, a tak se po revoluci různě přeskupovali jak majitelé, tak divize podniku. Aktuální organizace je taková, že na Křižíkově v rozsáhlém areálu zůstává strojírenská výroba chemických a procesních aparátů pod hlavičkou Královopolská a.s. spolu s divizí jeřábů. Na Halasově náměstí (ulice Okružní) pak sídlí Královopolská RIA a.s. (RIA je zkratkou pro Realizaci Investičních Akcí). Dceřinými společnosti KP RIA jsou Královopolská stress analysis group s.r.o. (KP SAG) a její stavební divize v České republice a na Slovensku.
3
Obrázek 2 Organizační struktura KP RIA (mimo představenstvo aj.) [1]
2.2 KP SAG Pevnostní výpočty a dynamické analýzy technologického zařízení v oblasti jaderné energetiky, chemie a petrochemie, energetiky aj. má na starosti právě KP SAG. Její výpočtáři ověřují správný návrh zařízení obvykle provedený právě v KP RIA. K dispozici mají potřebný software, namátkou uveďme PDMS, SYSTUS, ADLPIPE aj.
2.3 Kvalifikace Pro udržení standardu kvality a úspěch ve výběrových řízeních je KP RIA držitelem certifikovaný systém řízení jakosti v souladu s normou ISO 9001:2008 dále společnost získala certifikát k environmentálnímu systému řízení dle normy ISO 14001:2004 a certifikát k systému řízení BOZP podle BS-OHSAS 18001:2007. Nezbytný je pro ni také certifikát pro proces svařování dle normy ISO 3834-2:2006.
3. ODBORNÁ PRAXE Při práci na dílčích úkolech, které jsem v rámci odborné praxe řešil, jsem využíval standardní balík kancelářských programů Microsoft Office, především MS Excel se ukázal být nepostradatelným nástrojem. Především některé výsledky, respektive výstupy z jiného software se dají s výhodou exportovat ve formátu, se kterým je pak možné v MS Excel hromadně pracovat. Názorný příklad může být aplikace pro výpočet měrné hmotnosti a kinematické viskozity vzduchu. V sešitu MS Excel pak stačí jen zadat vstupní parametry, při nichž chceme termo-fyzikální vlastnosti odečíst. Díky snadné práci s grafy je také možné výsledky názorně vizualizovat a získat představu s jakými hodnotami aktuálně pracujeme, zda jsou vysoké či nízké a jak intenzivně se parametry s teplotou a tlakem mění. Případně se
4
pohledem na grafické znázornění rychle přesvědčit, zda výsledek z jiného výpočtu je alespoň řádově správný, což mnohdy ušetří čas.
Obrázek 3 Termo-fyzikální vlastnosti vzduchu, zpracováno v MS Excel [3]
5
Po nástupu na praxi jsme dostali přidělený služební email, který jsme užívali přes klasické rozhraní MS Outlook. Společnost využívá také vlastní intranet, nejčastěji pro správu personálních záležitostí, objednávání obědů apod. K dispozici jsem měl vlastní počítač a místo v kanceláři u senior process engineera.
Obrázek 4 Přidělené pracoviště Každý úkol, na kterém jsem pracoval, byl součástí výpočtu některého dílčího provozního souboru (DPS). K nim se vztahoval protokol, kde bylo kompletně popsané, jakého zařízení se problém týká, jaké jsou vstupní a výstupní parametry a výpočetní postupy. Tyto dokumenty měly příslušnou hlavičku a číslování přesně tak aby to odpovídalo systému ISO. Z důvodů obchodního tajemství není samozřejmě možné publikovat konkrétní dokumenty. Všechny protokoly byly vedeny dvojjazyčně. Respektive česky nebo slovensky a anglicky. Každá revize dokumentu musí být zaznamenána a popřípadě vizuálně odlišená. Z výše popsaných důvodů se ve společnosti používá k tvorbě protokolů MS Word. Ačkoliv je možné některé dokumenty generovat automaticky z vnitropodnikového systému (SAP, Helios, apod.) nesetkal jsem se během své praxe s tímto.
3.1 Speciální software – PipeNET Nezbytným vybavením pro práci na výpočtech hydraulických ztrát potrubních systémů je v KP RIA software PipeNET. Je to program z produkce společnosti Sunrise Systems sídlící v Cambridge ve Spojeném království.
6
Obrázek 5 PipeNET - návrh sprinklerů [4] Software slouží k posouzení potrubních tras z hlediska tlakových ztrát, dostatečného nadimenzování čerpadel, clon, ventilů apod. Na obrázku je vidět pracovní plocha, s aktuálním problémem. Právě systém speciálních sprinklerů pro reaktorový sál jsem pomáhal řešit. Horní část obrazovky zabírá standartní panel nástrojů, ten je možné libovolně konfigurovat dle uživatelských požadavků. Centrální okno zobrazuje zvětšenou část pracovní plochy. Vpravo dole je pak žluté navigační podokno s výřezem zobrazeného prosotru. Do pracovní plochy je možné zadat kompletní systém potrubí, obvykle zpracovaný ve výkrese dílčích potrubí (tzv. axonometrické výkresy potrubí). Model zohledňuje jak délky potrubí, tak převýšení a zobrazuje je v patřičném měřítku. Do uzlů potrubí je pak možné umisťovat požadované armatury, čerpadla a další. Každou položku je možné pomocí okna v pravo editovat a nastavit požadované parametry, například K-faktor pro výpočet tlakové ztráty. Program umožňuje také tvorbu vlastní knihovny normalizovaných dílů. Výpočet probíhá po korektním nastavení a vybrání průtočného okruhu velmi rychle. Výsledky jako průtok, tlak média, tlaková ztráta aj. je možné vypsat pro každý jeden prvek nebo současně a exportovat je k dalšímu využití v libovolném formátu. Program umožňuje výběr z různých výpočetních metody pro tlakové ztráty, rychlou a přehlednou editaci jak celé trasy, tak jednotlivých prvků.
3.2 Speciální software - ChemCAD Dalším ze zajímavých programů, který stojí za zmínku je ChemCAD od texaské společnosti Chemstations. Program je založen na práci se základními chemickými, tepelnými a procesními aparáty, které jsou definované v knihovnách samotného programu. Pro správnou volbu postupu a práce se softwarem jsem využíval jednak poznámek z
7
předmětu Navrhování procesních a energetických systémů (KNP) a dílem pak samotnou nápovědu v programu, která je velmi kvalitně zpracovaná. Samozřejmě KP RIA disponuje i vlastním manuálem. Layout pracovní plochy zobrazuje obrázek 6.
Obrázek 6 Layout ChemCAD 6.3.1 [5] Jako první krok při práci v programu ChemCAD je třeba upravit natavení jednotek, nastavit použitý termodynamický model a vybrat komponenty. Pro pohodlnou práci v ChemCADu je třeba nastavit jednotky které vyhovují pracovnímu prostředí uživatele. Vzhledem ke zvyklostem na ústavu Procesního a ekologického inženýrství volíme v nabídce jednotky SI a některé jednotky přepneme podle osobních preferencí. Volba správného termodynamického modelu pro konkrétní látky a aplikaci je velmi důležitá. Podle článku [6] můžeme rozdělit TF modely na metody založené na stavové rovnic (např.: Redlich-Kwong-Soave SRK, Peng-Robinson PR) a na metody pracující s koeficienty aktivity (UNIFAC), popřípadě na speciální modely (Chao-Seader ChS). Doporučená volba modelu pak je skrze rozdělení dle polarity, tlaku, elektrolytických vlastností, reálnosti látek aj. Obecně je pro strojové výpočty podle [7] doporučený model ChS. Jiný zdroj [8] řadí metody nepatrně jinak a doporučuje výběr metody spíše podle konkrétních látek figurujících ve výpočtu. Samotná nápověda v programu ChemCAD, pak spíše popisuje hraniční podmínky použití konkrétních modelů. Nicméně, v KP RIA jsme buď provedli validaci modelů pro naše komponenty nebo jsme vycházeli z nastavení programu použitých v obdobném výpočtu v minulosti.
3.3 Speciální software - AutoCAD Ačkoliv se v KP RIA v hojné míře používá i moderní 3D CAD software PDMS, stále zůstává v nezastupitelné míře důležitým prostředkem pro grafické vyjádření výstupů klasický AutoCAD. My jsme ho využili pro tvorbu databáze potrubních standardů. KP RIA má totiž obrovský archiv realizovaných projektů a tak je s využíváním PC pro tvorbu dokumentace nutná digitalizace některých technologických uzlů a jejich kategorizace. Pracovali jsme konkrétně na výkresech detailů potrubí roztříděných podle potrubních tříd.
8
3.4 Tepelně-hydraulické posouzení chladicího systému Jako dílčí úkol na kterém jsem pracoval bych chtěl představit výpočet ohřevu chladicího média. Jednalo se o nouzový sprchový systém instalovaný v reaktorovém sálu (3. a 4. blok JE Mochovce). V případě selhání běžného chlazení reaktoru, pokud dojde ke zvýšení teploty v sálu nad 270°C, uvede se v činnost havarijní okruh, který tlačí pod tlakem cca 3bar chladicí směs vody a kyseliny borité do potrubního systému, který vede ze záchytné vany pod reaktorem a nádrže mimo sál, do speciálních trysek umístěných pod stropem sálu. Znali jsme geometrii potrubí, průtok, termo-fyzikální vlastnosti okolí i média. Šlo o kontrolu stavu, zda nedojde v médiu ke změně fáze. Potrubní trasa měla délku cca 183m a průtok roztoku o teplotě 60°C byl poměrně velký. Materiál potrubí byl průměrně stejně tepelně vodivý a tloušťka stěny okolo 10mm. Na počátku přesto panovaly obavy, že by mohlo ke konci potrubí dojít k odpaření. Výpočet jsme řešili několika metodami pro vzájemnou kontrolu. Proběhla simulace pomocí programu ANSYS Fluent, dále analytický výpočet v MS Excel s využitím vztahů pro přenost tepla, tak jako se učí v předmětu Tepelné pochody na ÚPEI, využili jsme tentokrát literaturu [9]. A také jednoduchá simulace v ChemCAD a nakonec ještě porovnání s tabulkovými hodnotami tepelné ztráty na metr potrubí. Výsledky se potěšujícím způsobem potvrzovali a tak zněla jednoznačná odpověď na otázku bezpečnosti. Vše bylo navrženo správně a ohřev média před rozprášením v tryskách dosáhl pouze 4°C.
Obrázek 7 VVER generace 3+ [10]
9
4
ZÁVĚR
Odborná praxe v KP RIA byla velice přínosná. Měl jsem možnost využít teoretické znalosti z výuky na VUT v praxi a rozšířit si znalosti programů do větší hloubky. Neocenitelné jsou pak osobní zkušenosti s prací ve velké a zavedené společnosti orientované na moderní a sofistikované technologie.
Poděkování Příspěvek byl realizován za finančního přispění Evropské unie v rámci projektu Partnerství v oblasti energetiky, č. projektu: CZ.1.07/2.4.00/31.0080.
Literatura [1]
[2] [3] [4]
[5] [6] [7] [8] [9] [10]
KP RIA: Reference. KRÁLOVOPOLSKÁ RIA, a.s. Královopolská RIA: Reference [online]. 2013. vyd. Brno, 2013 [cit. 2014-03-13]. Dostupné z: http://www.kpria.cz/reference/ KRALOVOPOLSKA A.S. Kralovopolska a.s.: Královopolská strojírna [online]. 2014. vyd. Brno, 2014 [cit. 2014-03-13]. Dostupné z: http://www.kralovopolska.cz KRÁLOVOPOLSKÁ RIA. Výpočet měrné hmotnosti a kinematické viskozity vzduchu: MS Excel. Brno, 2013. PipeNET: Sunrise Systems. SUNRISE SYSTEMS. Reference a příklady použití [online]. 2014. vyd. Cambridge U.K., 2013 [cit. 2014-03-13]. Dostupné z: http://www.sunrise-sys.com/spray_sprinkler.asp# Chemstation: chemCAD. [online]. [cit. 2013-12-14]. Dostupné z: www.chemstations.com CARLSON, Eric. Dont gamble with physical properties for simulations. Chemical engineering progress. 1996, s. 35-42. Dostupné z: Aspen technology Difuzní pochody – KDP, VUT Brno, Fakulta ÚPEI, Doc. J Jícha, Podklady k přednáškám HILL, David a Fred JUSTICE. Understand thermodynamics to improve process Simulations. 2011. Dostupné z: www.aiche.org/cep CAO, Eduardo. Heat transfer in process engineering. New York: McGraw-Hill, c2010, viii, 568 p. ISBN 00-716-2408-2. ROSATOM. Rosatom: Integrovaná nabídka v oblasti využití jaderné energie [Propagační dokument]. 2013. vyd. Moskva, 2013, 26 s. [cit. 2013].
CONTRIBUTION TITLE IN ENGLISH Keywords Energy Partnership, Královopolská RIA, professional practice, process engineering Summary The article discusses the practical training at Královopolská RIA as I had the opportunity to pass through partnership projects in the energy sector. After logging into the project and learn the way it aim, I got up among a select group that undergo internship in a company. In KP RIA I then worked for over a quarter of the assigned sub-tasks of a process. Mainly concerning calculation of pressure loss, heat exchangers and hydraulic calculations of heat transfer between the pipe and its surroundings. In the following, I will present some of my tasks in KP RIA, software that I have used in their solution and also elucidate technological systems, which these sub-computations involved.
10
