PROJEKTY V OBLASTI ENERGETIKY A STROJÍRENSTVÍ Zpráva k odborným workshopům
Pracovní skupina VUT v Brně:
studenti Fakulty strojního inženýrství
Odborný garanti:
Ing. Vítězslav Máša, Ph.D. Ing. Martin Pavlas, Ph.D.
Partnerství v oblasti energetiky Číslo projektu: CZ.1.07/2.4.00/31.0080
Pavel KUBA1, Jiří KROPÁČ2 ZÁVĚREČNÁ ZPRÁVA Z WORKSHOPŮ – PROJEKTY V OBLASTI ENERGETIKY A STROJÍRENSTVÍ
ÚVOD V rámci projektu Partnerství v oblasti energetiky (č. p. CZ.1.07/2.4.00/31.0080) byly pod vedením Ing. Martina Pavlase, Ph.D. a Ing. Vítězslava Máši, Ph.D. vedeny odborné stáže a workshopy na souhrnné téma „Projekty v oblasti energetiky a strojírenství“. Stáží se účastnili studenti Fakulty strojního inženýrství Vysokého učení technického v Brně. Workshopy a semináře sloužily jako podpora pro úspěšné absolvování stáží ve firmách a pro následné zpracování závěrečných zpráv ze studentských stáží. Spojovacím tématem bylo snižování energetické náročnosti provozů a zařízení. S tím souvisí řada činností, kterým se studenti mohli během svých stáží věnovat. Podle známého modelu se k problematice snižování energetické náročnosti přistupuje takto:
rešerše daného tématu,
simulace (modelování) provozu nebo zařízení,
realizace měření,
zpracování a analýza naměřených dat,
návrh a realizace úsporného opatření,
dokumentace procesu.
Všemi tématy se doktoři Pavlas a Máša, spolu se svými kolegy, během workshopů zabývali. Potřebné technické know-how pak bylo především otázkou zapojených firem. Výstupy z workshopů, společně s odpovídající aplikací ve formě studentské stáže jsou sdruženy do tří hlavních oblastí: počítačová podpora projektů, měření v průmyslových provozech a technická dokumentace.
1
2
Ing. Pavel Kuba, Ústav procesního a ekologického inženýrství, Fakulta strojního inženýrství, Vysoké učení technické v Brně, Technická 2896/2, 606 69 Brno, tel.: (+420) 541 144 918, email:
[email protected]. Ing. Jiří Kropáč, Ph.D., Ústav procesního a ekologického inženýrství, Fakulta strojního inženýrství, Vysoké učení technické v Brně, Technická 2896/2, 606 69 Brno, tel.: (+420) 541 144 908, e-mail:
[email protected].
1
MODELOVÁNÍ, SIMULACE A ANALÝZA PROCESŮ Tímto tématem se ve svých seminářích zabýval především doktor Pavlas. Workshopy „Aplikace matematiky v procesním inženýrství“ a „Bilance toku hmoty a energie jako základ projektování energetických systémů - software W2E“ poskytly odpověď na základní otázky v oblasti modelování energetických systémů a matematické analýzy. Předmětem analýz a modelování bylo zařízení pro energetické využití odpadu, což souvisí s následným absolvováním stáží na jednom z těchto zařízení – ZEVO Praha Malešice. Spalování odpadů v současných zařízeních v sobě spojuje řadu energetických (produkce elektřiny a tepla), chemických (spalování, čištění spalin) a termodynamických dějů (produkce přehřáté páry a její expanze na turbíně). To je znázorněno i na obrázku č. 1.
Obrázek 1 – Zjednodušené schéma zařízení pro energetické využití odpadů s vyznačenými hlavními procesními proudy
Znalosti o modelování procesů pomocí softwaru W2E při své stáži ve spalovně ZEVO Malešice využil Jiří Gregor. Vytvořil schéma s hlavními technologickými celky procesu, což dalším studentům usnadnilo činnost v rámci jejich stáží. W2E je software, který vznikl na Fakultě strojního inženýrství jako přímá podpora projektantům a výzkumníkům. Jedná se o nástroj grafického programování. Ukázka uživatelského rozhraní je na obrázku č. 2.
2
Obrázek 2 – software W2E – grafické uživatelské prostředí a ukázka modelu spalování odpadu a využití uvolněného tepla Není to ovšem jediný software, který studenti během svých stáží používali. Kromě výpočtových softwarů využili i softwary statistické a modelářské. Nedílnou součástí jejich práce bylo i používání tabulkových procesorů, které mají široké uplatnění díky jejich univerzálnosti. J. Gregor během své stáže pracoval na analýze ekonomické náročnosti několika variant provozu spalovny. Tyto ekonomické modely jsou zpracovány v softwaru Excel. Výstupy z jeho analýzy jsou ilustrovány příkladem na obrázku 3. Pomocí těchto modelů je možné soudit, která technologie je ekonomicky nejvýhodnější vzhledem ke vzdálenosti zdroje odpadu od spalovny.
3
Obrázek 3 – ukázka výstupu ekonomické analýzy Mimo použití Excelu jako nástroje ekonomické analýzy, se doktor Pavlas zabýval také použitím statistického softwaru Statistica. Ten během své stáže využívali František Janošťák a Iva Pařízková. Oba vyhodnocovali data naměřená ve spalovně ZEVO Malešice a navazovali tak na práci Jiřího Gregora v oblasti modelování procesů ve spalovně. F. Janošťák se zabýval modelováním některých zařízení spalovny pomocí metod regresní analýzy. Během stáže se snažil o zpřesnění již vypracovaných modelů a jejich zakomponování do celku. Celkový model spalovny se skládá z jednotlivých dílčích modelů, což je názorně předvedeno na obrázku 4.
4
Obrázek 4 – schéma a provázanost modelů jednotlivých technologických uzlů spalovny Příkladem práce F. Janošťáka je model parní turbíny, která je jedním z klíčových zařízení spalovny. Na obrázku 5 je znázorněn graf, podle kterého je možné určit, které vstupní parametry mají největší vliv na parametry výstupní. Podle těchto údajů se stážista Janošťák orientoval u všech modelů, které během stáže vytvářel. Jedná se o základní nástroj softwaru Statistica.
Obrázek 5 – Paretův graf pro model parní turbíny – faktory ovlivňující výkon parní turbíny
5
Některé modely nebylo možné vytvořit pomocí standardní metody lineární regrese a bylo nutné přistoupit k jiným metodám. Metodu neuronových sítí použila stážistka Iva Pařízková k modelování parního výkonu kotlů a modelování odběru páry druhou společností. Základním prvkem matematického modelu neuronové sítě je tzv. „formální neuron“ (obrázek 6), který je velmi podobný biologickému neuronu. Metoda neuronových sítí je na rozdíl od standardní lineární regrese schopna pracovat s kategoriálními vstupy (zde například den v týdnu či denní doba) a je možné ji aplikovat na procesy, kde modely běžné regrese dosahují pouze nedostačujících výsledků.
Obrázek 6 – struktura formálního neuronu – vstupuje n obecně reálných vstupů x1…xn (modelují dendrity), které jsou ohodnoceny reálnými synaptickými váhami wi…wn V případech, kdy dochází k výraznému kolísání měřené veličiny v čase, dosahují modely tvořené pomocí neuronových sítí větší přesnosti predikce. Porovnání naměřených dat s výsledky modelu je vidět na obrázku 7.
6
Obrázek 7 – Srovnání naměřených dat a predikce modelu Všechny popisované modely mohou sloužit při plánování výroby tepla a elektrické energie. Ve výsledku tak může být celý provoz efektivnější a ekonomičtější, což zvyšuje zisk provozovateli a snižuje zátěž na životní prostředí.
7
SYSTÉM MĚŘENÍ, MĚŘICÍ INSTRUMENTACE Následující semináře vedli doktor Máša a inženýr Kuba. Zabývali se možnostmi praktického měření v průmyslových provozech s názornou ukázkou měření na plynové mikroturbíně, která slouží jako kogenerační jednotka.
„Měření v průmyslových provozech“
„Měření v průmyslových provozech – instrumentace“
„Kogenerace pomocí plynových mikroturbín“
„Měřicí technika pro analýzu provozních parametrů plynových mikroturbín“
„Provoz plynových mikroturbín - praktický sběr dat“ Inženýr Kuba se v prvních dvou seminářích zabýval stavem měřicí techniky v průmyslových provozech a nejčastějšími problémy, na které by mohli studenti v praxi narazit. Ze seminářů vyplynula nutnost kvalitního měření veličin (faktorů), které ovlivňují proces. Kvalitní měření je základním předpokladem k úspěšnému pochopení a řízení procesu. Absence kvalitního měření ve většině provozů vede ke zbytečným energetickým ztrátám a nízkému povědomí o stavu strojního vybavení. Kromě obecných otázek se semináře věnovaly i možnostem konkrétní aplikace: jaké jsou možnosti v oblasti mařicích karet a datalogerů, jak lze jednoduše naprogramovat univerzální vývojové platformy tak, aby plnily funkce měřicí karty. Samozřejmostí byla i rozprava o nejčastěji používaných měřidlech pro různé veličiny, o jejich přednostech a omezeních. Ve třech následujících workshopech se doktor Máša a inženýr Kuba zabývali využitím plynové mikroturbíny jako kogenerační jednotky. Semináře probíhaly v Laboratoři energeticky náročných procesů, která disponuje vlastní mikroturbínou. Nejprve proběhly semináře, které se zaměřovaly na teoretické základy kogenerace a jejího využití v provozech. Součástí seminářů byl detailní popis měřicího systému, který se využívá k měření účinnosti kogenerační jednotky. V posledním semináři se měli účastníci stáží možnost zapojit do praktického měření na plynové mikroturbíně. Využili k tomu i nově nabyté znalosti z předchozích seminářů a workshopů. Z počtu takto zaměřených workshopů je zřejmé, jak důležité je správně navrhnout systém měření a korektně měření provést. S tímto problém se museli během svých stáží potýkat všichni studenti. V případě Jiřího Gregora se jednalo o měření tepelného toku v kritických místech spalovny. Pomocí korektního měření je možné dosáhnout vyšší účinnosti kotlů, zlepšení kvality popela, snížení koroze kotlů aj. Podle informací z měření je pak provozovatel schopný pracovat efektivněji s výhřevností kotle například čištěním usazenin na stěnách. Pro měření tepelného toku se využilo bodově přivařených drátů ze slitiny CuNi. Ukázka měřicí soustavy je znázorněna na obrázku 8.
8
Obrázek 8 – ukázka měřicí soustavy Další měření v ZEVO Malešice probíhalo dle potřeb analýz. V případě I. Pařízkové a F. Janošťáka se například jedná o produkci páry v tunách za hodinu. Na obrázku 9 je jasně patrný i výpadek zařízení, se kterým se musí řádným způsobem naložit.
Obrázek 9 – ukázka měřených dat (červeně označen výpadek měření)
9
Stážisti Jakub Lokaj a Jakub Petruška spolu spolupracovali na několika energetických auditech, které probíhaly v prádelenských provozech na různých místech České republiky. Hlavním důvodem těchto auditů bylo zjistit, kde se dají v provozech ušetřit zdroje, zda by nebylo vhodné vyměnit nebo renovovat stávající zařízení nebo navrhnout jiná opatření, která by zvýšila efektivitu provozu. Pokud probíhala měření spotřeb jednotlivých strojů v provozu, musely být tyto stroje spuštěny samostatně, protože drtivá většina provozů nedisponuje žádným systémem měření spotřeb. K měření spotřeb se tak používají fakturační měřidla a energetický audit zbytečně zdržuje provoz. Na obrázku 10 jsou zobrazeny tři měřidla, která se nejčastěji vyskytují v provozech. Jedná se ve většině případů o jediná měřidla v provozu.
Obrázek 10 – používaná měřidla, plynoměr, elektroměr, vodoměr Návrhy na zlepšení stávajících systémů přináší stážisti Lokaj a Petruška ve formě měřidel podle vlastního návrhu a měřidel neinvazivních. J. Petruška reaguje na nedostatečné systémy měření návrhem přenosné sestavy měřidel, která by umožnila měřit důležité veličiny bez nutnosti velkých zásahů do infrastruktury. Dochází však k závěru, že pokud hrají roli pořizovací náklady, je nutné použít i invazivních měřidel. Prezentovaná soustava měřidel je zobrazena na obrázku 11.
Obrázek 11 – navržená soustava měřidel J. Lokaj se během své stáže zabýval mimo jiné i návrhem levného měřicího zařízení, které by bylo možné zpracovat v podmínkách bez specializovaného
10
vybavení. Podle jeho návrhu se jedná o sestavu open-source vývojové platformy Arduino Uno se soustavou vysílačů a čidel, pomocí kterých je možné neinvazivně odečítat spotřebu média z fakturačního měřidla. Výhodou použití tohoto konceptu je možnost libovolně měnit dispozice sestavy a přizpůsobovat ho konkrétním potřebám. Na obrázku 12 je znázorněna vývojová platforma Arduino.
Obrázek 12 – platforma Arduino Uno
V prádelenských provozech je stále dominantním a v mnoha ohledech nezastupitelným provozním médiem sytá pára. Měření spotřeby syté páry a s ním související účinnost prádelenské techniky je technicky a finančně náročné. Z těchto důvodů se systémy měření syté páry zabýval J. Petruška během své stáže. Jedním ze způsobů měření páry je použití tzv. clonové tratě. Clonové tratě jsou přístroje na měření několika parametrů média současně. Konkrétně se jedná o diferenciální tlak před a za měřicí clonou, teplotu média a absolutní tlak média. Z těchto veličin lze dopočítat nejen objemový průtok ale i množství energie, které bylo parou dodáno. Výhody takového měření jsou zřejmé, porovnáním spotřeby zemního plynu na výrobu syté páry se skutečnou spotřebou páry, je možné určit účinnost parního systému a zařízení, které tento systém využívá. Velkou nevýhodou je však cena takového zařízení, která se odvíjí od vysoké přesnosti zpracování i jednotlivých prvků. Navíc taková sestava může lehce dosáhnout hmotností několika desítek kilogramů. Navržená clonová trať je na obrázku 13.
Obrázek 13 – navržená clonová trať
11
PROJEKCE, DOKUMENTACE Nedílnou součástí práce stážistů byla projekční a dokumentační činnost. Potřebu promyšlené projekce a precizní dokumentace zdůrazňoval během workshopů inženýr Bobák. Zaměřil se především na schopnost číst ve výkresové dokumentaci a její tvorbu podle norem. Během semináře se věnoval jak jednoduchým blokovým schématům, tak i PID schémat, které představují detailní zobrazení technologie včetně rozmístění měřicích prvků a jejich spojení do větších systémových celků. Ukázka je na obrázku 14.
Obrázek 14 – navržená clonová trať – PID diagram Na základě tohoto semináře vypracoval J. Petruška vlastní zjednodušený návod jak katalogizovat pracovní stroje, měřidla a další přístroje. Jím navržený systém pracuje se souborovou databází založenou na formátu XML. Jedná se o standardní formát výměn elektronických informací, který se blíží například jazyku HTML. Možnost vytvářet vlastní struktury a definovat jejich vlastnosti dává programátorovi velké možnosti použití. Petruškův katalog měřicí instrumentace sloužil jako základ pro hlavní náplň stáže Michala Závodníka. Ten během svého působení vytvořil funkční databázi měřidel v databázovém systému MySQL. Uživatelsky je databáze přístupná přes webovou aplikaci naprogramovanou v jazyce PhP. Hlavním cílem bylo vytvořit nástroj k usnadnění práce s rozsáhlým množstvím měřidel. Databáze tak obsahuje veškeré informace o rozsazích měřených veličin, třídách přesnosti a kalibracích. Usnadnit by tak měla především tvorbu protokolů z měření a měla by vytvořit větší přehled o vybavení laboratoře nebo provozu. Díky variabilitě a otevřenosti databáze je možné do systému zadávat libovolné měřicí zařízení a identifikovat ho. Na obrázku 14 je ukázka formuláře z uživatelského rozhraní.
12
Obrázek 14 – Formulář úpravy měřidla Projekční činností se výrazně zabýval student Marek Ciklamini, který ve společnosti Alkion pracoval na rozšíření funkcionality několika tryskacích zařízení na suchý led. Tryskání suchým ledem je moderní, účinná metoda čištění těžko přístupných a silně znečištěných míst, jako jsou vzduchotechnické šachty. Je však ve většině případů velmi energeticky náročná, protože hlavním provozním médiem je stlačený vzduch, který se musí centrálně vyrábět pomocí kompresorů. Stlačený vzduch je tak velmi drahý, zvlášť když se vezmou v potaz ztráty vzniklé únikem do okolí. M. Ciklamini proto navrhnul výměnu starého pneumatického motoru asynchronním elektromotorem o stejném výkonu. Tato náhrada s sebou však přinesla spoustu nutných změn v ovládacích prvcích, které jsou nyní oproti původním čistě pneumatickým, elektropneumatické. Projekční činnost tak zahrnovala i návrh vhodného frekvenčního měniče, pomocí kterého je možné měnit otáčky motoru bez ztráty výkonu, navíc umožňuje po vložení programu nastavit odezvy na vnější impulzy, dokáže tedy pracovat jako programovatelný automat. Stejným způsobem navrhoval regulaci otáček pro kartáčové čisticí zařízení. Na obrázku 15 je znázorněno zapojení frekvenčního měniče s elektromotorem.
13
Obrázek 15 – zapojení frekvenčního měniče k elektromotoru s převodovkou Nejdůležitějším úkolem z hlediska projekce však byl návrh a vyhotovení desky plošných spojů, která by sloužila jako řídicí automat k lisu na suchý led. Jednalo se o dlouhý iterační proces, který ve výsledku vedl k použití softwaru EAGLE, pro vytvoření kompletního návrhu desky plošných spojů. Druhou neméně důležitou částí však bylo naprogramování řídicího mikrokontroléru ATmega 328p-PU, který je hlavní jednotkou již zmiňované vývojové platformy Arduino UNO. Před finálním naprogramováním čipu a osazení desky byla provedena simulace celku v softwaru Protheus, který umožňuje modelovat elektrické obvody včetně mikrokontrolerů. Práce Marka Ciklaminiho tedy shrnuje celý proces návrhu, simulace, tvorby, měření a analýzy. Na obrázku 16 je ukázka finální desky plošných spojů před osazením.
Obrázek 16 – Návrh finální podoby desky plošného spoje
14
OCHRANA DUŠEVNÍHO VLASTNICTVÍ Posledním workshopem, který stážisté navštívili, byl seminář inženýra Vondry na téma „Ochrana duševního vlastnictví pro studenty technických oborů“. Během této přednášky se studenti mohli přesvědčit o složitosti procesu ochrany duševního vlastnictví, o různých možnostech ochrany a o nejběžnějších problémech, které se v oblasti duševního vlastnictví musí řešit. Tímto tématem se nikdo ze studentů přímo nezabýval, ale téma ochrany duševního vlastnictví je natolik důležitým, že bylo mezi semináře zařazeno jednak pro svoji zajímavost a jednak proto, že v budoucnosti by studenti s touto problematikou mohli přijít do styku. V tabulce na obrázku 17 je ukázán přehled možností ochrany různých druhů tzv. duševních statků.
Obrázek 17 – Možnosti ochrany různých forem duševního vlastnictví
15
ZÁVĚR Témata workshopů korespondovala se zaměřením studentských stáží a prací studentů v zapojených firmách. Bylo zohledněno rozdílné zaměření zapojených stážistů (matematici vs. procesní inženýři). Workshopy značně přispěly k rozvoji odborné připravenosti studentů a plnohodnotně posloužily jako praktická příprava pro spolupráci se zapojenými firmami. Ve výsledku tak výrazně napomohly nejen k přenosu poznatků z výzkumu do praxe, ale i k následnému získání konkrétních poznatků a výsledků z absolvovaných stáží.
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.
16
