Woudagemaal krijgt digitale simulator

Het Ir. D.F. Woudagemaal in Lemmer heeft deze zomer een virtuele tweeling gekregen. De Ingenieur bezocht de digitale simulator van het monumentale stoomgemaal dat in tijden van wateroverlast overtollig Fries boezemwater naar het IJsselmeer pompt.

In het Woudagemaal in het Friese Lemmer staat een machinist met een controller. Soepel navigeert hij door een ruimte op het scherm, die er exact hetzelfde uitziet als de ruimte waarin we ons bevinden – het doet denken aan het Droste-effect.

Alles is zo realistisch mogelijk weergegeven, van de tegeltjes op de muren tot het invallende zonlicht. We staan bij een simulator van het monumentale stoomgemaal, ontwikkeld door medewerkers van het Maritime Applied Research Centre, onderdeel van de Academy Tech & Design van NHL Stenden in Leeuwarden. Hiermee kunnen straks stokers en machinisten in opleiding worden getraind zonder dat het echte Woudagemaal (letterlijk) op stoom hoeft te worden gebracht. Zij kijken dan naar een scherm en kunnen vervolgens de virtuele pompen en stoomketels in de simulator bedienen. ‘Het trainen met een echt draaiend gemaal blijft nodig, maar de virtuele opleiding is een goedkope en duurzame aanvulling’, zei dijkgraaf Luzette Kroon van Wetterskip Fryslân bij de feestelijke opening op 8 juli.

Vaker ingezet

Het Woudagemaal dateert uit 1920 en staat sinds 1998 op de lijst Werelderfgoed van UNESCO. Het is het grootste nog werkende stoomgemaal ter wereld. Niet dat het vaak wordt aangezet; meestal gaat het om ongeveer een of twee keer per jaar, na een periode van hevige regenval. Dan helpt het gemaal Friesland droog te houden door overtollig water naar het IJsselmeer te pompen.

Maar het klimaat verandert en daardoor komt zware regenval steeds vaker voor. Het Woudagemaal is daardoor vaker actief. Het draaide in de winter van 2023/24 zelfs 27 dagen. Om die reden wil het Wetterskip Fryslân het aantal teams dat de machines kan bedienen uitbreiden van drie naar vier.

Normaal gesproken oefenen deze draaiploegen twee keer per jaar een week in de praktijk, in de herfst en in het voorjaar. Het gemaal wordt hiervoor speciaal onder stoom gebracht. Dat kost zo’n twintigduizend liter biobrandstof per week. Dankzij de simulator kan er vaker en duurzamer worden getraind. ‘En veiliger’, zegt Jan de Jonge, senior onderzoeker aan het Maritiem Instituut Willem Barentsz van NHL Stenden. ‘Je kunt gewoon een fout maken of kijken wat er in extreme gevallen gebeurt. Als je dat in het echt doet, kunnen de monumentale machines kapot gaan.’

Oude techniek

Simulatoren worden vaker ingezet voor trainingsdoeleinden, bijvoorbeeld in de scheepvaart of bij het opleiden van piloten. Maar de digitale kopie van het Woudagemaal is extra bijzonder, zegt Jeroen Rijnhart, directeur Academy Tech & Design van NHL Stenden, bij de openingsbijeenkomst. Bij schepen en vliegtuigen werkt de techniek vaak al via computers en is een simulator maken een kwestie van de signalen naar virtuele in plaats van fysieke machines sturen. ‘Die kun je dan op dezelfde manier op die signalen laten reageren.’

Bij het Woudagemaal gaat het echter om installaties uit de eerste industriële revolutie, die gebruikmaken van stoommachines gestookt op olie. De bewegingen daarvan zijn onder meer afhankelijk van temperatuur en druk. Dát omrekenen naar een digitale versie, vergt veel meer begrip van de onderliggende processen en veel meer berekeningen.

Realistische simulator

De simulator combineert de realistisch lijkende en interactief bewegende 3D-beelden met een rekenmodel van de thermodynamische mechanismen die plaatsvinden in het gemaal. Alle onderdelen van het gemaal zitten erin, waaronder ketels, machines, een ringleiding, pompen, condensors, filtertanks, branders, tuimelaars, vliegwielen, een nokkenas en afsluiters. De gebruiker kan rondlopen, meters aflezen, branders aansteken, kleppen openen en sluiten, door luikjes naar het vuur kijken, water bijvullen, en meer.

De Jonge ontwikkelde de rekenmodulen van de simulator. Hiervoor gebruikte hij, naast zijn natuurkundige kennis over de onderliggende thermodynamica, ook gegevens uit een publicatie uit 1925 van hoogleraar werktuigbouw Johan Dijxhoorn in De Ingenieur, over de machines in het Woudagemaal. Die vulde hij aan met nieuwe waarnemingen bij het gemaal zelf.

‘In het artikel van Dijxhoorn ging het vooral over de fase waarin het gemaal volop draait en op stoom is’, legt hij uit. ‘Maar tegenwoordig wordt het zo weinig gebruikt, dat de opstartfase ook van groot belang is.’ Het ontwikkelteam van de simulator was afgelopen anderhalf jaar dan ook regelmatig bij het opstarten van het gemaal aanwezig. Verder maakte het gebruik van tekeningen, scans, foto’s en video’s.

Het uiteindelijke model, geprogrammeerd in Python, simuleert het gedrag van het Woudagemaal als reactie op handelingen van de gebruiker en als functie van de tijd. Elke seconde is opgedeeld in honderd tijdstappen en in elke tijdstap vinden berekeningen plaats van de stromingen, temperaturen, drukken en enthalpiewaarden van de brandstof en de stoom en de daaruit resulterende bewegingen in het gemaal. Hieruit wordt bepaald hoeveel stoom en energie er op welke plek nodig is.

Als het de machinisten en stokers lukt om de virtuele machines daarvan op tijd te voorzien, zal het gesimuleerde gemaal soepel draaien. En als de boel toch vastloopt, is er – behalve wellicht een medeleerling of docent – helemaal niemand die het merkt...