Detaillierte gekoppelte Simulation von Kraftwerksfeuerung und -dampferzeuger

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In modernen Großkraftwerken sind die Kesselabmessungen so groß, dass lokale Messungen oft gar nicht bzw. nur mit unverhältnismäßig hohem Aufwand durchgeführt werden können. Hier bietet die detaillierte gekoppelte Simulation die Möglichkeit, dennoch die lokalen Betriebszustände zu ermitteln und zu beurteilen.
Die vorliegende Arbeit beschreibt die detaillierte gekoppelte Simulation von Feuerung und Dampferzeuger in kohlegefeuerten Großkraftwerken. Die Feuerraumsimulation wurde dazu um den Konvektivteil des Kraftwerkskessels erweitert. Die erforderlichen vielfältigen mathematisch-physikalischen Modelle wurden als Simulationsmodelle in Programmpakete für die Rauchgasseite und für die Dampferzeugerseite implementiert.
Über eine zusätzliche Kopplungsschnittstelle werden die örtlich verteilten Randbedingungen Wandtemperatur und –wärmestromdichte wechselseitig zwischen beiden Programmen übertragen. Die Abbildung aller Rohre der komplex aufgebauten Wandheizflächen und Rohrbündelheizflächen entsprechend ihrer jeweiligen individuellen Lage im Kessel liefert den hohen Detaillierungsgrad.
Es wird aufgezeigt, dass die Geometrie der Heizflächen bzw. der Rohrverläufe und insbesondere die Anordnung der Verteiler und Sammler von großer Bedeutung für die Gleichmäßigkeit der in den beheizten Rohren auftretenden Temperaturen ist.
Ausgehend von Korrelationen für die Druckverluste an einem durchströmten T-Stück, können mit dem erstellten Modell die Druck- und Durchsatzverläufe in den Verteilern und Sammlern vor bzw. hinter der Heizfläche bestimmt werden. Dadurch ist es möglich, auch die Temperaturverteilung und die Durchsatzverteilung in den Heizflächenrohren unter Berücksichtigung der Wechselwirkungen mit Beheizungsschieflagen vorherzusagen.
Zudem wird ein Modell zur Simulation der Aufteilung des Dampfdurchsatzes auf parallele, überkreuzte Heizflächenstränge beschrieben. Durch diese Modelle ist es schließlich möglich, die Temperaturen, Drücke, Wärmestromdichten und damit die Materialbelastung der Heizflächenrohre örtlich detailliert vorherzusagen.
Die anhand von zwei Großkraftwerksdampferzeugern durchgeführte Modellvalidierung zeigt eine gute Wiedergabegüte und Vorhersagefähigkeit.