Kopplung von Prozesssimulation und CFD zur detaillierten Darstellung eines super-überkritischen Steinkohlekraftwerks

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1 Kopplung von Prozesssimulation und CFD zur detaillierten Darstellung eines super-überkritischen Steinkohlekraftwerks Dipl.-Ing. (FH) Christian Schuhbauer, M.Sc. Michael Angerer, B.Sc.

2 Agenda 1. Einleitung 2. Modellierung in CFD 3. Kopplung mit Prozesssimulation 4. Ergebnisse 5. Ausblick / Zusammenfassung 2

3 1. Einleitung 3

4 Warum noch Kohle? Quelle: iea World Energy Outlook 2011 Langfristig: Zubau von Leistung, insbesondere hocheffiziente Kraftwerke Kurz/Mittelfristig: Erhöhung der Flexibilität bestehender Anlagen Belastungen/Lebensdauereinflüsse verstehen 4

5 Das 700 C-Steinkohle-Kraftwerk Quelle: ALSTOM Boiler Deutschland 700 C / 350 bar > 50 % Nettowirkungsgrad 500 MW Nettoleistung 5

6 2. Modellierung in FLUENT 6

7 Gitter Erstellt mit ANSYS-ICEM 3,34 Mio. Zellen Brennkammer: 2,8 Mio. Zellen Wall-Refinement Konvektive Heizflächen als poröse Medien 7

8 Modellierung 8

9 Konvektive Heizflächen Abbildung in FLUENT als poröses Medium Berechnung des Druckverlusts nach VDI- Wärmeatlas Berechnung der Wärmesenke nach VDI- Wärmeatlas Problem: Beteiligung am Strahlungsaustausch mit der Brennkammer 9

10 Konvektive Heizflächen Lösungsansätze: Erhöhung der Emissivität im porösen Medium Schlechte Ergebnisse Energiebypass Energiesenke in der Brennkammer (abhängig von Temperatur und Abstand zu konvektiven Heizflächen) Energiequelle (gleicher Betrag) im porösen Medium Gute Ergebnisse, aber nur in 1. Näherung exakt Berücksichtigung der Abschattung der Wand 10

11 3. Kopplung mit Prozesssimulation 11

12 Prinzip 12

13 Prinzip Temperaturen temperatures.txt temp_conv.txt Apros Matlab UDF Fluent Wärmeströme heatflux.prof heat_extracted.txt 13

14 Ablauf Start Fluent Start Matlab CFD- Berechnung Warten Export der Wärmeströme Textfile mit Wärmeströmen Neues Textfile? Nein Ja Import der Wärmeströme in Apros 40 Warteiterationen Berechnung in Apros Import der Wandtemperat uren in Fluent durch udf Textfile mit Wandtemperat uren Export der Rohrwandtemperaturen aus Apros 14

15 4. Ergebnisse 15

16 Validierung - Wärmeströme 100 % Last 80 % Last 60 % Last 40 % Last Soll Ist Soll Ist Soll Ist Soll Ist Schrägwicklung [MW] 413,8 411,4 332,7 335,0 253,2 249,6 169,1 163,0 Wand Gesamt [MW] 467,1 465,9 380,7 385,0 294,7 294,5 202,5 203,8 Tragrohre [MW] 19,4 19,8 17,5 19,6 14,9 16,4 12,0 13,2 SH2 [MW] 58,1 57,9 51,7 51,3 44,1 44,3 33,8 33,7 SH4 [MW] 73,1 73,3 61,3 61,3 48,4 48,0 32,6 32,9 RH2 [MW] 79,0 79,1 63,4 63,2 47,4 47,6 29,9 29,9 SH3 [MW] 86,4 86,2 71,7 71,4 53,8 53,9 33,6 33,4 RH1b [MW] 74,7 74,4 55,3 55,0 36,6 36,1 20,3 20,5 RH1a [MW] 46,9 45,8 38,2 38,0 26,4 25,8 17,4 16,9 ECO [MW] 57,5 57,8 55,3 55,1 50,1 49,9 43,9 43,5 100 % Lastfall zum Einstellen der Parameter Andere Lastfälle zur Validierung Abweichungen < 5 % 16

17 Validierung - Temperaturen 1400 Rauchgastemperatur nach Heizfläche Soll [ C] Ist [ C] 0 BK SH2 SH4 RH2 SH3 RH1b RH1a ECO Abweichungen < 2 % (Ausnahme ECO) 17

18 Temperaturen [ C] in den Brennerebenen, Volllast Kühlende Luftpolster in Wandnähe 18

19 Wärmestromdichte [W/m²] Zulässiger Höchstwert von 300 W/m 2 K eingehalten 19

20 Wärmestromdichte entlang einzelner Rohre 50 Wärmestromdichte [kw/m2] Rohrlänge [m] Rohr Strangrand Rohr Strangmitte Senkrechtberohrung Wärmestrom alterniert in der Schrägwicklung zwischen Kesselmitte und Ecken 20

21 Kummulierter Wärmestrom über Kesselhöhe Wandwärmestrom [MW] Prozent 80 Prozent 60 Prozent 40 Prozent Kesselhöhe [m] 21

22 Ergebnisse - Prozesssimulation 40 % Last 60 % Last 80 % Last 100 % Last Bruttoleistung [MW] 218,1 336,4 453,5 547,8 Nettowirkungsgrad [%] 44,8 47,9 50,0 49,8 Frischdampftemperatur [ C] 704,5 704,7 704,7 704,7 Zwischenüberhitzertemperatur [ C] 695,5 705,3 708,2 716,2 Frischdampfdruck [bar] 143,3 212,6 290,0 353,8 Frischdampfmassenstrom [kg/s] 136,6 204,7 274,7 338,9 Einspritzmassenstrom [kg/s] 9,3 11,4 14,3 18,0 Neben CFD-Ergebnissen auch Ergebnisse aus der Prozessimulation Abbildung des kompletten Kraftwerksprozesses 22

23 Schieflage durch Kohle-Ungleichverteilung Schieflage 1: Umlaufende Schieflage Schieflage 2: Gerade Schieflage vorne Schieflage 3: Diagonale Schieflage 23

24 Schieflagen - Sauerstoffkonzentration Deutliche Verringerung der schützenden Sauerstoffschicht bereits bei 10% Schieflage Korrosionsprobleme 24

25 Verschmutzung - Wärmeströme Wärmestrom [MW] cf=0,60 cf=0,65 cf=0,70 cf=0,717 cf=0,75 cf=0,80 0 Schrägwicklung Bis BK-Austritt Wand Gesamt Konvektiv Gesamt 25

26 Mühlenausfälle Mühle 1 Mühle 2 Mühle 3 FD-Temperatur [ C] ZÜ-Temperatur [ C] Einspritzmassenstrom [kg/s] Isotemperatur1600 C Ziel: Kraftwerk muss weiterlaufen Bei Ausfall der obersten Mühle (Brennerebene) absinken der Dampfparameter 26

27 5. Ausblick / Zusammenfassung 27

28 Abschließende Beurteilung Erstellen einer gekoppelten Simulation ist mit überschaubaren Aufwand möglich Probleme bereitet vor allem die Strahlungsmodellierung im Konvektivteil (poröse Medien) Lösung mit Energiebypass ist nur in erster Näherung richtig, aber gut handhabbar Vergleich der Ergebnisse mit wärmetechnischer Auslegung: Sehr gute Übereinstimmung Modell kann effektiv zur Beurteilung von Teillastfällen und diversen Sonderfällen der Feuerung eingesetzt werden Modell kann herangezogen werden um Schädigungsverhalten besser zu verstehen und aufzulösen 28

29 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 29