Theoretische und experimentelle Untersuchungen einer Zusatzfeuerung in gasturbinengestützten KWK-Prozessen

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1 22. Deutscher Flammentag, 21./22. Sept. 2005, TU Braunschweig Theoretische und experimentelle Untersuchungen einer Zusatzfeuerung in gasturbinengestützten KWK-Prozessen Dipl.-Ing. M. Kösters, Dr.-Ing. M. Flamme, Prof. Dr.-Ing. habil. K. Görner, Gaswärme-Institut e. V., Essen Kurzfassung Ein in der Industrie eingesetzter Kanalbrenner für die Zusatzfeuerung in gasturbinengestützten KWK-Prozessen wurde unter industrienahen Bedingungen an einer Kanalbrennerversuchsstrecke detailliert vermessen und Berechnungsergebnisse entsprechender Modelle mit den experimentell ermittelten Daten verglichen. Ausgehend von diesen Ergebnissen wurden die Strömungs- und Mischungsparameter variiert und deren Einfluss numerisch untersucht. 1. Einleitung und Zielsetzung Der Einsatz von Zusatzfeuerungen in gasturbinengestützten KWK-Prozessen ist eine wirkungsvolle Maßnahme zur Ausnutzung des Restsauerstoffgehalts in Gasturbinenabgasen, der bei vielen Anlagen zwischen 13,5 und 14,5 Vol.-% liegt, vor allem aber des Energieinhaltes des GT-Abgases mit einer Temperatur zwischen 500 und 600 C. Durch dieses Verfahren erhöht sich die Temperatur des Abgasvolumenstromes vor dem Abhitzekessel, wodurch eine Erhöhung der Dampfparameter bewirkt wird. Der Einbau einer Zusatzfeuerung in den Abgaskanal der Gasturbine ist dabei relativ zum Umbau des Abhitzekessels die kostengünstigere Variante zur Steigerung dieser Dampfparameter. Kennzeichnend für den Einsatz einer Zusatzfeuerung ist die erhöhte Flexibilität der Gesamtanlage. Die Erzeugung von Dampf kann unabhängig von der Gasturbinenleistung erfolgen. Die Zusatzfeuerung stellt damit eine variable Größe, die den Gas- und Dampfturbinenkreislauf voneinander entkoppelt, dar. Das kann soweit gehen, dass die Anlage ganz ohne die Gasturbine betrieben wird. Die Zusatzfeuerung wird dann im Frischluftbetrieb eingesetzt. Bisher wurden Kanalbrennergeometrien experimentell in den Forschungsabteilungen der Brennerhersteller entwickelt. Die Untersuchungen konzentrierten sich im Wesentlichen auf die Einhaltung der Abgasgrenzwerte nach der TA Luft, auf eine stabile Verbrennung und realisierbare Flammenlängen. Die experimentellen Untersuchungen der Brenner sowie der in KWK-Anlagen auftretenden Prozesse ist aus Termin- und Kostengründen heute nur noch selten möglich. Versuche an Originalbauteilen mit Originaleinbausituationen geschehen

2 meist bei der Inbetriebnahme der Anlage direkt beim Kunden. Dort bleibt bei eventuell auftretenden Problemen kaum Zeit zur optimalen Problemlösung. Bei der Verbrennungssituation der Zusatzfeuerungen stößt man in einen Bereich wissenschaftlicher Verbrennungsuntersuchungen vor, der noch nicht ausreichend erfasst worden ist. Sie ist gekennzeichnet durch die Reaktion des sauerstoffarmen Gasturbinenabgases (13 bis 15 Vol.-% Sauerstoff) mit Erdgas [1, 2]. Erschwerend kommt hinzu, dass die Geschwindigkeits-, Temperatur- und Konzentrationsverteilungen der Spezies im Abgas sehr ungleichmäßig sind [2, 3]. Trotzdem müssen die Emissionsgrenzwerte der TA Luft eingehalten werden. Ein weiterer Schwierigkeitsgrad ergibt sich aus der Anforderung an die Brenner, die sowohl im Zusatzfeuerungsbetrieb als auch im Frischluftbetrieb arbeiten sollen. Im Zusatzfeuerungsbetrieb wird die Einhaltung der CO-Grenzwerte und im Frischluftbetrieb die der NO x -Werte zum Hauptproblem. Abgesehen von der Grenzwertproblematik nimmt mit zunehmendem CO-Gehalt im Abgas der Zusatzfeuerung die Stabilität der Flamme ab. Das Ausbrandverhalten des Brenners ist unzureichend, so dass Russbildung an angrenzenden Wänden bzw. schlimmstenfalls ein Flammenverlöschen stattfinden kann. Damit die oben beschriebenen Probleme nicht auftreten oder optimal eingegrenzt werden, sollten im Rahmen dieses Vorhabens Kanalbrenner für den optimierten Gas- und Dampfturbinenprozess mit Hilfe eines mathematischen Modells untersucht werden. Derartige Optimierungen wurden bisher in Versuchen an Betriebsanlagen durchgeführt, da trotz hoher Rechnereffizienz die Auslegung von Zusatzfeuerungen mit Hilfe mathematischer Modelle noch nicht vorgenommen werden konnte. Nach Abschluss des Vorhabens sollte ein Werkzeug (mathematisches Modell) vorliegen, mit dem die kosten- und zeitintensiven experimentellen Arbeiten entfallen. 2. Versuchsdurchführung Die Bereitstellung eines derartigen mathematischen Modells beinhaltet zuvor eine Prüfung und Validierung anhand von experimentellen Daten. Geplant waren detaillierte Geschwindigkeits-, Temperatur- und Konzentrationsfeldmessungen an einem Kanalbrennermodell zum Vergleich mit den numerischen Berechnungen. Hierzu wurde zunächst eine Kanalbrennerstrecke (Abbildung 1) ausgelegt und gebaut, wobei die Randbedingungen der Zusatzfeuerung, wie sie in GuD-Anlagen betrieben wird, berücksichtigt wurden. Der Sauerstoffgehalt des Gasturbinenabgases liegt bei diesen Anlagen im Bereich 13,5 und 14,5 Vol.-%. Die Temperatur des Gasturbinenabgases beträgt ca. 550 C.

3 Abgas Gebläse Laseröffnung Anschlussmöglichkeit für Zusatzbrenner Luft Kameraöffnungen Gas Bild 1: Kanalbrennerstrecke Draufsicht Frontansicht Bild 2: Kanalbrenner

4 Der verwendete Flächenbrenner (Kanalbrenner) in seiner Bauform mit Rampen arbeitet nach einem patentierten Prinzip (Abbildung 2). Das Brenngas tritt mit hoher Geschwindigkeit aus dem Gasrohr aus. Es saugt durch seine Injektorwirkung einen Teilstrom des sauerstoffenthaltenden Gases (hier: Abgas) in die Vormischkammer ein und bildet eine vorgemischte Primärflamme. In einer zweiten Stufe werden die restlichen Gase (hier: Abgas) zugemischt und verbrannt. Damit ein möglichst umfangreicher Vergleich der Messungen mit den Rechnungen durchgeführt werden kann, wurden ganze Felder an Messgrößen erfasst. Die Konzentrationsmessungen wurden mit wassergekühlten Sonden durchgeführt. Für den Einsatz optischer Messtechniken wurde eine zeitlich hochauflösende, bildverstärkte CCD-Kamera eingesetzt. Für die Darstellung der numerischen Berechnungen wurde innerhalb des Projektes auf das CFD-Programm FLUENT zurückgegriffen. 3. Ergebnisse Nachdem verschiedene mathematische und numerische Parameter hinsichtlich ihrer Eignung für diesen Anwendungsfall bestimmt wurden, erfolgte die Simulation des Brenners mit den optimalen Einstellungen und mit den im Versuch eingestellten Randbedingungen. Bild 3: Vergleich der Sauerstoffverteilung zwischen Messung und Rechnung

5 Bild 4: Vergleich der Temperaturverteilung zwischen Messung und Rechnung Bild 5: Methanverteilung für unterschiedliche Spaltvolumenströme Die Ergebnisse des Originalbrenners zeigen, dass sich das CFD-Programm FLUENT dazu eignet, die Strömungs- und Verbrennungsprozesse der Zusatzfeuerung zu modellieren. Wird

6 die Gesamtbilanz betrachtet, so wird eine gute Übereinstimmung zwischen Messung und Rechnung erzielt. Weiterhin zeigen die Ergebnisse, dass mit der mathematischen Modellierung auch für den Brennernahbereich recht genaue Aussagen gemacht werden können. Beispielhaft sind in Abbildung 3 und 4 die Sauerstoff- und Temperaturverteilungen (auf der Mittelachse) aus der Messung und Rechnung dargestellt. Anhand der anschließenden Parameterstudie konnte u. a. der Einfluss der Brennergeometrie auf die Flammenlänge und das Ausbrandverhalten untersucht werden. Beispielhaft für die verschiedenen Untersuchungen ist in Abbildung 5 der Einfluss der Spaltbreite auf die Methanverteilung dargestellt. 4. Schlussfolgerung Die Ergebnisse und die daraus gewonnenen Erkenntnisse können bezüglich optimaler geometrischer Eigenschaften des Brenners für den Einsatz als Zusatzfeuerung bei der Auslegung und Optimierung von Brennern verwendet werden. Bereits bei der Auslegung der Brenner können auftretende Probleme erkannt und damit frühzeitig behoben werden. Zudem können vorhandene Anlagen durch die numerische Simulation optimiert und umgerüstet werden. Die Brennergeometrie kann relativ einfach d. h. mit geringem Zeitaufwand geändert und anschließend die Auswirkungen der geometrischen Änderung auf die Verbrennung berechnet werden. Die Optimierung einer Brennergeometrie oder Anlage wird damit kostengünstiger und auf diese Weise auch für kleine und mittelständische Unternehmen nutzbar. Danksagung An dieser Stelle sei dem Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit für die Förderung des Projektes über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) unter dem Förderkennzeichen 13117N gedankt. Literaturangaben [1] Glatzer, A.; Minarik, R.: The use of duct burners in the cogeneration process. Gaswärme International, Bd.46, 1997, Heft 11, S [2] Lux, Th.: Die industrielle Entwicklung von Kanalbrennern mit der Methodik der experimentellen Modellierung. VDI-Berichte Nr. 1193, 1995, S [3] Janzik: Strömungsgeschwindigkeits- und Temperaturmessungen mit einem Fünflochkugelstaurohr am Abgasdiffusor der Gasturbine V94.2 des GUD-Kraftwerkes Buggenum. Bericht-Nr. KWU NT31/97/04, 1997.