Prof. Dr. Reinhard Leithner Fachbereich Maschinenbau, Institut für Wärme- u. Brennstofftechnik Technische Universität Braunschweig, D Braunschweig

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2 Herausgeber Prof. Dr.-Ing. Bernd Epple Fachbereich für Energiesysteme und Energietechnik Technische Universität Darmstadt, D Darmstadt Prof. Dr. Reinhard Leithner Fachbereich Maschinenbau, Institut für Wärme- u. Brennstofftechnik Technische Universität Braunschweig, D Braunschweig Em. O. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Wladimir Linzer Institut für Energietechnik und Thermodynamik Technische Universität Wien, A Wien Ao. Univ.-Prof. Dipl-Ing. Dr. Heimo Walter Institut für Energietechnik und Thermodynamik Technische Universität Wien, A Wien Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdruckes, der Funksendung, der Wiedergabe auf photomechanischem oder ähnlichem Wege und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buch berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürfen Springer-Verlag/Wien Printed in Germany SpringerWienNewYork ist ein Unternehmen von Springer Science + Business Media springer.at Korrektorat: Sabine Wiesmühler, A Wien Satz/Layout: Reproduktionsfertige Vorlage der Autoren Cover: WMXDesign GmbH, D Heidelberg Druck: Strauss GmbH, D Mörlenbach Gedruckt auf säurefreiem, chlorfrei gebleichtem Papier SPIN Mit 337 Abbildungen Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. ISBN SpringerWienNewYork ISBN Auflage SpringerWienNewYork

3 Bernd Epple. Reinhard Leithner Wladimir Linzer. Heimo Walter (Hrsg.) Simulation von Kraftwerken und Feuerungen 2., erw. und korr. Auflage SpringerWienNewYork

4 Vorwort Vorwort zur 2. Auflage Die 1. Auflage dieses anspruchsvollen Buchs für Praktiker und Studierende hat so großen Anklang gefunden, dass es bereits nach knapp zwei Jahren vergriffen ist. Die Anerkennung, die dieses Buch gefunden hat, können wir am besten durch den zusammenfassenden letzten Absatz der ausführlichen Rezension in der ZAMM-Zeitschrift für Angewandte Mathematik und Mechanik 90, No. 6, 528 (2010) von Bernd Platzer belegen: Das Buch vereinigt mathematische und insbesondere numerische Methoden mit der Modellierung komplexer verfahrenstechnischer Problemstellungen. Es werden umfangreiche Modelle der Strömungsmechanik, der Reaktionstechnik sowie der Wärme- und Stoffübertragung sehr anschaulich tiefgründig diskutiert und auf die Anwendungsfälle Kraftwerke/wärmetechnischen Anlagen angewendet. Für Mathematiker und Numeriker mit einem technischen Anwendungsbezug sowie Verfahrenstechniker ist das Buch sehr zu empfehlen. Für Studenten dieser Fachgebiete zeigt es anschaulich, wie das Wissen unterschiedlicher Fachdisziplinen zur Beantwortung technischer Fragestellungen beiträgt und welche Möglichkeiten moderne mathematische Methoden dabei leisten. Das Buch ist ein Muss für all diejenigen, die Kraftwerkstechnik studieren oder auf diesem Gebiet arbeiten. Diese Rezension war uns auch ein Ansporn für die 2. Auflage, in der wir neben der Korrekturen unvermeidlicher Fehler auch die noch relativ neue Discrete Element Method - DEM in Theorie und Praxis aufgenommen und auch das Kapitel 8 Monitoring um ein weiteres Beispiel über Speisewasserpumpensimulation und -monitoring ergänzt haben. Wir wünschen allen Lesern, dass sie viel Nutzen aus der Anwendung der in dem Buch geschilderten Methoden und Beispiele ziehen mögen. Für die umfangreichen redaktionellen Arbeiten möchten sich die Herausgeber und Autoren noch bei Hrn. Ao.Univ.Prof. Dr. Heimo Walter und Hrn. Tobias Müller bedanken.

5 VIII Vorwort Vorwort zur 1. Auflage Vorwort für die Benutzung des Buches Das Buch ist gedacht für Studenten höherer Semester und Diplomingenieure, die sich in die Simulation von Kraftwerken und wärmetechnischen Anlagen einarbeiten wollen. Es umfasst sowohl die Simulation der Feuerung und Gasströmung (Kapitel 4 und 5) als auch die Arbeitsstoffseite, d.h. i. Allg. die Simulation der Wasser- und Dampfströmung einschließlich der Stabilität im Verdampfer (Kapitel 6). In den einleitenden Kapiteln (1 3) werden auch die Entwicklung der Simulation und die Einbindung in umgebende Systeme wie Fernwärmenetze, elektrische Netze etc. (Kapitel 1) beschrieben, aber auch eine sehr kurze und dadurch übersichtliche Darstellung der Umwandlung und des Transports von Masse, Energie, Impuls und Stoffen (Kapitel 2) und der numerischen Methoden (Kapitel 3) gegeben, die für Studenten höherer Semester und Diplomingenieure eine Wiederholung darstellen, aber auch das Interesse jüngerer Semester finden könnten, die auf der Suche nach dem Sinn und Zweck oder einer zusammenfassenden Darstellung des umfangreichen theoretischen Stoffes sind, der ihnen am Anfang des Studiums zugemutet wird. In Kapitel 7 wird die Simulation von Kraftwerken als Gesamtmodell einschließlich Regelung und Steuerung beschrieben. Dadurch lässt sich der Betrieb solcher Anlagen vor dem Bau berechnen und die Regelung und Steuerung optimieren. Auch die Einhaltung von Garantien bezüglich Laständerungsgeschwindigkeiten und der dabei entstehenden Abweichungen von Betriebsparametern wie Temperaturen, Drücken, Massenströmen (Speicherwasser, Einspritzungen) und der Feuerleistung können überprüft werden. Ferner können auch An- und Abfahren der Anlagen und Sicherheitsvorkehrungen für Störfälle getestet werden. In Kapitel 8 wird auf Betriebsmonitoring und insbesondere auf die Lebensdauerüberwachung eingegangen, wofür auch in den vorhergehenden Kapiteln beschriebene Methoden (z.b. Validierung) eingesetzt werden. Kapitel 9 (Ergebniskontrolle, Genauigkeit und Auswertung) ist sehr wichtig, um zu lernen, wie die Ergebnisse sehr komplexer Simulationen mit einfachen Methoden zumindest auf grobe Fehler überprüft werden können. Je nachdem, was der Leser sucht, kann er eigentlich mit jedem Kapitel beginnen und auch von einem Kapitel zu einem anderen springen. Natürlich spricht auch nichts dagegen, das Buch von Anfang bis zum Ende zu lesen. Die Autoren haben in zahlreichen Aufsätzen und von ihnen betreuten Dissertationen viele Themen vertieft bearbeitet, worauf im Literaturverzeichnis hingewiesen wird. Symbolverzeichnis und Glossar tragen zum Verständnis bei und das Sachverzeichnis ermöglicht das schnelle Auffinden von behandelten Problemstellungen.

6 1 Einleitung Denn es ist eines ausgezeichneten Mannes nicht würdig, wertvolle Stunden wie ein Sklave im Keller der einfachen Rechnungen zu verbringen. Diese Aufgaben könnten ohne Besorgnis abgegeben werden, wenn wir Maschinen hätten. Gottfried Wilhelm Leibniz, Auslegung und Simulation Multipliziere das Quadrat des Zylinderdurchmessers in inch mit der Kolbengeschwindigkeit in feet pro Minute. Dividiere das Produkt durch 500. Der Quotient ist die erforderliche feuerberührte Kesselfläche in square feet (Schäff 1982). So einfach war die Kesselberechnung zur Zeit von James Watt ( ). Allerdings waren kostspielige, nachträgliche Änderungen an Heizflächen und Feuerungen bis zur zweiten Hälfte des letzten Jahrhunderts an der Tagesordnung. Wesentliche Verbesserungen brachte die von (Nuber 1967) erstmals 1921 und in vielen Auflagen erschienene Buch Wärmetechnische Berechnung der Feuerungs- und Dampfkesselanlagen und das WKV Wasserrohrkesselverband Düsseldorf Buch und später das FDBR Fachverband Dampferzeuger-, Behälter- und Rohrleitungsbau Handbuch mit genauen Berechnungsabläufen, die jedoch beide nicht allgemein zugänglich waren. Letzteres wurde teilweise von (Schuhmacher 1972) veröffentlicht. Grundlegende Berechnungsmethoden erschienen auch schon von (Ledinegg 1952), (Fryling 1966), (Doležal 1972), (Singer 1981) und in den letzten Jahren von (Brandt 1985), (Brandt 1995), (Brandt 1999a) und (Brandt 1999b). (Marquardt 1999) unterscheidet zwischen deklarativen (symbolisch, mathematische Formeln) Repräsentationen der Modelle, die im Allg. und auch bei der Berechnung und Simulation von Kraftwerken die wohl notwendige Vorstufe darstellen, und den prozeduralen Repräsentationen der Modelle (aus-

7 2 1 Einleitung führbare Programmcodes). Auch macht es einen Unterschied, ob die Integration weiterer Modelle schon bedacht (a priori (Marquardt 1999)) war oder im Nachhinein erfolgt (a posteriori (Marquardt 1999)), jedenfalls müssen geeignete Schnittstellen vorhanden sein oder geschaffen werden. Es ist sicher interessant, Methoden und Lösungen dieser Problematik, die sich auch in der Verfahrenstechnik stellte und dort zu Modellierungssprachen wie AS- PEN, SPEEDUP, DIVA, ACM, GPROMS, ROMEO, MODELICA etc. (siehe (Marquardt 1999)) geführt hat, mit der Entwicklung in der Energietechnik zu vergleichen. Aber zuvor noch eine von (Marquardt 1999) entnommene Definition, die dieser von (Motard 1975) übernommen hat und die hier etwas verallgemeinert werden soll: Simulation ist die Abbildung eines Prozesses durch ein mathematisches Modell und dessen (numerische oder analytische) Lösung, um Informationen über den Prozess und das Prozessverhalten zu gewinnen. Wenn man vom Fliehkraftregler für Dampfmaschinen absieht, der 1788 von James Watt erfunden und patentiert, aber erst 1868 von J. Maxwell berechnet wurde, so ist eine der ersten Simulationen und zwar gleich eine dynamische auf dem Gebiet des Dampferzeugerbaus die Dissertation von (Profos 1944). Sie handelte u. a. über eine Überhitzersimulation und die Dampftemperaturregelung. In den 50er und 60er Jahren des letzten Jahrhunderts entwickelten die Herstellerfirmen von Dampferzeugern Programme, mit deren Hilfe geometrisch vorgegebene Dampferzeuger bei stationärer Volllast und Teillast nachgerechnet wurden, d.h. die eigentliche Auslegung erfolgte überschlägig von Hand bzw. auf Grund ähnlicher Anlagen. Diese Programme werden auch heute noch benutzt (Leithner 1976). gegeben direktes Problem Analyse Simulation berechnet Prozessstruktur geometrische Daten einige Betriebsdaten gesucht Reaktor (Prozessmodell) Dampferzeuger (Kraftwerksmodell) stationär instationär / dynamisch Optimierung Synthese inverses Problem Prozesseigenschaften: Temperaturverteilung Konzentration Wirkungsgrade Druckverluste bzw. -verteilung Gütemaß (Kosten) gewünscht Abb Direktes und inverses Problem; Analyse und Synthese adaptiert von (Marquardt 1999) Wie in Abb. 1.1 dargestellt, führt die Vorgabe der Geometrie und weiterer Parameter wie Brennstoffeigenschaften, Speisewasserstrom, Speisewasser-

8 1.1 Auslegung und Simulation 3 und Frischdampftemperaturen etc. zu einer Simulation bzw. Analyse des Prozesses, und es werden der Brennstoffstrom, der Luftstrom, die Temperaturen an den Ein- und Austritten der Heizflächen und der Wirkungsgrad berechnet. Eigentlich hätte man natürlich gern eine inverse Lösung, d.h. man weiß ja, welchen Dampfstrom, Wirkungsgrad etc. man haben möchte, und das Programm sollte die preiswerteste Auslegung eines dafür geeigneten Dampferzeugers liefern. In den 80er und 90er Jahren des letzten Jahrhunderts wurden Programme entwickelt, die den inversen Vorgang, d.h. die eigentliche Auslegung auf Grund von Erfahrungen, die in Diagrammen bzw. in Gleichungen z.b. über Querschnitts- und Volumenbelastungen von Dampferzeugerbrennkammern, zulässige Geschwindigkeiten etc. niedergelegt waren, berechneten (z.b. (Wang 1990)). Auch Optimierungsprogramme entstanden erstmals in diesen Jahren ((Leithner 1996b), (Löhr 1996)). Inverse Probleme können meist nur iterativ gelöst werden. Die Optimierung kann auch exergoökonomisch durchgeführt werden (Bejan 1996). In den 60er Jahren des letzten Jahrhunderts wurden auch schon Programme zur stationären Berechnung von gesamten Kraftwerkskreisläufen entwickelt und diese dann laufend verbessert und in den 80er und 90er Jahren des letzten Jahrhunderts zur Optimierung der Kraftwerkskreisläufe eingesetzt. Eine Übersicht über diese Arbeiten ist in der Dissertation von (Stamatelopoulos 1995) über die stationäre Berechnung und Optimierung von Kraftwerkskreisläufen enthalten. Siehe auch (Löhr 1996), (Löhr 1998). In (Giglmayr 2001) werden diese stationären Kreislaufberechnungsprogramme wie EBSILON, Gate Cycle u.a. einem ausführlichen Vergleich unterzogen. Hinzugekommen ist seither das Programm APROS. Parallel zu der Entwicklung stationärer Berechnungen von Dampferzeugern und Kraftwerken wurden auch Simulationsprogramme für instationäre Vorgänge wie Laständerungen und schließlich auch für Anfahr- und Abfahrvorgänge und Störfälle, zuerst für einzelne Komponenten und schließlich für Dampferzeuger und Kraftwerke entwickelt und z.b. seit 1977 für Kernkraftwerkssimulatoren und seit 1986 für Simulatoren konventioneller Kraftwerke in der VGB-Kraftwerkerschule verwendet. Neben der bereits erwähnten Arbeit von (Profos 1944) und den Arbeiten von (Läubli 1960), (Läubli 1984) kann auf Publikationen von (Doležal 1954), (Doležal 1958), (Doležal 1961), (Doležal 1962), (Doležal 1972), (Doležal 1973), (Doležal 1979) und auf Dissertationen verweisen werden, in denen man eine Übersicht über einschlägige Publikationen findet, insbesonders: (Rohse 1995), (Kammer 1977), (Rettemeier 1982), (Grosse-Dunker 1987), (Heitmüller 1987), (Hönig 1980), (Löhr 1999), (Döring 1995) und ferner auf (Leithner 1996a), (Leithner 1974),(Leithner 1975), (Ngoma 2001), (Ufert 1996), (Wippel 2001) und (Leithner 1980b). In den 70er Jahren des letzten Jahrhunderts entstanden bereits die ersten Programme zur dreidimensionalen Brennkammersimulation (Löhner 1971), (Richter 1978). Am IWBT der TU Braunschweig wurde das Brennkammer-

9 4 1 Einleitung simulationsprogramm FLOREAN entwickelt ((Vockrodt 1994), (Müller 1992), (Schulz 1994), (Müller 1994), (Müller 1997), (Schiller 1999), (Fischer 1999), (Vonderbank 1994), (Päuker 2000)), und es gibt derartige Programme auch an den Universitäten Bochum und Stuttgart sowie kommerzielle CFD-Programme, die solche Simulationen ermöglichen wie z.b. FLUENT, ANSYS-CFX etc. An der TU Darmstadt ist das Programmpaket ESTOS (Epple 2005d) zur Simulation von Feuerräumen entstanden, welches sich mit kommerziellen CFD- Programmpaketen (z.b. FLUENT, ANSYS-CFX etc.) kombinieren lässt. Hierbei wird das kommerzielle Programmpaket lediglich als Plattform verwendet, um über eine offenen Programmierschnittstelle (User Defined Function UDF) das selbst programmierte und validierte Feuerraummodell zum Einsatz zu bringen. Die neueste Entwicklung am IWBT befasst sich mit der Mineralumwandlung in den Brennkammern und der Vorhersage von Verschlackungen ((Bozic 2000), (Božić 2002), (Hoppe 2005)). Auch CAD wurde schon beginnend in den 70er Jahren zuerst für einzelne Komponenten und schließlich für den ganzen Dampferzeuger (Leithner 1976) und für ein ganzes Kraftwerk (Gajewski 1999) eingesetzt und heute durch parametrisches Konstruieren weiterentwickelt. Rückblickend betrachtet verlief wie nicht anders zu erwarten die Entwicklung, die insbesonders durch die stürmische Steigerung der Rechnerleistungen bei gleichzeitigem Preisverfall bestimmt wurde, nicht geradlinig und auch nicht aufeinander abgestimmt. Ein Beispiel dafür ist die getrennte Entwicklung von Dampferzeuger-, Turbinen- und Kreislaufberechnungsprogrammen, die selbst heute noch vielfach anzutreffen ist. Die Folge solcher getrennter Berechnungen war, dass Dampferzeuger, Dampfturbine, Vorwärmer, Kühlturm etc. nicht immer aufeinander abgestimmt waren, was manchmal erst in so genannten Boiler-Turbine-Matching Conferences nach Auftragsvergabe geklärt wurde oder gar erst im Betrieb, z.b. durch eine überflüssige Vorwärmstufe auffiel. Von optimaler Auslegung oder optimalem Betrieb waren bzw. sind solche Anlagen natürlich weit entfernt. Auch heute noch sind stationäre und instationäre Programme und Auswerte- bzw. Validierungsprogramme für Dampferzeuger völlig unabhängig voneinander, obwohl sie doch auf denselben Bilanz-, Transport- und Umwandlungsgleichungen für Masse, Stoffe, Energie und Impuls basieren. Häufig werden sogar andere Beziehungen für den Wärmeübergang, Druckverluste, Stoffwerte etc. verwendet, wodurch sich Unterschiede in den Ergebnissen nicht vermeiden lassen (s. Abb. 1.2). Ein besonderes Anliegen dieses Buches ist es daher auch, den Lesern diese Zusammenhänge zu vermitteln. Ein Modell soll zwar (nach Einstein) möglichst einfach, aber auch so komplex wie notwendig sein. Zudem zwingen weder moderne PCs und schon gar nicht größere Rechner durch begrenzte Speicherkapazität und lange Rechenzeiten zu Vereinfachungen wie früher. Um nicht von vornherein festgelegt zu sein, nach welchen Größen das Gleichungssystem aufgelöst werden muss, empfiehlt sich die Aufstellung eines impliziten Gleichungssystems, bei dem wahlweise beliebige Größen vorgegeben sind und der Rest berechnet werden kann. Vor Beginn der Berechnung emp-

10 1.2 Einbindung in umgebende Systeme und Lebenszyklusmodellierung 5 Gesuchte Größen: Temperaturen, Drücke etc. bei gegebenen Heizflächen und gegebenem Brennstoffstrom etc. Teillast stationär Parameter- und Konfigurationsoptimierung nach Kostenkriterien Auslegung stationär Gesuchte Größen: Heizflächen bei gegebenen Drücken, Temperaturen, Dampfstrom etc. Gleichungssystem Bilanzgleichungen für Masse, Stoffe, Impuls und Energie Transportgleichungen Stoffwerte Gesuchte Größen: Zeitlicher Verlauf von Temperaturen, Drücken etc. bei gegebenen Heizflächen und z.b. zeitlich veränderlichem Brennstoffstrom Dynamik instationär Regelung und Steuerung, Simulatoren Optimierung des Einsatzes Messung, Validierung stationär Betriebsmanagement, überbestimmtes Gleichungssystem Gesuchte Größen: Messfehler bei gegebenen Heizflächen und Messwerten für Drücke, Temperaturen, Brennstoffstrom etc. Abb Einsatz des grundlegenden Gleichungssystems für die Analyse und Synthese fiehlt es sich aber zu überprüfen, ob das Gleichungssystem lösbar und korrekt gestellt ist (well posed) (Apascaritei 2008). Ferner sollten objektorientierte Programmiermethoden wie XML und C++ verwendet werden, und eine grafische Oberfläche sollte die Bedienung erleichtern (Witkowski 2006). 1.2 Einbindung in umgebende Systeme und Lebenszyklusmodellierung Auch ein Kraftwerkskreislauf ist in eine Umgebung eingebettet, z.b. in die Atmosphäre, die die Verhältnisse im Kühlturm und dadurch auch im Kondensator bestimmt, in das elektrische Netz mit Verbrauchern und anderen Kraftwerken und schließlich auch in ein Unternehmen, das durch den Betrieb der Anlage Strom produzieren und Gewinne machen möchte. Sind der Einfluss dieser umgebenden Systeme auf ein spezielles Kraftwerk oder die Auswirkung dieses Kraftwerks auf die umgebenden Systeme Teil der Untersuchung, so müssen diese Systeme in die Simulation in der einen oder anderen Form (feste oder variable Randbedingungen, stark vereinfachte Modelle) miteinbezogen werden. Dies führt zu immer komplexeren Modellstrukturen mit horizontaler und/oder vertikaler Integration, wie sie in Abb. 1.3 dargestellt ist. Häufig liegen aber nur mangelhafte oder gar keine Verknüpfungen vor, d.h. die Verknüpfungen erfolgen durch den Bearbeiter. Z.B. müssen Daten aus CAD-Dateien entnommen und in stationäre und instationäre Simulationsprogramme transferiert werden, ebenso Daten von stationären Programmen in

11 6 1 Einleitung Elektrisches Netz Atmosphäre Fernwärmenetze Kraftwerk X Verbraucher Heizkraftwerk Y Kombiheizkraftwerk Kondensator Dampferzeuger Regelung Kühlturm Dampfturbine Dampfturbine Generator Regelung Gasturbine Dampfturbine Speisewasserpumpe Feuerung vertikale Integration Heizflächen zunehmende Detailierung Gebläse Rohre Luftvorwärmer Sammler Verbindungsleitungen Brennstoffversorgung (Mühlen) Brennkammer 3D-Simulation horizontale Integration Verknüpfung der Modelle der Komponten einer Anlage zum Anlagenmodell in den Modellen enthalten: konstruktive Daten (Geometrie) wärme- und strömungstechnische Daten Werkstoffe/Festigkeit Stoffwerte Abb Modellintegration, Quelle: (Marquardt 1999), ergänzt instationäre Programme oder umgekehrt Daten aus Auslegungsprogrammen in CAD-Programme (parametrisches Konstruieren) etc. Die Nutzung von PCs auch für organisatorische und kaufmännische Zwecke lässt natürlich den Wunsch nach einer Integration von technischen, organisatorischen und kaufmännischen Daten über die gesamte Lebensdauer einer Anlage entstehen (lifecycle management), aber auch nach einer verstärkt PC-orientierten Verkopplung der Betreibererfahrungen verschiedener Anlagen untereinander, was bisher in Deutschland von der VGB-Technische Vereinigung der Großkraftwerksbetreiber e. V. Essen durch ihre Fachausschüsse und Merkblätter etc. geleistet wird, und einer gezielten und genaueren Rückkopplung der Erfahrungen der Betreiber zu den Herstellern, was z.b. auch durch Betreiberverträge oder Wartungsverträge zwischen Eigentümern, Betreibern und Herstellern gefördert werden wird. Nach den obigen Ausführungen ist die Entwicklungstendenz zu erkennen. Schon, um mühselige Datentransferzeiten und die damit verbundenen Fehlermöglichkeiten zu eliminieren, wird man zumindest firmenintern die Integration verschiedener Programmsysteme vorantreiben. Da man auf bisher bewährte Programme nur ungern verzichten wird wollen, werden vermutlich Schnittstellen bzw. Datentransferprogramme zwischengeschaltet werden. Auf Dauer gesehen wird es sich aber wohl lohnen, übergeordnete Programmstrukturen zu entwickeln, die sowohl mit den bisherigen Programmen als auch neuen Modulen arbeiten können, sodass alte Programme sukzessiv durch verbesserte, detaillierte Neuentwicklungen abgelöst werden können.

12 12 1 Einleitung verwenden, was ursprünglich ausschließlich mit der Finite-Element-Methode möglich war. Somit kann nun bei einer Diskretisierung, welche beispielsweise für große Feuerräume durchgeführt wird, im Rechengebiet mit Hexaeder- und Tetraederelementen eine lokale Gitterverfeinerung durchgeführt werden, ohne dass das restliche Rechengebiet hiervon beeinflusst wird. Ebenso können beliebig geformte Geometrien (z.b. Drallbrenner, Eintrittsspiralen von Mühlen) und rotierende Systeme (z.b. Mahlwerkzeuge von Kohlemühlen, Sichter) auf ein numerisches Gittersystem abgebildet werden. Die Daten können über Datenfiles aus der CAD-Konstruktion an den Preprocessor des CFD-Programms übergeben werden. Bei der Modellierung von reaktiven Strömungen können eigene Reaktions- und Brennstoffabbrandmodelle zum Einsatz gebracht werden. Diese eigens programmierten Modelle (beispielsweise ein Modell zur Kohlenstaubverbrennung und Vorhersage der NO x -Entstehung (Epple 2005e) können über eine Programmschnittstelle (UDF User Defined Function) mit der kommerziellen CFD-Software verknüpft werden. Somit dient das kommerzielle CFD-Softwarepaket als Plattform, mit welcher selbstentwickelte Modelle numerisch gelöst werden und das Preprocessing (Gittergenerierung) und Postprocessing (Visualisierung der Ergebnisse) durchgeführt wird. In Abb. 1.4 ist die prinzipielle Vorgehensweise am Beispiel der Feuerraumsimulation dargestellt. Zunächst wird die Geometrie durch ein numerisches Gitter abgebildet, anschließend wird die Simulation durchgeführt, und die Ergebnisse werden in geeigneter Weise dargestellt. Abb Vorgehensweise bei der Feuerraumsimulation: Geometrie (links), numerisches Gitter (Mitte) und Ergebnisse am Beispiel der Temperaturverteilung (rechts), (Epple 2005c)

13 14 1 Einleitung sich aus einer großen Anzahl (tausende) von Elementarreaktionen zusammen. Selbst für die relativ einfache Chemie der Wasserstoffverbrennung werden ca. 19 Reaktionen benötigt, für Methan sind es bereits hunderte, für flüssige Brennstoffe (Diesel, Kerosin) tausende. Die Behandlung der detaillierten Reaktionskinetik ist zwar prinzipiell möglich, aber sehr rechenzeitintensiv. Aus diesem Grund werden zur Berechnung technischer Feuerungen meist globale Reaktionsmodelle eingeführt, wobei nur die Hauptstoffe (ohne Radikale) bilanziert werden. Hierbei muss prinzipiell zwischen homogenen (Gasphasen-) und heterogenen (Mehrphasen-)Reaktionen unterschieden werden. Die heterogene Verbrennung von Kohle wird in zwei globale Schritte unterteilt. Während der Pyrolyse werden die flüchtigen Bestandteile freigesetzt. Die Reaktionsrate wird meist mit einem einfachen Arrhenius-Ansatz berechnet. Der Koksabbrand ist hingegen eine Oberflächenreaktion, deren Reaktionsrate durch drei Effekte limitiert wird: die Diffusion des Oxidanten und der Produkte durch die Korngrenzschicht, die Diffusion in die Poren des Kokses und die chemische Reaktion an der Oberfläche. Beim Abbrand der Flüchtigen handelt es sich um homogene Reaktionen. Typische Globalreaktionen hierfür sind die Reaktion eines Kohlenwasserstoffs (z.b. Methan) mit O 2 zu CO sowie die Oxidation von CO zu CO 2. In Abb. 1.5 ist ein 4-Schritt-Reaktionsmodell der Kohleverbrennung (Epple 1993) dargestellt. Energie Cha Koks r Asche Ash Asche ash Asche Ash Rohkohle Raw Coal ash coal Asche Ash O 2 CO CO 2 Energie C X H Y Flüchtige H 2 O Abb Schritt-Reaktionsmodell der Kohlenstaubverbrennung, (Epple 1993) Zur Beschreibung der Gasphasenreaktionen muss der Einfluss der Turbulenz mitberücksichtigt werden. Zwei Stoffe (z.b. Methan und Sauerstoff) können erst dann miteinander reagieren, wenn eine Durchmischung der Stoffe auf molekularer Ebene stattgefunden hat. In vielen Fällen laufen die chemischen Reaktionen sehr viel schneller ab als die turbulente Durchmischung der Reaktanden, sodass sog. Wirbelzerfallsmodelle (Eddy-Dissipation, Eddy-

14 Symbolverzeichnis Formelzeichen lateinische Buchstaben Zeichen Einheit Bedeutung a var. Koeffizient, Variable, Korrekturfaktor a diff,f i s/m Diffusionsparameter nach (Field 1967) a i var. Koeffizient der Rechenzelle i a KL 1/m Modellparameter im Model von Kunii und Levenspiel a P 1/s 2 Rotationsbeschleunigung eines Partikels a Rea var. Konstante der Reaktionsmodellierung a Str Absorptionskoeffizient a sulf 1/s Modellparameter für die Sulfatierung a λ m 2 /s Temperaturleitfähigkeit A m 2 Fläche, Querschnittsfläche A ij Fourier-Koeffizienten A K kg Asche /kg Kohle Ascheanteil A P,spez m 2 Partikel / kg Gemisch spez. Partikeloberfläche pro Masse des Gemisches A O,in,ka,spez m 2 /kg Partikel spez. innere Oberfläche im kalzinierten Bereich pro Masse A O,Tropf Oberfläche der Wassertropfen pro Flächeneinheit beheizter Rohrwand A var. Koeffizientenmatrix A spez m 2 /kg spez. Oberfläche b var. Koeffizient, Variable einer Bilanzgleichung bzw. einer physikalischen Randbedingung im Adjungiertenverfahren b Lap Laplace-Konstante (wird fortgesetzt)

15 Symbolverzeichnis XXXI Zeichen Einheit Bedeutung x D Dampfgehalt ẋ D Dampfmassenanteil x var. algebraischer Variablenvektor, Funktionswerte, Messwertevektor X m Seitenlänge X 2ph Martinelli-Parameter X m 3 Stoff /m3 Gem Volumenanteil (Index: E Edukt, P Produkt, i,j Stoff) y m Koordinate, Seitenlänge, Variable y aus Ausgangssignal in einen Regler y C Imaginäranteil einer komplexen Zahl y ein Eingangssignal in einen Regler y differentieller Variablenvektor, Funktionswerte, Variablenvektor Y kg Stoff /kg Gem Massenanteil (Index: E Edukt, P Produkt, i,j Stoff) Y H2O Wassergehalt (Massenanteil) Y P kg/kg Summe der Partikelkonzentration z m Koordinate z C komplexe Funktion z var. Variablenvektor Z i var. Zustandsgröße Formelzeichen griechische Buchstaben Zeichen Einheit Bedeutung α Koeffizient α W/(m 2 K) Wärmeübergangskoeffizient α n W/(m 2 K) mittlerer Wärmeübergangskoeffizient bei n Rohren α fg m 3 Gas /m3 Gem Gasvolumenanteil α ka Kalzinierungsgrad α A Korrekturfaktor für Reibung und Kontraktion in einem Ventil (Ausflussziffer) α σ Lochrandspannungsüberhöhungsfaktor β Koeffizient β kg/(m 3 s) Widerstandskoeffizient (DEM-Modell) β Stoff kg/(m 2 s) Stoffübergangskoeffizient β ϑ 1/K linearer Ausdehnungskoeffizient (wird fortgesetzt)

16 Literaturverzeichnis 725 Literaturverzeichnis [Achard 1985] Achard JL, Drew DA, Lahey Jr. RT (1985) The Analysis of Nonlinear Density-Wave Oscillations in Boiling Channel. J. of Fluid Mechanics 155: [Acklin 1960] Acklin L, Läubli F (1960) Die Berechnung des dynamischen Verhaltens von Wärmetauschern mit Hilfe von Analog-Rechengeräten. Technische Rundschau Sulzer (Forschungsheft) [Adánez 1994] Adánez J, Labiano FG, Abánades JC, de Diego LF (1994) Methods for characterization of sorbents used in fluidized bed boilers. Fuel 73 (3): [Agarwal 1989] Agarwal PK, La Nauze RD (1989) Transfer Processes Local to the Coal Particle: A Review of Drying, Devolatilization and Mass Transfer in Fluidized Bed Combustion. Chem. Eng. Res. Des. 67: [Ahmed 2009] Ahmed S, Leithner R (2009) Deutsche Patentanmeldung DE : Turbomaschinen Monitoring-, Schutz- und Regelsystem. [Ahmed 2010a] Ahmed, S. (2010a) Condition monitoring, diagnostic and controlling tool for boiler feed pump. Dissertation, TU Braunschweig [Ahmed 2010b] Ahmed S, Leithner R, Kosyna G (2010b) Condition Monitoring, Diagnostic and Controlling Tool for Boiler Feed Pump. VGB PowerTech 90 (11):67 71 [Akers 1959] Akers WW, Deans HA, Crosser OK (1959) Condensation Heat Transfer within Horizontal Tubes. Chemical Engineering Progress Symposium Series 55: [Alad yev 1969] Alad yev IG, Gorlov LD, Dodonov LD, Fedynskiy OS (1969) Heat Transfer to Boiling Potassium in Uniformly Heated Tubes. Heat Transfer-Soviet Research 1 (4): [Albert 1998] Albert FW (1998) Fuzzy logic und ihre Anwendung in Müllheizkraftwerken. VGB Kraftwerkstechnik 12:66 72 [Albrecht 1966] Albrecht W (1966) Instationäre Wärmespannungen in Hohlzylinder. Konstruktion 18 (6): [Albrecht 1969] Albrecht W (1969) Beispiele für instationäre Temperaturverteilungen in Apparatebauteilen. Chemie-Ingenieur-Technik 41: [Allen 1987] Allen MP, Tildesley DJ (1987) Computer Simulation of Liquids. Oxford: Clarendon Press [Allard 1970a] Allard G, Läubli F, Le Febve D (1970a) Die Berechnung des dynamischen Verhaltens von Wärmetauschern mit Hilfe von Analog- Rechengeräten. A.I.M. Association des ingenieurs electriciens sortis de I Institut electrotechnique Montefiore [Allard 1970b] Allard G, Läubli F, Le Febve D (1970b) Prozeß- und Regeldynamik fossil gefeuerter Dampferzeuger Analyse und Berechnung des dynamischen Verhaltens. A.I.M, Association des Ingenieurs electricien sortis de I Institute electrotechnique Montefiore [Alobaid 2011] Alobaid F, Baraki N, Ströhle J, Epple B (2011) Development and validation of a DEM simulation code. Powder Technology, submitted

17 Glossar 0D 1D 2D 3D ABB ABL ACM ADI AGL AIOLOS ALE ALSTOM ANDI/KEDI ANSYS ANSYS-CFX APROS ARDIS ART ASCII ASPEN ASPEN PLUS ASS BANFF BASIC BAUBAP BDE BDF BDV 0-dimensional 1-dimensional 2-dimensional 3-dimensional Asea Brown Boveri Ausbrandluftebene Modellierungssprache Alternating Direction Implicite Algebraisches Gleichungssystem Brennkammersimulationsprogramm Arbitrary Lagrangian-Eulerian Methode Firmenname Anlagen- und Kessel-Diagnoseprogramme Kommerzielles Finite-Elemente-Programm Kommerzielles CFD-Programm Kommerzielles instationäres Kreislaufberechnungsprogramm ARmaturen DIagnose System Algebraische Rekonstruktionstechnik American Standard Code for Information Interchange Mehrzweckfähiges Programm aus dem Chemiebereich Kommerzielles Simulationsprogramm für chemische und verfahrenstechnische Prozesse Armaturen Service System Brennkammersimulationsprogramm Programmiersprache BAUteil-Beanspruchungs-Auswerte-Programm BetriebsDatenErfassung Backward Differentation Formulae BetriebsDatenVerwaltung

18 Sachverzeichnis κ D Sprungsantwort 636 Taylorreihenentwicklung 636 κ D-Modell 627 Abbruchfehler 180 Abgasdruckschwingungen 455 Abhitzedampferzeuger 303, 554, 686 Absaugepyrometrie 710 Abscheider Wasserabscheider 591 Zyklon 378, 427, 507, 591 Adam-Bashfort 314 Adhäsionskraft 250 Akustische Instabilität 578 Analyse 689 Anisotrope Streuung 84 Approximation 179 Finite-Differenzen 172, 548 Simpson sche Regel 179 Trapezregel 179 ART-Bézier-Entfaltungstechnik 711 ART-Technik 709 Ascheschmelzverfahren 461 Ascheviskosität 461 Auftriebskraft 124 Ausfall der Feuerung 455 Auslegungsrechnung Teillast 588 Volllast 588 Backupsubstitution 296 Backward-Euler-Algorithmus 307 BASIC 462 Basset-Kraft 124 Benson-Dampferzeuger 512 Betriebsarten 608 Betriebsmonitoring VII Blasensieden 110 Bounding-boxes-Methode 264 Brennkammer 328, 589, 693 Flammraum 330 Schwingungen 443 Strahlraum 334 Brennstoff-NO-Mechanismus 363 Brennstoffstickstoff 366 Cauchy scher Existenzsatz 303 CFD-Modelle 530 dünnwandiges Bauteil 531 dickwandiges Bauteil 532 Einspritzkühler 552 Flammraum-Strahlraum-Modell 328 Sammler 539 Trommel 523, 545, 592, 652 Chemische Reaktionen Reaktionsenergie 89 Reaktionsenthalpie 89 Reaktionsgeschwindigkeit 90 Reaktionskinetik 89 dünnwandiges Bauteil CFD-Modell 531 Damköhler-Zahl 343 Dampferzeuger 303, 491, 505, 518, 602, 609, 615, 627, 686, 693 überkritischer 516

19

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