Entwicklung von Teillastberechnungsmethoden ohne Einbeziehung der Geometrie für: Teilverdampfung im Economizer. Wasser/Wasser-Wärmeübertrager

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1 Entwicklung von Teillastberechnungsmethoden ohne Einbeziehung der Geometrie für: Durchlaufabhitzekessel Teilverdampfung im Economizer Wasser/Wasser-Wärmeübertrager Diplomarbeit von cand. ing. Marc Brockmann TH-Darmstadt Fachgebiet für Energieund Kraftwerkstechnik Prof. Dr.-Ing. J. Janicka Betreuer Prof. Dr.-Ing. J. Janicka ABB Kraftwerke AG, Baden/Schweiz Project Engineering and Construction Main Process Dipl.-Ing. J. P. Rickli Betreuer Dipl.-Ing. C. Frings CH-Baden im Januar 1995

2 Inhaltsverzeichnis I Inhaltsverzeichnis Formelzeichen und Symbole 1 1. Einleitung 3 2. Durchlaufabhitzekessel (Once Through Boiler) Thermodynamische Beziehungen Berechnung der bezogenen Wärmeübergangszahl Bezogene Wärmedurchgangszahlen für Eco und Verdampfer Bezogene Wärmedurchgangszahlen für den Überhitzer Druckverlustberechnung Bezogene Druckverluste Berechnung des Widerstandsbeiwertes Grundgleichungen zur Berechnung der Bauteile Economizer-Gleichungen Verdampfer-Gleichungen Überhitzer-Gleichungen Geometrische Abhängigkeiten Berechnungsgang für vereinfachte Bauausführung Auslegungsrechnung Teillastrechnung Berechnungsgang für erweiterte Bauausführung Auslegungsrechnung Teillastrechnung Einsatzmöglichkeiten der Berechnungsmethode Teilverdampfung im Economizer Thermodynamische Beziehungen Berechnung der bezogenen Wärmedurchgangszahl Druckverlustberechnung 61

3 Inhaltsverzeichnis II Gleichungen zur Berechnung des Economizers Gleichungen für den Vorwärmbereich Gleichungen für den Verdampferbereich Berechnungsgang Auslegungsrechnung Teillastrechnung Vergleich mit Energiebilanzierungsprogramm "Ebsilon" Bewertung und Einsatzmöglichkeiten der Berechnungsmethode Wasser/Wasser-Wärmeübertrager Thermodynamische Beziehungen Berechnung der bezogenen Wärmedurchgangszahl Druckverlustberechnung Gleichungen zur Berechnung eines Wasser/Wasser-Wärmeübertr Berechnungsgang Auslegungsrechnung Teillastrechnung Vergleich mit Berechnungsprogramm von ABB Fehlerabschätzung, Fehlerdiskussion Vereinfachungen und Abschätzungen Bewertung, Alternativen Zusammenfassung Literaturverzeichnis 96

4 Inhaltsverzeichnis III Anhang: Programmbeschreibungen 98 A.1 Zuordnung der Programme 99 A.2 Auszüge wesentlicher Programmtexte 100 A.3 Bedienungshinweise 120 A.4 Fremdroutinen 121 A.5 Variablenbezeichnung 125

5 1. Einleitung 3 1. Einleitung Kombinierte Gas- und Dampfkraftwerke, kurz Kombikraftwerke, gehören zur Zeit zu den Kraftwerkstypen mit den höchsten Wirkungsgraden. Durch die Koppelung von Gas- und Dampfturbinenprozessen mittels Dampferzeuger lassen sich heutzutage Gesamtwirkungsgrade bis zu 55% erreichen. Zur Erzielung hoher Wirkungsgrade ist die Optimierung der thermodynamischen Prozesse in der Projektierungs- und Abwicklungsphase solcher Anlagen von grosser Bedeutung. Dazu ist es erforderlich, dass die verwendeten Berechnungsmodelle sowohl im Auslegungs- als auch im Teillastfall so exakte Abbildungen wie möglich liefern. Dies gilt für die vorhandenen, aber vor allem auch für die zukünftigen Komponenten. Der Trend im Kraftwerksbau geht aufgrund der von der Marktsituation gegebenen Steigerung des Gesamtwirkungsgrades in Richtung hoher Drücke und Temperaturen im Verdampfer und wird in Zukunft zu einem überkritischen Betrieb der Anlagen führen. Dies ist jedoch mit konventionellen Kesseln mit Trommel nicht realisierbar. Abhilfe schafft die Verwendung trommelloser Durchlaufabhitzekessel. Bei der Berechnung dieser speziellen Dampferzeuger ergeben sich gravierende Unterschiede zu den bisher verwendeten. Für die konventionellen Abhitzekessel sind heute thermodynamische Berechnungsmethoden in der Projektierungs- und Abwicklungsphase im Einsatz, die ohne Einbeziehung der Geometrie auskommen. Die dafür in der Literatur aufgezeigten Methoden besitzen jedoch den Nachteil, dass sie einen Bezug zwischen unterschiedlichen Lastfällen durch Vergleich der thermodynamischen Werte an jeweils ein und demselben geometrischen Ort bei Voraussetzung gleicher Aggregatzustände vornehmen. Bei Prozessen, die mit einer räumlichen Verschiebung der Prozesszonen, in denen Wasser, Nassdampf oder Dampf vorliegt, verbunden sind, ist dies jedoch nicht korrekt, wie beispielsweise bei der Teilverdampfung im Economizer und besonders bei Durchlaufabhitzekesseln (englisch: Once Through Boiler; Beschreibung in Kapitel 2). Eine spezielle Berechnungsmöglichkeit ist hier gefordert.

6 1. Einleitung 4 Zur Komplettierung der geometrieunabhängigen Berechnungsverfahren für die Teilkomponenten von Kraftwerken ist auch ein entsprechendes für Wasser/Wasser- Wärmeübertrager erforderlich. Die Aufgabe dieser Diplomarbeit ist es, eine Methode zur Berechnung von Durchlaufabhitzekesseln und Wasser/Wasser-Wärmeübertragern herzuleiten und in einem Fortran-Code zu programmieren. Durch einen Vergleich von Testdatensätzen mit den Ergebnissen bestehender geometriebezogener Programme ist das neue Verfahren zu bewerten. Darüber hinaus soll innerhalb der Arbeit eine bestehende Methode zur Berechnung der Teilverdampfung im Economizer überprüft werden. Diese Diplomarbeit wird im Hinblick auf die Verwendung eines neuen Anlagenbilanzierungsprogramms für die ABB Kraftwerke AG, Baden, Schweiz erstellt. Einen hohen Anteil beanprucht dabei die programmiertechnische Arbeit, um die Berechnungsformeln in eine anwendungsfreundliche Form zu bringen. Besonders der Gedanke nach einer praktischen Nutzbarkeit der Untersuchungsergebnisse steht im Vordergrund.

7 2. Durchlaufabhitzekessel 5 2. Durchlaufabhitzekessel (Once Through Boiler) Zur Erzielung besserer Wirkungsgrade wurden bei der Entwicklung neuer Kraftwerke in den letzten Jahren thermodynamische Prozesse mit immer höheren Temperatur- und Druckniveaus verwirklicht. Mit den bisher verwendeten konventionellen Abhitzekesseln für Gas- und Dampfkraftwerke ist dieser Trend jedoch nur begrenzt fortsetzbar, da sie nicht für einen überkritischer Betrieb geeignet sind. Ein Durchlaufabhitzekessel (DAK), im Englischen als Once Through Boiler (OTB) bezeichnet, kann diese Aufgabe erfüllen. Er besitzt neben baulichen Vorteilen leider den Nachteil eines grösseren Regelungsaufwandes, wird aber in Zukunft auf Grund seiner universellen Einsetzbarkeit immer mehr an Bedeutung gewinnen. Die unten aufgeführten Bilder 2.1 und 2.2 beschreiben Bauweise und Eigenheiten der beiden soeben genannten Systeme. Die nun folgenden Kapitel zeigen den Weg zu einer Teillastberechnungsmethode für Durchlaufabhitzekessel ohne Einbeziehung geometrischer Abmessungen. Umlaufabhitzekessel Durchlaufabhitzekessel (Once Through Boiler) Bild 2.1 Bauausführung von Umlauf- und Durchlaufabhitzekessel

8 2. Durchlaufabhitzekessel 6 Umlaufabhitzekessel - Selbstregulierung des austretenden Massenstroms (nur eine jeweils bestimmte Dampfmenge kann erzeugt werden und die Trommel verlassen) - Stabilisierendes Verhalten der Trommel gegenüber Störungen Durchlaufabhitzekessel (Once Through Boiler) - Regelung durch Regelventil unverzichtbar (Führungsgrösse: Austrittstemperatur Stellgrösse: Massenstrom) - Gefahr bei unzureichender Regelung! Schlimmstenfalls Flutung der Dampfturbine! - Trommelwandstärken steigen mit zunehmenden Betriebsdrücken, -temperaturen, -massenströmen - teurere Bauausführung - keine Trommel vorhanden - Thermospannungen in der Trommelwand besonders beim Anfahren (deshalb unter Umständen zeitaufwendiges und teures Vorwärmen der Trommel notwendig) - keine Trommel vorhanden - überkritischer Betrieb nicht möglich - überkritischer Betrieb möglich Bild 2.2 Gegenüberstellung zwischen Umlauf- und Durchlaufabhitzekessel