Simulation von Kraftwerken und wärmetechnischen Anlagen

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1 Bernd Epple, Reinhard Leithner, Wladimir Linzer, Heimo Walter (Hrsg.) Simulation von Kraftwerken und wärmetechnischen Anlagen Springer WienNew York

2 Inhaltsverzeichnis Autorenverzeichnis Symbolverzeichnis IX XXI 1 Einleitung Auslegung und Simulation Einbindung in umgebende Systeme und Lebenszyklusmodellierung Simulation und Experimente Mathematische und numerische Modelle Entwicklung von CFD zur Simulation reagierender Strömungen in Feuerungsanlagen 11 2 Umwandlung und Transport von Energie, Impuls und Stoffen Bilanzgleichungen Formen der zeitlichen Ableitung Bilanzgleichung für eine allgemeine Bilanzgröße Massenbilanz (Kontinuitätsgleichung) Impulsbilanz Energiebilanz (Leistungsbilanz) Bilanzgleichung der mechanischen Energie (Leistung) Bilanzgleichung der thermischen Energie (Leistung) Bilanzgleichung der StofTkomponenten Stationäre und instationäre Zustände Turbulenzmodelle Phänomenologische Beschreibung Turbulenzmodellierung Klassifizierung von Turbulenzmodellen Nullgleichungsmodelle Eingleichungsmodelle 38

3 XIV Inhaltsverzeichnis Zweigleichungsmodelle Das k-e Turbulenzmodell Reynolds-Spannungsmodelle Large-Eddy-Simulation Interaktion zwischen Turbulenz und chemischer Reaktion Eddy-Dissipation-Concept Reaktionsgebiet Charakteristische Kenngrößen der Fine Structures Integration chemischer Reaktionskinetik Berechnung der mittleren chemischen Reaktionsquellterme Modifikation der EDC-Kenngrößen Quasistationaritätsbedingungen Eddy-Dissipation-Modell Wärmeleitung und Diffusion Grundlagen zur Wärmeleitgleichung Wärmeleitgleichung und Energiebilanz Rand- und Anfangsbedingungen Grundlagen zum Stofftransport durch Diffusion Diffusion in Feststoffen Konvektiver Wärme- und Stoffübergang Konvektiver Wärmeübergang bei einphasiger Strömung Strahlung Lösung der Strahlungstransportgleichung Monte-Carlo-Methode Diskrete-Transfer-Methode (DTM) P-l Strahlungsmodell Rosseland-Strahlungsmodell Diskrete-Ordinaten-Methode (DO) Surface-to-Surface-Strahlungsmodell (S2S) Chemische Reaktionen Reaktionsenergie und Reaktionsenthalpie Reaktionsgeschwindigkeit Zweiphasenströmung Zweiphasenströmung Gas-Flüssigkeit Zweiphasenströmung Gas-Feststoff Kondensation reiner Dämpfe Zustands- und Transportgrößen Grundlagen Stoffwerte für Wasser und Wasserdampf Stoffwerte für Gase und Gasgemische Stoffwerte für Brennstoffe und Werkstoffe Wärmeaustausch mittels Wärmeübertrager Regenerator 147

4 Inhaltsverzeichnis Rekuparator Mittlere logarithmische Temperaturdifferenz (LMTD) Numerische Methoden Koordinatensysteme und Gitter Koordinatensysteme Gitter und Gittergenerierung Kartesisches Diskretisierungsschema Diskretisierungsmethoden Finite-Differenzen-Methode Finite-Elemente-Methode Finite- Volumen-Methode Approximation der Oberflächen- und Volumenintegrale Diskretisierung der konvektiven Terme Diskretisierung der diffusiven Terme Anwendung auf ein eindimensionales Problem Fehler und Stabilitätsabschätzung Das HYBRID-Schema Diskretisierung des Speicherterms Berücksichtigung von Quell- und Senkentermen Rand- und Anfangswerte Druckkorrekturverfahren SIMPLE-Algorithmus SIMPLEC-Algorithmus SIMPLER PISO-Algorithmus Nichtversetztes Rechengitter Lösungsalgorithmen Einleitung Lineare Gleichungssysteme Nichtlineare Gleichungssysteme Relaxation Differentialgleichungssysteme Differential-algebraische Gleichungssysteme Verfahren zur numerischen Differentiation 236 Simulation der Feuerung und Gasströmung Grundlagen Brennstoffeigenschaften Verbrennungsrechnung Adiabate Verbrennungstemperatur (ohne Bettmaterial und Additive) Vereinfachte Brennkammermodelle Nulldimensionales Brennkammermodell Flammraum-Strahlraum-Modell 248 XV

5 XVI Inhaltsverzeichnis 4.3 Modellierung und Simulation von Feuerungen Modellierung der Verbrennung fester Brennstoffe Modellierung der NO^-Entstehung und deren Minderung Modellierung der SO^-Entstehung und Minderung Wirbelschichtmodelle Rostfeuerungsmodelle CFD-Programmaufbau und Programmablauf Einsatz von CFD bei der Bearbeitung von praktischen Aufgabenstellung Mitverbrennung eines Abfallproduktes in einer Hauptfeuerung Kohlebefeuerte Dampferzeuger Braunkohlegefeuerte Dampferzeuger Trockenbraunkohlebefeuerte Dampferzeuger Steinkohlebefeuerte Dampferzeuger Mühlensysteme Schwingungen im Luft- und Abgasstrom Einleitung Druckpulsationen in Brennkammern Strömungserregte Schwingungen in Rohrbündeln Abgasdruckschwingungen bei Ausfall der'feuerung Mineralumwandlung Verschlackungs- und Verschmutzungskennzahlen und andere einfache Verfahren Oxidische Ascheanalyse Ascheschmelzverhalten Andere Untersuchungsmethoden Übersicht über Simulationsmodelle für Brennkammerverschlackung Simulationsmodelle mit angenäherten algebraischen Ausdrücken Simulationsmodelle mit diskreten Methoden - CFD Strömungssimulation Modellierung der Mineralumwandlung Kohle- und Mineraleigenschaften Grundlagen der Modellierung von Mineralumwandlungen Modellierung von Schmelzvorgängen und Reaktionen im flüssigen Zustand und Erstarrung am Beispiel der Eisenoxidation Kopplung von Brennkammersimulation und Mineralumwandlung Berechnungsschritte und Kopplungsverfahren 394

6 Inhaltsverzeichnis XVII Modell für die Verteilung der Mineralien auf die Startpunkte der Partikelbahnen Besonderheiten der numerischen Verfahren bei der Kopplung von Euler'scher und Lagrange'scher Betrachtungsweise Modell der Haftung und Verschlackung Simulation der Mineralumwandlung und Verschlackung 401 Dampferzeugersimulation Simulation der Wasser- und Dampfströmung Typen von Dampferzeugern Naturumlaufdampferzeuger Zwangumlaufdampferzeuger Zwangdurchlaufdampferzeuger Zwangdurchlaufdampferzeuger mit Volllastumwälzung Stationäre Strömungsverteilung in den Rohren von Dampferzeugern Modellierung der Rohrströmung Modellierung der Sammler Modellierung der Trommel Verwaltung der Daten Gleichungssystem und dessen Lösung Beispiel einer Rohr-Sammler-Struktur Instationäres Dampferzeugermodell Rohrwandmodelle Rohr-Sammler-Modell Modell für die Trommel Modell eines Einspritzkühlers Anwendungsbeispiel für das instationäre Dampferzeugermodell Strömungsinstabilitäten Statische Strömungsinstabilitäten Dynamische Strömungsinstabilitäten 487 Kraftwerkssimulation Modelle und Validierung Entwicklung der Kraftwerkssimulation und Übersicht Stationäre Kraftwerkssimulation Komponenten einer stationären Kraftwerkssimulation Aufstellen und Lösen des impliziten algebraischen Gleichungssystems Beispiel: Einfacher Dampfturbinenkreislauf (Rankine Cycle) Instationäre Kraftwerkssimulation Leistungsregelung von Dampfkraftwerken, Betriebsarten und Dampftemperaturregelung 518

7 XVIII Inhaltsverzeichnis Vereinfachte instationäre Kraftwerkssimulation mit analytischen Modellen Detaillierte instationäre Kraftwerkssimulation Überprüfung der Lösbarkeit des stationären Gleichungssystems und Validierung stationärer Messdaten Lösbarkeit des Gleichungssystems stationärer Kraftwerkssimulationen Validierung stationärer Messdaten von Kraftwerken Monitoring Betriebsmonitoring Einleitung Aufgaben, Umfang und Verfahren von Diagnosesystemen Auflistung von Diagnoseaufgaben in konventionellen Dampfkraftwerken und Gas- und Dampfturbinen- Kombianlagen Anforderungen an Diagnosesysteme im Kraftwerk Lebensdauermonitoring Problemstellung Direkte Messung der Wandtemperaturdifferenz Berechnung der Wandtemperaturdifferenz aus dem Verlauf einer Wandtemperatur Bestimmung der Wandtemperaturdifferenz aus dem Verlauf der Dampftemperatur, des Dampfdruckes und des Dampfmassenstroms Vergleich von Mess- und Rechenwerten Bestimmung der Wandtemperaturdifferenz aus alleiniger Verwendung der Dampftemperatur- und Dampfdruckmessungen Vergleich von Mess- und Rechenwerten Spannungsanalyse und Lebensdauerverbrauch Überwachung des Verschmutzungszustandes von Heizflächen und Rußbläsersteuerung Grundlagen Anwendungen Online-Optimierung von Feuerungen Problemstellung Schallpyrometrie Fourierreihenentwicklung Algebraic Reconstruction Technique (ART) Vergleich mit Messungen aus der Absaugepyrometrie Optimierung der Verbrennung durch Schallpyrometrie und BK-Simulation bzw. durch ein neuronales Netzwerk Ergebniskontrolle, Genauigkeit und Auswertung 623

8 Inhaltsverzeichnis XIX Literaturverzeichnis 629 Glossar 685 Sachverzeichnis 693

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