Wirkungsgradsteigerung. von Kohlekraftwerken. mit Hilfe von CFD-Simulationen. der Luft- und Rauchgaskanäle. in bestehenden Anlagen

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1 Wirkungsgradsteigerung von Kohlekraftwerken mit Hilfe von CFD-Simulationen der Luft- und Rauchgaskanäle in bestehenden Anlagen Dipl. Ing. Daniel Depta Dresden,

2 Inhaltsverzeichnis 1. Beschreibung des Problems 2. Aufbau des Simulationsmodells 3. Start- und Randbedingungen für die Simulation 4. Simulationsergebnisse des Ist-Zustands 5. Optimierte Geometrie und Ergebnisse 6. Zusammenfassung Folie 1

3 1. Beschreibung des Problems 1. Beschreibung des Problems Folie 2

4 Beschreibung des Problems - Steinkohlekraftwerk mit 750 MW el weist in einigen Teilen des Rauchgaskanals strömungstechnisch ungünstige Geometrien auf (Umlenkungen, Leitbleche). - Der daraus resultierende Stromeigenbedarf des Kraftwerks bewirkt Einbußen im Gesamtwirkungsgrad. - Ein Grund für die unvorteilhafte Strömungsführung liegt in der Nachrüstung der Rauchgas Entschwefelungsanlage (REA) zu Beginn der 80er Jahre. --> ZIEL: Die vorhandene Geometrie der betreffenden Stelle des Rauchgaskanals mittels "Computional Fluid Dynamic" (CFD) zu untersuchen. Darauf aufbauend optimierte Geometrien erarbeiten, um den Stromeigenbedarf zu senken. Folie 3

5 Beschreibung des Problems Elektrische Leistungen der Gebläse und Druckverlust Saugzug 1 Saugzug 2 REA Gebläse 1 REA Gebläse 2 Summe Leistung 3.75 kw 3.75 kw 2.50 kw 2.50 kw 12.5 kw 4 Gebläse wirken auf einen Punkt! Folie 4

6 Beschreibung des Problems Saugzug-Gebläse 1 REA Gebläse 1 Saugzug-Gebläse 2 REA Gebläse 2 Folie 5

7 Beschreibung des Problems Druckverlauf im betreffenden Rauchgaskanal Saugzüge Rauchgaskanal REA Gebläse Weg Folie 6

8 Aufbau des Simulationsmodells Aufbau des Simulationsmodells Folie 7

9 Aufbau des Simulationsmodells Nutzung der Software ANSYS CFX 1.) Erstellung der Geometrie 2.) Gitter generieren (Meshing) 3.) Start- und Randbedingungen festlegen Iterativer Prozess 4.) Berechnung/Simulation (Solver) 5.) Ergebnis der Berechnung überprüfen Folie 8

10 Aufbau des Simulationsmodells Geometrie: Ansicht von oben Folie 9

11 Aufbau des Simulationsmodells Geometrie: Schrägansicht Innen Folie 10

12 Aufbau des Simulationsmodells Gitternetzaufbau: Blocking Folie 11

13 Aufbau des Simulationsmodell Mesh Folie 12

14 Start- und Randbedingungen Start- und Randbedingungen Folie 13

15 Start- und Randbedingungen - Geschwindigkeit am Eintritt 75 m/s (gemittelt) - Temperaturen am Eintritt 155 C - Massenströme am Eintritt 530 kg/s - Zusammensetzung des Rauchgases, Rauhigkeit der Kanalwände 120,00 m/s Geschwindigkeitsprofi l Geschwindigkeitsprofi l 100,00 m/s 80,00 m/s 60,00 m/s 40,00 m/s 20,00 m/s 0,00 m/s 0,00 m 0,50 m 1,00 m 1,50 m 2,00 m 2,50 m 3,00 m 3,50 m 4,00 m -20,00 m/s Folie 14

16 Start- und Randbedingungen Detail am Eintritt des Rauchgases Folie 15

17 Start- und Randbedingungen Vorgehensweise - Vorgeben der Parameter am Ein- und Austritt, - Simulationsergebnisse mit Messergebnissen vergleichen, - Gitterstruktur und Vorgaben anpassen und neue Rechnung starten, - Für die Simulation gilt, den Ist-Zustand bzw. die Druckverluste mit einer hinreichenden Genauigkeit darzustellen und eine Gitter unabhängige Lösung zu erzeugen. Folie 16

18 Simulationsergebnisse Simulationsergebnisse Folie 17

19 Simulationsergebnisse Optimierung Rauchgaskanal Folie 18

20 Simulationsergebnisse Optimierung Rauchgaskanal Folie 19

21 Simulationsergebnisse Optimierung Rauchgaskanal Folie 20

22 Simulationsergebnisse Verlustzonen (Druck, Geschwindigkeit) Optimierung Rauchgaskanal Folie 21

23 Simulationsergebnisse Zusammenfassung der Ergebnisse - die Strömung im Rauchgaskanal ist äußerst komplex, - verlustreiche Stellen und Wirbelzonen sind vorhanden, - hohe Druck- und Geschwindigkeitsverluste an den Umlenkungen und den Einschnürungen, - der Ausgleich von unterschiedlichen Ansaugdrücken der REAGebläse wird über den Schalldämpfer ausgeglichen, - die Annahme der Geschwindigkeitsprofile am Saugzugaustritt und Gebläseeintritt, führt zu Ungenauigkeiten Optimierung Rauchgaskanal Folie 22

24 Optimierte Geometrie und Ergebnisse Optimierungen Optimierung Rauchgaskanal Folie 23

25 Optimierte Geometrie und Ergebnisse Optimierungsvorschlag 1: - Änderung der Rauchgasführung, durch 90 -Drehung der Saugzüge. - Dadurch entsteht evtl. die Möglichkeit auf die REA-Gebläse zu verzichten (3 MW fielen weg) Optimierung Rauchgaskanal Folie 24

26 Optimierte Geometrie und Ergebnisse Druckverlauf Rauchgaskanal Druckverlauf Seite 1 Druckverlauf Seite ,00 Absolutdruck [mbar] 1020, , ,00 990,00 980,00 970,00 960,00 950,00 - Die Regelung der Saugzuggebläse wäre sehr viel einfacher - keine Druckverluste durch Umlenkungen etc. - Umbaumaßnahmen sind umfangreicher Optimierung Rauchgaskanal Folie 25

27 Optimierte Geometrie und Ergebnisse Optimierungsvorschlag 2: Decken- und Bodenblech Leitbleche strömungsoptimiert Optimierung Rauchgaskanal Folie 26

28 Optimierte Geometrie und Ergebnisse Draufsicht: Optimierung Rauchgaskanal Folie 27

29 Optimierte Geometrie und Ergebnisse Geschwindigkeit: Optimierung Rauchgaskanal Folie 28

30 Optimierte Geometrie und Ergebnisse Geschwindigkeit: Optimierung Rauchgaskanal Folie 29

31 Optimierte Geometrie und Ergebnisse Berechnete Druckverluste: Stat. Druckverlust vorher: 7,75 mbar Stat. Druckverlust nach Optimierung: Totaldruckverlust vorher: Totaldruckverlust nach Optimierung: 1,5 mbar 22,5 mbar 14,5 mbar Eingesparte Leistung pro Seite: V * p P 300kW Mit der optimierten Geometrie können rund 600 kw an elektrischer Leistung eingespart werden. Das entspricht einer Wirkungsgraderhöhung von 0,1 Prozent Optimierung Rauchgaskanal Folie 30

32 Zusammenfassung 1. In Bestandsanlagen kann der Stromeigenbedarf durch relativ einfache Umbaumaßnahmen verringert werden. 2. Wirkungsgradsteigerungen durch verbesserte Prozessführung 3. Größenordnung der Stromeinsparungen liegt in der Größenordnung von z.b. Biomassekraftwerken. 4. Keine komplizierten Genehmigungsverfahren. 5. Großes Einsparpotential auch bei anderen Bestandsanlagen Optimierung Rauchgaskanal Folie 31

33 Ende VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT Optimierung Rauchgaskanal Folie 32