CFD-Berechnungen. Computergestützte Simulation von Strömungs- und Verbrennungsvorgängen, Stoff- und Wärmetransport in Kraftwerken

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Helene Schräder
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1 CFD-Berechnungen Computergestützte Simulation von Strömungs- und Verbrennungsvorgängen, Stoff- und Wärmetransport in Kraftwerken 1

2 Wärmeabfuhrberechnungen Für die thermische Auslegung von Zwischenlägern für Behälter mit hochradioaktiven Abfällen (HAW) aus Kernkraftwerken führen wir Berechnungen zur Nachwärmeabfuhr durch. Die Kühlung der wärmeentwickelnden Behälter in den Lägern erfolgt nach dem STEAG-Konzept durch Naturzug. Dabei strömt Umgebungsluft durch seitlich am Gebäude befindliche Zuluftkanäle ein, wird durch Konvektion und Wärmestrahlung aufgeheizt und strömt durch im Dach des Gebäudes eingelassene Abluftöffnungen wieder hinaus. Ähnliche Berechnungen haben wir bereits auch für Anlagen zur Verglasung hochradioaktiver Abfälle durchgeführt. Auf der Basis von Wärmetransportmodellen werden Berechnungen zur Bestimmung von Oberflächen- und Medientemperaturen durchgeführt. Besonderes Augenmerk liegt hierbei auf der Dimensionierung von Einbauten in den Zuluft- und Abluftkanälen (Wetterschutzgitter, Barrieregitter, Jalousieklappen) zur Ermittlung und Minimierung von auftretenden Druckverlusten. Des Weiteren werden Konzepte zur Stellplatzoptimierung wärmeentwickelnder Behälter entwickelt. Erfolgreich absolvierte Projekte für verschiedene Standorte in Deutschland und der Schweiz: Standortzwischenläger Unterweser, Grohnde und Brokdorf (E.ON) Standortzwischenläger Brunsbüttel und Krümmel (Vattenfall) Standortzwischenlager Lingen (RWE) Standortzwischenlager Obrigheim (EnBW) Zentrales Zwischenlager der Schweiz (ZWILAG) Verglasungsanlage Karlsruhe (VEK) Nach der Temperatur eingefärbte Pfadlinien der Konvektionsströmung durch ein HAW-Behälterlager 2

3 Bei STEAG Energy Services werden im Bereich Nuclear Technologies CFD-Berechnungen zur computergestützten Simulation von Strömungsvorgängen sowohl in kerntechnischen Anlagen als auch in fossil befeuerten Kraftwerken durchgeführt. Kessel- und Verbrennungsberechnungen Zur Simulation des Feuerungsraums fossil befeuerter Kraftwerke führen wir Verbrennungsberechnungen durch, in denen der komplette Kessel samt komplexer Brennergeometrien simuliert wird. In den Verbrennungsberechnungen wird an den Brennern der Einlass des Brennstoffes samt Kern-, Primär-, Sekundär- und Tertiärluft mit entsprechenden Drallwinkeln geometrisch exakt abgebildet. Die Brennstoffparameter sowie die für die Verbrennung ausschlaggebenden chemischen Reaktionen fließen in die Berechnung ein. Bei Kohlestaubfeuerungen wird die Verbrennung auf den Pfaden der eingedüsten Kohlestaubpartikel berechnet. Beispielhaft zu nennende Ergebnisse von Verbrennungsberechnungen sind: Das Temperaturfeld im Feuerungsraum Die thermische Beanspruchung der Kesselwände Die Spezieskonzentrationen im Feuerungsraum Die Sauerstoffkonzentration an den Kesselwänden (Korrosionsvermeidung) Für die STEAG-Steinkohlekraftwerke Walsum und Iskenderun (Türkei) wurden Berechnungen erfolgreich durchgeführt. Darstellung des Temperaturfeldes im Kessel des Kraftwerks Walsum 3

4 Geometriemodell eines REA-Wäschers Konzentration der Suspension in den Sprühebenen eines REA-Wäschers des Kraftwerks Bergkamen Optimierung von Rauchgasentschwefelungsanlagen Im Zuge der Optimierung von Rauchgaswäschern für Großkraftwerke führen wir Berechnungen zur Verbesserung der Strömungsverhältnisse und der Abscheideleistungen von Wäschern und deren Zu- und Abströmkanälen durch. In den Berechnungen wird mit einem Rechenmodell für Mehrphasenströmungen der Wärme- und Stoffaustausch zwischen Tropfen und Rauchgas berücksichtigt. Dies kann durch geometrische Optimierung der Wäschereinbauten wie z.b. Sprühebenen, Sprühdüsen und Tropfenabscheider geschehen. Die Berechnungen dienen beispielsweise dazu, das Ge schwindigkeiten, Temperaturen und Suspensionskonzentrationen im Rauchgaswäscher zu homogenisieren, ins be son dere durch Unterdrückung der Rand gän gigkeit und der Schieflagen der Rauch gas strö mung. Für die STEAG-Steinkohlekraftwerke Bergkamen, Lünen, Bexbach und Iskenderun (Türkei) wurden Berechnungen zur REA-Optimierung erfolgreich durchgeführt. 4

5 Verteilung der Staubkonzentration in einem Elektrofilter Geometriemodell für eine Elektrofilteroptimierung Optimierung von Elektrofiltern Im Rahmen von Optimierungen der Elektrofilteranlagen in fossil befeuerten Kraftwerken führen wir Berechnungen zur Verbesserung der Strömungsführung im Elektrofilter sowie in den Zu- und Abströmkanälen durch. In erster Linie soll durch die Berechnungen das Optimierungspotential hinsichtlich der Durchströmung des Filters erzielt werden. Im Zuge dieser Berechnungen wird darüber hinaus die Staubkonzentration im Filter durch ein Rechenmodell für Mehrphasenströmungen bestimmt, um durch geometrische Optimierungen (Leitbleche, Klappen, Gasverteilungswände) die Bildung von Staubagglomerationen und Strähnen zu vermeiden. Mit Hilfe der Deutsch-Gleichung und der Staubverteilung wird die Staubabscheidung berechnet. Für folgende STEAG-Kraftwerke wurden Berechnungen für Elektrofilteroptimierungen erfolgreich durchgeführt: Kraftwerk Voerde Kraftwerk Lünen Kraftwerk Herne Kraftwerk Iskenderun (Türkei) 5

6 Nach der Strömungsgeschwindigkeit eingefärbte Pfadlinien der Drallströmung hinter zwei Rauchgaswäschern im Kraftwerk Bergkamen Iso-Konturen der Strömungsgeschwindigkeit in der Rauchgasreinigungsanlage des Raffineriekraftwerks Godorf Optimierung von Rauchgaskanälen Im Rahmen einer Vielzahl von Berechnungsprojekten haben wir bereits Optimierungen der Strömungsführung und der Einbauten in den Rauchgaskanälen fossil befeuerter Kraftwerke durchgeführt. Bei den Berechnungen stehen meist die Verbesserung der Strömungsverhältnisse und die damit einhergehende Ermittlung von Einsparpotentialen hinsichtlich des Druckverlustes im Vordergrund. Aus den Berechnungsergebnissen werden zielführend Vorschläge für geometrische Umbaumaßnahmen abgeleitet. Die Rauchgasparameter und die auftretenden thermodynamischen Effekte (Auftrieb, Wärmeübergang, Wärmequellen) werden modelltechnisch exakt berücksichtigt. Für Tröpfchenströmungen werden die Ausbreitung und die Verdampfung von Wassertropfen modelliert. Für eine Reihe von Kraftwerken wurden Berechnungen erfolgreich durchgeführt: Gemeinschaftskraftwerk Bergkamen (RWE/STEAG) Raffineriekraftwerk Godorf (Shell/STEAG) Braunkohlekraftwerk Niederaußem (RWE) Kohleheizkraftwerk Mainz (KMW) Cottam (E.ON UK) Iskenderun (Türkei, STEAG) 6

7 Aschekonzentration (links) und Strömungsgeschwindigkeit (rechts) in den Rauchgaskanälen zwischen Feuerraum und REA des Kraftwerkes Gorgas Pfadlinien einer Tröpfchenströmung im Reingaskanal des Kraftwerkes Cottam, koloriert nach der Temperatur Simulation von Partikel- und Tröpfchenströmungen In Rauchgaskanälen fossil befeuerter Kraftwerke treten Strömungen mit Partikeln in Form von Asche, Staub oder Tröpfchen auf. Wir führen dabei für verschiedene Problemstellungen CFD-Berechnungen durch. Beispielsweise setzen wir zur Bestimmung der Ascheund Staubkonzentrationen in Komponenten der Rauchgasreinigung (Elektrofilter, DeNO x -Anlagen) Modelle zur Simulation von Mehrphasenströmungen ein, um die Verteilung von Rauchgas, Partikeln und Tröpfchen zu homogenisieren. von Tröpfchen erfolgreich durchgeführt: Die STEAG-Kraftwerke Voerde, Lünen und Herne Das Infracor-Kraftwerk Marl Cottam Power Station (UK) Verschiedene US-amerikanische-Kraftwerke (Gorgas, Marion, Merom, Monroe) Für eine Reihe von Kraftwerken wurden Berechnungen mit Partikel- und Tröpfchenströmungen sowie Verdampfung 7

8 Steag Energy Services GmbH Nuclear Technologies Rüttenscheider Straße Essen Telefon Telefax SES-M Stand 05/2012

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