Untersuchungen zur Verbesserung der statischen Stabilität von Zwangdurchlaufverdampfern in braunkohlebefeuerten Dampferzeugern

Dissertation von Philipp Kather
Universität Stuttgart, 2020

In modernen braunkohlebefeuerten Dampferzeugern kann es zu statischen Verdampferinstabilitäten kommen. Dabei stellt sich eine ungleichmäßige Verteilung der Austrittstemperaturen aus den mehreren hundert Verdampferrohren ein. Ursächlich ist das Zusammenspiel einer besonders im Teillastbetrieb ungleichmäßigen Verteilung der Wärme auf die Verdampferwände und einer ungleichmäßigen Verteilung des Gesamtmassenstroms auf die einzelnen Verdampferrohre. Das Ziel der Arbeit ist es, dieses Phänomen mittels gekoppelter Dampferzeugersimulation nachzubilden und mögliche Abhilfemaßnahmen zu untersuchen.

Während die Verteilung der Wärme auf die Verdampferwände direkt abhängig von den Feuerungsbedingungen ist, stellt sich die Massenstromverteilung auf die Einzelrohre als eine Funktion der geometrischen, betrieblichen sowie thermo- und fluiddynamischen Randbedingungen ein. In der Arbeit erfolgen eine Auswahl zuverlässiger Modelle zur Beschreibung der beheizten Zweiphasenströmung sowie eine anschauliche Erläuterung zur theoretischen Entstehung der statischen Verdampferinstabilität.

Um die im realen Verdampfer ablaufenden Vorgänge zu analysieren, werden zunächst zwei Voruntersuchungen durchgeführt. Mithilfe eines stark vereinfachten Modells werden neben der Wärmezufuhr auch geometrische Parameter wie Rohrlänge oder Krümmer variiert, sowie betriebliche Randbedingungen verändert, um die Sensitivitäten einzelner Einflussgrößen auf die Temperaturverteilung am Verdampferaustritt zu ermitteln. In einem nächsten Schritt wird ein detailliertes Modell einer tatsächlichen Verdampfergeometrie homogen beheizt, um die Effekte der geometrischen und wasser-/dampfseitigen Einflussgrößen isoliert betrachten zu können. Dabei stellt sich heraus, dass die Massenstromverteilung sowohl durch die Geometrie der Einzelrohre als auch durch die jeweilige Position am Verteiler bzw. Sammler beeinflusst wird. Eine gleichmäßige Aufteilung des Gesamtmassenstroms und somit eine Beseitigung der Verdampferinstabilitäten sind allein aus diesem Grund nicht möglich.

In einem weiteren Schritt findet die gekoppelte Simulation mit einer CFD-Feuerraumberechnung statt, d. h. es wird eine deutlich heterogene Wärmestromdichteverteilung auf die Verdampferwände aufgeprägt. Mit der ungleichmäßigen Wärmezufuhr kommt eine weitere Einflussgröße auf die Massenstrom- und Temperaturverteilung am Verdampferaustritt hinzu.

Die Simulationsergebnisse zeigen eine sehr gute qualitative Übereinstimmung mit Messwerten aus dem Kraftwerksbetrieb sowohl für den Volllastbetrieb als auch für die beiden Teillasten von 70% und 50%.

Eine bereits realisierte Möglichkeit, um statische Verdampferinstabilitäten abzuschwächen, bietet der sog. Mischverteiler, welcher in den Verdampfer eingebaut wird und durch Mischung und Neuverteilung des Gesamtmassenstroms eine deutliche Reduktion der Temperaturdifferenzen am Verdampferaustritt bewirkt. Seine Wirkungsweise wird analysiert und dargestellt. Die maximal auftretende Temperaturdifferenz am Verdampferaustritt lässt sich damit bei den betrachteten Betriebsfällen auf 50 – 75% ihrer ursprünglichen Größe reduzieren.

Auf dieser Basis werden als weitere Abhilfemaßnahmen eine größere Dimensionierung des Verdampferaustrittssammlers und regelbare Ventile in den acht Verdampferableitungen vorgeschlagen und untersucht. Durch eine Kombination der Maßnahmen kann die maximal auftretende Temperaturdifferenz am Verdampferaustritt im Gegensatz zum alleinigen Einsatz des Mischverteilers nochmals mehr als halbiert werden.

Zum Seitenanfang