Über die Trennung und Vereinigung von Dampf in Großkraftwerken

Dissertation von Alan Matschke
Universität Stuttgart, 2012

Eine Steigerung des Wirkungsgrads im Dampferzeugungsprozess ist hauptsächlich durch die Steigerung der Dampfparameter Druck und Temperatur zu erreichen. Die Temperatur der Heizflächenrohre wirkt sich direkt auf deren zu erwartende Lebensdauer aus. Die Menge an durchströmendem, kühlendem Dampf bestimmt wesentlich die Temperatur der Heizflächenrohre.
Für die Berechnung der Einzelrohrtemperaturen wird der gegenseitige Einfluss der Feuerung und des Wasser-Dampf-Kreislaufs auf Basis einer gekoppelten Simulation untersucht.

Neben der Wechselwirkung zwischen Feuerung und Wasser-Dampf-Kreislauf hat die Gestaltung der Verteiler und Sammler der Heizflächen einen direkten Einfluss auf die Materialtemperaturen.
Die Kombination aus Verteilern, Sammlern und Heizflächenrohren führt zu einer Ungleichverteilung des Massenstroms auf die Heizflächenrohre. Durch eine detaillierte Betrachtung der Druckverläufe in Verteilern und Sammlern wird in dieser Arbeit die Massenstromaufteilung des Dampfs auf die einzelnen Heizflächenrohre analysiert.

Durch eine ähnlichkeitsmechanische Betrachtung werden die den Druckverlauf in Verteilern und Sammlern bestimmenden Zusammenhänge ermittelt. Die Parametrisierung des ähnlichkeitsmechanischen Ansatzes erfolgt anhand eines Vergleichs mit den gemessenen Druckverläufen einer luftdurchströmten Verteiler-Sammler-Kombination.
Auf Basis der experimentellen Ergebnisse werden CFD-Simulationen der bestimmenden Größen durchgeführt, die den experimentellen Aufbau von den Verhältnissen im Kraftwerk unterscheiden. Der entwickelte ähnlichkeitsmechanische Ansatz wird für nahezu alle bestimmenden Größen bestätigt. Abweichungen ergeben sich lediglich bei sehr kurzen Ringabständen im Verteiler. Die hierbei auftretenden Sekundärströmungen haben jedoch nur einen sehr geringen Einfluss auf den eigentlichen Druckverlauf im Verteiler und somit auf die Massenstromaufteilung auf die Heizflächenrohre.

Der Vergleich von gemessenen und berechneten Rohrtemperaturen eines modernen braunkohlegefeuerten Dampferzeugers zeigt die gute Übereinstimmung zwischen Messung und Simulation. Die Einzelrohrtemperaturen einer Heizfläche werden über die Kesselbreite verlässlich berechnet. Die Vorhersage vertikal übereinander angeordneter Heizflächenrohre gelingt weniger gut. Hier führen die im Kraftwerk verbauten Rußbläser zu unterschiedlichen Schmutzschichtdicken, die in der gekoppelten Simulation derzeit nicht berücksichtigt werden.

Durch die Verwendung von Höchstleistungsrechnern wird die Rechenzeit für eine gekoppelte Simulation signifikant reduziert. Dies ist notwendige Voraussetzung, um bereits im Betrieb befindliche und zukünftig zu bauende Dampferzeuger zu optimieren.

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