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6 | 2015

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Special Strom- und

Special Strom- und Wärmeerzeugung zessdynamik aufgrund thermischer Spannungen. Da in Niedriglast auf Umwälzbetrieb umgeschaltet werden muss, sind Lastwechsel in diesem Lastbereich und das Anfahren eine große Herausforderung an die Leittechnik der Kraftwerke. Im nahkritischen Bereich, das heißt in einem Druckbereich zwischen etwa 200 und 250 bar, haben bereits kleine Temperaturänderungen große Auswirkungen auf die Stoffwerte des Arbeitsfluides. Die vorhandenen Berechnungsmethoden sind gerade in solchen transienten Prozessen unpräzise und eine exakte Prozesssimulation in diesem Bereich somit nicht möglich. Die Regelung von Dampferzeugern bietet oftmals ein großes Optimierungspotenzial, wobei leittechnische Maßnahmen ohne Verständnis der Dynamik des Dampferzeugers nicht umsetzbar sind. Am Lehrstuhl für Energiesysteme der Technischen Universität München wird im Rahmen des vom Bayerischen Staatsministerium für Bildung und Kultus, Wissenschaft und Kunst geförderte Forschungsvorhabens „Energy Valley Bavaria“ in der Arbeitsgruppe „Flexible Kraftwerke“ die Flexibilitätssteigerung von konventionellen Kraftwerken untersucht. Es werden unter anderem dynamische Simulationen von komplexen Kraftwerkssystemen sowie experimentelle Untersuchungen zu Verdampfungsprozessen im dynamischen Kraftwerksbetrieb durchgeführt. Bild 1 Aufbau der Forschungsziele und der Methodik. Zielsetzung des Forschungsprojektes Ziel des Forschungsprojektes ist es, Maßnahmen zu benennen, mit denen die Lastdynamik erhöht werden kann, sowie insbesondere die Auswirkungen der dynamischen Fahrweise auf die Betriebssicherheit und die Lebensdauer der Kraftwerks - komponenten zu untersuchen. Es soll eine große Bandbreite von Dampferzeugern in Kraftwerken sowohl in Simulationen als auch in Experimenten abgebildet werden (Bild 1). Dazu werden dynamische Simulationsmodelle eines kohlegefeuerten Dampferzeugers und des Abhitzedampferzeugers einer GuD-Anlage erstellt. Mit diesen Modellen lassen sich leittechnische Maßnahmen zur Steigerung der Lastgradienten erforschen. Unabhängig davon, ob der Verdampfer als Umlauf- oder Durchlaufsystem ausgeführt ist, treten dabei größere Gradienten für Druck und Temperatur im Dampferzeuger auf. Diese Werte dienen als Grundlage für die Auslegung der Hochdruckverdampferstrecke Hiper (High Pressure Evaporation Rig) sowie für die Festlegung des Parameterraums der Experimente. Die Darstellung des Prozessverhaltens anhand dynamischer Modelle mitsamt der für den Betrieb relevanten Regelkreise bildet die Grundlage für Optimierungsansätze, die im Verlauf des Projektes erarbeitet werden. Als thermalhydraulisches Simulationswerkzeug wird die Software Apros (VTT) verwendet. Thermohydraulik in Verdampferrohren Um einen flexibleren Kraftwerksbetrieb zu realisieren, ist es auch von Relevanz, dass jede davon betroffene Komponente des Kraftwerks für die größeren Gradienten, den häufigeren Betrieb im Teillastbereich und eine niedrigere Mindestlast tauglich ist. Bei unterkritisch arbeitenden Dampfkraftwerken mit Umlaufdampferzeugern stellen überwiegend die dickwandigen Bauteile, wie beispielsweise die Trommeln, limitierende Faktoren dar. Bei überkritisch arbeitenden Kraftwerken mit Durchlaufdampferzeugern hingegen kann der Verdampfer ebenfalls als zunehmend kritische Komponenten angesehen werden. Die bisher langsamen Lastwechselvorgänge haben in der Vergangenheit mit sehr großer Sicherheit für einen stabilen Betrieb des Verdampfers gesorgt. Im Zuge der Flexibilisierung müssen größere Gradienten sowie stationäre Teillastbetriebspunkte fernab des Auslegungspunktes im Dampferzeugerbetrieb zugelassen werden. Es ist daher von Interesse, den Druckverlust und den Wärmeübergang sowie die Strömungsstabilität im Verdampfer während dynamischer Vorgänge und im Teillastbetrieb zu kennen und verlässlich vorhersagen zu können. Bild 2 Auszug gängiger Korrelationen für die Vorhersage des verschlechterten Wärmeübergangs. 10 BWK Bd. 67 (2015) Nr. 6

Strom- und Wärmeerzeugung Special Bild 3 Vereinfachtes Fließschema und Auslegungsdaten der Hochdruck-Verdampferstrecke Hiper. Neben den Problemstellungen aus dem Bedarf an größerer Flexibilität gibt es in der Literatur noch offene Fragestellungen zu den thermohydraulischen Grundlagen der Dampferzeugung. Ein Beispiel hierfür ist der verschlechterte Wärmeübergang bei überkritischen Drücken. Bei unterkritisch arbeitenden Dampferzeugern ist die Siedekrise ein bekanntes und im Betrieb gleichermaßen unerwünschtes Phänomen. Bei überkritischen Drücken führt der verschlechterte Wärmeübergang (englisch: Deteriorated Heat Transfer, DHT) im Dampferzeuger zu lokal stark ansteigenden Werkstofftemperaturen und damit einhergehend zu großen Belastungen. Ursachen für dieses Phänomen liegen in starken Stoffwertänderungen im nahkritischen Bereich. Umfangreiche Literaturstudien zu diesem Phänomen wurden von Pioro und Duffey [2] vorgestellt. Bisherige Korrelationen aus verschiedenen Arbeiten ermöglichen es, die kritische Wärmestromdichte für das Auftreten des DHT für stationäre Zustände in Abhängigkeit der Massenstromdichte und des Drucks im Verdampfer zu berechnen. Wie in Bild 2 zu erkennen ist, zeigen die verschiedenen Beziehungen jedoch deutlich abweichende Ergebnisse in der Berechnung der kritischen Wärmestromdichte. Die früheren Untersuchungen erfolgten zudem nicht mit dem Hintergrund des Bedarfs an hoher Kraftwerksflexibilität, sondern überwiegend stationär. Sie sind deshalb nicht konkret auf die aktuellen Fragestellungen übertragbar, weshalb gezielte Untersuchungen hierzu erforderlich sind. Zu diesem Zweck wird am Lehrstuhl für Energiesysteme an der TUM derzeit die Verdampferstrecke Hiper errichtet. Das vereinfachte Fließschema sowie die wichtigsten Eckdaten sind in Bild 3 dargestellt. Über ein Zusammenspiel aus Kolbenpumpe und Drosselventilen wird ein Druckbereich bis maximal 380 bar bei maximalen Fluidtemperaturen von 580 °C abdeckbar sein. Durch eine direkte elektrische Beheizung wird eine gleichmäßige und gut quantifizierbare Verteilung der Wärmestromdichte realisiert, die auftretenden Wärmeübergangskoeffizienten werden dabei durch engräumige Temperaturmessungen auf der Rohraußenseite ermittelt. Der Aufbau der Anlage ist seit 2014 im Gange, und die wesentlichen maschinentechnischen und elektrischen Komponenten sind bereits vorhanden. Die nächsten Schritte sind die Fertigstellung der Infrastruktur und die Inbetriebsetzung. Die prinzipielle Eignung des Anlagenlayouts wurde vorab mit einem kleineren Funktionsmodell (p max = 5 bar, T max = 250 °C, Q max = 6 kW) erfolgreich erprobt. Simulation transienter Kraftwerksprozesse Die simulierten Dampferzeuger werden mit Hilfe von Geometriedaten und Validierungsmessungen erstellt. Um die Realitätstreue zu gewährleisten, setzt der Lehrstuhl für Energiesysteme auf die Zusammenarbeit mit mehreren Kooperationspartnern. Dazu gehören unter anderem E.on Technologies und die Stadtwerke München. Um eine Erhöhung der Lastdynamik, die sich im Allgemeinen aus Beschleunigungen verschiedener transienter Vorgänge und der Änderung von Prozessabläufen zusammensetzt, zu erreichen, werden neben den kraftwerksspezifischen Abläufen auch leittechnische Maßnahmen untersucht. Unter Berücksichtigung des Lebensdauerverbrauchs aus Zeitstands- und Lastwechselbeanspruchung nach DIN EN 12952 können zum Beispiel die leittechnisch festgelegten maximalen Lastgradienten vergrößert sowie eine Analyse und Potenzialbewertung aus bisherigen Vorgängen durchgeführt werden. WAS SIE 2015 VON UNS ERWARTEN KÖNNEN? BWK Bd. 67 (2015) Nr. 6

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