Küppers, Laszlo (2019)
Modellierung und numerische Beschreibung transienter Kraftwerksprozesse.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Die aktuelle Forschung und Entwicklung der Prozess-Simulation ist zunehmend mit der Abbildung transienter Vorgänge befasst. Die Hauptmotivation dafür ist in der sich in Richtung zunehmender Dynamisierung verändernden Landschaft der Stromerzeugung zu sehen. Hierfür reicht eine rein stationäre Betrachtungsweise in der Systemsimulation nicht mehr aus, das Abbilden des Verhaltens realer Kraftwerke erfordert eine dynamische Berechnung, um die häufiger werdenden Lastwechselszenarien ebenfalls erfassen und analysieren zu können. Somit kann die Simulation einerseits tiefer gehende Einblicke und Verständnis für die Prozesse vermitteln, andererseits ermöglicht sie Studien und das Durchspielen von „Was-Wäre-Wenn“-Szenarien ohne kostspielige und langwierige Versuche an realen Anlagen durchführen zu müssen. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Modellierung und numerischen Beschreibung dieser transienten Prozesse, um einen Newton-basierten Gleichungslöser für derartige dynamische Simulationen zu erweitern. Nach Analyse des Stands der Technik und Recherche der dazu erforderlichen mathematischen Grundlagen sowie deren numerischer Umsetzung werden verschiedene Modelle mit unterschiedlichen Algorithmen erstellt und implementiert. Es entstehen Software- Komponenten zur transienten Abbildung von Wärmetauschern, thermische Energie speichernden Rohrleitungen, Über- tragungsfunktionen mit verschiedenen Optionen für die Parametrierung und ein Schichtenspeicher. Die Modellierung der Fluid durchströmten Bauteile erlaubt neben der rein thermischen Dynamik auch das Massen-Ein-und Ausspeichern. Die neu implementierten Algorithmen konnten mit Hilfe von CFD-Simulationen sowie analytischer Nachrechnung verifi- ziert werden und garantieren eine richtige und entsprechend genaue Lösung der Bestimmungsgleichungen. Das Erreichen der Zielsetzung der Arbeit wird anhand dreier Demonstrationsbeispiele belegt. Der Newton-basierte Gleichungslöser einer kommerziell verfügbaren Softwareplattform konnte mit den vorgestellten Komponenten dahingehend erweitert werden, die Simulation dynamischer Prozessmodelle von kompletten Kraftwerken zu ermöglichen. Das Anwendungsspektrum der Simulationen wird auf Lastwechselszenarien beschränkt ohne Berücksichtigung von Störfällen, welche durch extrem große Gradienten der Prozessgrößen gekennzeichnet sind. Auch das komplette An- und Abfahren von Anlagen wird der- zeit nicht in die Betrachtungen eingeschlossen. Zunächst werden anhand eines einfachen Modells eines Abhitzekessels die Ergebnisse und die Performanz der transi- enten Bauteile verglichen im Rahmen eines simulierten Gasturbinenausfalls. Bei einem weiteren Demonstrationsmodell handelt es sich um einen Steinkohleblock, dessen Kessel mit Hilfe transienter Wärmetauscher modelliert wird. Zusätzlich werden hier noch Hauptbestandteile der Leit-/und Regelungstechnik wie die Regelung der Blocklast und untergeordnet die Speisewasser-, Frischdampf- und Zwischenüberhitzer-Regelung mit dynamischen Bauteilen abgebildet. Darüber hin- aus ist in Mindestlastfällen Umwälzbetrieb darstellbar, wenn Benson-Betrieb des Kessels nicht mehr möglich ist. In einem dritten Beispiel findet sich ein umfangreicheres Modell eines, wie in realen GuD-Anlagen eingesetzten Abhitzekessels, dessen drei Druckstufen mit insgesamt 24 transienten Wärmetauschern entlang des Rauchgasstroms von der Gasturbine zum Kamin hin dynamisch simuliert werden. Zusätzlich zu den Demonstrationsbeispielen konnten erste Studien zur Ver- besserung der Regelgüte bei Kreisprozessen erfolgreich durchgeführt werden. Das Demonstrationsmodell des Steinkohleblocks und auch das des Abhitzekessels zeigen für betriebsbedingt moderate Lastwechsel gute Übereinstimmungen der Berechnungen mit den Realdaten sowohl in Bezug auf das transiente Verhal- ten der physikalisch modellierten Komponenten als auch bei den Übertragungsfunktionen und Reglern. Die physikalisch reduzierten Modelle erzielen dabei gegenüber dem Crank-Nicolson-Verfahren immense Rechenzeitgewinne.

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