CFD schafft Optimierungspotenziale

Der Autor: Michael Mayr Marketing Manager DACH, Ansys Germany

Hersteller von Verbrennungsanlagen, wie beispielsweise die Hitachi Power Europe GmbH (HPE), sehen sich mit zahlreichen Anforderungen konfrontiert: Einerseits sollen moderne Kohlekraftwerke den Ausstoß von Treibhausgasen wie CO2 und Stickoxyden (NOx) so gering wie möglich halten, andererseits soll die Verbrennungsanlage möglichst wirtschaftlich arbeiten.

Der Schutz vor Korrosion spielt bereits bei der Planung eines Dampferzeugers eine entscheidende Rolle, denn hierbei können Kosten für den Betreiber eingespart werden. Das bedeutet, dass bei der Auslegung der Feuerung an den Wänden überall Sauerstoff in ausreichender Menge vorhanden sein muss. Ebenso soll der Verbrennungsprozess verfahrenstechnisch optimiert ablaufen, also mit möglichst niedriger Luftzahl, um so den Wirkungsgrad hoch und damit den CO2-Ausstoß niedrig zu halten. Die Wärme im Feuerraum soll sich möglichst homogen verteilen, ebenso wie die Spezieskonzentrationen am Austritt aus dem Feuerraum.

Neben den oben skizzierten technisch-physikalischen Anforderungen haben die Kunden – das sind in der Regel die Elektrizitätswerke – oft Sonderwünsche, auf die ein Unternehmen wie HPE eingehen muss. Das heißt, dass ein Kraftwerk mit einer Verbrennungsanlage fast immer eine Einzelanfertigung ist, die individuell geplant, konstruiert und ausgeführt wird.

Um zu verstehen, wie die Ingenieure von HPE diesen Anforderungen gerecht werden können, ist es notwendig die Funktionsweise einer Verbrennungsanlage kurz zu umreißen: Damit Kohle mit möglichst hohem Wirkungsgrad verbrannt werden kann, muss sie zunächst zu Kohlenstaub vermahlen und getrocknet werden. Dies geschieht in den Mühlen. Mit der Luft wird der Kohlenstaub aus der Mühle ausgetragen und zu den Brennern transportiert. Am Brenner erfolgt eine Verbrennung mit interner Luftstufung, um eine NOx-arme Verbrennung zu gewährleisten. Hierzu werden Sekundärluft und Tertiärluft, die konzentrisch um das Staubrohr angeordnet sind, zugeführt. Um möglichst niedrige NOx-Emissionen zu erreichen, wird zusätzlich zu der Luftstufung am Brenner eine Luftstufung im Feuerraum durchgeführt. Dazu werden die Brenner in der Regel nahstöchiometrisch betrieben und die für den vollständigen Ausbrand benötigte Luftmenge wird über die sogenannte Oberluft zugegeben.

Das Wirkprinzip ist bei diesen Vorgängen bekannt, doch Details an der Konstruktion lassen sich stets verbessern. Moderne computerunterstützte Simulationsverfahren spielen hierbei schon seit geraumer Zeit eine bedeutende Rolle, zumal man am virtuellen Modell ohne großen Kosten- und Materialaufwand die Wirkung von Anordnungsvarianten darstellen und berechnen lassen kann.

Während man die Simulation zunächst dazu eingesetzt hat, Probleme bei bestehenden Anlagen genau zu identifizieren, verlagert sich ihr Einsatz immer weiter in Richtung Planung und Konzeption von Verbrennungsanlagen. Dr.-Ing. Martin Ehmann, Handlungsbevollmächtigter Numerische Strömungssimulation bei Hitachi Power Europe GmbH, begründet das folgendermaßen: „Beim Kraftwerksbau sollte man am Anfang schon wissen, was am Ende rauskommt, denn nachträgliche Änderungen kosten immer viel Geld. Vor den Auftraggebern muss man nachweisen, dass man mit den Änderungen Szenarien, die dem Betreiber hohe Kosten verursachen, verhindern kann. Das war bis vor kurzem die eigentliche Hauptaufgabe der Simulation.“ Mittlerweile wird die Simulation bereits in der Projektierungsphase verwendet, um zu sehen, wie man bestimmte Details verbessern kann.

Eines dieser Details sind zum Beispiel Leitbleche für die Anströmung der Rauchgasentschwefelungsanlage. In einem speziellen Fall wurden sie vom Team um Dr. Ehmann im virtuellen Modell getestet. Dabei stellten die Ingenieure fest, dass es in der Rauchgasleitung Zonen mit sehr ungleichmäßigen Strömungen gibt. Für das Team bedeutete dies, dass weitere Bleche eingebaut werden mussten, damit die Anströmung technisch optimal erfolgt.

Als Software greifen die Ingenieure von HPE auf die Simulationsprogramme Fluent, Version 13, 14 und 14.5 des US-amerikanischen Herstellers Ansys zurück. Fluent ist speziell für die Simulation des Strömungsverhaltens (englisch: Computational Fluid Dynamics, abgekürzt CFD) entwickelt worden und hat sich vielfach bei der Konzeption von Feuerungsanlagen bewährt. Mithilfe dieser Tools lassen sich das Verhalten von Gasen und ihre chemischen Reaktionen im virtuellen Modell abbilden. Ebenso kann man mit dieser Software die Korrosion an Oberflächen nachbilden. Dieses Feature kommt zum Einsatz, um die mögliche Abzehrung an den Feuerraumwänden zu ermitteln. Die Erkenntnisse daraus gehen in das Design der Anlagen ein, denn hier besteht ja eine maßgebliche Anforderung darin, die Korrosion an den Wänden möglichst gering zu halten.

Um das Verhalten von Luftströmungen oder die Ausbreitung von Wärme mithilfe der Simulationssoftware abzubilden, stehen den Mitarbeitern von HPE zwei Möglichkeiten offen: eine Simulation in 2-D oder ein dreidimensionales Modell. Die 3-D-Simulation bietet oft eine wirklichkeitsgetreuere Darstellung. Wenn dies physikalisch begründet werden kann, untersuchen Dr. Ehmann und seine Kollegen allerdings am 2-D-Modell, denn sie kommt mit deutlich weniger Rechenkapazität und -zeit aus als die aufwendige 3-D-Simulation. So lässt sich beispielsweise die Geometrie des Brenners zu weiten Teilen zweidimensional abbilden. Der Vorteil hierbei: Da nicht so viel Rechnerleistung in Anspruch genommen wird, kann man viel mehr Varianten in der Konstruktion testen, um schließlich die optimale Geometrie zu finden. Dennoch lassen sich nicht alle Gegebenheiten im 2-D-Modell untersuchen. So hat der Brenner beispielsweise schiefe Anströmungen, die man nicht mehr zweidimensional simulieren kann. Um eine weitere Bestätigung der optimierten Bauweise zu finden, verwenden die HPE-Ingenieure hier die 3-D- Simulation. Eine solche Simulation kann durchaus mehrere Tage beanspruchen. Sobald die Mitarbeiter von HPE eine Konstruktion mit sämtlichen Vorgaben und Parametern erstellt haben, überprüfen sie die Konstruktion noch einmal in einem 3-D-Feuerraummodell mit einem besonders hohen Detaillierungsgrad. Da diese Simulationen sehr große Rechen- kapazitäten beanspruchen und zum Teil mehrere Wochen dauern, setzen Dr. Ehmann und sein Team sie nur dort ein, wo es unbedingt erforderlich ist.

Im Allgemeinen treten zu diesem Zeitpunkt keine großen Veränderungen mehr auf. Nur auf verfahrenstechnischer Seite werden eventuell kleinere Details optimiert, die allerdings nicht die großen Bauteile betreffen. Auch hier heißt es abwägen, ob die Verbesserungen den Aufwand, den man dafür in Kauf nehmen muss, ihren Preis wert sind. In der Simulation weist das Team nach, ob man mit kleineren Problemen leben kann oder nicht. Steht die Anlage, nehmen die Ingenieure Testmessungen vor, um die Zahlen aus dem virtuellen Modell in der Realität zu überprüfen. Validierungsmessungen gehören als integraler Bestandteil zum Simulationsprozess, denn damit lassen sich die rein rechnerisch ermittelten Zahlen bestätigen. Mit den Messergebnissen können darüber hinaus die Randbedingungen der physikalischen Prozesse im realen Betrieb ermittelt werden. Außerdem gehen die Messergebnisse aus dem Betrieb der realen Anlage in Form von optimierten Modellparametern in künftige Berechnungen ein, um noch mehr Treffsicherheit bei den Simulationen zu erhalten. Die Simulationssoftware Fluent hat auch den Vorteil, dass man die Modelle schnell und problemlos an neue Randbedingungen anpassen kann. Sollten die Auflagen von Kraftwerksbetreibern oder von Behörden noch strenger werden, können zukünftige Anforderungen mithilfe der Ansys-Simulationssoftware rasch durch ein modifiziertes Design erfüllt werden.

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