An den Membranwänden von Dampferzeugern treten häufig Beläge auf. Da moderne Energiepolitik unter anderem zu flexiblem Einsatz der Kraftwerke in Teil- und Volllast oder dem Einsatz von Brennstoffmischungen führt, ändern sich diese Beläge in ihrer Menge und Beschaffenheit ständig. Es gibt eine Vielzahl an Reinigungsmethoden, um die Beläge zu entfernen. Für deren optimalen Einsatz sind tiefer gehende Kenntnisse über die Ablagerungen notwendig. Deswegen gibt es verschiedene Modelle zur Bilanzierung des Verdampfers und Sensoren, mit denen die Belagssituation erfasst werden kann. Diese sitzen allerdings meist so, dass sie einen lokal begrenzten Bereich erfassen. Die Bilanzmodelle sind in der Regel auf den gesamten Verdampfer ausgerichtet, sodass man nur Aussagen über dessen Gesamteffizienz erhält und kein Urteil über die Belagsbeschaffenheit fällen kann. Mit den Sensoren lässt sich zwar gut erkennen, wo sich Ablagerungen befinden, aber nur bei wenigen ist eine verlässliche Bewertung über den vorherrschenden Typ der Ablagerung möglich. Ursache ist, dass sie nur auf die Messung eines Effektes ausgerichtet sind. Um diesem Problem entgegenzuwirken, ist die Kopplung einer Bilanzierung mit einem oder mehreren Sensoren als Stützstellen zweckmäßig.
Die vorliegende Arbeit nutzt eine weit verbreitete Messmethode, die Messung der Temperatur an Rohrscheitel und Steg der Membranwandaußenseite, um zunächst lokale Bilanzmodelle aufzustellen, welche den Verdampfer nicht nur als Gesamtsystem, sondern in Ebenen aufgeteilt beschreiben. Die Bilanzmodelle umfassen sowohl den Wasser-Dampf-Kreislauf als auch den Feuerraum je eines unterkritischen und eines überkritischen Dampferzeugers. Sie geben Aufschluss über Temperaturverteilungen und die örtlich dem Wasser-Dampf-Kreislauf zugeführte Wärme. Zusätzlich liefern sie eine Prognose für die Belagsverteilung über der Verdampferhöhe. Beide Modelle werden in realen Kraftwerken angewendet. Das Bilanzmodell für den unterkritischen Dampferzeuger findet in einem Müllheizkraftwerk (MHKW) und das überkritische Bilanzmodell in einem Braunkohlekraftwerk Anwendung. Zur Validierung werden die Bilanzmodelle im Rahmen der Arbeit je mit bereits im Einsatz befindlichen globalen Bilanzmodellen und im Fall des überkritischen Dampferzeugers zusätzlich mit einer weiteren ebenenweisen Bilanzierung verglichen. Um weitere Informationen zu erhalten, sind diese Bilanzmodelle mit den Rohrscheitel- und Stegtemperatursignalen gekoppelt, sodass sie Informationen für einen Ablagerungssensor liefern. Dieser berechnet den lokal auftretenden Belagswiderstand. Der Sensor basiert auf der Fourier’schen Wärmeleitungsgleichung und berechnet auftretende Wärmeströme mit der Methode der finiten Volumen (FVM).
Die Verwendung des Sensors ist nicht nur auf ebene Wänden beschränkt, sondern auch für die Rohr-Steg-Geometrie von Membranwänden möglich. Um mit dem Sensor realitätsnahe Ergebnisse zu erhalten, werden Effekte wie Verschattung durch die Geometrie sowie Strahlung im Spalt hinterlüfteter Platten berücksichtigt. Die Validierung des Sensors erfolgt durch eine präparierte Feuerfestplatte, in welche Thermoelemente eingelassen sind. Dieser Aufbau wird mittels Sensor simuliert und das berechnete Temperaturfeld mit den Messdaten verglichen. Um Informationen über den Belagswiderstand erhalten zu können, ist der Ablagerungssensor mit Reglern ausgerüstet, welche über das Temperatursignal am Steg oder das Temperaturdifferenzsignal zwischen Rohrscheitel und Steg als Sollwert den Istwert der Belagsdicke, der Temperaturleitfähigkeit oder andere Werte regeln können. Mithilfe des Sensors kann so der Aufbau des Belags über der Reisezeit des MHKWs bestimmt werden. Zusätzlich wird der Ablagerungssensor eingesetzt, um mögliche Umbaumaßnahmen zu bewerten. Auch für den überkritischen Dampferzeuger lassen sich verschiedene Belagssituationen nachbilden. Im Rahmen der Arbeit sind dafür verschiedene Fälle gezeigt. Im Abschluss wird vorgestellt, wie der Ablagerungssensor in den Betrieb einer Realanlage integriert werden könnte.:Abkürzungs- und Symbolverzeichnis VII
1 Einleitung, Problem- und Zielstellung der Arbeit 1
2 Einordnung von Dampferzeugern 3
3 Erfassung der Belagssituation, ihrer Ursachen und ihrer Auswirkungen 9
3.1 Diskontinuierliche Sensormesssysteme zur Erfassung der Belagssituation 12
3.2 Kontinuierliche Messsysteme zur Erfassung der Belagssituation 14
3.3 Thermodynamische Bilanzierung 19
3.3.1 Thermodynamische Betrachtung des Dampferzeugerwirkungsgrades 20
3.3.2 Unterkritische Kesselanlagen 22
3.3.3 Überkritische Kesselanlagen 23
3.4 Kombinierte Systeme 25
4 Bilanzierung des Wasser-Dampf-Kreislaufes und des Feuerraumes zur Bestimmung der
Wärmeauskopplung 29
4.1 Bilanzierung vom Feuerraum zum Wasser-Dampf-Kreislauf 30
4.1.1 Bilanzierung des Feuerraumes 30
4.1.2 Bilanzierung des Wasser-Dampf-Kreislaufes 34
4.2 Bilanzierung vom Wasser-Dampf-Kreislauf zum Feuerraum 37
4.2.1 Bilanzierung des Wasser-Dampf-Kreislaufes 37
4.2.2 Bilanzierung des Feuerraums 39
5 Entwicklung eines Ablagerungssensors für zugestellte und nicht-zugestellte Membranwände 43
5.1 Zielstellung 43
5.2 Modellansätze 44
5.2.1 Rahmenbedingungen und Zielstellung für einen Ablagerungssensor eines unterkritischen Dampferzeugers 47
5.2.2 Rahmenbedingungen und Zielstellung für einen Ablagerungssensor eines überkritischen Dampferzeugers 48
5.3 Einordnung des Programms im Kraftwerk 51
5.4 Programm-Aufbau 51
V
Inhaltsverzeichnis
5.5 Notwendige Rand- und Anfangsbedingungen sowie Eingangsparameter 53
6 Einsatz der Bilanzmodelle und des Ablagerungssensors 55
6.1 Bilanzierung unterkritischer Kesselanlagen am Beispiel eines Müllheizkraftwerks 55
6.1.1 Belagssituation und Schutzmaßnahmen 55
6.1.2 Vorhandene Messtechnik 56
6.1.3 Bilanzmodell von Feuerraum und Wasser-Dampf-Kreislauf 57
6.1.4 Anwendung des Ablagerungssensors auf hinterlüftete Platten 63
6.1.5 Auswertung und Handlungsempfehlung für den Naturumlaufkessel 75
6.2 Bilanzierung überkritischer Kesselanlagen am Beispiel eines Braunkohle-befeuerten
Kraftwerks 77
6.2.1 Das Kraftwerk 77
6.2.2 Vorhandene Messtechnik 79
6.2.3 Bilanzierungen mit Realdaten 80
6.2.4 Bewertung der Ergebnisse 85
6.2.5 Validierung der Ergebnisse 87
6.2.6 Bilanzierung der Verdampferwand mit dem Ablagerungssensor 89
6.2.7 Simulation mit realen Messwerten 95
6.2.8 Auswertung und Handlungsempfehlung für den überkritischen Dampferzeuger 101
7 Zusammenfassung und Ausblick 103
Literatur 105
Abbildungsverzeichnis 113
Tabellenverzeichnis 117
Anhang 118
A Berechnungsmethoden für die Bilanzmodelle 119
A.1 Vergasungsrechnung 119
A.2 Wärmeauskopplung nach Doležal 122
A.3 Berechnung von Wärmeübergangskoeffizienten 122
A.4 Berechnung der Umlaufzahl 124
A.5 Wärmeübergang wasserseitig 125
A.6 Widerstandsberechnung 129
B Ergebnisse aus der Bilanzierung des überkritischen Dampferzeugers 131
B.1 22.01.2020 3:46 Uhr 131
B.2 22.01.2020 7:30 Uhr 132
B.3 29.01.2020 17:20 Uhr 134
B.4 02.02.2020 15:38 Uhr 135
B.5 07.02.2020 12:11 Uhr 136
C Befehlsreferenzen für den Ablagerungssensor 139 / Deposits stick to the surface of evaporators in steam generators. Modern energy politics force power plants to operate flexible, under full and partial load or to use fuel mixtures. These necessities influence the deposits in amount and structure. Thus, numerous cleaning methods exist to remove them. For optimal use of these cleaning methods, a deeper knowledge about the deposits is necessary. Hence, different models were developed to balance the evaporator, whereas sensors trace the deposit situation, though these sensors are mostly limited to local spots. Normally, the models balance the whole evaporator as one boundary system making assessment of the overall efficiency possible, while local deposit structures cannot be detected. In contrast, the sensors serve for detecting the deposits locally. Yet, the classification of the deposit type is not possible for most sensor types, nonetheless. Reason is the limitation to one specific effect. A coupling of both the balancing model and one or more sensors may help in counteracting that problem.
The present work uses a widely established measurement method: the measurement of temperature both at tube crown and bridge via thermo couples. They serve for setting up balancing models that split the evaporator in several segments. These models incorporate combustion chamber as well as water-steam-cycle of each an undercritical and a supercritical steam generator. They shed light on temperature distribution throughout the evaporator height and the heat supplied to the water-steam-cycle. Additionally, they provide a height-dependent prediction of the deposit distribution. Both the model for an undercritical and the one for a supercritical steam generator are applied to existing power plants. The undercritical model is used to analyze a municipal waste incinerator, whereas the supercritical model assesses a lignite-fired power plant. They are validated with already established global balancing models. Furthermore, an existing levelwise online balancing tool was applied to the supercritical steam generator and was compared for validation. For further information, a coupling of the balancing models with the temperature measurement signal was realized, which provides additional information used by a deposit sensor. This sensor calculates the locally occurring deposit resistance. It is based on Fourier’s heat equation and calculates by use of a finite volume method.
The sensor is not limited to even walls, but can be applied to membrane walls as well. Effects like shadowing of the 2D-geometry or gap radiation are implemented to gain realistic results. Validation is realized with a primed tile, having ingrained thermo couples. The tile is reproduced geometrically with the deposit sensor and calculated. The resulting temperature field may be compared to the measured values. For further information about the deposit, the deposit sensor also includes controllers, adjusting deposit thickness, thermal diffusivity or other parameters. Reference values are the temperature signal at crown and bridge. By use of the sensor, the deposit growth inside the incinerator is evaluated during its travel time. Additionally, the sensor helps in judging over potential changes in reconstruction works. Within the supercritical steam generator, an assessment of the deposit situation is likewise possible. In the current thesis, different deposit setups are implemented. Finally, a possible integration of the sensor into the process control is presented.:Abkürzungs- und Symbolverzeichnis VII
1 Einleitung, Problem- und Zielstellung der Arbeit 1
2 Einordnung von Dampferzeugern 3
3 Erfassung der Belagssituation, ihrer Ursachen und ihrer Auswirkungen 9
3.1 Diskontinuierliche Sensormesssysteme zur Erfassung der Belagssituation 12
3.2 Kontinuierliche Messsysteme zur Erfassung der Belagssituation 14
3.3 Thermodynamische Bilanzierung 19
3.3.1 Thermodynamische Betrachtung des Dampferzeugerwirkungsgrades 20
3.3.2 Unterkritische Kesselanlagen 22
3.3.3 Überkritische Kesselanlagen 23
3.4 Kombinierte Systeme 25
4 Bilanzierung des Wasser-Dampf-Kreislaufes und des Feuerraumes zur Bestimmung der
Wärmeauskopplung 29
4.1 Bilanzierung vom Feuerraum zum Wasser-Dampf-Kreislauf 30
4.1.1 Bilanzierung des Feuerraumes 30
4.1.2 Bilanzierung des Wasser-Dampf-Kreislaufes 34
4.2 Bilanzierung vom Wasser-Dampf-Kreislauf zum Feuerraum 37
4.2.1 Bilanzierung des Wasser-Dampf-Kreislaufes 37
4.2.2 Bilanzierung des Feuerraums 39
5 Entwicklung eines Ablagerungssensors für zugestellte und nicht-zugestellte Membranwände 43
5.1 Zielstellung 43
5.2 Modellansätze 44
5.2.1 Rahmenbedingungen und Zielstellung für einen Ablagerungssensor eines unterkritischen Dampferzeugers 47
5.2.2 Rahmenbedingungen und Zielstellung für einen Ablagerungssensor eines überkritischen Dampferzeugers 48
5.3 Einordnung des Programms im Kraftwerk 51
5.4 Programm-Aufbau 51
V
Inhaltsverzeichnis
5.5 Notwendige Rand- und Anfangsbedingungen sowie Eingangsparameter 53
6 Einsatz der Bilanzmodelle und des Ablagerungssensors 55
6.1 Bilanzierung unterkritischer Kesselanlagen am Beispiel eines Müllheizkraftwerks 55
6.1.1 Belagssituation und Schutzmaßnahmen 55
6.1.2 Vorhandene Messtechnik 56
6.1.3 Bilanzmodell von Feuerraum und Wasser-Dampf-Kreislauf 57
6.1.4 Anwendung des Ablagerungssensors auf hinterlüftete Platten 63
6.1.5 Auswertung und Handlungsempfehlung für den Naturumlaufkessel 75
6.2 Bilanzierung überkritischer Kesselanlagen am Beispiel eines Braunkohle-befeuerten
Kraftwerks 77
6.2.1 Das Kraftwerk 77
6.2.2 Vorhandene Messtechnik 79
6.2.3 Bilanzierungen mit Realdaten 80
6.2.4 Bewertung der Ergebnisse 85
6.2.5 Validierung der Ergebnisse 87
6.2.6 Bilanzierung der Verdampferwand mit dem Ablagerungssensor 89
6.2.7 Simulation mit realen Messwerten 95
6.2.8 Auswertung und Handlungsempfehlung für den überkritischen Dampferzeuger 101
7 Zusammenfassung und Ausblick 103
Literatur 105
Abbildungsverzeichnis 113
Tabellenverzeichnis 117
Anhang 118
A Berechnungsmethoden für die Bilanzmodelle 119
A.1 Vergasungsrechnung 119
A.2 Wärmeauskopplung nach Doležal 122
A.3 Berechnung von Wärmeübergangskoeffizienten 122
A.4 Berechnung der Umlaufzahl 124
A.5 Wärmeübergang wasserseitig 125
A.6 Widerstandsberechnung 129
B Ergebnisse aus der Bilanzierung des überkritischen Dampferzeugers 131
B.1 22.01.2020 3:46 Uhr 131
B.2 22.01.2020 7:30 Uhr 132
B.3 29.01.2020 17:20 Uhr 134
B.4 02.02.2020 15:38 Uhr 135
B.5 07.02.2020 12:11 Uhr 136
C Befehlsreferenzen für den Ablagerungssensor 139
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:74004 |
| Date | 23 February 2021 |
| Creators | Graube-Kühne, Franziska |
| Contributors | Beckmann, Michael, Winter, Franz, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | info:eu-repo/grantAgreement/Bundesministerium für Wirtschaft und Energie/COORETEC/03ET7081B//Konzepte und Betriebsstrategien für lastflexible Feuerungs- und Dampfsysteme/KONRAD |
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