FG Thermische Energietechnik
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BTU
EBSILON®Professional ist ein leistungsfähiges Modellierungssystem, welches zur Simulation von thermodynamischen Kreisprozessen entwickelt wurde.
Es eignet sich als Hilfsmittel bei der Anlagenplanung, -auslegung und -optimierung von thermischen Kraftwerken mit einem Wasserdampf-Prozess oder einem Gasturbinen-Prozess sowie Anlagen mit erneuerbaren Energien (Biomasse, Windenergie, Solarenergie und Geothermie).
Die Einführung beschreibt die Grundprinzipien und die Arbeitsschritte zur Erstellung eines Modells der Anlage. Weiterhin wird die Arbeit mit der internen Programmierungsumgebung EbsScript und der Umgang mit der Berechnung von Zeitreihen vorgestellt.
In diesem Beitrag wird ein Flammenbewertungsverfahren auf Basis eines Flammenwächtersignals vorgestellt. Mit zunehmender Flexibilisierung der Verbrennungsanlagen und der Absenkung von Emissionsgrenzwerten wird eine unmittelbare Flammenanalyse für die Regelung der Brennersysteme zunehmend erforderlich. Auf Basis eines Flammenwächtersignals wird mittels Frequenzanalyse ein ergänzendes Auswertungsverfahren dargestellt. Anhand der vorgestellten Untersuchungen an einem Erdgas-/Kohle-Kombibrenner wird die Qualifizierung der Prozessmesstechnik für die Flammenbewertung und Brennersteuerung überprüft. Die Ergebnisse im Erdgas- und Kohlebetrieb belegen, dass mit der erweiterten Signalanalyse eine Veränderung des Flammenverhaltens mit dem Flammenwächtersignal in Zusammenhang gebracht werden kann. Dabei konnte einmal das Emissionsverhalten bei verschiedenen Brennereinstellungen beurteilt werden und andererseits ein Zugriff auf das Stabilitätsverhalten der Kohleflamme ermöglicht werden. Durch die Analyse des Strahlungssignals der Chemilumineszenz des OH* bzw. CH*-Radikals ist ein Bezug zur Veränderung in der Reaktionszone hergestellt. Die entwickelte Bewertungsmethodik kann für die Entwicklung und Etablierung von Beobachter- und Regelmodellen von Brennersystemen genutzt werden.
Mit der steigenden Erzeugung volatilen Stroms aus erneuerbaren Energien werden die Anforderungen an die Flexibilität der konventionellen Kraftwerke erhöht. Der Einsatz von Stützfeuerungssystemen auf Basis von Trockenbraunkohle (TBK) ermöglicht die Erweiterung des Lastbereiches und der Lastgradienten am Dampferzeuger. Untersuchungen zum Teillastverhalten von TBK-Brennern wurden an der BTU Cottbus – Senftenberg an einem 400 kWth Verbrennungsversuchstand und an dem industriellen 30 MWth TBK-Staubbrenner der Firma BBS (Babcock Borsig Steinmüller GmbH) durchgeführt. Der verfügbare Einsatzbereich des Brenners ist maßgeblich von der Intensität den brennernahen Mischungsvorgang abhängig. Mit der Absenkung der Brennerleistung ist beispielsweise eine signifikante Steigerung der NOx-Emission verbunden. Dieser Effekt ist auf die Veränderung des brennernahen Strömungsprofiles zurückzuführen. Mit Maßnahmen wie der Erhöhung der Drallzahl, Verteilung der Luftimpulsströme und Veränderung des Primärimpulses konnte eine Stabilisierung und Intensivierung der Reaktionszone und somit eine Verbesserte des Teillastverhaltens nachgewiesen werden.
1.
In der vorliegenden Arbeit werden die Modellierung und die numerische Simulation vonStrömung, Wärme- und Stofftransport zur Abbildung eines Trocknungsprozesses vonBraunkohlepartikeln in einer blasenbildenden Wirbelschicht behandelt. Hierbei wird dasEuler–Euler Two Fluid Model zugrunde gelegt und die Beschreibung des Fließverhaltensder Feststoffphase mittels der Kinetic Theory of Granular Flow realisiert. Ausgehend voneinem Überblick zum aktuellen Stand der Forschung wird der Bedarf nach einer geeigne-ten Konfiguration von Modellparametern und Submodellen hinsichtlich der Strömungs-modellierung sowie nach der Implementierung eines Trocknungsmodells abgeleitet und alsZielsetzung formuliert.Experimentelle Voruntersuchungen an einer Wirbelschichtanlage im Labormaßstab schaf-fen die Datenbasis für die spätere Validierung des Modells. Dabei erfolgt zunächst eineBetrachtung einzelner Zustandspunkte von diskontinuierlichen Trocknungsprozessen, umdie darin auftretenden, strömungstechnischen Veränderungen zu quantifizieren. Zur Be-wertung werden die makroskopischen Eigenschaften sowie Charakteristiken meso- undmikroskaliger Strömungstrukturen herangezogen, die sich aus der Analyse von Druckfluk-tuationen ergeben. Des Weiteren werden die Trocknungsverläufe mehrerer Chargen fürverschiedene Betriebsparameter aufgezeichnet.In einem ersten Untersuchungsschwerpunkt werden ausschließlich strömungsmechanischeAspekte fokussiert. Auf Basis umfangreicher Sensitivitätsanalysen zu den Einflüssen derrheologisch relevanten Parameter, der Impulsaustauschfunktion einschließlich der Parti-kelsphärizität und der Randbedingungen für Behälterwand und Gaseinlass, sowie durchVergleiche mit den experimentellen Daten wird eine Parameterkonfiguration des Strö-mungsmodells vorgeschlagen. Die damit erzielten Ergebnisse sind insgesamt zufriedenstel-lend und geben die beobachteten Veränderungen im Trocknungsprozess korrekt wieder.Ursachen für bestehende Abweichungen zum Experiment werden diskutiert.Im zweiten Untersuchungsschwerpunkt wird der gesamte Trocknungsprozess betrachtet.Hierzu werden Wärme- und Stofftransportmechanismen innerhalb des Modells berücksich-tigt, wobei die eigens implementierte Trocknungskinetik auf Ebene der Partikel ansetzt.Die Einflüsse der Sphärizität und zwei verschiedener Formulierungen zur Berechnung derWärme- und Stoffübergangskoeffizienten werden untersucht. Für den favorisierten Para-metersatz werden die Simulationen mit einem expliziten Vorwärtsverfahren gekoppelt,wodurch die Trocknungsverläufe auf makroskopischer Zeitskale approximiert und somitmit den experimentellen Daten verglichen werden können. Es wird gezeigt, dass das vor-geschlagene Gesamtmodell die Trocknungsverläufe bei niedrigen bis mäßigen Leerrohrge-schwindigkeiten zuverlässig abbilden kann. Auftretende Diskrepanzen werden diskutiertund weiterer Entwicklungsbedarf abgeleitet.V