Simulation von Kraftwerken und wärmetechnischen Anlagen

„Multipliziere das Quadrat des Zylinderdurchmessers in inch mit der Kolbengeschwindigkeit in feet pro Minute. Dividiere das Produkt durch 500. Der Quotient ist die erforderliche feuerberührte Kesselfläche in square feet“ (Schaff 1982). So einfach war die „Kesselberechnung“ zur Zeit von James Watt (1736-1819). Allerdings waren kostspielige, nachträgliche Änderungen an Heizflächen und Feuerungen bis zur zweiten Hälfte des letzten Jahrhunderts an der Tagesordnung.

Bevor auf die mathematische Beschreibung der Bilanzgleichungen zur Erhaltung tung von Masse, Energie und Impuls näher eingegangen wird, soll einleitend noch eine kurze Erläuterung hinsichtlich dreier Arten der Ableitungen nach der Zeit angegeben werden. Dies soll anhand eines einfachen Beispiels, nämlich des Problems, die Konzentration der Fische in einem Fluss anzugeben, erortert werden (Bird 2002). Übersichtliche Darstellungen der Bilanzgleichungen finden sich neben (Bird 2002) auch in (Baehr 2008), (Müller 2001) und vielen anderen.

Wie schon in Kapitel 1.1 (Abb. 1.2) und Kapitel 2 bemerkt, bilden die Bilanzgleichungen für Masse, Impuls, Energie, Stoffe und Phasen und die konstitutiven Gleichungen bzw. Modelle für Warme- und Stofftransport, Stoff- und Phasenumwandlung, Turbulenz und Stoffwertedaten ein gekoppeltes System nichtlinearer, partieller Differentialgleichungen (PDG), dessen Komplexität (Anzahl der Gleichungen) von dem zu modellierenden Problem und der erwarteten Detaillierung der Ergebnisse abhängt. Solche PDG sind nur dann lösbar, wenn die richtigen Rand- und Anfangswerte gegeben sind, was auch von kommerziellen Programmen nicht in allen Fällen überprüft und erkannt wird. Das Problem ist dann korrekt gestellt (well-posed). Analytische Lösungen gibt es nur für stark vereinfachte Problemstellungen; im Allg. ist nur eine numerische Lösung möglich (van Kan 1995), (Steinrück 2000). Wie in Kapitel 2 Gl. (2.14) und Gl. (2.15) bereits erwähnt, lautet die allgemeine Bilanzgleichung in Vektorschreibweise oder in Tensorschreibweise

Gasförmige, flüssige und feste Brennstoffe werden verständlicherweise i. Allg. in sehr unterschiedlichen Feuerungen verbrannt. Natürlich gibt es auch Feuerungen, die sowohl mit gasförmigen als auch mit flüssigen und festen Brennstoffen befeuert werden können.

Kohle ist ein fossiler Brennstoff und von Abbaugebiet zu Abbaugebiet verschieden. In den Kohlen verschiedener Kohlereviere variiert sowohl die organische als auch die anorganische (mineralische) Zusammensetzung. Im Prinzip gelten diese Ausfuhrüngen auch für Biomasse. Der Anteil der unverbrennbaren mineralischen Bestandteile, der als Asche anfällt, liegt etwa zwischen 5 und 35 %. Die Ascheeigenschaften haben einen erheblichen Einfluss auf die Verschlackung und damit auch auf die Auslegung von Feuerräumen, weil Verschlackungen die Wärmeübertragung stark beeinträchtigen und damit den Betrieb des Dampferzeugers gefährden. Deshalb ist die Minderung oder Verhinderung von Verschlackungen in Feuerräumen von großer wirtschaftlicher Bedeutung. Für eine bestimmte Kohlesorte ausgelegte Dampferzeuger, die auf eine andere Kohlesorte umgestellt werden müssen, und für neue Dampferzeuger ist es bis heute schwierig, die Verschlackungsneigung vorherzusagen. Dies gilt, obwohl sich weltweit seit vielen Jahren zahlreiche Untersuchungen mit den Problemen der Veränderungen von mineralischen Materialien während der Kohleverbrennung bis hin zu den Verschlackungen in Feuerräumen befassen (Rost 1956), (Gumz 1958), (Kirsch 1965), (Reichelt 1966), (Beising 1972), (Förtland 1958), (Wall 1965), (Singer 1981), (Dunken 1981), (Kautz 1984), (Huffman 1981), (Haynes 1982), (Brostow 1983), (Bryers 1984), (Koch 1984), (Raask 1985), (ten Brink 1987), (ten Brink 1992a), (ten Brink 1992b), (ten Brink 1992c), (ten Brink 1993a), (ten Brink 1993b), (ten Brink 1994), (ten Brink 1997), (Srinivasachar 1989a), (Srinivasachar 1990b), (Srinivasachar 1990a), (Helble 1990), (Frenzel 1988), (Srinivasachar 1989b), (Winegartner 1975), (Brown 1986), (Koschack 1998), (Altman 1988), (Wilemski 1991), (Nash 1985), (Boni 1989).

Im Dampferzeugerbau unterscheidet man in Abhängigkeit vom eingesetzten Brennstoff zwischen so genannten konventionellen Anlagen, welche mit fossilen Brennstoffen wie Erdöl, Erdgas oder Kohle betrieben werden, und nuklearen Anlagen, bei denen Kernbrennstoffe wie z.B. ²³⁵U zur Anwendung kommen. In der nachfolgenden Zusammenfassung der Dampferzeugersysteme wird jedoch nur auf die mit fossilen Brennstoffen befeuerten Anlagen näher eingegangen. Eine kurze Übersicht zu den Grundzügen zur Reaktortheorie und der Kern- spaltung sowie zum Aufbau von Kernreaktoren geben u.a. (Thomas 1975), (Ziegler 1983), (Ziegler 1984), (Ziegler 1985) oder (Strauß 1992).

Die ersten Berechnungsprogramme für Kraftwerkskreisläufe wurden Anfang der 60er Jahre entwickelt. Im Jahre 1973 wurde von (Dittmar 1973) ein Ver- fahren zur Kreislaufberechnung vorgestellt, dessen wesentliches Merkmal die Art und Weise darstellt, wie ein Kreislauf numerisch aufgebaut ist, um ihn dem Rechner zugänglich zu machen: Der Kreislauf wird in seine Einzelkom- ponenten aufgelöst, die mit Kennziffern durchnummeriert werden, die verbin- denden Leitungen werden ebenfalls mit Kennziffern systematisiert. Auf diese Weise kann der gesamte Kreislauf als eine Sequenz von Zahlen dargestellt und vom Rechner interpretiert werden. Diese Vorgehensweise ist im Prinzip bei den meisten Kreislaufberechnungsprogrammen bis heute beibehalten worden (siehe auch Kapitel 1 und Abschnitt 7.2.2).

Die Fortschritte in der Mess-, Regel- und Leittechnik (z.B. Übergang von analoger zu digitaler Technik, Einführung von Bussystemen etc.) und der Einsatz von PC’s überall in Kraftwerken und in der Verwaltung haben dazu geführt, dass die in einem Kraftwerk anfallende Fulle von Informationen über z.B. Temperaturen, Drücke, Massenströme (Wasser, Dampf, Luft, Brennstoff), Drehzahlen, Schaltzustände, Wege, Verschiebungen, Schall etc. zunehmend besser verarbeitet und ausgewertet wird und die z.B. in (Leithner 1983b) und in (Leithner 1993) aufgezeigten Monitoring- und Diagnosebeispiele heute in vielen Kraftwerken genutzt und auch die damaligen Visionen teilweise schon realisiert werden. Einen zusätzlichen Druck, diese Entwicklung, die Personal- einsparungen ohne Verlust von Sicherheit, Verfügbarkeit und Qualität des Betriebes (z.B. Wirkungsgrad, Hilfsstoffverbrauch etc.) erlaubt bzw. teilweise mit weniger Personal sogar höhere Werte erreichen lässt, zu beschleunigen, übt die Liberalisierung des Strommarktes aus.

Im abschließenden Kapitel dieses Buches sollen noch einige Anregungen und Gedanken zur Problematik der Ergebniskontrolle, Genauigkeit und Auswertung gemacht werden.