TU Darmstadt / ULB / TUprints

Modellierung und numerische Beschreibung transienter Kraftwerksprozesse

Küppers, Laszlo (2019):
Modellierung und numerische Beschreibung transienter Kraftwerksprozesse.
Darmstadt, Technische Universität, [Ph.D. Thesis]

[img]
Preview
Text
diss_laszlo_kueppers_pub_ulb.pdf - Published Version
Available under CC-BY-SA 4.0 International - Creative Commons, Attribution Share-alike.

Download (12MB) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Modellierung und numerische Beschreibung transienter Kraftwerksprozesse
Language: German
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.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Current research and developments in the field of advanced process simulation tools deal increasingly with transient approaches. Changing structures and demands for power generation and all related processes in terms of energy conversion currently clearly point towards increasing dynamics and faster load changes. With focus set on modeling faster load steps and rapidly changing operation modes, full dynamic approaches cannot be neglected anymore. On the one hand simulations can help provide a comprehensive understanding of these processes. On the other hand a lot of studies and what-if scenarios can be analyzed without expensive experiments at real plants. The following thesis is about numerical methods and algorithms to cope with transient process simulations. State of the art analysis, investigation of mathematical basics and numerical implementation lead to several transient components and algorithms, which are set up for a Newton-based equation solver. Source code for a heat exchanger, transfer function, dynamic pipe and a stratified storage was developed on a commercially available software tool. All dynamic heat exchan- gers and pipes are modelled with charging and discharging of fluid mass (steam as well as water) beside the thermal induced dynamics. All models are verified and validated in accordance with CFD simulation models, analytic calculations and experimental data. In order to obtain further information on the capability of these new components, three models of different complexity are set up and tested. Currently moderate load changes are performed without start stop scenarios and failures. At first a simple HRSG-model is built in order to compare results and performance of transient components while a trip (sudden failure) of the gas turbine is simulated. The second model of a hard coal power plant provides insight into a dynamic boiler fully equipped with controlling structures such as superposed control of electrical power output, feed water regulation, transfer functions for the step responses of the coal mills, various injection coolers to adjust the steam parameters and also a water circulation mode in case of lower part loads when once-through steam generation is not working properly anymore. The last model of a HRSG power plant is operating at 3 pressure stages and altogether 24 dy namic heat exchangers along the path of the flue gas from the exhaust of the gas turbine to the stack. Beside this, first studies on improvement of the controlling quality for thermodynamical cycles are carried out sucessfully. Comparing the simulation results to real process data in case of moderate load changes the models show good accor- dance and prove their capabilities in terms of behaviour of the physically modeled components as well as of the transfer functions and controllers. The algorithm of the physically reduced model against the Crank-Nicolson-Method shows an impressive reduction of calculation time.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Energy and Power Plant Technology (EKT)
Date Deposited: 06 Nov 2019 09:53
Last Modified: 06 Nov 2019 09:53
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-91987
Referees: Janicka, Prof. Dr. Johannes and Epple, Prof. Dr. Bernd
Refereed: 25 June 2019
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/9198
Export:
Actions (login required)
View Item View Item