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Simulation des Kraftwerkskessels Ibbenbüren

In Zusammenarbeit mit dem Kraftwerk Ibbenbüren wurde am Lehrstuhl für Energieanlagentechnik die Verbrennung in einem kohlenstaubgefeuerten Doppel-Stufenschmelzkammerkessel mit Deckenfeuerung unter Einsatz der numerischen Strömungsmechanik simuliert.

Zu diesem Zweck wurden zunächst alle technischen Daten der Kraftwerksanlage zusammengetragen, die als Eingangsdaten für die Verbrennungssimulation erforderlich waren. Bei der anschließenden Diskretisierung dieser Daten wurde besonderes Augenmerk auf die genaue Abbildung der Geometrie des Dampferzeugers einschließlich der Mehrfach-Stufenmischbrenner gelegt. Dabei ist es gelungen, charakteristische Größen, wie beispielsweise den Abstand zwischen Brenner und Stirnwand, mit einer maximalen Abweichung von etwa 3 cm zum Original in ein Modell zu übertragen.

Dieses Modell beruht auf einem dreidimensionalen Rechengitter aus finiten Volumen, für das Einström- und Randbedingungen errechnet wurden, die aus den Betriebsdaten des Dampferzeugers bei Vollast mit einer maximalen Dampfleistung von stündlich 2160 t Dampf abgeleitet wurden. Um die Genauigkeit der Ergebnisse dieser Verbrennungssimulation schon im Voraus möglichst positiv zu beeinflussen, mußte eine hohe Auflösung des Rechengitters erreicht werden. Dafür wurde die verfügbare Rechenleistung unter Ausnutzung von Symmetrieeigenschaften auf ein Viertel des gesamten Dampferzeugers konzentriert. Dieser Bereich konnte dann in acht Blöcke aufgeteilt und gleichzeitig von acht Prozessoren eines Parallelrechners gelöst werden.

Die Ergebnisse dieser Berechnung liegen für alle 241244 Zellen des Rechengitters in Form eines umfangreichen Datensatzes mit Geschwindigkeiten, Temperaturen und Konzentrationen vor. Aus diesen Daten wurden einige exemplarische Schnittebenen ausgewählt, die die dreidimensionale Verteilung wärme- und strömungstechnisch besonders interessanter Größen im Kessel repräsentieren. Dabei konnten auch mögliche Ursachen für die Entstehung einer korrosiven Atmosphäre in der näheren Umgebung thermisch und durch Kohlenmonoxid hochbelasteter Bauteile untersucht werden.

Eine abschließende Gegenüberstellung der gewonnenen Ergebnisse aus der Verbrennungssimulation mit einigen Meßwerten im Kessel zeigte insbesondere global eine weitgehend gute Übereinstimmung. Abweichungen im Detail waren nahezu unvermeidlich und wurden in der Fehlerdiskussion bewertet. Umfangreichere Meßwerte mit geringerer Toleranz wären für eine genauere Einordnung der Ergebnisse zwar wünschenswert gewesen, allerdings hätte der dadurch entstehende Umfang leicht Anlaß zu einer weiteren Arbeit geboten.

Die weitgehend gute Übereinstimmung der berechneten und gemessenen Daten verifiziert zunächst das eingesetzte Verfahren.

Darüber hinaus dürfen ebenso gute Prognosen von künftigen Simulationen mit der gleichen Kesselgeometrie erwartet werden, die beispielsweise über Variationen der gestuften Luftzuführung oder über verschiedene Brennstoffzusammensetzungen durchgeführt werden könnten.

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