Kraftwerkskomponentensimulation

Berechnung und Simulation der Gasturbine in einem Kombikraftwerk

Jost Braun

• Verlag: Books on Demand
• Jahr: 2015
• ISBN drucken:
  9783734791741
• eBook-ISBN:
  9783739252254
• Auflage: 1
• Thema: Technik & Maschinenbau
• Thema: Maschinenbau Allgemein

In diesem begleitenden Buch zur Vorlesung Kraftwerkskomponentensimulation im Masterstudiengang Energietechnik der Hochschule Kempten werden die Verfahren zur physikalisch-technisch korrekten Modellierung einer Kraftwerksgasturbine und ihre Integration zu einem Gesamtmodell gezeigt. Die Verfahren und Methoden sind grundsätzlich auch auf thermodynamische und strömungsmechanische Systeme anwendbar, die nicht direkt dem Kraftwerksbereich zuzuordnen sind, beispielsweise Flugtriebwerke (Fan- und Turboproptriebwerke), Motoren, Schiffsantriebe, Kraft-Wärmekopplungssysteme und BHKW. Es werden ausschließlich frei verfügbare und kostenlos nutzbare Programmiersysteme verwendet und empfohlen, die käuflichen Systemen gleichwertig sind, so dass die Anwendung der Simulationsprinzipien auch ohne hohe Lizenzgebühren möglich wird.

1Systemintegration und Cycle Performance

Gasturbinen haben heute zwei Anwendungsbereiche. Im Flugzeugbau sind Gasturbinen als Flugantriebe für Passagier- und Transportflugzeuge nicht mehr wegzudenken. Dies liegt vor Allem an zwei Eigenschaften: An der sehr hohen Leistungsdichte, d.h. geringes Gewicht bei hoher Absolutleistung, was erst moderne Großraumflugzeuge ermöglicht hat, und am sehr hohen erreichbaren Wirkungsgrad, was für Airlines nicht nur geringere Brennstoffkosten bedeutet, sondern insbesondere die Nutzlastkapazität eines Flugzeugs deutlich erhöht: Jede Tonne Treibstoff, die nicht mitgenommen werden muss, kann durch Ladung ersetzt werden, was die Kosten natürlich absenkt.

Die ersten Gasturbinen wurden aber nicht als Flugantriebe entwickelt, sondern für Kraftwerke. Dies ist zwar mittlerweile etwa 100 Jahre her, immerhin wurden zu diesem Zeitpunkt aber bereits Wirkungsgrade um die 25 bis 30% erzielt. Etwa Mitte des vergangenen Jahrhunderts wurde dann durch komplexe thermodynamische Verschaltung der Wirkungsgrad auf über 40% gesteigert, was allerdings auch mit deutlich höheren Investitionskosten der gesamten Anlage verbunden war. Dies und die Tatsache, dass in Gasturbinen nur hochwertige Brennstoffe verwendet werden, führte dazu, dass sie bis Anfang der 1980er Jahre im Kraftwerksbereich fast völlig von Kohlekraftwerken verdrängt wurden. Erst die stetigen Prozessverbesserungen im Flugtriebwerksbereich, insbesondere höhere Drücke und gleichzeitig höhere Turbineneintrittstemperaturen, die aufgrund einer ausgefeilten Schaufelkühlungstechnologie möglich wurden, haben Gasturbinen auch wieder für den Kraftwerksbereich interessant gemacht. Seit den 1980er Jahren wurden Gasturbinen als „Heavy Duty“ Maschinen speziell für Kombikraftwerke entwickelt, was mittlerweile zu einem für andere Kraftwerkstypen unerreichbaren Netto-Wirkungsgrad von über 60% geführt hat.

Eine Gasturbine ist ein hochkomplexes System von Bauteilen und Komponenten, die für den jeweiligen Zweck optimiert zusammen funktionieren müssen. Ein Flugtriebwerk wird anders optimiert als eine Kraftwerksgasturbine, weil im Kombibetrieb auch die Abgasdaten (Temperatur und Menge) bestimmten Anforderungen genügen müssen. Beim Flugtriebwerk gibt es hier keine Beschränkung. Verdichter, Brennkammer, Turbine und Kühlsystem sind daher für den Anwendungszweck auszulegen und müssen in jedem Betriebspunkt die Funktionalität sicherstellen. Insbesondere das Kühlluftsystem ist hier besonderen und im Grunde gegensätzlichen Anforderungen unterworfen. Die Optimierung der Komponenten ist außerdem nicht einzeln möglich, weil sich jede Veränderung einer Komponente immer nichtlinear auf alle anderen Komponenten auswirkt. Das bedeutet im Wesentlichen, dass das Optimum einer einzelnen Komponente nicht identisch ist mit dem Optimum der Gesamtmaschine.

Die Nichtlinearität der funktionellen Abhängigkeiten aller Bauteile untereinander verlangt bei derart komplexen technischen Systemen nach einer übergeordneten Tätigkeit, die mit „Systemintegration“ (systems integration) bezeichnet wird. Die hoch spezialisierten Konstrukteure (designer) aus den Komponentenbereichen, z.B. bei Gasturbinen die Verdichtergruppe, die Brennkammergruppe, die SAS-Gruppe und die Turbinengruppe, sind in der Regel nicht gleichzeitig auch Spezialisten für die komplexen Wechselwirkungen aller Komponenten untereinander im Betrieb. Es ist beispielsweise nicht so, dass eine Erhöhung der Verdichtereintrittsmenge um einen bestimmten Prozentsatz automatisch auch eine Erhöhung der Turbineneintrittsmenge im gleichen Prozentsatz bewirkt (das wäre ein einfacher linearer Zusammenhang), sondern wegen der nicht linearen Wechselwirkungen mit SAS und Brennkammer die Reaktion anders ausfallen wird. Dies ist nicht nur für die Vorausberechnung der Hauptdaten wichtig, sondern insbesondere auch für die Regelungstechnik und den Maschinenschutz. Die Brennkammertemperatur muss nach oben zwar limitiert werden, kann aufgrund ihrer Höhe aber nicht zuverlässig direkt gemessen werden. Daher wird der Regler mit der Turbinenaustrittstemperatur geführt und aus diesem Wert sowie dem gemessenen Druck nach dem Verdichter wird auf die Temperatur in der Brennkammer zurückgerechnet. Dass hierzu genau die angesprochenen Interaktionen aller Bauteile untereinander entscheidend sind, versteht sich von selbst. Die Vorhersage muss nämlich bei den heute üblichen sehr hohen Turbineneintrittstemperaturen (TIT = turbine inlet temperature) auch absolut sehr genau sein, in der Regel ist die geforderte Toleranz nur wenige Kelvin (2-3 K), denn eine nur um 10 K zu hohe Temperatur halbiert nach einer Faustformel die Lebensdauer aller davon betroffenen Bauteile des Heißgaspfads. Es ist nicht egal, ob die Heißgastemperatur vor der Turbine 1650 K oder 1660 K beträgt, auch wenn uns der Unterschied „relativ“ klein vorkommt.

Der Gesamtmaschinenmodellierung kommt also eine sehr wichtige Bedeutung zu und die Tätigkeit wird von einer Gruppe durchgeführt, die auch das Regelungskonzept und das zweckgebundene Fahrkonzept oder Betriebskonzept der Maschinen definiert. Dazu liefert diese Gruppe auch die Randbedingungen verschiedener Betriebszustände an die Spezialisten der Komponenten für deren Auslegungstätigkeit. Diese Gruppe muss daher notwendigerweise von allen Bauteilen eine genügend tiefe Kenntnis über Funktion (Thermodynamik und Strömungsmechanik) und Auslegung (mechanisch/thermische Festigkeit) haben und verbindet alle Erkenntnisse der unterschiedlichen Disziplinen zum funktionierenden Ganzen. Dazu ist diese Gruppe dann auch für die garantiefähigen Hauptdaten (die „Performance“) der Maschinen verantwortlich, das sind Wellenleistung, Wirkungsgrad und die Schnittstellendaten zum Dampfkreislauf bei einem Kombi-(GuD)-Kraftwerk, also Abgastemperatur, Abgasmassenstrom und Abgaszusammensetzung einschließlich der Schadstoffemissionen (CO, NO_x, VOC, UHC, CO₂).

Die verantwortliche Gruppe für Systemintegration, Modellierung, Hauptdaten, Schnittstellendaten, Regelungs- und Fahrkonzept wird meist „Cycle Performance“ genannt (cycle ist der englische Begriff für den thermodynamischen Prozess). Die Komponentensimulation und das für alle relevanten Betriebszustände validierte Performance-Modell sind dabei Kernpunkt aller Überlegungen.

Nicht nur Kraftwerkshersteller, sondern auch Kraftwerksbetreiber brauchen Simulationsmodelle mit einem möglichst hohen Detaillierungsgrad, nicht zuletzt auch um die Folgen der betriebsbedingten Alterung einer Maschine im langjährigen Betrieb abschätzen zu können. Diese Modelle müssen flexibel sein und die meist einzigartigen Gesamtbedingungen eines Kraftwerkes berücksichtigen können. Es gibt wohl kaum zwei wirklich identische Kraftwerke weltweit, denn alleine die Betriebs- und Umweltbedingungen sind bereits unterschiedlich. Wüstenklima und arktische Bedingungen sind nicht vergleichbar, genauso unterschiedlich sind subtropische und gemäßigte Klimabedingungen. Auch die Betreiber von Kraftwerken benötigen daher solche Modelle. Entweder man kauft sie vom Hersteller, oder man hat selbst das notwendige Know-how zur Erstellung.

Simulationsprogramme, die im laufenden Betrieb auch aktuelle Messdaten an einem System verwenden, um hieraus den aktuellen Maschinen- oder Systemzustand zu ermitteln und zu überwachen nennt man „Monitoringprogramme“.

Anwendung der Kraftwerkskomponentensimulationsprogramme

Je nach Anwendung und Zielsetzung ergeben sich verschiedene Modellierungstiefen der Kraftwerkskomponenten. Das komplexeste Einzelsystem, das heute in thermischen Kraftwerken zu modellieren ist, ist die Kraftwerksgasturbine. Gleichzeitig ist das Gasturbinensystem in einem solchen Kraftwerk entscheidend für das gesamte Kraftwerk, daher ist hier eine besonders sorgfältige Modellierung notwendig. Hier sind grundsätzlich vier Varianten zu unterscheiden:

• Performance-Garantietools
• Performancetool als Einzelelement in einem übergeordneten Kraftwerksmodell
• Performancetools zur Erzeugung von Randbedingungen für die Entwicklung
• Performance-Monitoringtools

Performance-Garantietools

Garantietools müssen sichere Ergebnisse bezüglich der vertraglich garantierten Daten liefern, das sind bei Gasturbinen Wellenleistung bzw. Generatorleistung, Wirkungsgrad (Leistung durch Brennstoffwärme), Abgasmassenstrom und Abgastemperatur (für den in der Regel nachfolgenden Dampfkraftprozess). Dabei muss das Verhalten bezüglich geänderter Umgebungsbedingungen (Luftdruck, Lufttemperatur, Luftfeuchtigkeit) ebenso wie das Teillastverhalten garantiefähige Daten liefern. Damit verbunden ist die Aufgabe, dass beim Abnahmetest durch den Kunden unter zufälligen und in der Regel nicht mit den vertraglich festgelegten Garantiebedingungen übereinstimmenden Umgebungsbedingungen eine Rückrechnung auf Garantiebedingungen mit Hilfe von Korrekturkurven erfolgen muss. Dieses Verfahren ist durch internationale Normen vorgegeben. Die Korrekturkurven werden ebenfalls mit dem Garantietool erzeugt und sind Vertragsbestandteil. Ein Rechenfehler kann da schnell mehrere Millionen Euro Vertragsstrafe bewirken.

Diese Modelle sind daher im Aufbau nicht besonders detailliert, legen aber besonderen Wert auf eine genaue Abbildung des Verhaltens der Hauptkomponenten, also Verdichter und Turbinen. Häufig werden hier Betriebscharakteristiken verwendet, die auch anhand von Messungen validiert werden.

Performancetool als Einzelelement in einem übergeordneten Kraftwerksmodell

Die Aufgabenstellung dieser Modelle ist ähnlich wie bei den Garantietools. Die genannten Hauptdaten bei variablen Umgebungsbedingungen und bei Teillast sollen schnell und genau berechnet werden, interne Daten werden in der Regel nicht benötigt, es sei denn, das Gasturbinensystem hat neben dem Abgas weitere Schnittstellen zum Dampfprozess. Dies ist z.B. der Fall, wenn die Kühlluft für die hochbelasteten Bauteile nicht direkt in der Gasturbine verteilt wird, sondern über einen externen Kühler vor der eigentlichen Kühlaufgabe heruntergekühlt wird, um den Verbrauch zu senken und damit den Wirkungsgrad zu verbessern. Diese Wärme wird dann nicht an die Umgebung abgegeben (das würde den Wirkungsgrad des Kraftwerks empfindlich verringern), sondern in den Dampfkreislauf eingekoppelt, d.h. die Kühlluftkühlung wird zur Dampferzeugung genutzt, so dass die Wärme dem Prozess nicht verlorengeht.

Ohne eine zusätzliche Schnittstelle lassen sich auch im Kraftwerksmodell im Prinzip die Garantietools verwenden, mit einer Schnittstelle wie der beschriebenen Kühlluftkühlung muss auch das Gasturbinenmodell im Kraftwerksmodell wesentlich detaillierter aufgebaut sein. Meistens wird dann direkt das Entwicklungstool zur Berechnung der Randbedingungen in der Entwicklung oder ein daraus abgeleitetes Modell verwendet.

Performancetools zur Erzeugung von Randbedingungen für die Entwicklung

Heutige Gasturbinen und Flugtriebwerke haben in der Regel mehrere Kühlluftentnahmestellen am Verdichter, denn die Kühlluft wird auch in der Turbine auf unterschiedlich hohen Druckniveaus benötigt. Dementsprechend kann man nicht mehr mit einem einfachen Verdichter- oder Turbinenmodell arbeiten, sondern muss sowohl den Verdichter als auch die Turbine in mehrere Teilverdichter bzw. Teilturbinen unterteilen. In der Turbine kann sogar eine Modellierung der Einzelstufen sinnvoll sein. Auch das SAS wird in diesem Modell wesentlich komplexer modelliert als bei den Garantietools.

Mit dem Modell werden die thermischen und strömungsmechanischen Randbedingungen der einzelnen Komponenten erzeugt, so dass auch Änderungen an nicht direkt aufeinanderfolgenden Komponenten (z.B. Verdichter und Turbine) im Gesamtsystem korrekt berücksichtigt werden. Die Randbedingungen für die Komponentenauslegung sollten daher keinesfalls direkt zwischen Komponenten ausgetauscht werden (z.B. Brennkammer und Turbine), da bei jeder Veränderung einer Komponente immer alle anderen Komponenten ebenfalls reagieren werden, nicht nur die stromabwärts gelegenen. Beim direkten Datenaustausch würden also die anderen Systemreaktionen (im Beispiel insbesondere Verdichter und SAS) unberücksichtigt bleiben.

Performance-Monitoringtools

Bei Monitoringtools, die den Systemzustand und eventuelle Veränderungen im laufenden Betrieb einer Maschine überwachen sollen, ist die notwendige Detailtiefe vor allem durch die berücksichtigten Messstellen vorgegeben. Dies sind in der Betriebsinstrumentierung überraschend Wenige. Trotzdem lassen bestimmte charakteristische Veränderungen dieser Messstellen auf bestimmte, potentiell die Maschine gefährdende Fehlfunktionen schließen, so dass rechtzeitig reagiert werden kann. Monitoringtools müssen daher auch anpassungsfähig sein, um Veränderungen durch die normale Alterung oder Verschmutzung im Betrieb von plötzlichen Änderungen unterscheiden zu können. Der augenblickliche Rechenwert muss also frühere und unproblematische Änderungen berücksichtigen, um dies mit dem augenblicklichen Messwert vergleichen zu können. Im Gegensatz zu den vorgenannten Modellen wird also der Maschinenzustand mit Hilfe der Messungen laufend angepasst.

Vorgehen bei der physikalisch/analytischen Simulation

Dieses Know-how einer physikalisch/analytischen Modellierung zur Simulation und zum Monitoring soll hier vermittelt werden. Dabei geht es nicht so sehr um die verwendeten Werkzeuge, also ob man ein käufliches Simulationsprogramm verwendet oder ob man mit „bordeigenen“ Mitteln arbeitet (was wir hier mit einer Programmiersprache namens Pascal tun werden), sondern es geht vielmehr um die prinzipielle Vorgehensweise dabei. Diese lässt sich auch in ganz anderen Bereichen in gleicher Weise anwenden: Insbesondere verfahrenstechnische Prozesse der thermischen Verfahrenstechnik können mit diesem Wissen ebenfalls präzise modelliert werden, sogar ohne die Notwendigkeit meist sehr teuere Lizenzen käuflicher Simulationsprogramme zu erwerben. Auf graphische Darstellung der Ergebnisse innerhalb des Simulationsprogrammes verzichten wir aber dabei zugunsten der Zielsetzung vollständig, denn die Aufgabe unseres Modelles soll sein, Ergebnisse (eine Menge Zahlen) zu erzeugen. Die Daten werden dann so in Dateien abgelegt, dass sie mit den üblichen Office-Programmen gelesen werden können und in einem postprocessing-Schritt in Diagrammform oder anderweitig geeignet graphisch dargestellt werden können. Der Verzicht auf die unmittelbare graphische Darstellung während der Simulation ist außerdem genau dann vorteilhaft, wenn das Simulationsprogramm für den Zweck vorgesehen ist, im Betrieb aus Messdaten auf den Zustand der Maschine zu schließen (Monitoring). Die graphische Darstellung nimmt heute viel mehr Rechenzeit in Anspruch als die eigentliche Berechnung.

Unser Vorgehen zerlegt sich also in die folgenden Schritte, von denen die ersten beiden variabel sind.

• Auswahl des Programmiersystems, in dem die Simulation durchgeführt werden soll. Wir verwenden hier die Programmiersprache Pascal, weil sie leicht erlernbar, sehr logisch aufgebaut und der Compiler als freeware kostenlos erhältlich ist. Pascal ist die „Urmutter“ vieler heutiger Programmiersprachen, selbst in EBSILON wird eine Programmiersprache mit einer zu Pascal sehr ähnlichen Syntax genutzt.
• Kennenlernen der Syntax des Programmiersystemes (das sind die Regeln, wie die Anweisungen zu schreiben sind).
• Zerlegen des Systems in seine wichtigsten ...

Inhaltsverzeichnis

• Inhaltsverzeichnis
• Vorwort
• Einleitung
• 1 Systemintegration und Cycle Performance
• 2 Thermodynamik
• 3 Spezielle Kreisprozesse
• 4 Strömungsmechanik kompressibler Fluide
• 5 Pascalprogrammierung
• 6 Dokumentation
• 7 Aufbau des Gesamtmodells
• 8 Komponentenmodelle
• Liste der Symbole
• Verzeichnis der Abbildungen und Bildquellennachweis
• Literaturverzeichnis
• Index
• Impressum