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Ausgewählte Ausgabe: 6-2017 Ansicht: Modernes Layout
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Wärmeübergangsverhalten von Zwangsdurchlaufdampferzeugern

FLEXIBILITÄTSSTEIGERUNG | In der aktuellen Diskussion zur Erhöhung der Lastdynamik von thermischen Kraftwerken werden die Probleme bei dickwandigen Bauteilen mit erhöhten Temperaturgradienten ausführlich diskutiert. Hinsichtlich Zwangsdurchlaufdampferzeugern muss auch die Membranwand im Bereich hoher Heizflächenbelastungen als nicht-dickwandiger Bereich miteinbezogen werden. Betrachtet werden sollen die Thermohydraulik und die Wärmeübertragung beim Betrieb im Off-Design. Sie können einen limitierenden Faktor bezüglich der Flexibilisierung oder der Absenkung der Mindestlast darstellen.


Leitwarte der Versuchsanlage Hiper mit Blick auf Anlagengestell und Teststrecke.

Leitwarte der Versuchsanlage Hiper mit Blick auf Anlagengestell und Teststrecke.

Durch die stetig steigende Einspeisung fluktuierender erneuerbarer Energien [1] ergeben sich aktuell und auch zukünftig für die konventionellen Kraftwerke starke Änderungen in deren Design- und Betriebsanforderungen. Diese sind zum einen aus Sicht des Netzbetriebs nötig, um die Netzstabilität gewährleisten zu können, zum anderen aus Sicht des Kraftwerksbetreibers, um die Kraftwerke im geänderten Marktumfeld rentabel betreiben zu können. Die wesentlichen Kernanforderungen sind dabei:

  •  ein abgesenkter Mindestlastpunkt, um die Kraftwerke zu Zeiten hoher Leistung von erneuerbaren Quellen am Netz halten zu können, sowie
  •  eine beschleunigte Lastwechseldynamik, um den Lastanforderungen zu Zeiten hoher Schwankungen der erneuerbaren Kraftwerke gerecht zu werden.

Die abzudeckende Residuallast wird diesbezüglich seit einiger Zeit oft diskutiert, ein Vergleich verschiedener Energiestudien prognostiziert eine künftige Zunahme der Häufigkeit und Höhe der Gradienten [1; 2]. Für konventionelle Kraftwerke wurden darauf basierend [3] einige Ansatzpunkte ermittelt, mit denen die Kraftwerksflexibilität erhöht werden kann. Hinsichtlich schneller Aufheizraten dickwandiger Bauteile, dem schnelleren Hochfahren von Turbinen und dem optimierten Betrieb von Abhitzedampferzeugern existieren bereits Ansätze, um diese Maßnahmen zu realisieren.
Wenig Beachtung fanden hingegen die Membranwände in Zwangsdurchlaufdampferzeugern von konventionellen Kraftwerken, da sie aufgrund der Bauweise ohne dickwandige Bauteile im beheizten Bereich meist aus dem Betrachtungsbereich fallen. Gerade im Teillastbereich weisen diese jedoch herstellerseitige Restriktionen der maximalen Laständerungsgeschwindigkeit auf. Der Grund hierfür ist die Möglichkeit der Verschlechterung des Wärmeübergangs im Bereich der hoch belasteten Verdampferheizflächen [3; 4]. Diese können über die resultierenden, stark ungleichförmigen Temperaturverteilungen und Temperaturspitzen zu hohen Belastungen der Dampferzeuger führen und sind zu vermeiden [7]. Auch werden solche Vorgänge zumindest im unterkritischen Druckbereich mit dem verstärkten Auftreten von wasserseitiger Korrosion im Verdampferbereich in Verbindung gebracht [8].
Zur detaillierten Erforschung dieser Sachverhalte wurde am Lehrstuhl für Energiesysteme (LES) der Technischen Universität München die neue Hochdruckverdampferstrecke „Hiper“ (High Pressure Evaporation Rig) errichtet und in Betrieb genommen. Der Anlagenaufbau und die initialen Forschungsarbeiten sind durch das Projekt „Energy Valley Bavaria“ vom Freistaat Bayern finanziert. Das interdisziplinäre Teilprojekt Flexible Kraftwerke wird unter anderem vom LES bearbeitet. Die Gesamtprojektkoordination liegt bei der Munich School of Engineering, eines von vier „Integrative Research Center“ mit der Zielsetzung, interdisziplinäre Forschung fakultätsübergreifend zu koordinieren.

Transiente Vorgänge in Dampferzeugern und daraus resultierende Problemstellungen

Beim stationären Betrieb des Zwangsdurchlaufs sind die lokalen Temperaturerhöhungen beim Auftreten des Dryouts – einer Siedekrise zweiter Art – im unterkritischen Druckbereich und das Auftreten des verschlechterten Wärmeübergangs im überkritischen Druckbereich kein wesentliches Problem. Diese Zustände sind bei der Auslegung berücksichtigt und werden meist konstruktiv in Kesselbereiche mit niedrigen Wärmestromdichten gelegt. Die Auswirkungen sind daher moderat und beherrschbar. Im transienten Betrieb können im nahkritischen Druckbereich beide genannten Phänomene sowie das Filmsieden – eine Siedekrise erster Art – im Bereich hoher Wärmestromdichten auftreten. Experimentelle Literaturdaten [4] weisen beispielsweise bei Druckgradienten von rund 13 bar/min auf Temperaturerhöhungen von etwa 160 K innerhalb von 100 s hin, der Maximalwert des Temperaturanstiegs erhöhte sich anschließend in weiteren 100 s auf 180 K. Dies trat kleinräumig auf, der räumliche Temperaturgradient ist entsprechend hoch. Der wesentliche Unterschied zu stationären Zuständen ist ein deutlich stärkeres Absinken des Wärmeübergangskoeffizienten im Bereich hoher Heizflächenbelastungen. Die Bauteiltemperaturen können im Vergleich zu relevanten stationären Zuständen deutlich stärker ansteigen [4]. Nach Ende des transienten Vorgangs stellt sich wieder ein Temperaturprofil in der bekannten stationären Größenordnung ein – von besonderer Bedeutung ist demnach der Zeitraum zwischen dem stationären Anfangs- und Endzustand [4]. Diese und ähnliche Beobachtungen sind aus Literaturquellen bekannt [4; 9] und müssen für die Neuauslegung oder geänderten Betriebsregimen von entsprechend belasteten Bauteilen berücksichtigt werden [5]. Nach dem aktuellen Stand der Technik existiert dafür im nahkritischen Druckbereich eine Vielzahl an stationären Wärmeübergangs-Korrelationen. Mit diesen wird das zeitliche Verhalten auf Basis der lokalen, zeitlich diskreten Werte quasistationär oder transient berechnet. Im überkritischen Druckbereich liefern manche dieser Korrelationen widersprüchliche Ergebnisse [3]. So weisen beispielsweise selbst die bekannten Korrelationen, die das Auftreten eines verschlechterten Wärmeübergangs bei rein stationären Zuständen bestimmen sollen, große Schwankungen in den Ergebnissen auf [3]. Darüber hinaus wird die Auswahl geeigneter Korrelationen durch Lücken in den Gültigkeitsbereichen erschwert. Prinzipiell ist die Eignung der Berechnungen für die Anwendung auf transiente Problemfälle im Einzelfall zu prüfen. Belastbare Berechnungen der Vorgänge im nahkritischen Druckbereich benötigen demnach Validierungsdatensätze, die die relevanten Parameterräume der zu berechnenden Anwendungen abdecken. In aktueller Literatur [5] wird darauf hingewiesen, dass die Menge an veröffentlichten, unabhängigen Datensätzen zur Validierung entsprechender Berechnungen noch zu gering ist. Dabei herrscht vor allem ein Mangel an Daten für transiente Vorgänge.

Hochdruck-Verdampferstrecke

Bild 1  Vereinfachtes Verfahrensfließbild der Verdampferstrecke.

Bild 1
Vereinfachtes Verfahrensfließbild der Verdampferstrecke.

Die Hochdruck-Verdampferstrecke Hiper am Lehrstuhl für Energiesysteme der TU München dient der Untersuchung des Wärmeübergangs im nahkritischen Druckbereich bei stationären Zuständen und transienten Vorgängen. Im Fachartikel „Steigerung der Lastdynamik thermischer Kraftwerke“ [3] ist die Einbettung der Anlage in das übergeordnete Teilprojekt „Flexible Kraftwerke“ dargestellt. Während sich die Anlage zum Erscheinen von [3] noch in der Projektierung befand, wurde seit Ende 2016 die „heiße“ Anlageninbetriebsetzung durchgeführt und im Mai 2017 erfolgreich abgeschlossen.

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Autoren

Dipl.-Ing. Andreas Kohlhepp

Jahrgang 1984 studierte Maschinenbau (Schwerpunkt Produktentwicklung) an der Fachhochschule Würzburg Schweinfurt und anschließend Maschinenwesen (Schwerpunkt Energietechnik) an der TU-Dresden. Er arbeitete von 2009 bis 2013 bei der E.on Kernkraft GmbH und wechselte 2013 als wissenschaftlicher Mitarbeiter an die TU München zum Lehrstuhl für Energiesysteme. Dort beschäftigt er sich experimentell mit nahkritischen Wärmeübergangsphänomenen. andreas.kohlhepp@tum.de

Dipl.-Ing. Gerrit A. Schatte

studierte Energie- und Prozesstechnik an der Technischen Universität München. Seit 2013 ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter am dortigen Lehrstuhl für Energiesysteme. Seine Forschung betrifft die Thermohydraulik von Arbeitsmedien in Kraftwerksdampferzeugern. gerrit.schatte@tum.de

M.Sc. Tobias Gschnaidtner

Jahrgang 1990, studierte an der Cranfield University (UK) und der TU München mit dem Fokus auf Energiesystemen und thermischen Prozessen. Seit 2017 ist er als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Energiesysteme der TU München angestellt. Sein Forschungsbereich betrifft die Thermodynamik nahkritischer Wärmeübergangsphänomene von Arbeitsmedien in Kraftwerksdampferzeugern.
t.gschnaidtner@tum.de

 Maximilian  Mayr

Jahrgang 1993, studiert Maschinenwesen (B.Sc., Spezialisierung Richtung Energietechnik) an der TU München und verfasste seine Bachelorarbeit an der Hiper-Anlage. Vor dem Studium absolvierte er eine Ausbildung zum Industriemechaniker bei der Nitrochemie Aschau GmbH (Rheinmetall AG).
maxi.mayr@gmx.net

Dr.-Ing. Christoph Wieland

Jahrgang 1982, studierte Energie- und Prozesstechnik an der TU München, anschließend verfasste er dort am Lehrstuhl für Energiesysteme seine Dissertation. Seit 2012 hat er am Lehrstuhl die Position als Gruppenleiter für thermodynamische Kreisprozesse und Wärmeübergang inne.
wieland@tum.de

Prof. Dr.-Ing. Hartmut Spliethoff

Jahrgang 1960, Studium des Maschinenbaus an der Universität Kaiserslautern, anschließend Promotion am Institut für Verfahrenstechnik und Dampfkesselwesen der Universität Stuttgart.
Nach der Habilitation 1999 erfolgte 2000 die Ernennung zum Professor des Lehrstuhls „Energievoorziening/Thermal Power Engineering“ an der TU Delft (NL). Seit 2004 ist er Lehrstuhlinhaber des Lehrstuhls für Energiesysteme an der TU München. Darüber hinaus ist er wissenschaftlicher Leiter des Bereiches Energiespeicherung am Zentrum für Angewandte Energieforschung (ZAE). spliethoff@tum.de

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