Numerische Optimierung des Abgaskanals zwischen zwei Gasturbinen und einem Abhitzedampferzeuger

Abstract

Im Zuge dieser Arbeit wurde das Strömungsverhalten in einem Abgaskanal vor einem Abhitzedampferzeuger, in dem das Abgas von zwei Gasturbinen zusammengefasst wurde, mit Hilfe einer numerischen Simulation untersucht. Zur Anwendung kam dabei das CFD Programm FLUENT.<br />Es sollten die Gleichmäßigkeit und mögliche Ablösungen der Strömung untersucht werden. Besonderes Augenmerk lag auch auf der Frage der Art des Strömungsverhaltens beim Betrieb mit nur einer Gasturbine. Um das Strömungsverhalten zu verbessern, wurden verschiedene Einbauten im Abgaskanal implementiert und analysiert.<br />Die Ergebnisse der Simulationen zeigen deutlich, dass eine wesentliche Verbesserung des Strömungsverhaltens des Abgases nur durch den Einbau von Lochblechen in den Abgaskanal erzielt werden kann. In dieser Arbeit wurden zwei verschiedene Varianten, die Lochbleche im Abgaskanal anzubringen, untersucht. Beide Varianten lieferten zufriedenstellende Ergebnisse. Die Frage der Porosität ist hier jedoch von entscheidender Bedeutung. Je höher die Porosität der Lochbleche ist, desto schlechter wird der Abgasmassenstrom homogenisiert. Allerdings muss der Anlagenbauer darauf achten, dass der Gegendruck auf die Gasturbine, die im Falle einer zu großen Rückwirkung nicht mehr mit maximalem Wirkungsgrad arbeiten kann, nicht zu groß wird. Dieses Optimum zu finden, bleibt Sache der Konstrukteure.<br />Beim Betrieb mit nur einer Gasturbine ergaben sich in allen untersuchten Varianten aufgrund der Geometrie des Abgaskanals ähnlich ungünstige Strömungsverhältnisse. Die unsymmetrische Anströmung der Heizflächen des Abhitzedampferzeugers konnte auch mit den Lochblechen nicht ganz vermieden, aber doch deutlich abgemildert werden. Auch hier wurden bei geringerer Porosität der Lochbleche deutlich bessere Ergebnisse erzielt.<br />

This essay includes the fluid flow characteristics of an exhaust duct. The analysed exhaust duct unites two gas turbines and leads to a Heat Recovery Steam Generator. All calculations were made by using the computational fluid dynamics program FLUENT. The fluid flow had to be analysed regarding to uniformity as well as to possible turbulence zones. One important question was how the fluid flow would react by using just one of the two gas turbines. In order to increase the fluid flow characteristics some different internals in the exhaust duct were implemented and analysed.<br />The conclusion of the different simulations is that a clear improvement of performance can only be achieved by using perforated plates that cover the whole exhaust duct. Guiding plates have very little influence on the fluid flow. In this essay two different models of putting perforated plates in the exhaust duct were analysed. Both models led to satisfying results. Vitally important in the calculations were the porosity of the perforated plates. Increasing the porosity of the perforated plates on the one hand leads to less uniformly mass flow rate. On the other hand the plant manufacturer has to take care that the back-pressure against the gas turbine is little. Otherwise the efficiency factor cannot be as high as possible.<br />The mass flow rate was not very satisfying by using just one gas turbine throughout all calculated models. This is due to the geometry of the exhaust duct. It was impossible to completely avoid the asymmetric oncoming flow of the heating surfaces, although using perforated plates with minor porosity again provided better results.