Advanced tube rupture pressure evolution calculation and examination of preventive measures

Abstract

Steam generators provide steam for power- and heat generation as well as for the process technology. For bigger capacities, water tube boilers are necessary. For ensuring safe operation, all possible damages and their causes must be considered. The rupture of a water tube – with water-steam mixture flowing into the combustion chamber, followed by an explosion-like pressure increase resulting in a burst of the boiler – has faced a problem at existing plants. Several occurs not just caused whole plants to be shut down and bigger repairments to be done but also demanded human loss. Explosion flaps or burst disks must be installed as counter measure for avoiding the pressure inside the boiler to reach critical values.In a previous released bachelor’s thesis, a simplified model was programmed, showing the functionality of a tube rupture simulation. The present work presents a more detailed analysis of the topic, also considering the water side of the problem: A numerical model of an existing water tube boiler has been created, programmed with MATLAB. A simulation of a tube rupture shows the evolution of pressure in the different parts of the flue gas channel and the effects on the water tube side. An explosion flap has been considered. Different dimensions of the flap and positions within the flue gas channel have been tested. Simulations show that the explosion flap with a cross section of 1-2 m2, positioned near the membrane wall result in a faster decrease of pressure. This numeric model can be used for counterchecking when designing a steam generator.

Dampferzeuger stellen Dampf für die Energie- und Wärmeerzeugung, sowie die Prozesstechnik zur Verfügung. Bei größeren Kapazitäten sind Wasserrohrkessel im Einsatz. Um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten, muss jeder mögliche Schaden und dessen Ursache bedacht werden. Das Reißen eines Wasserrohres – wobei ein Wasser-Dampf-Gemisch in die Brennkammer strömt, einen explosionsartigen Druckanstieg hervorruft und ein Zerbersten des Kessels verursacht – stellt ein Problem für bestehende Anlagen dar. Mehrere Vorkommnisse haben nicht nur ein Abschalten der Anlage und große Reparaturen verursacht, sondern auch Menschenleben gekostet. Gegenmaßnahmen, wie Explosionsklappen oder Berstscheiben müssen installiert werden, um einen Anstieg des Druckes im Kessel überhalb kritischer Werte zu verhindern. In einer zuvor veröffentlichten Bachelorarbeit wurde ein vereinfachtes Model, welches die Funktionalität einer Simulation eines Rohrreißers aufzeigen soll, programmiert. Die vorliegende Arbeit stellt eine detailliertere Untersuchung des Themas dar, welches auch die Wasserseite des Problems berücksichtigt: Ein numerisches Modell eines existierenden Wasserrohrkessels, erstellt mit der Programmierumgebung MATLAB. Eine Simulation eines Rohrreißers zeigt die Druckentwicklung in den verschiedenen Segmenten des Rauchgaskanals. Eine Explosionsklappe wurde berücksichtigt. Verschiedene Dimensionen der Klappe, sowie Positionen im Rauchgaskanal wurden getestet. Simulationen zeigen, dass eine Explosionsklappe mit einem Querschnitt von 1-2m2, angebracht an der Membranwand, den schnellsten Druckabfall verursacht. Dieses numerische Modell kann als Gegenprüfung beim Entwurf eines Dampferzeugers dienen.