Modellierung und Simulation der Druckentwicklung in einem Dampferzeuger zufolge eines Rohrreißers und Konzeption einer Druckentlastungsvorrichtung

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den Auswirkungen eines Rohrreißers in der Membranwand eines Wasserrohrkessels. Dabei steht der Austritt eines Zweiphasengemisches aus dem Druckteil des Dampferzeugers, sowie der dadurch auftretende Druckanstieg in der Brennkammer im Fokus. Durch die Erstellung eines quasi-stationären Berechnungsmodells kann die Druckentwicklung in der Brennkammer sowie an Stellen im Rauchgaszug über die Zeit errechnet werden. Die programmtechnische Implementierung der Modellgleichungen in MATLAB ermöglicht ein automatisiertes Abarbeiten aller Rechenschritte über das Aufrufen zweier Programme. Aufbauend auf die Berechnungsmethode nach Linzer wird im ersten Programm, ausgehend vom Zustand in der Trommel bzw. des Sammlers, der Massenstrom und der Dampfgehalt nach der vollständigen Expansion in die Brennkammer ermittelt. Die Ergebnisse dienen im zweiten Programm als Randbedingung. Über instationäre Massen- und Energiebilanzen sowie über stationäre Druckverlustberechnungen lassen sich für jeden Zeitschritt die Zustände in der Brennkammer und im Rauchgaskanal ausgeben. Durch diese Vorgangsweise ist es möglich Aussagen über die Auswirkungen von sogenannten Rohrreißern zu treffen und gegebenenfalls entlastende Maßnahmen zu setzen. Zudem können vorhandene Entlastungsvorrichtungen bewertet werden. Am Beispiel des Biomassekraftwerkes Simmering, an dem es im Zuge eines Rohrreißers im Februar 2014 zu Beschädigungen an den Rohrwänden sowie deren Bandagen gekommen ist, konnte der Druckverlauf mit den erstellten Simulationsprogrammen nachgebildet werden. Durch Integration einer Druckentlastungsmöglichkeit in das Berechnungsprogramm konnte eine mögliche Vermeidung der entstandenen Schäden durch eine entsprechend dimensionierte Vorrichtung nachgewiesen werden.

This paper deals with the e.ects of a pipe rupture in the membrane wall of a water tube boiler. It focuses on the maximum outlet of a two-phase mixture from the pressure part, and further on the increase in pressure occurring in the combustion chamber. By creating a quasi-stationary calculation model and its mathematical implementation in MATLAB, the pressure development in the combustion chamber can be calculated over time. Based on the calculation method of Linzer, the mass flow and the vapor-content is determined in the first program. Therefore, pressure, temperature and vapour content in the drum or the collector are used as the boundary conditions. In the second program the conditions in the combustion chamber and in the flue gas duct can be calculated by using unsteady mass and energy balances and via stationary pressure loss calculations. This procedure allows to draw conclusion about the e.ects of pipe-ruptures and to take adequate measuers. Moreover, existing measures can be evaluated. Using the example of a pipe rupture in the biomass power plant Simmering in February 2014, where the outflow of the two-phase-mixture caused a significant damage to the pipewalls, the pressure curve could be replicated with the established simulation programs. As a result, it was proven that damages can be avoided by the installation of an appropriate pressure relief device.