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CFD-Berechnungen Computergestützte Simulation von Strömungs- und Verbrennungs- vorgängen, Stoff- und Wärmetransport in Kraftwerken

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Die Kühlung der wärmeentwickelnden Behälter in den Lägern erfolgt nach dem STEAG-Konzept durch Naturzug. Dabei strömt Umgebungsluft durch seitlich am Gebäude befindliche Zuluftkanäle ein, wird durch Konvektion und Wärmestrahlung aufgeheizt und strömt durch im Dach des Gebäudes eingelassene Abluftöffnungen wieder hinaus. Ähnliche Berechnungen haben wir bereits auch für Anlagen zur Verglasung hochradioaktiver Abfälle durchgeführt.

Auf der Basis von Wärmetransportmodellen werden Be-rechnungen zur Bestimmung von Oberflächen- und Medien-temperaturen durchgeführt. Besonderes Augenmerk liegt hierbei auf der Dimensionierung von Einbauten in den Zu- luft- und Abluftkanälen (Wetterschutzgitter, Barrieregitter, Jalousieklappen) zur Ermittlung und Minimierung von auf-tretenden Druckverlusten. Des Weiteren werden Konzepte zur Stellplatzoptimierung wärmeentwickelnder Behälter entwickelt.

Erfolgreich absolvierte Projekte für verschiedene Standorte in Deutschland und der Schweiz:

· Standortzwischenläger Unterweser, Grohnde und Brokdorf (E.ON)· Standortzwischenläger Brunsbüttel und Krümmel (Vattenfall)· Standortzwischenlager Lingen (RWE)· Standortzwischenlager Obrigheim (EnBW)· Zentrales Zwischenlager der Schweiz (ZWILAG)· Verglasungsanlage Karlsruhe (VEK)

WärmeabfuhrberechnungenFür die thermische Auslegung von Zwischenlägern für Behälter mit hochradioaktiven Abfällen (HAW) aus Kernkraftwerken führen wir Berechnungen zur Nachwärmeabfuhr durch.

Nach der Temperatur eingefärbte Pfadlinien der Konvektionsströmung durch ein HAW-Behälterlager

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In den Verbrennungsberechnungen wird an den Brennern der Einlass des Brennstoffes samt Kern-, Primär-, Sekun-där- und Tertiärluft mit entsprechenden Drallwinkeln geo-metrisch exakt abgebildet. Die Brennstoffparameter sowie die für die Verbrennung ausschlaggebenden chemischen Reaktionen fließen in die Berechnung ein. Bei Kohlestaub-feuerungen wird die Verbrennung auf den Pfaden der einge-düsten Kohlestaubpartikel berechnet.

Beispielhaft zu nennende Ergebnisse von Verbrennungs-berechnungen sind:

· Das Temperaturfeld im Feuerungsraum· Die thermische Beanspruchung der Kesselwände· Die Spezieskonzentrationen im Feuerungsraum· Die Sauerstoffkonzentration an den Kesselwänden (Korrosionsvermeidung)

Für die STEAG-Steinkohlekraftwerke Walsum und Isken- derun (Türkei) wurden Berechnungen erfolgreich durch-geführt.

Bei STEAG Energy Services werden

im Bereich Nuclear Technologies

CFD-Berechnungen zur computer-

gestützten Simulation von Strömungs-

vorgängen sowohl in kerntechnischen

Anlagen als auch in fossil befeuerten

Kraftwerken durchgeführt.

Kessel- und VerbrennungsberechnungenZur Simulation des Feuerungsraums fossil befeuerter Kraftwerke führen wir Verbrennungs-berechnungen durch, in denen der komplette Kessel samt komplexer Brennergeometrien simuliert wird.

Darstellung des Temperaturfeldes im Kessel des Kraftwerks Walsum

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In den Berechnungen wird mit einem Rechenmodell für Mehrphasenströmungen der Wärme- und Stoffaustausch zwischen Tropfen und Rauchgas berücksichtigt.

Die Berechnungen dienen beispielsweise dazu, das Ge-schwindigkeiten, Temperaturen und Suspensionskonzen-trationen im Rauchgaswäscher zu homogenisieren, ins be-son dere durch Unterdrückung der Rand gän gigkeit und der Schieflagen der Rauch gas strö mung.

Dies kann durch geometrische Optimierung der Wäscher-einbauten wie z.B. Sprühebenen, Sprühdüsen und Tropfen-abscheider geschehen.

Für die STEAG-Steinkohlekraftwerke Bergkamen, Lünen, Bexbach und Iskenderun (Türkei) wurden Berechnungen zur REA-Optimierung erfolgreich durchgeführt.

Optimierung von Rauchgasentschwefelungsanlagen

Im Zuge der Optimierung von Rauchgaswäschern für Großkraftwerke führen wir Berechnungen zur Verbesserung der Strömungsverhältnisse und der Abscheide-leistungen von Wäschern und deren Zu- und Abströmkanälen durch.

Geometriemodell eines REA-Wäschers

Konzentration der Suspension in den Sprühebenen eines REA-Wäschers des Kraftwerks Bergkamen

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In erster Linie soll durch die Berechnungen das Optimie-rungspotential hinsichtlich der Durchströmung des Filters erzielt werden.

Im Zuge dieser Berechnungen wird darüber hinaus die Staubkonzentration im Filter durch ein Rechenmodell für Mehrphasenströmungen bestimmt, um durch geometrische Optimierungen (Leitbleche, Klappen, Gasverteilungswände) die Bildung von Staubagglomerationen und Strähnen zu

vermeiden. Mit Hilfe der Deutsch-Gleichung und der Staub-verteilung wird die Staubabscheidung berechnet.

Für folgende STEAG-Kraftwerke wurden Berechnungen für Elektrofilteroptimierungen erfolgreich durchgeführt:

· Kraftwerk Voerde · Kraftwerk Lünen · Kraftwerk Herne · Kraftwerk Iskenderun (Türkei)

Optimierung von Elektrofiltern

Im Rahmen von Optimierungen der Elektrofilteranlagen in fossil befeuerten Kraftwerken führen wir Berechnungen zur Verbesserung der Strömungsführung im Elektrofilter sowie in den Zu- und Abströmkanälen durch.

Verteilung der Staubkonzentration in einem Elektrofilter

Geometriemodell für eine Elektrofilteroptimierung

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Bei den Berechnungen stehen meist die Verbesserung der Strömungsverhältnisse und die damit einhergehende Er-mittlung von Einsparpotentialen hinsichtlich des Druckver-lustes im Vordergrund. Aus den Berechnungsergebnissen werden zielführend Vorschläge für geometrische Umbau-maßnahmen abgeleitet.

Die Rauchgasparameter und die auftretenden thermodyna-mischen Effekte (Auftrieb, Wärmeübergang, Wärmequellen) werden modelltechnisch exakt berücksichtigt.

Für Tröpfchenströmungen werden die Ausbreitung und die Verdampfung von Wassertropfen modelliert.

Für eine Reihe von Kraftwerken wurden Berechnungen erfolgreich durchgeführt:

· Gemeinschaftskraftwerk Bergkamen (RWE/STEAG)· Raffineriekraftwerk Godorf (Shell/STEAG)· Braunkohlekraftwerk Niederaußem (RWE)· Kohleheizkraftwerk Mainz (KMW)· Cottam (E.ON UK)· Iskenderun (Türkei, STEAG)

Optimierung von Rauchgaskanälen

Im Rahmen einer Vielzahl von Berechnungsprojekten haben wir bereits Optimierungen der Strömungsführung und der Einbauten in den Rauchgaskanälen fossil befeuerter Kraftwerke durchgeführt.

Nach der Strömungsgeschwindigkeit eingefärbte Pfadlinien der Drallströmung hinter zwei Rauchgaswäschern im Kraftwerk Bergkamen

Iso-Konturen der Strömungsgeschwindigkeit in der Rauchgasreinigungsanlage des Raffineriekraftwerks Godorf

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Beispielsweise setzen wir zur Bestimmung der Asche- und Staubkonzentrationen in Komponenten der Rauch-gasreinigung (Elektrofilter, DeNOx-Anlagen) Modelle zur Simulation von Mehrphasenströmungen ein, um die Ver-teilung von Rauchgas, Partikeln und Tröpfchen zu homo-genisieren.

Für eine Reihe von Kraftwerken wurden Berechnungen mit Partikel- und Tröpfchenströmungen sowie Verdampfung

von Tröpfchen erfolgreich durchgeführt:

· Die STEAG-Kraftwerke Voerde, Lünen und Herne· Das Infracor-Kraftwerk Marl· Cottam Power Station (UK)· Verschiedene US-amerikanische-Kraftwerke (Gorgas, Marion, Merom, Monroe)

Simulation von Partikel- und Tröpfchenströmungen

In Rauchgaskanälen fossil befeuerter Kraftwerke treten Strömungen mit Partikeln in Form von Asche, Staub oder Tröpfchen auf. Wir führen dabei für verschiedene Problemstellungen CFD-Berechnungen durch.

Pfadlinien einer Tröpfchenströmung im Reingaskanal des Kraftwerkes Cottam, koloriert nach der Temperatur

Aschekonzentration (links) und Strömungsgeschwindigkeit (rechts) in den Rauchgaskanälen zwischen Feuerraum und REA des Kraftwerkes Gorgas

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2012