Bauteil 22: Gasturbinenbrennkammer

In diesem Thema

Bauteil 22: Gasturbinenbrennkammer

Vorgaben

Leitungsanschlüsse
1	Primärlufteintritt für Verbrennung
2	Heißer Rauchgasaustritt
3	Sekundär (Kühl-) Lufteintritt
4	Brennstoff-Eintritt
5	Schlackeabzug (wenn vorhanden, sonst ausgeblendet)
6	Zweiter Brennstoff-Eintritt (wenn vorhanden, sonst ausgeblendet)

Allgemeines Vorgabewerte Verwendete Physik Bauteilform Beispiel

Allgemeines

Bauteil 22 wurde als Berechnungsmodul für eine Gasturbinenbrennkammer erstellt. Die Verbrennungsrechnung liefert die adiabate Verbrennungstemperatur. Nur der Primärluftmassenstrom nimmt an der Verbrennung teil. Der Sekundärluftmassenstrom kühlt die Brennkammerwände und wird den Verbrennungsgasen am Ende der Brennkammer zugemischt. Anschluss 2 des Moduls ist somit eine Rauchgas-Mischtemperatur.

Das Bauteil kann auch als Standardbrennkammer eines Kessels verwendet werden. Die Sekundärluft kann zu null angenommen werden. Die Rauchgastemperatur ist somit die Temperatur vor der ersten Überhitzerheizfläche. Im Gegensatz zu Bauteil 21, sind Zusatzheizflächen im Rauchgas nicht möglich. Diese müssen separat modelliert werden z.B. mit den Modulen 25 und/oder 26.

Das Luftverhältnis wird in Abhängigkeit vom Schalter FALAM wahlweise

durch den Nominalwert ALAMN und eine Kennlinie vorgeben. In diesem Fall genügt die Vorgabe des Brennstoffmassenstroms oder des Luftmassenstroms, die anderen Größen werden dann aus dem Luftverhältnis berechnet.
aus der Vorgabe des Brennstoffmassenstroms und des Luftmassenstroms berechnet.

Üblicherweise sind die Brennstoffe Gas oder Öl. Es ist jedoch auch Kohle zulässig. Daher kann der Aschegehalt beeinflusst werden. Der Aschegehalt von Kohle wird über den Ascheabzug entfernt. Der Spezifikationswert "Flugaschegehalt" gibt vor, welcher Anteil der Asche als Flugascheanteil im Rauchgas abgeführt wird, d.h. nicht über den Ascheabzug abgeführt wird.

Brennbare Substanzen in der Luftzufuhr werden mit verbrannt.

Bei diesem Bauteil findet stets eine vollständige Verbrennung statt. Es ist jedoch möglich, durch den Vorgabewert ETAB (Verbrennungswirkungsgrad) einzustellen, dass die erzeugte Wärme nicht vollständig genutzt wird (also ein Wärmeverlust auftritt). Wenn man jedoch unverbrannte Anteile in der Schlacke oder im Rauchgas berücksichtigen möchte, ist das Bauteil 21 (Feuerung) oder 90 (Feuerraum bei geometrischer Kesselabbildung) zu verwenden.

Der Heizwert des Abgases wird aus der Zusammensetzung berechnet.

Die NOX- Konzentration am Austritt kann über eine Kernelexpression vorgegeben werden. Dies wird über den Flag FNOCON gesteuert:

Bei einem Wert von 0 wird der Vorgabewert NOCON verwendet
Bei einem Wert von 1 wird die Kernelexpression ENOCON zur Berechnung herangezogen.

Das Flag FCON steuert, ob die Konzentration als Molanteil oder als normierter Massenanteil (mg/Nm³) gegeben wird.

Chemisches Gleichgewicht

Betriebsart - Gleichgewichtsberechnung statt Verbrennungsrechnung:

Es ist möglich, anstelle der Verbrennungsrechnung eine Berechnung des chemischen Gleichgewichts (wie bei Bauteil 21) durchzuführen. Die Umschaltung geschieht mit dem Schalter FOP.

Anstatt einer Verbrennungsrechnung kann auch eine Berechnung des chemischen Gleichgewichts durchgeführt werden, beruhend auf den im Gibbs-Reaktor (Bauteil 134) verwendeten NASA-Code). Zur Umschaltung dient der neue Schalter FOP:

FOP=0: klassische Verbrennungsrechnung
FOP=1: chemisches Gleichgewicht

Die Konzentrationen für CO und NOx werden nach der Gleichgewichtsberechnung auf die vorgegebenen Werte eingestellt (dies gilt auch, wenn der vorgegebene Wert 0 ist!). Wenn jedoch die im Gleichgewicht berechneten Werte für CO und NOx beibehalten werden sollen, muss der Schalter FCOCON bzw. FNOCON auf -1 gestellt werden.

Die Vorgabe der Reaktionsraten für die Direktentschwefelung ist allerdings mit der Berechnung des Gleichgewichts nicht kombinierbar.

Die Verteilung der Asche und des Unverbrannten wird entsprechend RFLAS und UBASH durchgeführt.

Die Berechnung des Gleichgewichts erfolgt bei der Temperatur und dem Druck des Abgases.
Es besteht allerdings die Möglichkeit, durch den Vorgabewert DTREACT die Reaktionstemperatur zu erhöhen (DTREACT>0) oder zu verringern (DTREACT<0).

Eine Verringerung kann sinnvoll sein, wenn sich ein Gleichgewicht nicht einstellen kann, weil die Verweilzeit im Reaktor zu klein ist. Dieses Feature steht allerdings nur zur Verfügung, wenn die Abgastemperatur vorgegeben wird (als Vorgabewert oder von außen), nicht bei Verwendung der adiabaten Verbrennungstemperatur (siehe Abschnitt "Adiabate Austrittstemperatur").

Ionisation wird im Bauteil 22 nicht betrachtet.

Ausblendung Schlackeabzug

Da beim Betrieb mit Gas üblicherweise keine Schlacke anfällt, ist der Schlacke-Austritt (Anschluss 5) jetzt standardmäßig ausgeblendet. Er kann bei Bedarf auf dem Blatt „Anschlüsse“ der Komponenteneigenschaften wieder eingeblendet werden.

Zweiter Brennstoffanschluss

Wie schon bei den Bauteilen 21 und 90, gibt es jetzt auch bei Bauteil 22 und 41 einen zweiten Brennstoffanschluss, um beispielsweise eine Öl-Feuerung abzubilden. Standardmäßig ist dieser allerdings ausgeblendet. Er kann bei Bedarf auf dem Blatt „Anschlüsse“ der Komponenteneigenschaften eingeblendet werden.

Kühlluft-Verbrennung

Bisher wurde die Kühlluft (Anschluss 3) erst nach der Verbrennung dem Abgas beigemischt, um dessen Temperatur zu senken. Sie nahm grundsätzlich nicht an der Verbrennung teil. Falls über den Anschluss 1 nicht genügend Sauerstoff für die Verbrennung bereitgestellt werden konnte, gab es eine Fehlermeldung.

In Release 15 besteht die Möglichkeit, auch die Kühlluft an der Verbrennung teilnehmen zu lassen. Hierfür gibt es einen Schalter FCOOLAIR:

Für FCOOLAIR=0 verhalten sich die Bauteile wie bisher, d.h. die Kühlluft nimmt nicht an der Verbrennung teil. Dies ist auch die Standardeinstellung.
Für FCOOLAIR=1 nimmt die Kühlluft an der Verbrennung teil.

Der Kühlluft-Massenstrom ist in jedem Fall von außen vorzugeben.

Vorgabewerte

FMODE	Berechnungsmodus Auslegung /Teillast Wie im Elternprofil (Unterprofil nur optional) Ausdruck =0: GLOBAL =1: Lokale Teillast =-1: Lokale Auslegung
FOP	Betriebsart Wie im Elternprofil (Unterprofil nur optional) Ausdruck =0: Verbrennung =1: Chemisches Gleichgewicht (Gibbs)
FALAM	Methode zur Bestimmung von Luft- und Brennstoffstrom Wie im Elternprofil (Unterprofil nur optional) Ausdruck =0: Einen Strom vorgeben, den anderen mit ALAMN berechnen =1: Brennstoff (M4) und Luftstroms (M1) vorgeben, ALAMN wird berechnet = -11: Luftmassenstrom (M1) , Brennstoff (M4) und Ascheabzug (M5) von außen vorgeben (spezieller Modus für VDI2048-Validierung)
ALAMN	Luftverhältnis (Luft Ist (M1) / Luft stöchiometrisch) (nominal) Siehe Lambda-Definitionen
DTREACT	Temperaturdifferenz zwischen Reaktions- und Abgas-Temperatur (FOP=1)
DES (veraltet)	Entschwefelung (veraltet)
ETAB	Verbrennungswirkungsgrad (bedingt durch Wärmeverlust, kein Unverbranntes)
RFLAS	Flugascheverhältnis (bezogen auf Gesamtaschegehalt)
TASHE	Temperatur des Ascheabzugs
FSPECP	Behandlung Druckverlust Wie im Elternprofil (Unterprofil nur optional) Ausdruck =0: DP12=DP12N(M1/M1N)*2; DP14=DP45=0 =1: DP12=DP12N (konstant); DP14=DP45=0 = -1: Alle Drücke von außen gegeben
DP12N	Druckverlust (nominal)
FCON	Schalter für die Konzentrationsangabe NOCON Wie im Elternprofil (Unterprofil nur optional) Ausdruck =1: Molanteil (bezogen auf Referenz-O2-Konzentration) =2: Normierter Gewichtsanteil (bei Referenz-Sauerstoffgehalt) Der Unterschied zwischen FCON=1 und FCON=2 besteht darin, dass man bei FCON=2 so etwas wie eine "Dichte" für den Schadstoffanteil vorgibt, also Masse Schadstoff pro Volumen Rauchgas (daher auch die Einheit mg/Nm³). Wenn man diese Dichte durch die Dichte des reinen Schadstoffs teilt, kommt man auf den entsprechenden Molanteil. Bei der Implementierung wird auf diese Weise der Fall FCON=2 auf den Fall FCON=1 zurückgeführt, unter Verwendung einer konstanten Dichte von 2.05204 kg/m³ für NOx (unabhängig von NOSPL).
FNOCON	Berechnung der NOx-Konzentration Wie im Elternprofil (Unterprofil nur optional) Ausdruck =0: Aus Vorgabewert NOCON =1: Aus Funktion ENOCON
NOCON	NOx-Konzentration im Abgas (Molanteil feucht bei Referenz-Sauerstoffgehalt) Hinweis: Um den in NOCON eingetragenen Wert auf der Abgasleitung zu reproduzieren, muss man die Referenz-O2-Konzentration in den Modelleinstellungen auf den O2-Molanteil in der Abgasleitung ändern und die Eigenschaften im Wertekreuz auf "Anzeige Mol" umstellen. NOCON ist dann die Summe aus XNO2 und XNO. Da diese Berechnung iterativ erfolgt, wird der Wert allerdings nur näherungsweise erreicht.
ENOCON	Funktion für NOx-Konzentration im Abgas function evalexpr:REAL; // Je nach FCON ist das Ergebnis in dieser Einheit anzugeben: m³/m³ wenn FCON=1, in mg/Nm³ wenn FCON=2 begin evalexpr:=0.0; end;
NOSPL	NO-Split (Molanteil des NO vom gesamten NOx, (NO/(NO+NO2)), (Molanteil)
FCOOLAIR	Verwendung der Kühlluft (Anschluss 3) Wie im Elternprofil (Unterprofil nur optional) Ausdruck =0: nur zur Kühlung, keine Verbrennung =1: kann auch zur Verbrennung genutzt werden
FVALNCV (veraltet)	Validierung unterer Heizwert, (veraltet) Wie im Elternprofil (Unterprofil nur optional) Ausdruck =0: Heizwert von Leitung übernommen (fest), ohne Validierung =1: Heizwert von Pseudomessstelle übernommen (validierbar)
IPS	Index für Pseudomessstelle
M1N	Massenstrom der Verbrennungsluft (nominal)

Die blau markierten Parameter sind Referenzgrößen für den Teillastmodus. Die Ist-Teillastwerte beziehen sich in den verwendeten Gleichungen auf diese Größen.

Generell sind alle sichtbaren Eingaben erforderlich. Häufig werden jedoch Standardwerte zur Verfügung gestellt.

Für weitere Informationen über die Farbe der Eingabefelder und ihre Beschreibungen siehe Komponenten bearbeiten\Vorgabewerte

Für weitere Informationen über Auslegung vs. Teillast und Nominalwerte siehe Allgemeines\Nominalwerte übernehmen

Verwendete Physik

Gleichungen

Alle Betriebsfälle

ALAM=ALAMN

gegeben:
{ NCV4 unterer Heizwert des Brennstoffs
M1i/M1 Primärluftzusammensetzung (Gewichtsanteile)
M3i/M3 Sekundärluftzusammensetzung (Gewichtsanteile)
M4i/M4 Brennstoffanalyse (Gewichtsanteile)
mit i=1..m
m=max Anzahl von Elementen}

Für jede Brennstoffart ergibt sich entsprechend der Elementarverbrennung:

    M5i
{ (----------)
     M5
          M4i        M1i
= f( (--------), (--------), ALAM, DES, RFLAS) }
          M4         M1

wenn Teillast dann
{ F = (M1/M1N) ** 2 }
sonst
{ F = 1.0 }

DP12 = DP12N * F

Punkt B: Brennkammeraustritt vor Mischung mit dem Sekundärluftmassenstrom M3

PB = P1 - DP12 (1a)

QB = Q1 + Q4 + M4 * NCV4 (4a)

MB = M1 + M4 (6a)

HB = QB/MB

TB = f (PB, HB)

Gasförmige und flüssige Brennstoffe:

{ M5 = 0 (8)

P5 = 0 (2)

T5 = 0

H5 = 0 (4)

Q5 = 0 }

Fester Brennstoff {

MAsche
mAsche = ----------------
M4

                   MLIME
mKalk=     -----------------
                    M4

mAL = mAsche + mLIME

RAsche = mAsche /mAL

RLIME= mLIME /mAL

M5 = mAL* M4 * (1 - RFLAS) (8)

P5 = P4 (2)

T5 = TAscheE

H5 = f(P5, T5) (4)

Q5 = M5 * H5

}

M2 = M3 + MB - M5 (6b)

   M2i            M3i                   MBi-M5i
(---------) =   [(---------) * M3 +   (---------------) * (MB-M5)] / M2
   M2             M3                    MB-M5

mit i=1..m

m=max Anzahl Elemente

P2 = PB (1b)

QI = Q3 + QB - Q5 Wärmeeintrag

QC = QI * ETAB

QL = QI - QC

H2 = QC/M2 (5)

T2 = f(P2, H2)

Q2 = M2 * H2

(M1/M4) aus elementarer Verbrennungsrechnung

M4 = M1/ (M1/M4) (7)

P1 = P4 (3)

Bauteilform

Form 1Form 2

Beispiel

Klicken Sie hier >> Bauteil 22 Demo << um ein Beispiel zu laden.

Siehe auch

Brennkammern und Reaktoren

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