Bauteil 41: Kanalbrenner (für Abhitzekessel)

Vorgaben

Leitungsanschlüsse
1	Rauchgas- bzw. Primärlufteintritt
2	Heißer Rauchgasaustritt
3	Sekundärluft (Kühlung) Eintritt
4	Brennstoffeintritt
5	Ascheabzug (wenn vorhanden)
6	Zweiter Brennstoff-Eintritt (wenn vorhanden, sonst ausgeblendet)

 

Allgemeines       Vorgabewerte       Verwendete Physik       Bauteilform       Beispiel      

Allgemeines

 

Der Kanalbrenner dient einer Zusatzverbrennung hinter einer Gasturbine und vor der ersten Heizfläche z.B. dem Überhitzerbündel des Abhitzekessels. Das Bauteil berechnet die adiabate Verbrennungstemperatur und das Luftverhältnis basierend auf den vorgegeben Brennstoffgrößen und dem Primär-Luftmassenstrom (Abgasmassenstrom der Gasturbine). Der Sekundärluftmassenstrom wird nicht bei der Verbrennung berücksichtigt, sondern den Verbrennungsgasen zugemischt. Das Bauteil arbeitet adiabat.

Es wird empfohlen, die O2-Konzentration im Abgas des Kanalbrenners zu prüfen. Dieser Wert darf nicht unter 3% liegen. Das Luftverhältnis muss kontrolliert werden, da es berechnet wird. Es darf nicht kleiner als 1.1 werden.

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 (NOx) als Molanteil oder als normierter Massenanteil (mg/Nm³) gegeben wird.

Hinweis:
Ab Release 9.00 gibt es ein neues Flag FETAB. Damit kann festgelegt werden, ob der Wärmeverlust auf die Gesamtwärme oder nur auf die Brennstoffwärme bezogen werden soll. 
(Vorher wurde bei Brennstoffmassenströmen < 10^-4 kg/s der Verlust auf die Brennstoffwärme bezogen, bei größeren aber auf die Gesamtwärme).

Bei diesem Bauteil wurden M3N und M4N als Nominalwerte ergänzt, damit in Skripten oder Ausdrücken darauf zugegriffen werden kann. Vom Ebsilon-Rechenkern werden diese Werte nicht verwendet.

Bei diesem Bauteil wird der neue Verbrennungsalgorithmus verwendet, bei dem nicht nur die am Brennstoff-Eintritt (4), sondern auch die in der Luft- bzw. Rauchgas-Zufuhr (1)
enthaltenen brennbaren Substanzen verbrannt werden. Damit ist insbesondere eine Nachverbrennung von im eintretenden Abgas enthaltenem CO möglich.

Das Bauteil 41 führt stets eine vollständige Verbrennung durch.

Modell

 Das Modell basiert auf der Annahme einer vollständigen Verbrennung zwischen

- Brennstoff        (Anschluss 4) und
- Primärluft         (Anschluss 1)

und der anschließenden Mischung mit dem Sekundärluftmassenstrom (Anschluss 3).
Massenbilanzen und die Zusammensetzungen auf den Austrittsleitungen werden wie folgt ermittelt 

M2 = M1 + M3 + M4 - M5

M5 aus der Aschebilanz

Die Zusammensetzung des Rauchgases in der Verbrennungsrechnung basiert auf der Zusammensetzung des eintretenden Gases (das ist üblicherweise das Abgas der Gasturbine), der Brennstoffzusammensetzung und der zusätzlichen Luft unter Berücksichtigung der Aschebilanz.

Die Austrittsenthalpie des heißen Gases ergibt sich aus der Bilanz entsprechend dem 1. Hauptsatz

•  der Ascheabzugstemperatur und
•  dem Verbrennungswirkungsgrad und
•  adiabaten Bedingungen.

Der Austrittsdruck P2 ergibt sich aus dem Eintrittsdruck und dem Druckverlust

P1 = P4 = P5 = P2 + DP12

Der Druck P3 (Kühlluft) muss immer höher oder gleich P1 sein.
Der Verbrennungswirkungsgrad ETAB kann wahlweise auf die Gesamtwärme oder nur auf die Brennstoff-Energie bezogen werden.

Chemisches Gleichgewicht 

Betriebsart - Gleichgewichtsberechnung statt Verbrennungsrechnung:

Es ist möglich, anstelle der Verbrennungsrechnung eine Berechnung des chemischen Gleichgewichts (wie bei Bauteil 90) 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 41 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.

 

 

Ähnliche Bauteile:

Bauteil 21  (Brennkammer / Wirbelschicht):

Für gegebenen Gesamtluftmassenstrom (oder Brennstoffmassenstrom), gegebenes Luftverhältnis und gegebene Endtemperatur der Rauchgase, berechnet dieses Bauteil den erforderlichen Brennstoffmassenstrom (oder den Gesamtluftmassenstrom) und den Anteil des Primärluftmassenstroms am Gesamtluftmassenstrom. Das Bauteil arbeitet nicht adiabat. Die freigesetzte Wärmemenge steht an einer Anschlussleitung zur Verfügung.

Bauteil 22  (Brennkammer einer Gasturbine):

Für gegebenen Brennstoffmassenstrom (oder Primärluftmassenstrom) und gegebenes Luftverhältnis berechnet dieses Bauteil den erforderlichen Primärluftmassenstrom (oder den Brennstoffmassenstrom) und die Endtemperatur des heißen Gases. Diese ist eine Mischung aus Primärluft, die die adiabate Verbrennungstemperatur erreicht hat, und der Sekundärluft, die nur zur Mantelkühlung dient und nicht an der Verbrennung teilnimmt. Das Bauteil arbeitet adiabat.

 

 

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.

 

Vorgabewerte 

DP12N	Druckverlust (nominal)
FOP	Betriebsart (nicht relevant für Initialisierung) Wie im Elternprofil (Unterprofil nur optional) Ausdruck =0: Verbrennung =1: Chemisches Gleichgewicht (Gibbs)
DTREACT	Temperaturdifferenz zwischen Reaktions- und Abgastemperatur (FOP=1)
DES (veraltet)	Entschwefelung (veraltet)
FETAB	Schalter zur Definition der Grundlage für ETAB Wie im Elternprofil (Unterprofil nur optional) Ausdruck =0: Wärmeverlust auf Gesamtwärme bezogen =1: Wärmeverlust nur auf Brennstoffwärme bezogen
ETAB	Verbrennungswirkungsgrad (hier nur auf Wärmeverlust bezogen, kein Unverbranntes)
RFLAS	Flugasche bezogen auf Gesamtasche
TASHE	Schlacke-Temperatur
FMODE	Berechnungsmode (Auslegung / Teillast) Wie im Elternprofil (Unterprofil nur optional) Ausdruck =0:  GLOBAL =1:  Lokale Teillast =-1: Lokale Auslegung
FCON	Schalter zur Interpretation von NOCON Wie im Elternprofil (Unterprofil nur optional) Ausdruck =1: Molanteil (bezogen auf Referenz O2-Konzentration) =2: Normierte 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, wobei eine konstante Dichte von 2.05204 kg/m³ für NOx verwendet wird (unabhängig von NOSPL).
FNOCON	Schalter zur Berechnung der NOx-Konzentration im Abgas Wie im Elternprofil (Unterprofil nur optional) Ausdruck =0:  aus dem Vorgabewert NOCON =1:  aus der 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-Sauerstoffkonzentration in den Modelleinstellungen auf den Sauerstoff-Molanteil in der Abgasleitung ändern und die Eigenschaften im Wertekreuz auf "Anzeige mol" umstellen. NOCON ist dann die Summe aus XNO2 und XNO. Da die Berechnung iterativ erfolgt, wird der Wert allerdings nur näherungsweise erreicht.
ENOCON	Funktion für NOx-Konzentration im Abgas
NOSPL	NO-Split (Molanteil des NO vom gesamten NOx); NO-Split (NO/(NO+NO2) (Molarer Anteil))
FCOOLAIR	Verwendung der Kühlluft (Anschluss 3) Wie im Elternprofil (Unterprofil nur optional) Ausdruck =0: nur zur Kühlung, keine Verbrennnung =1: kann auch zur Verbrennung genutzt werden
FVALNCV	Heizwertvalidierung (veraltet) Wie im Elternprofil (Unterprofil nur optional) Ausdruck =0: Heizwert von Leitung übernommen (fest), ohne Validierung =1: Heizwert von Pseudomessstelle übernommen (validierbar) =2: Heizwert gegeben durch Enthalpie auf Regeleingang 6
IPS	Index für Pseudomessstelle
M1N	Primärer Massenstrom (nominal)
M3N	Sekundärer Massenstrom (nominal)
M4N	Brennstoffmassenstrom (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 DES=DESN ETAB=ETABN RFLAS=RFLAN gegeben: { NCV4  unterer Brennstoffheizwert M1i/M1  Primärluft Zusammensetzung   (Gewichtsteile) M3i/M3  Sekundärluft Zusammensetzung (Gewichtsteile) M4i/M4  Brennstoffzusammensetzung (Gew. Anteile) mit i =1..m m = max Anzahl Elemente }   für jede Brennstoffart entsprechend der Elementarverbrennung erscheinen:        M2i   { (----------)        M2         M4i      M1i = f( (--------), (--------),M1, M4, DES, RFLAS)         M4        M1                    M4i      M1i ALAM= f( (--------), (--------),M1, M4, DES, RFLAS) }                  M4        M1     wenn GLOBAL = Teillast, dann: { F    = (M1/M1N) ** 2  } sonst {F    = 1.0}   DP12 = DP12N * F Punkt B: Brennkammeraustritt vor Zumischung des Sekundärluftmassenstroms M3 PB   = P1 - DP12                                             (1a) QB   = Q1 + Q4 + M4 * NCV4                        (4a) MB   = M1 + M4                                            (6a) HB   = QB/MB TB   = f (PB, HB) für gasförmigen und flüssigen Brennstoff: { M5 = 0                                                         (7)   P5 = 0                                                          (2)   T5 = 0   H5 = 0                                                          (4)   Q5 = 0 }   für festen Brennstoff:  {                    MASH mASH = ----------------                    M4                    MLIME mLIME = -----------------                    M4 mAL  = mASH + mLIME RASH = mASH /mAL RLIME= mLIME /mAL M5     = mAL* M4 * (1 - RFLAS)                          (7) P5     = P4                                                        (2) T5     = TASHE 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 an Elementen P2   = PB                                                           (1b) QI  = Q3 + QB - Q5     Wärmezufuhr 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)                                       P1   = P4                                                            (3)

 

Bauteilform

Form 1

Beispiel

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