GuD-Kraftwerk '500 MW auf einer Welle' (AG TURBO II). Vorhaben 3.3.2.B.: Modellierung von Mehrfachbrennersystemen 'Instationaere Mischung: Modellbildung' Abschlussbericht

Abstract

Es wurden grundlegende Erkenntnisse zur zeitlichen als auch raeumlichen Mischungsguete eines Luft-Gasgemisches erzielt. Vor dem Hintergrund der Minimierung von Stickoxidemissionen von Gasturbinen lassen sich durch Verbesserung der Brennstoff/Luft Mischung in der Vormischpassage vor der Flammenzone die Emissionen deutlich reduzieren. Phase 1 beinhaltet den Aufbau eines CFD Modells zur Untersuchung der sowohl zeitlichen als auch raeumlichen Mischungsguete eines quer zur Hauptstroemung eingeduesten Tracer-Luft-Gasgemisches. Dabei erfolgte die Implementierung einer zusaetzlichen skalaren Erhaltungsgleichung zur Berechnung der turbulenten zeitlichen Konzentrationsschwankungen. Durchgefuehrte Variantenrechnungen zeigten hinsichtlich der oertlichen und zeitlichen Mischungsguete gute Uebereinstimmung mit experimentellen Messergebnissen. Wesentliche variierte Parameter waren: Die turbulente Schmidtzahl, der Einduesungsdurchmesser, die Massenstromverhaeltnisse und der Einfluss des statischen Mischers auf das Mischungsverhalten des Brennstoff-Luftgemisches. Fuer eine ausgewaehlte Variante erfolgte in Phase 2 der Aufbau eines CFD Modells zur Untersuchung der Mischungsguete eines quer zur Hauptstroemung eingeduesten Tracer-Luft-Gasgemisches bei gleichzeitiger Umlenkung der Stroemung durch in die Hauptstroemung eingebrachte Schaufeln. Die Einduesung des Tracer-Luft-Gasgemisches erfolgte direkt ueber die in den Kanal eingebauten Schaufeln. Wegen der unterschiedlichen Druckverteilung auf Druck und Saugseite der Schaufeln ist das Mischungsverhalten im Vergleich zur unverdrallten Einduesung deutlich schlechter, was sowohl die experimentellen Messungen als auch die numerischen Berechnungen belegen. In Phase drei wurde ein Stickoxid-Vorhersage-Modell basierend auf einer 5 Schritt Reaktionskinetik in das vorhandene EDM-Verbrennungsmodell des CFD-Codes integriert und mit an Gasturbinen ermittelten Emissions Messwerten in Phase 4 validiert. Anfaengliche deutliche Unterschiede zwischen Messergebnissen und CFD-Ergebnissen hinsichtlich der Stickoxid-Emissionen konnten durch Optimierung des Verbrennungsmodells behoben werden. Deutliche Defizite weist das Modell jedoch bei der Vorhersage von CO-Emissionen auf. Die fuer die Phase 5 geplante zusaetzliche Validierung des CFD Modells an Hand von atmosphaerischen Stick-oxid-Messungen konnte nicht erfolgen, da die seitens der Uni Bochum geplanten atmosphaerischen Verbrennungsversuche wegen mangelnder Flammenstabilitaet nicht in zufriedenstellender Weise durchgefuehrt werden konnten. Die erwaehnten Defizite der 5-Schritt-Reaktionskinetik bei der CO-Vorhersage werden weitgehend durch den Einsatz des ILDM Verbrennungsmodells behoben werden, was Schwerpunkt des aktuellen Forschungsprojektes 4.4.6 von AG-Turbo II ist. (orig.)The temporal and local mixing quality of an air/gas mixture was investigated. Emissions can be reduced significantly by improving the fuel/air ratio in the premix passage ahead of the flame zone. Phase 1 comprised the development of a CFD model for investigating the temporal and local mixing quality of a tracer/air gas mixture injected normal to the main flow direction. An additional scalar conservation equation was implemented for calculating the turbulent temporal concentration variations. Variant calculations were carried out; the results were in good agreement with experimental findings. The following variables were measured: The turbulent Schmidt number, the injection diameter, the mass flow ratios, and the influence of the static mixer on the mixing characteristics of the fuel/air mixture. In phase 2, a CFD model was developed for investigating the mixing quality of a tracer/air gas mixture injected normal to the main flow direction and with simultaneous flow deflection by blades installed in the main flow passage. Here, the mixing quality was significantly lower both in the experimental measurements and in the calculations. In phase 3, a NOx prediction model based on a 5-step reaction kinetics was integrated in the available EDM combustion model of the CFD code. It was validated in phase 4 on the basis of NOx emission measurements on gas turbines. Initially, there were significant variations between the measurements and CFD results; these were overcome, however, by optimising the combustion model. However, the model clearly did have deficiencies in the prediction of CO emissions. In phase 5, the CFD model was to be validated additionally on the basis of atmospheric NOx measurements. This was not possible as the atmospheric combustion experiments planned at Bochum University did not achieve sufficient flame stability. The deficiencies of the 5-step reaction kinetics in CO prediction were overcome by the use of the ILDM combustion model, which is the central subject of the current research project 4.4.6 of AG-Turbo II. (orig.)SIGLEAvailable from TIB Hannover: F04B608 / FIZ - Fachinformationszzentrum Karlsruhe / TIB - Technische InformationsbibliothekBundesministerium fuer Bildung und Forschung (BMBF), Bonn (Germany)DEGerman