Die Herausforderung
von Teruako Ito, Toshitako Higashikoba, Satoshi Iwami (Tokushima Universität), Masato Tamura und Akira Takami (IHI Corporation)
Vorgestellt auf der Wintersimulationskonferenz 2018
Die Rolle von Wärmekraftwerken wird in Japan immer wichtiger, da die Zahl der Kernkraftwerke nach dem Tohoku-Erdbeben im Pazifischen Ozean abnimmt. Die Versorgung mit erneuerbarer Energie wird als Alternative für die Energiesicherheit erwartet, aber es ist schwierig, die Energie auf eine sehr stabile Weise zu sichern. Infolgedessen kommt es in unregelmäßigen Abständen zu unerwarteten Anforderungen an die thermische Stromerzeugung, um die Schwankungen des Stromangebots und/oder der Nachfrage zu decken. Unter diesen Umständen ändert sich der Einsatz von Wärmekraftwerken mit Kohlekesseln hin zu einer dynamischeren und komplizierteren Betriebsweise. In dieser Studie wurden zwei Arten von Simulationsmodellen zur Klärung dieses Vorgangs verwendet, nämlich ein Strömungssimulationsmodell für einen kohlebefeuerten Kessel und ein Prozesssimulationsmodell für ein Wärmekraftwerk. In diesem Beitrag werden diese beiden Arten von Modellierungsansätzen vorgestellt und die Durchführbarkeit der in dieser Studie implementierten Modelle erörtert, um eine simulationsbasierte Lösung für einen anpassungsfähigen Kraftwerksbetrieb vorzuschlagen.
Einleitung
Als Reaktion auf das Große Ostjapanische Erdbeben im Jahr 2011 wurden alle Kernkraftwerke grundlegend überprüft, und die Zahl der in Japan betriebenen Kernkraftwerke wurde drastisch reduziert. Thermische Kraftwerke spielten bisher eine wichtige Rolle bei der Stromversorgung Japans, doch nach dem Erdbeben steigt die Nachfrage nach ihnen. Unter dem Gesichtspunkt der Energiesicherheit haben erneuerbare Energien wie Solarenergie und kleine Wasserkraftwerke als alternative Energiequellen zur Deckung der Stromversorgung in Japan an Bedeutung gewonnen. Da es schwierig ist, die Versorgung mit erneuerbaren Energien stabil zu gewährleisten, wird bei unerwarteten Nachfragen unregelmäßig auf die thermische Stromerzeugung zurückgegriffen, um die Schwankungen von Stromangebot und/oder -nachfrage auszugleichen. Unter diesen Umständen ändert sich der Einsatz von Wärmekraftwerken mit kohlebefeuerten Kesseln hin zu einer dynamischeren und komplizierteren Betriebsweise, bei der das Gleichgewicht der Durchflussmengen von Wasser und Dampf durch die Bestimmung der verschiedenen Zuflüsse mit Hilfe einer Feineinstellung der Klappen für eine optimierte Stromerzeugung geregelt wird. Der Betrieb von Kraftwerken erfolgt grundsätzlich automatisch, die Feinabstimmung und die Kontrolle kritischer Betriebszustände wird jedoch immer noch von menschlichen Fachleuten vorgenommen, was bedeutet, dass der interne Ablauf des Kraftwerksbetriebs in vielen Situationen noch unklar ist. Im Rahmen dieser Forschungsarbeit wurden zwei Arten von Simulationsmodellen implementiert, und zwar ein Strömungssimulationsmodell für einen kohlebefeuerten Kessel und ein Prozesssimulationsmodell für ein Wärmekraftwerk, um den Betrieb zu klären. In diesem Beitrag werden diese beiden Arten von Ansätzen anhand dieser Modelle dargestellt und die Machbarkeit der in dieser Studie implementierten Modelle diskutiert.
Die Lösung
Überprüfung der Auslegungsparameter anhand eines Strömungssimulationsmodells für einen kohlebefeuerten Kessel
Der erste Ansatz dieser Studie basiert auf einem Strömungssimulationsmodell (CFD) für einen kohlebefeuerten Kessel, der aus verschiedenen Komponenten besteht, wie z. B. 1. und 2. Economizer, 1. und 2. Durch Simulation der Strömungsbilanz der Rohre in jeder Komponente wurde die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids im Modell berechnet. Für die vierte Überhitzungskomponente wurde eine strömungsdynamische Simulation unter verschiedenen Bedingungen durchgeführt. Als Ergebnis wurde festgestellt, dass der Druckverlust durch die Variation der Durchflussgeschwindigkeit der einzelnen Rohre verursacht wird. Daher wurde die Homogenität des Durchflusses durch Einsetzen einer Blende am Eingang jedes Rohrs eingestellt. Durch die Kombination der Rohre mit Blende wurde ein Gleichgewicht der Durchflussmenge erreicht.
Überprüfung der Betriebsparameter anhand eines Prozesssimulationsmodells für ein Wärmekraftwerk
Der zweite Ansatz dieser Studie basierte auf einem Prozesssimulationsmodell (PSM) (Joines und Roberts 2015; Kelton et al. 1998; Smith et al. 2015) eines einfachen Wärmekraftwerks, das aus Strömungsprozessen von Luft, Wasser und Brennstoff als Eingangsgrößen und Strom als Ausgangsgröße im Modell besteht. Für den Betrieb des Wärmekraftwerks werden die numerischen Werte der Betriebsparameter verwendet, wie z. B. die Zuflussparameter von Brennstoff/Luft/Flüssigkeit, der Öffnungsgrad der Klappe zur Regulierung des Luftzuflusses, die Verarbeitungszeit an jedem Gerät und die Ausgangsleistung des Kraftwerks. Ein Prozessmodell, das diese Parameter verwendet, wurde in dieser Studie implementiert, um den Betrieb der Anlage auf der Grundlage der gesammelten Daten aus einer laufenden Anlage zu simulieren. Zur Überprüfung des Modells wurden Simulationsexperimente mit einer Reihe von Parameterkombinationen durchgeführt, einschließlich der Prozesszeit in der Kohlemühle, dem Brenner, dem Ofen, dem Nacherhitzer und der Turbine. Unter Verwendung von Variationen der Zuflussparameter von Luft und Brennstoff im Modell wurde der Wirkungsgrad der Stromerzeugung berechnet und überprüft, um die Leistung des Anlagenmodells zu untersuchen. Im Ergebnis diente das Prozessmodell des Wärmekraftwerks als Werkbank zur Untersuchung der Betriebsparameter unter verschiedenen Gesichtspunkten.
Die Auswirkungen auf die Wirtschaft
Abschließende Bemerkungen
Der Einsatz von Wärmekraftwerken mit großen Kesseln hat sich aufgrund der veränderten Versorgungslage bei der Stromerzeugung in Japan hin zu einer dynamischeren und komplizierteren Betriebsweise verschoben. Es ist schwierig, mit plötzlichen Änderungen der Nachfrage und großen Effizienzverlusten bei der Stromerzeugung fertig zu werden, wenn ein Wärmekraftwerk nur automatisch betrieben wird. In diesem Beitrag werden die sich ändernden Umgebungsbedingungen in der Umgebung von Wärmekraftwerken erläutert und zwei Arten von simulationsbasierten Ansätzen vorgeschlagen, um das Problem des dynamischen Kraftwerksbetriebs zu lösen. Was die Strömungsdynamik in den komplizierten Rohren eines kohlebefeuerten Kessels betrifft, so wurde die Visualisierung einer unausgeglichenen Strömung simuliert, was in einem realen Kessel unmöglich ist. Was das Einlass-/Auslassströmungsverhalten des Wärmekraftwerks betrifft, so wurde die Visualisierung des Strömungsverhaltens prozessorientiert simuliert, was in einer physischen Anlage in der realen Welt ebenfalls unmöglich ist. Auch wenn sich die in dieser Studie implementierten Modelle noch in der Anfangsphase der Umsetzung befinden, zeigt das Ergebnis die Machbarkeit des simulationsbasierten Ansatzes als neue Richtung, um das Problem des dynamischen Kraftwerksbetriebs anzugehen, um mit der Unvorhersehbarkeit des Stromangebots und/oder der Nachfrage fertig zu werden und eine simulationsbasierte Lösung für den anpassungsfähigen Kraftwerksbetrieb vorzuschlagen.
Referenzen
Joines J. A., und S. D. Roberts. 2015. Simulation Modeling with SIMIO: A Workbook, SIMIO LLC, PA, USA.
Kelton W. D., R. P. Sadowski, und D. T. Strurrock. 1998. Simulation mit Arena. WCB McGraw-Hill, Boston, MA, USA.
Smith S. S., D. T. Sturrock, und D. W. Kelton. 2015. Simio and Simulation: Modeling, Analysis, Applications. SIMIO LLC, PA, USA.