Erstellung und Validierung eines modularen Simulationswerkzeugs zur Analyse des dynamischen Verhaltens von Mikrogasturbinen

Abstract

Mikrogasturbinen (MGT) haben aufgrund ihrer schadstoffarmen Verbrennung und der hohen Gesamteffizienz im Blockheizkraftwerksbetrieb gute Voraussetzungen, um sich im aufsteigenden Markt der dezentralen Energieversorgung zu behaupten. Aufgrund ihrer hohen Brennstoffflexibilität können sie auch mit regenerativen Brennstoffen oder niederkalorischen Industrieabgasen betrieben werden. Die MGT-Technologie stellt zudem eine wichtige Forschungsbasis für eine Vielzahl zukünftiger Entwicklungen dar. So kann beispielsweise durch eine geänderte Verschaltung der Komponenten ein Inverted Brayton Cycle realisiert werden, mit dem niedrige Leistungsbereiche effizient erschlossen werden können. Ebenfalls kann die MGT mit einer Festoxidbrennstoffzelle als Hybridkraftwerk betrieben werden, mit einem prognostizierten elektrischen Wirkungsgrad von über 65 %. Numerische Prozesssimulationen sind ein wichtiges Werkzeug zur Verwirklichung dieser Konzepte. Mit ihnen kann das dynamische Verhalten der Anlagen im Vorfeld simuliert werden, um Betriebs- und Regelkonzepte zu entwerfen, transiente Manöver zu untersuchen und Systemabhängigkeiten festzustellen. Die hierfür eingesetzten 0D/1D Modelle werden in der Literatur oftmals eingeteilt in hochdetaillierte, nichtlineare Modelle, die weite Betriebsbereiche genau abbilden können, und einfachere Modelle, die schnelle Berechnungen ermöglichen und damit für umfangreiche Parameterstudien geeignet sind. Demgegenüber beschreibt die vorliegende Dissertation die Entwicklung und Validierung eines Simulators, der beiden Anforderungen gerecht wird. Das transiente, nichtlineare Verhalten MGT-basierter Kraftwerke wird detailliert abgebildet. Dabei übertrifft die Rechengeschwindigkeit bei der Simulation einer MGT der 100 kWel-Klasse die Prozessgeschwindigkeit um das Fünffache. Zu Beginn der Arbeit wird das Konzept der recheneffizienten Kopplung von Simulationsmodellen präsentiert. Dieses Konzept ermöglicht es beliebige Kreisläufe modular zu verschalten, ohne algebraische Abhängigkeiten zu schaffen, die rechenzeitintensiv gelöst werden müssten. Darauf aufbauend wird das Gas- und Thermodynamikmodell vorgestellt. Das Modell erlaubt durch seinen Ansatz der überlappenden Kontrollräume die korrekte Berücksichtigung des Gasvolumens in den Bilanzgleichungen der Energie, der Spezies, der Masse und des Impulses. Ebenso wird die Softwarearchitektur der in Fortran geschriebenen Simulationsumgebung beschrieben und die Interaktion ihrer Komponenten veranschaulicht. Daraufhin werden alle zur MGT-Simulation benötigten Bauteilmodelle hergeleitet und Möglichkeiten zur Erhöhung der Recheneffizienz und Modellgenauigkeit diskutiert. Im zweiten Teil der Arbeit wird der Simulator anhand von Messdaten eines Turbec T100 MGT-Prüfstands validiert. Hierfür wird ein Modell der T100 MGT erstellt und im Anschluss das Vorgehen zur Identifikation der Modellparameter beschrieben. Für die Validierung werden alle angefahrenen, stationären Betriebspunkte der MGT berücksichtigt und neben unterschiedlichen Lastwechselmanövern auch ein Kaltstartmanöver und ein Abfahrmanöver untersucht. Die Validierungsergebnisse bestätigen, dass der Simulator den komplette Lastbereich und die transienten Manöver in guter Übereinstimmung mit den Messdaten wiedergeben kann. Zusätzlich wird anhand von Simulationen mit reduzierten Bauteilwärmekapazitäten der Einfluss der Bauteilwände auf die Prozessdynamik diskutiert und die Notwendigkeit der Wärmestrom- und -speichermodelle demonstriert.