Numerical investigation of pulverized-fuel boilers under flexible operating conditions assisted by study of their membrane walls material durability

Abstract

The purpose of this PhD thesis is to investigate the possibility of converting pulverized, coal-fired power plants from base units to peak or cyclic-load units, characterized by improved flexibility and efficiency. With the achievement of such functionality of these units, it is technically viable to integrate more and more renewable energy sources into the system without disrupting grid stability and without the need for curtailment. Therefore, the topic of this study is particularly timely and imperative, as international efforts to avert the risk of global warming and disengage from fossil fuels are intensifying. At the same time, the ongoing geopolitical and economic developments bring uncertainties in the energy sector, inflationary pressures, and social unrest, reinforcing the need for a gradually accelerated transition to an energy reality of disengagement from externally produced conventional resources (oil, natural gas) and further integration of local, renewable energy sources. In this context, the use of older or new, state-of-the-art coal-fired power plants as peak and/or cyclic-load units instead of or in addition to natural gas power plants is preferred as a transitional solution. The implementation of this technical solution can be achieved by reducing the technical minimum of the unit, increasing the ramp rate and replacing the conventional, start-up fuels. In order to achieve these objectives, several technological applications are proposed, two of which are studied in this PhD thesis, namely the combustion of pre-dried lignite or biomass through a pre-drying, storage and indirect injection system or the use of new materials for the construction of membrane walls or other structural elements of boilers to increase their durability to conditions of high load or repetitive operating cycles. More specifically, regarding the first technically feasible proposal, the appropriate modification or rearrangement of existing structures of pulverized-fuel units can enable pre-drying and fuel storage during the boiler operation at high thermal loads. This specific fuel can be injected into the combustion chamber during the operation of the unit at lower thermal loads through conventional or sophisticated burners. The use of additional fuel (along with the fuel coming directly from the mill) through an indirect injection/combustion system may allow the stable operation of the boiler at thermal loads outside the technical specifications, thus reducing the technical minimum of the unit, expanding the operating range, increasing the ramp rate and replacing the conventional fuels during start-up stages. Regarding the second technically feasible proposal, the coupling of greater flexibility and efficiency requires the use of materials with improved mechanical behavior in conditions of high load or cyclic operation. Such an investigation usually requires a wide range of experiments that significantly increase both the cost and the time required to draw valuable conclusions. Alternatively, it is possible to use Computational Fluid Dynamics and Finite Element Methods (depending on the nature of the studied problems), as both tools can provide results of high accuracy and validity inexpensively and in a shorter timeframe, ensuring safe conclusions and for a wider range of issues related to the operation of the unit as compared to the experiments. For this reason, ANSYS Fluent® is used for the applications of fluid mechanics and ANSYS Steady-State Thermal® and Static or Transient Structural® for the coupled problems of thermal transfer and mechanical behavior of materials. In order to better supervise the study carried out, this PhD thesis is structured in six chapters. The First Chapter is used as an introduction: to the problem faced by the scientific community, to the existing techno-economic, environmental and social context that makes the solution of this issue imperative, to the technical solutions proposed and finally examined in the context of this thesis, and to important technical terminologies that may be mentioned during the description of the study itself. For that reason, this chapter presents the historical route of the use of coal as a fuel, discusses its scientific classification into different subtypes depending on its physicochemical characteristics, analyzes the structure and the components of various types of pulverized-fuel boilers, refers to the problem of global warming and current geopolitical and economic developments and the impact of the above on the imposed energy mix, describes the proposed technical solutions to increase the flexibility of coal-fired power plants depending on how the specific target is achieved (reduction of technical minimum, reduction of ignition time, increase of ramp rate), and refers to the technical solutions studied in this specific work using modelling tools. These concern the use of pre-dried lignite or biomass through a pre-drying, storage and indirect injection system or the construction of structural elements of supercritical boilers from materials with optimized mechanical behavior and resistance to high and/or cyclic-load conditions. Chapter Two offers a description of the theoretical background of this study. More specifically, an extensive literature review is carried out for the period 2016-2020 in order to determine what are the technical solutions proposed and studied by other research groups to increase the flexibility of pulverized-fuel units, what are the differentiations of this study with others in terms of the objectives of the investigation, and what are the originalities regarding the part of the mathematical models applied. Based on the comparison of this PhD thesis with the rest of the publications regarding the technologies examined, it is understood that the study of an injection/combustion system of indirect type to increase the flexibility of pulverized-fuel units regarding the thermal-load range constitutes an innovation, since the objectives of other studies concern the examination of similar systems to increase the flexibility not in terms of the boiler’s operating range but in terms of the use of different types of fuels. It is precisely because of this difference in considering a different type of flexibility of the unit that a second innovative feature is the examination of the behavior and operation of the boiler at different thermal loads, some of which are lower than the existing technical minimum of each unit studied, while previous studies focus on operating conditions that are close to the nominal load. Finally, the examination of a coupled problem of thermal transfer and mechanical behavior of membrane walls is also an innovative aspect regarding the objectives. This innovation consists in the study of the entire evaporator in the part of the boiler’s furnace at various thermal loads, some of which are lower than the existing technical minimum. At the same time, the algorithm applied to solve this problem is an innovation in terms of the mathematical tools used, since it replaces the complex geometry of the evaporator, made of isotropic material, with a uniform anisotropic material plate that presents the same mechanical response to the same loading, identifies the areas that are more susceptible to high stress and failure, and models them by taking into account all geometric configurations and welds at a wide range of thermal loads and cyclic conditions. Regarding the last aspect (novelty regarding the models), it is important to note that this PhD thesis presents another three elements of originality: 1) development of in-house code for the prediction of combustion of conventional and non-conventional fuels in a wide range of conditions that exceed the specifications of the designer/manufacturer of the boiler, 2) development of in-house code for the simulation of heat transfer in the heat exchangers of the convection part, and 3) development of in-house code for the approximation of the fouling rates upon the membrane walls. A detailed description of the in-house codes, along with other models that are provided by the ANSYS software package, is included in the same section. Chapter Three includes the examination of the indirect injection scheme for the pre-dried lignite or biomass (olive pomace) in the Greek unit "Megalopolis IV" using Computational Fluid Dynamics methods. The choice of this unit was made given the existing configuration of the drying and combustion system that allows the implementation of the proposed technical choice with minor adjustments and additions of technical parts. Due to the imposed lambda, the simulation focuses on the main furnace and does not include the convection part of the boiler, as it is expected that the fuel particles can be fully converted before entering this region and the corresponding conclusions about the boiler's behavior can be safe by studying exclusively the first part of the boiler. In the context of this investigation, four different thermal loads are studied under steady-state conditions (87%, 72%, 40% and 35% of the nominal load), the two lowest of which are below the existing technical minimum of the unit, while the first two are used for validation purposes by comparing the CFD results with corresponding ones from a process model developed in DAMAUS. At the lowest thermal load, 37% thermal substitution of fuel coming directly from the mill is supposed by using pre-dried lignite or biomass. The study of this specific range of thermal loads, with the injection of pre-dried lignite or biomass in one of them, allows the examination of the ability of this conventional unit to operate stably and efficiently in conditions beyond the design ones (low load, cyclic operating conditions) and without the combustion of conventional fuels during the start-up phase precisely because of this choice. At the same time, different combustion strategies are examined, including a different number and location of open burners as well as a different strategy for the injection of pre-dried fuel or biomass for the lowest thermal load through conventional vapour burners, to have a qualitative and quantitative evaluation of the role of these parameters in the stability, operational behavior and efficiency of the boiler. For greater accuracy and validity of the derived results in terms of combustion efficiency, specific in-house codes are developed to approximate the reaction rate of particles of all fuel types (lignite, biomass) based on experimental data. This, as mentioned above, constitutes an innovative aspect of this work in terms of developed/used mathematical models, as it concerns behavior prediction at off-design conditions. The evaluation of all the cases under investigation is made in terms of the following parameters: temperature field, heat flux field, emissions (NOx, CO2), thermal efficiency, fouling rate. In fact, for the last parameter, a specifically-developed, in-house subroutine is used, which, as mentioned above, is also an innovative aspect of this work. The values of the pre-described parameters as obtained from the numerical simulations are compared with the reference scenario (87% partial-load case) in order to perform a qualitative and quantitative evaluation of the boiler behavior in the remaining cases and determine the most efficient combustion schemes. Chapter Four deals with the modeling of the proposed indirect injection scheme in the Greek unit "Agios Dimitrios V", using Computational Fluid Dynamics methods under steady-state conditions. The choice of this unit was based on the fact that it is recently renovated (works were completed in 2015) with the construction of a second stage of tertiary air (over-fire air) in the convection section of the boiler and the incorporation of a special firing system for the formation of sub-stoichiometric combustion conditions inside the main furnace in the case of the nominal-load operation. For that reason, in this simulation, the computational domain concerns not only the main furnace part, but also that of the convective heat exchangers. In the context of this study, three thermal loads (100%, 60% and 35% of the nominal) are examined, the lowest of which is below the technical minimum of the unit, characterized by a thermal substitution of 16%, while the first two scenarios are used again for reasons of validation, by comparing the numerical results with corresponding mathematical results from a process model developed in ASPEN Plus® and experimental values obtained prior to the retrofitting of the unit. As in the case of the "Megalopolis IV" unit, the studied range of thermal loads allows the examination of the boiler operation in conditions beyond those specified by the designer. At the same time, different combustion strategies and different ways of injecting pre-dried lignite or biomass (cardoon) at the lowest thermal load are examined, only in this case this concerns not only the use of conventional burners, but also the use of sophisticated burners that are specifically designed for intense pre-dried lignite usage. In addition, due to the inclusion of the convection part in the study, it is necessary to model the thermal transfer to the working medium through the respective heat exchangers. To achieve this, a feature offered by the main code (ANSYS Macro Heat Exchanger Model) was initially used. However, in order to improve the accuracy of the results, to reduce the extensive experimental values required for the development of the model, and to add the prediction of additional parameters of the working medium, it was considered necessary to develop an in-house code that constitutes another innovative aspect in the terms of the developed/used mathematical models. The evaluation of the cases is done based on the same parameters and methodology discussed in Chapter Three, while the reference scenario is the nominal load. Chapter Five expands the scope of investigation by studying the second proposed technical solution for increasing the flexibility of pulverized-fuel boilers by using new construction materials that present increased durability against higher loading or cyclic operating conditions. In order to achieve the objectives of this study, the synergy of different mathematical models is required. More specifically, a Computational Fluid Dynamics model is used for the flue-gas side to predict the developed heat flux field, an APROS process model for the calculation of the spatial distribution of the working medium’s temperature (water / steam), which is also used as a boundary condition for the conduction of Computational Fluid Dynamics simulations, a thermal conduction model for the approximation of material temperature in membrane walls, and a Finite Element Model to calculate the most important parameters of this study, namely the stress/deformation fields. For the purpose of this study, the German unit "GKM9" is used as a reference, as one of the most modern hard coal-fired power plants in Europe, whose evaporator is partially manufactured from the sophisticated material of T24, which is characterized by improved mechanical properties. As in the previous two cases, the behavior of the boiler’s main furnace is studied in a range of thermal loads (100%, 69%, 34%, 27% of the nominal) in order to test the possibility of stable operation at very low thermal loads; a prerequisite for achieving flexible operation. In this context, an investigation is again carried out to replace the start-up fuel at the lowest thermal load (in this case heavy fuel oil) with pre-dried lignite or biomass (wood pellets) and evaluate the boiler behavior based on specific parameters: heat flux field, NOx emissions, thermal efficiency. For the simulation of the material performance, it is needed to adopt a simplistic approach, due to the complexity of the boiler structures. More specifically, the sequence of nerves/pipes of the evaporator component is replaced by plates. In order to achieve high accuracy of the results, the isotropic material is replaced by an equivalent, anisotropic material, which, nevertheless, exhibits exactly the same mechanical behavior under the same loading conditions. In order for this to happen, we proceed to the appropriate configuration of the stiffness matrix elements, by including the actual geometry and the operating conditions of the working medium. After modeling the entire evaporator of the main furnace, the areas that are more prominent to high tensions are identified and studied in detail. These areas are the transition section from inclined to straight pipes (collector), the boiler’s corners above the firing system, and the area of the highest heat flux density. For the conduction of these simulations, construction details are also taken into account, such as welds between pipes and nerves and welds performed on site for partial construction of the evaporator. In addition, the true isotropic material is imposed, since the actual geometric configuration is taken into account. According to the results, the T24 material does not show a possibility of brittle failure, as the developed field of equivalent von-Mises stresses shows significantly lower values than the corresponding yield limit of the material. However, in the area of the maximum heat flux density in the case of the nominal load, stresses exceed the yield limit of the material used in that region (T12). This, based on results, occurs along the inner surface of the pipes and in nerve/piping welding areas. However, it is assessed that the processes that materials undergo before their actual use (autofrettage) may increase their strength and move the yield limit to a higher level, thus preventing plastic deformation in real conditions. However, in order to increase the accuracy of the results, it is necessary to continue the investigation by integrating the residual stresses in the welds with additional experimental data. Finally, a time-varying simulation of the local areas of the evaporator that are made of T24 (collector and corner areas) is performed between 27% and 100% thermal loads with a two-hour transition time assumed. By considering the maximum imposed stress during this transient operation, a fatigue study is carried out, which shows that the material under consideration can withstand a very large number of operating cycles, which certifies the possibility of converting a state-of-the-art base unit into a peak or cyclic-load one through the implementation of advanced materials. Finally, the Sixth and Last Chapter summarizes the results from all the cases studied, draws general conclusions, reports the innovative aspects and clarifies the priorities of future research.

Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η διερεύνηση της δυνατότητας μετατροπής μονάδων ηλεκτροπαραγωγής με καύση κονιοποιημένου καυσίμου (άνθρακας) από μονάδες βάσης σε μονάδες αιχμής ή κυκλικής φόρτισης, χαρακτηριζόμενες από βελτιωμένα χαρακτηριστικά ευελιξίας και αποδοτικότητας. Με την επίτευξη μιας τέτοιας λειτουργικότητας των συγκεκριμένων μονάδων παραγωγής είναι τεχνικά βιώσιμη η ολοένα και μεγαλύτερη ενσωμάτωση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στο σύστημα χωρίς διασάλευση της σταθερότητας του δικτύου και χωρίς την ανάγκη περικοπής πλεονάζουσας ενέργειας (curtailment). Συνεπώς, το θέμα μελέτης κρίνεται ιδιαιτέρως επίκαιρο και επιτακτικό, καθότι οι διεθνείς προσπάθειες για αποτροπή του κινδύνου της υπερθέρμανσης του πλανήτη και αποδέσμευσης από τα ορυκτά καύσιμα εντείνονται. Παράλληλα, οι διαδραματιζόμενες γεωπολιτικές και οικονομικές εξελίξεις επιφέρουν αβεβαιότητες στον ενεργειακό τομέα, πληθωριστικές πιέσεις και κοινωνικές αναταραχές, ισχυροποιώντας την αναγκαιότητα για σταδιακά επιταχυνόμενη μετάβαση σε μια ενεργειακή πραγματικότητα αποδέσμευσης από εξωτερικά παραγόμενους συμβατικούς πόρους (πετρέλαιο, φυσικό αέριο) και περαιτέρω ενσωμάτωσης τοπικών, ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Στο πλαίσιο αυτό προκρίνεται ως μια μεταβατική λύση η χρήση παλαιότερων ή και νέων, υπερσύγχρονων μονάδων παραγωγής ενέργειας με καύση άνθρακα ως μονάδων αιχμής ή και κυκλικής φόρτισης αντί ή επιπροσθέτως των μονάδων καύσης φυσικού αερίου. Η υλοποίηση αυτής της τεχνικής λύσης μπορεί να επιτευχθεί μέσω μείωσης του τεχνικού ελαχίστου της μονάδας, αύξησης του ρυθμού διαφοροποίησης του θερμικού φορτίου και αντικατάστασης των χρησιμοποιηθέντων καυσίμων έναυσης. Για την επίτευξη των υπόψιν στόχων προτείνονται αρκετές τεχνολογικές εφαρμογές από τις οποίες δύο είναι αυτές που μελετώνται στη συγκεκριμένη διδακτορική διατριβή, ήτοι η καύση προξηραμένου λιγνίτη (pre-dried lignite) ή βιομάζας μέσω συστήματος προξήρανσης, αποθήκευσης και έμμεσης έγχυσης ή η χρήση νέων υλικών κατασκευής των σωληνοτοιχωμάτων ή άλλων δομικών στοιχείων των λεβήτων για αύξηση της αντοχής τους σε συνθήκες υψηλής φόρτισης ή αλλεπάλληλων επαναληπτικών λειτουργικών κύκλων. Πιο συγκεκριμένα, όσον αφορά στην πρώτη τεχνικά υλοποιήσιμη πρόταση, η κατάλληλη τροποποίηση ή αναδιάταξη υφιστάμενων δομών των μονάδων κονιοποιημένου καυσίμου μπορεί να δώσει τη δυνατότητα προξήρανσης και αποθήκευσης καυσίμου κατά τη φάση λειτουργίας του λέβητα σε υψηλά θερμικά φορτία. Το συγκεκριμένο αυτό καύσιμο δύναται σε δεύτερο βαθμό, και πιο συγκεκριμένα κατά τη φάση λειτουργίας της μονάδας σε χαμηλότερα θερμικά φορτία, να εγχυθεί στο χώρο καύσης μέσω συμβατικών ή ειδικά σχεδιασμένων καυστήρων. Η χρήση επιπρόσθετου καυσίμου, πέραν της ποσότητας καυσίμου που έρχεται απευθείας από το μύλο, μέσω συστήματος έμμεσης έγχυσης/καύσης, δύναται να επιτρέψει την ευσταθή λειτουργία του λέβητα σε θερμικά φορτία χαμηλότερα από τα τεχνικώς προδιαγραφόμενα, μειώνοντας έτσι το τεχνικό ελάχιστο της μονάδας, αυξάνοντας το εύρος λειτουργίας, διαφοροποιώντας το ρυθμό μεταβολής του θερμικού φορτίου και αντικαθιστώντας τα καύσιμα έναυσης/υποστήριξης. Όσον αφορά στη δεύτερη τεχνικά υλοποιήσιμη πρόταση, η σύζευξη μεγαλύτερης ευελιξίας και αποδοτικότητας προϋποθέτει τη χρήση υλικών με βελτιωμένη μηχανική συμπεριφορά σε συνθήκες υψηλής (υψηλή πίεση και θερμοκρασία) ή κυκλικής φόρτισης. Για την πραγματοποίηση μιας τέτοιας διερεύνησης συνήθως απαιτείται η πραγματοποίηση μιας ευρύτατης αλληλουχίας πειραματικών δοκιμών που αυξάνουν σημαντικά και το κόστος και το απαιτούμενο χρονικό διάστημα για την εξαγωγή πολύτιμων συμπερασμάτων. Εναλλακτικά, είναι δυνατή η χρήση μεθόδων υπολογιστικής ρευστομηχανικής και πεπερασμένων στοιχείων (ανάλογα τη φύση του μελετούμενου προβλήματος), καθώς και τα δύο εργαλεία μπορούν σε σχετικά σύντομο χρονικό διάστημα και με σημαντικά μικρότερο οικονομικό κόστος να επιτρέψουν την εξαγωγή αποτελεσμάτων μεγάλης ακρίβειας και εγκυρότητας, διασφαλίζοντας ασφαλή συμπεράσματα και μάλιστα για ευρύτερο πεδίο θεμάτων σχετικών με τη λειτουργία της μονάδας σε σχέση με τα πειράματα. Για το λόγο αυτό χρησιμοποιούνται τα υπολογιστικά εργαλεία ANSYS Fluent® για τις εφαρμογές υπολογιστικής ρευστομηχανικής και ANSYS Steady-State Thermal® και Static ή Transient Structural® για τα συζευγμένα προβλήματα θερμικής μεταφοράς και μηχανικής συμπεριφοράς υλικών. Για την καλύτερη εποπτεία της πραγματοποιηθείσας μελέτης, το κείμενο της διδακτορικής διατριβής διαρθρώνεται σε έξι κεφάλαια. Το Πρώτο Κεφάλαιο χρησιμοποιείται ως εισαγωγή του αναγνώστη στο πρόβλημα που αντιμετωπίζει η επιστημονική κοινότητα και με το οποίο καταπιάνεται η συγκεκριμένη διδακτορική διατριβή, στο υφιστάμενο τεχνοοικονομικό, περιβαλλοντικό και κοινωνικό πλαίσιο που καθιστά επιτακτική τη λύση του συγκεκριμένου θέματος, στις τεχνικές λύσεις που προτείνονται και εν τέλει εξετάζονται στο πλαίσιο της παρούσας εργασίας, και στην επεξήγηση σημαντικών τεχνικών ορολογιών που είναι δυνατόν να αναφερθούν κατά την περιγραφή της καθαυτής μελέτης. Για το λόγο αυτό στο συγκεκριμένο κεφάλαιο γίνεται παράθεση της ιστορικής διαδρομής χρήσης του άνθρακα ως καυσίμου, συζήτηση για την επιστημονική ταξινόμησή του σε διαφορετικούς υποτύπους ανάλογα τα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά που διαθέτει, ανάλυση της διάρθρωσης και των κατασκευαστικών μερών των διαφόρων τύπων λεβήτων κονιοποιημένου καυσίμου, αναφορά στο πρόβλημα της υπερθέρμανσης του πλανήτη και στις τρέχουσες γεωπολιτικές και οικονομικές εξελίξεις και τις επιπτώσεις των παραπάνω στο επιβαλλόμενο ενεργειακό μείγμα, περιγραφή των προτεινόμενων τεχνικών λύσεων για αύξηση της ευελιξίας των μονάδων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με τη χρήση άνθρακα ανάλογα με τον τρόπο επίτευξης του συγκεκριμένου στόχου (μείωση τεχνικού ελαχίστου, μείωση χρόνου εναύσεως, αύξηση ρυθμού μεταβολής φορτίου), και αναφορά στις τεχνικές λύσεις που μελετώνται στη συγκεκριμένη εργασία με τη χρήση εργαλείων μοντελοποίησης. Αυτές αφορούν τη χρήση προξηραμένου λιγνίτη ή βιομάζας μέσω συστήματος προξήρανσης, αποθήκευσης και έμμεσης έγχυσης ή την κατασκευή δομικών στοιχείων των λεβήτων υπερκρίσιμων μονάδων από υλικά με βελτιστοποιημένη μηχανική συμπεριφορά και αντοχή σε συνθήκες υψηλής ή/και κυκλικής φόρτισης. Το Δεύτερο Κεφάλαιο προσφέρει περιγραφή του θεωρητικού υποβάθρου της συγκεκριμένης μελέτης. Πιο συγκεκριμένα γίνεται εκτενής βιβλιογραφική ανασκόπηση των δημοσιεύσεων κατά τη χρονική περίοδο 2016-2020 προκειμένου να διαπιστωθεί ποιες είναι οι τεχνικές λύσεις που προτείνονται και μελετώνται από άλλες ερευνητικές ομάδες για την αύξηση της ευελιξίας των μονάδων κονιοποιημένου καυσίμου, ποιες είναι οι διαφοροποιήσεις της συγκεκριμένης μελέτης με άλλες ως προς το σκέλος του στόχου/αντικειμένου της διερεύνησης, και ποιες είναι οι πρωτοτυπίες όσον αφορά στο σκέλος των μαθηματικών μοντέλων που εφαρμόζονται. Με βάση τη σύγκριση της συγκεκριμένης διδακτορικής διατριβής με τις υπόλοιπες εργασίες όσον αφορά στις τεχνολογίες που εξετάζονται, γίνεται κατανοητό πως η μελέτη ενός συστήματος έγχυσης/καύσης έμμεσου τύπου και μάλιστα προξηραμένου και αποθηκευμένου καυσίμου για την αύξηση ευελιξίας στη λειτουργία μονάδων κονιοποιημένου καυσίμου καθίσταται καινοτομία, καθότι οι αντικειμενικοί στόχοι άλλων μελετών αφορούν την εξέταση παρόμοιων συστημάτων που εφαρμόζονται στις μονάδες για αύξηση της ευελιξίας τους όχι ως προς τη λειτουργικότητά τους (διαφοροποίηση λειτουργικού εύρους) αλλά ως προς τη χρήση διαφορετικών τύπων καυσίμων. Λόγω ακριβώς αυτής της διαφοράς στην εξέταση διαφορετικού τύπου ευελιξίας της μονάδας, διαμορφώνεται και ένα δεύτερο καινοτόμο χαρακτηριστικό. Πιο συγκεκριμένα, η παρούσα διδακτορική εργασία μελετά τη συμπεριφορά και τη λειτουργία του λέβητα σε διαφορετικά θερμικά φορτία, μερικά εκ των οποίων είναι χαμηλότερα από το υπάρχον τεχνικό ελάχιστο της εκάστοτε μονάδας που μελετάται, ενώ οι προηγούμενες εργασίες επικεντρώνονται σε συνθήκες λειτουργίας που είναι κοντά στο ονομαστικό φορτίο λειτουργίας. Τέλος, η μελέτη συζευγμένου προβλήματος θερμικής μεταφοράς και μηχανικής συμπεριφοράς υλικών των σωληνοτοιχωμάτων αποτελεί επίσης πρωτοτυπία όσον αφορά στους μελετούμενους στόχους. Η καινοτομία αυτή συνίσταται στην μελέτη ολόκληρου του ατμοποιητή στο τμήμα της εστίας του λέβητα σε διάφορα θερμικά φορτία, μερικά εκ των οποίων σε χαμηλότερη στάθμη από το υπάρχον τεχνικό ελάχιστο. Παράλληλα, ο αλγόριθμος που εφαρμόζεται για την επίλυση του συγκεκριμένου προβλήματος με την αντικατάσταση της πολύπλοκης γεωμετρίας των σωληνοτοιχωμάτων του ατμοποιητή, κατασκευασμένων από ισότροπο υλικό, με ομοιόμορφη πλάκα ανισότροπου υλικού που παρουσιάζει ίδια μηχανική απόκριση σε αντίστοιχη φόρτιση, o προσδιορισμός των πιο επίφοβων σε υψηλή καταπόνηση και αστοχία περιοχών και η μοντελοποίηση των τελευταίων λαμβάνοντας υπόψιν όλες τις γεωμετρικές διαμορφώσεις και τις κατά τόπους συγκολλήσεις σε μια ευρεία γκάμα θερμικών φορτίων και σε καταστάσεις κυκλικής φόρτισης συνιστά καινοτομία όσον αφορά και στα χρησιμοποιηθέντα μαθηματικά εργαλεία. Σχετικά με την τελευταία αναφορά (μαθηματικά μοντέλα) είναι σημαντικό να λεχθεί πως η συγκεκριμένη διδακτορική διατριβή, πέραν της καινοτομίας ως προς τη μεθοδολογία επίλυσης της μηχανικής απόκρισης του συστήματος σε ένα εύρος συνθηκών, παρουσιάζει επιπλέον τρία στοιχεία πρωτοτυπίας: ανάπτυξη κώδικα για την πρόλεξη της καύσης συμβατικών και μη συμβατικών καυσίμων σε ένα επίσης μεγάλο εύρος συνθηκών που ξεπερνούν τις προδιαγραφές του σχεδιαστή/κατασκευαστή ενός λέβητα, ανάπτυξη κώδικα για την προσομοίωση της μεταφοράς θερμότητας στους θερμικούς εναλλάκτες του τμήματος συναγωγής, και ανάπτυξη κώδικα για την προσέγγιση των ρυθμών επικάθισης τέφρας στα σωληνοτοιχώματα. Αναλυτική περιγραφή των προσωπικώς αναπτυχθέντων κωδίκων, καθώς και των υπόλοιπων μοντέλων που παρέχει το υπολογιστικό πακέτο της ANSYS, εμπεριέχεται στην ίδια ενότητα. Το Τρίτο Κεφάλαιο περιλαμβάνει την εξέταση της προτείνουσας διάταξης έμμεσης εγχύσεως προξηραμένου λιγνίτη ή βιομάζας (ελαιοπυρηνόξυλο) στην Ελληνική μονάδα «Μεγαλόπολη ΙV» με τη χρήση μεθόδων υπολογιστικής ρευστομηχανικής. Η επιλογή της συγκεκριμένης μονάδας έγινε δεδομένης της υπάρχουσας διαμόρφωσης του συστήματος ξήρανσης και καύσης που επιτρέπει την υλοποίηση της προτεινόμενης τεχνικής επιλογής με μικρές προσαρμογές και προσθήκες τεχνικών μερών. Λόγω του επιβαλλόμενου λόγου αέρα καύσης, η μοντελοποίηση επικεντρώνεται στο χώρο της εστίας και δε συμπεριλαμβάνει το χώρο των θερμικών εναλλακτών συναγωγής, καθότι αναμένεται τα σωματίδια καυσίμου να αντιδρούν κατά το μεγαλύτερο μέρος τους μέχρι την έξοδο της εστίας και τα αντίστοιχα συμπεράσματα για τη συμπεριφορά του λέβητα ως προς κρίσιμες παραμέτρους να είναι ασφαλή με μελέτη αποκλειστικά του πρώτου τμήματος του λέβητα. Στο πλαίσιο της συγκεκριμένης διερεύνησης μελετώνται τέσσερα διαφορετικά θερμικά φορτία σε χρονικά αμετάβλητες συνθήκες (87%, 72%, 40% και 35% του ονομαστικού), τα δύο χαμηλότερα εκ των οποίων βρίσκονται σε χαμηλότερη ενεργειακή στάθμη από το υπάρχον τεχνικό ελάχιστο της μονάδας, ενώ τα δύο πρώτα χρησιμοποιούνται για λόγους εξακρίβωσης πιστότητας και ακρίβειας αποτελεσμάτων μέσω σύγκρισης αυτών με αντίστοιχα από ειδικά αναπτυγμένο μοντέλο διεργασιών με τη χρήση του εργαλείου DAMAUS. Στο χαμηλότερο θερμικό φορτίο προβλέπεται 37% ενεργειακή αντικατάσταση του καυσίμου που προέρχεται απευθείας από τον μύλο με τη χρήση προξηραμένου λιγνίτη ή βιομάζας. Η μελέτη του συγκεκριμένου εύρους θερμικών φορτίων με παράλληλη χρήση προξηραμένου λιγνίτη ή βιομάζας, σε κάποιο εξ ’αυτών, επιτρέπει την εξέταση της δυνατότητας της συγκεκριμένης συμβατικής μονάδας να λειτουργήσει ευσταθώς και αποδοτικά σε συνθήκες πέραν των προδιαγραφόμενων (χαμηλή φόρτιση, κυκλικές συνθήκες λειτουργίας) με υποστήριξη από μη συμβατικό καύσιμο και με αντικατάσταση των συμβατικών καυσίμων εναύσεως λόγω ακριβώς αυτής της επιλογής. Παράλληλα, εξετάζονται διαφορετικές στρατηγικές καύσης που συμπεριλαμβάνουν διαφορετικό αριθμό και τοποθεσία ανοικτών καυστήρων καθώς και διαφορετική στρατηγική έκχυσης του προξηραμένου λιγνίτη ή της βιομάζας για το χαμηλότερο θερμικό φορτίο μέσω των συμβατικών καυστήρων ασθενούς ρεύματος, προκειμένου να υπάρξει ποιοτική και ποσοτική αξιολόγηση του ρόλου των υπόψιν παραμέτρων στην ευστάθεια, λειτουργική συμπεριφορά και απόδοση του λέβητα. Για μεγαλύτερη ακρίβεια και πιστότητα αποτελεσμάτων ως προς την απόδοση καύσης, αναπτύσσονται συγκεκριμένες υπορουτίνες για τον υπολογισμό του ρυθμού αντίδρασης των σωματιδίων όλων των τύπων καυσίμου (λιγνίτη, βιομάζας) με βάση πειραματικά δεδομένα. Αυτό, όπως προαναφέρθηκε, συνιστά καινοτόμο στοιχείο της εργασίας ως προς τα αναπτυχθέντα/χρησιμοποιούμενα μαθηματικά μοντέλα, καθότι αφορά πρόλεξη συμπεριφοράς σε off-design συνθήκες. Η αξιολόγηση των μελετούμενων περιπτώσεων γίνεται ως προς τις ακόλουθες παραμέτρους: θερμοκρασιακό πεδίο, πεδίο πυκνότητας θερμικής ροής, εκπομπές (ΝΟx, CO2), θερμική απόδοση, ρυθμός επικάθισης τέφρας στα σωληνοτοιχώματα. Μάλιστα, για την τελευταία παράμετρο, χρησιμοποιείται και ειδικώς αναπτυχθείσα υπορουτίνα, που όπως προαναφέρθηκε συνιστά επίσης πρωτοποριακό στοιχείο της εργασίας. Οι τιμές των προαναφερθέντων παραμέτρων όπως λαμβάνονται από τις αριθμητικές προσομοιώσεις συγκρίνονται με σενάριο αναφοράς (87% του ονομαστικού) και με τον τρόπο αυτό γίνεται ποιοτική και ποσοτική αξιολόγηση της συμπεριφοράς του λέβητα στις υπόλοιπες μελετούμενες περιπτώσεις και προσδιορισμός των πιο αποδοτικών σχημάτων καύσης. Το Τέταρτο Κεφάλαιο ασχολείται με την μοντελοποίηση της προτεινόμενης λύσης της έμμεσης εγχύσεως στην επίσης Ελληνική μονάδα «Άγιος Δημήτριος V», χρησιμοποιώντας μεθόδους υπολογιστικής ρευστομηχανικής σε συνθήκες χρονικά αμετάβλητες. Η επιλογή της συγκεκριμένης μονάδας βασίστηκε στο γεγονός πως είναι προσφάτως ανακαινισμένη (οι εργασίες ολοκληρώθηκαν το 2015) με κατασκευή δεύτερης βαθμίδας τριτεύοντος αέρα (οver-fire air) στο τμήμα συναγωγής του λέβητα και ενσωμάτωση ειδικής διάταξης καύσης για τη διαμόρφωση υπο-στοιχειομετρικών συνθηκών στο χώρο της εστίας για την περίπτωση του ονομαστικού φορτίου. Για το λόγο αυτό, στη συγκεκριμένη περίπτωση, η μοντελοποίηση δεν αφορά μόνο το χώρο της εστίας, αλλά και το χώρο της συναγωγής. Στο πλαίσιο της συγκεκριμένης μελέτης εξετάζονται τρία θερμικά φορτία (100%, 60% και 35% του ονομαστικού), το χαμηλότερο εκ των οποίων είναι σε σημαντικά χαμηλότερη ενεργειακή στάθμη από το τεχνικό ελάχιστο της μονάδας, προβλέποντας ενεργειακή αντικατάσταση 16%, ενώ τα δύο πρώτα σενάρια χρησιμοποιούνται και πάλι για λόγους εξακρίβωσης ακρίβειας και πιστότητας του αναπτυχθέντος μοντέλου, συγκρίνοντας τα αποτελέσματα του μοντέλου υπολογιστικής ρευστομηχανικής με αντίστοιχα αποτελέσματα μαθηματικού μοντέλου διεργασιών σε ASPEN Plus® και πειραματικών τιμών που λήφθηκαν πριν τις τεχνικές εργασίες μετασκευής της μονάδας. Όπως και στην περίπτωση της μονάδας «Μεγαλόπολη ΙV», έτσι και εδώ, το μελετούμενο εύρος θερμικών φορτίων επιτρέπει την εξέταση της λειτουργίας του λέβητα σε συνθήκες πέραν των προδιαγραφόμενων, με υποστήριξη από μη συμβατικά καύσιμα. Παράλληλα, και πάλι εξετάζονται διαφορετικές στρατηγικές καύσης και διαφορετικοί τρόποι έκχυσης του προξηραμένου λιγνίτη ή της βιομάζας (αγριαγκινάρα) για το χαμηλότερο θερμικό φορτίο, μόνο που σε αυτή την περίπτωση αυτό δεν αφορά μόνο τη χρήση συμβατικών καυστήρων, αλλά και τη χρήση μη συμβατικών καυστήρων, ειδικά σχεδιασμένων για προξηραμένο λιγνίτη, με δυνατότητα υποστήριξης χρήσης καυσίμου υψηλής συγκέντρωσης. Επιπλέον, λόγω της συμπερίληψης του τμήματος συναγωγής στην μελέτη, είναι απαραίτητη η μοντελοποίηση της θερμικής μεταφοράς προς το εργαζόμενο μέσο από τους εναλλάκτες του συγκεκριμένου τμήματος. Για να επιτευχθεί αυτό, αρχικά χρησιμοποιήθηκε μια δυνατότητα που προσφέρεται από το χρησιμοποιηθέν πηγαίο κώδικα (ΑΝSYS Macro Heat Exchanger Model). Προκειμένου όμως να βελτιωθεί η ακρίβεια των αποτελεσμάτων, να μειωθεί ο όγκος των απαιτούμενων πειραματικών τιμών για την ανάπτυξη του μοντέλου, και για να προστεθεί η πρόλεξη επιπλέων παραμέτρων από την πλευρά του εργαζόμενου μέσου, κρίθηκε αναγκαία η ανάπτυξη ειδικής υπορουτίνας που συνιστά καινοτόμο στοιχείο ως προς τα αναπτυχθέντα/χρησιμοποιούμενα μαθηματικά μοντέλα. Η αξιολόγηση των περιπτώσεων γίνεται ως προς τις ίδιες παραμέτρους και με την ίδια μεθοδολογία που συζητήθηκαν στο Τρίτο Κεφάλαιο, ενώ το σενάριο αναφοράς είναι το ονομαστικό φορτίο λειτουργίας. Στο Πέμπτο Κεφάλαιο επεκτείνεται το αντικείμενο διερεύνησης με μελέτη της δεύτερης προτείνουσας λύσης για την αύξηση της ευελιξίας των λεβήτων κονιοποιημένου καυσίμου με τη χρήση νέων υλικών κατασκευής των σωληνοτοιχωμάτων ή άλλων δομικών στοιχείων των λεβήτων για αύξηση της αντοχής τους σε υψηλότερες φορτίσεις ή σε κυκλική λειτουργία της μονάδας. Για την επίτευξη των στόχων της συγκεκριμένης μελέτης απαιτείται η συνέργεια διαφορετικών μαθηματικών μοντέλων. Πιο συγκεκριμένα, γίνεται χρήση μοντέλου υπολογιστικής ρευστομηχανικής για την πλευρά των καυσαερίων για την πρόλεξη του πεδίου πυκνότητας θερμικής ροής, μοντέλου διεργασιών APROS για τον υπολογισμό της χωρικής κατανομής θερμοκρασίας του εργαζόμενου μέσου (νερού/ατμού), η οποία χρησιμοποιείται και ως οριακή συνθήκη για την επιτέλεση των προσομοιώσεων της υπολογιστικής ρευστομηχανικής, μοντέλου θερμικής αγωγής για την προσέγγιση της θερμοκρασίας του υλικού στα σωληνοτοιχώματα, και μοντέλου πεπερασμένων στοιχείων για τον υπολογισμό των πιο σημαντικών παραμέτρων της μελέτης αυτής, ήτοι του πεδίου τάσεων/παραμορφώσεων. Για το σκοπό της συγκεκριμένης μελέτης χρησιμοποιείται ως αναφορά η Γερμανική μονάδα «GKM9», ως μία από τις πιο σύγχρονες λιθανθρακικές μονάδες της Ευρώπης, η οποία κατασκευάζεται σε σημαντικό μέρος του τμήματος του ατμοποιητή από T24, ένα υλικό υψηλών προδιαγραφών, με δυνατότητα αντοχής σε υψηλή φόρτιση και καταπόνηση. Όπως και στις προηγούμενες δύο περιπτώσεις, έτσι και τώρα, γίνεται μελέτη της συμπεριφοράς του λέβητα στο τμήμα της εστίας σε ένα εύρος θερμικών φορτίων (100%, 69%, 34%, 27% του ονομαστικού), προκειμένου να ελεγχθεί η δυνατότητα ευσταθούς λειτουργίας σε πολύ χαμηλά θερμικά φορτία· προϋπόθεση για την επίτευξη κυκλικής λειτουργίας ή λειτουργίας αιχμής. Στο πλαίσιο αυτό πραγματοποιείται και πάλι διερεύνηση αντικατάστασης του καυσίμου εναύσεως στο χαμηλότερο θερμικό φορτίο (στη συγκεκριμένη περίπτωση μαζούτ) με προξηραμένο λιγνίτη ή βιομάζα (πέλλετ ξύλου) και αξιολόγηση της συμπεριφοράς του λέβητα με βάση συγκεκριμένες παραμέτρους: πεδίο θερμικής ροής, εκπομπές ΝΟx, θερμική απόδοση. Επιπλέον, για την μελέτη της μηχανικής συμπεριφοράς των υλικών στα υπόψιν θερμικά φορτία, κρίνεται αναγκαία η υιοθέτηση μιας απλοποιητικής προσέγγισης, λόγω πολυπλοκότητας των γεωμετρικών διαμορφώσεων των μελετούμενων δομών του λέβητα. Πιο συγκεκριμένα, η πυκνότατη αλληλουχία νεύρων/σωληνώσεων του ατμοποιητή αντικαθίσταται από πλάκες αμελητέου πάχους. Προκειμένου ωστόσο να επιτευχθεί πιστότητα και ακρίβεια αποτελεσμάτων, το ισότροπο υλικό αντικαθίσταται από ένα ισοδύναμο, ανισότροπο υλικό, το οποίο ωστόσο εμφανίζει ακριβώς την ίδια μηχανική συμπεριφορά σε ίδιες συνθήκες φόρτισης. Για να συμβεί αυτό, προχωρούμε σε κατάλληλη διαμόρφωση των στοιχείων του μητρώου δυσκαμψίας, στα οποία συμπεριλαμβάνονται η πραγματική γεωμετρία και οι συνθήκες λειτουργίας του εργαζόμενου μέσου. Η διαδικασία προσομοίωσης συνιστά καινοτόνομα προσέγγιση, της οποίας η χρήση μάλιστα επεκτείνεται και σε φορτία πέραν των προβλεπόμενων. Μετά την μοντελοποίηση ολόκληρου του ατμοποιητή στο χώρο της εστίας, γίνεται εντοπισμός των πιο επίφοβων περιοχών για εμφάνιση υψηλών τάσεων και παραμορφώσεων και λεπτομερή μελέτη τους με χρήση πεπερασμένων στοιχείων. Οι περιοχές αυτές είναι το τμήμα μετάβασης από κεκλιμένες σε ευθείες σωληνώσεις (στο τμήμα του συλλέκτη), οι γωνίες άνωθεν του συστήματος καύσης, και η περιοχή υψηλότερης θερμικής φόρτισης. Για την επιτέλεση των συγκεκριμένων προσομοιώσεων λαμβάνονται υπόψιν και κατασκευαστικές λεπτομέρειες, όπως οι συγκολλήσεις μεταξύ σωληνώσεων και νεύρων και οι συγκολλήσεις ανά εύρος σωληνώσεων που γίνονται στο εργοτάξιο για τμηματική κατασκευή του ατμοποιητή. Επιπλέον, γίνεται επιβολή του πραγματικού ισότροπου υλικού, καθότι λαμβάνεται υπόψιν η πραγματική γεωμετρική διαμόρφωση. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, το Τ24 υλικό δεν εμφανίζει πιθανότητα διαρροής, καθότι το αναπτυχθέν ισοδύναμο τασικό πεδίο κατά von-Mises εμφανίζει σημαντικά χαμηλότερες τιμές από το αντίστοιχο όριο του υλικού. Εντούτοις, στην περιοχή της μέγιστης φόρτισης στην περίπτωση του ονομαστικού φορτίου εμφανίζονται τάσεις που ξεπερνούν το όριο διαρροής του υλικού εκείνης της περιοχής (Τ12), σε σημεία της εσωτερικής επιφάνειας των σωληνώσεων και σε περιοχές συγκόλλησης νεύρων/σωληνώσεων. Εντούτοις, αξιολογείται πως οι διεργασίες που υφίστανται τα υλικά πριν τη λειτουργική τους χρήση (autofrettage) δύνανται να έχουν αυξήσει την αντοχή τους και να έχουν μεταφέρει προς ανώτερη στάθμη το όριο διαρροής, αποτρέποντας έτσι την πλαστική παραμόρφωση σε πραγματικές συνθήκες. Εντούτοις, για αύξηση της ακρίβειας των αποτελεσμάτων κρίνεται αναγκαία η συνέχιση της διερεύνησης με ενσωμάτωση των παραμενουσών τάσεων στις συγκολλήσεις με επιπλέον πειραματικά δεδομένα. Τέλος, πραγματοποιείται χρονικά μεταβαλλόμενη προσομοίωση των δύο εκ των τριών προαναφερθεισών περιοχών του ατμοποιητή που κατασκευάζονται από Τ24 (περιοχή συλλέκτη ή ισοδύναμα διαφοροποίησης του προσανατολισμού των σωληνώσεων και περιοχή στη γωνία του λέβητα) μεταξύ των θερμικών φορτίων 27% και 100% του ονομαστικού με υπόθεση χρονικού διαστήματος μετάβασης τις δύο ώρες. Με θεώρηση της μέγιστης επιβαλλόμενης τάσης που προκύπτει κατά την μεταβατική αυτή λειτουργία, πραγματοποιείται μελέτη κόπωσης, από την οποία προκύπτει ότι το υπόψιν υλικό έχει μεγάλη αντοχή για πολύ μεγάλο αριθμό λειτουργικών κύκλων, γεγονός που πιστοποιεί τη δυνατότητα μετατροπής μιας υπερσύγχρονης μονάδας βάσεως σε αιχμής ή κυκλικής λειτουργίας με τη χρήση προηγμένων υλικών. Τέλος, στο Έκτο και τελευταίο Κεφάλαιο γίνεται σύνοψη των αποτελεσμάτων από όλες τις περιπτώσεις που μελετήθηκαν, εξάγονται γενικά συμπεράσματα, αναφέρονται τα καινοτόμα στοιχεία και αποσαφηνίζονται οι προτεραιότητες μελλοντικών ερευνών.