火力発電所におけるCFDの応用

有限差分法は、グリッド座標線の節点における点サンプルを用いて流れ問題の未知数を記述します。テイラー級数展開を用いて、各グリッド点とその近傍における点サンプルに関する導関数の有限差分近似を生成します。支配方程式に現れる導関数は有限差分に置き換えられ、代数方程式が得られます。

有限要素法では、要素上で有効な区分的関数を用いて、未知の流れ変数の局所的な変化を記述します。ここでも、未知の係数を決定するために一連の代数方程式が生成されます。

有限体積法は、CFDにおける数値離散化に用いられる最も一般的な手法の一つです。この手法は、有限差分法といくつかの点で類似しています。この手法では、空間領域を有限の制御体積に離散化します。支配方程式は、微分形式で各制御体積上で積分されます。結果として得られる積分保存則は、各制御体積および領域全体において厳密に満たされるため、有限体積法の大きな利点となります。各積分項は離散形式に変換され、制御体積の重心、すなわち節点における離散化された方程式が得られます。

化石燃料が燃焼すると、一酸化窒素と二酸化窒素が生成されます。これらの汚染物質は、オゾンと酸性雨の生成につながる反応を引き起こします。NOx の生成は、（1）高温燃焼、すなわち熱的 NOx と、（2）燃料に結合した窒素、すなわち燃料 NOx によって起こりますが、後者はごくわずかです。ほとんどの場合、熱的 NOx のレベルは、火炎温度を下げることによって低減できます。これは、バーナーを改良してより大きな（したがってより低い温度の）火炎を生成することで、NOx の生成を低減することによって実現できます。このような低 NOx バーナーの設計と解析には、CFD 解析の役割が不可欠です。CFX、Fluent、Star CCM++ などの多くの CFD ツールが、ハイブリッドおよび CONDIF アップウィンド差分スキームを備えた RNG k-ε 乱流モデルなどのさまざまなモデルとともに解析目的で使用されており、これらの解析で得られたデータは、バーナー設計の変更に役立ち、燃焼中の NOx 生成による環境への悪影響を低減します。^{[ 1 ]}

エコノマイザーは、火力発電所の効率的な運転に不可欠な構成要素です。これは、炉の対流ゾーンに設置される非蒸気式の熱交換器です。排ガスの熱エネルギーを利用して、ボイラードラムに入る前の給水を加熱します。熱効率／ボイラー効率は、エコノマイザーの性能に大きく左右されます。CFD解析は、圧力、速度、温度分布を解析することでエコノマイザーの熱性能を最適化し、CFD解析結果に基づいてさらなる改善が必要な重要な領域を特定するのに役立ちます。

一般的に炉の放射ゾーンに設置される過熱器は、ボイラードラムから出てくる乾燥飽和蒸気の温度を上昇させ、蒸気タービンに送る前に必要なパラメータを維持するために使用されます。火力発電所の熱効率は、過熱器の性能に依存します。過熱器のCFD解析は、設計段階と、その後のプラント運転中のトラブルシューティングおよび性能評価で行われます。得られたCFD結果は、保守エンジニアがチューブ寿命を適切に予測し、高温ゾーンに適切な対策を講じてチューブコイルの侵食を減らし、チューブ漏れの問題を抑制するのに役立ちます。CFD解析は、過熱器をモデル化し、過熱器内の蒸気の速度、圧力、温度分布を解析することから構成されます。チューブ内の蒸気の温度分布が不均一になると、ボイラーチューブの漏れが発生します。CFDは、運転パラメータがチューブの侵食率に及ぼす影響を研究するのにも役立ちます。火力発電所は年間を通して稼働しており、常に停止して問題を分析できるとは限りません。CFDは、このような場合に役立ちます。

火力発電所では、燃料、特に微粉炭の燃焼が非常に重要です。蒸気発生のための水への全エネルギー伝達と汚染物質の削減には、空気と燃料の適切な比率での完全燃焼が必要です。質量、エネルギー、化学種、運動量の基本的な保存方程式に基づくCFDモデルを使用して、バーナーを通過する空気と石炭の流れをシミュレートできます。CFD解析から得られた結果は、改善の可能性のある領域を特定するための洞察を与えます。^{[ 2 ]}

CFD が性能と効率の向上に重要な役割を果たすことができる他の重要な分野がいくつかあります。石炭火力発電所の配管システムにおける石炭/空気の流れの不均衡は、炉内での不均一な燃焼につながり、結果としてボイラー全体の効率が低下します。この問題に対する一般的な解決策は、配管システムにオリフィスを設けて流れのバランスを取ることです。オリフィスのサイズが粉砕機に接続された個々のバーナーへの清浄空気の流れのバランスを取るように設定されている場合、石炭/空気の流れは依然として不均衡であり、その逆もまた同様です。標準 k-e 二相流モデルを使用した CFD は、石炭/空気の流れと清浄空気の流れの両方の圧力損失係数を計算するために使用できます。^{[ 3 ]}

CFD は、火力発電所の炉の水壁侵食の問題に対処するための数値解を得るためにも使用されます。これは、火炎のずれ、熱攻撃、および化学物質との接触による侵食によって引き起こされます。火炎のずれは、バーナーの形状による流体力学的要因の変化によって発生します。CFD の結果は、速度プロファイル、圧力プロファイル、流線、および機器内部の流体流れ現象を理解するのに役立つその他のデータを示します。^{[ 4 ]}上記の例から、火力発電所のボトルネックに対処し、発電所の効率を改善し、保守の決定を支援する上で CFD の適用がいかに重要であるかが明らかです。