Numerical investigation of pulverized-fuel boilers under flexible operating conditions assisted by study of their membrane walls material durability
Authors: Δροσάτος Παναγιώτης 
Published: September 2024

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.