Kraftwerk mit einer Kondensationsanlage zur Kondensation von

Wasserdampf

Die Erfindung betrifft ein Kraftwerk mit einer Kondensationsanlage gemäß den Merkmalen im Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Kondensationsanlagen werden zur Kühlung von Turbinen- oder Prozessabdämpfen verwendet und sind im energietechnischen Bereich in sehr großen Dimensionen seit vielen Jahren im Einsatz. Der Wirkungsgrad eines Kraftwerks hängt nicht unerheblich von der Kondensationsleistung der Kondensationsanlage ab, wobei die lokalen klimatischen Verhältnisse und die hiermit zusammenhängenden Windgeschwindigkeiten und Windrichtungen einen erheblichen Einfluss auf die Kondensationsleistung haben. Heutige Bauformen von Kondensationsanlagen weisen daher Windschutzwände auf, welche die Wärmetauscherelemente in ihrer Gesamtheit umgeben, um eine Rezirkulation der erwärmten Kühlluft zu verhindern.

Wichtig ist auch, dass alle Ventilatoren der Kondensationsanlage möglichst gleichmäßig angeströmt werden. Höhere naturbedingte Windgeschwindigkeiten können zu einem lokalen Druckabfall unterhalb der Ventilatoren führen. Die betroffenen Ventilatoren können nicht genügend Kühlluft fördern, wodurch die Kondensationsleistung sinkt und eine an den Dampfkreislauf angeschlossene Turbine unter Umständen in ihrer Leistung zurückgefahren werden muss.

Das andere Extrem ist, dass sich die Kondensationsanlage unter Umständen im Windschatten von Gebäudestrukturen, insbesondere im Windschatten des Kesselhauses und des Turbinenhauses eines Kraftwerks befindet. üblicherweise wird eine Kondensationsanlage so nah wie möglich, d.h. in unmittelbarer Nachbarschaft zum Turbinenhaus errichtet, um die Leitungswege kurz zu halten und den Wasserdampf so schnell wie möglich zu kondensieren. Um dennoch eine optimale Anströmung zu gewährleisten, werden Kondensationsanlagen bereits relativ hoch aufgeständert, damit eine im Wesentlichen ungehinderte Anströmung von allen Seiten, d.h. unabhängig von der Windrichtung möglich ist. In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, dass bei Kondensationsanlagen, deren Ansaugraum unterhalb der Ventilatoren im Windschatten von Gebäudstrukturen angeordnet ist, Warmluftrezirkulationen auftreten und zwar dort, wo die anströmende Luft durch den verbleibenden Freiraum zwischen Gebäudestruktur und der aufgeständerten Kondensationsanlage aufgrund der lokalen Querschnittsverengung mit relativ hoher Geschwindigkeit nach unten und unter die Wärmetauscherelemente strömt. Hierbei kann es zu dem unerwünschten Effekt kommen, dass trotz installierter Windschutzwände erwärmte Kühlluft von der zuströmenden Kühlluft mitgerissen wird und unter die Wärmetauscherelemente befördert wird, d.h. es kommt zur Warmluftrezirkulation. Durch die Temperaturerhöhung der Kühlluft sinkt die Kondensationsleistung, was sich wiederum nachteilig auf den Kraftwerkwirkungsgrad auswirkt.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Kraftwerk mit einer Kondensationsanlage zur Kondensation von Wasserdampf gemäß den Merkmalen im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 aufzuzeigen, bei welchem die Warmluftrezirkulation vermindert ist.

Die Lösung wird in einem Kraftwerk mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gesehen. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der Unteransprüche.

Umfangreiche Untersuchungen haben gezeigt, dass das angesprochene Problem der Warmluftrezirkulation besonders kostengünstig dadurch gelöst werden kann, wenn Gebäudestrukturen, die benachbart der Kondensationsanlage platziert sind, tunnelartige Windpassagen aufweisen, durch welche Kühlluft unter die Wärmetauscherelemente strömt und/oder gesaugt wird. Die Windpassagen sind insbesondere in Turbinenhäusern vorgesehen und erfordern keine separat zu errichtenden Strukturen. Wichtig ist, dass die unter Umständen ohnehin zwischen Kesselhäusern vorhandenen, unbebauten Freiräumen zur Kondensationsanlage hin geöffnet werden, so dass anströmende Luft bodennah zwischen den Kesselhäusern hindurch in die Windpassagen des Turbinenhauses strömen kann und damit nicht ausschließlich den längeren und rezirkulationsgefährdeten Weg über die Dächer der Kessel- und Turbinenhäuser hinweg nehmen muss, sondern unmittelbar von unten in den Ansaugraum der Kondensationsanlage gelangt. Die Auslegung, das heißt insbesondere die Größe der Windpassagen erfolgt anforderungsgerecht und unter Berücksichtigung der lokal vorherrschenden Windverhältnisse, der klimatischen Bedingungen sowie weiterer Einflussgrößen, so dass sichergestellt werden kann, dass die Kondensationsanlage bis zu bestimmten Windgeschwindigkeiten rezirkulationsfrei arbeitet, selbst wenn die Kondensationsanlage im Windschatten von Gebäudestrukturen des Kraftwerks steht. Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es möglich, Garantiezusagen besser einzuhalten, z.B. wenn von dem Betreiber des Kraftwerks gefordert wird, dass die Kondensationsanlage bei Windgeschwindigkeiten über 3 m/s rezirkulationsfrei arbeiten soll. Die Auslegung der Kondensationsanlage kann aufgrund der komplexen Strömungsverhältnisse nicht auf analytischem Wege erfolgen, sondern nur über numerische Berechnungsmethoden. Mit Hilfe von CFD-Verfahren (Computational Fluid Dynamics) ist es möglich, verschiedene Formgebungen und Anordnungen der Gebäudestrukturen zu vergleichen und auf diese Weise lokale Strömungserscheinungen zu analysieren, die mit Messungen nur schwer oder überhaupt nicht zu erfassen sind. Aufgrund der Vielzahl der Parameter und der Größe heutiger Kraftwerksneubauten ergeben sind ausgesprochen komplexe Berechnungsmodelle, durch welche sich das be-

kannte Problem der Warmluftrezirkulation oftmals überhaupt erst lokalisieren lässt.

Selbstverständlich ist es immer möglich, sehr hohe Windschutzwände randsei- tig der Wärmetauscherelemente anzuordnen, so dass die erwärmte Kühlluft keinesfalls mit der angesaugten Kühlluft vermischt wird. Allerdings sind die Investitionskosten bei der Errichtung moderner Kraftwerke erheblich, so dass nach kostengünstigen Alternativen und unterstützenden Maßnahmen gesucht werden muss. Durch das Vorsehen von Windpassagen in bislang geschlossenen Gebäudestrukturen eröffnen sich nicht nur neue Stromlinien für die Zuführung von Kühlluft, sondern zudem effektive Möglichkeiten, den Einfluss des Windes auf den Kraftwerkwirkungsgrad bei gleichzeitig geringen Investitionen zu vermindern.

Es wird als vorteilhaft angesehen, wenn Windtore zum Verändern der Durchströmfläche der Windpassagen vorgesehen sind. Die Breite der Windpassagen ist häufig durch bauliche Notwendigkeiten vorgegeben. Diese Abstände werden sich oftmals kaum verändern lassen. Allerdings kann durch Windtore relativ genau gesteuert werden, welche Luftmenge durch die Windpassagen geführt werden soll. Die Windtore sind im Regelfall vollständig geöffnet, um einen ungehinderten Durchtritt der anströmenden Luft zu ermöglichen. Umgekehrt ist es auch möglich, die Windtore zumindest teilweise zu schließen, wenn die Windgeschwindigkeit zu hoch ist oder wenn sich die Windrichtung geändert hat. Insbesondere können die Windtore mit Mitteln gekoppelt sein, über welche die Durchströmfläche in Abhängigkeit von der Windrichtung steuerbar ist. Beispielsweise könnte es von Nachteil sein, wenn nicht die Kondensationsanlage, sondern die Kessel- und Turbinenhäuser im Windschatten stehen. In diesem Fall ist es zweckmäßiger, die Windtore geschlossen zu halten, damit sich unterhalb der Wärmetauscherelemente ein gewisser Staudruck ausbildet, der durch das Schließen der Windtore erhöht werden kann. Entscheidend ist letztlich, dass die Kondensationsanlage "atmen" kann, d.h., dass ihr unabhängig von der Windrichtung Kühlluft in einer Art und Weise zuströmt, die eine Warmluftrezirkulation verhindert.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Figuren

1 und 2 zwei perspektivische Darstellungen eines Kraftwerksmodells gemäß dem Stand der Technik;

Figuren

3 und 4 zwei perspektivische Darstellungen eines Kraftwerksmodells gemäß der erfindungsgemäßen Lösung;

Figur 5 ein Modell, das die Strömungsverhältnisse bei einem Kraftwerk gemäß dem Stand der Technik zeigt und

Figur 6 ein Modell, das die Strömungsverhältnisse bei einem lösungsgemäßen Kraftwerk zeigt.

Figur 1 zeigt ein Berechnungsmodell eines Kraftwerks 1 mit einer Kondensationsanlage 2 zur Kondensation von Wasserdampf, welcher der Kondensationsanlage 2 aus einem Turbinenhaus 3 zugeführt wird. Dem Turbinenhaus 3 ist ein Kesselhaus 4 vorgelagert. Das Turbinenhaus 3 und das Kesselhaus 4 werden in ihrer Gesamtheit als Gebäudestrukturen des Kraftwerks bezeichnet. Die Windrichung W wird durch den eingezeichneten Pfeil symbolisiert. Die Windgeschwindigkeit beträgt zum Beispiel 7 m/s. Anhand der unterschiedlichen Grauschattierungen ist der Temperaturverlauf der aus den Wärmetauscherelementen 5 austretenden, erwärmten Kühlluft zu erkennen, wobei insbesondere der eingekreiste Bereich von Interesse ist. Dort ist zu erkennen, dass offensichtlich im Bereich der dem Turbinenhaus 3 und dem Kesselhaus 4 benachbarten Längsseite der Kondensationsanlage 2 ein Teil der erwärmten Kühlluft wieder von unten in die Wärmetauscherelemente 5 eintritt. Dies ist an dem dargestellten Temperaturgefälle der Kühlluft zu erkennen. Hier kommt es trotz vorhandener Windschutzwände zu Warmluftrezirkulationen.

Aus Figur 2 wird anhand der eingezeichneten Strömungslinien deutlich, dass Warmluftrezirkulation nicht nur in dem eingekreisten Eckbereich der dargestell-

ten Kondensationsanlage auftritt, sondern auch im Bereich des Windschattens hinter den Kessel- und Turbinenhäusern 3, 4. Der Grund hierfür ist in Figur 5 zu erkennen. Die eingezeichneten Pfeile in Figur 5 verdeutlichen die lokale Windrichtung. Die Länge der Pfeile ist ein Maß für die lokale Windgeschwindigkeit. Das in der Bildebene von rechts angeströmte Kraftwerk 1 weist eine Kondensationsanlage 2 auf, die im Windschatten der Gebäudestruktur eines Kraftwerks, d.h. des Kesselhauses 4 und insbesondere des Turbinenhauses 3 liegt. Obschon die Kondensationsanlage 2 hoch aufgeständert ist, führt die räumliche Nähe zum Turbinenhaus 3 dazu, dass der in der Bildebene von rechts anströmende Wind durch einen relativ schmalen Bereich unter die Wärmetauscherelemente 5 der Kondensationsanlage 2 gesaugt werden muss. Die hohe Anzahl und Dichte der einzelnen Pfeile in diesem Bereich verdeutlicht, dass dort relativ hohe Windgeschwindigkeiten vorherrschen. Diese hohen Windgeschwindigkeiten wiederum führen dazu, dass auch randseitig der Kondensationsanlage 2 in dem eingekreisten Bereich aus den Wärmetauscherelementen 5 austretende Warmluft mitgerissen wird und wieder unter die Kondensationsanlage 2 strömt.

Im Rahmen der Erfindung ist nun vorgesehen, dass die den Windschatten erzeugenden Gebäudestruktur, das heißt in diesem Fall das Turbinenhaus 3, tunnelartige Windpassagen 6 aufweist, durch welche Kühlluft unter die Wärmetauscherelemente 5 strömt und/oder gesaugt wird. Figur 3 zeigt, dass das Turbinenhaus keine Barriere mehr für die zwischen den Kesselhäusern 4 hindurchströmende Kühlluft darstellt, sondern vielmehr eine Windpassage 6 begrenzt, die über ein lediglich andeutungsweise eingezeichnetes Windtor 7 mit dem Ansaugraum unterhalb der Kondensationsanlage 2 strömungstechnisch verbunden ist. Die Windpassage 6 wird quasi als Tunnel durch das Turbinenhaus 3 geführt.

Theoretisch wäre es denkbar, das Turbinenhaus in einzelne Abschnitte zu unterteilen, so dass sich einzeln nebeneinander stehende Gebäude ergeben. Allerdings wird die gemeinsam genutzte Infrastruktur dann ebenfalls unter-

brochen. Insbesondere im Hinblick auf die Nutzung eines Laufkranes stellt die Untertunnelung eine wirtschaftlich sinnvolle Lösung dar.

Die Darstellung der Figur 4 zeigt, dass die Windpassagen 6 unterhalb der auf einer Stützkonstruktion 8 angeordneten Wärmetauscherelemente 5 der Kondensationsanlage 2 münden, so dass die aus den Windpassagen 6 austretende Luft nicht vollständig über die Dächer der Turbinenhäuser 3 und Kesselhäuser 4 angesaugt werden muss, sondern auch unmittelbar über die Windpassagen 6 der Kondensationsanlage 2 zugeführt werden kann.

Anhand der Figur 6 ist zu erkennen, dass in einer Schnittebene durch die Windpassage 6 ein erheblicher Anteil der angesaugten bzw. anströmenden Kühlluft der Kondensationsanlage 2 durch die Windpassage 6 zugeführt wird. Der Anteil ist zumindest so groß, dass es in dem in Figur 5 dargestellten Bereich zu keiner Warmluftrezirkulation mehr kommt und damit zu keiner Beeinträchtigung des Kraftwerkswirkungsgrads.

Bezuqszeichen:

1 - Kraftwerk

2 - Kondensationsanlage

3 - Turbinenhaus

4 - Kesselhaus

5 - Wärmetauscherelement

6 - Windpassage

7 - Windtor

8 - Stützkonstruktion

W - Windrichtung