Kühlanlage für das DLR

Rahmenbedingungen

Der Hauptsitz des DLR in Köln-Porz umfasst ein Areal von rund 55 ha, das mit 40 Gebäuden unterschiedlicher Größe und Nutzung bebaut ist. Mit seinen weltweit einzigartigen Prüfständen bietet das DLR in Köln internen und externen Partnern die Möglichkeit, Gasturbinenbrennkammern sowohl für Luftfahrtanwendungen als auch für Anwendungen in der Energietechnik unter realistischen Bedingungen zu testen. Die Kühlleistung von 60 MW wird benötigt, um die dabei frei werdende Abwärme abzuführen. Etwa in der Mitte der Liegenschaft wurde das Gebäude 34 errichtet, das den Kühlturm und das Pumpenhaus umfasst. Es handelt sich um einen offenen Kühlturm mit zwei Zellen. Die Kühlturmtasse wurde zweiteilig mit einem warmen und einem kalten Becken ausgeführt.

Gründliche Vorarbeiten

Die ersten Schritte zum Projekt begannen schon 2011. So hat das Baumanagement West des DLR im Rahmen der Vorplanung untersuchen lassen, ob es wirtschaftlicher ist, den neuen Kühlturm im Lastschwerpunkt etwa in der Mitte der Liegenschaft oder aufgeteilt auf mehrere Inseln dezentral anzuordnen. Die Platzierung im Lastschwerpunkt erwies sich als wirtschaftlichere Variante. Ausschlaggebend dafür war u.a., dass die erforderlichen Schalldämmmaßnahmen bei einer peripheren Lösung weitaus umfangreicher gewesen wären.

Des Weiteren wurden für das Kühlturmkonzept vier Varianten untersucht: offene nasse Rückkühlung, geschlossene nasse Rückkühlung, hybride Rückkühlung sowie trockene Rückkühlung. Dabei wurden für den apparativen Aufbau des Kühlturms Bauweisen in Beton, GFK, kunststoffbeschichtetem Stahl und Edelstahl mit nur wenigen Zellen bzw. Varianten mit einer Vielzahl von Zellen berücksichtigt. Entschieden hat sich das DLR letztendlich für einen Zweizellenkühlturm aus Beton, der zum Teil in Fertigteilbauweise errichtet wurde.

Die Kühlwasserversorgung wurde mit einem Gleichzeitigkeitsfaktor von 0,6 bemessen. Dieser Wert (zwischen 0,1 und 1,0) berücksichtigt die Tatsache, dass nie alle Abnehmer gleichzeitig und mit voller Leistung eingeschaltet sind. Um einen wirtschaftlichen Betrieb der Kühlwasserversorgung und eine hohe Verfügbarkeit zu gewährleisten, wurde vorgesehen, an allen Verbrauchern eine Rücklauftemperaturregelung nachzurüsten. Aufgrund der hohen Energieumsätze in den Prüfständen wird es im Versuchsbetrieb zu sehr raschen Lastwechseln kommen, die eine schnelle Reaktion der Regelung und der angesteuerten Stellglieder erfordern. Von Seiten des DLR waren Noteingriffsmöglichkeiten auf die Kühlwasserversorgung gefordert, mit deren Hilfe ein Scheitern der sehr teuren Versuche verhindert werden muss. Diese anspruchsvolle Regelaufgabe ließ sich nur durch weitgehende Eingriffe in die Prüfstands-Steuerung realisieren.

Der Kühlturm

Die Anlage gliedert sich in zwei Bereiche, den eigentlichen Kühlturm und das Pumpenhaus. Im Innern des Kühlturms befinden sich zwei Wasserbecken. Die Wände sind im unteren Bereich als offene Schalldämpferkonstruktion ausgebildet, durch die Luft angesaugt wird. Sie nimmt Feuchtigkeit und damit Wärme aus dem von oben herabtropfenden Wasser auf und strömt durch den sogenannten Rieselkörper, der durch seine möglichst große Oberfläche ein feines Zerstäuben des Wassers bewirkt. Dann wird die Luft mittels der beiden Ventilatoren nach außen transportiert. Diese bewegen sich mit 180 min^-1 eher langsam. Durch ihren Durchmesser von 8 m erreichen die Flügel an der Spitze jedoch schon eine Geschwindigkeit von 271 km/h. Insgesamt ergibt sich ein Abstand der Flügelspitzen zur aus GFK gefertigten Kühlturmwand von nur wenigen Zentimetern. Oberhalb der Ventilatoren sind Schalldämpfer angebracht, um die Lärmemission im berechneten Rahmen zu halten. Antriebswelle und Motor der Ventilatoren befinden sich außen, ebenso die Einrichtung zur Ölversorgung. Daher kann die Wartung an diesen Anlagenteilen weitgehend von außen erfolgen.

Das Pumpenhaus

In geringem Abstand zum Kühlturm wurde das Pumpenhaus errichtet. Hier sind auf der einen Seite die Anbindungen an den Kühlturm angeordnet, auf der anderen die Anbindungen für die Versuchsstände. Der Vor- und Rücklauf zum Kühlturm ist jeweils mit einem Hosenstück an die einzelnen Stränge angebunden.

Es wurden Rohre bis zur Nennweite DN 1100 eingesetzt. Der Trinkwasserzulauf für den Kühlturm ist mit Hilfe eines freien Auslaufs in Trichterform umgesetzt worden. Auf diese Weise wird eine Rückwärtsverkeimung vom Kühlturm in die Trinkwasseranlage unterbunden.

Da berechnet worden ist, dass sich der Kühlturm innerhalb von ca. zwei Jahren um 5 cm mehr setzt als das Pumpenhaus, wurden alle relevanten Verbindungsleitungen mit Kompensatoren ausgestattet. Als weitere Sicherheitsmaßnahme ist die Installation von Windkesseln zu nennen. Sollten die Pumpen durch einen Stromausfall zum Stillstand kommen, fangen die Behälter Druckstöße auf und verhindern so größere Schäden. Im Pumpenhaus befinden sich auch die komplette Prozessleittechnik und die Stromversorgung.

Die Umsetzung

Das Kühlwassersystem zur Anbindung der Versuchsstände wurde aus schwarzen Stahlrohren mit Nennweiten bis DN 900 erstellt und weitgehend innerhalb des Erdreichs verlegt. Die Verlegung erfolgte überwiegend in sehr hoch installierten Bereichen. Weil Unterbrechungen des Versuchsbetriebs für das DLR mit sehr hohen Einnahmeausfällen verbunden sind, musste der Anschluss der Bestandsanlagen an die neue Kühlwasserversorgung unter weitgehender Aufrechterhaltung des Betriebes erfolgen. Umschlussarbeiten konnten nur innerhalb eng bemessener Zeitfenster durchgeführt werden.

Bedingt durch die Komplexität der Anlagentechnik und das Ineinandergreifen verschiedener Gewerke konnte die Inbetriebnahme nicht auf einzelne Gewerke beschränkt werden. Sie war als ein Ganzes in einem in sich geschlossenen technischen Anlagensystem übergreifend zu betrachten und von pbr durch ein anlagenübergreifendes Inbetriebnahme-Management zu koordinieren. Da es sich bei dem hier errichteten Kühlturm nicht um ein Serienprodukt mit auf Prüfständen nachgewiesenen Leistungsdaten handelt, wurden nach der Inbetriebnahme umfangreiche Leistungstests durchgeführt, mit denen die vertraglich festgelegten Garantiewerte nachgewiesen wurden. Rund 10 Mio. € wurden für das Projekt aufgewendet. Die Bedienung bzw. die Überwachung der Anlage erfolgt durch das DLR.

Die gute Zusammenarbeit zwischen der pbr Planungsbüro Rohling AG und dem Baumanagement West wird als wichtiger Erfolgsfaktor für das Gelingen des Projekts eingestuft, von der kontinuierlichen Abstimmung in den einzelnen Phasen bis zur Abnahme. Das DLR kann nun die Leistung der Kühlturmanlage genauso abrufen, wie sie geplant wurde.