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Gasturbinen-Blockheizkraftwerk (Gasturbinen-BHKW) für Wärme, Strom und Kälteverbund (Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung KWKK)
Helmholtz Zentrum München Neuherberg

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Gliederung

Projektdaten

Planungs- und Ausführungszeitraum:	1996 .. 2003
Projektgröße:	insgesamt ca. 4,5 Mio. €
Auftraggeber:	Staatliches Hochbauamt München II Peter-Auzinger-Str. 10 81547 München
Grundkonzeptentwicklung GSF:	Dipl.-Ing. Josef Maier Abteilung Betriebstechnik

Ingenieurleistungen

• Machbarkeitsstudie zur Realisierbarkeit der Klimakälteversorgung der Liegenschaft GSF mit Absorptions-Kältemaschinen in Verbindung mit Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (Gasturbinenanlage) von 02.1996
• Genehmigungsanträge nach §4, §13 BImSchG für alle die Anlage betreffenden erforderlichen öffentlich-rechtlichen Genehmigungen und Zulassungen, Erlaubnisse und Bewilligungen
• Leistungen für die Neuordnung der Kältezentrale im Biologikum und des Rückkühlwerks
  Bearbeitung 1996 bis 2000
  Leistungen nach HOAI, Teil IX, §73
  Phasen 1,2,3,4,5,6,7 und 8
  Automationsanlage mit DDC-Unterstationen
• Leistungen für die Errichtung einer Gasturbinenanlage in der Energiezentrale und Neuordnung des Heißwassernetzes
  Bearbeitung 1998
  Leistungen nach HOAI, Teil IX, §73
  Phasen 1,2,3,4,5,6,7 und 8 - Abschluß Mitte 2003
  Automationsanlagen für Gasturbinen in SPS-Technik
• Studie zur Neustrukturierung der Wärme- und Kälteversorgung (2005)

Projektbeschreibung

Die GSF - Forschungszentrum für Umwelt und Gesundheit GmbH, Neuherberg, hat auf ihrem Gelände eine Anlage zur Erzeugung von Wärme, Kraft und Klimakälte errichtet.

Für die Durchführung dieser Maßnahme war für die GSF ausschlaggebend, daß die Energieerzeugung durch KWK ressourcenschonend, umwelt- und klimafreundlich ist.
Durch gleichzeitige Erzeugung von Strom und Nutzwärme wird ein höherer Primärenergienutzungsgrad erzielt als bei der getrennten Erzeugung in Kondensationskraftwerken und Heizkesseln.

Aufgrund des Genehmigungsantrages vom 24.11.1999 wurde durch das Landratsamt München die immissionsschutzrechtliche Genehmigung für die wesentliche Änderung der bestehenden Feuerungsanlage durch Errichtung eines Blockheizkraftwerkes mit zwei Gasturbinen zur Erzeugung von Strom, Wärme und Klimakälte auf dem Gelände der GSF mit Bescheid vom 06.08.2002 erteilt.

Anlagendaten

Für die Energieerzeugung sind 2 Stück baugleiche Gasturbinenmodule installiert, bestehend im wesentlichen aus den Hauptkomponenten:

• Gasturbine
  

  Fabrikat	Solar/MDE/MAN, Type Saturn 20
  Brennstoff	Erdgas
  elektrische Leistung 100%	jeweils 1.066 kW
  Kraftstoffleistung	jeweils 4.333 kW
  elektrischer Wirkungsgrad	24,6%

thermische Abgasleistung bei Abkühlung der Abgase auf 120°C, Qtherm=2.468 kW	2.468 kW =57% 4.333 kW
Aufstellungshöhe	492 müNN
Umgebungstemperatur	15°C
Ansaugdruckverlust	8 mbar
Abgasgegendruckverlust	25 mbar
Luftdruck	1.013 mbar

• Generator
  

  Fabrikat	Leroy Somer LSA C 51 S 574p
  Nennspannung	400 V
  Nennleistung	1.350 kVA
  Leistungsfaktor	0,8

• Zuluftsystem mit Vor- und Hauptfilter und Schalldämpfern
  
  
• Schallschutzhaube
  
  
• Kühlsystem mit den Hauptkomponenten
  • Luft-/Luftwärmetauscher am Generator
  • Öl-/Luftwärmetauscher zur Kühlung des Schmierölkreislaufs

• Abgassystem mit
  • Abgasdiffusor
  • Abgasschalldämpfer
  • Klappensystem für die Abgasführung über Bypass oder Kessel
  • Stahlschornstein, freistehend, Höhe 33m
• Subsysteme
  • Gaswarnanlage
  • Brandmeldeanlage
  • CO₂-Löschsystem
  • Ölnebelabscheider

• Steuer- und Regeleinheiten mit den Hauptkomponenten
  • Hilfsantriebsschränke
  • Steuerschränke
  • Steuerung SPS S5
  • Belastungseinrichtung für Generatorsternpunkt
  • Batterieeinheit
  • Monitoring-Rechner

Jedem Gasturbinenmodul ist ein Abhitzekessel zur Auskoppelung von Wärme aus dem Turbinenabgas zugeordnet.
Die Abhitzekessel sind sicherheitstechnisch nach TRD 604/2 für BoB 72 Stunden ausgerüstet.

Befeuerungsart	Abgase aus Gasturbine
max. Kesselleistung	2.500 kW
Kesselheizfläche	337 m2
Wasserinhalt	10.350 Liter
max. Betriebsüberdruck	13,0 bar
max. Betriebstemperatur	195 °C
Heißwassererwärmung	von 100°C auf 155°C
Rauchgasmassenstrom Gasturbine	6,0 kg/sec
Temperatureintritt Abhitzezug	513 °C

Anlagenkonzeption

Die Heißwasserkreisläufe der Abhitzekessel sind vom übergeordneten Heißwassernetz durch die Wärme- Pendelspeicher hydraulisch entkoppelt.
Vorrangige Führungsgröße für den Betrieb der Turbinenaggregate ist der Wärmebedarf. Im wärmegeführten Betrieb erfolgt die Aggregatesteuerung (Einzel- oder Parallelbetrieb der Module 1 und 2 im Lastbereich 60% .. 100%) in Abhängigkeit vom Ladezustand der Wärmespeicher.

Zusätzlich zu den durch Turbinenabgas beheizten Heißwassererzeugern sind drei mit Gas/HEL direkt befeuerte Heißwassererzeuger zur Spitzenlastabdeckung aus dem Bestand vorhanden.
Diese Gas-/HEL- befeuerten Heißwasserkessel weisen Nennwärmeleistungen von jeweils 8,6 MW auf und wurden zusammen mit der Pumpendruckhaltung sicherheitstechnisch entsprechend TRD 604/2 für BoB 72 Stunden ausgerüstet.
Zur Einhaltung der in der 1. BimSchV geforderten Emissionsgrenzwerte wurden die Feuerungsanlagen mit Rauchgas-Rezirkulationseinrichtungen ausgerüstet.

Die von den abgasbeheizten Wärmeerzeugern (AHK 1 und AHK 2) in die Wärmeverteilung eingespeiste Wärme und die durch die Spitzenwärmeerzeuger (Kessel 1,2,3) erzeugte Wärme werden jeweils getrennt gezählt.

Der Brennstoffeinsatz für die Gasturbinen und für die Kessel wird in der Meß- und Regelstation (HD-Stufe 12 bar_Ü) des Gasversorgungsunternehmens gemeinsam erfaßt.

Der durch die Gasturbinenaggregate im wärmegeführten Betrieb erzeugte elektrische Strom wird in das Mittelspannungsnetz der Liegenschaft eingespeist und wird zur Grundlastdeckung des elektrischen Leistungsbedarfs verwendet.
Stromrückspeisung in das Mittelspannungsnetz des EVU ist nicht vorgesehen.
Die Gasturbinenaggregate werden elektrisch im Netzparallelbetrieb gefahren. Außerdem dienen sie im Inselbetrieb der Ersatzstromversorgung.

Der durch den thermischen Antrieb der Absorptionskältemaschinen und den Warmwasserbedarf bestimmte Sommerwärmebedarf wird ausschließlich durch Wärmeauskopplung aus der KWKK-Anlage gedeckt.
Während der Heizperiode, in welcher Bedarf an Raum-, Lüftungs- und Prozeßwärme besteht, wird mit der ausgekoppelten Wärme die Grundlast und der darüber hinausgehende Bedarf durch die Gas-/HEL-befeuerten Spitzenerzeuger gedeckt.

Während der kalten Jahreszeit wird der geringe Bedarf an Klimakälte durch "Freie Kühlung" gedeckt.

Wärmeverteilung

Die Wärmeverteilung erfolgt durch Heißwasser in zwei Versorgungsbereichen:

• Liegenschaftsübergreifendes Heißwassernetz mit gleitender Temperaturführung 80°C .. 120°C für die Gebäudeheizung, RLT-Anlagen, TWW-Anlage.
• Heißwassernetz mit konstanter Vorlauftemperatur 155°C für Wärmeverbraucher im Biologikum, Technikzentrale:
  • ganzjährige Prozeßdampferzeugung (Sterilisation des Tierfutters)
  • Prozeßdampf für Luftbefeuchtung in Großklimaanlagen
  • Thermische Antriebsenergie für Absorptionskältemaschinen zur Erzeugung von Klimakälte

Die an das Heißwassernetz angeschlossenen Wärmeverbraucher in der Unterzentrale sind in der Weise seriell geschaltet, daß das Heißwasser mit der Eintrittstemperatur von 155°C zunächst den Dampferzeugern 1+2, dann abgekühlt auf ca. 130°C im Sommer den Absorptionskältemaschinen bzw. im Winter der Hauptzuluftvorwärmung des Biologikums und schließlich auf dem Temperaturniveau von ca. 90°C der Wärmetauschergruppe für Gebäudeheizung und Brauchwassererwärmung zugeleitet wird. Eine weitergehende Auskühlung des Heißwassers ist für die Effizienz des KWK-Prozesses wichtige Voraussetzung.

Prozeßdampferzeugung

In der Technikzentrale befinden sich zwei heißwasserbeheizte Dampferzeuger für Prozeßdampf einschließlich Speiseeinrichtungen, VE-Wasseraufbereitung und thermische Entgasung:

• Dampferzeuger 1.500 kW
  zur Erzeugung von HD-Dampf 3,0 bar_Ü
  für Sterilisation des Tierfutters
  Beheizung mit HW 155°C/145°C, PN 25
• Dampferzeuger 1.500 kW
  zur Erzeugung von ND-Dampf 0,5 bar_Ü
  für Befeuchtung der Zuluft in RLT-Anlagen
  Beheizung mit HW 155°C/115°C, PN 25

Zentrale Klimakälteversorgung mit Absorptionskältemaschinen

Die Kältezentrale versorgt Institutsgebäude und Rechenzentren der GSF mit Klimakaltwasser 6°C/12°C.
Kaltwasser-Volumenstrom max. 350 m³/h.

Als Kälteerzeuger dienen zwei baugleiche Absorptions-Flüssigkeitskühler mit folgenden Daten je Maschine:

Kälteleistung Q0	1.200 kW
Kaltwassertemperaturen	12°C/6°C
Kondensatorleistung QK	2.940 kW
Kühlwassertemperaturen	27°C/37°C
Thermische Antriebsleistung	1.770 kW
Heißwassertemperaturen	130°C/105°C

Thermische Antriebsenergie durch Wärmeauskopplung aus dem KWK-Prozeß.
Es handelt sich um Standard-Absorptionskältemaschinen mit dem Stoffpar LiBr-Wasser, welche nach dem Single Effect-Prinzip Arbeiten.
Die Lage dieses Prozesses ist im Lösungsfeld dargestellt.

Für die Wärmeabfuhr sind zwei baugleiche druckbelüftete Naßkühltürme südlich des Biologikums in einer Grünfläche aufgestellt:

Rückkühlleistung	2 x 3.000 kW
Kühlwassertemperatur	37°C/27°C
Kühlwasservolumenstrom	2 x 260 m3/h
Motorleistung je Ventilator	27 kW / 6,5 kW

Jedem Kühlturm ist ein druckloser Auffangbehälter mit je 10 m³ Inhalt in der Kältezentrale zugeordnet, welchem das abgekühlte Wasser durch Freispiegelleitung zufließt. Entsprechend der Eindickungsrate 1:2,5 wird Kühlwasser aus den Behältern abgeschlämmt. In Abhängigkeit vom Wasserstand in den Auffangbehältern wird teilenthärtetes Zusatzwasser eingespeist. Die den Kältemaschinen zugeordneten Pumpen entnehmen das Kühlwasser aus den Behältern und fördern es erwärmt auf das Vordruckniveau der Düsenstöcke des Rückkühlwerkes.

Automations- und Schaltanlagen

Steuerung der BHKW-Anlage mit Abhitzekesseln

Die Anforderung von einer oder beiden Gasturbinen mit den zugeordneten Abhitzekesseln (HW-Erzeuger) erfolgt lastabhängig (u.a. in Abhängigkeit vom Ladezustend der Wärmespeicher) durch ein Last-Managementsystem.

Die Sicherheitsfunktionen der HW-Erzeuger nach TRD 604/2 BoB 72 Stunden (Temperatur- und Druckbegrenzung, Wassermangelsicherung, Überwachung der Abgasklappen uws.) sind hardwaremäßig ausgeführt.

Zu jedem Turbinensystem in der Energiezentrale gehören Steuer- und Regeleinheiten mit den Hauptkomponenten:

• Hilfsantriebsschränke
• Steuerschränke
• Maschinensteuerung SPS S5
• Belastungseinrichtung für Generatorsternpunkt
• Batterieeinheit
• Monitoringrechner

Jede Maschinensteuerung verfügt über eine speicherprogrammierbare Steuerung S5 (Siemens) als CPU.

Die SPS kommuniziert über eine serielle Schnittstelle mit dem sogenannten Monitorrechner. Der Monitorrechner fragt zyklisch Status- und Störmeldungen und Analogwerte von der Turbinensteuerung ab. Diese Meldungen werden von der SPS auch an die übergeordnete Leittechnik übertragen.
Die von der SPS übernommenen Daten werden durch den Monitorrechner gespeichert und am Bildschirm angezeigt. Der Rechner ist mit einem Modem ausgerüstet, so daß für Servicezwecke auf aktuelle und gespeicherte Daten via Telefonnetz zugegriffen werden kann.

In der SPS sind die Programmabläufe für die Start- und Stopphase mit Zu- und Abschaltung der Hilfsaggregate hinterlegt.

Analoge Meßwerte wie Brennkammer- und Lufttemperaturen, Öl- und Lagertemperaturen, Generator-Wicklungstemperaturen, Drehzahl, Aktuatoröffnung, Vibrationen, Öldruck Startsystem usw. werden von der SPS verarbeitet.

Für die Regelung der Parameter wie

• Turbinendrehzahl (Reglerausgang auf Brennstoffventil)
• Temperaturregelung durch Erfassung der Abgastemperatur, Reglerausgang auf Brennstoffventile
• Begrenzung des Verdichter-Enddruckes
• Lastregelung mit einem digitalen Synchronisiergerät
• Abschalten bei Überdrehzahl, Übertemperatur im Abgas, Überdruck am Verdichter
• Abstellen währned des Anlassens
• Vibrationsüberwachung

ist eine bewährte, digitale, mikroprozessorgesteuerte Regelausrüstung (Woodward Excel 150) installiert.

Die Gasturbinensteuerung ist mit einer zentralen Netzausfallerkennung ausgerüstet.

Generatorüberwachung (Generator 1.470 kVA, 400 V) im Hinblick auf die Über- und Unterspannung, Erdschluß, Rückleistung, Überstrom I>, I>>, Über- und Untererregung.

Blocktransformator (1.600 kVA, 20 kV/400 V, Schaltgruppe Yd5) ausgerüstet mit Buchholzschutz.

20 kV Schaltanlage

• Netzeinspeisung und Ringkabelfeld:
  Gegenseitige Verriegelung zwischen Lasttrenn- und Leistungsschalter, desgleichen zwischen Leistungs- und Erdungsschalter. Schutzauslösung bei Überstrom und Kurzschluß.
• Generatorfelder:
  Ansteuerung des Leistungsschalters (Ort oder Fern), Verriegelung zwischen Lasttrenn- und Leistungsschalter bzw. Erdungsschalter w.o., Trafoüberwachung (Temperatur und Buchholz). Auslösung führt zum Ansprechen des Leistungsschalters. Bei Ausfall des 20 kV EVU-Netzes erfolgt automatische Umschaltung auf Inselbetrieb (Station I) mit Abwurf von Lasten durch Öffnen von Ringkabelschaltern im 20 kV Netz der Liegenschaft. Bei Netzrückkehr synchronisiert sich das BHKW an das EVU-Netz und die Ringkabelschalter werden automatisch geschlossen.

Automation für sonstige Anlagen der Wärmeerzeugung in der Energiezentrale

Es wurde ein Automationssystem, umfassend

• Leittechnik (GLT-System)
• DDC-Unterstationen mit Schaltschränken

installiert.

Das übergeordnete Leitsystem weist folgende Funktionen auf:

• Beobachten
• Bedienen (nicht für Anlagen in der Energiezentrale)
• Archivieren
• Grafik
• Dokumentation

Die Bedienmöglichkeiten sind sowohl über eine Tastatur an der CPU oder DDC-Unterstation als auch zusätzlich an der Handbedienebene (Notbedienebene) der einzelnen Funktionskarten gegeben.

Die Kommunikation der DDC-Unterstationen mit der Managementebene (GLT) erfolgt mittels Profibus-Schnittstelle.

Sicherheitsfunktionen sind grundsätzlich hardwareseitig verknüpft.

Für folgende Informationsschwerpunkte sind DDC-Unterstationen eingerichtet:

• Heißwasser-Regel- und Pumpengruppen
  • Heizkreis gleitend geregelte Niedertemperaturschiene mit differenzdruckabhängiger Drehzahlregelung der Netzumwälzpumpen, Erfassung Wärmeleistung und -verbrauch
  • Heizkreis Konstanttemperatur 155°C mit differenzdruckabhängiger Drehzahlregelung der Netzumwälzpumpe, Erfassung Wärmeleistung und -verbrauch
  • Thermische Entgasung des Zusatz- und Ergänzungswassers
  • Niveauregelung der Ausgleichsbehälter
  • Sicherheitstechnische Verknüpfung zu anderen Unterstationen mit Hardwareschnittstellen
• Wärmeauskopplung an den Abhitzekesseln, Energiemanagementsystem
  • Pumpendruckhaltung
  • Wärmespeicherverwaltung mit Erfassung des Ladezustandes der Wärmespeicher
  • Folgesteuerung mit Bilanzierung des Wärmeleistungsangebots durch AHK 1 und 2 sowie Kessel 1,2,3 unter Berücksichtigung der Speicherwärme
  • Anforderung von Wärmeerzeugungseinheiten nach Kriterien Wärmeleistung, Differenzdruck, Temperatur etc.
  Die DDC-Unterstation weist Hardware-Schnittstellen zu Feldgeräten in der Prozeßebene auf.
• Kesselsteuerungen jeweils für K1, K2, K3
  • Die Kessel- und Brennersteuerungen wurden gemäß den Anforderungen der TRD 604/2 mit den entsprechenden Feldgeräten erneuert.
  • Aufschaltung der Informationspunkte aus den Kesselsteuerungen auf die GLT
  • Niveausteuerung in den Ausgleichsbehältern
  • Sicherheitsmatrix für Kessel K1, K2, K3
• Brennstoffversorgung Erdgas
  • Ansteuerung der Sicherheitsabsperrventile im Gasübergabeschrank mit NOT-AUS-Funktionen
  • Erfassung der Gasverbrauchswerte für Gasturbinen (HD 12 bar) und Kessel (ND 200 mbar)

Innovative Komponenten der kombinierten Kraft-Wärme-Kälteerzeugungsanlage bei GSF

• Hohe jährliche Ausnutzung der GT-Aggregate durch ganzjährigen Bedarf an ausgekoppelter Wärme für HDD-Erzeugung und durch thermische Antriebsenergie für Kälteerzeugung durch AKM im Sommer
• Durch effiziente Primärenergieausnutzung der KWK erfolgt ein Beitrag zur Umweltentlastung durch Reduzierung der CO₂- Emission in Höhe von ca. 7.300 t/a im Vergleich zum ausschließlichen Fremdstrombezug (Grundlage: "AGFW - Deutscher Strommix")
• Hohe Temperaturspreizung des Wärmeträgers Heißwasser im Heizkreis mit konstanter Vorlauftemperatur durch serielle Schaltung der Wärmeverbraucher HD-Dampferzeuger -> Generatoren der Absorptionskältemaschinen -> Raumheizung, RLT-Anlagen, Brauchwassererwärmung. Durch niedrige Rücklauftemperaturen werden die Bedingungen für effiziente Wärmeauskopplung aus dem Turbinenabgas wie auch die Voraussetzung für wirtschaftlichen Betrieb des Verteilungsnetzes erfüllt
• Aufteilung der Wämeverteilung in Versorgungsbereiche mit konstanter bzw. mit gleitender Vorlauftemperatur mit dem Ziel, die Wärmeverluste der Verteilung möglichst gering zu halten
• Räumliche Trennung der im Biologikum, dem Verbrauchsschwerpunkt installierten Anlagen für HD-Dampf und Klimakälte, von der aus Gründen der Luftreinhaltung und des Lärmschutzes an der Peripherie situierten Energiezentrale. Die thermische Antriebsenergie wird den Verbrauchern durch eine Heißwasser-Nahwärmeleitung zur Verfügung gestellt.

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