CFD-Strömungssimulationen für ein Kraftwerkstrafo der EnBW

Ermittlung lokaler Windgeschwindigkeiten und Bewertung einer Nebellöschanlage

Einleitung

Gaskraftwerke verfügen in der Regel über freistehende Trafos, die aus Gründen des Brandschutzes mit einer Wasserlöschanlage ausgestattet sein müssen (das Foto oben zeigt das betrachtete Kraftwerk Münster in Stuttgart, Quelle: EnBW AG). Gibt es bezüglich der verfügbaren Löschwassermenge Einschränkungen, bietet sich der Einsatz einer Nebellöschanlage an, die weniger Wasser benötigt als eine reguläre Sprinkleranlage. Hierbei besteht, aufgrund des lokalen Windes, die Gefahr einer Löschnebelverschleppung, so dass ein effektives Löschen im Brandfall nicht mehr gewährleistet ist. In diesem Fall muss ein Nachweis erbracht werden, dass die Windgeschwindigkeiten in Trafonähe unter einem bestimmten Grenzwert bleiben. Falls nicht, müssen unter Umständen bauliche Maßnahmen getroffen werden, damit der Grenzwert nicht überschritten wird.

Mit Hilfe der CFD-Strömungssimulation wurde die Windströmung um das Kraftwerk inklusive des Trafos ermittelt. Auf Basis der Simulationsergebnisse und unter Verwendung von Wettermessdaten konnte bewertet werden, wie groß die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von kritischen Windgeschwindigkeiten ist.    

Abbildung 1: Berechnungsgebiet Kraftwerk und unmittelbare Umgebung

Simulationsergebnisse

Die Geometrien des Kraftwerks mit Trafo und der unmittelbar daran anschließenden Gebäude sowie die Topologie der Umgebung wurden zur Erstellung eines CFD-Berechnungsmodells verwendet (s. Abb. 1). Für dieses Modell erfolgten anschließend Berechnungen der Strömung für verschiedene Windrichtungen.

Basierend auf den Wetterdaten einer nahegelegenen DWD-Wetterstation für einen Zeitraum von 10 Jahren wurde eine statistische Häufigkeitsverteilung der Windgeschwindigkeiten für verschiedene Windrichtungen (s. Abb. 2) ermittelt. Diese Werte dienten dann als Grundlage für eine statistische Analyse der Ergebnisse der CFD-Strömungssimulationen.

Abbildung 2: Relative Häufigkeit der Windgeschwindigkeit

Die Strömungssimulation liefert abhängig von den unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten die lokalen Strömungsgeschwindigkeiten im gesamten Berechnungsgebiet, insbesondere im Nahfeld des Trafos.

Abbildung 3: Stromlinien im Bereich des Trafos

Im Vergleich mit dem für eine Nebellöschanlage maximal zulässigen Wert der lokalen Windgeschwindigkeit, wurden für jede Windrichtung die Wahrscheinlichkeiten des Überschreitens dieses Wertes ermittelt. Es konnte gezeigt werden, dass die Wahrscheinlichkeit für das Überschreiten des kritischen Wertes für alle Windrichtungen bis auf NW und SO praktisch gleich Null ist. Auch für diese beiden Windrichtungen liegt die Wahrscheinlichkeit unter einem Promille. D.h. es wurde der Nachweis erbracht, dass eine Nebellöschanlage ohne weitere bauliche Maßnahmen in Betrieb genommen werden kann.      

Zusammenfassung

Die CFD-Strömungssimulation eignet sich sehr gut, um den Einfluss des Windes auf Gebäude und technische Anlagen zu untersuchen. Hierbei können verschiedene Windrichtungen und Windgeschwindigkeiten unter Nutzung lokaler Wetterdaten berücksichtigt werden. Auch der Einfluss umliegender Gebäude und der Topologie des Geländes kann simuliert werden. In diesem Fall konnte der Nachweis erbracht werden, dass eine Nebellöschanlage genutzt werden kann.  ​​​​​​

Dieses Beispiel zeigt, dass neben den typischen Anwendungen, wie Windlast eines außenliegenden Sonnenschutzes, auch sehr spezielle Fragestellungen der Gebäudeumströmung mit der CFD-Strömungssimulation behandelt werden können.