DE102009047204B4

DE102009047204B4 - Verfahren, Regelungseinrichtung zum Betreiben eines solarthermischen Kraftwerks und Verfahren zum Anfahren eines solarthermischen Kraftwerks

Info

Publication number: DE102009047204B4
Application number: DE102009047204A
Authority: DE
Inventors: Tobias Hirsch
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2009-11-26
Filing date: 2009-11-26
Publication date: 2013-12-05
Anticipated expiration: 2029-11-27
Also published as: DE102009047204A1; DE102009047204B9

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines solarthermischen Kraftwerks, welches eine Verdampfereinrichtung mit einer Mehrzahl von Verdampfersträngen umfasst, an welcher aus einem flüssigen Wärmeträgermedium durch Solarstrahlung Dampf erzeugbar ist, bei dem bei einem Einstrahlungsrückgang die Verdampfereinrichtung in inaktive und aktive Verdampferstränge aufgeteilt wird, wobei an einem aktiven Verdampferstrang ein Mindestmassenstrom an flüssigem Arbeitsmedium aufrechterhalten wird, der die Betriebsbereitschaft der Verdampfereinrichtung erhält, und wobei an einem inaktiven Verdampferstrang ein Massenstrom Null eingestellt wird oder ein Massenstrom eingestellt wird, welcher höchstens 20% des Mindestmassenstroms ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines solarthermischen Kraftwerks, welches eine Verdampfereinrichtung mit einer Mehrzahl von Verdampfersträngen umfasst, an welcher aus einem flüssigen Wärmeträgermedium durch Solarstrahlung Dampf erzeugbar ist.
Ferner betrifft die Erfindung eine Regelungseinrichtung zum Betreiben eines solarthermischen Kraftwerks.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Anfahren eines solarthermischen Kraftwerks nach einer Nachtabschaltung, wobei das solarthermische Kraftwerk eine Verdampfereinrichtung mit einer Mehrzahl von Verdampfersträngen umfasst, an welcher aus flüssigem Wärmeträgermedium durch Solarstrahlung Dampf erzeugbar ist.
Bei einer Verdampfereinrichtung mit einem insbesondere linienfokussierenden Verdampferfeld mit Direktverdampfung im Verdampferfeld liegen im regulären Betrieb flüssiges Wärmeträgermedium und dampfförmiges Wärmeträgermedium gemeinsam in Verdampferrohren (Absorberrohren) vor. Bei Wegfall der solaren Beheizung liegt Koexistenz von flüssigem und dampfförmigem Wärmeträgermedium in zuletzt eingenommenen Zustand vor. Um lokale Überhitzung in den Verdampferrohren zu vermeiden, muss beim Wiederanfahren nach einem Einstrahlungsrückgang eine ausreichende Kühlung der Verdampferrohre durch das Wärmeträgermedium gewährleistet sein.
Aus der EP 2 053 242 A2 ist ein Verfahren zum Betreiben eines solarthermischen Kraftwerks bekannt, bei dem ein Wärmeträgermedium in einem Verdampferabschnitt durch Solarstrahlung und Aufnahme von Wärme verdampft wird, wobei der Verdampferabschnitt eine Mehrzahl von Verdampfersträngen aufweist, auf welche das Wärmeträgermedium verteilt wird. Die Massenstromverteilung wird an dem Verdampferabschnitt geregelt, wobei die Massenströme individuell an allen oder einer Mehrheit der Verdampferstränge eingestellt werden und eine Regelgröße eine Größe ist, welche einen räumlichen Energieanstieg in einem jeweiligen Verdampferstrang in einem Bereich des Verdampferstrangs, in dem Wärmeträgermedium noch nicht verdampft ist, charakterisiert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei dem ein Wiederanfahren nach einem Einstrahlungsrückgang optimierbar ist.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei einem Einstrahlungsrückgang die Verdampfereinrichtung in inaktive und aktive Verdampferstränge aufgeteilt wird, wobei an einem aktiven Verdampferstrang ein Mindestmassenstrom an flüssigem Arbeitsmedium aufrechterhalten wird, der die Betriebsbereitschaft der Verdampfereinrichtung erhält und wobei an einem inaktiven Verdampferstrang ein Massenstrom Null eingestellt wird oder ein Massenstrom eingestellt wird, welcher höchstens 20% des Mindestmassenstroms ist.
Nach einer gewissen Zeit nach dem Einstrahlungsrückgang steht nicht mehr genügend heißes flüssiges Arbeitsmedium zur Verfügung, um alle Verdampferstränge mit flüssigem Wärmeträgermedium zu beschicken. Es wäre dann grundsätzlich möglich, kaltes flüssiges Wärmeträgermedium zuzuführen oder die Zuführung von Wärmeträgermedium vollständig zu stoppen.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung erfolgt eine Aufteilung in inaktive und aktive Verdampferstränge. Bei den inaktiven Verdampfersträngen wird die Zuführung vollständig eingestellt oder zumindest stark reduziert. Bei den aktiven Verdampfersträngen wird ein Mindestmassenstrom aufrechterhalten, der für die Betriebsbereitschaft der Verdampfereinrichtung notwendig ist.
Durch die erfindungsgemäße Lösung lässt sich die Betriebsbereitschaft insbesondere bei temporären Einstrahlungsrückgängen aufrechterhalten, wobei insbesondere die Dauer der Betriebsbereitschaftsphase durch die Aufteilung in aktive und inaktive Verdampferstränge steuerbar ist.
Beim Wiederanstieg der Einstrahlung wird in den aktiven Verdampfersträngen sehr schnell viel flüssiges Wärmeträgermedium ausgetrieben. Dieses sammelt sich beispielsweise in einer Dampftrommel an. Dieses flüssige Wärmeträgermedium, welches heiß ist, kann dann benutzt werden, um einen entsprechenden Umwälzmassenstrom in den zuvor inaktiven Verdampfersträngen einzustellen und hier ebenfalls Bedingungen für ein schnelles Anfahren zu schaffen.
Durch die erfindungsgemäße Lösung ist es möglich, einen Verdampferstrang unter definierten Bedingungen anzufahren. Dies ermöglicht eine Automatisierbarkeit des Verfahrens, da eindeutig beschreibbare Schaltkriterien vorhanden sind.
Ein Auffüllen des Verdampferfelds durch kaltes flüssiges Wärmeträgermedium wird vermieden. Das Speichervolumen, welches für heißes flüssiges Wärmeträgermedium bereitgestellt werden muss, kann geringer gehalten werden im Vergleich zu dem Fall, wenn keine Aufteilung in aktive und inaktive Verdampferstränge erfolgt. Dadurch lässt sich das entsprechende solarthermische Kraftwerk kostengünstiger realisieren.
Es lassen sich Temperaturtransienten in den betroffenen Verdampfersträngen verringern. Dadurch lässt sich die Lebensdauer der entsprechenden Bauteile erhöhen.
Bei einem Wiederanfahren nach einem Wiederanstieg der Anstrahlung werden vorzugsweise zunächst die Solarkollektoren der aktiven Verdampferstränge in den Fokus gefahren, da dort die Kühlungssituation ausreichend ist. Das durch die einsetzende Verdampfung ausgetriebene heiße flüssige Wärmeträgermedium kann dazu genutzt werden, zuvor inaktive Verdampferstränge zu durchströmen. Es ist dann eine sukzessive Fokussierung von Solarkollektoren möglich. Im Endergebnis erreicht man nach Rückgang des Einstrahlungseinbruchs den regulären Betriebszustand.
Es kann vorgesehen sein, dass bei einem Einstrahlungsrückgang zunächst in einer ersten Regelstufe in den Verdampfersträngen der Verdampfereinrichtung jeweils der Mindestmassenstrom eingestellt wird und in einer nachfolgenden zweiten Regelungsstufe die Aufteilung in aktive und inaktive Verdampferstränge erfolgt. Dadurch lässt sich auf einfache Weise über die erste Regelungsstufe ein kurzzeitiger Einstrahlungsrückgang überbrücken. Wenn der Einstrahlungsrückgang länger dauert, kann die zweite Regelungsstufe mit der Inaktivierung von Verdampfersträngen einsetzen.
Bei einem Ausführungsbeispiel wird als ein Zeitpunkt der Aufteilung in aktive und inaktive Verdampferstränge eine feste Zeitspanne nach Detektion eines Einstrahlungsrückgangs gewählt. Während dieser Zeitspanne wird beispielsweise das Regelungsverfahren gemäß der ersten Regelungsstufe durchgeführt.
Es ist beispielsweise auch möglich, dass als ein Zeitpunkt der Aufteilung in aktive und inaktive Verdampferstränge ein Erreichen eines Mindeststands an flüssigem Wärmeträgermedium in einer Dampftrommel, in welche die Verdampferstränge führen, und/oder in einem Reservoir für flüssiges Wärmeträgermedium gewählt wird. Wenn beispielsweise ein bestimmter Schwellenwert unterschritten wird, dann setzt die Aufteilung in aktive und inaktive Verdampferstränge ein.
Es ist beispielsweise auch möglich, dass als ein Zeitpunkt der Aufteilung in aktive und inaktive Verdampferstränge ein Erreichen eines bestimmten Zustands in einem Verdampferstrang oder mehreren Verdampfersträngen gewählt wird.
Insbesondere werden dann an Verdampfersträngen Zustandsmessungen durchgeführt. Beispielsweise wird die Temperatur und/oder die Einstrahlung an einem Verdampferstrang gemessen. Diese gemessenen Größen werden an eine Regelungseinrichtung weitergegeben, welche für die Aktivierung beziehungsweise Deaktivierung von Verdampfersträngen sorgt.
Insbesondere erfolgt die Einstellung des Mindestmassenstroms über Einkopplung von heißem flüssigen Wärmeträgermedium an einem Eintritt eines Verdampferstrangs. Dadurch lässt sich zumindest über einen gewissen Zeitraum an aktiven Verdampfersträngen der Mindestmassenstrom aufrechterhalten, ohne dass das Verdampferfeld mit kaltem flüssigem Wärmeträgermedium gefüllt werden muss.
Es ist vorgesehen, dass an Eintritten der Verdampferstränge steuerbare Ventile und/oder Regelventile angeordnet sind. Über ein steuerbares Ventil lässt sich der entsprechende Verdampferstrang aktivieren (Ventil offen) oder inaktiv machen (Ventil geschlossen). Über ein Regelventil lässt sich der Massenstrom einstellen. Dadurch ist es beispielsweise möglich, den Mindestmassenstrom einzustellen. Es ist beispielsweise auch möglich, einen allmählichen Übergang bis zu dem Mindestmassenstrom durch entsprechende Ventilansteuerung zu erhalten.
Es kann vorgesehen sein, dass flüssiges Wärmeträgermedium zur Einstellung des Mindestmassenstroms aus einer Dampftrommel entnommen wird, in welcher die Verdampferstränge führen, und/oder aus einem Reservoir für flüssiges Wärmeträgermedium entnommen wird. Wenn sowieso eine Dampftrommel zur Abscheidung von Flüssigkeitendampf vorhanden ist, lässt sich diese als Speicher für Wärmeträgermedium nutzen. Alternativ oder zusätzlich kann als Speicher für flüssiges Wärmeträgermedium ein Reservoir vorgesehen sein.
Es ist dann günstig, wenn das Reservoir mit der Dampftrommel verbunden oder gesteuert verbindbar ist. Dadurch lässt sich zusätzliches flüssiges Wärmeträgermedium aus dem Reservoir in die Dampftrommel einkoppeln. Ferner lässt sich im Normalbetrieb heißes flüssiges Wärmeträgermedium aus der Dampftrommel auskoppeln, um das Reservoir zu beschicken.
Insbesondere wird in dem Reservoir heißes flüssiges Wärmeträgermedium unter Druck gespeichert. Dadurch lässt sich über flüssiges Wärmeträgermedium aus dem Reservoir ein Mindestmassenstrom einstellen. Flüssiges Wärmeträgermedium aus dem Reservoir (beziehungsweise der Dampftrommel) kann auch nach dem Wiederanfahren verwendet werden, um zuvor inaktive Verdampferstränge zu beschicken.
Es kann vorgesehen sein, dass die Aufteilung aktiver und inaktiver Verdampferstränge bezüglich der Auswahl und/oder der Anzahl der Verdampferstränge variabel ist. Dadurch kann eine optimierte Anpassung an die herrschenden Bedingungen erfolgen.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die Aufteilung in aktive und inaktive Verdampferstränge über Zwischenzustände erfolgt. Beispielsweise erfolgt kein plötzliches Deaktivieren eines Verdampferstrangs sondern ein langsames Abfahren über ein Regelventil.
Günstigerweise ist eine Regelungseinrichtung vorgesehen, welche Ventile an jeweiligen Eintritten der Verdampferstränge ansteuert. Durch die Regelungseinrichtung lässt sich die Aufteilung in aktive und inaktive Verdampferstränge in Abhängigkeit der tatsächlich herrschenden Bedingungen regeln. Ferner lässt sich, falls vorgesehen, die Einstellung eines Mindestmassenstroms in den Verdampfersträngen in einer ersten Regelungsstufe und in einer zweiten Regelungsstufe die Aufteilung in Abhängigkeit von den herrschenden Bedingungen durchführen.
Insbesondere ist eine Eingangsgröße für die Regelungseinrichtung eine Masse an flüssigem Wärmeträgermedium in einen Speicher für (heißes) flüssiges Wärmeträgermedium, und die Aufteilung in aktive und inaktive Verdampferstränge erfolgten in Abhängigkeit von der ermittelten Masse, und dem vorgegebenen Mindestmassenstrom und der Zeitdauer, in welcher der Mindestmassenstrom aufrechterhalten werden kann oder soll. Die Regelungseinrichtung steuert dann ein oder mehrere Ventile an, um an aktiven Verdampfersträngen den Mindestmassenstrom einzustellen und inaktive Verdampferstränge entsprechend zu deaktivieren. Die Auswahl der aktiven und inaktiven Verdampferstränge erfolgt über die Regelungseinrichtung. Insbesondere ist durch die Regelungseinrichtung ein automatisiertes Verfahren durchführbar.
Grundsätzlich günstig ist es, wenn an der Verdampfereinrichtung eine Direktverdampfung erfolgt. Wenn Verdampferrohre ein großes Volumen aufweisen, das nicht in erster Linie durch Anforderungen der Wärmeübertragung festgelegt ist, dann lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren effektiv durchführen, da die flächenspezifische Wärmeeinkopplung in die Verdampferrohre relativ gering ist.
Insbesondere wird das erfindungsgemäße Verfahren bei Einstrahlungsrückgang tagsüber durchgeführt. Für eine Nachtabschaltung ist es akzeptabel, wenn die Verdampferstränge mit kaltem flüssigen Wärmeträgermedium befüllt werden. Eine Befüllung ist erforderlich, da durch Kondensation in den Verdampferrohren der Druck sinkt und eine Vakuumsituation durch Einbringen von Masse verhindert wird.
Nach dem Wiederanstieg der Einstrahlung stellen aktive Verdampferstränge heißes flüssiges Wärmeträgermedium für zuvor inaktive Verdampferstränge bereit. Nach dem Anfahren wird, wenn Solarkollektoren in aktiven Verdampfersträngen fokussiert sind oder werden, wieder Dampf erzeugt. Flüssiges Wärmeträgermedium, welches heiß ist, wird ausgetrieben. Es kann dann beispielsweise nach Durchlaufen einer Dampftrommel den zuvor inaktiven Verdampfersträngen bereitgestellt werden. Diese werden entsprechend ”aktiviert”, so dass eine Zuführung mit dem Mindestmassenstrom oder einem größeren Massenstrom als dem Mindestmassenstrom erfolgt.
Insbesondere wird aus flüssigem Wärmeträgermedium erzeugter Dampf in einer Überhitzereinrichtung überhitzt und der überhitzte Dampf wird einer Turbine zugeführt. Die Turbine treibt insbesondere einen Stromgenerator an.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass eine Regelungseinrichtung zur Durchführung und insbesondere automatischen Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet wird.
Erfindungsgemäß wird eine Regelungseinrichtung zum Betreiben eines solarthermischen Kraftwerks bereitgestellt, welches eine Ansteuerungseinrichtung für Ventile an einem Eintritt von jeweiligen Verdampfersträngen umfasst, wobei die Ansteuerungseinrichtung Ventile nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ansteuert.
Insbesondere werden nach einem Einstrahlungsrückgang Verdampferstränge aktiviert und deaktiviert.
Günstig ist es, wenn die Regelungseinrichtung eine Messschnittstelle zur Einkopplung von Messwerten aufweist. Dadurch kann beispielsweise der Füllstand in einem Speicher für heißes flüssiges Wärmeträgermedium permanent überwacht werden. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, Zustandsgrößen an mehreren Verdampfersträngen wie beispielsweise Temperatur und/oder Einstrahlung zu überwachen.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Anfahren eines solarthermischen Kraftwerks nach einer Nachtabschaltung der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei dem eine optimierte Dampferzeugung bei der Inbetriebnahme und nach der Inbetriebnahme gewährleistet ist.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass beim Anfahren zunächst Solarkollektoren an aktiven Verdampfersträngen fokussiert werden, wobei an aktiven Verdampfersträngen ein Mindestmassenstrom und eine Mindestbefüllung an flüssigem Wärmeträgermedium eingestellt ist oder wird und an inaktiven Verdampfersträngen ein Massenstrom Null oder ein Massenstrom, welcher höchstens 20% des Mindestmassenstroms beträgt, eingestellt ist oder wird, und anschließend den zuvor inaktiven Verdampfersträngen aus einer Dampftrommel und/oder einem Reservoir Wärmeträgermedium zugeführt wird, wobei der Zeitpunkt der Zuführung dadurch bestimmt ist, dass in der Dampftrommel und/oder dem Reservoir ausreichend flüssiges Wärmeträgermedium vorhanden ist.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Anfahren nach der Nachtabschaltung erfolgt zunächst eine Aufteilung in aktive Verdampferstränge und inaktive Verdampferstränge. An aktiven Verdampfersträngen wird ein für die Fokussierung von Solarkollektoren notwendiger Mindestmassenstrom und eine Mindestbefüllung eingestellt beziehungsweise ist bereits eingestellt. Es können dann Solarkollektoren fokussiert werden. Der Mindestmassenstrom und die Mindestbefüllung hängen dabei von den Gegebenheiten ab. Wenn beispielsweise bei einer Mehrzahl von Solarkollektoren diese sukzessive fokussiert werden, kann die Mindestbefüllung geringer sein, als wenn alle Solarkollektoren eines aktiven Verdampferstrangs gemeinsam fokussiert werden.
Bei den inaktiven Verdampfersträngen wird ein Massenstrom Null oder ein Massenstrom, welcher höchstens 20% (und insbesondere höchstens 10%) des Mindestmassenstroms beträgt, eingestellt beziehungsweise ist eingestellt. Solarkollektoren an inaktiven Verdampfersträngen sind nicht fokussiert. Es wird so lange gewartet, bis aus einer Dampftrommel und/oder einem Reservoir ausreichend warmes flüssiges Wärmeträgermedium vorhanden ist, um den Mindestmassenstrom an zuvor inaktiven Verdampfersträngen einzustellen und einen Mindestbefüllungsgrad zu erreichen, um eine Fokussierung von Solarkollektoren zu ermöglichen.
Es wird dabei insbesondere durch Betrieb der aktiven Verdampferstränge warmes beziehungsweise heißes flüssiges Wärmeträgermedium erzeugt, welches in der Dampftrommel und/oder im Reservoir gesammelt wird. Es wird dann überprüft, wie groß der Befüllungsgrad der Dampftrommel und/oder des Reservoirs ist. Wenn dieser genügend groß ist, kann inaktiven Verdampfersträngen flüssiges Wärmeträgermedium zur Einstellung des Mindestmassenstroms (oder eines größeren Massenstroms) und der Mindestbefüllung zugeführt werden. Dies wiederum ermöglicht eine Fokussierung.
Der Mindestmassenstrom zum Anfahren eines solarthermischen Kraftwerks muss nicht unbedingt der gleiche Mindestmassenstrom zur Aufrechterhaltung der Betriebsbereitschaft bei temporären Einstrahlungsrückgängen sein.
Weiterhin muss die Aufteilung in aktive und inaktive Verdampferstränge bezüglich der Anzahl der Verdampferstränge nicht unbedingt gleich sein wie die Aufteilung zur Aufrechterhaltung der Betriebsbereitschaft bei temporären Einstrahlungsrückgängen.
Weiterhin kann die Aktivierung von zuvor inaktiven Verdampfersträngen durch Zuführung von flüssigem Wärmeträgermedium aus der Dampftrommel und/oder dem Reservoir sukzessive erfolgen, oder Gruppen von zuvor inaktiven Verdampfersträngen wird flüssiges Wärmeträgermedium zugeführt, oder allen zuvor inaktiven Verdampfersträngen wird gleichzeitig flüssiges Wärmeträgermedium zugeführt.
Günstig ist es, wenn aus der Dampftrommel und/oder dem Reservoir zu zuvor inaktiven Verdampfersträngen warmes oder heißes Wärmeträgermedium zugeführt wird. Durch die aktiven Verdampferstränge wird solches warmes oder heißes Wärmeträgermedium bereitgestellt. Die Aufteilung in aktive und inaktive Verdampferstränge garantiert, dass eine ausreichende Menge an warmem oder flüssigem Wärmeträgermedium zur Aktivierung von zuvor inaktiven Verdampfersträngen und damit zum Hochfahren aller Verdampferstränge bereitsteht.
Es ist günstig, wenn zum Einstellen des Mindestmassenstroms und der Mindestbefüllung aktiven Verdampfersträngen mindestens teilweise warmes oder heißes Wärmeträgermedium aus der Dampftrommel und/oder dem Reservoir zugeführt wird. Dieses warme oder heiße Wärmeträgermedium ist insbesondere in der Dampftrommel beziehungsweise dem Reservoir durch den Betrieb des solarthermischen Kraftwerks am Tag zuvor gespeichert. Grundsätzlich ist es möglich, dass aktive Verdampferstränge zunächst mit kaltem flüssigem Wärmeträgermedium betrieben werden (wenn nicht ausreichend warmes oder heißes Wärmeträgermedium zur Verfügung steht). Wenn gespeichertes warmes oder heißes flüssiges Wärmeträgermedium in der Dampftrommel beziehungsweise dem Reservoir zur Verfügung steht, dann lässt sich ein schnelleres Anfahren unter Ausnutzung der gespeicherten thermischen Energie realisieren. Dies ermöglicht dann auch ein schnelleres Aktivieren von zuvor inaktiven Verdampfersträngen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Anfahren eines solarthermischen Kraftwerks wird insbesondere mittels einer Regelungseinrichtung durchgeführt. De Regelungseinrichtung erhält insbesondere Messwerte über den Füllstand an der Dampftrommel und/oder dem Reservoir. Es kann dann der Zeitpunkt gewählt werden, um zuvor inaktive Verdampferstränge zu aktivieren.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
1 Eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines solarthermischen Kraftwerks;
2 eine schematische Darstellung von unterschiedlichen Zuständen einer Verdampfereinrichtung des solarthermischen Kraftwerks gemäß 1 beispielhaft erläutert an zwei unterschiedlichen Verdampfersträngen;
3 eine schematische Darstellung der zeitlichen Entwicklung einer Puffermasse von flüssigem Wärmeträgermedium in einem Speicher, wenn eine unterschiedliche Anzahl von Verdampfersträngen aktiv ist.
Ein Ausführungsbeispiel eines solarthermischen Kraftwerks, welches in 1 schematisch gezeigt und dort mit 10 bezeichnet ist, umfasst eine Verdampfereinrichtung 12 und eine Überhitzereinrichtung 14. Die Verdampfereinrichtung 12 ist durch ein Verdampferfeld 16 mit einer Mehrzahl von Verdampfersträngen 18 realisiert.
An den jeweiligen Verdampfersträngen 18 sind Solarkollektoren 20 wie Parabel-Rinnenkollektoren oder Fresnel-Kollektoren angeordnet. Die Verdampferstränge 18 umfassen jeweilige Verdampferrohre 22. Durch ein jeweiliges Verdampferrohr 22 wird flüssiges Wärmeträgermedium insbesondere Wasser geführt, welches aufgrund solarer Erhitzung verdampft wird.
Die Verdampferstränge 18 sind bezüglich der Führung am Wärmeträgermedium parallel angeordnet (sie müssen nicht unbedingt geometrisch parallel angeordnet sein). Von einer Verteilleitung 24 (für heißes flüssiges Wärmeträgermedium) zweigen die jeweiligen Verdampferstränge 18, welche Teilfelder des Verdampferfelds 16 sind, ab. Entsprechende Abzweigungsstellen 26 für die jeweiligen Verdampferstränge 18 sind beispielsweise seriell an der Verteilleitung 24 angeordnet.
An einem Eintritt 28 der jeweiligen Verdampferstränge 18 ist jeweils ein Ventil 30 angeordnet. Das jeweilige Ventil 30 ist über eine Regelungseinrichtung 32 ansteuerbar. Die Ventile 30 können dabei als Schaltventile ausgebildet sein, welche die Zustände ”offen” und ”geschlossen” aufweisen. Es ist auch möglich, dass die Ventile 30 als Regelventile ausgebildet sind, über welche sich ein Massenstrom durch den jeweiligen Verdampferstrang 18 einstellen lässt.
Die parallelen Verdampferstränge 18 führen in eine Sammelleitung 34. In dieser wird Wärmeträgermedium, welches die Verdampfereinrichtung 12 durchlaufen hat, gesammelt. Die Sammelleitung 34 wiederum mündet in eine Dampftrommel 36, in der flüssiges Wärmeträgermedium von dampfförmigem Wärmeträgermedium trennbar ist.
Die Dampftrommel 36 weist einen ersten Ausgang 38 auf, von dem eine Leitung 40 zu der Verteilleitung 24 führt.
An der Leitung 40 ist eine Pumpe 42 zur Förderung von flüssigem Wärmeträgermedium zu der Verteilleitung 24 angeordnet. Ferner ist an der Leitung 40 ein Regelventil 44 angeordnet, welches durch die Regelungseinrichtung 32 angesteuert ist.
Durch das Regelventil 44 lässt sich der Massenstrom auf der Verteilleitung 24 und damit auch an den Verdampfersträngen 18 einstellen (wenn die Ventile 30 offen sind).
Zur Ansteuerung der Ventile 30, 44 weist die Regelungseinrichtung eine Ansteuerungseinrichtung 46 auf.
Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst das solarthermische Kraftwerk 10 ein Reservoir 48, in dem flüssiges Wärmeträgermedium speicherbar ist. In dem Reservoir 48 lässt sich dabei heißes, unter Druck stehendes flüssiges Wärmeträgermedium speichern.
Das Reservoir 48 ist dabei mit der Dampftrommel 36 verbunden oder über ein Schaltventil 50 verbindbar. Dieses Schaltventil 50 ist wiederum durch die Regelungseinrichtung 32 angesteuert.
Heißes flüssiges Wärmeträgermedium lässt sich aus der Dampftrommel 36 entnehmen und in dem Reservoir 48 (Druckspeicher) speichern. Ferner lässt sich bei Bedarf (siehe unten) flüssiges Wärmeträgermedium aus dem Reservoir 48 in die Dampftrommel 36 einkoppeln.
Das Schaltventil 50 ist über eine Leitung 52 mit der Dampftrommel 36 verbunden. Zur Beförderung von flüssigem Wärmeträgermedium zwischen der Dampftrommel 36 und dem Reservoir 48 beziehungsweise zwischen dem Reservoir 48 und der Dampftrommel 36 können an der Leitung 52 eine oder mehrere Pumpen 54 angeordnet sein. (In 1 ist eine Pumpe zur Beförderung von flüssigem Wärmeträgermedium aus dem Reservoir 48 in die Dampftrommel 36 gezeigt; die Pumpe 54 ist in ihrer Beförderungsrichtung umschaltbar oder es ist eine weitere Pumpe zur entgegengesetzten Beförderungsrichtung vorgesehen. Es kann auch in einer Richtung eine Förderung pumpenfrei aufgrund Schwerkraft stattfinden.)
Die Überhitzereinrichtung 14 umfasst eine Mehrzahl von Überhitzersträngen 56, welche bezüglich der Wärmeträgermediumsführung parallel angeordnet sind. Die Überhitzerstränge sind an eine Verteilleitung 58 angeschlossen. Die Verteilleitung 58 entspringt von der Dampftrommel 36. Über die Verteilleitung 58 lässt sich dampfförmiges Wärmeträgermedium aus der Dampftrommel 36 entnehmen und der Überhitzereinrichtung 14 zuführen und dabei auf die Überhitzerstränge 56 aufteilen.
An jeweiligen Eintritten 60 der Überhitzerstränge sind Ventile 62 angeordnet.
An den Überhitzersträngen 56 wiederum sind Solarkollektoren 64 wie Parabolrinnenkollektoren oder Fresnel-Kollektoren angeordnet.
Die Überhitzerstränge 56 mit entsprechenden Überhitzerrohren 66 münden in eine Sammelleitung 68. Die Sammelleitung 68 führt zu einer Dampfturbine 70, an welcher das dampfförmige Wärmeträgermedium entspannen kann. Es lässt sich dadurch thermische Energie in mechanische Energie wandeln. Über Wandlung der mechanischen Energie an einem Stromgenerator lässt sich wiederum elektrische Energie erzeugen.
Eine Rückführungsleitung 72 führt von der Turbine 70 zu der Leitung 40 und mündet in diese. An der Rückführungsleitung 72 ist dabei eine Pumpe 74 sowie ein Ventil 76 angeordnet.
Die Überhitzereinrichtung 14 kann eine Einspritzeinrichtung 78 aufweisen, durch welches flüssiges Wärmeträgermedium in einen oder mehrere Überhitzerstränge 56 einspritzbar ist. Die Einspritzeinrichtung 78 umfasst eine Leitung 80, welche an die Leitung 40 gekoppelt ist. Es lässt sich dadurch heißes flüssiges Wärmeträgermedium, welches von der Dampftrommel 36 bereitgestellt ist, entnehmen.
Den jeweiligen Überhitzersträngen 56 zugeordnet sitzen an der Leitung 80 Ventile und insbesondere jeweilige Regelventile 82, durch welche die Menge an flüssigem Wärmeträgermedium, welches in einen jeweiligen Überhitzerstrang 56 eingespritzt werden soll, regelbar ist.
An der Verdampfereinrichtung 12 erfolgt eine Direktverdampfung von flüssigem Wärmeträgermedium. Es entsteht dabei dampfförmiges Wärmeträgermedium. In der Sammelleitung 34 wird ein Gemisch aus flüssigem Wärmeträgermedium und dampfförmigem Wärmeträgermedium der Dampftrommel 36 zugeführt. An dieser folgt eine Trennung, wobei flüssiges Wärmeträgermedium über die Leitung 40 zurückgeführt wird. Dampfförmiges Wärmeträgermedium wird der Überhitzereinrichtung 14, welche durch ein Überhitzerfeld. realisiert ist, zugeführt zur solarthermischen Überhitzung.
Beim Betrieb der Verdampfereinrichtung 12 ist die Flüssigkeitsmenge in der Verdampfereinrichtung 12 deutlich geringer als im Ruhezustand; im Ruhezustand sind die Verdampferrohre 22 im Grenzfall vollständig mit flüssigem Wärmeträgermedium gefüllt. Beim Anfahren der Verdampfereinrichtung 12 wird aufgrund der Solareinstrahlung in den Verdampferrohren 22 flüssiges Wärmeträgermedium durch dampfförmiges Wärmeträgermedium ersetzt. Dies führt zu einer starken Massenabnahme im Verdampferfeld 16.
Beim abendlichen Herunterfahren des solarthermischen Kraftwerks 10 ist es möglich, die Verdampferrohre 22 nach und nach mit flüssigem Wärmeträgermedium zu füllen. Eine Befüllung ist sinnvoll, da durch Kondensation in den Verdampferrohren 22 der Druck sinkt. Durch Befullung lässt sich eine Vakuumsituation durch das Einbringen von Masse verhindern.
Tagsüber kann es insbesondere durch Wolkenvorbeizug zu einem Einstrahlungsrückgang kommen. Um das solarthermische Kraftwerk 10 mit der Verdampfereinrichtung 12 während eines Einstrahlungseinbruchs, welcher als temporär erwartet wird, in Betriebsbereitschaft zu halten, und bei Wiederanstieg der solaren Einstrahlung schnell mit der Dampfproduktion fortsetzen zu können, ist es vorgesehen, in den Verdampfersträngen 18 einen Mindestmassenstrom aufrecht zu erhalten, der für einen ausreichenden Wärmeübergang zwischen Rohrwand und dem Fluid (Wärmeträgermedium) sorgt. Dazu wird bei einem Einstrahlungsrückgang in einer ersten Regelungsstufe an den Verdampfersträngen 18 ein Mindestmassenstrom eingestellt.
Dies erfolgt durch Einbringung eines entsprechenden Massenstroms an flüssigem Wärmeträgermedium aus der Dampftrommel 36 an den entsprechenden Eintritten 28. Die Solarkollektoren 20 können zumindest teilweise fokussiert bleiben, um beim Anstieg der Einstrahlung sofort mit der Produktion von dampfförmigem Wärmeträgermedium beginnen zu können. Wenn die Verdampfung einsetzt, dann kann die Strömung entlang des restlichen Verdampferstrangs 18 erfüllt werden und die dortigen Solarkollektoren 20, welche noch nicht fokussiert sind, können sukzessive fokussiert werden.
Wenn allerdings die Verdampfereinrichtung 12 aufgrund eines Einstrahlungseinbruchs stillsteht, steht an einem Austritt der Verdampferstränge 18 nur ein geringer Massenstrom zur Aufrechterhaltung der Mindestbedingungen am Eintritt 28 zur Verfügung. Die Dampftrommel 36, welche entsprechend ausgestaltet ist, stellt ein entsprechendes Puffervolumen bereit, um auch in dieser Zeit heißes flüssiges Wärmeträgermedium zur Verfügung zu haben, welches in die Verdampferstränge 18 eingebracht werden kann.
Das Reservoir 48 kann zusätzlich zur Einbringung von heißem flüssigem Wärmeträgermedium sorgen. Allerdings ist aufgrund einer Begrenzung des Volumens der Dampftrommel 36 und gegebenenfalls des Reservoirs 48 die für diese erste Regelungsstufe überbrückbare Zeitspanne begrenzt. Eine typische Größenordnung liegt im Bereich zwischen zwei Minuten bis fünf Minuten.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist es vorgesehen, dass in einer zweiten Regelungsstufe, beim Einbruch der Einstrahlung, nicht alle Verdampferstränge 18 gleichmäßig mit dem Mindestmassenstrom beaufschlagt werden, sondern dass die Regelungseinrichtung 32 die Verdampferstränge 18 in aktive und inaktive Verdampferstränge aufteilt. In einem aktiven Verdampferstrang wird ein vorgegebener Mindestmassenstrom aufrechterhalten. In einem inaktiven Verdampferstrang wird ein Massenstrom Null eingestellt oder zumindest wird höchstens ein Massenstrom aufrechterhalten, welcher sehr viel kleiner als der Mindestmassenstrom ist und insbesondere höchstens 20% und vorzugsweise höchstens 10% des Mindestmassenstroms beträgt.
Wenn durch Schließen der Ventile 30 an inaktiven Verdampfersträngen ein Mindestmassenstrom Null eingestellt wird, dann bedeutet dies, dass ein solcher inaktiver Verdampferstrang nicht mit flüssigem Wärmeträgermedium beschickt wird. Dies führt dazu, dass das in der Dampftrommel 36 und gegebenenfalls in dem Reservoir 48, welche Speicher für heißes, unter Druck stehendes flüssiges Wärmeträgermedium bilden, länger ausreicht.
Es ist dabei möglich, dass von der ersten Regelungsstufe direkt nach einer gewissen Zeit auf die zweite Regelungsstufe übergegangen wird. Es ist grundsätzlich auch möglich, dass nur eine einzige Regelungsstufe entsprechend der zweiten Regelungsstufe vorgesehen ist, das heißt, dass eine vorherige gleichmäßige Einstellung von Mindestmassenströmen an den Verdampfersträngen 18 nicht durchgeführt wird.
In den aktiven Verdampfersträngen 18 kann ein Teil der Solarkollektoren 20 fokussiert bleiben. Dadurch ist ein schnelles Anfahren nach Beendigung des Einstrahlungsrückgangs gewährleistet. Bei Anfahren von solchen Verdampfersträngen wird das überschüssige flüssige Wärmeträgermedium wieder ausgetrieben und steht für die Beschickung der zuvor inaktiven Verdampferstränge 18 zur Verfügung. Da der Gehalt an flüssigem Wärmeträgermedium in den zuvor inaktiven Verdampfersträngen nicht zu hoch ist, kann hier ein paralleles (zeitlich gleichzeitiges) und schnelles Anfahren realisiert werden.
Es ist dabei grundsätzlich möglich, dass die Beschickung der aktiven Verdampferstränge 18 während eines Einstrahlungsrückgangs so lange aufrechterhalten wird, bis entsprechende Verdampferstränge vollständig mit flüssigem Wärmeträgermedium gefüllt sind.
Der Mindestmassenstrom wird insbesondere so gewählt, dass für einen ausreichenden Wärmeübergang zwischen Wänden der entsprechenden Verdampferrohre 22 und dem Wärmeträgermedium Fluid gesorgt ist.
Die Regelungseinrichtung umfasst eine Messschnittstelle 84. Über die Messschnittstelle 84 ist die Regelungseinrichtung 32 signalwirksam mit einem Füllstandsmesser 86 der Dampftrommel 36 verbunden. Gegebenenfalls ist auch eine entsprechende signalwirksame Verbindung mit einem Füllstandsmesser für das Reservoir 48 vorgesehen. Durch den Füllstandsmesser 86 wird das Puffervolumen für flüssiges Wärmeträgermedium und dadurch die Puffermasse am flüssigen Wärmeträgermedium in der Dampftrommel 36 und gegebenenfalls dem Reservoir 48 ermittelt. Der Füllstand in dem Speicher für flüssiges Wärmeträgermedium (welches heiß ist und unter Druck steht) welcher durch die Dampftrommel 36 und das Reservoir 48 gebildet ist, wird permanent überwacht.
Die Ventile 30 werden zur Aktivierung/Inaktivierung von Verdampfersträngen 18 entsprechend angesteuert. Der Mindestmassenstrom wird beispielsweise über das Regelventil 44 eingestellt.
Die Anzahl n der zu inaktivierenden Verdampferstränge 18 ergibt sich beispielsweise aus der Gleichung: M = ΔT·n·Ṁ_min
M ist dabei die gesamte Masse an flüssigem Wärmeträgermedium, welche in dem Speicher zur Verfügung steht. Ṁ_min ist der vorgegebene Mindestmassenstrom für die aktiven Verdampferstränge 18. ΔT ist die Zeit, in welcher der Mindestmassenstrom Ṁ_min aufrechterhalten werden soll.
In 3 ist schematisch ein Diagramm gezeigt, in welchem die Abhängigkeit der zur Verfügung stehenden Puffermasse von der Zeit gezeigt ist, wenn eine unterschiedliche Anzahl n von Verdampfersträngen 18 aktiv sind. Mit dem Bezugszeichen 88 ist ein Verlauf angedeutet, bei welchem alle Verdampferstränge aktiv sind. Mit dem Bezugszeichen 90 ist ein Verlauf angezeigt, bei welchem 50% der Verdampferstränge 18 aktiv sind. Mit dem Bezugszeichen 92 ist ein Verlauf angedeutet, bei dem 30% aller Verdampferstränge 18 aktiv sind. Man erkennt, dass im Fall des Verlaufs 92 der Mindestmassenstrom in den aktiven Verdampfersträngen (30% aller Verdampferstränge) länger aufrechterhalten werden kann. Es muss dazu kein größeres Puffervolumen vorgesehen werden, sondern die ”Verlängerung” im Vergleich zu den Verläufen 99 und 88 wird dadurch erreicht, dass eine größere Anzahl von Verdampfersträngen 18 inaktiv gemacht werden.
Es gibt unterschiedliche Möglichkeiten, wann durch die Regelungseinrichtung 32 nach Detektion eines Einstrahlungsrückgangs die Aufteilung in aktive und inaktive Verdampferstränge 18 durchgeführt werden kann. Bei einem Ausführungsbeispiel wird die Aufteilung nach einer festen Zeitspanne Δt (in 1 durch das Bezugszeichen 96 angedeutet) durchgeführt. Beispielsweise wird in der Zeitspanne Δt ein Verfahren gemäß der ersten Regelungsstufe durchgeführt, das heißt, es wird in allen Verdampfersträngen 18 ein gleichmäßiger Mindestmassenstrom eingestellt.
Es ist beispielsweise auch möglich, dass als Zeitpunkt der Aufteilung in aktive und inaktive Verdampferstränge durch Erreichen eines Mindestfüllstands in dem Speicher für flüssiges Wärmeträgermedium und insbesondere in der Dampftrommel 36 gewählt wird, beispielsweise ist dann das Reservoir 48 mit der Dampftrommel 36 verbunden oder es wird eine eigene Füllstandsüberwachung an dem Reservoir 48 durchgeführt.
Es ist beispielsweise auch möglich, dass an Verdampferrohren 22 von allen oder ausgewählten Verdampfersträngen 18 über entsprechende Messeinrichtungen 98 Zustandsgrößen gemessen werden, wobei beim Erreichen eines bestimmten Zustands die Aufteilung in aktive und inaktive Verdampferstränge 18 ausgelöst wird.
Ein Messeinrichtung 98 führt beispielsweise eine Temperaturmessung für Wärmeträgermedium an einem Verdampferrohr 22 durch. Es ist beispielsweise auch möglich, dass die Messeinrichtung 98 alternativ oder zusätzlich die Einstrahlungsbedingungen an einem entsprechenden Verdampferstrang 18 misst.
Es ist grundsätzlich so, dass die Aufteilung in aktive und inaktive Verdampferstränge 18 variabel ist. Es ist auch möglich, dass immer bestimmte Verdampferstränge bei der Aufteilung in aktive und inaktive Verdampferstränge als aktiv beziehungsweise inaktiv geschaltet werden. Dadurch ist es beispielsweise möglich, an einigen Verdampfersträngen 18 (nicht unbedingt allen) Messeinrichtungen 98 fest anzuordnen. Solche Messeinrichtungen erlauben unter Umständen ein schnelleres Anfahren durch bessere Überwachung des Zustands der Verdampfereinrichtung 12. Insbesondere sind solche Messeinrichtungen 98 an Verdampfersträngen 18 angeordnet, welche üblicherweise bei der Aufteilung als aktiv geschaltet werden.
Es ist möglich, dass die Aufteilung in aktive und inaktive Verdampferstränge in einem Schritt über Schließen beziehungsweise Öffnen von Ventilen 30 erfolgt, oder dass Zwischenschritte vorgesehen sind, bei denen nicht sofort ein Schließen der zu inaktivierenden Verdampferstränge 18 erfolgt.
Nach Verschwinden eines Einstrahlungsrückgangs wird die Aufteilung in aktive und inaktive Verdampferstränge 18 aufgehoben. Dies kann in einem Schritt (über Öffnen der geschlossenen Ventile 30) oder über mehrere Zwischenschritte erfolgen. Die Aufhebung wird so durchgeführt, dass heißes flüssiges Arbeitsmedium aus dem Reservoir 48 für die Beaufschlagung der Verdampferstränge 18 verwendet wird.
Wenn Verdampferstränge inaktiv gemacht werden, dann werden in solchen Verdampfersträngen 18 Temperaturtransienten verringert, da kein kaltes Wärmeträgermedium eingekoppelt wird. Dadurch lässt sich die Lebensdauer entsprechender Bauteile erhöhen.
Die erfindungsgemäße Lösung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die flächenspezifische Wärmeeinkopplung in Verdampferrohren 22 relativ gering ist. Die Verdampferrohre 22 weisen dann ein großes Volumen auf, das nicht in erster Linie durch Anforderung der Wärmeübertragung festgelegt ist. Dies liegt beispielsweise bei Parabolrinnensystemen mit Direktverdampfung vor; dort ist das Volumen der Verdampferrohre 22 durch optische Effekte und Druckverluste festgelegt.
Für eine Verdampfungseinrichtung 12 auf einem Solarturm kann das erfindungsgemäße Erfahren grundsätzlich ebenfalls angewendet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren wurde oben im Zusammenhang mit einem solarthermischen Kraftwerk 10 beschrieben, bei dem die Verdampfereinrichtung 12 und die Überhitzereinrichtung 14 voneinander getrennt sind. Das erfindungsgemäße Verfahren mit der Aufteilung in aktive und inaktive Verdampferstränge lässt sich auch auf Durchlaufsysteme anwenden, bei denen ein kontinuierlicher Übergang zwischen einer Verdampfungszone und Überhitzungszone stattfindet. Es ist hier ein Reservoir für heißes flüssiges Wärmeträgermedium zur Bereitstellung von Wärmeträgermedium für aktive Verdampferstränge vorgesehen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich ein Verdampferstrang unter definierten Bedingungen anfahren. Ferner lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren automatisieren, da eindeutig beschreibbare Schaltkriterien für die Ventile 30 vorhanden sind.
Wie oben erwähnt, ermöglicht es das erfindungsgemäße Verfahren, dass geringere Wassermengen in einem Druckspeicher auf einer hohen Temperatur vorgehalten werden müssen. Dadurch lassen sich solche Druckspeicher kleiner ausbilden mit entsprechend geringeren Kosten.
Die aktuelle Kühlungssituation in den Verdampferrohren 22 ist durch das erfindungsgemäße Verfahren mit Aufteilung in aktive und inaktive Verdampferstränge 18 gut bekannt. Dadurch lässt sich das Fokussieren der Solarkollektoren 20 gut durchführen.
In 2 sind schematisch die Verhältnisse für zwei Verdampferstränge 100, 102 gezeigt. Ferner gezeigt ist der zugehörige Füllstand in der zugehörigen Dampftrommel 36 sowie schematisch eine Beheizungsleistung 104.
Im regulären Betrieb (3(a)) befindet sich in Verdampfersträngen 100 und 102 flüssiges Wärmeträgermedium 106 sowie dampfförmiges Wärmeträgermedium. Die Beheizungsleistung liegt sowohl bei dem Verdampferstrang 100 als auch bei dem Verdampferstrang 102 bei 100%. In der Dampftrommel 36 befindet sich eine große Menge an heißem flüssigem Wärmeträgermedium.
Wenn ein Einstrahlungseinbruch stattfindet, dann verringert sich die Beheizungsleistung (2(b)). Die Menge an flüssigem Wärmeträgermedium in den Verdampfersträngen 100, 102 erhöht sich und die Menge an flüssigem Wärmeträgermedium in der Dampftrommel 36 nimmt ab.
In der ersten Regelungsstufe wird zunächst über Umwälzung in allen Verdampfersträngen 100, 102 der Mindestmassenstrom eingestellt.
Es erfolgt dann beispielsweise nach einer bestimmten Zeitspanne oder bei Vorliegen anderer Bedingungen (siehe oben) eine Aufteilung in aktive Verdampferstränge und inaktive Verdampferstränge. Bei dem Beispiel gemäß 2(c) wird der Verdampferstrang 100 als aktiver Verdampferstrang ausgewählt und der Verdampferstrang 102 als inaktiver Verdampferstrang. Es erfolgt eine Zuführung von flüssigem Wärmeträgermedium nur noch an aktive Verdampferstränge 100. Es wird dabei der Mindestmassenstrom eingestellt, welcher ein schnelles Anfahren ermöglicht. Die Menge an flüssigem Wärmeträgermedium in der Dampftrommel 36 nimmt ab.
In einem Grenzfall, welcher in 2(d) angedeutet ist, sind aktive Verdampferstränge 100 vollständig mit flüssigem Wärmeträgermedium gefüllt.
Beim Anfahren von aktiven Kollektorsträngen 100 durch Fokussierung, wird, wie in 2(e) angedeutet, die Menge an flüssigem Wärmeträgermedium in einem solchen aktiven Verdampferstrang 100 durch Dampfbildung verringert. Die Beheizungsleistung ist groß. In einem inaktiven Verdampferstrang 102 ist die Beheizungsleistung Null oder sehr gering. Insbesondere werden Solarkollektoren 20 in einem inaktiven Verdampferstrang 102 defokussiert oder höchstens so fokussiert, dass Wärmeverluste an die Umgebung ausgeglichen sind.
In einem Endzustand, welcher in 2(f) angedeutet ist, sind alle Verdampferstränge 18 wieder angefahren und es fließt, wenn diese gleich ausgebildet sind, in allen der gleiche Massenstrom Bei der Inaktivierung eines Verdampferstrangs 102 wird der Massenstrom in einem solchen Verdampferstrang 102 eingestellt, so dass sich der Flüssigkeitsanteil dort nicht weiter ändert (2(c), (d), (e)). Die aktivierten Verdampferstränge 100 werden weiterhin mit dem Mindestmassenstrom beaufschlagt, bis der Grenzfall erreicht wird, in dem ein Verdampferstrahl 18 vollständig mit dem flüssigen Wärmeträgermedium gefüllt ist (2(d)).
Beim Wiedereinstieg der Einstrahlung werden dann zunächst die Solarkollektoren 20 in aktiven Verdampfersträngen 100 in Fokus gefahren (2(e)), da dort die Kühlungssituation ausreichend ist. Die einsetzende Verdampfung treibt wieder flüssiges Wärmeträgermedium aus, welches sich in der Dampftrommel 36 ansammelt. Das flüssige Wärmeträgermedium aus der Dampftrommel 36 kann wiederum benutzt werden, um die inaktiven Verdampferstränge 102 zu durchströmen und dort eine sukzessive Fokussierung der Solarkollektoren 20 durchzuführen. Am Ende wird der reguläre Betriebszustand wieder erreicht. Es ist dann auch möglich, gegebenenfalls das Reservoir 18 wieder beziehungsweise weiter aufzufüllen.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird insbesondere bei Einstrahlungsrückgängen tagsüber durchgeführt.
Zum Anfahren des solarthermischen Kraftwerks 10 nach einer Nachtabschaltung ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Verdampferstränge 18 zunächst in aktive und inaktive Verdampferstränge aufgeteilt werden. Beim Anfahren von aktiven Verdampfersträngen wird an diesen ein Mindestmassenstrom eingestellt und es ist oder wird eine Mindestbefüllung an flüssigem Wärmeträgermedium eingestellt.
Wenn beispielsweise ein solcher aktiver Verdampferstrang 18 nicht mit der Mindestmenge an flüssigem Wärmeträgermedium befüllt ist, dann wird flüssiges Wärmeträgermedium zugeführt. Insbesondere wird, wenn ausreichend flüssiges Wärmeträgermedium vorhanden ist, dieses aus der Dampftrommel 36 und/oder dem Reservoir 48 zugeführt. Grundsätzlich ist es auch möglich, dass kaltes flüssiges Wärmeträgermedium zum Erreichen des Mindeststroms und des Mindestbefüllungsgrads zugeführt wird.
An inaktiven Verdampfersträngen wird ein Massenstrom Null eingestellt oder ein Massenstrom eingestellt, welcher höchstens 20% und insbesondere höchstens 10% des Mindestmassenstroms ist. Dies erfolgt durch entsprechende Ansteuerung von Ventilen 30. Der Befüllungsgrad in inaktiven Verdampfersträngen 18 spielt keine Rolle.
An aktiven Verdampfersträngen 18 werden Solarkollektoren 20 fokussiert. Es findet dann eine Dampferzeugung statt. Die Mindestbefüllung ist insbesondere abhängig von der Durchführung der Fokussierung von Solarkollektoren 20. Wenn beispielsweise alle Solarkollektoren 20 eines aktiven Verdampferstrangs 18 zusammen fokussiert werden sollen, dann sollte der entsprechende Verdampferstrang 18 vollständig befüllt sein. Wenn eine sukzessive Fokussierung von Solarkollektoren 20 erfolgt, dann kann der Mindestbefüllungsgrad auch geringer sein als eine vollständige Befüllung.
Nach der Fokussierung von Solarkollektoren 20 erfolgt eine Dampferzeugung an einem aktiven Verdampferstrang 18. Es wird dadurch auch erhitztes flüssiges Wärmeträgermedium bereitgestellt, welches in der Dampftrommel 36 abgeschieden werden kann. Dieses heiße flüssige Wärmeträgermedium kann benutzt werden, um inaktive Verdampferstränge 18 zu aktivieren. Es wird inaktiven Verdampfersträngen 18 zugeführt, um dort ein Mindestmassenstrom und eine Mindestbefüllung einzustellen, um so wiederum die Fokussierung von Solarkollektoren 20 zu ermöglichen.
Die Zuführung von heißem flüssigen Wärmeträgermedium aus der Dampftrommel 36 (beziehungsweise dem Reservoir 48) erfolgt erst dann, wenn eine ausreichende Menge an heißem flüssigen Wärmeträgermedium zur Verfügung steht. Der Füllstandsmesser 86 liefert seine Messwerte der Regelungseinrichtung 32. Diese entscheidet dann, wenn eine ausreichende Menge an heißem flüssigen Wärmeträgermedium zur Verfügung steht, über die Aktivierung von zuvor inaktiven Verdampfersträngen 18 durch Öffnung entsprechender Ventile 30.
Die Aktivierung von zuvor inaktiven Verdampfersträngen 18 kann dabei so erfolgen, dass Verdampferstränge 18 sukzessive aktiviert werden, dass Gruppen von Verdampfersträngen aktiviert und insbesondere sukzessive aktiviert werden, oder dass alle zuvor inaktiven Verdampferstränge 18 gemeinsam aktiviert werden.
Diese Aktivierung erfolgt auf jeden Fall derart, dass für einen zuvor inaktiven Verdampferstrang 18 ausreichend flüssiges Wärmeträgermedium vorhanden ist, um Solarkollektoren 20 an diesem Verdampferstrang fokussieren zu können.
Die Aufteilung in aktive und inaktive Verdampferstränge 18 beim Anfahren des solarthermischen Kraftwerks 10 muss nicht unbedingt gleich sein wie die Aufteilung beim Betreiben des solarthermischen Kraftwerks während eines temporären Einstrahlungsrückgangs zur Aufrechterhaltung der Betriebsbereitschaft.
Weiterhin muss der Mindestmassenstrom zur Aufrechterhaltung der Betriebsbereitschaft nicht unbedingt gleich sein wie der Mindestmassenstrom zum Anfahren.
Bezugszeichenliste

10: Solarthermisches Kraftwerk
12: Verdampfereinrichtung
14: Überhitzereinrichtung
16: Verdampferfeld
18: Verdampferstrang
20: Solarkollektoren
22: Verdampferrohr
24: Verteilleitung
26: Abzweigungsstellen
28: Eintritt
30: Ventil
32: Regelungseinrichtung
34: Sammelleitung
36: Dampftrommel
38: Erster Ausgang
40: Leitung
42: Pumpe
44: Regelventil
46: Ansteuerungseinrichtung
48: Reservoir
50: Schaltventil
52: Leitung
54: Pumpe
56: Überhitzerstrang
58: Verteilleitung
60: Eintritt
62: Ventile
64: Solarkollektoren
66: Überhitzerrohr
68: Sammelleitung
70: Turbine
72: Rückführungsleitung
74: Pumpe
76: Ventil
78: Einspritzeinrichtung
80: Leitung
82: Ventil
84: Messschnittstelle
86: Füllstandsmesser
88: Verlauf
90: Verlauf
92: Verlauf
94: Verlauf
96: Zeitspanne
98: Messeinrichtung
100: Verdampferstrang
102: Verdampferstrang
104: Beheizungsleistung
106: Flüssiges Wärmeträgermedium

Claims

Verfahren zum Betreiben eines solarthermischen Kraftwerks, welches eine Verdampfereinrichtung mit einer Mehrzahl von Verdampfersträngen umfasst, an welcher aus einem flüssigen Wärmeträgermedium durch Solarstrahlung Dampf erzeugbar ist, bei dem bei einem Einstrahlungsrückgang die Verdampfereinrichtung in inaktive und aktive Verdampferstränge aufgeteilt wird, wobei an einem aktiven Verdampferstrang ein Mindestmassenstrom an flüssigem Arbeitsmedium aufrechterhalten wird, der die Betriebsbereitschaft der Verdampfereinrichtung erhält, und wobei an einem inaktiven Verdampferstrang ein Massenstrom Null eingestellt wird oder ein Massenstrom eingestellt wird, welcher höchstens 20% des Mindestmassenstroms ist.
Verfahren zum Betreiben eines solarthermischen Kraftwerks nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Einstrahlungsrückgang in einer ersten Regelungsstufe an den Verdampfersträngen der Verdampfereinrichtung jeweils der Mindestmassenstrom eingestellt wird und in einer nachfolgenden zweiten Regelungsstufe die Aufteilung in aktiv und inaktiv für Verdampferstränge erfolgt.
Verfahren zum Betreiben eines solarthermischen Kraftwerks nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als ein Zeitpunkt der Aufteilung in aktive und inaktive Verdampferstränge eine feste Zeitspanne nach Detektion eines Einstrahlungsrückgangs gewählt wird.
Verfahren zum Betreiben eines solarthermischen Kraftwerks nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als ein Zeitpunkt der Aufteilung in aktive und inaktive Verdampferstränge ein Erreichen eines Mindestfüllstands an flüssigem Wärmeträgermedium in einer Dampftrommel, in welche die Verdampferstränge führen, und/oder in einem Reservoir für flüssiges Wärmeträgermedium gewählt wird.
Verfahren zum Betreiben eines solarthermischen Kraftwerks nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als ein Zeitpunkt der Aufteilung in aktive und inaktive Verdampferstränge ein Erreichen eines bestimmten Zustands in einem Verdampferstrang oder mehreren Verdampfersträngen gewählt wird.
Verfahren zum Betreiben eines solarthermischen Kraftwerks nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass an Verdampfersträngen Zustandsmessungen insbesondere bezüglich Temperatur und/oder Einstrahlung durchgeführt werden.
Verfahren zum Betreiben eines solarthermischen Kraftwerks nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung des Mindestmassenstroms über Einkopplung von heißem flüssigem Wärmeträgermedium an einem Eintritt eines Verdampferstrangs erfolgt.
Verfahren zum Betreiben eines solarthermischen Kraftwerks nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an Eintritten der Verdampferstränge steuerbare Ventile und/oder Regelventile angeordnet sind.
Verfahren zum Betreiben eines solarthermischen Kraftwerks nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass flüssiges Wärmeträgermedium zur Einstellung des Mindestmassenstroms aus einer Dampftrommel entnommen wird, in welche die Verdampferstränge führen, und/oder aus einem Reservoir für flüssiges Wärmeträgermedium entnommen wird.
Verfahren zum Betreiben eines solarthermischen Kraftwerks nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Reservoir mit der Dampftrommel verbunden oder gesteuert verbindbar ist.
Verfahren zum Betreiben eines solarthermischen Kraftwerks nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Reservoir heißes flüssiges Wärmeträgermedium unter Druck gespeichert wird.
Verfahren zum Betreiben eines solarthermischen Kraftwerks nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Aufteilung in aktive und inaktive Verdampferstränge die Auswahl und/oder die Anzahl der Verdampferstränge variiert wird.
Verfahren zum Betreiben eines solarthermischen Kraftwerks nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufteilung in aktive und inaktive Verdampferstränge über Zwischenzustände erfolgt, wobei Verdampferstränge über langsames Abfahren über ein Regelventil deaktiviert werden.
Verfahren zum Betreiben eines solarthermischen Kraftwerks nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Regelungseinrichtung, welche Ventile an jeweiligen Eintritten der Verdampferstränge ansteuert.
Verfahren zum Betreiben eines solarthermischen Kraftwerks nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Eingangsgröße für die Regelungseinrichtung eine Masse an flüssigem Wärmeträgermedium in einem Speicher für flüssiges Wärmeträgermedium ist, und die Aufteilung in aktive und inaktive Verdampferstränge in Abhängigkeit von der ermittelten Masse, dem vorgegebenen Mindestmassenstrom und der Zeitdauer, in welcher der Mindestmassenstrom aufrechterhalten werden kann oder soll, erfolgt.
Verfahren zum Betreiben eines solarthermischen Kraftwerks nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Verdampfereinrichtung eine Direktverdampfung erfolgt.
Verfahren zum betreiben eines solarthermischen Kraftwerks nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den Verdampfersträngen Solarkollektoren angeordnet sind.
Verfahren zum Betreiben eines solarthermischen Kraftwerks nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Einstrahlungsrückgang aktive Verdampferstränge heißes flüssiges Wärmeträgermedium für zuvor inaktive Verdampferstränge bereitstellen.
Verfahren zum Betreiben eines solarthermischen Kraftwerks nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus flüssigem Wärmeträgermedium erzeugter Dampf in einer Überhitzereinrichtung überhitzt wird und der überhitzte Dampf einer Turbine zugeführt wird.
Verfahren zum Anfahren eines solarthermischen Kraftwerks nach einer Nachtabschaltung, wobei das solarthermische Kraftwerk eine Verdampfereinrichtung mit einer Mehrzahl von Verdampfersträngen umfasst, an welcher aus flüssigem Wärmeträgermedium durch Solarstrahlung Dampf erzeugbar ist, bei dem beim Anfahren zunächst Solarkollektoren an aktiven Verdampfersträngen, fokussiert werden, bei dem an aktiven Verdampfersträngen ein Mindestmassenstrom und eine Mindestbefüllung an flüssigem Wärmeträgermedium eingestellt ist oder wird und an inaktiven Verdampfersträngen ein Massenstrom Null oder ein Massenstrom, welcher höchstens 20% des Mindestmassenstroms beträgt, eingestellt ist oder wird, und anschließend den zuvor inaktiven Verdampfersträngen aus einer Dampftrommel und/oder einem Reservoir Wärmeträgermedium zugeführt wird, wobei der Zeitpunkt der Zuführung dadurch bestimmt ist, dass in der Dampftrommel und/oder dem Reservoir ausreichend flüssiges Wärmeträgermedium vorhanden ist.
Verfahren zum Anfahren eines solarthermischen Kraftwerks nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die aus der Dampftrommel und/oder dem Reservoir zu zuvor inaktiven Verdampfersträngen warmes oder heißes Wärmeträgermedium zugeführt wird.
Verfahren zum Anfahren eines solarthermischen Kraftwerks nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass aktiven Verdampfersträngen zum Einstellen des Mindestmassenstroms und der Mindestbefüllung mindestens teilweise warmes oder heißes Wärmeträgermedium aus der Dampftrommel und/oder dem Reservoir zugeführt wird.
Verfahren zum Anfahren eines solarthermischen Kraftwerks nach einem der Ansprüche 20 bis 22, gekennzeichnet durch eine Durchführung mittels einer Regelungseinrichtung.
Regelungseinrichtung zum Betreiben und/oder Anfahren eines solarthermischen Kraftwerks, umfassend eine Ansteuerungseinrichtung für Ventile an einem Eintritt von jeweiligen Verdampfersträngen, wobei die Ansteuerungseinrichtung Ventile nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 23 ansteuert.
Regelungseinrichtung zum Betreiben und/oder Anfahren eines solarthermischen Kraftwerks nach Anspruch 24, gekennzeichnet durch eine Messschnittstelle zur Einkopplung von Messwerten.