DE102010040211A1 - Solar thermal continuous steam generator for direct evaporation, in particular in a solar tower power plant - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen solarthermischen Durchlaufdampferzeuger (9), insbesondere für ein Solarturm-Kraftwerk (1), umfassend einen Absorber (4) mit Dampferzeugerrohren (10), wobei ein Strömungsquerschnitt der Dampferzeugerrohre (10) in Strömungsrichtung eines Mediums variiert. Die Erfindung betrifft ferner ein Solarturm-Kraftwerk (1).The invention relates to a solar thermal once-through steam generator (9), in particular for a solar tower power plant (1), comprising an absorber (4) with steam generator tubes (10), a flow cross-section of the steam generator tubes (10) varying in the flow direction of a medium. The invention also relates to a solar tower power plant (1).
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen solarthermischen Durchlaufdampferzeuger, insbesondere für ein Solarturm-Kraftwerk, umfassend einen Absorber mit Dampferzeugerrohren. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Solarturm-Kraftwerk mit einem solarthermischen Durchlaufdampferzeuger.The invention relates to a solar thermal continuous steam generator, in particular for a solar tower power plant, comprising an absorber with steam generator tubes. The invention further relates to a solar tower power plant with a solar thermal continuous steam generator.
Dem stetig steigenden Energiebedarf und dem Klimawandel muss mit dem Einsatz von nachhaltigen Energieträgern entgegengetreten werden. Sonnenenergie ist solch ein nachhaltiger Energieträger. Sie ist klimaschonend, in unerschöpflichem Maße vorhanden und stellt keine Belastung für nachkommende Generationen dar.The steadily rising energy demand and climate change must be tackled with the use of sustainable energy sources. Solar energy is such a sustainable energy source. It is climate-friendly, inexhaustible and does not burden future generations.
Solarthermische Kraftwerke stellen deshalb eine der nachhaltigen Alternativen zur herkömmlichen Stromerzeugung dar. Bisher wurden solarthermische Kraftwerke mit Parabolrinnenkollektoren oder Fresnel-Kollektoren ausgeführt. Eine weitere Option stellt die direkte Verdampfung in sogenannten Solarturm-Kraftwerken dar. Ein solarthermisches Kraftwerk mit Solarturm und direkter Verdampfung besteht aus einem Solarfeld, einem Solarturm und aus einem konventionellen Kraftwerksteil, in dem die thermische Energie des Wasserdampfes in elektrische Energie umgewandelt wird.Solar thermal power plants are therefore one of the sustainable alternatives to conventional power generation. So far, solar thermal power plants have been carried out with parabolic trough collectors or Fresnel collectors. Another option is the direct evaporation in so-called solar tower power plants. A solar thermal power plant with solar tower and direct evaporation consists of a solar field, a solar tower and a conventional power plant part, in which the thermal energy of the water vapor is converted into electrical energy.
Das Solarfeld besteht aus Heliostaten, die die Sonnenstrahlung auf einen im Solarturm untergebrachten Absorber konzentrieren. Der Absorber besteht aus einer Heizfläche, in der die eingestrahlte Sonnenenergie dazu genutzt wird, um zugeführtes Speisewasser zu erwärmen, zu verdampfen und gegebenenfalls auch zu überhitzen. Der erzeugte Dampf wird anschließend in einem konventionellen Kraftwerkssteil in einer Turbine entspannt, gegebenenfalls zwischenüberhitzt und anschließend kondensiert und dem Absorber wieder zugeführt. Die Turbine treibt einen Generator an, der die mechanische Energie in elektrische Energie wandelt.The solar field consists of heliostats, which concentrate the solar radiation on an absorber accommodated in the solar tower. The absorber consists of a heating surface in which the irradiated solar energy is used to heat supplied feed water, to evaporate and possibly also to overheat. The generated steam is then expanded in a conventional power plant part in a turbine, optionally reheated and then condensed and fed back to the absorber. The turbine drives a generator, which converts the mechanical energy into electrical energy.
In einem Solarturm-Kraftwerk ist die eingebrachte Sonnenenergie durch die Größe des Heliostatenfeldes begrenzt. Ein Teil der Einstrahlung wird vom Absorber reflektiert und ist für den thermodynamischen Kraftwerkprozess verloren. Diese Verluste wachsen mit der Größe der Heizfläche. Deshalb sind bei gegebener thermischer Leistung kompakte Absorber mit möglichst kleiner Heizfläche anzustreben. Dies führt durch die Konzentrierung der eingestreuten Sonnenenergie auf kleine Flächen zu sehr hohen Wärmestromdichten, im allgemeinen höheren Wärmestromdichten als in fossil befeuerten thermischen Kraftwerken. Deshalb ist bei dem Konzept der Direktverdampfung in einem Solarturm-Kraftwerk die Kühlung der Absorberheizfläche von zentraler Bedeutung. Zur Minimierung der Heizflächengröße ist auf größtmögliche Wärmestromdichten auszulegen. Die Obergrenze der zulässigen Wärmestromdichten wird durch das Rohrmaterial und durch die Qualität der Kühlungsmechanismen bestimmt.In a solar tower power plant, the solar energy input is limited by the size of the heliostat field. Part of the radiation is reflected by the absorber and is lost to the thermodynamic power plant process. These losses increase with the size of the heating surface. Therefore, for a given thermal performance compact absorbers with the smallest possible heating surface are desirable. By concentrating the interspersed solar energy on small areas, this leads to very high heat flux densities, generally higher heat flux densities than in fossil-fired thermal power plants. Therefore, with the concept of direct evaporation in a solar tower power plant, the cooling of the absorber heating surface is of central importance. To minimize the size of the heating surface, it must be designed for maximum heat flow densities. The upper limit of the permissible heat flow densities is determined by the pipe material and the quality of the cooling mechanisms.
In Verdampferheizflächen können statische und dynamische Instabilitäten auftreten, die in konventionellen Kraftwerken in der Vergangenheit zu Schäden geführt haben. Dieses Risiko ist aufgrund der hohen Energiedichte bei solarthermischen Anlagen erhöht.Static and dynamic instabilities can occur in evaporator heating surfaces, which have caused damage in conventional power plants in the past. This risk is increased due to the high energy density of solar thermal systems.
Es besteht daher insbesondere bei solarthermischen Kraftwerksanlagen der Bedarf, Instabilitäten in der Verdampferheizfläche des Absorbers zu vermeiden.There is therefore a need, especially in solar thermal power plants, to avoid instabilities in the evaporator heating surface of the absorber.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen solarthermischen Dampferzeuger der oben genannten Art für höchstmöglichen Wärmestrom anzugeben. Des Weiteren soll ein entsprechend verbessertes Solarturm-Kraftwerk mit hohem thermodynamischem Wirkungsgrad angegeben werden.The invention is therefore based on the object to provide a solar thermal steam generator of the type mentioned above for the highest possible heat flow. Furthermore, a correspondingly improved solar tower power plant with high thermodynamic efficiency is to be specified.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Für einen hohen thermodynamischen Wirkungsgrad werden thermische Kraftwerke bei hohen (i. a. überkritichen) Drücken betrieben. Hierzu müssen die Verdampfer als Durchlaufheizflächen ausgeführt werden, da sie im Gegensatz zu einem Natur- oder Zwangumlaufdampferzeuger keiner Druckbegrenzung unterliegen, so dass Frischdampfdrücke weit über dem kritischen Druck von Wasser möglich sind. Dieser hohe Frischdampfdruck begünstigt einen hohen thermodynamischen Wirkungsgrad eines Kraftwerks. Zudem weist ein Durchlaufdampferzeuger im Vergleich zu einem Umlaufdampferzeuger eine einfache Bauweise auf und ist somit mit besonders geringem Aufwand herstellbar. Weiterhin ist bekannt, dass speziell der Reibungsdruckverlust der Zweiphasenströmung bzw. der Dampfstrecke am Austritt des Systems destabilisierend ist, was sich negativ auf die erzielbaren Massenstromdichten des zu verdampfenden Wassers und somit auch negativ auf den erzielbaren Wärmestrom auswirkt. Der Anteil dieses Druckverlustes am Gesamtdruckverlust des Systems ist deshalb zur Vermeidung einer Instabilität zu minimieren. Dazu wird vorgeschlagen, dass zur Stabilisierung der Verdampferheizfläche der Strömungsquerschnitt entlang der Rohre variiert.This object is achieved according to the invention by the features of
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vergrößert sich der Strömungsquerschnitt der Dampferzeugerrohre in Strömungsrichtung eines Mediums.In an advantageous embodiment of the invention, the flow cross-section of the steam generator tubes increases in the flow direction of a medium.
Dabei kann es vorteilhaft sein, wenn sich der Strömungsquerschnitt der Dampferzeugerrohre in Strömungsrichtung eines Mediums infolge einer Reduzierung einer Wandstärke der Dampferzeugerrohre vergrößert.It may be advantageous if the flow cross-section of the steam generator tubes in the flow direction of a medium due to a Reduction of a wall thickness of the steam generator tubes increased.
Alternativ dazu kann es auch vorteilhaft sein, wenn sich der Strömungsquerschnitt der Dampferzeugerrohre in Strömungsrichtung eines Mediums infolge einer Vergrößerung eines Dampferzeugerrohrumfangs vergrößert.Alternatively, it may also be advantageous if the flow cross-section of the steam generator tubes increases in the flow direction of a medium as a result of an enlargement of a steam generator tube circumference.
Bezüglich der wärmetechnischen Auslegung des solarthermischen Durchlaufdampferzeugers ist dieser zweckmäßigerweise in Einzelheizflächen durch hintereinander geschaltete Rohrteile zusammengesetzt, d. h. der Verdampfer des Durchlaufdampferzeugers ist in zwei Verdampferteile unterteilt. Dabei weist ein mediumseitig erster Verdampferteil keinen Austrittssammler auf. Ebenso weist ein diesem nachgeschalteter zweiter Verdampferteil keinen Eintrittsverteiler auf. Durch diese Verdampferkonstruktion wird aufgrund der Einsparung von Sammlern eine Kosteneinsparung erzielt.With regard to the thermal engineering design of the solar thermal continuous steam generator this is expediently assembled in Einzelheizflächen by successively connected pipe parts, d. H. the evaporator of the continuous steam generator is divided into two evaporator parts. In this case, a medium side first evaporator part on no outlet collector. Likewise, this second downstream evaporator part has no inlet distributor. This evaporator construction saves costs due to the savings of collectors.
Dabei ist es zweckmäßig, wenn ein Innendurchmesser eines mediumseitig ersten Rohrteils kleiner ist, als ein Innendurchmesser eines dem ersten Rohrteil nachgeschalteten zweiten Rohrteils.It is expedient if an inner diameter of a first pipe part on the medium side is smaller than an inner diameter of a second pipe part connected downstream of the first pipe part.
Vorteilhafter Weise sind die Rohrteile über ein konisch ausgebildetes Verbindungsstück direkt miteinander verbunden.Advantageously, the pipe parts are connected directly to one another via a conically shaped connecting piece.
Es ist zweckmäßig, wenn die ersten Rohrteile der Dampferzeugerrohre eingangsseitig an einem Verdampfereintritt mit einem Eintrittsverteiler strömungstechnisch verbunden sind.It is expedient if the first tube parts of the steam generator tubes are fluidically connected on the input side to an evaporator inlet with an inlet distributor.
Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn die zweiten Rohrteile der Dampferzeugerrohre mit einem Austrittssammler verbunden sind.Furthermore, it is expedient if the second tube parts of the steam generator tubes are connected to an outlet collector.
Dabei ist der Austrittssammler vorteilhafter Weise an eine Dampfleitung angeschlossen, die den Dampf zu Überhitzerheizflächen führt.In this case, the outlet header is advantageously connected to a steam line, which leads the steam to Überhitzerheizflächen.
Der solarthermische Durchlaufdampferzeuger ist dabei nach besonders vorteilhafter Ausgestaltung in ein Solarturm-Kraftwerk integriert und zur Dampferzeugung durch fokussierte Sonnenstrahlung direkt beaufschlagbar.The solar thermal continuous steam generator is integrated according to a particularly advantageous embodiment in a solar tower power plant and for steam generation by focused solar radiation directly acted upon.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass über einen weiten Lastbereich eine stabile Betriebsweise und damit der betriebssichere Einsatz auch für Durchlaufdampferzeuger in solarthermischen Kraftwerken gewährt wird.The advantages achieved by the invention are in particular that over a wide load range a stable operation and thus the reliable use is granted even for continuous steam generator in solar thermal power plants.
Mit der vorgeschlagenen Maßnahme erhöht sich daher der erzielbare Wärmestrom im Dampferzeuger eines solarthermischen Kraftwerks mit Solar-Turm.The proposed measure therefore increases the recoverable heat flow in the steam generator of a solar thermal power plant with solar tower.
Nachfolgend werden anhand einer Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Darin zeigen:Hereinafter, embodiments of the invention will be described with reference to a drawing. Show:
Einander entsprechende Teile sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided in the figures with the same reference numerals.
In
Die Dampferzeugerrohre
Im Betrieb des solar beheizten Umlaufdampferzeugers
Der Sattdampf verlässt die Trommel
Im Betrieb eines solarthermischen Dampferzeugers ist es besonders kritisch in Abhängigkeit des vorhandenen Wärmeangebots der primären Solarstrahlung immer genau den erforderlichen Speisewassermassenstrom durch die Absorberheizfläche, zur Verfügung zu stellen, um den geforderten bzw. gewünschten Fluidzustand am Absorberaustritt, respektive am Verdampferaustritt
Zur Erläuterung des erfindungsgemäßen solarthermischen Durchlaufdampferzeugers
Mit Zwangdurchlaufdampferzeugern können sehr große Dampfleistungen auf relativ kleinem Raum erzeugt werden. Durch den Wegfall der Abscheidetrommel können mit dem Durchlaufdampferzeuger sehr hohe Drücke gefahren werden und somit auch sehr hohe Wirkungsgrade erzielt werden.With forced circulation steam generators very large steam outputs can be generated in a relatively small space. By eliminating the separation drum very high pressures can be driven with the continuous steam generator and thus very high efficiencies can be achieved.
Die beiden Verdampferteile
Beim Betrieb des solarthermischen Durchlaufdampferzeugers
Im Durchlaufdampferzeuger
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