DE102010040214A1 - Drilling an evaporator heating surface for continuous steam generators in solar tower power plants with direct evaporation and natural circulation characteristics - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen solarthermischen Durchlaufdampferzeuger (21) mit im wesentlichen vertikal angeordneten Rohren, die einen Rohrinnendurchmesser d aufweisen und für den Durchfluss eines Kühlmittels parallel geschaltet sind, wobei der Rohrinnendurchmesser d eine Funktion eines Quotienten K ist, wobei weiter durch Wertepaare des Rohrinnendurchmessers d und des Quotienten K bestimmte Punkte in einem Koordinatensystem zwischen einer Geraden A und einer Geraden B liegen, und wobei zur Bildung des Quotienten K der summierte Massendurchsatz aller Rohre bei 100% Dampfleistung dividiert ist durch die Summe aller Rohraussendurchmesser der betreffenden Verdampferheizfläche. Die Erfindung betrifft ferner ein Solarturm-Kraftwerk mit einem solarthermischen Durchlaufdampferzeuger.The invention relates to a solar thermal once-through steam generator (21) with essentially vertically arranged tubes, which have an inner tube diameter d and are connected in parallel for the flow of a coolant, the inner tube diameter d being a function of a quotient K, with further pairs of values for the inner tube diameter d and of the quotient K, certain points lie in a coordinate system between a straight line A and a straight line B, and to form the quotient K, the total mass flow rate of all tubes at 100% steam output is divided by the sum of all tube outer diameters of the respective evaporator heating surface. The invention also relates to a solar tower power plant with a solar thermal once-through steam generator.

Description

Die Erfindung betrifft einen solarthermischen Durchlaufdampferzeuger, insbesondere für ein Solarturm-Kraftwerk, mit im wesentlichen vertikal angeordneten Dampferzeugerrohren, die einen Rohrinnendurchmesser d aufweisen und die für den Durchfluss eines Kühlmittels parallel geschaltet sind. 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, with substantially vertically arranged steam generator tubes having a pipe inside diameter d and which are connected in parallel for the flow of a coolant. 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. Insbesondere die nicht vermeidbaren Unterschiede in der Wärmezufuhr zu den einzelnen Rohren können zu Temperaturdifferenzen zwischen einzelnen Rohren am Verdampferaustritt führen, die Schäden aufgrund von unzulässigen Wärmespannungen verursachen.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. In particular, the unavoidable differences in the heat input to the individual tubes can lead to temperature differences between individual tubes at the evaporator outlet, causing damage due to impermissible thermal stresses.

Die Massenstromdichte des Kühlmittels im Rohr ist neben dem Rohrinnendurchmesser eine bestimmende Größe für die strömungstechnische Auslegung des Parallelrohrsystems, das als Verdampferheizfläche wirkt. Der Anteil des Reibungsdruckabfalls am gesamten Druckabfall der Durchlauf-Verdampfer kann sehr hoch sein, wodurch derartige Verdampfer eine typische Charakteristik aufweisen, gemäß der in einem Parallelrohrsystem der Massendurchsatz im Einzelrohr bei dessen stärkerer Beheizung zurückgeht und bei dessen schwächerer Beheizung ansteigt – jeweils im Vergleich zur Durchströmung eines Rohres mit mittlerer Beheizung. Diese Charakteristik ist eine Ursache für größere Temperaturdifferenzen zwischen einzelnen Rohren am Verdampferaustritt bei Heizflächen mit vertikal angeordneten Rohren.The mass flow density of the coolant in the pipe is in addition to the pipe inside diameter a determining factor for the fluidic design of the parallel pipe system, which acts as Verdampferheizfläche. The proportion of the friction pressure drop in the total pressure drop of the continuous evaporator can be very high, whereby such evaporators have a typical characteristic according to which in a parallel pipe system, the mass flow rate in the single tube at its stronger heating and increases in its weaker heating - respectively compared to the flow a tube with medium heating. This characteristic is a cause of larger temperature differences between individual tubes at the evaporator outlet for heating surfaces with vertically arranged tubes.

Es besteht daher insbesondere bei solarthermischen Kraftwerksanlagen der Bedarf einer sicheren und bedarfsgerechten Durchströmung aller Heizflächenrohre.There is therefore a need, especially for solar thermal power plants, for a secure and demand-driven flow through all heating surface pipes.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen solarthermischen Dampferzeuger 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 for maximum heat flow. Furthermore, a correspondingly improved solar tower power plant with high thermodynamic efficiency is to be specified.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe für einen solarthermischen Dampferzeuger der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der oder 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. Dabei ist bei einem solchen erfindungsgemäßen Durchlaufdampferzeuger der Rohrinnendurchmesser d eine Funktion eines Quotienten K und Punkte, bestimmt durch Wertepaare aus Rohrinnendurchmesser d und Quotient K, liegen in einem Koordinatensystem zwischen einer Geraden A und einer Geraden B. Zur Bildung des Quotienten K wird der summierte Massendurchsatz M aller Dampferzeugerrohre bei 100% Dampfleistung durch die Summe aller Rohraussendurchmesser der betreffenden Verdampferheizfläche dividiert. Dabei liegen Punkte entsprechend den Wertepaaren
d1 = 11,1 mm bei K1 = 7,9 kg/s m
und
d2 = 41,1 mm bei K2 = 29,3 kg/s m,
auf der Geraden A und dabei ist die Gerade B durch Punkte entsprechend den Wertepaaren
d3 = 12,1 mm bei K3 = 3,4 kg/s m
und
d4 = 36,4 mm bei K4 = 10,3 kg/s m
definiert.According to the invention, this object is achieved for a solar thermal steam generator of the type mentioned above in that the evaporator or evaporators are designed as Durchlaufheizflächen because they are in contrast to a natural or forced circulation steam generator no pressure limit, so that live steam pressures far above the critical pressure of water possible are. This high live steam pressure promotes a high thermodynamic efficiency of a power plant. In addition, has a continuous steam generator compared to a circulating steam generator a simple design and is thus produced with very little effort. In this case, in such a continuous steam generator according to the invention, the pipe inside diameter d is a function of a quotient K and points, determined by value pairs of pipe inside diameter d and quotient K, lie in a coordinate system between a straight line A and a straight line B. The summed mass flow rate is used to form the quotient K. M of all steam generator tubes at 100% steam output divided by the sum of all pipe outside diameters of the relevant evaporator heating surface. There are points corresponding to the value pairs
d 1 = 11.1 mm at K 1 = 7.9 kg / sm
and
d 2 = 41.1 mm at K 2 = 29.3 kg / sm,
on the straight line A and the straight line B is through points corresponding to the value pairs
d 3 = 12.1 mm at K 3 = 3.4 kg / sm
and
d 4 = 36.4 mm at K 4 = 10.3 kg / sm
Are defined.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass der jeweils einem Quotienten K zugeordnete Rohrinnendurchmesser d um höchstens 30% von dem auf der Geraden A diesem Quotienten K zugehörigen Rohrinnendurchmesser d abweicht, wobei er insbesondere um höchstens 10% kleiner ist als der auf der Gerade A diesem Quotienten K zugeordnete Rohrinnendurchmesser d.An advantageous embodiment of the invention is that the pipe inside diameter d assigned to each quotient K deviates by at most 30% from the pipe inside diameter d associated with this quotient K on the straight line A, wherein it is smaller by at most 10% than that on the straight line A. this internal diameter associated pipe inner diameter d.

Der solarthermische Durchlaufdampferzeuger ist dabei nach besonders vorteilhafter Ausgestaltung mit seiner Verdampferheizfläche 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 with its evaporator heating in a solar tower power plant and for steam generation by focused solar radiation directly acted upon.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Durchlaufdampferzeugers ist sehr vorteilhaft, weil durch sie die Massenstromdichte in den durchströmten Dampferzeugerrohren so weit abgesenkt und der Rohrinnendurchmesser d so bestimmt sind, dass der Anteil des geodätischen Druckabfalls am gesamten Druckabfall eine Veränderung der Charakteristik von Durchlaufverdampfern erzwingt, gemäß der – ausgehend vom Auslegungszustand – der Massendurchsatz im Einzelrohr bei dessen stärkerer Beheizung erhöht wird und bei dessen schwächerer Beheizung zurückgeht. Diese sogenannte Naturumlauf-Charakteristik, bei der der geodätische Druckverlustanteil im Gesamtdruckverlust überwiegt bzw. der Reibungsdruckverlust kleiner als der geodätische Druckverlust ist, führt zu einer bedeutenden Vergleichmäßigung der Dampf- und damit der Rohrwandtemperaturen am Austritt der Verdampferheizfläche und gewährleistet immer eine sichere Durchströmung aller Dampferzeugerrohre.The inventive design of the continuous steam generator is very advantageous because it so far lowered the mass flow density in the steam flow tubes and the inner tube diameter d are determined so that the proportion of geodesic pressure drop across the entire pressure drop forces a change in the characteristics of Durchlaufverdampfern, according to - from the design state - the mass flow rate in the single pipe is increased in its stronger heating and decreases in its weaker heating. This so-called natural circulation characteristic, in which the geodetic pressure loss component outweighs the total pressure loss or the friction pressure loss is less than the geodesic pressure loss, leads to a significant homogenization of the steam and thus the tube wall temperatures at the outlet of the evaporator and always ensures a safe flow through all steam generator tubes.

Die erfindungsgemäße Gestaltung von solarthermischen Durchlaufdampferzeugern wird anhand der Zeichnungen näher erläutert.The inventive design of solar thermal continuous steam generators will be explained in more detail with reference to the drawings.

Im Einzelnen zeigen:In detail show:

1 ein Solarturm-Kraftwerk, 1 a solar tower power plant,

2 einen Verdampfer eines solarthermischen Dampferzeugers nach dem Stand der Technik, 2 an evaporator of a solar thermal steam generator according to the prior art,

3 einen Verdampfer eines erfinderischen solarthermischen Durchlaufdampferzeugers und 3 an evaporator of an innovative solar thermal continuous steam generator and

4 ein Koordinatensystem mit Geraden A und B. 4 a coordinate system with lines A and B.

Einander entsprechende Teile sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided in the figures with the same reference numerals.

1 zeigt ein Solarturm-Kraftwerk 1. Das Solarturm-Kraftwerk 1 umfasst einen Solarturm 2, an dessen vertikal oberem Ende ein Absorber 3 angeordnet ist. Ein Heliostatenfeld 4 mit einer Anzahl von Heliostaten 5 ist am Boden um den Solarturm 2 herum platziert. Das Heliostatenfeld 4 mit den Heliostaten 5 ist für eine Fokussierung der direkten Solarstrahlung 6 ausgelegt. Dabei sind die einzelnen Heliostaten 5 so angeordnet und ausgerichtet, dass die direkte Solarstrahlung 6 von der Sonne in Form von konzentrierter Solarstrahlung 7 auf den Absorber 3 fokussiert wird. Bei dem Solarturm-Kraftwerk 1 wird somit die Sonnenstrahlung durch ein Feld einzeln nachgeführter Spiegel, die Heliostaten 5, auf die Spitze des Solarturmes 2 konzentriert. Der Absorber 3 wandelt die Strahlung in Wärme um und gibt sie an ein Wärmeträgermedium, beispielsweise Wasser, ab, das die Wärme einem konventionellen Kraftwerksprozess mit einer Dampfturbine zuführt. 1 shows a solar tower power plant 1 , The solar tower power plant 1 includes a solar tower 2 , at the vertical upper end of an absorber 3 is arranged. A heliostat field 4 with a number of heliostats 5 is on the ground around the solar tower 2 placed around. The heliostat field 4 with the heliostats 5 is for a focus of direct solar radiation 6 designed. Here are the individual heliostats 5 arranged and aligned so that the direct solar radiation 6 from the sun in the form of concentrated solar radiation 7 on the absorber 3 is focused. At the solar tower power plant 1 Thus, the solar radiation through a field of individually traced mirrors, the heliostats 5 , on the top of the solar tower 2 concentrated. The absorber 3 converts the radiation into heat and releases it to a heat transfer medium, such as water, which supplies the heat to a conventional power plant process with a steam turbine.

In 2 ist ein Verdampfer 8 eines bekannten solarthermischen Umlaufdampferzeugers 9 mit Direktverdampfung dargestellt, der als Absorber 3 in den Solarturm 2 der 1 integriert ist.In 2 is an evaporator 8th a known solar thermal circulating steam generator 9 shown with direct evaporation, as an absorber 3 in the solar tower 2 of the 1 is integrated.

Die Dampferzeugerrohre 10 sind eingangsseitig mit einem Eintrittsverteiler 11 und ausgangsseitig mit einem Austrittssammler 12 strömungstechnisch verbunden. Überströmrohre 13 verbinden den Austrittssammler 12 mit einer Trommel 14, in die eine Speisewasserleitung 15 mündet. In die Speisewasserleitung 15 ist eine Speisewasserpumpe 16 geschaltet. Eine Dampfleitung 17 sowie eine Fallrohrleitung 18 zweigen von der Trommel 14 ab. In die Fallrohrleitung 18 ist eine Umwälzpumpe 20 geschaltet. Die Fallrohrleitung 18 mündet in den Eintrittsverteiler 11.The steam generator pipes 10 are input side with an entrance distributor 11 and on the output side with an outlet collector 12 fluidically connected. overflow tubes 13 connect the exit collector 12 with a drum 14 into which a feedwater pipe 15 empties. In the feedwater pipe 15 is a feedwater pump 16 connected. A steam line 17 as well as a downpipe 18 branches off the drum 14 from. In the downpipe pipeline 18 is a circulation pump 20 connected. The downpipe 18 flows into the entrance distributor 11 ,

Im Betrieb des solar beheizten Umlaufdampferzeugers 9 saugt die Umwälzpumpe 20 Kesselwasser aus der Trommel 14 an und drückt es in den Eintrittsverteiler 11. Dort wird das Kesselwasser auf die Vielzahl der wärmeübertragenden Rohre 10 verteilt. Der Verdampfer 8 ist in parallel geschaltete Heizflächenrohre aufgeteilt. Die wärmeübertragenden Rohre 10 werden durch die konzentrierte Solarstrahlung 7 aufgeheizt, wobei die wärmeübertragenden Rohre 10 die Wärme an das Kesselwasser abgeben. Das entstehende Dampf/Wasser-Gemisch wird über den Ausstrittssammler 12 und die Überströmrohre 13 in die unbeheizte Trommel 14 geleitet und dort in möglichst trockenen Sattdampf und in zum Verdampfer 8 zurückfließendes Umlaufwasser getrennt. Die Speisewasserzufuhr wird so geregelt, dass der Wasserstand in der Trommel 14 konstant bleibt.In operation of the solar heated circulating steam generator 9 sucks the circulation pump 20 Boiler water from the drum 14 and press it into the entry manifold 11 , There, the boiler water on the variety of heat-transmitting tubes 10 distributed. The evaporator 8th is divided into parallel Heizflächenrohre. The heat transfer tubes 10 be through the concentrated solar radiation 7 heated, the heat transfer tubes 10 give off the heat to the boiler water. The resulting steam / water mixture is passed through the outlet collector 12 and the overflow pipes 13 in the unheated drum 14 directed and there in as dry saturated steam and in the evaporator 8th recirculating recirculating water separately. The feed water supply is regulated so that the water level in the drum 14 remains constant.

Der Sattdampf verlässt die Trommel 14 über die Dampfleitung 17 und kann in einer weiteren Heizfläche überhitzt werden und anschließend als Frischdampf einer nicht näher dargestellten Dampfturbine zur Erzeugung von elektrischer Energie zugestellt werden.The saturated steam leaves the drum 14 over the steam line 17 and can be overheated in a further heating surface and then delivered as live steam of a steam turbine not shown for generating electrical energy.

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 13 auch während instationärer Vorgänge, insbesondere bei Wolkendurchzug durch das Heliostatenfeld 4 zu gewährleisten.In the operation of a solar thermal steam generator, it is particularly critical depending on the available heat supply of the primary solar radiation always exactly the required feedwater mass flow through the Absorberheizfläche to make available to the required or desired fluid state at the absorber outlet, respectively at the evaporator outlet 13 also during unsteady processes, in particular during cloud passage through the heliostat field 4 to ensure.

Zur Erläuterung des erfindungsgemäßen solarthermischen Durchlaufdampferzeugers 21 in dem Solarturm-Kraftwerk 1 mit direkter Verdampfung zeigt 3 das Prinzip eines Zwangdurchlaufdampferzeugers, bei dem der Durchlauf des Wasser-Dampf-Stromes durch den Verdampfer von einer Speisepumpe 16 erzwungen wird. Das Speisewasser wird von der Speisepumpe 16 in den Eintrittsverteiler 11 gefördert und nacheinander werden der Verdampfer 8 und der Überhitzer 22 durchströmt (bei solarthermischen Kraftwerken entfällt typischerweise ein Speisewasservorwärmer). Die Erwärmung des Speisewassers bis zur Sattdampftemperatur, die Verdampfung und eine erste Überhitzung erfolgen kontinuierlich in einem Durchlauf, so dass keine Trommel benötigt wird. Zwischen Verdampfer 8 und Überhitzer 22 ist für den Umlaufvorgang beim Anfahren der Anlage eine Abscheideeinrichtung 23 vorgesehen.To explain the solar thermal continuous steam generator according to the invention 21 in the solar tower power plant 1 with direct evaporation shows 3 the principle of a forced flow steam generator, in which the passage of the water-steam flow through the evaporator from a feed pump 16 is enforced. The feed water is supplied by the feed pump 16 in the entrance distributor 11 promoted and successively become the evaporator 8th and the superheater 22 flows through (in solar thermal power plants typically eliminates a feedwater pre-heater). The heating of the feed water to the saturated steam temperature, the evaporation and a first overheating take place continuously in one pass, so that no drum is needed. Between evaporator 8th and superheater 22 is for the circulation process when starting the plant a separator 23 intended.

Mit Zwangdurchlaufdampferzeugern können sehr große Dampfleistungen auf relativ kleinem Raum erzeugt werden. Durch den Wegfall der Abscheidetrommel können mit dem Durchlaufdampferzeuger auch Drücke oberhalb des kritischen Drucks gefahren werden und somit können 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 can be driven with the continuous steam generator and pressures above the critical pressure and thus very high efficiencies can be achieved.

4 zeigt ein Diagramm in dem der Rohrinnendurchmesser d als Funktion des Quotienten K dargestellt ist. 4 shows a diagram in which the pipe inner diameter d is shown as a function of the quotient K.

Dabei ist K der Quotient aus dem summierten Massendurchsatz M (kg/s) aller Dampferzeugerrohre bei 100% Dampfleistung und der Summe aller Rohraussendurchmesser der betreffenden Verdampferheizfläche.Here, K is the quotient of the summed mass flow rate M (kg / s) of all steam generator tubes at 100% steam output and the sum of all pipe outside diameters of the relevant evaporator heating surface.

Die Gerade A ist durch die Wertepaare
d1 = 11,1 mm bei K1 = 7,9 kg/s m
und
d2 = 41,1 mm bei K2 = 29,3 kg/s m,
gegeben.The straight A is through the value pairs
d 1 = 11.1 mm at K 1 = 7.9 kg / sm
and
d 2 = 41.1 mm at K 2 = 29.3 kg / sm,
given.

Jeder Punkt in dem Feld zwischen dieser Geraden A und einer Geraden B stellt ein Wertepaar dar, bei dem die Anteile von Reibungsdruckabfall und geodätischem Druckabfall in einem so günstigen Verhältnis zueinander stehen – im allgemeinen ist dann der geodätische Druckabfall größer als der Reibungsdruckabfall –, dass bei der Mehrbeheizung eines einzelnen Dampferzeugerrohrs 10 der Massendurchsatz durch dieses Dampferzeugerrohr 10 ansteigt.Each point in the field between this straight line A and a straight line B represents a pair of values in which the proportions of friction pressure drop and geodetic pressure drop are in such a favorable relationship - generally the geodetic pressure drop is greater than the friction pressure drop - that at the multiple heating of a single steam generator tube 10 the mass flow rate through this steam generator tube 10 increases.

Eine sichere Kühlung der Dampferzeugerrohre 10 erlaubt daher bei einem vorgegebenen Quotienten K keine beliebige Wahl des Rohrinnendurchmessers d. Deshalb wird das Feld auf in der Praxis üblicherweise vorkommende Wertepaare durch eine Gerade B begrenzt, die durch die Punkte entsprechend den Wertepaaren
d3 = 12,1 mm bei K3 = 3,4 kg/s m
und
d4 = 36,4 mm bei K4 = 10,3 kg/s m
bestimmt ist. Erfindungsgemäß liegen damit die aus Rohrinnendurchmesser d und Quotienten K gebildeten Wertepaare zwischen den Geraden A und B des Koordinatensystems nach 4.A safe cooling of the steam generator tubes 10 therefore allows for a given quotient K no choice of the inner tube diameter d. Therefore, the field is limited to pairs of values commonly encountered in practice by a straight line B passing through the points corresponding to the value pairs
d 3 = 12.1 mm at K 3 = 3.4 kg / sm
and
d 4 = 36.4 mm at K 4 = 10.3 kg / sm
is determined. According to the invention, the pairs of values formed from internal pipe diameters d and quotients K thus lie between the straight lines A and B of the coordinate system 4 ,

Bei besonders ungünstigen Beheizungsverhältnissen sollte ein einem Quotienten K zugeordneter Rohrinnendurchmesser d höchstens 10% kleiner bzw. 30% größer als der auf der Geraden A diesem Quotienten K zugeordnete Rohrinnendurchmesser d sein.In particularly unfavorable heating conditions, a pipe inside diameter d assigned to a quotient K should be at most 10% smaller or 30% larger than the pipe inside diameter d assigned to the straight line A to this quotient K.

Durch die Ermittlung der Größe des Rohrinnendurchmessers d auf die angegebene Art und Weise werden in den Dampferzeugerrohren 10 Strömungsverhältnisse erzwungen, bei denen ein durch Reibung erzeugter Anteil des Druckabfalls in einem günstigen Verhältnis zum geodätisch verursachten Anteil des Druckabfalls am Gesamtdruckabfall steht, und zwar sowohl bei Volllast- als auch bei Teillastbetrieb. Infolge der erfindungsgemäß bestimmten Abmessungen der Dampferzeugerrohre 10 werden diese günstigen Verhältnisse gewährleistet durch eine relativ niedrige, auf die Masse des Kühlmittels bezogene Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels in axialer Richtung.By determining the size of the inner tube diameter d in the manner indicated, the steam generator tubes are used 10 Constrained flow conditions in which a portion of the pressure drop generated by friction is in a favorable ratio to the geodetically caused proportion of the pressure drop in the total pressure drop, both at full load and at part load operation. As a result of the inventively determined dimensions of the steam generator tubes 10 These favorable conditions are ensured by a relatively low, relative to the mass of the coolant flow velocity of the coolant in the axial direction.

Der Gesamtdruckabfall in den Dampferzeugerrohren 10, also der Unterschied zwischen dem Druck im unten liegenden Eintrittsverteiler 11 und dem Druck im oben liegenden Austrittssammler 12, setzt sich zusammen aus den Anteilen Reibungsdruckabfall, geodätischer Druckabfall und Beschleunigungsdruckabfall. Der Anteil des Beschleunigungsdruckabfalls liegt bei 1 bis 2% des Gesamtdruckabfalls und kann deshalb hier vernachlässigt werden.The total pressure drop in the steam generator pipes 10 So, the difference between the pressure in the bottom entrance distributor 11 and the pressure in the overhead discharge collector 12 , is composed of the proportions friction pressure drop, geodetic pressure drop and acceleration pressure drop. The proportion of the acceleration pressure drop is 1 to 2% of the total pressure drop and therefore can be neglected here.

Der Reibungsdruckabfall eines einzelnen Dampferzeugerrohres 10 erhöht sich bei einer gegenüber anderen Rohren vorhandenen Mehrbeheizung infolge der erhöhten Volumenzunahme des Wasser-Dampf-Gemisches. Da allen parallel geschalteten Dampferzeugerrohren 10 einer Verdampferheizfläche durch ihre Kopplung an einen gemeinsamen Eintrittsverteiler 11 und einen gemeinsamen Austrittssammler 12 der gleiche Druckabfall vorgegeben ist, muss zum Ausgleich dieses Druckabfallanteils bei einem stärker beheizten Dampferzeugerrohr 10 der Durchsatz zurückgehen. Dieser zurückgehende Durchsatz führt in Verbindung mit der stärkeren Beheizung des Dampferzeugerrohres 10 demzufolge zu stark erhöhten Dampfaustrittstemperaturen am Ende des Dampferzeugerrohrs 10 gegenüber durchschnittlich oder schwächer beheizten Dampferzeugerrohren 10.The friction pressure drop of a single steam generator tube 10 increases with a comparison with other pipes existing Mehrbeheizung due to the increased volume increase of the water-steam mixture. Since all parallel connected steam generator tubes 10 a Verdampferheizfläche by their coupling to a common inlet manifold 11 and a common exit collector 12 the same pressure drop is required to compensate for this pressure drop portion in a more heated steam generator tube 10 the throughput goes back. This decreasing throughput leads in connection with the stronger heating of the steam generator tube 10 Consequently, too much increased steam outlet temperatures at the end of the steam generator tube 10 compared to average or lower heated steam generator tubes 10 ,

Der geodätische Druckabfall eines einzelnen Dampferzeugerrohres 10 sinkt dagegen bei Mehrbeheizung dieses Dampferzeugerrohres gegenüber anderen Dampferzeugerrohren infolge erhöhter Dampfbildung, weil die Wasser-Dampf-Säule leichter wird. Der Durchsatz durch das mehrbeheizte Dampferzeugerrohr 10 steigt aufgrund dieses Effekts also an, bis die Summe von erhöhtem Reibungsdruckabfall und gesunkenem geodätischen Druckabfall den durch die Kopplung über Eintrittsverteiler 11 und Austrittssammler 12 vorgegebenen Druckabfall erreicht. Diese Steigerung des Durchsatzes ist erwünscht, um die Dampfaustrittstemperatur am Ende des Dampferzeugerrohrs 10 trotz der Mehrbeheizung niedrig zu halten. Dieser erfindungsgemäß vergleichsweise große Einfluss des geodätisch verursachten Druckabfalls ist die Ursache für die Veränderung der Charakteristik eines solarthermischen Dampferzeugers hin zu einem Verhalten, bei dem größere Temperaturunterschiede am Rohrende des Verdampfers vermieden sind, weil eine stärkere Beheizung eines einzelnen Dampferzeugerrohres 10 durch einen höheren Durchsatz des Kühlmittels durch dasselbe größtenteils kompensiert wird.The geodesic pressure drop of a single steam generator tube 10 decreases in contrast with Mehrbeheizung this steam generator tube compared to other steam generator tubes due to increased vapor formation, because the water-vapor column is easier. The throughput through the reheated steam generator tube 10 Thus, due to this effect, the sum of increased friction pressure drop and decreased geodetic pressure drop increases due to the coupling via inlet manifold 11 and exit collector 12 reached predetermined pressure drop. This increase in throughput is desired to increase the steam exit temperature at the end of the steam generator tube 10 to keep low despite the multiple heating. This inventively comparatively large influence of geodetically caused pressure drop is the cause of the change in the characteristic of a solar thermal steam generator towards a behavior in which larger temperature differences at the pipe end of the evaporator are avoided because a stronger heating of a single steam generator tube 10 is largely compensated by a higher flow rate of the coolant through the same.

Claims (4)

Solarthermischer Durchlaufdampferzeuger (21), insbesondere für ein Solarturm-Kraftwerk (1), mit im wesentlichen vertikal angeordneten Dampferzeugerrohren (10), die einen Rohrinnendurchmesser d aufweisen und für den Durchfluss eines Kühlmittels parallel geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, – dass der Rohrinnendurchmesser d eine Funktion eines Quotienten K ist, – dass durch Wertepaare des Rohrinnendurchmessers d und des Quotienten K bestimmte Punkte in einem Koordinatensystem zwischen einer Geraden A und einer Geraden B liegen, – wobei zur Bildung des Quotienten K der summierte Massendurchsatz aller Rohre bei 100% Dampfleistung dividiert ist durch die Summe aller Rohraussendurchmesser der betreffenden Verdampferheizfläche und – wobei Punkte entsprechend den Wertepaaren d1 = 11,1 mm bei K1 = 7,9 kg/s m und d2 = 41,1 mm bei K2 = 29,3 kg/s m, auf der Geraden A liegen und – wobei die Punkte entsprechend den Wertepaaren d3 = 12,1 mm bei K3 = 3,4 kg/s m und d4 = 36,4 mm bei K4 = 10,3 kg/s m auf der Geraden B liegen.Solar thermal continuous steam generator ( 21 ), in particular for a solar tower power plant ( 1 ), with substantially vertically arranged steam generator tubes ( 10 ), which have a pipe inside diameter d and are connected in parallel for the flow of a coolant, characterized in that - the pipe inner diameter d is a function of a quotient K, - that by pairs of values of the pipe inner diameter d and the quotient K certain points in a coordinate system between a Straight line A and a straight line B lie, - where the cumulative mass flow rate of all tubes at 100% steam power is divided by the sum of all pipe outside diameters of the relevant evaporator heating surface and - where points corresponding to the value pairs d 1 = 11.1 mm at K 1 = 7.9 kg / sm and d 2 = 41.1 mm at K 2 = 29.3 kg / sm lie on the line A and - wherein the points corresponding to the value pairs d 3 = 12.1 mm at K 3 = 3.4 kg / sm and d 4 = 36.4 mm at K 4 = 10.3 kg / sm lie on the straight line B. Der solarthermische Durchlaufdampferzeuger (21) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der einem Quotienten K zugeordnete Rohrinnendurchmesser d um höchstens 10% kleiner ist als der auf der Geraden A diesem Quotienten K zugeordnete Rohrinnendurchmesser d.The solar thermal continuous steam generator ( 21 ) according to claim 1, characterized in that the pipe inside diameter d associated with a quotient K is smaller by at most 10% than the pipe inner diameter d assigned to the straight line A to this quotient K. Der solarthermische Durchlaufdampferzeuger (21) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der einem, Quotienten K zugeordnete Rohrinnendurchmesser d um höchstens 30% größer ist als der auf der Geraden A diesem Quotienten K zugeordnete Rohrinnendurchmesser d.The solar thermal continuous steam generator ( 21 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the one, quotient K associated pipe inside diameter d is greater than 30% greater than that on the line A of this quotient K associated pipe inner diameter d. Solarturm-Kraftwerk (1) mit einem solarthermischen Durchlaufdampferzeuger (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Solar tower power plant ( 1 ) with a solar thermal continuous steam generator ( 21 ) according to any one of the preceding claims.
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