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Die Erfindung betrifft einen Verdampfer mit T-Abscheider für einen solarthermischen Durchlaufdampferzeuger für ein solarthermisches Kraftwerk.
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Solarthermische Kraftwerke stellen eine Alternative zur herkömmlichen Stromerzeugung dar. Zurzeit werden solarthermische Kraftwerke mit Parabolrinnenkollektoren und indirekter Verdampfung ausgeführt. Eine Option stellt die direkte Verdampfung in Parabolrinnenkollektoren oder Fresnel-Kollektoren dar.
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Ein solarthermisches Kraftwerk mit Parabolrinnenkollektoren oder Fresnel-Kollektoren und direkter Verdampfung besteht aus einem Solarfeld, in dem das Speisewasser vorgewärmt, verdampft und überhitzt wird, und aus einem konventionellen Kraftwerksteil, in dem die thermische Energie des Wasserdampfes in elektrische Energie umgewandelt wird.
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Für einen hohen thermodynamischen Wirkungsgrad werden thermische Kraftwerke bei hohen, i. a. überkritischen 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.
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Im Schwachlastbetrieb oder beim Anfahren wird ein Durchlaufdampferzeuger üblicherweise mit einem Mindeststrom an Strömungsmedium in den Verdampferrohren betrieben, um eine sichere Kühlung der Verdampferrohre zu gewährleisten. Dazu reicht gerade bei niedrigen Lasten von beispielsweise weniger als 40% der Auslegungslast der reine Durchlaufmassenstrom durch den Verdampfer üblicherweise nicht mehr zur Kühlung der Verdampferrohre aus, so dass dem Durchlauf an Strömungsmedium durch den Verdampfer im Umlauf ein zusätzlicher Durchsatz an Strömungsmedium überlagert wird. Der betriebsgemäß vorgesehene Mindeststrom an Strömungsmedium in den Verdampferrohren wird somit beim Anfahren oder im Schwachlastbetrieb in den Verdampferrohren nicht vollständig verdampft, so dass bei einer derartigen Betriebsart am Ende der Verdampferrohre noch unverdampftes Strömungsmedium, insbesondere ein Wasser-Dampf-Gemisch, vorhanden ist.
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Da die den Verdampferrohren des Durchlaufdampferzeugers nachgeschalteten Überhitzerrohre in der Regel nicht für eine Durchströmung unverdampften Strömungsmediums ausgelegt sind, sind Durchlaufdampferzeuger üblicherweise derart ausgelegt, dass auch beim Anfahren und im Schwachlastbetrieb ein Wassereintritt in die Überhitzerrohre sicher vermieden wird. Dazu sind die Verdampferrohre üblicherweise mit den ihnen nachgeschalteten Überhitzerrohren über ein Wasserabscheidesystem verbunden. Der Wasserabscheider bewirkt dabei eine Trennung des beim Anfahren oder im Schwachlastbetrieb aus den Verdampferrohren austretenden Wasser-Dampf-Gemisches in Wasser und in Dampf. Der Dampf wird den dem Wasserabscheider nachgeschalteten Überhitzerrohren zugeführt, wohingegen das abgeschiedene Wasser beispielsweise über eine Umwälzpumpe wieder den Verdampferrohren zugeführt oder über einen Entspanner abgeführt werden kann.
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Die o. g. Wasserabscheidung kann beispielsweise durch sogenannte Zyklon-Abscheider realisiert werden. Zyklon-Abscheider sind relativ große, dickwandige Bauteile und bauartbedingt ist eine Durchspeisung dieser Zyklon-Abscheider mit Wasser nur bedingt möglich. Damit muss die für die Verdampfung nutzbare Heizfläche in Strömungsrichtung vor den Abscheidern liegen und ist somit begrenzt. Dies hat zur Folge, dass die Frischdampftemperatur nur in kleinen Grenzen durch die Speisewassermenge geregelt werden kann. Für einen größeren Regelbereich sind Einspritzkühler erforderlich.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen solarthermischen Verdampfer für die Direktverdampfung für einen flexiblen Betrieb anzugeben. Des Weiteren soll ein entsprechend verbesserter Durchlaufdampferzeuger, sowie ein solarthermisches Kraftwerk mit hohem thermodynamischem Wirkungsgrad angegeben werden.
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Erfindungsgemäß soll der o. g. Zyklonabscheider durch einen sogenannten T-Abscheider ersetzt werden. Durch den Einsatz eines T-Abscheiders ist ein Überspeisen des Verdampfers (ohne Wasserabscheidung) möglich. Dadurch kann der Verdampfungsendpunkt in den dem Verdampfer nachgeschalteten Überhitzer verschoben werden.
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Der T-Abscheider umfasst dabei in vorteilhafter Weise ein Einströmrohr, das mit dem vorgeschalteten Verdampferrohr verbunden ist, ein Wasserableitrohr, das sich an das Einströmrohr anschließt, und ein Abströmrohr, das vom Einströmrohr abzweigt, um einen Dampfanteil eines im Einströmrohr strömenden Wasser-Dampf-Gemischs einem Überhitzer zuzuführen.
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Durch diese Bauweise ist der T-Abscheider für eine Trägheitsseparation des aus dem vorgeschalteten Verdampferrohr in das Einströmrohr einströmenden Wasser-Dampf-Gemisches ausgelegt. Aufgrund seiner vergleichsweise höheren Trägheit strömt nämlich der Wasseranteil des im Einströmrohr strömenden Strömungsmediums an der Übergangsstelle vom Einströmrohr zum Abströmrohr bevorzugt in axialer Verlängerung des Einströmrohrs weiter und gelangt somit in das Wasserableitrohr und von dort aus üblicherweise weiter in einen angeschlossenen Sammelbehälter. Der Dampfanteil des im Einströmrohr strömenden Wasser-Dampf-Gemisches kann hingegen aufgrund seiner vergleichsweise geringeren Trägheit besser einer aufgezwungenen Umlenkung folgen und strömt somit über das Abströmrohr zum nachgeschalteten Überhitzerrohr.
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Konstruktionsbedingt ist darüber hinaus die Übergabe von Strömungsmedium an die Überhitzerrohre nicht nur auf Dampf beschränkt, vielmehr kann nunmehr auch ein Wasser-Dampf-Gemisch an die Überhitzerrohre weitergeführt werden, indem die Wasserabscheideelemente überspeist werden. Dadurch kann der Verdampfungsendpunkt bedarfsweise in die Überhitzerrohre hineinverschoben werden. Damit ist eine besonders hohe betriebliche Flexibilität auch im Anfahr- oder Schwachlastbetrieb des Durchlaufdampferzeugers erreichbar. Insbesondere kann die Frischdampftemperatur in vergleichsweise großen Grenzen durch Beeinflussung der Speisewassermenge geregelt werden.
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Um eine Überspeisung des T-Abscheiders herbei führen zu können, ist vorteilhafter Weise ein Auslassventil im Wasserableitrohr angeordnet.
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Zweckmäßiger Weise umfassen die Kollektorstränge konzentrierende Kollektoren, wie beispielsweise Parabolrinnenkollektoren oder Fresnel-Kollektoren.
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Der Durchlaufverdampfer ist dabei nach besonders vorteilhafter Ausgestaltung in einen Dampferzeuger integriert, der wiederum Teil einer solarthermischen Kraftwerksanlage mit direkter Verdampfung, insbesondere mit konzentrierenden solaren Kollektoren, ist.
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Durch die Erfindung ergeben sich die Vorteile, dass der bisher übliche Zyklon-Abscheider und die bisher übliche Temperaturüberwachung für den Zyklon-Abscheider entfallen können.
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Der integrierte Abscheider kann mit Wasser, Wasser-Dampf Gemisch oder Dampf durchspeist werden. Dadurch kann auch der gesamte Überhitzer als Verdampfer genutzt werden. Damit kann die Frischdampftemperatur bis hinunter zur Sättigungstemperatur über die Speisewassermenge so beeinflusst werden, dass die bisher üblichen Einspritzkühler entfallen können.
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Die erfindungsgemäße Gestaltung des solarthermischen Verdampfers wird anhand der Zeichnungen näher erläutert.
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Im Einzelnen zeigen:
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1 einen Verdampfer eines solarthermischen Kraftwerks mit konzentrierenden solaren Kollektoren und einem Zyklon-Abscheider nach dem Stand der Technik,
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2 einen Verdampfer eines solarthermischen Kraftwerks mit konzentrierenden solaren Kollektoren und einem T-Abscheider und
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3 das Funktionsprinzip eines T-Abscheiders.
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Einander entsprechende Teile sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die 1 zeigt schematisch einen Durchlaufverdampfer 1 für ein solarthermisches Kraftwerk mit Parabolrinnenkollektoren 2 und direkter Verdampfung. Alternativ zu den Parabolrinnenkollektoren 2 können auch andere konzentrierende Kollektoren, wie Fresnel-Kollektoren, verwendet werden. Der Durchlaufverdampfer 1 weist mehrere parallel geschaltete Kollektorstränge 3 zur Verdampfung von Speisewasser auf, das über eine Speisewasserleitung 4 zugeführt wird. Die Kollektorstränge 3 werden aus hintereinander geschalteten Parabolrinnenkollektoren 2 gebildet, durch deren Absorberrohre 5 ein aufzuheizendes Arbeitsmedium strömt. Die hintereinander geschalteten Absorberrohre 5, die gegebenenfalls mit Zwischenstücken 6 verbunden sind, bilden ein Verdampferrohr 7.
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Der den Verdampferrohren 7 nachgeschaltete Zyklon-Abscheider 8 ist insbesondere im Anfahrbetrieb notwendig, wenn zur sicheren Kühlung der Verdampferrohre 7 eine größere Menge an Strömungsmedium eingepumpt werden muss, als in einem Verdampferrohrdurchlauf verdampft werden kann. Der Dampf 9 wird den dem Wasserabscheider nachgeschalteten Überhitzerrohren zugeführt, wohingegen das abgeschiedene Wasser 10 beispielsweise über eine Umwälzpumpe wieder den Verdampferrohren 7 zugeführt oder über einen Entspanner abgeführt werden kann.
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2 zeigt den Durchlaufverdampfer 11 eines solarthermischen Kraftwerks nach der Erfindung, bei dem die Verdampferrohre 7 in einen T-Abscheider 12 münden. Das kann, wie in 2 gezeigt, über eine Sammelleitung geschehen. Prinzipiell könnte aber auch am Ende jedes Verdampferrohrs 7 ein T-Abscheider 12 angeordnet sein. Am T-Abscheider 12 münden die Verdampferrohre 7 oder ggfs. eine Sammelleitung in ein Einströmrohr 13, das, wie 3 im Detail zeigt, in seiner Längsrichtung gesehen in ein Wasserableitrohr 14 übergeht, wobei im Übergangsbereich ein Abströmrohr 15 abzweigt. Das anteilige Wasser 10 fließt bedingt durch seine vergleichsweise größere Massenträgheit in das in Längsrichtung folgende Wasserableitrohr 14. Der Dampf 9 hingegen folgt aufgrund seiner vergleichsweise geringeren Massenträgheit der durch die Druckverhältnisse aufgezwungenen Umlenkung in das Abströmrohr 15. Dem Abströmrohr 15 sind Überhitzerrohre nachgeschaltet.
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Im Wasserableitrohr 14 ist ein Auslassventil 16 angeordnet, über das das abgeschiedene Wasser 10 entweder verworfen oder erneut dem Verdampfungskreislauf zugeführt werden kann. Bedarfsweise kann das Auslassventil 16 geschlossen werden und so eine Überspeisung des T-Abscheiders 12 herbeigeführt werden. Dabei tritt noch unverdampftes Wasser in die Überhitzerrohre ein, so dass diese noch zur weiteren Verdampfung genutzt werden können, d. h., der Verdampfungsendpunkt kann in die Überhitzerrohre hineinverlagert werden, was eine vergleichsweise höhere Flexibilität im Betrieb des Durchlaufdampferzeugers ermöglicht.
