DE102011004265A1 - Solar collector strand for a solar thermal continuous steam generator - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sonnenkollektorstrang (3) für einen solarthermischen Durchlaufdampferzeuger (1) mit einem solar beheizbaren Rohrstrang (7) zum Führen eines zu verdampfenden Mediums, wobei der Rohrstrang (7) einen Querschnitt aufweist, der in Strömungsrichtung des zu verdampfenden Mediums variiert. Die Erfindung betrifft ferner einen solarthermischen Durchlaufdampferzeuger (1) und eine solarthermische Kraftwerksanlage.The invention relates to a solar collector string (3) for a solar thermal once-through steam generator (1) with a solar heatable pipe string (7) for guiding a medium to be evaporated, the pipe string (7) having a cross-section which varies in the flow direction of the medium to be evaporated. The invention also relates to a solar thermal once-through steam generator (1) and a solar thermal power plant.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Sonnenkollektorstrang für einen solarthermischen Durchlaufdampferzeuger für eine solarthermische Kraftwerksanlage mit einer Anzahl von solar beheizbaren und ein aufzuheizendes Medium führenden Rohren. Die Erfindung betrifft weiterhin eine solarthermische Kraftwerksanlage.The invention relates to a solar collector strand for a solar thermal continuous steam generator for a solar thermal power plant with a number of solar heatable and a medium to be heated leading tubes. The invention further relates to a solar thermal power plant.

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.Solar thermal power plants represent an alternative to conventional electricity generation. At present, solar thermal power plants with parabolic trough collectors and indirect evaporation are carried out. One option is direct evaporation in parabolic trough collectors or Fresnel collectors.

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.A solar thermal power plant with parabolic trough collectors or Fresnel collectors and direct evaporation consists of a solar field in which the feed water is preheated, evaporated and superheated, and a conventional power plant part in which the thermal energy of the water vapor is converted into electrical energy.

Bei solarthermischen Kraftwerken mit direkter Verdampfung kommen bislang in den Empfängern (”Receiver”) Glattrohre mit der gleichen Rohrgeometrie in allen Verdampferkollektoren zum Einsatz. Aufgrund der großen Rohrlänge und der insgesamt hohen Beheizung neigt die Strömung des Fluids in den Verdampferkollektoren zu dynamischen Instabilitäten.In solar thermal power plants with direct evaporation so far in the receivers ("Receiver") smooth tubes with the same tube geometry in all evaporator collectors are used. Due to the large tube length and the overall high heating, the flow of fluid in the evaporator collectors tends to dynamic instabilities.

Bislang werden die solarthermischen Kraftwerke mit Parabolrinnenkollektoren oder Fresnel-Kollektoren im Umwälzbetrieb gefahren. Das den Verdampferkollektoren zugeführte Wasser wird nicht vollständig verdampft, sondern in einem Abscheider vom Dampf abgetrennt. Das Wasser wird dem Verdampfer anschließend über eine Umwälzpumpe wieder zugeführt und der Dampf strömt zu den Überhitzerheizflächen.So far, the solar thermal power plants are operated with parabolic trough collectors or Fresnel collectors in circulation operation. The water supplied to the evaporator collectors is not completely evaporated, but separated from the steam in a separator. The water is then returned to the evaporator via a recirculation pump and the steam flows to the superheater heating surfaces.

Ein Betrieb eines solchen Kraftwerks im reinen Durchlaufbetrieb war bislang nicht erfolgreich, was sich sehr wahrscheinlich auf Instabilitäten zurückführen lässt.Operation of such a power plant in pure continuous operation has not been successful so far, which is very likely due to instabilities.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Sonnenkollektorstrang für einen solarthermischen Dampferzeuger für eine solarthermische Kraftwerksanlage mit Parabolrinnen- oder Fresnel-Kollektoren und direkter Verdampfung anzugeben, der für einen stabilen Durchlaufbetrieb geeignet ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Angabe eines solarthermischen Durchlaufdampferzeuges sowie einer solarthermischen Kraftwerksanlage mit stabiler Verdampfung.The object of the invention is therefore to provide a solar collector strand for a solar thermal steam generator for a solar thermal power plant with parabolic trough or Fresnel collectors and direct evaporation, which is suitable for stable continuous operation. Another object of the invention is to provide a solar thermal continuous steam generator and a solar thermal power plant with stable evaporation.

Die auf einen Sonnenkollektorstrang gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Die auf einen solarthermischen Durchlaufdampferzeuger und eine solarthermische Kraftwerksanlage gerichteten Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale der Ansprüche 7 und 8.The task directed to a solar collector strand is achieved by the features of claim 1. The directed to a solar thermal continuous steam generator and a solar thermal power plant tasks are inventively achieved by the features of claims 7 and 8.

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. 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 der Dampferzeugerrohre destabilisierend wirkt. Der Anteil dieses Druckverlustes am Gesamtdruckverlust des Systems ist deshalb zur Vermeidung einer Instabilität zu minimieren. Dazu wird vorgeschlagen, dass zur Stabilisierung der Verdampferheizfläche in einem Sonnenkollektorstrang für einen solarthermischen Durchlaufdampferzeuger mit einem solar beheizbaren Rohr zum Führen eines zu verdampfenden Mediums, der Strömungsquerschnitt des Rohrs variiert.For a high thermodynamic efficiency, thermal power plants are operated at high (i.a., supercritical) pressures. For this purpose, the evaporator must be designed as Durchlaufheizflächen because they are subject to no pressure limit, in contrast to a natural or forced circulation steam generator, so that live steam pressures far above the critical pressure of water are possible. This high live steam pressure promotes a high thermodynamic efficiency of a power plant. In addition, a continuous steam generator in comparison to a circulating steam generator a simple construction and is thus produced with very little effort. Furthermore, it is known that especially the friction pressure loss of the two-phase flow or the steam section at the outlet of the steam generator tubes acts destabilizing. The proportion of this pressure loss in the total pressure loss of the system is therefore to minimize instability to minimize. For this purpose, it is proposed that for stabilizing the evaporator heating surface in a solar collector strand for a solar thermal continuous steam generator with a solar heated tube for guiding a medium to be evaporated, the flow cross section of the tube varies.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vergrößert sich der Strömungsquerschnitt des Rohrs in Strömungsrichtung des zu verdampfenden Mediums.In an advantageous embodiment of the invention, the flow cross-section of the tube increases in the flow direction of the medium to be evaporated.

Dabei kann es vorteilhaft sein, wenn sich der Strömungsquerschnitt des Rohrs in Strömungsrichtung des zu verdampfenden Mediums infolge einer Reduzierung einer Wandstärke der Dampferzeugerrohre vergrößert.It may be advantageous if the flow cross-section of the tube increases in the flow direction of the medium to be evaporated as a result of a reduction of a wall thickness of the steam generator tubes.

Alternativ dazu kann es auch vorteilhaft sein, wenn sich der Strömungsquerschnitt des Rohrs in Strömungsrichtung des zu verdampfenden Mediums infolge einer Vergrößerung eines Dampferzeugerrohrumfangs vergrößert.Alternatively, it may also be advantageous if the flow cross-section of the tube increases in the flow direction of the medium to be evaporated as a result of an enlargement of a steam generator tube circumference.

Zweckmäßiger Weise ist das zu verdampfende Medium Wasser.Conveniently, the medium to be evaporated is water.

Vorteilhafter Weise umfasst das Rohr Absorberrohre von Parabolrinnen- oder Fresnel-Kollektoren.Advantageously, the tube comprises absorber tubes of parabolic trough or Fresnel collectors.

Für einen solarthermischen Durchlaufdampferzeuger ist es vorteilhaft, wenn er einen Kollektorstrang nach der Erfindung umfasst. Ebenso ist es vorteilhaft, wenn eine solarthermische Kraftwerksanlage einen solchen Durchlaufdampferzeuger umfasst.For a solar thermal continuous steam generator, it is advantageous if it comprises a collector string according to the invention. Likewise, it is advantageous if a solar thermal power plant comprises such a continuous steam generator.

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 mit direkter Verdampfung 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 generators in solar thermal power plants with direct evaporation.

Der Druckverlust der Zweiphasenströmung bzw. der Dampfstrecke wirkt wie eine Drossel am Austritt des Systems und ist destabilisierend. Der Anteil dieses Druckverlustes am Gesamtdruckverlust des Systems ist beim Auftreten einer Instabilität zu minimieren. Dies wird durch die in der Erfindung vorgeschlagene Maßnahme wirkungsvoll erreicht.The pressure loss of the two-phase flow or vapor path acts as a throttle at the outlet of the system and is destabilizing. The proportion of this pressure loss in the total pressure loss of the system should be minimized if instability occurs. This is effectively achieved by the measure proposed in the invention.

Die dynamisch stabilen Heizflächen des Verdampfers können dann auch im Durchlaufbetrieb gefahren werden, wodurch sich insbesondere für ein solarthermisches Kraftwerk große Vorteile ergeben. Im Durchlaufbetrieb ist der Verdampfungsendpunkt innerhalb des Verdampfers flexibel. Das Fluid kann bereits im Verdampfer überhitzt werden und damit kann auf Schwankungen in der Beheizung von Verdampfer und Überhitzer flexibel reagiert werden.The dynamically stable heating surfaces of the evaporator can then be run in continuous operation, which results in particular for a solar thermal power plant great advantages. In continuous operation, the evaporation end point within the evaporator is flexible. The fluid can already be overheated in the evaporator and thus can be reacted flexibly to fluctuations in the heating of the evaporator and superheater.

Außerdem wird beim Betrieb des Verdampfers im Durchlaufbetrieb der Eigenbedarf der Anlage reduziert, weil die Umwälzpumpe außer Betrieb geht.In addition, the internal consumption of the system is reduced during operation of the evaporator in continuous operation, because the circulation pump is out of operation.

Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnung näher erläutert.The invention will be explained in more detail by way of example with reference to the drawing.

Die Figur zeigt schematisch einen Dampferzeuger 1 für ein solarthermisches Kraftwerk mit Parabolrinnenkollektoren 2 und direkter Verdampfung. Alternativ zu den Parabolrinnenkollektoren 2 können auch Fresnel-Kollektoren verwendet werden. Der Dampferzeuger 1 weist mehrere parallel geschaltete Sonnenkollektorstränge 3 zur Verdampfung von Speisewasser auf, das über eine Speisewasserleitung 4 zugeführt wird. Die Sonnenkollektorstränge 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 einen Rohrstrang 7. Erfindungsgemäß ist die Durchlaufheizfläche derart ausgelegt, dass der Strömungsquerschnitt entlang dem Rohrstrang 7 in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums vergrößert wird. Dies kann beispielsweise durch eine Reduzierung der Rohrwandstärke oder durch die Wahl eines größeren Strömungsquerschnitts erreicht werden. Die erzielte Verringerung des Reibungsdruckverlustes der Zweiphasenströmung beziehungsweise der Dampfströmung wirkt sich stabilisierend auf die Strömung aus.The figure shows schematically a steam generator 1 for a solar thermal power plant with parabolic trough collectors 2 and direct evaporation. Alternative to the parabolic trough collectors 2 also Fresnel collectors can be used. The steam generator 1 has several parallel solar collector strands 3 for the evaporation of feed water via a feed water line 4 is supplied. The solar collector strands 3 are made of parabolic trough collectors connected in series 2 formed by their absorber tubes 5 a working fluid to be heated flows. The absorber pipes connected in series 5 optionally with intermediate pieces 6 connected form a pipe string 7 , According to the invention, the continuous heating surface is designed such that the flow cross section runs along the pipe string 7 is increased in the flow direction of the working medium. This can be achieved for example by reducing the pipe wall thickness or by choosing a larger flow cross-section. The achieved reduction of the friction pressure loss of the two-phase flow or the steam flow has a stabilizing effect on the flow.

Claims (8)

Sonnenkollektorstrang (3) für einen solarthermischen Durchlaufdampferzeuger (1) mit einem solar beheizbaren Rohrstrang (7) zum Führen eines zu verdampfenden Mediums, wobei der Rohrstrang (7) einen Querschnitt aufweist, der in Strömungsrichtung des zu verdampfenden Mediums variiert.Solar collector strand ( 3 ) for a solar thermal continuous steam generator ( 1 ) with a solar heated pipe string ( 7 ) for guiding a medium to be evaporated, wherein the tubing string ( 7 ) has a cross section which varies in the flow direction of the medium to be evaporated. Sonnenkollektorstrang (3) nach Anspruch 1, wobei sich der Strömungsquerschnitt des Rohrstrangs (7) in Strömungsrichtung des zu verdampfenden Mediums vergrößert.Solar collector strand ( 3 ) according to claim 1, wherein the flow cross section of the pipe string ( 7 ) increases in the flow direction of the medium to be evaporated. Sonnenkollektorstrang (3) nach Anspruch 2, wobei sich der Strömungsquerschnitt des Rohrstrangs (7) in Strömungsrichtung des zu verdampfenden Mediums infolge einer Reduzierung einer Wandstärke des Rohrstrangs (7) vergrößert.Solar collector strand ( 3 ) according to claim 2, wherein the flow cross section of the pipe string ( 7 ) in the flow direction of the medium to be evaporated due to a reduction in a wall thickness of the pipe string ( 7 ). Sonnenkollektorstrang (3) nach Anspruch 2, wobei sich der Strömungsquerschnitt des Rohrstrangs (7) in Strömungsrichtung des zu verdampfenden Mediums infolge einer Vergrößerung eines Rohrumfangs vergrößert.Solar collector strand ( 3 ) according to claim 2, wherein the flow cross section of the pipe string ( 7 ) increases in the flow direction of the medium to be evaporated due to an increase in a pipe circumference. Sonnenkollektorstrang (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zu verdampfende Medium Wasser ist.Solar collector strand ( 3 ) according to any one of the preceding claims, wherein the medium to be evaporated is water. Sonnenkollektorstrang (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Rohrstrang (7) Absorberrohre (5) von Parabolrinnen- (2) oder Fresnel-Kollektoren umfasst.Solar collector strand ( 3 ) according to one of the preceding claims, in which the tubing string ( 7 ) Absorber tubes ( 5 ) of parabolic trough ( 2 ) or Fresnel collectors. Solarthermischer Durchlaufdampferzeuger (1) mit parallel geschalteten Sonnenkollektorsträngen (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Solar thermal continuous steam generator ( 1 ) with parallel solar collector strands ( 3 ) according to any one of the preceding claims. Solarthermische Kraftwerksanlage mit einem Durchlaufdampferzeuger (1) nach Anspruch 7.Solar thermal power plant with a continuous steam generator ( 1 ) according to claim 7.
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