DE102011004267A1

DE102011004267A1 - Solarthermischer Dampferzeuger

Info

Publication number: DE102011004267A1
Application number: DE102011004267A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Birnbaum; Joachim Brodeßer; Jan Brückner; Martin Effert; Joachim Franke; Gerhard Schlund; Tobias Schulze; Frank Thomas; Gerhard Zimmermann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-02-17
Filing date: 2011-02-17
Publication date: 2012-08-23
Also published as: WO2012110329A2; WO2012110329A3

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Dampferzeuger (1) für eine solarthermische Kraftwerksanlage mit einer Anzahl von solar beheizbaren und ein aufzuheizendes Arbeitsmedium führenden parallel geschalteten Rohren (6), die eine erste (7) und eine zweite Stufe (8) umfassen, wobei eine Druckausgleichseinrichtung (2) zwischen der ersten (7) und der zweiten Stufe (8) angeordnet ist, an der die parallel geschalteten Rohre (6) miteinander in Wirkverbindung stehen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Dampferzeuger für eine solarthermische Kraftwerksanlage mit Direktverdampfung in Parabolrinnenkollektoren oder Fresnel-Kollektoren und bezieht sich insbesondere auf die Vermeidung dynamischer Instabilitäten im Verdampfer. Die Erfindung betrifft ferner eine solarthermische Kraftwerksanlage.
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.
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.
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.
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.
Ein Betrieb eines solchen Kraftwerks im reinen Durchlaufbetrieb war bislang nicht erfolgreich, was sich sehr wahrscheinlich auf die zuvor beschriebenen Instabilitäten zurückführen lässt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Dampferzeuger für eine solarthermische Kraftwerksanlage mit Parabolrinnen- oder Fresnelkollektoren und direkter Verdampfung anzugeben, der für einen stabilen Durchlaufbetrieb geeignet ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Angabe einer solarthermischen Kraftwerksanlage mit stabiler Verdampfung.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen Dampferzeuger gemäß Anspruch 1, sowie eine solarthermische Kraftwerksanlage gemäß Anspruch 7. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
Indem bei einem Dampferzeuger für eine solarthermische Kraftwerksanlage mit einer Anzahl von solar beheizbaren und ein aufzuheizendes Arbeitsmedium führenden parallel geschalteten Rohren, die eine erste und eine zweite Stufe umfassen, eine Druckausgleichseinrichtung zwischen der ersten und der zweiten Stufe angeordnet ist, an der die parallel geschalteten Rohre miteinander in Wirkverbindung stehen, wird der Verdampfer in voneinander weitgehend entkoppelte und damit weitgehend voneinander unabhängige Systeme geteilt.
Bei entsprechender Wahl der Lage der Druckausgleichseinrichtung im Verdampfer können so dynamische Instabilitäten sicher vermieden werden.
Umfangreiche Untersuchungen haben gezeigt, dass der Anteil des Druckverlustes der Zweiphasenströmung bzw. der Dampfstrecke am Gesamtdruckverlust eine entscheidende Rolle bei der Entstehung dynamischer Instabilitäten spielt. Der Anteil dieses Druckverlustes am Gesamtdruckverlust des Systems wird nun durch die erfindungsgemäße Ausbildung minimiert. Die Gefahr, dass dynamische Instabilität auftreten, lässt sich so auf ein für die Dampferzeugung unkritisches Maß reduzieren.
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.
Außerdem wird beim Betrieb des Verdampfers im Durchlaufbetrieb der Eigenbedarf der Anlage reduziert, weil die Umwälzpumpe außer Betrieb geht.
Weiterhin können bei gleichmäßiger Verteilung des Wasser- und Dampfgemisches auf die zweite Stufe des Verdampfers, Schieflagen (in Dampfgehalt bzw. Temperatur) aus der ersten Stufe merklich reduziert werden.
Vorteilhafter Weise ist ein Arbeitsmedium, welches später in einer Turbine entspannt werden soll, in den Rohren direkt verdampfbar, da sich bei der Direktverdampfung durch den Wegfall des solaren Primärkreislaufs gegenüber der indirekten Verdampfung die Investitionskosten reduzieren und der Kraftwerkswirkungsgrad verbessert wird. Zweckmäßiger Weise ist das Arbeitsmedium dabei Wasser.
Vorteilhafter Weise ist die Druckausgleichseinrichtung eine Druckausgleichsleitung und deren Lage ist so gewählt, dass dort im Betrieb ein Dampfgehalt des aufzuheizenden Mediums zwischen 40 und 100% vorliegt. Dabei soll die Strömung in den parallel geschalteten Rohren aber so lange wie möglich nicht durch die Druckausgleichsleitung beeinflusst werden. Zweckmäßiger Weise wird die Druckausgleichsleitung dabei so angeordnet, dass sie zum einen an der am weitesten stromab gelegenen Stelle der parallel geschalteten Rohre zum Liegen kommt und zum anderen aber noch ihren Zweck – nämlich die Vermeidung von Instabilitäten – erfüllt. Vorzugsweise ist der Querschnitt der Druckausgleichsleitung deutlich kleiner als der Querschnitt der Verdampferrohre zu wählen.
Vorteilhafter Weise weist mindestens ein Rohr in seinem Eintrittsbereich, an dem im Betrieb typischerweise ein einphasig unterkühltes Strömungsmedium vorliegt, eine lokale Querschnittsverengung, insbesondere eine Drossel, auf, wodurch sich der relative Anteil des Druckverlusts am Austritt des Systems verringert und somit die Wahrscheinlichkeit für ein Auftreten einer Instabilität noch weiter gesenkt werden kann.
Für eine solarthermische Kraftwerksanlage ist es vorteilhaft, wenn sie einen Dampferzeuger nach der Erfindung umfasst, wobei in vorteilhafter Weise die Rohre Komponenten von Parabolrinnen- oder Fresnel-Kollektoren sind.
Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnung näher erläutert.
Die Figur zeigt schematisch einen Dampferzeuger 1 mit Druckausgleichseinrichtung 2 für ein solarthermisches Kraftwerk mit direkter Verdampfung. 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 Parabolrinnen- oder Fresnel-Kollektoren 5 gebildet, durch deren Rohre 6 aufzuheizendes Arbeitsmedium strömt. Erfindungsgemäß weisen die Sonnenkollektorstränge 3 eine erste 7 und eine zweite Stufe 8 auf, zwischen denen die Druckausgleichseinrichtung 2 angeordnet ist, durch die dynamische Instabilitäten im Dampferzeuger 1 vermieden werden.
Die Lage der Druckausgleichseinrichtung 2, die hier als Drucksausgleichsleitungen zwischen den parallelen Rohren 6 der einzelnen Sonnenkollektorsträngen 3 ausgebildet ist, ist dabei so gewählt, dass der Dampfgehalt des aufzuheizenden Mediums, das heißt, des Speisewassers, zwischen 40 und 100%, beispielsweise bei 60% liegt.
Die von der Speisewasserleitung 4 abzweigenden Rohre 6 der ersten Stufe 7 weisen hier zudem an ihrem Eintritt lokale Querschnittsverengungen 9, beispielsweise Drosseln 10, auf. Die Drosseln 10 gewährleisten praktisch über den gesamten Lastbereich des solarthermischen Durchlaufdampferzeugers einen erhöhten Druckverlust in dessen Eintrittsbereich. Dabei wird ein stabiler und gleichmäßiger Durchfluss des vorgewärmten Speisewassers durch die Rohre 6 gefördert.

Claims

Dampferzeuger (1) für eine solarthermische Kraftwerksanlage mit einer Anzahl von solar beheizbaren und ein aufzuheizendes Arbeitsmedium führenden parallel geschalteten Rohren (6), die eine erste (7) und eine zweite Stufe (8) umfassen, wobei eine Druckausgleichseinrichtung (2) zwischen der ersten (7) und der zweiten Stufe (8) angeordnet ist, an der die parallel geschalteten Rohre (6) miteinander in Wirkverbindung stehen.
Dampferzeuger (1) nach Anspruch 1, wobei das Arbeitsmedium in den Rohren (6) direkt verdampfbar ist.
Dampferzeuger (1) nach Anspruch 2, wobei das Arbeitsmedium Wasser ist.
Dampferzeuger (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Lage der Druckausgleichseinrichtung (2) so gewählt ist, dass der Dampfgehalt des aufzuheizenden Mediums, das heißt, des Speisewassers, zwischen 40 und 100% liegt.
Dampferzeuger (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Rohr (6) in seinem Eintrittsbereich eine lokale Querschnittsverengung (9) aufweist.
Dampferzeuger (1) nach Anspruch 5, wobei die lokale Querschnittsverengung (9) eine Drossel (10) ist.
Solarthermische Kraftwerksanlage mit einem Dampferzeuger (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Solarthermische Kraftwerksanlage nach Anspruch 6, wobei die die Rohre (6) Komponenten von Parabolrinnen- oder Fresnel-Kollektoren (5) sind.