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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines direkt beheizten, solarthermischen Dampferzeugers, bei dem einer Vorrichtung zur Einstellung des Speisewassermassenstroms Ṁ ein Sollwert Ṁs für den Speisewassermassenstrom Ṁ zugeführt wird. Sie bezieht sich weiterhin auf einen direkt beheizten solarthermischen Dampferzeuger mit einer Vorrichtung zum Einstellen des Speisewassermassenstroms Ṁ, und ein solarthermisches Parabolrinnenkraftwerk mit einem direkt beheizten solarthermischen Dampferzeuger.
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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.
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Solarthermische Kraftwerke stellen eine Alternative zur herkömmlichen Stromerzeugung dar. Zurzeit werden solarthermische Kraftwerke mit Parabolrinnenkollektoren und indirekter Verdampfung ausgeführt. Eine zukünftige 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.
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Im instationären Betrieb (z. B. Lastwechsel) muss bei zwangdurchströmten Parabolrinnenkollektoren bzw. Fresnel-Kollektoren mit Direktverdampfung der Verdampferdurchfluss möglichst synchron zu dem Wärmeeintrag in die Verdampferheizflache verändert werden. Die Sollwertführung der Speisewasserdurchflussregelung stellt im Anfahr- und Schwachlastbetrieb, sowie im Zwangdurchlaufbetrieb die notwendigen Speisewasser Sollwerte in Abhängigkeit des Anlagenzustands bereit. Sie hat bei instationärem Verhalten des Solarfelds die Aufgabe, strömungsmediumsseitig eine gewünschte Verdampferaustrittsenthalpie zu gewährleisten und damit zusammenhängend insbesondere große Temperaturschwankungen des Dampfes am Verdampferaustritt mit allen überlagerten Effekten (z. B. Frischdampftemperaturschwankungen) zu verhindern.
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Änderungen des Wärmeeintrags in die Verdampferheizflache des Solarfelds und/oder Störungen der Verdampfereintrittsenthalpie wirken sich bei gegebener Durchströmung unmittelbar auf die Verdampferaustrittsenthalpie aus. Eine Anpassung des Verdampferdurchsatzes kann im schnellsten Fall erst nach einer Regelabweichung durchgeführt werden, was unter Umständen gerade für schnelle Lasttransienten (z. B. Wolkendurchzug) für die Gewährleistung einer schwankungsfreien Austrittstemperatur zu träge sein kann. Die Regelung hinkt unter diesen Umständen grundsätzlich der Änderung des solarseitigen Wärmeangebots hinterher. Starke Störungen thermodynamischer Zustandswerte (insbesondere hohe Temperaturschwankungen im Wasser-Dampf-Kreislauf des Solarfelds) sind die Folge.
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In heutigen Parabolrinnenkraftwerken mit Direktverdampfung wird der Verdampfer überspeist. Über eine entsprechende Vorrichtung (Wasser-Dampf-Abscheider) wird das am Verdampferaustritt überschüssige, noch nicht verdampfte Wasser vom Dampf getrennt. Der Dampf strömt in die folgenden Überhitzerkollektoren. Das überschüssige Wasser wird entweder im Abscheider selbst oder in einer nachgeschalteten Flasche (Wassersammelgefäß) gesammelt, im weiteren Verlauf über eine Abschlämmarmatur ausgeschleust und im günstigsten Fall am Verdampfereintritt dem Hauptstrom wieder beigemischt (umgewälzt).
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Unter diesen Voraussetzungen wird zur Regelung des benötigten Verdampferdurchflusses üblicherweise eine sogenannte Drei-Komponenten Regelung eingesetzt, die in Abhängigkeit des erzeugten Dampfmassenstromes im günstigsten Fall genau die gleiche Menge Speisewasser nachfördert. Ein Korrekturregler, der beispielsweise den Wasserstand im Wassersammelgefäß regelt, korrigiert die so ermittelte Speisewassermenge, sollte der tatsachliche Wasserstand vom vorgegebenen Sollwert abweichen (z. B. bei dynamischen Vorgängen und zur Berücksichtigung notwendiger Ablaufmassenströme während des Abschlämmens).
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Der Vorteil dieses Verfahrens liegt in der schwankungsarmen Mediumstemperatur am Verdampferaustritt, da diese der Sättigungstemperatur entspricht. Darüber hinaus ist im Vergleich zu einem Durchlaufkonzept, bei dem in der Regel überhitztes Strömungsmedium am Verdampferaustritt vorliegt, mit sehr großer Wahrscheinlichkeit eine stabilere Strömungsform zu erreichen, werden für das Durchlaufkonzept nicht zusätzliche, strömungsstabilisierende Maßnahmen ergriffen. Da allerdings der Verdampfungsendpunkt auf den Verdampferaustritt örtlich fixiert ist, entfällt der Vorteil der betrieblichen Flexibilität eines Zwangdurchlaufdampferzeugers mit variablem Verdampfungsendpunkt, wie z. B. möglichst konstante Frischdampftemperaturen über einem weiten Lastbereich zu gewährleisten. Unter diesen Umständen steigen die Anforderungen an das Frischdampftemperaturregelungssystem. Des Weiteren ist eine vernünftige Regelung des Wasserstandes im Wassersammelgefäß gerade für schnelle Lasttransienten aufgrund des geringen Volumens des Wassersammelgefäßes und dem großen Zeitverzögerungsverhalten der Regeistrecke nur schwer bzw. gar nicht realisierbar.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben eines direkt solarbeheizten Zwangsdurchlauf-Dampferzeugers bereitzustellen, das sich insbesondere bei instationären Vorgängen durch eine besonders hohe Zuverlässigkeit und der Qualität der Regelbarkeit auszeichnet. Des Weiteren soll ein für die Durchführung des Verfahrens besonders geeigneter solarthermischer Dampferzeuger angegeben werden.
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Die auf ein Verfahren gerichtete Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, ein Konzept einer prädiktiven oder vorausschauenden Massenstromregelung für einen direkt beheizten, solarthermischen Dampferzeuger zur Verbesserung der Ansteuerqualität bei der Einstellung des Speisewassermassenstroms Ṁ anzuwenden. Kern der Erfindung ist es dabei, bei der Ermittlung eines geeigneten Sollwerts Ṁs für den Speisewassermassenstrom Ṁ konsequent als einschlägig erkannte Korrekturwerte zu berücksichtigen. Durch die Berücksichtigung eines Korrekturwertes KT ist es möglich, thermische Speichereffekte auszugleichen, die insbesondere bei instationären Vorgängen in Form von Ein- oder Ausspeicherung von thermischer Energie auftreten.
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Die Art der prädiktiven Speisewasserdurchflussregelung ermöglicht Abweichungen der spezifischen Enthalpie am Verdampferaustritt vom Sollwert und daraus resultierende unerwünscht große Temperaturschwankungen in allen Betriebszuständen des Dampferzeugers, also insbesondere auch in transienten Zuständen oder bei Lastwechseln, möglichst gering zu halten. Dabei werden insbesondere auch bei Lastwechseln die notwendigen Speisewasser-Sollwerte in Abhängigkeit vom aktuellen oder für die nächste Zukunft zu erwartenden Betriebszustand bereitgestellt.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden durch den Korrekturwert KT die thermischen Speichereffekte von ein- oder ausgespeicherter thermischer Energie der Rohrwände des Verdampfers des solarthermischen Dampferzeugers korrigiert.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird bei der Einstellung des Sollwerts Ṁs weiterhin die Gesamtwärmemenge Q . des solarthermischen Dampferzeugers berücksichtigt. Auf diese Weise ist eine besonders bedarfsgerechte, am Anlagen-Ist Zustand orientierte vorgesteuerte Berechnung der erforderlichen Speisewassermenge auf der Grundlage einer Wärmestrombilanzierung ermöglicht.
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In einer besonders vorteilhaften Weiterentwicklung des Verfahrens wird bei der Einstellung des Sollwerts Ṁs weiterhin ein Korrekturwert KF berücksichtigt, wobei in einem ersten Ansatz durch den Korrekturwert KF wasser-dampfseitige bzw. strömungsmediumsseitige Speichereffekte des Verdampfers des solarthermischen Dampferzeugers korrigiert werden.
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Tritt das Speisewasser mit einer relativ hohen Eintrittsunterkühlung in das Solarkollektorfeld ein, ist eine Nutzung eines oder mehrerer Solarkollektoren zur zusätzlichen Vorwärmung des Speisewassers denkbar (vergleichbar mit Economizerheizflächen typischer fossil befeuerter Kraftwerke). Auch in diesen als Economizer genutzten Solarkollektoren treten bei transienten Vorgängen fluidseitige Ein- und Ausspeichereffekte auf. Bei einer Massenstrommessstelle am Eintritt des Solarkolletorfeldes und einem Speisewasserregler, der sich auf diese Messstelle bezieht, wirken sich die aus den Speichereffekten resultierenden Massenstromschwankungen am Economizeraustritt (bzw. Verdampfereistritt) unmittelbar auf die Verdampferaustrittsenthalpie aus. Unter diesen Umständen laufen Verdampferdurchfluss und Wärmeeintrag in die Heizfläche nicht mehr synchron zueinander, so dass mit mehr oder minder starken Enthalpieschwankungen am Verdampferaustritt zu rechnen ist. Daher ist es weiterhin vorteilhaft, dass durch den Korrekturwert KF in einem zweiten Ansatz zusätzlich die ein- oder ausgespeicherten Mengen an Speisewasser in einem dem Verdampfer vorgeschalteten Economizer korrigiert werden.
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Darüber hinaus kann der mit der prädiktiven Speisewassersollwertermittlung bestimmte Verdampferdurchfluss durch überlagerte Regelkreise zusätzlich korrigiert werden, sodass der geforderte Enthalpiesollwert am Verdampferaustritt auch tatsächlich dauerhaft zu erreichen ist. Für die Korrekturregelung des vorausberechneten Speisewassermassenstroms ist allerdings zu berücksichtigen, dass dies aus Gründen der Reglerstabilität nur sehr langsam und mit geringer Reglerverstärkung durchgeführt werden kann. Starke temporäre Abweichungen zum vorgegebenen Sollwert, die sich aufgrund physikalischer Mechanismen in Folge instationärer Betriebsweise des beheizten solarthermischen Dampferzeugers ergeben, lassen sich durch diese Korrekturregelkreise nur unwesentlich bzw. gar nicht reduzieren. Daher ist durch zusätzliche Maßnahmen die prädiktive Speisewassersollwertermittlung dahingehend zu ertüchtigen, die temporären Abweichungen zum vorgegebenen Sollwert auch während schneller transienter Vorgänge zu minimieren.
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Ausgehend von dieser Zielsetzung werden in dieser besonderen Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens neben dem Korrekturwert KT, durch einen Korrekturwert KF fluidseitige Ein- und Ausspeichervorgänge innerhalb der Verdampferrohre und gegebenenfalls der Economizerrohre berücksichtigt. Durch die Anwendung beider Korrekturwerte KT und KF kann auf physikalische Mechanismen, die im instationären Betrieb temporär auf die Durchströmung des Verdampfers wirken und somit in Abweichungen der tatsächlichen Enthalpie am Austritt des Verdampfers zum vorgegebenen Sollwert resultieren, auf geeignete Weise reagiert werden.
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Bei instationären Vorgängen ändern sich im Verdampfer strömungsmediumsseitig generell thermodynamische Zustandswerte wie beispielsweise die Verdampferaustrittstemperatur, der Druck (für den unterkritischen Fall somit auch die Siedetemperatur des Strömungsmediums) sowie die Verdampfereintrittstemperatur. Infolge dieser Änderungen ist auch die Materialtemperatur der Verdampferrohre nicht konstant und wird je nach Richtung größer oder kleiner. Folglich wird thermische Energie in die Rohrwände ein oder aus den Rohrwänden des Verdampfers ausgespeichert. Verglichen mit der bilanzierten Gesamtwärmeleistung Q ., die durch solare Inzidenz an die Verdampferrohre übertragen wird, steht demnach für den Dampferzeugungsprozess im Verdampfer je nach Richtung der Materialtemperaturänderung temporär mehr oder weniger Wärme zur Verfügung. Bei vorgegebenem Enthalpiesollwert am Austritt des Verdampfers des solarthermischen Dampferzeugers ist daher zur Vorausberechnung des benötigten Speisewassermassenstromsollwerts Ṁs dieser nicht unerhebliche Einfluss im Regelungskonzept zwangsläufig zu berücksichtigen.
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Durch ein Differenzierglied erster Ordnung (DT1-Element) lässt sich dieser physikalische Effekt regelungstechnisch abbilden. Als Eingangssignal des Differenzierglieds ist eine mittlere Materialtemperatur aller Verdampferrohre zu definieren und zu verwenden. Hier kann beispielsweise über die aus dem Prozess bekannten Größen Verdampferaustrittstemperatur, Systemdruck, Verdampfereintrittstemperatur und gegebenenfalls auch noch unter Berücksichtigung maximal möglicher Wärmestromdichten die mittlere Materialtemperatur bestimmt werden. Ändert sich nun diese mittlere Materialtemperatur und wird der Ausgang des Differenzierglieds mit der Masse der gesamten Verdampferrohre und der spezifischen Wärmekapazität des Verdampfermaterials multipliziert, können die in die Rohrwand ein- bzw. die aus der Rohrwand ausgespeicherten Wärmemengen quantifiziert werden. Durch die Wahl einer geeigneten Zeitkonstante dieses Differenzierglieds lässt sich das zeitliche Verhalten der beschriebenen Speichereffekte relativ genau nachbilden, so dass dieser auf instationären Vorgängen beruhende zusätzliche Effekt des Ein- bzw. Ausspeicherns von Wärme der Metallmassen direkt berechnet werden kann. Dies ist gleichermaßen für unter- wie überkritische Systeme anwendbar.
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Alternativ wäre auch eine direkte Messung der Materialtemperatur an charakteristischen Stellen der Verdampferrohre denkbar. Unter diesen Umständen könnte eine Änderung der Metalltemperatur auf direktem Weg berücksichtigt werden. In diesem Fall wäre sowohl die Anzahl der Differenzierglieder als auch deren entsprechende Verstärkungsfaktoren (im Wesentlichen Masse der Dampferzeugerrohre) der Anzahl der Metalltemperaturmessungen anzupassen. Der Vorteil dieser doch messtechnisch aufwändigeren Variante würde in einer genaueren Bestimmung der ein- bzw. ausgespeicherten Wärmemenge resultieren.
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Mit dieser auf diesem Weg ermittelten ein- bzw. ausgespeicherten Wärmemenge der Verdampferrohre ist der Korrekturwert KT bekannt, der zur Bestimmung des Speisewassermassenstromsollwerts Ṁs von der bilanzierten Gesamtwärmeleistung Q . abzuziehen ist.
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Mit dem zweiten Korrekturwert KF, der direkt auf den Speisewassermassenstromsollwert Ṁ korrigierend eingreift, werden darüber hinaus weitere störende Einflüsse im Wasser-Dampfkreislauf des solarthermischen Dampferzeugers, die sich aufgrund eines instationären Betriebs ergeben, wirkungsvoll kompensiert. Hier lässt je nach Anlagenkonfiguration prinzipiell zwischen zwei unterschiedlichen Effekten unterscheiden.
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Mit Änderungen thermodynamischer Zustandswerte wie z. B. Druck und Temperatur sind zwangsläufig in jeder Kollektorheizfläche Änderungen des spezifischen Volumens bzw. der Dichte des Strömungsmediums verknüpft. Nimmt z. B. aufgrund eines Lastwechsels das spezifische Volumen des Strömungsmediums in der gesamten Verdampferheizfläche ab (Dichte nimmt zu), kann diese temporär mehr Fluid aufnehmen (Masse einspeichern). Schlussfolgernd ergeben sich stark unterschiedliche Massenströme am Ein- und Austritt, was bei zugehöriger Beheizung unmittelbar in einer schwankenden Verdampferaustrittsenthalpie mündet. Um diese Schwankungen zu reduzieren, sind die auftretenden fluidseitigen Massenspeichereffekte durch die Speisewassersollwertermittlung wirkungsvoll zu kompensieren.
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Die Dichteverteilung im Verdampferrohr wird maßgeblich durch den Verdampfungsbeginn charakterisiert. Dieser ist sehr stark mit der Verdampfereintrittsunterkühlung verknüpft. Hat die Verdampfung im Verdampferrohr erst eingesetzt, reduziert sich stromabwärts die Gemischdichte sehr stark. Ändert sich nun aufgrund transienter Vorgänge die Eintrittsunterkühlung, verschiebt sich simultan der Verdampfungsbeginn und somit die gesamte Dichteverteilung im Rohr. Massenein- bzw. -ausspeichereffekte sind die Folge.
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Dabei resultieren steigende Eintrittsunterkühlungen kurzfristig in einer Erhöhung der Verdampferaustrittsenthalpie. Dies lässt sich dadurch erklären, dass sich mit steigender Eintrittsunterkühlung der Verdampfungsbeginn Richtung Verdampferaustritt schiebt (der Verdampfer wird mit kälterem Fluid bespeist). Infolge der lokalen Dichteerhöhungen (insbesondere im Bereich des Versatzes des Verdampfungsbeginns) wird verstärkt Fluid eingespeichert und reduziert im Umkehrschluss den Austrittsmassenstrom, was unmittelbar bei zugehöriger Beheizung in einer erhöhten Verdampferaustrittsenthalpie münden muss. Bei einer Verringerung der Verdampfereintrittsunterkühlung stellt sich der umgekehrte Vorgang ein.
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Wird in der Speisewassersollwertermittlung ein zusätzliches Differenzierglied erster Ordnung verwendet, lassen sich bei Wahl eines geeigneten Eingangssignals (beispielsweise die Eintrittsunterkühlung, die Verdampfereintrittstemperatur oder die Verdampfereintrittsenthalpie), einer dazu passenden Zeitkonstanten und einer geeigneten Verstärkung die Enthalpieschwankungen am Verdampferaustritt effektiv vermindern.
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Tritt das Speisewasser mit einer relativ hohen Eintrittsunterkühlung in das Solarkollektorfeld ein (Speisewasservorwärmung durch die Turbinenanzapfungen ist gering), ist eine Nutzung eines oder mehrerer Solarkollektoren zur zusätzlichen Vorwärmung des Speisewassers denkbar (vergleichbar mit Economizerheizflächen typischer fossil befeuerter Kraftwerke). Eine Verschiebung der wasserseitigen Druck und Temperaturmessung (zur Bestimmung der Verdampfereintrittsenthalpie) vom Eintritt des Solarkollektorfeldes hinter die „Economizerkollektorheizflächen” ist für diesen Fall zur Verbesserung der Speisewasserdurchflussregelung erstrebenswert. Neben einer größeren Stabilität der Regelung trägt diese Maßnahme zur Erhöhung der Regelgüte bei. Eine Messstelle mit ausreichender Eintrittsunterkühlung ist allerdings erneut zu gewährleisten.
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Auch in diesen als Economizer genutzten Solarkollektoren treten bei transienten Vorgängen fluidseitige Ein- und Ausspeichereffekte auf. Bei einer Massenstrommessstelle am Eintritt des Solarkolletorfeldes und einem Speisewasserregler, der sich auf diese Messstelle bezieht, wirken sich die aus den Speichereffekten resultierenden Massenstromschwankungen am Economizeraustritt (bzw. Verdampfereintritt) unmittelbar auf die Verdampferaustrittsenthalpie aus. Unter diesen Umständen laufen Verdampferdurchfluss und Wärmeeintrag in die Heizfläche nicht synchron zueinander, so dass erneut mit mehr oder minder starken Enthalpieschwankungen am Verdampferaustritt zu rechnen ist.
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Durch zusätzliche Messungen von Temperatur und Druck am Eintritt der ersten bzw. am Austritt der letzten Economizerkollektorheizfläche lässt sich die Fluiddichte an diesen Stellen ermitteln. Über eine geeignete Umrechnung kann ein repräsentatives Dichtemittel bestimmt werden. Eine Änderung dieses Dichtemittels ist somit zwangsläufig ein Indikator fluidseitiger Ein- und Ausspeichereffekte, die durch ein weiteres Differenzierglied erster Ordnung quantitativ erfasst werden können. Wird eine geeignete Verstärkung (vorzugsweise das komplette Volumen der Economizerkollektorrohre) und eine geeignete Zeitkonstante (vorzugsweise die halbe Durchlaufzeit des Strömungsmediums durch die Economizerkollektorrohre {lastabhängig}) für dieses Differenzierglied gewählt, kompensiert das so generierte Korrektursignal optimalerweise die fluidseitigen Speichereffekte im Economizer.
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Der Korrekturwert Kf ergibt sich nun je nach Anlagenkonfiguration (mit oder ohne Economizerheizflächen) entweder aus der alleinigen Ermittlung der fluidseitigen ein- oder ausgespeicherten Fluidmengen im Verdampfer oder aus der Summe der fluidseitigen ein- oder ausgespeicherten Fluidmengen im Verdampfer und Economizer.
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In einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform ist der solarthermische Dampferzeuger integriert in ein solarthermisches Parabolrinnenkraftwerk mit einer Anzahl an Parabolrinnen mit Direktverdampfung. Wird die erfindungsgemäße Speisewassersollwertermittlung in solarthermischen Dampferzeugern mit Direktverdampfung eingesetzt, können auch für stark instationäre Betriebszustände, wie sie in solarbeheizten Kraftwerken vermehrt auftreten (z. B Wolkendurchzug) konstante Frischdampftemperaturen sichergestellt werden. Neben einer somit sicheren Fahrweise bei sich ändernden Wetterbedingungen kann durch ein materialschonendes Konzept die Verfügbarkeit der gesamten Kraftwerksanlage verbessert werden. Darüber hinaus eignet sich das erfindungsgemäße Konzept auch für einen modularen Einsatz in mehreren solarbeheizten Dampferzeugern eines einzelnen Parabolrinnen-Kraftwerks. Zusätzlich kann das Konzept auch ohne nennenswerte Änderungen in Kombination mit anderen Komponenten wie beispielsweise Einspritzkühler verwendet werden.
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Die auf eine Vorrichtung gerichtete Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 7.
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Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Speisewasserdurchflussregelungskonzepts besteht in der hohen Betriebsflexibilität. Je nach relativer Aufteilung der Gesamtwärme auf die unterschiedlichen Parabolrinnenkollektoren, kann im Zwangdurchlaufbetrieb durch die Wahl eines geeigneten Enthalpiesollwerts am Verdampferaustritt der solarthermische Dampferzeuger gerade im Hinblick auf die Frischdampftemperaturregelung in einem optimalen Betriebspunkt gehalten werden. Haben die Überhitzerkollektoren beispielsweise eine sehr geringe Wärmeaufnahme (z. B. Wolkendurchzug) kann durch Wahl eines höheren Enthalpiesollwerts am Verdampferaustritt ein nicht unerheblicher Anteil des Verdampfers zur Überhitzung des Strömungsmediums und somit als Überhitzer eingesetzt werden. Auch ohne nennenswerte Reduzierung der Einspritzmenge kann die Frischdampftemperatur unter diesen Umständen konstant gehalten werden, so dass der Aktionsradius der Frischdampftemperaturregelung für neue dynamische Anforderungen bestehen bleiben kann.
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Verschiebt sich hingegen die relative Wärmeaufnahme mehr in Richtung Überhitzerkollektoren, weil die Verdampferkollektoren ganz oder teilweise im Schatten liegen, so ist schlussfolgernd der Enthalpiesollwert am Verdampferaustritt zu reduzieren. Infolge dessen tritt das Strömungsmedium kälter in die Überhitzerkollektoren ein, was sich erneut unterstützend auf die Frischdampftemperaturregelung auswirkt. Es ist sogar denkbar, dass für diesen Fall bei einer entsprechenden Überspeisung des Verdampfers die Restverdampfung des Strömungsmediums in den stark beheizten Überhitzerkollektoren stattfinden könnte. Das überschüssige. Wasser am Verdampferaustritt wäre unter diesen Umständen nicht abzuscheiden, sondern müsste mit dem Dampf in die folgenden Überhitzerkollektoren weitergeleitet werden.
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Gerade für den extremen Grenzfall, dass sich die Verdampferkollektoren komplett im Schatten einer Wolke befinden, und die Überhitzerkollektoren der maximalen Sonneneinstrahlung ausgesetzt sind, könnte durch den flexiblen Verdampfungsendpunkt, der hier nicht örtlich auf das Feld der Verdampferkollektoren beschränkt wäre, erneut die Frischdampftemperaturregelung in ihrem Regelbereich gehalten werden. Eine Überdimensionierung der Einspritzkühler ist unter diesen Umständen nicht erforderlich. Zusätzlich kann das System trotz ungünstiger Randbedingungen mit einem hohen Wirkungsgrad betrieben werden. Voraussetzung hierfür ist allerdings ein geeignetes Abscheiderdesign, das eine Überspeisung des Abscheiders auch ohne nennenswerte Auswirkungen auf den restlichen Wasserdampfkreislauf zulässt.
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Darüber hinaus besteht mit der vorliegenden Erfindung die Möglichkeit einer modularen Regelung einzelner Kollektorstränge. Da in einem solarthermischen Kraftwerk mit Parabolrinnenkollektoren bzw. Fresnel-Kollektoren die Anzahl der parallelen Kollektrostränge auf ein überschaubares Maß begrenzt ist, könnte die Speisewasserdurchflussmenge eines jeden einzelnen Strangs individuell durch das beschriebene Konzept geregelt werden, sodass für jeden Strang ein äquivalentes Regelkonzept existiert. Der erzeugte Frischdampf eines jeden einzelnen Strangs würde in einer Dampfsammelschiene auf entsprechendem Druckniveau zusammengeführt und der Turbine zur Entspannung bereitgestellt. Unter diesen Umständen erzeugt jeder einzelne Strang gemäß Wärmeangebot durch die Sonne die maximal mögliche Dampfmenge mit gewünschter Frischdampftemperatur und somit größtmöglichem Wirkungsgrad.
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Auch für den Fall dass während eines Wolkendurchzugs die Kollektorstränge unterschiedlich beheizt wären, kann das Gesamtsystem mit einer sehr hohen Effizienz betrieben werden. Der Eingriff einer Einrichtung, die im Bedarfsfall zum Schutz der Anlage einzelne Kollektoren aus der direkten Sonneneinstrahlung ”herausdrehen” würde, kann mit dieser konzeptionellen Umsetzung der Speisewasserregelung auf ein Minimum beschränkt werden.
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Durch das auf Basis einer Vorsteuerung generierte Massenstromsignal halten sich auch für stark instationäre Betriebsfälle Enthalpieschwankungen bzw. Temperaturschwankungen am Verdampferaustritt in moderaten Grenzen. Neben einer materialschonenden Fahrweise wirkt sich dieser Effekt ebenfalls äußerst günstig auf die Frischdampftemperatur und deren Regelung aus, so dass in einem weiten Betriebsfeld der Turbineneintritt geringeren Temperaturschwankungen unterworfen ist.
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In den 1 bis 4 sind Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Darin zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines direkt beheizten solarthermischen Dampferzeugers 3 mit Speisewasserdurchflussregelung für den stationären Betrieb.
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2 eine schematische Darstellung eines direkt beheizten solarthermischen Dampferzeugers 3 für den instationären Betrieb mit prädiktiver Speisewassersollwertermittlung.
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3 eine schematische Darstellung eines direkt beheizten solarthermischen Dampferzeugers 3 für den instationären Betrieb mit einer weiterentwickelten prädiktiven Speisewassersollwertermittlung.
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4 eine schematische Darstellung mit einer Weiterentwicklung eines direkt beheizten solarthermischen Dampferzeugers 3 mit prädiktiver Speisewassersollwertermittlung unter Berücksichtigung zusätzlicher Economizerheizflächen
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1 zeigt ein schematisches Regelschaltbild einer Speisewasser-Sollwertermittlung für den stationären Betrieb eines solarthermischen Dampferzeugers 3 in einem Parabolrinnenkraftwerk 1. Das Parabolrinnenkraftwerk 1 ist nicht näher dargestellt. Der solarthermische Dampferzeuger ist nur schematisch dargestellt. Solarthermische Dampferzeuger umfassen in der Regel eine Anzahl an Parabolrinnenkollektoren 13 (bzw. Fresnelkollektoren), die als Verdampferkollektoren 14, als Überhitzerkollektoren 9, oder als Economizerkollektoren 10 eingesetzt werden können. Der in 1 dargestellte solarthermische Dampferzeuger 3 umfasst nur Verdampferkollektoren 14 und Überhitzerkollektoren 9. Die Verdampferkollektoren 14 sind für die Zuleitung von Speisewasser an eine Speisewasserzuführleitung 15 angeschlossen.
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Der in 1 dargestellte solarthermische Dampferzeuger 3 befindet sich zudem im Zwangdurchlaufbetrieb, bei dem in den Verdampferkollektoren 13 das Speisewasser durch solarthermische Direktbeheizung vollständig verdampft und im Anschluss überhitzt wird.
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Der solarthermische Dampferzeuger 3 ist für eine geregelte Beaufschlagung mit Speisewasser ausgelegt. Dazu ist in die Speisewasserzuführleitung 15 eine Speisewasserpumpe 17 geschaltet. In die Speisewasserzuführleitung 15 ist weiterhin ein Drosselventil 19 geschaltet, dass von einem Stellmotor 18 angesteuert wird. Drosselventil 19 und Stellmotor 18 sind Bestandteil einer Vorrichtung zum Einstellen des Speisewassermassenstroms 5, die weiterhin noch ein Regelelement 21, dass zur Ansteuerung des Stellmotors 18 vorgesehen ist, und eine Messeinrichtung 20 umfasst, die den Speisewassermassenstrom Ṁ in der Speisewasserzuführleitung 15 ermittelt. Das Regelelement 21 ist eingangsseitig mit einem über eine Datenleitung 22 zugeführten Sollwert Ṁs für den Speisewassermassenstrom Ṁ und mit dem über die Messeinrichtung 20 ermittelten aktuellen Ist-Wert des Speisewassermassenstroms Ṁ beaufschlagt. Durch Differenzbildung zwischen diesen beiden Signalen wird ein Nachführungsbedarf übermittelt, sodass bei einer Abweichung des Ist- vom Sollwert eine entsprechende Nachführung des Drosselventils 19 über die Ansteuerung des Motors 18 erfolgt.
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Zur Ermittlung eines Sollwerts Ṁs für den Speisewassermassenstrom Ṁ ist die Datenleitung 22 eingangsseitig mit der zur Vorgabe des Sollwerts Ṁs für den Speisewassermassenstrom Ṁ ausgelegten Speisewasserdurchflussregelung 11 verbunden.
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Der Sollwert Ṁs wird anhand einer Wärmestrombilanz des Verdampfers des solarthermischen Dampferzeugers 3 über das Verhältnis aus dem aktuell in den Verdampfer des solarthermischen Dampferzeugers 3 auf das Speisewasser übertragenen Wärmestrom einerseits und einer im Hinblick auf den vorgegebenen Enthalpiesollwert am Verdampferaustritt gewünschten Sollenthalpieerhöhung des Speisewassers andererseits ermittelt. Zur Bereitstellung des Sollwerts Ṁs weist die Speisewasserdurchflussregelung 11 ein Dividierglied 23 auf.
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Der Zähler wird dem Dividierglied 23 von einem Funktionsmodul 24 bereit gestellt. Das Funktionsmodul 24 ermittelt die in die Verdampferheizfläche des solarthermischen Dampferzeugers 3, bzw. die an das Verdampfer-Kollektorfeld übertragene Wärmeleistung Q .. Dazu ist jeder Verdampferkollektor 14 des solarthermischen Dampferzeugers 3 mit einer entsprechenden Messeinrichtung ausgestattet. Die Messdaten aus den einzelnen Verdampferkollektoren 14 werden in einem Funktionsmodul 25 summiert und aufgrund der instationären Wärmeleitung in den Rohrwänden geringfügig über beispielsweise ein PT3-Glied zeitlich verzögert.
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Als Nenner wird dem Dividierglied 23 die Aufwärmspanne bzw. die Enthalpiedifferenz des Strömungsmediums in den Verdampferkollektoren 14 zugeführt. Die Enthalpiedifferenz wird gebildet aus dem Enthalpiesollwert am Austritt der Verdampferkollektoren 14 und der aktuellen Enthalpie am Eintritt der Verdampferkollektoren 14, die durch Umrechnung über die Messgrößen Druck und Temperatur bestimmt wird. Der Ist-Wert der aktuellen. Enthalpie des Speisewassers vor Eintritt in den solarthermischen Dampferzeuger 3 wird durch eine Auswerteeinheit 33 ermittelt, und an das Funktionsmodul 32 übertragen. Zur Ermittlung von Messdaten ist die Auswerteeinheit 33 dazu mit einer Druckmessvorrichtung 35 und mit einer Temperaturmessvorrichtung 36 verbunden, die beide jeweils in die Speisewasserzuführleitung 15 geschaltet sind.
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Die Soll-Enthalpie am Austritt des Verdampfers des solarthermischen Dampferzeugers 3 wird in Abhängigkeit des Anlagenzustands und des Verdampferdesigns gewählt und als Sollwert vorgegeben. Die Soll-Enthalpie wird dem Funktionsmodul 32 über einen Signalgeber 34 zugeführt. Durch eine Differenzbildung im Funktionsmodul 32 wird somit die in Abhängigkeit vom gewünschten Verdampferaustrittszustand erforderliche Enthalpieerhöhung des Strömungsmediums im Verdampfer des solarthermischen Dampferzeugers 3 ermittelt, die als Nenner im Dividierglied 23 verwendet wird. Das Dividierglied 23 errechnet daraus das erforderliche Massenstromsignal.
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In Erweiterung zur 1 zeigt 2 ein Regelschaltbild eines direkt beheizten solarthermischen Dampferzeugers 3 mit prädiktiver Speisewassersollwertermittlung für den instationären Betrieb.
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Bei instationären Vorgängen ändern sich im Dampferzeuger generell thermodynamische Zustandswerte wie beispielsweise die Frischdampftemperatur, der Druck (somit im unterkritischen Fall auch die Siedetemperatur des Strömungsmediums) sowie die Speisewassertemperatur. Infolge dieser Änderungen ist auch die Materialtemperatur der Dampferzeugerrohre nicht konstant und wird je nach Richtung größer oder kleiner. Folglich wird thermische Energie in die Rohrwände ein- oder aus den Rohrwänden ausgespeichert. Verglichen mit der bilanzierten Wärme des Thermoöls steht demnach für den Dampferzeugungsprozess des Strömungsmediums je nach Richtung der Materialtemperaturänderung temporär mehr oder weniger Wärme zur Verfügung. Dies ist gleichermaßen für Systeme mit unter- als auch überkritischen Dampfparametern beobachtbar.
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Bei vorgegebenem Enthalpiesollwert am Verdampferaustritt des solarthermischen Dampferzeugers 3 ist daher zur Vorausberechnung des benötigten Speisewassermassenstromes dieser nicht unerhebliche Einfluss im Regelungskonzept zwangsläufig zu berücksichtigen. Erfindungsgemäß erfolgt dies durch einen Korrekturwert KT. Bei dem Korrekturwert KT handelt es sich um einen charakteristischen Wärmestromkennwert, durch den die Ein- und Ausspeichereffekte der Verdampferrohre gleichermaßen für unter- wie auch überkritische Systeme ermittelt werden können.
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Zur Berücksichtigung des Korrekturwerts KT ist in 2, in Erweiterung zu 1 ein Subtrahierglied 40 vorgesehen, dass zwischen das Funktionsmodul 24 und das Dividierglied 23 geschaltet ist. Das Differenzierglied 40 bildet die Differenz aus der in den Verdampfer eingebrachten Wärmeleistung Q . (Gesamtwärmeaufnahme), welche durch das Funktionsmodul 24 bereit gestellt wird, und dem Korrekturwert KT, und leitet das Ergebnis als korrigierte eingebrachte Wärmemenge Q .Korr weiter zum Dividierglied 23.
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Der Korrekturwert KT wird dem Subtrahierglied 40 durch ein Differenzierglied 41 bereit gestellt. Für das Differenzierglied 41 ist als Eingangssignal eine mittlere Materialtemperatur aller Verdampferrohre zu definieren und zu verwenden. Hier kann zum Beispiel über die aus dem Prozess bekannten Größen Frischdampftemperatur, Systemdruck und Speisewassertemperatur die mittlere Materialtemperatur bestimmt werden. Ändert sich nun diese mittlere Materialtemperatur und wird diese zeitliche Änderung (ausgewertet über das Differenzierglied 41) mit der Masse der gesamten Dampferzeugerrohre und der spezifischen Wärmekapazität des Verdampfermaterials multipliziert, können die in der Rohrwand ein- bzw. ausgespeicherten Wärmemengen in Form des Korrekturwertes KT quantifiziert werden. Durch die Wahl einer geeigneten Zeitkonstanten des Differenzierglieds 41 lässt sich das zeitliche Verhalten der beschriebenen Speichereffekte relativ genau nachbilden, so dass dieser auf instationären Vorgängen beruhende zusätzliche Effekt des Ein- bzw. Ausspeicherns von Wärme der Metallmassen direkt berechnet werden kann.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines direkt beheizten solarthermischen Dampferzeugers 3 in einer Weiterentwicklung aus 2 unter zusätzlicher Berücksichtigung des Korrekturwertes KF.
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Störungen der Speisewassertemperatur am Eintritt des Verdampfers des solarthermischen Dampferzeugers 3 wirken sich maßgeblich auf dessen Durchströmung aus. Konkret bedeutet dies, dass mit sinkender Speisewassertemperatur das spezifische Volumen des Strömungsmediums im Eintrittsbereich des Verdampfers des solarthermischen Dampferzeugers 3 abnimmt. Aufgrund dieses Vorgangs wird zusätzliches Speisewasser benötigt, welches das nun nicht ausgeschöpfte Volumen der Verdampferrohre zu füllen hat. Folglich wird Speisewasser eingespeichert. Steigt hingegen die Speisewassertemperatur an, tritt der umgekehrte Mechanismus ein.
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Ist nun infolge instationärer Vorgänge die Speisewassertemperatur am Eintritt des Verdampfers des solarthermischen Dampferzeugers Änderungen unterworfen, so ist mit den daraus resultierenden fluidseitigen Ein- und Ausspeichervorgänge der Ein- und Austrittsmassenstrom des Verdampfers des solarthermischen Dampferzeugers 3 nicht identisch. Dies hat unmittelbar einen Einfluss auf die Verdampferaustrittsenthalpie, die unter diesen Umständen selbst bei konstantem Wärmeeintrag nicht konstant bleiben kann. Daher werden die Auswirkungen schwankender Speisewassertemperaturen am Eintritt des Verdampfers des solarthermischen Dampferzeugers 3 ebenfalls durch Gegenmaßnahmen der Speisewassersollwertermittlung (Erhöhung oder Erniedrigung des Speisewassermassenstroms) kompensiert. Dies erfolgt durch den Korrekturwert KF.
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Ausgehend von 2 ist in 3 weiterhin ein Addierglied 42 dargestellt, das in die Datenleitung 22 geschaltet ist, und den Sollwerts Ṁs um den Korrekturwert KF korrigiert. Der Korrekturwert KF wird dem Addierglied 42 über ein Differenzierglied 43 zugeführt. Das Differenzierglied 43 berücksichtigt Daten wie z. B. Eintrittsunterkühlung des Verdampfers, Eintrittsenthalpie des Verdampfers oder die Speisewassertemperatur selbst. Das Differenzierglied 43 ist mit einer passenden Zeitkonstanten und einer geeigneten Verstärkung parametriert, um die Enthalpieschwankungen am Verdampferaustritt des solarthermischen Dampferzeugers 3 effektiv zu vermindern. Dabei erhält das Differenzierglied 43 eingangsseitig beispielsweise die Eintrittsunterkühlung von der Auswerteeinheit 48. Die Auswerteeinheit 48 ist mit der Druckmessvorrichtung 35 und der Temperaturmessvorrichtung 36 verbunden, die bereits die Auswerteeinheit 33 mit Messdaten versorgen.
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4 zeigt im Vergleich zu 3 eine erweitere Verschaltung des solarthermischen Dampferzeugers 3 mit zusätzlichen Economizerkollektoren 10.
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Um auch bei transienten Vorgängen die fluidseitigen Ein- und Ausspeichereffekte der als Economizer genutzten Parabolrinnenkollektoren 13 zu korrigieren, ist eine Bestimmung der Dichten des Strömungsmediums am Ein- und am Austritt der als Economizer genutzten Parabolrinnenkollektoren 13 vorzunehmen. Dazu ist neben dem Differenzierglied 43, welches die fluidseitigen Ein- und Ausspeichereffekte der Verdampferkollektoren 14 korrigiert ein weiteres Differenzierglied 44 vorgesehen, durch dass die fluidseitigen Ein- und Ausspeichereffekte der Economizerkollektoren 10 korrigiert werden. Die Signale des Differenzierglieds 43 und des Differenzierglieds 44 werden in einem Addierglied 45 überlagert und diese Summe der beiden Einzelsignale bildet den Korrekturfaktor KF.
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Das Differenzierglied 44 ist dabei eingangsseitig mit einem Funktionsglied 51 verbunden, in dem eine mittlere Dichte des Fluids bestimmt wird. Dazu werden dem Funktionsglied 51 die Dichte des Fluids am Eintritt des ersten Economizerkollektors 10 über ein Funktionsmodukl 49, und die Dichte des Fluids am Austritt des letzten Economizerkollektors 10 über ein Funktionsmodul 50 zugeführt. Das Funktionsmodul 49 ist dazu mit einer Druckmessvorrichtung 55 und einer Temperaturmessvorrichtung 56 verbunden, die vor dem Eintritt des ersten Economizerkollektors 10 in die Speisewasserleitung 15 geschaltet sind. Das Funktionsmodul 50 ist mit der Druckmessvorrichtung 35 und der Temperaturmessvorrichtung 36 verbunden, die bereits die Auswerteeinheit 33 mit Messdaten versorgen.
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Das Funktionsmodul 49 und das Funktionsmodul 50 errechnen aus den Druck- und Temperaturinformationen die Fluiddichten an den jeweiligen Mess-Stellen. Das Funktionsglied 51 errechnet über eine geeignete Umrechnung ein repräsentatives Dichtemittel. Eine Änderung dieses Dichtemittels ist zwangsläufig ein Indikator fluidseitiger Ein- und Ausspeichereffekte der Economizerkollektoren 10. Dieses Dichtemittel wird somit in dem Funktionsglied 51 gebildet und durch das Differenzierglied 44 quantitativ erfasst. Wird eine geeignete Verstärkung und eine geeignete Zeitkonstante für dieses Differenzierglied 44 gewählt, kompensiert das so generierte Korrektursignal optimalerweise die fluidseitigen Speichereffekte im Economizer. Für die Verstärkung wird vorzugsweise das komplette Volumen der Economizerkollektorrohre verwendet. Als Zeitkonstante wird vorzugsweise die halbe Durchlaufzeit des Strömungsmediums durch die Economizerkollektoren 10 verwendet, die allerdings lastabhängig zu wählen ist.
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Neben einer größeren Stabilität der Regelung trägt diese Maßnahme zur Erhöhung der Regelgüte bei. Dabei ist allerdings zu berücksichtigen, dass für die Schaltungsvariante in 4 zwischen den Economizerkollektoren 10 und den Verdampferkollektoren 14 eine ausreichende Eintrittsunterkühlung gewährleistet sein muss, damit die Temperaturmessvorrichtung 36 ein gültiges und auswertbares Messsignal liefern kann.
