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Die Erfindung betrifft ein solarthermisches Kraftwerk gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Solarthermische Kraftwerke stellen eine Alternative zur herkömmlichen Stromerzeugung dar. Ein zukünftiges Kraftwerkskonzept ist das sogenannte Turmkraftwerk.
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In einer Ausführungsform dieses Turmkraftwerks wird Umgebungsluft in einem sogenannten Receiver aufgeheizt. Die so erzeugte Heißluft gibt ihre Energie in einem nachgeschalteten Dampferzeuger an das vom Kondensator kommende Speisewasser ab. Der erzeugte Dampf wird einer Dampfturbine zugeführt.
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Für den Dampferzeuger kommen mehrere alternative Auslegungskonzepte in Betracht, nämlich die Auslegung als Durchlaufdampferzeuger oder die Auslegung als Umlaufdampferzeuger. Bei einem Durchlaufdampferzeuger führt die Beheizung von als Verdampferrohren vorgesehenen Dampferzeugerrohren zu einer Verdampfung des Strömungsmediums in den Dampferzeugerrohren in einem einmaligen Durchlauf. Im Gegensatz dazu wird bei einem Natur- oder Zwangumlaufdampferzeuger das im Umlauf geführte Wasser beim Durchlauf durch die Verdampferrohre nur teilweise verdampft. Das dabei nicht verdampfte Wasser wird nach einer Abtrennung des erzeugten Dampfes für eine weitere Verdampfung denselben Verdampferrohren erneut zugeführt.
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In Zwangdurchlaufdampferzeuger ist beim Anfahren am Verdampferaustritt eine Einrichtung zur Abtrennung von Wasser notwendig. Diese Wasserabscheidung erfolgt in heutigen Anlagen durch sogenannte Zyklonabscheider. Zyklonabscheider arbeiten dabei nach dem Prinzip der Fliehkraftabscheidung. Dabei werden üblicherweise pro Verdampfer ein bis zwei solcher Zyklonabscheider benötigt. Zyklonabscheider sind aber relativ große, dickwandige Bauteile mit einer großen Anzahl ein- und ausgehender Verbindungsleitungen.
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Bauartbedingt ist eine Durchspeisung der Zyklonabscheider 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 daher zusätzliche Einspritzkühler erforderlich.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine solarthermische Kraftwerksanlage bereit zu stellen, die die zuvor beschriebenen Nachteile überwindet.
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Diese Aufgabe wird mit der solarthermischen Kraftwerksanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Dadurch, dass in der solarthermischen Kraftwerksanlage ein Dampferzeuger mit einer Anzahl von strömungsmediumsseitig parallel geschalteten Verdampferrohren vorgesehen ist, denen über ein Wasserabscheidesystem eine Anzahl von Überhitzerrohren nachgeschaltet ist, wobei das Wasserabscheidesystem eine Anzahl von Wasserabscheideelementen umfasst, von denen jedes jeweils einer Anzahl von Verdampferrohren nachgeschaltet und/oder einer Anzahl von Überhitzerrohren vorgeschaltet ist, wobei jedes der Wasserabscheideelemente ein mit den jeweils vorgeschalteten Verdampferrohren verbundenes Einströmrohrstück umfasst, das in seiner Längsrichtung gesehen in ein Wasserableitrohrstück übergeht, wobei im Übergangsbereich eine Anzahl von Abströmrohrstücken abzweigt, die mit einem Eintrittssammler der jeweils nachgeschalteten Überhitzerrohre verbunden sind, und wobei dampfseitig zwischen dem jeweiligen Wasserabscheideelement und dem Eintrittssammler ein Verteilerelement angeordnet ist, kann auf den Einsatz von Zyklonabscheidern in der solarthermischen Kraftwerksanlage verzichtet werden.
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Die bisher beim Einsatz von Zyklonabscheidern entstandenen Nachteile können so überwunden werden. Die solarthermische Kraftwerksanlage wird damit weniger aufwändig und damit sowohl in der Herstellung, bei der Wartung und im Betrieb kostengünstiger. So kann beispielsweise die bisherige Temperaturüberwachung für Zyklonabscheider entfallen. Zudem kann der Dampfabscheider sowohl mit Wasser, Wasser-Dampf als auch 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. Bei geeigneter Fahrweise kann der Temperaturtransient des Überhitzungssammlers auf ein Minimum reduziert werden, was zu einer Verkürzung der Anfahrzeit führt. Zudem reduziert sich die Anzahl der erforderliche Dampfabscheider durch die Nachschaltung von Sternverteilern erheblich.
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Weitere für die Verwendung in einer solarthermischen Kraftwerksanlage vorteilhafte Ausgestaltungen des Dampferzeugers sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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1 solarthermisches Kraftwerk mit Solarturm und Dampferzeuger in vereinfachter Darstellung,
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2–4 verschiedene Ansichten des Verdampfers des Dampferzeugers des solarthermischen Kraftwerks.
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1 zeigt eine solarthermische Kraftwerksanlage mit einem Solarturm 200, an dessen oberem Ende ein Receiver 300 angeordnet ist. Ein Heliostatenfeld 400 mit einer Anzahl von Heliostaten 500 ist am Boden um den Solarturm 200 herum platziert. Das Heliostatenfeld 400 mit den Heliostaten 500 ist für eine Fokussierung der direkten Solarstrahlung 600 ausgelegt. Dabei sind die einzelnen Heliostaten 500 so angeordnet und ausgerichtet, dass die direkte Solarstrahlung 600 von der Sonne in Form von konzentrierter Solarstrahlung 700 auf den Receiver 300 fokussiert wird. Bei dem Solarturm-Kraftwerk wird somit die Sonnenstrahlung durch ein Feld einzeln nachgeführter Spiegel, die Heliostaten 500, auf die Spitze des Solarturmes 200 konzentriert. Der Receiver 300 wandelt die Strahlung in Wärme um und gibt sie an ein Wärmeträgermedium G, beispielsweise Luft, ab, das die Wärme dem Dampferzeuger 1 über eine Heißluftleitung 900 zuführt. Im Dampferzeuger 1 wird Wärme vom Wärmeträgermedium G auf ein Strömungsmedium M eines Wasser-Dampf-Kreislaufs 100 eines konventionellen Kraftwerksteils mit einer Dampfturbine 110 übertragen. Der dabei erzeugte Dampf D wird über eine Dampfleitung 120 der Dampfturbine 110 zur Entspannung und Verrichtung von Arbeit zugeführt. Die Dampfturbine 110 ist über eine Welle 130 mit einem Generator 140 verbunden, der die mechanische Leistung in elektrische Leistung umwandelt. Danach strömt der entspannte und abgekühlte Dampf in den Kondensator 150, wo er durch Wärmeübertragung an die Umgebung kondensiert. Das Wasser wird mit Hilfe einer Speisepumpe 160 erneut dem Dampferzeuger 1 zugeführt. Das im Dampferzeuger 1 abgekühlte Wärmeträgermedium G wird mit einem Gebläse 170 wieder in den Solarturm 200 zurückgeführt.
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2 zeigt Teile des Dampferzeugers 1, hier mit horizontalem Strömungspfad für das Wärmeträgermedium G. Das Strömungsmedium M wird in das Rohrsystem von der vorgeschalteten Förderpumpe 160 eingespeist. Zunächst strömt es dabei in eine Anzahl von Verdampfereintrittssammlern 2, die für die Verteilung des Strömungsmediums M auf vier Verdampferheizflächen mit Verdampferrohren 4 sorgen, in denen dann eine Verdampfung des Strömungsmediums erfolgt. Gegebenenfalls können auch weitere Verdampferheizflächen vorgeschaltet sein oder die Heizflächen können in verschiedenen geometrischen Ausgestaltungen im Strömungspfad des Wärmeträgermediums G angeordnet sein. Jeweils eine Anzahl von Verdampferrohren 4 mündet in einen über einen ersten Verdampferaustrittssammler 6 und einen zweiten Austrittssammler 8 in ein gemeinsames Übergangsrohrstück 10, dem das T-Stück-Wasserabscheideelement 12 nachgeschaltet ist.
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Das T-Stück-Wasserabscheideelement umfasst ein Einströmrohrstück 14, das in seiner Längsrichtung gesehen in ein Wasserableitrohrstück 16 übergeht, wobei im Übergangsbereich ein Abströmrohrstück 18 abzweigt. Das Wasserableitrohrstück 16 mündet in eine Rohrleitung 20, der ein außerhalb des Strömungspfads angeordneter Sammelbehälter 22 nachgeschaltet ist. An den Sammelbehälter 22 ist ein Auslassventil 24 angeschlossen, über das das abgeschiedene Wasser entweder verworfen oder erneut dem Verdampfungskreislauf zugeführt werden kann. Im T-Stück-Wasserabscheideelement 12 tritt Strömungsmedium M durch das Einströmrohrstück 14 ein. Das anteilige Wasser W fließt bedingt durch seine höhere Masseträgheit vorzugsweise in das in Längsrichtung folgende Wasserableitrohrstück 16. Der Dampf D hingegen folgt aufgrund seiner geringeren Masseträgheit vorzugsweise der aufgezwungenen Umlenkung in das Abströmrohrstück 18. Dem Abströmrohrstück 18 sind die Überhitzerrohre 26 in zwei Überhitzerheizflächen über einen Überhitzereintrittssammler 28 nachgeschaltet. Die Überhitzerrohre 26 münden schließlich in einem Überhitzeraustrittssammler 30. Der Dampf D wird dort gesammelt und durch den Dampfauslass 32 seiner weiteren Verwendung in der Dampfturbine 110 zugeführt.
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Bedarfsweise kann das Auslassventil 24 geschlossen werden und so eine Überspeisung der T-Stück-Wasserabscheideelemente 12 herbeigeführt werden. Dabei tritt noch unverdampftes Wasser W in die Überhitzerrohre 26 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 Dampferzeugers 1 ermöglicht.
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Um eine besonders einfache Konstruktion des Dampferzeugers 1 zu ermöglichen, sollte eine vergleichsweise geringere Anzahl von T-Stück-Wasserabscheideelementen 12 verwendet werden. Um die dadurch entstehenden Inhomogenitäten hinsichtlich der Verteilung auf die Überhitzerrohre auszugleichen und somit eine derartige Ausgestaltung überhaupt erst zu ermöglichen, sind den T-Stück-Wasserabscheideelementen Verteilerelemente 34 in der Art von Sternverteilern zwischengeschaltet. Diese sorgen für eine Vorverteilung des Strömungsmediums M im Falle einer Überspeisung der T-Stück-Wasserabscheideelemente 12 auf die Überhitzereintrittssammler 28.
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Die Funktionsweise der Verteilerelemente 34 in Form von Sternverteilern wird in der Aufsicht des Dampferzeugers 1 gemäß 3 ersichtlich. Weiterhin erkennbar sind die ersten und zweiten Verdampferaustrittssammler 6, 8, weiterhin die T-Stück-Wasserabscheideelemente 12, die Rohrleitung 20 und der Sammelbehälter 22. In den als Sternverteiler ausgebildeten Verteilerelementen 34 trifft das Strömungsmedium M auf eine kreisförmige Prallplatte und prallt von dort in sternförmig, konzentrisch-symmetrisch angeordnete Ausgangsrohre 36. Durch die symmetrische Anordnung der im gezeigten Ausführungsbeispiel acht Ausgangsrohre 36 wird dabei jedem Ausgangsrohr 36 etwa die gleiche Menge an Strömungsmedium M zugeteilt. Diese münden in gleichen Abständen in die Überhitzereintrittssammler 28, so dass bereits eine Vorverteilung des Strömungsmediums M auf die gesamte Breite der Überhitzereintrittssammler 28 erfolgt.
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Die weitere Einleitung aus dem Überhitzereintrittssammler 28 in die Überhitzerrohre 26 wird anhand von 4 deutlich, die den Dampferzeugers 1 aus Richtung des Einlasses für das Wärmeträgermedium G zeigt. Erkennbar sind der zweite Verdampferaustrittssammler 8, weiterhin die T-Stück-Wasserabscheideelemente 12, die Rohrleitung 20, der Sammelbehälter 22 mit dem Auslassventil 24, weiterhin die Verteilerelemente 34 mit den Abströmrohren 36, welche in die Überhitzereintrittssammler 28 münden.
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4 zeigt dabei deutlich die Vorteile der Vorverteilung:
Durch die Verteilerelemente 34 wird das Strömungsmedium M über die jeweils acht Ausgangsrohre bereits homogen über die gesamte Breite jedes Überhitzereintrittssammlers 28 verteilt. Bei einer direkten Einleitung des Strömungsmediums M über eine einzige Leitung pro T-Stück-Wasserabscheideelement 12 würde das Strömungsmedium M in den Überhitzereintrittssammlern 28 nicht gleichmäßig verteilt werden können, da diese aufgrund der Breite der Überhitzerheizfläche nicht für eine derartige homogene Verteilung aus beispielsweise einer einzigen Zuleitung geeignet sind.
