DE102011075929A1 - Vorrichtung zum Erzeugen von überhitztem Wasserdampf mittels solarer Energie - Google Patents

Vorrichtung zum Erzeugen von überhitztem Wasserdampf mittels solarer Energie Download PDF

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Abstract

Vorrichtung zum Erzeugen von überhitztem Wasserdampf mittels solarer Energie, umfassend einen Dampferzeuger mit einem Wärmeträger-Kreislauf mit einem Wärmeträgermedium und einen Wasser/Wasserdampf-Kreislauf mit Wasser, wobei die von dem Wärmeträgermedium aufgenommene Wärme mittels eines Verdampfers und eines Überhitzers zur Erzeugung von überhitztem Wasserdampf an das Wasser des Wasser/Wasserdampf-Kreislaufs übertragen wird, wobei zwischen Verdampfer (6) und Überhitzer (7) eine Anfahrflasche (14) zum Trennen von Wasser und Dampf angeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen von überhitztem Wasserdampf mittels solarer Energie, umfassend einen Dampferzeuger mit einem Wärmeträger-Kreislauf mit einem Wärmeträgermedium und einen Wasser/Wasserdampf-Kreislauf mit Wasser, wobei die von dem Wärmeträgermedium aufgenommene Wärme mittels eines Verdampfers und eines Überhitzers zur Erzeugung von überhitztem Wasserdampf an das Wasser des Wasser/ Wasserdampf-Kreislaufs übertragen wird.
  • Solarthermische Kraftwerke werden als Alternative zu herkömmlichen Kraftwerken zur Stromerzeugung eingesetzt, um die bestehende Kohlendioxid-Problematik zu entschärfen. In solarthermischen Kraftwerken wird Sonnenenergie in elektrische Energie umgewandelt.
  • Bei herkömmlichen solarthermischen Kraftwerken werden Solarfelder mit Parabolrinnen-Kollektoren als Empfänger der Solarenergie verwendet. Alternativ zu Parabolrinnen-Kollektoren oder Fresnel-Kollektoren werden auch Solartürme mit Heliostaten-Solarfeldern eingesetzt.
  • Ein derartiges solarthermisches Kraftwerk mit indirekter Verdampfung weist einen Dampferzeuger auf. Der Dampferzeuger umfasst einen Wärmeträger-Kreislauf (Primärkreislauf) mit einem Wärmeträgermedium und einen Wasser/Wasserdampf-Kreislauf (Sekundärkreislauf) mit Wasser. Das Wärmeträgermedium des Wärmeträgerkreislaufs, beispielsweise ein Thermoöl oder eine Salzschmelze, nimmt die solare Energie in Form von Wärme (thermische Energie) auf. Das Wärmeträgermedium wird erwärmt, die durch das Wärmeträgermedium aufgenommene Wärme wird mit Hilfe eines Verdampfers und eines Überhitzers an das Wasser des Wasser/Wasserdampf-Kreislaufs übertragen. Dabei wird überhitzter Wasserdampf erzeugt. Die im überhitzten Wasserdampf gespeicherte thermische Energie wird zur Gewinnung von elektrischer Energie benutzt, wodurch thermische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird. Dem solarthermischen Kraftwerk ist ein konventioneller Teil nachgeschaltet, in dem die Umwandlung der thermischen Energie des überhitzten Wasserdampfs in elektrische Energie erfolgt, beispielsweise mit Hilfe einer Dampfturbine.
  • Bei herkömmlichen Vorrichtungen zum Erzeugen von überhitztem Wasserdampf hat es sich gezeigt, dass der Anfahrvorgang vergleichsweise lange dauert.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Erzeugen von überhitztem Wasserdampf mittels solarer Energie anzugeben, bei der der Anfahrvorgang verkürzt ist.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass zwischen Verdampfer und Überhitzer eine Anfahrflasche zum Trennen von Wasser und Dampf angeordnet ist.
  • Erfindungsgemäß ist eine Trennstelle zwischen Verdampfer und Überhitzer vorgesehen, an der die Anfahrflasche angeordnet ist, wodurch dem Überhitzer vorzugsweise reiner Dampf zugeführt wird. Die erfindungsgemäß vorgesehene Anfahrflasche hat somit die Funktion, Wasser und Dampf zu trennen, damit der Überhitzer lediglich mit reinem Dampf beaufschlagt wird. Auf diese Weise werden die im Überhitzer notwendigen Dampfparameter, die für die nachgeschaltete Dampfturbine erforderlich sind, sehr schnell erreicht. Gegebenenfalls kann dem Überhitzer ein Einspritzkühler nachgeschaltet sein.
  • Eine noch zuverlässigere Funktion ergibt sich bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wenn die Anfahrflasche mit einer Umwälzpumpe gekoppelt ist, um vom Dampf abgetrenntes Wasser in einem Kreislauf in den Verdampfer zu pumpen. Das aufgewärmte Wasser verbleibt durch die Umwälzung in einem Kreislauf, so dass keine Energie verlorengeht. Zusätzlich erlaubt die Umwälzung, die für eine stabile Strömung notwendigen Massenstromdichten im Verdampfer einzuhalten.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass der Rohrinnendurchmesser im Überhitzer geringer als der Rohrinnendurchmesser im Verdampfer ist. Dadurch ergibt sich ein besserer Wärmeübergang, daneben verringern sich die Abmessungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
  • Alternativ oder zusätzlich kann es bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen sein, dass die Anzahl der Rohre im Überhitzer geringer als die Anzahl der Rohre im Verdampfer ist. Auch durch diese Maßnahme wird der Wärmeübergang verbessert bzw. die Abmessungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung können verringert werden.
  • Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, dass der Verdampferbündel, der die Rohre bzw. Rohrleitungen umfasst, in wenigstens zwei Teile aufgeteilt ist, die unabhängig voneinander benutzbar sind. Mittels eines oder mehrerer betätigbarer Ventile kann somit ein Teil, z. B. die Hälfte des Verdampferbündels oder das gesamte Verdampferbündel betrieben werden. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die Stabilität des Verdampfers verbessert wird, da es zu einem Druckausgleich an der Trennstelle kommt. Andererseits kann die Anfahrzeit verkürzt werden, indem beim Anfahren der erfindungsgemäßen Vorrichtung lediglich ein Teil, beispielsweise die Hälfte, des Verdampfers benutzt wird.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Die Figuren sind schematische Darstellungen und zeigen:
  • 1 einen Schaltplan eines erfindungsgemäßen solaren Kraftwerks; und
  • 2 eine Anfahrflasche, einen Verdampfer und einen Überhitzer einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
  • Die in 1 in einem schematischen Schaltplan dargestellte Vorrichtung 1 ist als solares Parabolrinnenkraftwerk ausgebildet. Da dieses Parabolrinnenkraftwerk bereits in einer anderen, nicht vorveröffentlichten Anmeldung beschrieben ist, wird es an dieser Stelle nur soweit erläutert, wie es für das Verständnis der vorliegenden Erfindung erforderlich ist.
  • Die Vorrichtung 1 zur Erzeugung von Wasserdampf mittels solarer Energie umfasst einen Wärmeträgerkreislauf 2 und einen Wasser/Wasserdampfkreislauf 3. Die Kreisläufe sind über wenigstens einen Dampferzeuger 4 thermisch miteinander gekoppelt. Über den Dampferzeuger 4 findet ein Austausch von Wärme statt, so dass Wasser von der flüssigen Phase in die gasförmige Phase als Wasserdampf überführt wird. In der Vorrichtung 1 ist ein Zwangsdurchlauf vorgesehen, dazu sind ein Speisewasservorwärmer 5, der als Economiser (ECO) bezeichnet wird, ein Verdampfer 6 und ein Überhitzer 7 vorgesehen.
  • Zur Übertragung von Wärme, die über ein Solarfeld 8 auf das Wärmeträgermedium 9 des Wärmeträgerkreislaufs übertragen wird, sind ein Wasserrohr und der Wärmeträgerkreislauf in einem Bereich 10 des Speisewasservorwärmers 5 zum Erwärmen von im Wasserrohr befindlichem flüssigen Wasser mittels Wärme des Wärmeträgermediums thermisch miteinander gekoppelt.
  • Ebenso sind das Wasserrohr und der Wärmeträgerkreislauf in dem Verdampfer 6 zum Überführen des im Wasserrohr befindlichen, erwärmten flüssigen Wassers in Wasserdampf mittels Wärme des Wärmeträgermediums thermisch miteinander gekoppelt. Darüber hinaus sind das Wasserrohr und der Wärmeträgerkreislauf in dem Überhitzer 7 zum Überhitzen des im Wasserrohr befindlichen Wasserdampfs mittels Wärme des Wärmeträgermediums thermisch miteinander gekoppelt.
  • In 2 erkennt man, dass Verdampfer 6 und Überhitzer 7 übereinander in einem Druckbehälter 11 angeordnet sind. Der Druckbehälter 11 weist einen Einlass 12 für das Wärmeträgermedium und einen Auslass 13 auf. Durch ein Einlass 12 wird heißes Wärmeträgermedium zugeführt, durch den Auslass 13 wird abgekühltes Wärmeträgermedium wieder abgeführt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Wärmeträgermedium ein Thermoöl, bei alternativen Ausgestaltungen kann das Wärmeträgermedium eine Salzschmelze sein.
  • Seitlich neben dem Druckbehälter 11 ist eine Anfahrflasche 14 angeordnet, die als Trenngefäß zum Trennen der flüssigen und der gasförmigen Phase des Wassers dient. An ihrem oberen Ende weist die Anfahrflasche 14 einen Auslass 15 auf, so dass dem Überhitzer 7 reiner Dampf zugeführt wird. Die flüssige Phase wird über einen Auslass 16 mittels einer Umwälzpumpe 17 in einem Kreislauf in den Verdampfer 6 gepumpt. Durch die Anfahrflasche 14 wird das Anfahren beträchtlich erleichtert, da das aufgewärmte Wasser durch die Umwälzung im Kreislauf bleibt und keine Wärmeenergie verlorengeht. Durch die Umwälzpumpe 17 werden die für eine stabile Strömung im Verdampfer 6 notwendigen Massenstromdichten erreicht. Dementsprechend wird der Überhitzer 7 mit reinem Dampf beaufschlagt, so dass die für den Antrieb einer Turbine 18 notwendigen Dampfparameter in kurzer Zeit erreicht werden. Zusammenfassend dient die Anfahrflasche 14 somit als Trenngefäß, um die flüssige und die gasförmige Phase des Wassers zu trennen, damit dem Verdampfer 6 lediglich Dampf zugeführt wird. Durch die Heizflächentrennung ist das Überhitzerbündel unabhängig von dem Verdampferbündel, dadurch kann im Überhitzer 7 ein kleineres Rohr eingesetzt werden, alternativ kann die Anzahl der Rohre reduziert werden. Beide Maßnahmen bewirken einen besseren Wärmeübergang, so dass kleinere Abmessungen des Überhitzers 7 und damit des Druckbehälters 11 realisiert werden können.
  • Neben der Trennung zwischen Verdampfer 6 und Überhitzer 7 kann auch der Verdampferbündel durch ein oder mehrere Ventile in zwei Teile aufgeteilt werden. Auch auf diese Weise kann die Anfahrzeit verkürzt werden, indem beim Anfahren z. B. nur eine Hälfte des Verdampfers 6 in Betrieb ist. Zudem wird die Stabilität des Verdampfers 6 verbessert, da es zu einem Druckausgleich in der Trennstelle kommt.

Claims (6)

  1. Vorrichtung zum Erzeugen von überhitztem Wasserdampf mittels solarer Energie, umfassend einen Dampferzeuger mit einem Wärmeträger-Kreislauf mit einem Wärmeträgermedium und einen Wasser/Wasserdampf-Kreislauf mit Wasser, wobei die von dem Wärmeträgermedium aufgenommene Wärme mittels eines Verdampfers und eines Überhitzers zur Erzeugung von überhitztem Wasserdampf an das Wasser des Wasser/Wasserdampf-Kreislaufs übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Verdampfer (6) und Überhitzer (7) eine Anfahrflasche (14) zum Trennen von Wasser und Dampf angeordnet ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Anfahrflasche (14) so ausgebildet ist, dass dem Überhitzer (7) lediglich Dampf zugeführt wird.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anfahrflasche (14) mit einer Umwälzpumpe (17) gekoppelt ist, um vom Dampf abgetrenntes Wasser in einem Kreislauf in den Verdampfer (6) zu pumpen.
  4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrinnendurchmesser im Überhitzer (7) geringer als der Rohrinnendurchmesser im Verdampfer (6) ist.
  5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dass die Anzahl der Rohre im Überhitzer (7) geringer als die Anzahl der Rohre im Verdampfer (6) ist.
  6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampferbündel in wenigstens zwei Teile aufgeteilt ist, die unabhängig voneinander benutzbar sind.
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