DE102012111775B4

DE102012111775B4 - Solarthermische Dampferzeugungsstufe, solarthermisches Kraftwerk und Verfahren zum Betreiben einer solarthermischen Dampferzeugungsstufe

Info

Publication number: DE102012111775B4
Application number: DE102012111775.6A
Authority: DE
Inventors: Tobias Hirsch; Jan Fabian FELDHOFF
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2012-12-04
Filing date: 2012-12-04
Publication date: 2016-08-04
Anticipated expiration: 2032-12-05
Also published as: WO2014086549A1; DE102012111775A1

Abstract

Um eine solarthermische Dampferzeugungsstufe, umfassend eine Solareinrichtung, an welcher mittels Solarstrahlung aus einem flüssigen Wärmeträgermedium Wärmeträgermedium-Dampf erzeugbar ist, wobei die Solareinrichtung einen Vorwärmer-/Verdampferbereich und einen Überhitzerbereich aufweist, bereitzustellen, bei welcher zeitliche Schwankungen in einen anfallendem Strom an flüssigem Wärmeträgermedium ausgleichbar sind, ist vorgesehen, dass an dem Vorwärmer-/Verdampferbereich mindestens eine Puffereinrichtung angeordnet ist, welche eine Abscheidereinrichtung zur Trennung von flüssigem Wärmeträgermedium und Wärmeträgermedium-Dampf aus einem Zweiphasengemisch, eine Speichereinrichtung zur Speicherung von flüssigem Wärmeträgermedium und eine Rückführeinrichtung für flüssiges Wärmeträgermedium umfasst, dass die Speichereinrichtung fluidwirksam mit der Abscheidereinrichtung verbunden ist, welche der Speichereinrichtung flüssiges Wärmeträgermedium bereitstellt, dass mindestens eine Anschlussleitung fluidwirksam mit der Abscheidereinrichtung verbunden ist, welche in die mindestens eine Anschlussleitung Wärmeträgermedium-Dampf einkoppelt, und dass die Rückführeinrichtung die Speichereinrichtung fluidwirksam mit der mindestens einen Anschlussleitung verbindet, wobei in der Speichereinrichtung zwischengespeichertes flüssiges Wärmeträgermedium in die mindestens eine Anschlussleitung einkoppelbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine solarthermische Dampferzeugungsstufe, umfassend eine Solareinrichtung, an welcher mittels Solarstrahlung aus einem flüssigem Wärmerträgermedium Wärmeträgermedium-Dampf erzeugbar ist, wobei die Solareinrichtung einen Vorwärmer-/Verdampferbereich und einen Überhitzerbereich aufweist.
Die Erfindung betrifft ferner ein solarthermisches Kraftwerk mit mindestens einer solarthermischen Dampferzeugungsstufe.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer solarthermischen Dampferzeugungsstufe, bei der mittels Solarstrahlung aus flüssigem Wärmeträgermedium überhitzter Wärmeträgermedium-Dampf erzeugt wird.
Aus der DE 10 2012 101 249 A1 ist ein Verfahren zur Erzeugung von überhitztem Dampf an einem solarthermischen Kraftwerk bekannt, bei dem in einer Durchlaufstrecke für Wärmeträgermedium durch Solarenergie in einem Verdampferbereich Dampf erzeugt wird und in einem Überhitzerbereich durch Solarenergie der Dampf überhitzt wird, wobei ein Verdampfungsendpunkt des Verdampferbereichs in einem Regelungsverfahren örtlich fixiert wird, bei dem ein räumlicher Temperaturgradient in dem Überhitzerbereich und eine Temperatur im Verdampferbereich bestimmt werden und der Massentstrom an Wärmeträgermedium in der Durchlaufstrecke in Abhängigkeit des Temperaturgradienten und der gemessenen Temperatur im Verdampferbereich eingestellt wird.
Aus der nicht vorveröffentlichten DE 10 2012 101 249 A1 vom 16. Februar 2012 ist ein solarthermisches Kraftwerk bekannt, umfassend eine Solareinrichtung, an welcher mittels Solarstrahlung aus einem flüssigem Wärmeträgermedium Wärmeträgermedium-Dampf erzeugbar ist, und eine Turbineneinrichtung, welcher der erzeugte Wärmeträgermedium-Dampf bereitgestellt ist, wobei die Solareinrichtung einen Vorwärmer-/Verdampferbereich und einen Überhitzerbereich aufweist. An der Solareinrichtung ist eine elektrische Heizeinrichtung angeordnet, welche mindestens ein elektrisches Heizelement aufweist und durch welche Wärmeträgermedium heizbar ist.
Aus der DE 10 2009 047 204 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines solarthermischen Kraftwerks, welches eine Verdampfereinrichtung mit einer Mehrzahl von Verdampfersträngen umfasst, an welcher aus einem flüssigen Wärmeträgermedium durch Solarstrahlung Dampf erzeugbar ist, bekannt, wobei bei einem Einstrahlungsrückgang die Verdampfereinrichtung in inaktive und aktive Verdampferstränge aufgeteilt wird, an einem aktiven Verdampferstrang ein Mindestmassenstrom an flüssigem Arbeitsmedium aufrechterhalten wird, der die Betriebsbereitschaft der Verdampfereinrichtung erhält, und an einem inaktiven Verdampferstrang ein Massenstrom Null eingestellt wird oder ein Massenstrom eingestellt wird, welcher höchstens 20% des Mindestmassenstroms ist.
Aus der DE 10 2007 052 234 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines solarthermischen Kraftwerks bekannt, bei dem ein Wärmeträgermedium in einem Verdampferabschnitt durch Solarstrahlung oder Aufnahme von Wärme verdampft wird, wobei der Verdampferabschnitt eine Mehrzahl von Verdampfersträngen aufweist, auf welche das Wärmeträgermedium verteilt wird. Die Massenstromverteilung wird an dem Verdampferabschnitt geregelt, wobei die Massenströme individuell an allen oder einer Mehrheit der Verdampferstränge eingestellt werden und eine Regelgröße eine Größe ist, welche einen räumlichen Energieanstieg in einem jeweiligen Verdampferstrang in einem Bereich des Verdampferstrangs, in dem Wärmeträgermedium noch nicht verdampft ist, charakterisiert.
Aus der DE 10 2006 021 972 B4 ist ein solarthermisches Kraftwerk bekannt, umfassend eine Solarkollektoreinrichtung mit einer Mehrzahl von Solarkollektorsträngen, an welcher aus flüssigem Wärmeträgermedium Dampf erzeugbar ist, und eine Dampfturbineneinrichtung, wobei die Sollarkollektorstränge jeweils eine Rezirkulationseinrichtung zur Rezirkulation von flüssigem Wärmeübertragungsmedium aufweisen. Einem Solarkollektorstrang ist eine aktive Massenstromregeleinrichtung zugeordnet, über die der Massenstrom an zugeführtem Speise-Wärmeübertragungsmedium einstellbar ist, und dem Solarkollektorstrang ist mindestens eine passive Drosseleinrichtung zugeordnet, über welche rezirkuliertes Wärmeübertragungsmedium zuführbar ist.
Aus der DE 101 28 562 C1 ist ein solarthermisches Kraftwerk mit einem Arbeitsmediumkreislauf bekannt, umfassend einen Verdampferstrang, welcher eine Mehrzahl von Solarkollektoren aufweist, mittels derer in dem Arbeitsmedium Dampf erzeugbar ist, einen Dampfturbinenstrang, an welchen der Verdampferstrang zur Bereitstellung von Dampf gekoppelt ist, und einen Vorwärmerstrang, welcher an den Dampfturbinenstrang gekoppelt ist und über den Arbeitsmedium zum Verdampferstrang rückführbar ist, wobei ein Abscheider an den Verdampferstrang gekoppelt ist, mittels dessen flüssiges Arbeitsmedium und Dampf aus einem Zwei-Phasen-Gemisch des Arbeitsmediums trennbar ist. Arbeitsmedium ist von dem Verdampferstrang und/oder dem Dampfturbinenstrang in den Vorwärmestrang geführt, wobei die Einleitung in den Vorwärmestrang auf einem niedrigeren Druckniveau liegt als die Ausleitung aus dem Verdampferstrang und/oder Dampfturbinenstrang.
Aus der US 2012/0255300 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines solarthermischen Kraftwerks bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine solarthermische Dampferzeugungsstufe der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei welcher Schwankungen in den Betriebsbedingungen ausgleichbar sind.
Diese Aufgabe wird bei der solarthermischen Dampferzeugungsstufe der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass an dem Vorwärmer-/Verdampferbereich mindestens eine Puffereinrichtung angeordnet ist, welche eine Abscheidereinrichtung zur Trennung von flüssigem Wärmeträgermedium und Wärmeträgermedium-Dampf aus einem Zweiphasengemisch, eine Speichereinrichtung zur Speicherung von flüssigem Wärmeträgermedium und eine Rückführeinrichtung für flüssiges Wärmeträgermedium umfasst, dass die Speichereinrichtung fluidwirksam mit der Abscheidereinrichtung verbunden ist, welcher der Speichereinrichtung flüssiges Wärmeträgermedium bereitstellt, dass mindestens eine Anschlussleitung fluidwirksam mit der Abscheidereinrichtung verbunden ist, welche in die mindestens eine Anschlussleitung Wärmeträgermedium-Dampf einkoppelt, und dass die Rückführeinrichtung die Speichereinrichtung fluidwirksam mit der mindestens einen Anschlussleitung verbindet, wobei in der Speichereinrichtung zwischengespeichertes flüssiges Wärmeträgermedium in die mindestens eine Anschlussleitung einkoppelbar ist.
Grundsätzlich ist es so, dass in der solarthermischen Dampferzeugungsstufe insbesondere aufgrund schwankenden solaren Einstrahlungsbedingungen ein Gehalt an flüssigem Wärmeträgermedium und damit auch der Gehalt an Wärmeträgermedium-Dampf schwanken kann. Es kann dadurch ein Verdampfungsendpunkt (insbesondere für Wärmeträgermedium-Dampf in einem Einphasenstrom, welcher der Überhitzerbereich bereitgestellt wird) wandern. Eine solche Betriebsinstabilität ist in der Regel unerwünscht.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist an dem Vorwämer-/Verdampferbereich die mindestens eine Puffereinrichtung angeordnet. Die Abscheidereinrichtung der Puffereinrichtung trennt im Zweiphasengemisch flüssiges Wärmeträgermedium und Wärmeträgermedium-Dampf. Das flüssige Wärmeträgermedium wird einem Puffervolumen der Speichereinrichtung zugeführt und wird von dort in die Anschlussleitung zurückgeführt. Zwischen der Abscheidereinrichtung und einer Einkopplungsstelle für flüssiges Wärmeträgermedium aus der Speichereinrichtung in die Anschlussleitung ist in dieser Wärmeträgermedium-Dampf geführt. Nach Einkopplung des rückgeführten flüssigen Wärmeträgermediums strömt in dieser nachfolgend der Einkopplungsstelle ein Zweiphasengemisch.
Durch entsprechende Auslegung bzw. Einstellung der Puffereinrichtung lässt sich erreichen, dass der Gehalt an flüssigem Wärmeträgermedium in der Strömung (und damit auch der Gehalt an Wärmeträgermedium-Dampf) ausgeglichen ist und insbesondere annährend konstant gehalten wird. Die Speichereinrichtung sorgt dann für eine Betriebsstabilisierung des Gehalts an Wärmeträgermedium-Dampf auch bei größeren Abweichungen von einem Auslegungspunkt.
Es lässt sich dadurch ein (zeitlich und räumlich) stabiler Verdampferendpunkt erreichen, welcher nicht wandert bzw. dessen Wanderung beispielsweise aufgrund variierenden solaren Einstrahlungsbedingungen minimiert ist. Unter Umständen kann dadurch auf eine Abscheidungseinrichtung zwischen dem Vorwärmer-/Verdampferbereich und dem Überhitzerbereich verzichtet werden.
Die Puffereinrichtung lässt sich dabei grundsätzlich so ausbilden, dass sie passiv betreibbar ist. Die rückgespeiste Menge an flüssigem Wärmeträgermedium in die mindestens eine Anschlussleitung (zur Erzeugung eines Zweiphasengemischs) kann direkt von einer Druckdifferenz zwischen einem Druck der Strömung an Einphasen-Wärmeträgermedium-Dampf in der mindestens einen Anschlussleitung und dem Druck in der Speichereinrichtung abhängen. Dadurch wird auf einfache Weise erreicht, dass bei großen Massenströmen an Wärmeträgermedium-Dampf und damit hoher Druckdifferenz eine große Menge an flüssigem Wärmeträgermedium rückgeführt wird.
Dadurch wiederum lässt sich der Aufwand für eine Regelungstechnik bzw. Steuerungstechnik minimieren.
Günstig ist es, wenn die Rückführeinrichtung mindestens eine Einkopplungsstelle für flüssiges Wärmeträgermedium aus der Speichereinrichtung in die mindestens eine Anschlussleitung umfasst, welche bezogen auf eine Strömungsrichtung des Wärmeträgermediums einer Einkopplungsstelle für Wärmeträgermedium-Dampf von der Abscheidereinrichtung in die mindestens eine Anschlussleitung nachgeschaltet ist. Es strömt dann zwischen der Einkopplungsstelle für Wärmeträgermedium-Dampf von der Abscheidereinrichtung in die mindestens eine Anschlussleitung und der Einkopplungsstelle der Rückführeinrichtung für flüssiges Wärmeträgermedium Wärmeträgermedium-Dampf. Der Einkopplungsstelle für flüssiges Wärmeträgermedium nachfolgend strömt in der mindestens einen Anschlussleitung (im Normalbetrieb) ein Zweiphasengemisch, welches entstanden ist aus einer Mischung des an der Abscheidereinrichtung getrennten Wärmeträgermedium-Dampfs und des rückgeführten flüssigem Wärmeträgermediums. Die Speichereinrichtung sorgt für ein Puffervolumen und für eine zeitlich versetzte Rückführung an flüssigem Wärmeträgermedium. Dadurch lässt sich ein Gehalt an flüssigem Wärmeträgermedium bzw. einen Gehalt an Wärmeträgermedium-Dampf in dem resultierenden Zweiphasengemisch bezüglich einer Wanderung eines Verdampfungsendpunkt stabilisieren.
Günstigerweise hat die Speichereinrichtung ein Puffervolumen für flüssiges Wärmeträgermedium, mittels welchem zeitversetzt zur Einkopplung eines Puffervolumen flüssiges Wärmeträgermedium in die mindestens eine Anschlussleitung durch die Rückführeinrichtung rückführbar ist. Dieses Puffervolumen sorgt für eine entsprechende Stabilisierung.
Insbesondere hängt eine rückgeführte Menge an flüssigem Wärmeträgermedium von der Differenz eines Drucks von in der mindestens einen Anschlussleitung strömendem Wärmeträgermedium-Dampf und einem Druck in der Speichereinrichtung ab. Dieser Druck lässt sich durch entsprechende Auslegung der Puffereinrichtung insbesondere bezüglich Rohrdurchmessern und eines Puffervolumens einstellen. Durch ein oder mehrere Stellorgane kann er ebenfalls eingestellt werden. Es lässt sich dann eine passive Betriebsweise realisieren, bei der sich aufgrund der bei variierenden Einstrahlungsbedingungen variierenden Druckdifferenz eine sonst mögliche Wanderung eines Verdampfungsendpunkts ausgeglichen wird, d. h. die Wanderung aufgehoben bzw. zumindest minimiert wird.
Es kann dabei vorgesehen sein, dass die Druckdifferenz eingestellt ist und/oder variabel einstellbar ist. Eine Einstellung erfolgt beispielsweise über ”Hardwarevorgaben” der Puffereinrichtung wie Rohrdurchmesser usw. Durch ein oder mehrere Stellorgane wie beispielsweise Stellventile kann die Druckdifferenz auch variabel eingestellt werden. Der Strom an flüssigem Wärmeträgermedium in der mindestens einen Anschlussleitung ist dann abhängig von der anliegenden Druckdifferenz konstruktiv vorgegeben oder variabel vorgegeben.
Insbesondere ist die Einstellung derart, dass bei konstanten Bedingungen die Menge an flüssigem Wärmeträgermedium, welches in die Speichereinrichtung eingekoppelt wird, einer Menge an rückgeführtem flüssigem Wärmeträgermedium entspricht und/oder es in ein Einstellziel, dass ein Gehalt an Wärmeträgermedium-Dampf in einem Zweiphasengemisch in der Anschlussleitung nach der Rückführung von Wärmeträgermedium mindestens näherungsweise konstant ist. Dadurch lässt sich eine Wanderung eines Verdampfungsendpunkts minimieren.
Günstig ist es, wenn einer Einkopplungsstelle für flüssiges Wärmeträgermedium in die mindestens eine Anschlussleitung ein Stellventil zur Einstellung der Durchflussmenge an flüssigem Wärmeträgermedium zugeordnet ist. Dadurch lässt sich über das Stellventil beispielsweise ein Arbeitspunkt für die Druckdifferenz einstellen. Es lässt sich so auf einfache Weise ein passives Verhalten der Puffereinrichtung realisieren.
Es kann auch ferner vorgesehen sein, dass die Rückführeinrichtung mindestens eine Leitung aufweist, welche von der Speichereinrichtung zu der mindestens einen Anschlussleitung führt, wobei insbesondere ein Stellventil in der mindestens einen Leitung angeordnet ist. Durch dieses Stellventil lässt sich der Dampfmassenstrom bezüglich eines Arbeitspunkts einstellen beziehungsweise es lässt sich ein Arbeitspunkt für eine Druckdifferenz einstellen.
Günstig ist es, wenn das Stellventil manuell bedienbar ist. Dadurch lässt sich mit geringem Aufwand eine passiv arbeitende Puffereinrichtung realisieren. Es kann auch vorgesehen sein, dass das Stellventil über eine Steuerungseinrichtung ansteuerbar ist.
Es ist ferner günstig, wenn an der mindestens einen Anschlussleitung ein Stellventil zur Einstellung der Durchflussmenge von Wärmeträgermedium-Dampf angeordnet ist, wobei insbesondere das Stellventil zwischen einer Einkopplungsstelle für Wärmeträgermedium-Dampf und einer Einkopplungsstelle für flüssiges Wärmeträgermedium aus der Speichereinrichtung angeordnet ist. Dadurch lässt sich auch eine Einstellung beispielsweise bezüglich eines Arbeitspunkts durchführen.
Bei einer Ausführungsform ist eine Steuerungseinrichtung vorgesehen, durch welches das oder die Stellenventile ansteuerbar sind. Beispielsweise sind auch Stellventile ansteuerbar, durch welche der Massenstrom in einem Strang der Solareinrichtung einstellbar ist. Es ergeben sich so umfangreiche Steuerungsmöglichkeiten und Regelungsmöglichkeiten.
Günstig ist es, wenn mindestens eine Leitung der Rückführeinrichtung, welche von der Speichereinrichtung zu der mindestens einen Anschlussleitung führt, an oder in der Nähe eines ein Puffervolumen der Speichereinrichtung begrenzenden Bodens an die Speichereinrichtung angeschlossen ist. Dadurch lässt sich auf einfache Weise ein ”Schwerkraftantrieb” für die Auskopplung von flüssigem Wärmeträgermedium aus einem Puffervolumen realisieren
Aus dem gleichen Grund ist es günstig, wenn eine Einkopplungsstelle für flüssiges Wärmeträgermedium in die Speichereinrichtung bezogen auf die Schwerkraftrichtung oberhalb einer Auskopplungsstelle für flüssiges Wärmeträgermedium aus der Speichereinrichtung liegt.
Es ist ferner günstig, wenn eine Einkopplungsstelle für flüssiges Wärmeträgermedium in die mindestens eine Anschlussleitung bezogen auf die Schwerkraftrichtung unterhalb einer Einkopplungsstelle für flüssiges Wärmeträgermedium in die Speichereinrichtung liegt. Dadurch lässt sich auf einfache Weise erreichen, dass sich nur ein begrenzter Teil der Anschlussleitung mit flüssigem Wärmeträgermedium füllt, wenn der Strom an Wärmeträgermedium-Dampf stagniert.
Günstig ist es, wenn die mindestens eine Anschlussleitung im Bereich einer Einkopplungsstelle für flüssiges Wärmeträgermedium aus der Speichereinrichtung in einem Bogen geführt ist. Es lassen sich dadurch kommunizierende Röhren ausbilden, welche bei entsprechender Anordnung ein Pegelniveau aufnehmen, welches höchstens so hoch ist wie das Pegelniveau an flüssigem Wärmeträgermedium in der Speichereinrichtung. Dadurch lässt sich auf einfache Weise, wenn der Strom an Wärmeträgermedium-Dampf stagniert, die Menge an flüssigem Wärmeträgermedium, welches in der mindestens einen Anschlussleitung gespeichert ist, reduzieren und damit lässt sich beim Wiederanstieg der Menge an Wärmeträgermedium-Dampf die auszustoßende Menge an flüssigem Wärmeträgermedium reduzieren.
Es ist dann insbesondere günstig, wenn die mindestens eine Anschlussleitung an dem Bogen einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich mit mindestens näherungsweise entgegengesetzten Hauptströmungsrichtungen aufweist, wobei insbesondere die Hauptströmungsrichtungen mindestens näherungsweise parallel bzw. antiparallel zur Schwerkraftrichtung sind. Dadurch lässt sich im Fall der Stagnation des Stroms an Wärmeträgermedium-Dampf die in der Anschlussanleitung aufgenommene Menge an flüssigem Wärmeträgermedium gering halten.
Es ergibt sich ein kompakter Aufbau, wenn die mindestens eine Anschlussleitung bezogen auf die Schwerkraftrichtung mindestens abschnittsweise über der Speichereinrichtung geführt ist.
Bei einer Ausführungsform ist die Abscheidereinrichtung außerhalb eines Gehäuses der Speichereinrichtung angeordnet und insbesondere ist eine Verbindungsleitung zwischen der Abscheidereinrichtung und der Speichereinrichtung angeordnet. Bei dieser Ausführungsform ist die Abscheidereinrichtung eine externe Einrichtung zu der Speichereinrichtung.
Bei einer alternativen Ausführungsform ist die Abscheidereinrichtung innerhalb eines Gehäuses der Speichereinrichtung angeordnet. Dadurch ergibt sich ein kompakter Aufbau.
Günstig ist es, wenn die mindestens eine Anschlussleitung zu ein oder mehreren Solarkollektoren eines Verdampferteils des Vorwärmer-/Verdampferbereichs führt. Dies bedeutet, dass nachfolgend eine weitere Verdampfung stattfindet. Es lässt sich so aus dem Zweiphasengemisch ein Einphasenstrom an Wärmeträgermedium-Dampf herstellen. Durch die erfindungsgemäße Lösung lässt sich der Gehalt an flüssigem Wärmeträgermedium des Zweiphasengemischs stabil halten. Eine nachfolgende weitere Verdampfung in dem restlichen Verdampferteil stellt dann reinen Wärmeträgermedium-Dampf bereit, wobei unter Umständen auf eine Abscheidungseinrichtung zwischen dem Vorwärmer-/Verdampferbereich und dem Überhitzerbereich verzichtet werden kann.
Bei einer Ausführungsform ist eine Messeinrichtung zur Füllstandsmessung an flüssigem Wärmeträgermedium in der Speichereinrichtung vorgesehen, wobei insbesondere Messsignale an die Steuerungseinrichtung übermittelt werden. Die entsprechende Messsignale können verwendet werden, um eine Einspritzung an anderen Stellen der Solareinrichtung zu steuern bzw. um ein Massenstrom an flüssigem Wärmeträgermedium, welcher in die Solareinrichtung und dort insbesondere in die jeweiligen Stränge eingekoppelt wird, zu steuern.
Insbesondere ist die mindestens eine Puffereinrichtung an einem Verdampferteil des Vorwärmer-/Verdampferbereichs angeordnet. Dadurch ergibt sich eine optimierte Betriebsweise.
Bei einer Ausführungsform umfasst der Vorwärmer-/Verdampferbereich (und auch der Überhitzerbereich) eine Mehrzahl von Strängen, wobei an einem oder mehreren Strängen eine Puffereinrichtung angeordnet ist. Beispielsweise ist an jedem Strang eine Puffereinrichtung angeordnet. Es lässt sich somit auf einfache Weise beispielsweise für jeden Strang ein Verdampferendpunkt festlegen, welcher eine minimierte Wanderung aufweist.
Erfindungsgemäß wird ein solarthermisches Kraftwerk bereitgestellt, welches mindestens eine erfindungsgemäße solarthermische Dampferzeugungsstufe umfasst, wobei eine Turbineneinrichtung vorgesehen ist, welcher die mindestens eine solarthermischen Dampferzeugungsstufe überhitzten Dampf bereitstellt.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei welchem Instabilitäten und insbesondere Schwankungen in der solaren Einstrahlung einen verringerten Einfluss haben.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass an einer Abscheidereinrichtung ein Zweiphasengemisch aus flüssigem Wärmeträgermedium und Wärmeträgermedium-Dampf getrennt wird, abgetrenntes flüssiges Wärmeträgermedium einem Puffervolumen einer Speichereinrichtung zugeführt wird und von dort in eine Anschlussleitung, in welcher abgetrennter Wärmeträgermedium-Dampf geführt wird, zurückgeführt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist die bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen solarthermischen Dampferzeugungsstufe erläuterten Vorteile auf.
Insbesondere erfolgt die Trennung des Zweiphasengemischs in einem Verdampferteil eines Vorwämer-/Verdampferbereichs und aus dem Zweiphasengemisch, welches der Abscheidereinrichtung zugeführt wird, entsteht wiederum nach der Rückführung von flüssigem Wärmeträgermedium ein Zweiphasengemisch. Das entstehende Zweiphasengemisch weist jedoch mit relativ guter Konstanz einen festen Gehalt an flüssigem Wärmeträgermedium (und Wärmeträgermedium-Dampf) auch bei variierenden solaren Einstrahlungsbedingungen auf. Dadurch lässt sich gut eine Wanderung eines Verdampferendpunkts verringern oder sogar verhindern.
Dies lässt sich insbesondere mit einer passiven Betriebsweise erreichen.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens wurden bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen solarthermischen Dampferzeugungsstufe erläutert.
Insbesondere bestimmt eine Druckdifferenz zwischen einem Druck eines Stroms an Wärmeträgermedium-Dampf (Einphasenströmung) in der Anschlussleitung und einem Druck im Puffervolumen (Einphasendruck an Flüssigkeit) die Menge an zurückgeführtem flüssigem Wärmeträgermedium. Dadurch lässt sich auf einfache Weise eine passive Betriebsweise realisieren.
Es ist insbesondere ein Ziel der Rückführung, einen Gehalt an flüssigem Wärmeträgermedium in einem Zweiphasengemisch, welches von dem Vorwämer-/Verdampferbereich unmittelbar nach der Rückführung von flüssigem Wärmeträgermedium bereitgestellt wird, mindestens näherungsweise konstant zu halten.
Insbesondere ist eine passive Betriebsweise ohne aktiven Regelungseingriff vorgesehen. Dies lässt sich durch eine Druckdifferenz-getriebene Steuerung der Menge an flüssigem Wärmeträgermedium, welches rückgeführt wird, erreichen.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterungen der Erfindung. Es zeigen:
1 eine schematische Blockschaltbilddarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen solarthermischen Dampferzeugungsstufe, integriert in ein solarthermisches Kraftwerk;
2(a) eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Vorwärmer-/Verdampferbereichs der Dampferzeugungsstufe gemäß 1 mit einer Puffereinrichtung;
2(b) schematisch den Verlauf der spezifischen Enthalpie eines durch die Dampferzeugungsstufe gemäß 2(a) strömenden Wärmeträgermediums in seiner Ortsabhängigkeit;
3 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Puffereinrichtung;
4 schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Puffereinrichtung;
5 schematisch ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Puffereinrichtung;
6 ein Beispiel einer Puffereinrichtung zur Erläuterung von Druckverhältnissen; und
7 den Verlauf eines Dampfanteils an einem Austritt einer Puffereinrichtung und den Druckverlust in Abhängigkeit vom Dampfmassenstrom für unterschiedliche geodätische Drücke bei einem Ausführungsbeispiel.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen solarthermischen Dampferzeugungsstufe, welche in 1 gezeigt und dort mit 10 bezeichnet ist, ist in ein solarthermisches Kraftwerk 12 integriert. Die solarthermische Dampferzeugungsstufe 10 umfasst eine Solareinrichtung 14. An der Solareinrichtung 14 wird mittels Solarstrahlung 16 aus flüssigem Wärmeträgermedium, insbesondere Wasser, Wärmeträgermedium-Dampf (dann insbesondere Wasserdampf) erzeugt.
Die Solareinrichtung 14 umfasst einen Eingang 18, an welchem flüssiges Wärmeträgermedium (”Frischwasser”) eingekoppelt wird. Sie umfasst ferner einen Ausgang 20, an welchem überhitzter Wärmeträgermedium-Dampf bereitgestellt ist. Zwischen dem Eingang 18 und dem Ausgang 20 strömt Wärmeträgermedium und wird dabei erhitzt.
Die Solareinrichtung 14 umfasst einen Vorwärmer-/Verdampferbereich 22 und einen bezogen auf eine Hauptströmungsrichtung für Wärmeträgermedium diesem nachgeschalteten Überhitzerbereich 24. Der Vorwärmer-/Verdampferbereich 22 hat dabei einen Vorwärmerteil 26 und einen Verdampferteil 28. An dem Vorwärmerteil 26 wird flüssiges Wärmeträgermedium erhitzt und bleibt dabei flüssig. In dem Verdampferteil 28, welcher dem Vorwärmerteil 26 nachgeschaltet ist, wird vorgewärmtes flüssiges Wärmeträgermedium verdampft. Es entsteht dabei eine Zweiphasenströmung. An dem Überhitzerbereich 24 wird von dem Vorwärmer-/Verdampferbereich 22 bereitgestellter Dampf überhitzt.
Der Vorwärmer-/Verdampferbereich 22 umfasst eine Mehrzahl von Strängen 30a, 30b usw. Diese Stränge 30a, 30b usw. sind parallel angeordnet. Dem Eingang 18 ist ein Verteiler 32 zugeordnet, mittels welchem flüssiges Wärmeträgermedium auf die Stränge 30a, 30b usw. aufgeteilt wird.
Bei einer Ausführungsform ist jedem Strang 30a, 30b usw. ein eigenes Stellventil 34 (2) zugeordnet, sodass für jeden Strang 30a, 30b usw. individuell der durchströmende Massenstrom an Wärmeträgermedium einstellbar ist.
Jeder Strang 30a usw. umfasst eine Mehrzahl von hintereinander angeordneten Solarkollektoren 36. In einem Solarkollektor 36 wird Solarstrahlung 16 konzentriert. Ferner umfasst ein Solarkollektor 36 ein oder mehrere Absorberrohre, welche von Wärmeträgermedium durchströmt werden und auf welche die konzentrierte Solarstrahlung gerichtet ist. In einem solchem Absorberrohr wird Wärmeträgermedium über die konzentrierte Solarstrahlung erhitzt.
Ein Ausführungsbeispiel für einen Solarkollektor ist ein Rinnenkollektor wie ein Parabolrinnenkollektor oder ein Fresnel-Kollektor.
Bei einem Ausführungsbeispiel hat der Vorwämer-/Verdampferbereich einen Ausgang. Dem Ausgang ist eine Zusammenführung zugeordnet. Durch die Zusammenführung wird Wärmeträgermedium von den einzelnen Strängen 30a, 30b usw. zusammengeführt. Üblicherweise stellt der Vorwärmer-/Verdampferbereich 22 ein Zweiphasengemisch aus verdampftem Wärmeträgermedium und nicht verdampftem flüssigem Wärmeträgermedium bereit. Bei dem Ausführungsbeispiel ist diesem Ausgang eine Abscheidungsrichtung zugeordnet, welche insbesondere eine Abscheidungstrommel umfasst. An dieser Abscheidungseinrichtung wird in dem Zweiphasengemisch enthaltenes flüssiges Wärmeträgermedium abgeschieden. Abgeschiedener Wärmeträgermedium-Dampf (Einphasendampf) wird dem Überhitzerbereich 24 bereitgestellt.
Eine solche Abscheidungseinrichtung zwischen Vorwärmer-/Verdampferbereich 22 und dem Überhitzerbereich 24 ist in 1 nicht gezeigt. In diesem Zusammenhang wird beispielhaft auf die nicht vorveröffentlichte deutsche Patentanmeldung Nr. 10 2012 101 249 des gleichen Anmelders vom 16. Februar 2012 verwiesen, in der eine Solareinrichtung mit einer solchen Abscheidungseinrichtung beschrieben ist.
Der Überhitzerbereich 24 weist ebenfalls Stränge 38a, 38b usw. auf. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Strang 38a eine Fortsetzung des Strangs 30a, der Strang 38b eine Fortsetzung des Strangs 30b usw. Die jeweiligen Stränge, welche zwischen dem Eingang 18 und dem Ausgang 20 liegen, enthalten dann einen Vorwärmerteil, einen Verdampferteil und einen Überhitzerteil.
Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel mit einer Abscheidungseinrichtung (welche in 1 nicht gezeigt ist) ist insbesondere ein Verteiler vorgesehen, welcher von der Abscheidungseinrichtung geliefertes dampfförmiges Wärmeträgermedium auf die Stränge 38a, 38b usw. aufteilt.
Die Stränge 38a, 38b usw. weisen mindestens einen Solarkollektor (entsprechend den Solarkollektoren 36) auf und insbesondere eine Mehrzahl von solchen Solarkollektoren 36.
Die Solareinrichtung 14 umfasst bei einer Ausführungsform eine Einspritzeinrichtung 40. Über die Einspritzeinrichtung 40 lässt sich flüssiges Wärmeträgermedium in den Überhitzerbereich 24 einspritzen. Dazu ist (mindestens) eine Leitung 42 vorgesehen, welche beispielsweise mit dem Eingang 18 in fluidwirksamer Verbindung steht. Diese Leitung 42 mündet über entsprechende Einspritzstellen 44 in den Überhitzerbereich 24. Einspritzstellen 44 sind dabei insbesondere in den Strängen 38a, 38b usw. zwischen entsprechenden Solarkollektoren 36 angeordnet. Die Einspritzstellen 44, wobei insbesondere jeder Strang 38a, 38b jeweils eine oder mehrere Einspritzstellen 44 aufweist, sind dabei insbesondere vor einem letzten Solarkollektor 46 des entsprechenden Strangs 38a, 38b usw. angeordnet, wobei dieser letzte Solarkollektor 46 direkt fluidwirksam mit dem Ausgang 20 verbunden ist. Ferner liegen die Einspritzstellen 44 nachgeschaltet einem ersten Solarkollektor 48, welcher direkt fluidwirksam mit dem Vorwärmer-/Verdampferbereich 22 verbunden ist.
Es kann dabei auch eine Rezirkulationseinrichtung vorgesehen sein (in 1 nicht gezeigt). Bezüglich dieser Rezirkulationseinrichtung wird ebenfalls auf die DE 10 2012 101 249 verwiesen.
Die Dampferzeugungsstufe 12 stellt im Normalbetrieb überhitzten Wärmeträgermedium-Dampf bereit, welcher an dem Ausgang 20 ansteht.
Der Ausgang 20 der Solareinrichtung 14 ist über (mindestens) eine Leitung 50 fluidwirksam an eine Turbineneinrichtung 52 gekoppelt. An der Leitung 50 ist ein Ventil 54 angeordnet, durch welches der Massenstrom an überhitztem Wärmeträgermedium-Dampf, welcher von der Solareinrichtung 14 der Turbineneinrichtung 52 bereitgestellt ist, einstellbar ist. Die Turbineneinrichtung 52 umfasst eine Hochdruckdampfturbine 56. Diese ist über einen Eingang 58 eingangsseitig mit dem Ventil 54 verbunden. An der Hochdruckdampfturbine 56 wird durch eine Teilentspannung von Wärmeträgermedium-Dampf mechanische Energie erzeugt.
Die Hochdruckdampfturbine 56 umfasst ferner einen Ausgang 60, an welchem teilentspannter Wärmeträgermedium-Dampf bereitgestellt ist. Dieser Ausgang 60 steht über eine Leitung 62 in fluidwirksamer Verbindung mit einem ersten Eingang 64 eines Zwischenüberhitzers 66. Der Zwischenüberhitzer 66 weist einen ersten Ausgang 68 auf. Zwischen dem ersten Eingang 64 und dem ersten Ausgang 68 hat der Zwischenüberhitzer 66 eine Erhitzungsstrecke 70. An der Erhitzungsstrecke 70 wird Wärmeträgermedium-Dampf zwischenüberhitzt. Dieser zwischenüberhitzte Wärmeträgermedium-Dampf wird einer Niederdruckdampfturbine 72 bereitgestellt. Die Niederdruckdampfturbine 72 hat dazu einen Eingang 74, welcher über eine Leitung 76 fluidwirksam mit dem ersten Ausgang 68 des Zwischenüberhitzers 66 verbunden ist.
Die Niederdruckdampfturbine 72 ist durch den entsprechenden Dampf betrieben. Die Hochdruckdampfturbine 56 und die Niederdruckdampfturbine 72 bilden eine mehrstufige Turbineneinrichtung 52, welche mechanische Energie bereitstellen, um an einem Generator 78 nutzbaren elektrischen Strom zu erzeugen. Der Zwischenüberhitzer 66 ist ein Wärmeübertrager, welcher mit Wärmeträgermedium-Dampf von der Solareinrichtung 14 (und/oder einer Speichereinrichtung 80, wie unten stehend noch näher beschrieben ist) als Wärmeübertragungsmedium zur Durchführung der Zwischenüberhitzung versorgt ist.
Dazu ist an die Leitung 50 eine Leitung 82 gekoppelt. An der Leitung 82 ist ein Ventil 84 angeordnet. Durch dieses Ventil 84 ist einstellbar ob und gegebenenfalls welche Menge an Wärmeträgermedium-Dampf von der Solareinrichtung 14 für die Zwischenüberhitzung bereitgestellt ist. Die Leitung 82 steht in fluidwirksamer Verbindung mit einem zweiten Eingang 86 des Zwischenüberhitzers 66. Der Zwischenüberhitzter 66 weist ferner einen zweiten Ausgang 88 auf. Zwischen dem zweiten Eingang 86 und dem zweiten Ausgang 88 strömt Wärmeträgermedium-Dampf als Wärmeübertragungsmedium.
Der zweite Ausgang 88 des Zwischenüberhitzers 66 steht über eine Leitung 90 in fluidwirksamer Verbindung mit einem Wärmeübertrager 92. Dieser Wärmeübertrager 92 erhitzt flüssiges Wärmeträgermedium, welches dem Eingang 18 der Solareinrichtung 14 bereitgestellt wird.
Die Hochdruckdampfturbine 56 weist ferner einen oder mehrere Ausgänge 94 auf. Diese stehen mit ein oder mehreren entsprechenden Leitungen in Verbindung mit einem oder mehreren Wärmeübertragern 94. Der oder die Wärmeübertrager 94 sind dem Wärmeübertrager 92 vorgeschaltet und dienen ebenfalls zur Vorerhitzung von flüssigem Wärmeträgermedium, welches der Solareinrichtung 14 bereitgestellt wird.
Die Niederdruckdampfturbine 72 weist einen Ausgang 96 auf. Von diesem Ausgang 96 führt eine Leitung 98 zu einem Kondensator 100. An dem Kondensator 100 wird Wärmeträgermedium-Dampf kondensiert. An einem Ausgang 102 des Kondensators 100 ist flüssiges Wärmeträgermedium in einer Einphasenströmung bereitgestellt.
Dieser Ausgang 102 steht über eine Leitung 104 in fluidwirksamer Verbindung mit einem Niederdruckvorwärmer 106, welcher einstufig mit einem Wärmeübertrager oder mehrstufig mit mehreren Wärmeübertragern ausgebildet sein kann. In 1 ist ein zweistufiger Niederdruckvorwärmer 106 angedeutet. Flüssiges Wärmeträgermedium durchströmt den Niederdruckvorwärmer 106. Dieser Niederdruckvorwärmer 106 ist dabei insbesondere über flüssiges Wärmeträgermedium, welches von der Niederdruckdampfturbine 72 bereitgestellt ist (in 1 durch den Buchstaben C angedeutet), beheizt.
In der Leitung 104 ist eine Pumpe 108 zur Förderung des flüssigen Wärmeträgermediums angeordnet.
Der Niederdruckvorwärmer 106 steht ausgangsseitig mit einer Abscheidetrommel 110 in fluidwirksamer Verbindung. Entsprechendes flüssiges Wärmeträgermedium, welches den Niederdruckvorwärmer 106 durchlaufen hat, wird dort eingekoppelt.
Ein Ausgang der Abscheidetrommel 110 steht über eine Leitung 112 in fluidwirksamer Verbindung mit dem oder den Wärmeübertragern 94. Diese Wärmeübertrager 94 bilden einen Hochdruckvorwärmer, welcher durch Wärmeträgermedium und insbesondere flüssiges Wärmeträgermedium von der Hochdruckdampfturbine 56 beheizt ist (in 1 durch den Buchstaben A angedeutet).
An der Leitung 112 ist eine Pumpe 114 angeordnet.
Ein Ausgang dieses Hochdruckvorwärmers steht in fluidwirksamer Verbindung mit dem Wärmeübertrager 92. Dieser wiederum steht über eine Leitung 116 in fluidwirksamer Verbindung mit dem Eingang 18 der Solareinrichtung 14.
Zwischen der Leitung 116 und der Leitung 50 ist die Speichereinrichtung 80 angeordnet. Die Speichereinrichtung 80 kann mehrstufig ausgebildet sein, beispielsweise mit einem Vorwärmerbereich 118, einem Verdampferbereich 120 und einem Überhitzerbereich 122. Der Vorwärmerbereich 118, der Verdampferbereich und der Überhitzerbereich 122 umfassen jeweils entsprechende Speicherelemente 124. Insbesondere ist ein Speicherelement 124 als Phasenwechselmedium-Speicherelement ausgebildet.
Die Speichereinrichtung 80 stellt überhitzten Dampf bereit, wobei nicht notwendigerweise Dampf selber gespeichert werden muss.
Die Speichereinrichtung 80 hat einen Eingang 126, welcher über eine Leitung 128 in fluidwirksamer Verbindung mit der Leitung 116 steht. An der Leitung 128 ist ein Ventil 130 angeordnet. Über diese Leitung 128 und den Eingang 126 kann flüssiges Wärmeträgermedium (”Frischwasser”) in die Speichereinrichtung 80 eingekoppelt werden.
Der Eingang 126 steht über eine weitere Leitung 132, an welcher ein Ventil 134 angeordnet ist, ebenfalls in fluidwirksamer Verbindung mit der Leitung 116. An der Leitung 132 sitzt eine Pumpe 136. Die Ventile 130 und 134 sind Sperrventile. Durch sie lässt sich einstellen, ob die Leitung 132 oder die Leitung 128 (oder keine dieser beiden Leitungen 128 und 132) offen sind. Die Strömungsrichtung ist dabei in der Leitung 128 entgegengesetzt zu der Strömungsrichtung in der Leitung 132. Über die Leitung 132 lässt sich Wärmeträgermedium aus der Speichereinrichtung 80 in die Leitung 116 einkoppeln. In diesem Falle wirkt dann der Eingang 126 als Ausgang für flüssiges Wärmeträgermedium.
An der Leitung 116 ist ein Ventil 138 angeordnet, welches insbesondere ein Stellventil ist. Über dieses lässt sich einstellen, welche Menge an flüssigem Wärmeträgermedium der Solareinrichtung 14 bereitgestellt ist.
Die Speichereinrichtung 80 hat ferner einen Ausgang 140, an welchem Wärmeträgermedium-Dampf (als überhitzter Wärmeträgermedium-Dampf) bereitgestellt ist. Dieser Ausgang 140 steht über eine Leitung 142, an welcher ein Ventil 144 sitzt, in fluidwirksamer Verbindung mit der Hochdruckdampfturbine 56.
Die Ventile 54 und 144 sind insbesondere als regelbare Ventile ausgebildet. Dadurch lässt sich eine Beimischung einstellen. Durch sie lässt sich einstellen, ob Wärmeträgermedium-Dampf aus der Speichereinrichtung 80 oder aus der Solareinrichtung 14 (insbesondere entweder aus der Solareinrichtung 14 oder der Speichereinrichtung 80) der Hochdruckdampfturbine 56 zu deren Betrieb bereitgestellt wird.
Der Hochdruckdampfturbine 56 ist dabei ein Stellventil 146 vorgeschaltet, durch welches sich der entsprechende Massenstrom einstellen lässt.
Die Leitung 82 ist über ein Ventil 148 an die Leitung 142 gekoppelt. Die Ventile 84 und 144 sind insbesondere regelbare Ventile. Durch sie lässt sich einstellen, ob Wärmeträgermedium-Dampf auf der Solareinrichtung oder der Speichereinrichtung 80 (insbesondere entweder aus der Solareinrichtung 14 oder der Speichereinrichtung 80) dem zweiten Eingang 86 des Zwischenüberhitzers 66 oder zur Zwischenüberhitzung des Wärmeträgermedium-Dampfs, welcher von der Hochdruckdampfturbine 56 kommt, bereitgestellt wird und es lässt sich auch eine Beimischung einstellen.
Von der Leitung 50 führt eine Leitung 150 zu dem Ausgang 140 der Speichereinrichtung 80. In der Leitung 150 ist ein Ventil 152 angeordnet. Über das Ventil 152 lässt sich einstellen, ob überhitzter Wärmeträgermedium-Dampf der Speichereinrichtung 80 zur Wärmespeicherung bereitgestellt wird. Wenn das Ventil 152, welches insbesondere ein Sperrventil ist, offen ist, dann wird der Ausgang als Eingang zur Aufladung der Speichereinrichtung 80 genutzt.
Die solarthermische Dampferzeugungsstufe 10 umfasst (mindestens) eine Puffereinrichtung 154. Die mindestens eine Puffereinrichtung 154 ist an dem Vorwärmer-/Verdampferbereich 22 und dort an dem Verdampferteil 28 angeordnet, an dem eine Zweiphasenströmung aus flüssigem Wärmeträgermedium und Wärmeträgermedium-Dampf vorliegt.
Bei dem in 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist jedem Strang 30a usw. eine eigene Puffereinrichtung 154 zugeordnet.
In 2(a) ist schematisch die Solareinrichtung 14 gezeigt. Diese umfasst den Vorwärmerteil 26, den Verdampferteil 28 und den Überhitzerbereich 24.
In 2(b) ist schematisch den Verlauf der spezifischen Enthalpie H als Funktion des Orts x gezeigt. Der Ort x entspricht der Position innerhalb eines Strangs 38a, 38b usw. bezogen auf eine Längsrichtung zwischen dem Eingang 18 und dem Ausgang 20.
Die spezifische Enthalpie H steigt von dem Eingang 18 zu dem Ausgang 20 insbesondere stetig an und beispielsweise linear an, wenn zeitlich konstante solare Einstrahlungsbedingungen herrschen.
Wie oben erwähnt, wird im Vorwärmerteil 26 flüssiges Wärmeträgermedium sensibel erhitzt. Im Verdampferteil 28 erfolgt eine Verdampfung, sodass hier ein Zweiphasengemisch vorliegt. Im Überhitzerbereich 24 wird Wärmeträgermedium-Dampf überhitzt.
Wie oben erwähnt kann dabei am Übergang zwischen dem Verdampferteil 28 und dem Überhitzerbereich 24 eine Abscheidungseinrichtung vorgesehen sein, welche dafür sorgt, dass im Überhitzerbereich 24 nur noch reiner Wärmeträgermedium-Dampf strömt.
Die mindestens eine Puffereinrichtung 154 ist in dem Verdampferteil 28 angeordnet.
Ein Ausführungsbeispiel einer Puffereinrichtung 154, welches in 3 schematisch gezeigt ist, umfasst eine Abscheidereinrichtung 156. Die Abscheidereinrichtung 156 weist einen ersten Eingang 158 auf, welcher zum Einkoppeln eines Zweiphasengemischs dient. Die Abscheidereinrichtung 156 weist ferner einen ersten Ausgang 160 und einen zweiten Ausgang 162 auf. An dem ersten Ausgang 160 wird flüssiges Wärmeträgermedium ausgekoppelt. An dem zweiten Ausgang 162 wird dampfförmiges Wärmeträgermedium ausgekoppelt, wobei die Abscheidereinrichtung 156 für die Trennung von flüssigen Wärmeträgermedium und Wärmeträgermedium-Dampf aus dem Zweiphasengemisch sorgt.
Der erste Eingang 158 steht dabei in fluidwirksamer Verbindung mit einer entsprechenden Strömungsleitung 163 in dem Verdampferteil 28, in welcher ein Zweiphasengemisch strömt.
Die Puffereinrichtung 154 weist ferner eine Speichereinrichtung 164 zur Speicherung von flüssigem Wärmeträgermedium auf. Die Speichereinrichtung 164 steht direkt oder über eine Leitung 166 in fluidwirksamer Verbindung mit dem ersten Ausgang 160 der Abscheidereinrichtung 156. Die Speichereinrichtung 164 ist eine Speichereinrichtung für flüssiges Wärmeträgermedium. Sie umfasst dazu ein Gehäuse 168, in welchem ein Puffervolumen 170 zur Aufnahme von flüssigem Wärmeträgermedium gebildet ist.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Abscheidereinrichtung 156 und das Gehäuse 168 der Speichereinrichtung 164 getrennt. Entsprechend weist die Speichereinrichtung 164 einen Eingang 172 auf, welcher fluidwirksam mit dem ersten Ausgang 160 der Abscheidereinrichtung 156 verbunden ist, über welcher ein flüssiges Wärmeträgermedium in das Puffervolumen 170 einkoppelbar ist.
Die Speichereinrichtung 164 hat ferner einen Ausgang 174. Über den Ausgang 174 ist flüssiges Wärmeträgermedium aus dem Puffervolumen 170 auskoppelbar.
Es ist insbesondere vorgesehen, dass der Eingang 172 auf einem höheren geodätischen Niveau liegt als der Ausgang 174; der Eingang 172 liegt bezogen auf die Schwerkraftrichtung g oberhalb des Ausgangs 174.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist es vorgesehen, dass der Ausgang 174 an oder in der Nähe eines Bodens 176, welcher das Puffervolumen 170 bezogen auf die Schwerkraftrichtung g nach unten begrenzt, angeordnet ist.
An dem zweiten Ausgang 162 der Abscheidereinrichtung 156 ist (mindestens) eine Anschlussleitung 178 angeschlossen. In diese Anschlussleitung 178 wird über die Abscheidereinrichtung 156 aus dem Zweiphasengemisch abgetrennter Wärmeträgermedium-Dampf eingekoppelt.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Anschlussleitung 178 bezogen auf die Schwerkraftrichtung g über dem Gehäuse 168 der Speichereinrichtung 164 geführt. Die Anschlussleitung 178 weist dazu einen Bereich 180 auf, welcher oberhalb dieses Gehäuses 168 liegt.
An diesen Bereich 180 schließt sich ein Bereich 182 an, welcher beispielsweise mindestens näherungsweise parallel zur Schwerkraftrichtung g ausgerichtet ist. In dem Bereich 180 strömt ausgehend von der Abscheidereinrichtung 156 zunächst Wärmeträgermedium-Dampf nach oben. In dem Bereich 182 strömt er wieder nach unten.
An den Bereich 182 schließt sich ein weiterer Bereich 184 an, in welchem die Anschlussleitung 178 bogenförmig ist. An diesem Bereich 184 ist ein erster Bereich 186a vorgesehen, welcher eine Fortführung des Bereichs 182 ist und in welchem eine Hauptströmungsrichtung von Wärmeträgermedium mindestens näherungsweise parallel zur Schwerkraftrichtung ist. Dieser erste Bereich 186a ist direkt verbunden mit einem zweiten Bereich 186b, in welchem eine Hauptströmungsrichtung mindestens näherungsweise entgegengesetzt zur Schwerkraftrichtung g ist.
Bei dem Ausführungsbeispiel sind der erste Bereich 186a und der zweite Bereich 186b mindestens näherungsweise parallel zur Schwerkraftrichtung g orientiert. Sie sind durch einen Bogenbereich 188 miteinander verbunden.
Von dem Ausgang 174 der Speichereinrichtung 164 führt (mindestens) eine Leitung 190 zu der Anschlussleitung 178. Die Leitung 190 ist mit der Anschlussleitung 178 über eine Einkopplungsstelle 192 verbunden. Über die Einkopplungsstelle 192 lässt sich flüssiges Wärmeträgermedium, welches von dem Puffervolumen 170 der Speichereinrichtung 164 bereitgestellt ist, in die Anschlussleitung 178 einkoppeln. Nach der Einkopplungsstelle 192 liegt dann in der Anschlussleitung 178 eine Zweiphasenströmung vor. Vor der Einkopplungsstelle 192, d. h. zwischen dem zweiten Ausgang 162 und der Einkopplungsstelle 192 liegt eine Einphasenströmung an Wärmeträgermedium-Dampf vor.
Die Einkopplungsstelle 192 liegt auf einem niedrigeren geodätischen Niveau als der Eingang 172 der Speichereinrichtung 164.
Die Speichereinrichtung 164 hat ein Flüssigkeitsniveau 194 in dem Puffervolumen 170. Die Einkopplungsstelle 192 liegt bezüglich der Schwerkraftrichtung g unterhalb des Flüssigkeitsniveaus 194 eines Arbeitspunkts.
Eine maximale Füllhöhe für flüssiges Wärmeträgermedium in der Anschlussleitung 178 an dem Bereich 184 ist durch das Flüssigkeitsniveau 194 vorgegeben. Dies ist dann auch die maximale Füllhöhe an flüssigem Wärmeträgermedium in der Anschlussleitung 178, wenn ein Strom an Wärmeträgermedium-Dampf in der Anschlussleitung 178 einbrechen sollte, wenn er nach einer vorübergehenden Stagnation wieder ansteigt.
An der Leitung 190 ist (mindestens) ein Stellventil 196 angeordnet. Durch dieses Stellventil 196 lässt sich der Massenstrom an flüssigem Wärmeträgermedium, welcher von dem Puffervolumen 170 über die Einkopplungsstelle 192 in die Anschlussleitung 178 eingekoppelt wird, einstellen.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Stellventil 196 manuell betätigbar.
Es kann auch vorgesehen sein, dass dieses Stellventil 196 über eine Steuerungseinrichtung 198 (2) angesteuert ist. (Die Steuerungseinrichtung 198 kann dann auch die Stellventile 34 ansteuern.)
In der Anschlussleitung 178 ist (mindestens) ein Stellventil 200 angeordnet. Dieses Stellventil 200 ist dabei zwischen dem zweiten Ausgang 162 und der Einkopplungsstelle 192 positioniert, d. h. in einem Bereich positioniert, in dem im normalen Betrieb nur Wärmeträgermedium-Dampf strömt. Durch das Stellventil 200 lässt sich die Menge an Wärmeträgermedium-Dampf, welcher in der Anschlussleitung 178 strömt, einstellen.
Das Stellventil 200 ist beispielsweise manuell betätigt. Es kann auch vorgesehen sein, dass es über die Steuerungseinrichtung 198 ansteuerbar ist.
Die Dampferzeugungsstufe 10 funktioniert wie folgt:
An dem Eingang 18 wird flüssiges Wärmeträgermedium (”Frischwasser”) in die Solareinrichtung 14 eingekoppelt. Durch konzentrierte Solarstrahlung 16 wird dieses Wärmeträgermedium erwärmt. In dem Vorwärmerteil 26 erfolgt eine Erhitzung von flüssigem Wärmeträgermedium, wobei dieses im flüssigen Aggregatszustand verbleibt. Dieses durchläuft dann den Verdampferteil 28, in dem eine Verdampfung erfolgt. Es entsteht ein Zweiphasengemisch aus flüssigem Wärmeträgermedium und Wärmeträgermedium-Dampf. Im Überhitzerbereich 24 wird Wärmeträgermedium-Dampf überhitzt und dann bereitgestellt. Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird der überhitzte Dampf zum Betrieb einer Turbineneinrichtung 52 zur Herstellung von elektrischen Strom durch den Generator 78 verwendet.
Es ist beispielsweise auch möglich, dass der überhitzte Dampf, welcher von der solarthermischen Dampferzeugungsstufe 10 bereitgestellt wird, als Prozessdampf eingesetzt wird.
Insbesondere erfolgt an der Solareinrichtung 14 eine Direktverdampfung von flüssigem Wärmeträgermedium.
Bei Variationen der solaren Einstrahlungsbedingungen kann grundsätzlich der Verdampfungsendpunkt variieren. Diese Variation ist grundsätzlich unerwünscht. Es ist dabei beispielsweise auch möglich, dass in einem ersten Bereich des Verdampferteils 28 bei Lastschwankungen bestimmte Mengen an flüssigem Wärmeträgermedium ausgetrieben oder eingelagert werden.
Die Puffereinrichtung oder Puffereinrichtungen 154 in dem Vorwärmer-/Verdampferbereich 22 dienen dazu, zeitliche Schwankungen im anfallenden Zweiphasenstrom bezüglich des relativen Gehalts an flüssigem Wärmeträgermedium über das Puffervolumen 170 auszugleichen.
An der Puffereinrichtung 154 wird durch die Abscheidereinrichtung 156 in dem Verdampferteil 28 das Zweiphasengemisch getrennt. Wärmeträgermedium-Dampf wird in die Anschlussleitung 178 eingekoppelt. Flüssiges Wärmeträgermedium wird in das Puffervolumen 170 der Speichereinrichtung 164 eingekoppelt. Flüssiges Wärmeträgermedium wird dann aus der Speichereinrichtung 164 über eine Rückführeinrichtung 202 in die Anschlussleitung 178 an der Einkopplungsstelle 192 eingekoppelt. Zwischen dem zweiten Ausgang 162 und der Einkopplungsstelle 192 strömt in der Anschlussleitung 178 Wärmeträgermedium-Dampf, d. h. die Strömung ist eine Einphasenströmung. Nach der Einkopplung von flüssigem Wärmeträgermedium an der Einkopplungsstelle 192 liegt wieder eine Zweiphasenströmung vor.
Durch entsprechende Auslegung der Puffereinrichtung 154 bzw. deren Einstellung lässt sich eine passive Betriebsweise ohne weitere Stellorgane realisieren. Es können aber auch Stellventile 196 und/oder 200 vorgesehen werden. Grundsätzlich hängt die rückeingespeiste Menge an flüssigem Wärmeträgermedium von der Differenz des Druckes zwischen der Strömung an Wärmeträgermedium-Dampf in der Anschlussleitung 178 (vor der Einkopplungsstelle 192) und dem Druck im Puffervolumen 170 ab. Dadurch wird insbesondere erreicht, dass bei großen Massenströmen an Wärmeträgermedium-Dampf (und damit hoher Druckdifferenz) eine große Menge an flüssigem Wärmeträgermedium an der Einkopplungsstelle 192 eingekoppelt wird. Es lässt sich dann der Gehalt an flüssigem Wärmeträgermedium in der Zweiphasenströmung (nach der Einkopplungsstelle 192) mindestens näherungsweise konstant halten; der Flüssigkeitsgehalt an der Zweiphasenströmung, welcher über die Leitung 163 der Puffereinrichtung 154 zugeführt wird unterliegt den oben erwähnten Schwankungen. Der Gehalt an flüssigem Wärmeträgermedium in der Zweiphasenströmung, welche beispielsweise in dem Bereich 186b der Anschlussleitung 178 strömt, unterliegt geringeren Schwankungen.
Durch die erfindungsgemäße Lösung lässt sich dadurch der Gehalt an Wärmeträgermedium-Dampf, welcher von dem Vorwärmer-/Verdampferbereich 22 bereitgestellt wird, stabilisieren, auch wenn insbesondere aufgrund Schwankungen der solaren Einstrahlungsbedingungen relative große Abweichungen von einem Auslegungspunkt vorliegen.
Die Verhältnisse werden beispielhaft bei einer Ausführungsform anhand 6 beschrieben, wobei die Puffereinrichtung gemäß 6 grundsätzlich der Puffereinrichtung gemäß 3 entspricht.
Die Abscheidereinrichtung 156 liegt an der Stelle 1 gemäß 6. Die Einkopplungsstelle 192 liegt an der Stelle 2 gemäß 6. Eine Auskopplungsstelle (der Ausgang 174) aus dem Puffervolumen 170 liegt an der Stelle 3 gemäß 6.
Für die Strömung an Wärmeträgermedium-Dampf ergibt sich zwischen den Stellen 1 und 2 der Druckabfall Δp^g _1-2 = ζ_gρ_gν_g ² = ζ _gṁ_g ². (1)
ζ_g ist dabei der effektive Druckverlustbeiwert der Strömung an Wärmeträgermedium-Dampf, ρ_g ist die Dichte des Wärmeträgermedium-Dampfs in der Strömung und ν_g die Strömungsgeschwindigkeit. Umgerechnet auf den Massenstrom ṁ_g an Wärmeträgermedium-Dampf ergibt sich ein korrigierter Druckverlustbeiwert ζ _g, der bei turbulenten Strömungsverhältnissen als konstant angesetzt werden kann.
Für den Druckabfall in der Strömung an flüssigem Wärmeträgermedium zwischen den Stellen 3 und 2 ergibt sich Δp^l _3-2 = ζ_lρ_lν_l ² = ζ _lṁ_l ². (2)
Dieser Druckabfall ist der Druckabfall in der Leitung 190 der Rückführeinrichtung 202 einschließlich des Stellventils 196. ζ_l ist dabei der effektive Druckverlustbeiwert für die Strömung an flüssigem Wärmeträgermedium, ρ_l ist die Dichte des strömenden flüssigem Wärmeträgermediums und ν_l ist die Geschwindigkeit der Strömung an flüssigem Wärmeträgermedium. ṁ_l ist der Massenstrom an flüssigem Wärmeträgermedium.
Bezogen auf den Pfad für die Strömung an flüssigem Wärmeträgermedium zwischen der Stelle 1 und 2 steht neben dem Strömungsdruckabfall noch ein geodätischer Druck des aufgestauten flüssigen Wärmeträgermediums an. Dieser geodätische Druck wirkt druckdifferenzreduzierend und ergibt sich als Δp^l _1-3 = g·h·ρ_l. (3)
h ist dabei die Höhe der Flüssigkeitssäule bis zu dem Niveau 104. g ist die Gravitationskonstante.
Die Druckdifferenz zwischen den Punkten 1 und 2 muss über beide Wege (1-2 und 1-3-2) identisch sein. Es ergibt sich daraus Δp^g _1-2 = Δp^l _3-2 – Δp^l _1-3 = ζ _gṁ_g ² = ζ _lṁ_l ² – ghρ_l. (4)
Bei konstant angenommen Druckverlustbeiwerten ergibt sich der Massenstrom der Strömung an flüssigem Wärmeträgermedium (ṁ_l) in Abhängigkeit des Massenstroms ṁ_g an Wärmeträgermedium-Dampf und der Füllhöhe h im Puffervolumen 170. Daraus kann der Anteil der Strömung an dampfförmigen Wärmeträgermedium an der Gesamtströmung nachfolgenden Einkopplungsstelle 192 berechnet werden als A = ṁ_g/(ṁ_g + ṁ_l). (5)
Die entsprechenden Strömungsverhältnisse sind in dem Diagramm gemäß 7 exemplarisch gezeigt. Es wird dabei ausgegangen von einem Auslegungsdruckverlust der Strömung an dampfförmigen Wärmeträgermedium von 1000 mbar bei einem entsprechenden Massenstrom von 2 kg/s.
Die Kurve 204 zeigt den Druckverlust zwischen den Stellen 1 und 2 in Abhängigkeit vom Massenstrom ṁ_g an Wärmeträgermedium-Dampf.
Die Kurven 206, 210, 212 zeigen den Anteil an Wärmeträgermedium-Dampf nachfolgend der Einkopplungsstelle 192 für unterschiedliche geodätische Höhen h. Bei der Kurve 206 beträgt das Produkt P P = ζ_lg·h (6)
50 mbar, bei der Kurve 208 beträgt dieses Produkt 100 mbar und bei der Kurve 210 beträgt dieses Produkt 150 mbar.
Man erkennt aus dem Verlauf der Kurven 206, 208, 210, dass in einem relevanten Betriebsbereich (bei einem Massenstrom an Wärmeträgermedium-Dampf zwischen ca. 0,5 kg/s bis 3 kg/s) ein nahezu konstanter Anteil an Wärmeträgermedium-Dampf im Zweiphasengemisch nachfolgend der Einkopplungsstelle 192 realisiert ist.
Nimmt der Füllstand 194 im Puffervolumen 170 zu, resultiert daraus ein höherer Anteil an flüssigem Wärmeträgermedium in der Austrittsströmung der Speichereinrichtung 164 und damit an der Einkopplungsstelle 192. Dadurch wirkt das System selbstregulierend auf den Flüssigkeitspegel 194. Weiterhin ist darüber hinaus das Verhalten vorteilhaft, dass bei niedrigen Strömen an Wärmeträgermedium-Dampf ein geringerer Dampfanteil vorliegt; dies ist günstig für die Betriebsführung.
Über die Druckverlustbeiwerte lässt sich ein gewünschter Dampfgehalt einstellen.
Grundsätzlich kann die gewünschte und insbesondere passive Einstellung über Auslegung der Puffereinrichtung 154 erreicht werden.
Es ist auch möglich, dass durch die Stellventile 196 und/oder 200 die entsprechende Einstellung erfolgt. Insbesondere sind die Stellventile 196 und/oder das Stellventil 200 manuell betätigbar.
Es ist auch möglich, dass die Steuerungseinrichtung 198 die Stellventile 196, 200 ansteuert und beispielsweise auch die Einstellung während des Betriebs ändert.
Das Puffervolumen 170 ist so bemessen, dass die auftretenden Mengen an flüssigem Wärmeträgermedium sicher gepuffert werden können.
Grundsätzlich kann über die Auslegung der Speichereinrichtung 164 der Einfluss des hydrostatischen Drucks auf die rückgespeiste Menge an flüssigem Wärmeträgermedium beeinflusst werden. Insbesondere erfolgt eine Auslegungssteuerung über die Höhe h.
Es kann dabei vorgesehen werden, dass der Speichereinrichtung 164 eine Messeinrichtung 212 für den Füllstand 194 an flüssigem Wärmeträgermedium in dem Puffervolumen 170 zugeordnet ist. Diese Messeinrichtung 212 kann ihre Messsignale an die Steuerungseinrichtung 198 abgeben, um so beispielsweise zusätzliche Steuerungs- bzw. Regelungsmöglichkeiten zu erhalten.
Die Messdaten der Messeinrichtung 212 können beispielsweise auch dazu verwendet werden, die Zuführung an Wärmeträgermedium an weiteren Einspritzstellen zu steuern.
Der Bogen 188 ist so ausgebildet, dass nur die entsprechende Wassermenge bis zu dem Niveau 194 in der Anschlussleitung 178 beim Erliegen der Strömung an dampfförmigem Wärmeträgermedium verbleiben kann. Dadurch wird die Gefahr einer Pfropfenbildung minimiert.
Die Einkopplungsstelle 192 liegt geodätisch unterhalb dieses Pegels 194 sodass bei Stagnation des Stromes an Wärmeträgermedium-Dampf nur der untere Teil der Anschlussleitung 178 mit flüssigem Wärmeträgermedium gefüllt werden kann. Die Mengen an Wärmeträgermedium, die bei Wiederanstieg des Massenstroms an Wärmeträgermedium-Dampf auszustoßen ist, reduziert sich dadurch beträchtlich.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung bestimmt die lastabhängige Druckdifferenz zwischen den Stellen 1 und 2 (vergleiche 6) die Menge an rückgespeistem Wärmeträgermedium.
Die Puffereinrichtung 154 ist insbesondere zu einem Ende des Verdampferteils 28 beabstandet, d. h. es liegt mindestens ein Solarkollektor 36 zwischen der Puffereinrichtung 154 und dem Ende des Verdampferteils 28 zu dem Überhitzerbereich 24 hin. Durch die Stabilisierung des Flüssigkeitsgehalts in dem Wärmeträgermedium weitgehend unabhängig von den solaren Einstrahlungsbedingungen kann am Ende des Verdampferteils 28 eine vollständige Verdampfung erreicht werden. Es lässt sich dann gegebenenfalls auf eine Abscheidungseinrichtung zwischen dem Verdampferteil 28 und dem Überhitzerbereich 24 verzichten.
Bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Abscheidereinrichtung 156 außerhalb des Gehäuses 168 der Speichereinrichtung 164 angeordnet. Die Abscheidereinrichtung 156 ist eine externe Abscheidereinrichtung. Sie umfasst beispielsweise einen Zyklonabscheider oder eine T-Verzweigung oder einen Lamellenabscheider oder Prallblechabscheider.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel 214 einer Puffereinrichtung, welche in 4 gezeigt und dort mit 214 bezeichnet ist, ist eine Speichereinrichtung 216 mit integrierter Abscheidereinrichtung 218 vorgesehen. Die Speichereinrichtung 216 umfasst ein Gehäuse 220 mit einem Puffervolumen 222 für flüssiges Wärmeträgermedium. Das Gehäuse 220 weist einen Eingang 224, einen ersten Ausgang 226, welcher auf geodätisch niedrigerem Niveau als der Eingang 224 liegt, und einen zweiten Ausgang 228 auf.
Über den Eingang 224 wird ein Zweiphasengemisch an flüssigem Wärmeträgermedium und Wärmeträgermedium-Dampf in das Gehäuse 220 eingekoppelt. Dem Puffervolumen 222 vorgeschaltet ist die Abscheidereinrichtung 218. Ein entsprechendes Abscheidervolumen 230 liegt neben oder oberhalb des Puffervolumens 222 innerhalb des Gehäuses 220. Der erste Ausgang 226 mündet in das Puffervolumen 222. Flüssiges Wärmeträgermedium wird dann über die Rückführeinrichtung 202 (für gleiche Elemente wie bei der Puffereinrichtung 154 gemäß 3 werden gleiche Bezugselemente verwendet) in eine Einkopplungsstelle 192 der Anschlussleitung 178 eingekoppelt.
Wärmeträgermedium-Dampf wird über den zweiten Ausgang 228 in die Anschlussleitung 178 eingekoppelt. Der zweite Ausgang 228 ist ein Ausgang der Abscheidereinrichtung 218.
Bei der Puffereinrichtung 214 erfolgt eine interne Abscheidung an der Speichereinrichtung 216.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel einer Puffereinrichtung, welche in 5 schematisch gezeigt und dort mit 232 bezeichnet ist, ist eine Speichereinrichtung 234 mit Puffervolumen 236 vorgesehen. Die Speichereinrichtung 234 ist in dem Gehäuse angeordnet, in welchem auch eine Abscheidereinrichtung 238 sitzt. Ein Zweiphasengemisch wird über eine Leitung 240 an einem Eingang 242 eingekoppelt. An einem ersten Ausgang 244 wird über eine Rückführeinrichtung 246 flüssiges Wärmeträgermedium in eine Anschlussleitung 248 eingekoppelt. Die Anschlussleitung 248 mündet über einen zweiten Ausgang 250 in die Abscheidereinrichtung 238. In die Anschlussleitung 248 wird am zweiten Ausgang 250 Wärmeträgermedium-Dampf eingekoppelt. Über die Rückführeinrichtung 246 wird aus dem Puffervolumen 236 flüssiges Wärmeträgermedium in die Anschlussleitung 248 eingekoppelt.
Nachfolgend an die Einkopplungsstelle 251 der Rückführeinrichtung 246 in die Anschlussleitung 248 ist die Anschlussleitung 248 mit einem Bereich 252 geführt. In diesem Bereich 252 trägt im Normalbetrieb die Anschlussleitung 248 eine Zweiphasenströmung.
Die Leitung 252 ist an dem Puffervolumen 236 insbesondere außerhalb des Gehäuses der Speichereinrichtung 234 vorbeigeführt. Sie ist vorzugsweise vor oder hinter dem Gehäuse angeordnet, um einen in den Querabmessungen platzsparenden Aufbau zu erreichen. Die Leitung 252 liegt insbesondere so, dass sie nicht zu den äußeren Querabmessungen der Puffereinrichtung 232 beiträgt.
Die Puffereinrichtung 232 lässt sich mit geringen Querabmessungen realisieren. Beispielsweise ist ein Abstand d (Vergleiche 5) der Leitungen 256 und 252 kleiner als das Fünffache von entsprechenden Rohrdurchmessern dieser Leitungen 256, 252. Die Leitung 256 ist eine Leitung, welche über den Eingang 242 in die Speichereinrichtung 234 mündet.
Bezugszeichenliste

10: Solarthermische Dampferzeugungsstufe
12: Solarthermisches Kraftwerk
14: Solareinrichtung
16: Solarstrahlung
18: Eingang
20: Ausgang
22: Vorwärmer-/Verdampferbereich
24: Überhitzerbereich
26: Vorwärmerteil
28: Verdampferteil
30a: Strang
30b: Strang
32: Verteiler
34: Stellventil
36: Solarkollektor
38a: Strang
38b: Strang
40: Einspritzeinrichtung
42: Leitung
44: Einspritzstelle
46: Letzter Solarkollektor
48: Erster Solarkollektor
50: Leitung
52: Turbineneinrichtung
54: Ventil
56: Hochdruckdampfturbine
58: Eingang
60: Ausgang
62: Leitung
64: Erster Eingang
66: Zwischenüberhitzer
68: Erster Ausgang
70: Erhitzung
72: Niederdruckdampfturbine
74: Eingang
76: Leitung
78: Generator
80: Speichereinrichtung
82: Leitung
84: Ventil
86: Zweiter Eingang
88: Zweiter Ausgang
90: Leitung
92: Wärmeübertrager
94: Wärmeübertrager
96: Ausgang
98: Leitung
100: Kondensator
102: Ausgang
104: Leitung
106: Niederdruckvorwärmer
108: Pumpe
110: Abscheidetrommel
112: Leitung
114: Pumpe
116: Leitung
118: Vorwärmerbereich
120: Verdampferbereich
122: Überhitzerbereich
124: Speicherelement
126: Eingang
128: Leitung
130: Ventil
132: Leitung
134: Ventil
136: Pumpe
138: Ventil
140: Ausgang
142: Leitung
144: Ventil
146: Stellventil
148: Ventil
150: Leitung
152: Ventil
154: Puffereinrichtung
156: Abscheidereinrichtung
158: Erster Eingang
160: Erster Ausgang
162: Zweiter Ausgang
163: Strömungsleitung
164: Speichereinrichtung
166: Leitung
168: Gehäuse
170: Puffervolumen
172: Eingang
174: Ausgang
176: Boden
178: Anschlussleitung
180: Bereich
182: Bereich
184: Bereich
186a: erster Bereich
186b: zweiter Bereich
188: Bogenbereich
190: Leitung
192: Einkopplungsstelle
194: Füllstand, Flüssigkeitspegel, Niveau, Pegel, Flüssigkeitsniveau
196: Stellventil
198: Steuerungseinrichtung
200: Stellventil
202: Rückführeinrichtung
204: Kurve
206: Kurve
208: Kurve
210: Kurve
212: Messeinrichtung
214: Puffereinrichtung
216: Speichereinrichtung
218: Abscheidereinrichtung
220: Gehäuse
222: Puffervolumen
224: Eingang
226: Erster Ausgang
228: Zweiter Ausgang
230: Abscheidevolumen
232: Puffereinrichtung
234: Speichereinrichtung
236: Puffervolumen
238: Abscheidereinrichtung
240: Leitung
242: Eingang
244: Ausgang
246: Rückführungseinrichtung
248: Anschlussleitung
250: Zweiter Ausgang
251: Einkopplungsstelle
252: Bereich
256: Leitung

Claims

Solarthermische Dampferzeugungsstufe, umfassend eine Solareinrichtung (14), an welcher mittels Solarstrahlung (16) aus einem flüssigen Wärmeträgermedium Wärmeträgermedium-Dampf erzeugbar ist, wobei die Solareinrichtung (14) einen Vorwärmer-/Verdampferbereich (22) und einen Überhitzerbereich (24) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Vorwärmer-/Verdampferbereich (22) mindestens eine Puffereinrichtung (154; 214; 232) angeordnet ist, welche eine Abscheidereinrichtung (156; 218; 238) zur Trennung von flüssigem Wärmeträgermedium und Wärmeträgermedium-Dampf aus einem Zweiphasengemisch, eine Speichereinrichtung (164; 216; 234) zur Speicherung von flüssigem Wärmeträgermedium und eine Rückführeinrichtung (202; 246) für flüssiges Wärmeträgermedium umfasst, dass die Speichereinrichtung (164; 216; 234) fluidwirksam mit der Abscheidereinrichtung (156; 218; 238) verbunden ist, welche der Speichereinrichtung (164; 216; 234) flüssiges Wärmeträgermedium bereitstellt, dass mindestens eine Anschlussleitung (178; 248) fluidwirksam mit der Abscheidereinrichtung (156; 218; 238) verbunden ist, welche in die mindestens eine Anschlussleitung (178; 248) Wärmeträgermedium-Dampf einkoppelt, und dass die Rückführeinrichtung (202; 246) die Speichereinrichtung (164; 216; 234) fluidwirksam mit der mindestens einen Anschlussleitung (178; 248) verbindet, wobei in der Speichereinrichtung (164; 216; 234) zwischengespeichertes flüssiges Wärmeträgermedium in die mindestens eine Anschlussleitung (178; 248) einkoppelbar ist.
Solarthermische Dampferzeugungsstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführeinrichtung (202; 246) mindestens eine Einkopplungsstelle (192; 251) für flüssiges Wärmeträgermedium aus der Speichereinrichtung (164; 216; 234) in die mindestens eine Anschlussleitung (178; 248) umfasst, welche bezogen auf eine Strömungsrichtung des Wärmeträgermediums einer Einkopplungsstelle für Wärmeträgermedium-Dampf von der Abscheidereinrichtung (156; 218; 238) in die mindestens eine Anschlussleitung (178; 248) nachgeschaltet ist.
Solarthermische Dampferzeugungsstufe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichereinrichtung (164; 216; 234) ein Puffervolumen (170; 236) für flüssiges Wärmeträgermedium aufweist, mittels welchem zeitversetzt zur Einkopplung in das Puffervolumen (170; 236) flüssiges Wärmeträgermedium in die mindestens eine Anschlussleitung (178; 236) durch die Rückführeinrichtung (202; 246) rückführbar ist.
Solarthermische Dampferzeugungsstufe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine rückgeführte Menge an flüssigem Wärmeträgermedium von der Differenz (Δp_1-3) eines Drucks von in der mindestens einen Anschlussleitung (178; 248) strömendem Wärmeträgermedium-Dampf und einem Druck in der Speichereinrichtung (164; 216; 234) abhängt.
Solarthermische Dampferzeugungsstufe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckdifferenz (Δp_1-3) eingestellt ist und/oder variabel einstellbar ist.
Solarthermische Dampferzeugungsstufe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung derart ist, dass bei konstanten Bedingungen die Menge an flüssigem Wärmeträgermedium, welche in die Speichereinrichtung (164; 216; 234) eingekoppelt wird, einer Menge an flüssigem Wärmeträgermedium entspricht, welches aus der Speichereinrichtung ausgekoppelt wird und/oder ein Einstellziel ist, dass ein Gehalt an Wärmeträgermedium-Dampf in einem Zweiphasengemisch in der Anschlussleitung (178; 248) nach der Rückführung von flüssigem Wärmeträgermedium mindestens näherungsweise konstant ist.
Solarthermische Dampferzeugungsstufe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einer Einkopplungsstelle (192; 251) für flüssiges Wärmeträgermedium in die mindestens eine Anschlussleitung (178; 248) ein Stellventil (196) zur Einstellung der Durchflussmenge an flüssigem Wärmeträgermedium zugeordnet ist.
Solarthermische Dampferzeugungsstufe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführeinrichtung (202; 246) mindestens eine Leitung (190) aufweist, welche von der Speichereinrichtung (164; 216; 234) zu der mindestens einen Anschlussleitung (178; 248) führt, wobei insbesondere ein Stellventil (196) in der mindestens einen Leitung angeordnet ist.
Solarthermische Dampferzeugungsstufe nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellventil (196) manuell bedienbar ist.
Solarthermische Dampferzeugungsstufe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der mindestens einen Anschlussleitung (178; 248) ein Stellventil (200) zur Einstellung der Durchflussmenge von Wärmeträgermedium-Dampf angeordnet ist, wobei insbesondere das Stellventil (200) zwischen einer Einkopplungsstelle für Wärmeträgermedium-Dampf und einer Einkopplungsstelle (192; 251) für flüssiges Wärmeträgermedium aus der Speichereinrichtung (164; 216; 234) angeordnet ist.
Solarthermische Dampferzeugungsstufe nach einem der Ansprüche 7 bis 10, gekennzeichnet durch eine Steuerungseinrichtung (198), durch welche das oder die Stellventile (196; 200; 34) ansteuerbar sind.
Solarthermische Dampferzeugungsstufe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Leitung (190) der Rückführeinrichtung (202; 246), welche von der Speichereinrichtung (164; 216; 234) zu der mindestens einen Anschlussleitung (178; 248) führt, an oder in der Nähe eines ein Puffervolumen (170; 236) der Speichereinrichtung (164; 216; 234) begrenzenden Bodens (176) an die Speichereinrichtung (164; 216; 234) angeschlossen ist.
Solarthermische Dampferzeugungsstufe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einkopplungsstelle für flüssiges Wärmeträgermedium in die Speichereinrichtung (164; 216; 234) bezogen auf die Schwerkraftrichtung (g) oberhalb einer Auskopplungsstelle für flüssiges Wärmeträgermedium aus der Speichereinrichtung (164; 216; 234) liegt.
Solarthermische Dampferzeugungsstufe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einkopplungsstelle (192; 251) für flüssiges Wärmeträgermedium in die mindestens eine Anschlussleitung (178) bezogen auf die Schwerkraftrichtung (g) unterhalb einer Einkopplungsstelle für flüssiges Wärmeträgermedium in die Speichereinrichtung (164; 216; 234) liegt.
Solarthermische Dampferzeugungsstufe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Anschlussleitung (178) im Bereich einer Einkopplungsstelle (192) für flüssiges Wärmeträgermedium aus der Speichereinrichtung (164) in einem Bogen (188) geführt ist.
Solarthermische Dampferzeugungsstufe nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Anschlussleitung (178) an dem Bogen (188) einen ersten Bereich (186a) und einen zweiten Bereich (186b) mit mindestens näherungsweise entgegengesetzten Hauptströmungsrichtungen aufweist, wobei insbesondere die Hauptströmungsrichtungen mindestens näherungsweise parallel bzw. antiparallel zur Schwerkraftrichtung (g) sind.
Solarthermische Dampferzeugungsstufe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Anschlussleitung (178) bezogen auf die Schwerkraftrichtung (g) mindestens abschnittsweise über der Speichereinrichtung (164) geführt ist.
Solarthermische Dampferzeugungsstufe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidereinrichtung (156) außerhalb eines Gehäuses (168) der Speichereinrichtung (164) angeordnet ist und insbesondere eine Verbindungsleitung (166) zwischen der Abscheidereinrichtung (156) und der Speichereinrichtung (164) angeordnet ist.
Solarthermische Dampferzeugungsstufe nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidereinrichtung (218) innerhalb eines Gehäuses (220) der Speichereinrichtung (216) angeordnet ist.
Solarthermische Dampferzeugungsstufe nach einem der vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Anschlussleitung (278) zu einem oder mehreren Solarkollektoren (38) eines Verdampferteils (28) des Vorwärmer-/Verdampferbereichs (22) führt.
Solarthermische Dampferzeugungsstufe nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Messeinrichtung (212) zur Füllstandsmessung an flüssigem Wärmeträgermedium in der Speichereinrichtung (164), wobei insbesondere Messsignale an eine Steuerungseinrichtung (198) übermittelt werden.
Solarthermische Dampferzeugungsstufe nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Anordnung an einem Verdampferteil (26) des Vorwärmer-/Verdampferbereichs (22).
Solarthermische Dampferzeugungsstufe nach einem vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorwämer-/Verdampferbereich (22) eine Mehrzahl von Strängen (30a, 30b) aufweist, wobei an einem oder mehreren Strängen (30a, 30b) eine Puffereinrichtung (154) angeordnet ist.
Solarthermisches Kraftwerk, umfassend mindestens eine solarthermische Dampferzeugungsstufe (10) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche und eine Turbineneinrichtung (52), welcher die mindestens eine solarthermische Dampferzeugungsstufe (10) überhitzten Dampf bereitstellt.
Verfahren zum Betreiben einer solarthermischen Dampferzeugungsstufe, bei der mittels Solarstrahlung aus flüssigem Wärmeträgermedium überhitzter Wärmeträgermedium-Dampf erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Abscheidereinrichtung ein Zweiphasengemisch aus flüssigem Wärmeträgermedium und Wärmeträgermedium-Dampf getrennt wird, abgetrenntes flüssiges Wärmeträgermedium einem Puffervolumen einer Speichereinrichtung zugeführt wird und von dort in eine Anschlusseinleitung, in welcher abgetrennter Wärmeträgermedium-Dampf geführt wird, zurückgeführt wird.
Verfahren zum Betreiben einer solarthermischen Dampferzeugungsstufe nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass eine Druckdifferenz zwischen einem Druck eines Stroms an Wärmeträgermedium-Dampf in der Anschlusseinleitung und einem Druck im Puffervolumen die Menge an zurückgeführtem flüssigem Wärmeträgermedium bestimmt.
Verfahren zum Betreiben einer solarthermische Dampferzeugungsstufe nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Ziel der Rückführung ist, einen Gehalt an flüssigem Wärmeträgermedium in einem Zweiphasengemisch, welches von dem Vorwärmer-/Verdampferbereich unmittelbar nach der Rückführung von flüssigem Wärmeträgermedium bereitgestellt wird, mindestens näherungsweise konstant zu halten.
Verfahren zum Betreiben einer solarthermischen Dampferzeugungsstufe nach einem der Ansprüche 25 bis 27, gekennzeichnet durch eine passive Betriebsweise ohne aktiven Regelungseingriff.