DE2948306C2

DE2948306C2 - Einrichtung zum Teillastbetrieb eines Solarkraftwerkes

Info

Publication number: DE2948306C2
Application number: DE19792948306
Authority: DE
Inventors: Eberhard Dr.Rer.Nat. 8521 Hannberg Franck
Original assignee: Kraftwerk Union AG
Current assignee: Kraftwerk Union AG
Priority date: 1979-11-30
Filing date: 1979-11-30
Publication date: 1987-04-23
Also published as: DE2948306A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Teillastbetrieb eines Solarkraftwerkes mit mindestens einem Hohlraum-Solarerhitzer, in dem sich von einem zu erhitzenden Medium durchströmte, wärmetauschende Rohre befinden, wobei an den Hohlraum-Solarerhitzer eine Luftabsauge- und Luftzufuhrleitung mit eingeschaltetem Gebläse angeschlossen ist, die mit einem in einen Wasser-Dampfkreislauf eingeschalteten Wärmetauscher verbunden sind.
Eine derartige Einrichtung ist aus Fig. 11 der FR-PS 13 74 397 als bekannt zu entnehmen. Hier wird in wärmetauschenden Rohren des Hohlraum-Solarerhitzers Wasser verdampft und nach Überhitzung einer Dampfturbine zugeführt. Außerdem wird die Luft im Hohlraum-Solarerhitzer von einem Gebläse abgesaugt und ganz oder teilweise einem Wasservorwärmer des Wasser-Dampfkreislaufes zugeführt.
Weiterhin ist es aus der DE-OS 25 53 283 bekannt, einen Solarerhitzer zwischen Verdichter und Turbine einer offenen Gasturbinenanlage anzuordnen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Einrichtung anzugeben, die es gestattet, bei einem Hohlraum-Solarerhitzer, dessen wärmetauschende Rohre von Luft durchströmt werden und die in einen Gasturbinenprozeß mit nachgeschaltetem Wasser-Dampfkreislauf eingeschaltet sind, den Teillastwirkungsgrad wesentlich zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die wärmetauschenden Rohre im Hohlraum-Solarerhitzer in an sich bekannter Weise zwischen Verdichter und Gasturbine einer Gasturbinenanlage mit einem der Gasturbine nachgeschalteten und in einem Wasser-Dampfkreislauf angeordneten Abhitzewärmetauscher eingeschaltet sind, daß die an den Hohlraum-Solarerhitzer angeschlossene Absaugeleitung an einen Eingang und die Luftzufuhrleitung zum Hohlraum-Solarerhitzer an einen Ausgang des Abhitzewärmetauschers angeschlossen sind und daß eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, die bei Unterschreiten eines vorgegebenen Teillastwertes die Gasturbinenanlage ab- und das Gebläse in der Absauge- und/oder Luftzufuhrleitung einschaltet.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist schematisch in Fig. 1 dargestellt. Eine Erweiterung dieses Ausführungsbeispiels mit einer weiteren Verbesserung des Teillastwirkungsgrades zeigt Fig. 2. In Fig. 3 ist ein Beispiel für Möglichkeiten zur strömungstechnischen Kühlluftführung im Hohlraum-Solarerhitzer dargestellt.
In Fig. 1 ist ein Hohlraum-Solarerhitzer 1 mit einer Einstrahlungsöffnung 2 für Sonnenstrahlen dargestellt. In bekannter Weise kann diese Einstrahlungsöffnung so angeordnet werden, daß gebündelte Sonnenstrahlen über Spiegel in den Innenraum des Hohlraum-Solarerhitzers 1 gelangen. Im Innenraum des Hohlraum-Solarerhitzers sind wärmetauschende Rohre 3 angeordnet, die von einem Verdichter 4 einer Gasturbinenanlage komprimierte Luft über eine Leitung 5, den Außenraum einer Brennkammer 6 für eventuelle Zusatzfeuerung bei Wolken, eine Leitung 7 mit eingeschaltetem Ventil 8 und eine Leitung 9 erhalten. Die in den wärmetauschenden Rohren 3 erhitzte Luft gelangt dann über eine Leitung 10, ein Ventil 11, eine Leitung 12 in den Innenraum der Brennkammer 6 und in einer Leitung 13 zu einer Gasturbine 14. Der Gasturbine 14 ist über eine Leitung 15 ein Abhitzewärmetauscher 16 nachgeschaltet. Die im Abhitzewärmetauscher 16 abgekühlte Luft gelangt entweder über eine Klappe 17 ins Freie oder ganz oder teilweise über eine Luftzufuhrleitung 18 mit einem Gebläse 19 in den Innenraum des Hohlraum-Solarerhitzers 1.
Die im Innenraum des Hohlraum-Solarerhitzers 1 durch die Strahlung ebenfalls aufgeheizte Luft kann den Solarerhitzer 1 über eine Absaugeleitung 20 mit eingeschaltetem Gebläse 21 wieder verlassen. Die Absaugeleitung 20 ist wie die Leitung 15 an den Eingang des Abhitzewärmetauschers 16 angeschlossen. In den Abhitzewärmetauscher 16, der beim vorliegenden Beispiel zur Verdampfung von Wasser dient, sind Rohre angeordnet, deren dampfseitiger Ausgang über eine Leitung 22 zu einer Dampfturbine 23 führt, von wo aus der Dampf zu einem Kondensator 24 gelangt, dort kondensiert und über eine Speisewasserpumpe 25 wieder in den Abhitzewärmetauscher 16 über eine Leitung 26 zurückgeführt wird. Selbstverständlich können in den Wasser-Dampfkreislauf weitere Vorwärmer, Überhitzer und dergleichen eingeschaltet sein. Als Bypaß zum Hohlraum-Solarerhitzer 1 ist der Innenraum und der Außenraum der Brennkammer 6 über eine Bypaßleitung 37 mit einem Ventil 38 verbunden. Außerdem ist zwischen die dampfführende Leitung 22 und die Luftzufuhrleitung 18 zum Hohlraum- Solarerhitzer 1 eine Leitung 47 mit einem Ventil 48 geschaltet, über die der Kühlluft des Hohlraum-Solarerhitzers 1 Wasserdampf zur Verbesserung des Wärmeüberganges zugemischt werden kann.
Die Dampfturbine 23 ist mit einem Generator 27 und die Gasturbine 14 ist mit dem Verdichter 4 und einem Generator 28 gekuppelt. Der Generator 28 ist über einen Leistungsschalter 29 mit einem elektrischen Netz 30 verbunden, an das auch der Generator 27 angeschlossen ist. Über einen Stromwandler 31 und einen Spannungswandler 32 ist eine Leistungsmeßeinrichtung 33 an die Verbindungsleitung zwischen Generator 28 und Netz 30 angeschlossen. Die Meßeinrichtung 33 liefert über eine Steuerleitung 34 einen Leistungsmeßwert an eine Steuereinrichtung 35. Die Steuereinrichtung 35 ist über weitere, gestrichelt dargestellte Steuerleitungen mit den Ventilen, Gebläsen, der Brennkammer, dem Leistungsschalter und einer Temperaturmeßeinrichtung 36 zur Messung der Temperatur im Innenraum des Hohlraum- Solarerhitzers 1 verbunden.
Bei Vollast der beschriebenen und in Fig. 1 dargestellten Anlage ist die Gasturbinenanlage in Betrieb und die Gebläse 19 und 21 können wahlweise aus- oder eingeschaltet sein. Wird die Leistung - z. B. durch Wolkenbildung - kurzzeitig reduziert, so läßt sich die Brennkammer 6 über die Bypaßleitung 37 mit Ventil 38 bei geschlossenen Ventilen 8 und 11 kurzschließen, so daß die wärmetauschenden Rohre 3 des Hohlraum-Solarerhitzers nicht mehr von Luft durchströmt werden und die Erhitzung der Luft über die Brennkammer 6 erfolgt.
Bei Teillast der Anlage, wie sie beispielsweise in den Morgen- und Abendstunden bei Sonnenschein immer vorhanden ist, wird die Leistungsmeßeinrichtung 33 einen verringerten Leistungswert registrieren und - wenn ein bestimmter Teillastwert unterschritten wird - veranlaßt das Steuergerät 35 die Abschaltung der Gasturbinenanlage. Zur Abschaltung wird der Leistungsschalter 29 geöffnet und die Ventile 8 und 11 werden geschlossen. Jetzt wird der Innenraum des Hohlraum- Solarerhitzers 1 nach Inbetriebnahme der Gebläse 19 und 21 nur noch von Luft unter Atmosphärendruck gekühlt. Von der Absaugeleitung 20 gelangt die erhitzte Luft unmittelbar in den Abhitzewärmetauscher 16, so daß die noch zur Verfügung stehende Wärme in den Wasser- Dampfkreislauf eingekoppelt wird und zur Verdampfung von Wasser im Abhitzewärmetauscher 16 dient. Die Förderleistung der Gebläse 19 und 21 kann dabei von der Steuereinrichtung 35 so eingestellt werden, daß Luft mit Auslegungstemperatur in den Abhitzewärmetauscher 16 strömt. Hierdurch wird im Wasser-Dampfkreislauf ein hoher Teillastwirkungsgrad aufrechterhalten.
Der Teillastwert, bei dem diese Umschaltung erfolgen kann, ist abhängig von der Intensität der Kühlung des Hohlraum-Solarerhitzers. Vorteilhafterweise läßt sich diese Kühlung durch Luft unter Atmosphärendruck verbessern, wenn man Verbindungsleitungen 39 und 40 mit eingeschalteten Ventilen 41 und 42 zwischen Eingang und Ausgang der wärmetauschenden Rohre 3 und der Luftzufuhrleitung 18 und der Absaugeleitung 20 vorsieht. Bei Teillastbetrieb lassen sich dann durch die Steuereinrichtung 35 bei geschlossenen Ventilen 8 und 11 die Ventile 41 und 42 öffnen, so daß die wärmetauschenden Rohre 3 von Luft unter Atmosphärendruck von außen und von innen gekühlt werden.
Ergibt sich trotz voller Gebläseleistung der Gebläse 19 und 21 eine zu hohe Temperatur im Hohlraum-Solarerhitzer 1, so wird von der Steuereinrichtung 35 die Gasturbinenanlage wieder zugeschaltet und der Betrieb wie eingangs beschrieben fortgesetzt.
Eine weitere Verbesserung des Teillastwirkungsgrades der Gesamtanlage läßt sich erzielen, wenn eine Anordnung nach Fig. 2 vorgesehen wird. In der Einrichtung nach Fig. 2 sind zwei Hohlraum-Solarerhitzer 1 a und 1 b vorgesehen, wie sie ohnehin notwendig sind, wenn das Spiegelfeld einen mit den Hohlraum-Solarerhitzern bestückten Turm umgibt. Die in den Hohlraum-Solarerhitzern angeordneten wärmetauschenden Rohre 3 a und 3 b sind in gleicher Weise an Gasturbinen 14 a und 14 b und Verdichter 4 a und 4 b angeschlossen. Die Luftzufuhrleitung 18 mit dem Gebläse 19 mündet in beide Hohlraum- Solarerhitzer 1 a, 1 b und außerdem ist die Absaugeleitung 20 mit dem Gebläse 21 so ausgebildet, daß sie Luft aus beiden Hohlraum-Solarerhitzern 1 a, 1 b absaugen kann. Die Luftzufuhrleitung 18 ist wie in Fig. 1 an den Ausgang des Abhitzewärmetauschers 16 und die Absaugeleitung 20 an einen Eingang des Abhitzewärmetauschers 16 angeschlossen. Verbindungsleitungen 39 und 40 entsprechend Fig. 1 sind hier nicht dargestellt, können aber zusätzlich vorhanden sein.
Im Unterschied zu der Anlage nach Fig. 1 sind zusätzlich Kuppelleitungen 43 und 44 vorgesehen, die die Eingänge und Ausgänge der wärmetauschenden Rohre 3 a und 3 b miteinander verbinden. So ist die Kuppelleitung 43 mit einem eingeschalteten Ventil 45 zwischen die Leitung 9 a und die Leitung 9 b und die Kuppelleitung 44 mit einem eingeschalteten Ventil 46 zwischen die Leitung 10 a und die Leitung 10 b geschaltet. Die übrigen, im Gegensatz zu Fig. 1 in der Anlage nach Fig. 2 doppelt vorhandenen Teile sind wie in Fig. 1 bezeichnet und mit dem Zusatz a bzw. b versehen.
Bei Absinken der Leistung durch vermindertes Wärmeangebot in den Hohlraum-Solarerhitzern 1 a und 1 b läßt sich bei der Anlage nach Fig. 2 schon bei einer Leistung oberhalb von 50% der Vollast eine der beiden Gasturbinenanlagen abschalten. Hierzu werden die Ventile 8 b und 11 b geschlossen und die Ventile 45 und 46 in den Kuppelleitungen 43 und 44 geöffnet. Jetzt strömt die vom Verdichter 4 a geförderte Luft über die Ventile 8 a und 45 parallel in die Leitungen 9 a und 9 b, gelangt in die wärmetauschenden Rohre 3 a und 3 b und von da aus über die Leitung 10 a bzw. über die Leitung 10 b und die Kuppelleitung 44 zur Gasturbine 14 a. Dadurch wird der Luft-Massenstrom in den wärmetauschenden Rohren 3 a und 3 b ungefähr halbiert, so daß sich die Strömungsverluste verringern, während die Leistung der Gasturbinenanlage mit dem Verdichter 4 a und der Gasturbine 14 a wie bei Vollast gleich bleibt. Man erhält also bei 50% Teillast einen gegenüber Vollast sogar noch leicht erhöhten Kreislaufwirkungsgrad.
Die über 50% hinausgehende solare Wärmeleistung wird über die Gebläse 19 und 21 aus den Innenräumen der Solarerhitzer 1 a und 1 b abgeführt und wird über den Abhitzekessel 16 in den Wasser-Dampfkreislauf eingekoppelt. An Stelle der beschriebenen Parallelschaltung der wärmetauschenden Rohre 3 ließe sich durch entsprechende Steuerung der Ventile auch eine Reihenschaltung verwirklichen.
Bei weiter absinkender Wärmeleistung läßt sich dann - wie auch bei der Anlage nach Fig. 1 - auch die zweite Gasturbinenanlage abschalten, so daß die Stromerzeugung nur noch über die Dampfturbine mit deren gutem Teillastwirkungsgrad erfolgt.
Fig. 3 zeigt eine Möglichkeit für die Luftführung im Innern des Hohlraum-Solarerhitzers 1. Hier mündet die Luftzufuhrleitung 18 in der Nähe der der Einstrahlungsöffnung 2 gegenüberliegenden Rückwand 49 und die Absaugeleitung 20 befindet sich ebenfalls in der Nähe der Rückwand 49 und liegt gegenüber der Mündungsstelle der Luftzufuhrleitung 18. In der Nähe der übrigen Wände des Hohlraum-Solarerhitzers 1 befinden sich zur Führung der Luftströmung Strömungsleitwände 50, die beispielsweise aus perforiertem, keramischem Material bestehen können. In Verbindung mit den Wänden des Hohlraum-Solarerhitzers 1 bilden sich zwischen diesen und den Strömungsleitwänden 50 Strömungskanäle 51, die zur Luftführung dienen, es allerdings auch gestatten, daß Luft durch die Öffnungen in den Strömungsleitwänden 50 aus den Strömungskanälen 51 in den Innenraum des Hohlraum-Solarerhitzers 1 austreten kann. Im Bereich der wärmetauschenden Rohre 3 sind die Strömungsleitwände zwischen den wärmetauschenden Rohren 3 und der Rückwand 49 des Hohlraum-Solarerhitzers 1 angebracht. Wenn die wärmetauschenden Rohre 3 mit Zwischenraum voneinander verlegt sind, kann die Strahlung zwischen benachbarten wärmetauschenden Rohren 3 hindurchtreten und die dahinter angeordneten Strömungsleitwände 50 aufheizen. Hierdurch werfen die erhitzten Strömungsleitwände 50 Strahlung zurück, so daß die wärmetauschenden Rohre 3 auch von der Rückseite her bestrahlt und erwärmt werden. Um die Luft über die Einstrahlungsöffnung 2 definiert gerichtet zu führen (siehe Pfeil 52) sind an den Rändern der Einstrahlungsöffnung 2 Düsen 53 mit vorgeschalteten Ventilatoren 54 zur Erzeugung einer Luftströmung vorgesehen. Diese gerichtete Strömung bewirkt, daß infolge von Windeinflüssen kein Luftaustausch zwischen dem Innenraum des Hohlraum-Solarerhitzers 1 und der äußeren Atmosphäre erfolgt. Hiermit lassen sich die Wärmeverluste durch windangeregte Konvektion vermindern. Zur Vergrößerung der inneren Oberfläche des Hohlraum-Solarerhitzers 1 sind innen an den Wänden Rippen 55 mit Abstand voneinander angebracht.

Claims

1. Einrichtung zum Teillastbetrieb eines Solarkraftwerkes mit mindestens einem Hohlraum-Solarerhitzer, in dem sich von einem zu erhitzenden Medium durchströmte, wärmetauschende Rohre befinden, wobei an den Hohlraum-Solarerhitzer eine Luftabsauge- und Luftzufuhrleitung mit eingeschaltetem Gebläse angeschlossen ist, die mit einem in einen Wasser-Dampfkreislauf eingeschalteten Wärmetauscher verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmetauschenden Rohre (3) im Hohlraum-Solarerhitzer (1) in an sich bekannter Weise zwischen Verdichter (4) und Gasturbine (14) einer Gasturbinenanlage mit einem der Gasturbine nachgeschalteten und in einem Wasser-Dampfkreislauf angeordneten Abhitzewärmetauscher (16) eingeschaltet sind, daß die an den Hohlraum-Solarerhitzer (1) angeschlossene Absaugeleitung (20) an einen Eingang und die Luftzufuhrleitung (18) zum Hohlraum-Solarerhitzer (1) an einen Ausgang des Abhitzewärmetauschers (16) angeschlossen sind und daß eine Steuereinrichtung (35) vorgesehen ist, die bei Unterschreiten eines vorgegebenen Teillastwertes die Gasturbinenanlage ab- und das Gebläse (19, 21) in der Absauge- (20) und/oder Luftzufuhrleitung (18) einschaltet.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der mit dem Eingang der wärmetauschenden Rohre (3) verbundenen Leitung (9) und der Luftzufuhrleitung (18) zum Hohlraum- Solarerhitzer (1) eine Verbindungsleitung (39) mit Ventil (41) und außerdem zwischen der mit dem Ende der wärmetauschenden Rohre (3) verbundenen Leitung (10) und der Absaugeleitung (20) eine Verbindungsleitung (40) mit Ventil (42) vorgesehen ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Leitung (47) vorgesehen ist, die es gestattet, die in der Luftzufuhrleitung (18) und/oder der Absaugeleitung (20) strömende Luft mit Wasserdampf zu mischen.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Gasturbinen ( 14 a, 14b) und zwei diesen vorgeschaltete Bündel von wärmetauschenden Rohren (3 a, 3 b) vorgesehen sind und daß zwischen Eingang und Ausgang der wärmetauschenden Rohre Kuppelleitungen (43, 44) mit darin eingeschalteten Ventilen (45, 46) so angeordnet sind, daß bei Teillast jeweils eine Gasturbinenanlage abschaltbar ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Innenraum des Hohlraum-Solarerhitzers (1) mit Abstand von den Wänden des Hohlraum-Solarerhitzers perforierte Strömungsleitwände (50) aus keramischem Material angeordnet und so verlegt sind, daß sich zwischen diesen und den Wänden des Hohlraum-Solarerhitzers (1) Strömungskanäle (51) ausbilden.