DE4417656C2 - Verfahren zur Erzeugung von Dampf für einen Dampfturbinenprozeß mittels konzentrierter Solarstrahlung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Dampf für einen Dampfturbinenprozeß mittels konzentrierter Solarstrahlung.

Aus dem DE-Buch von Becker/Klimas "Second Generation Central Reiceiver Technologies", herausgegeben von der Deutschen Forschungsanstalt für Luft- und Raumfahrt, Verlag C.F. Müller GmbH, Karlsruhe (1993), S. 1-2, Fig. 1-2 ist ein solches Verfahren bekannt. Bei Einsatz eines volumetrischen Lufterhitzers wird unter dem Einfluß von Gebläsen die erwärmte Luft direkt dem Dampferzeuger und/oder einem Thermocline-Speicher zugeführt. Der Speicher dient dem Ausgleich im zeitlichen Unterschied zwischen Energieangebot und -bedarf und ist dem Dampferzeuger parallel geschaltet.

Bei projektierten Anlagen ist es gemäß Fig. 4-17 auf S. 4-41 des DE-Buches vorgesehen, der Dampferzeugung einen mit fossilen Brennstoffen betriebenen Brenner vorzuschalten. Mit diesem Brenner kann die Stromerzeugung im Zusammenwirken mit dem Thermocline-Speicher aufrechterhalten werden, wenn keine Sonnenenergie zur Verfügung steht oder keine Wärmeenergie mehr aus dem Speicher ausgespeichert werden kann. Bei den bekannten Anlagen ist der Empfänger, auf den die Sonnenstrahlung von einem Heliostatenfeld konzentriert wird, auf einem hohen Turm angeordnet, während der Dampferzeuger am Fuße des Turmes angeordnet ist.

Der für die Dampferzeugung eingesetzte Dampferzeuger benötigt im Hinblick auf seine Lebensdauer und auf den Schutz der von ihm beaufschlagten Dampfturbine eine zumindest in kurzen Zeitschritten im wesentlichen konstante Lufteintrittstemperatur und einen im wesentlichen konstanten Luftmassenstrom. Dies kann von dem Lufterhitzer nicht gewährleistet werden, da dieser nur entweder mit konstantem Massenstrom oder mit konstanter Luftaustrittstemperatur gefahren werden kann. Bei konstantem Luftmassenstrom ändert sich die Luftaustrittstemperatur mit der sich ändernden Einstrahlungsleistung des Heliostatenfeldes. Temperaturschwankungen der Heißluft können auftreten, wenn plötzlich Wolken das großflächige Heliostatenfeld abschatten, da dann die Temperatur der den Lufterhitzer verlassenden Luft entsprechend abfällt. Damit ändert sich sowohl die mittlere Temperatur, mit der der Dampferzeuger beaufschlagt wird, als auch das räumliche Temperaturprofil, insbesondere wenn nur Teile des Heliostatenfeldes abgeschattet werden. Es hat sich herausgestellt, daß der in dem Lufterhitzer üblicherweise eingesetzte Absorber in Form eines Metallgestrick oder -gewirks eine zu geringe Speicherwirkung hat, so daß sich eine Änderung der Einstrahlleistung sehr schnell auf die Luftaustrittstemperatur auswirkt. Bei konstant geregelter Luftaustrittstemperatur ist der Massenstrom die variable Größe.

Aus der DE 28 12 651 A1 ist ein Verfahren zur Erzeugung von Dampf bekannt, bei dem Luft in einem Kompressor komprimiert, danach erwärmt und in einen Sonnenkollektor geleitet wird, in welchem die Lufttemperatur auf einen Wert von 500 bis 900°C erwärmt wird. Die erwärmte und komprimierte Luft wird in einer einen Generator antreibenden Gasturbine erwärmt. Die Abluft der Gasturbine dient der Vorheizung der Luft. Die den Wärmetauscher für die Vorheizung der Luft verlassende Luft kann vor Austritt in die Atmosphäre noch der Dampferzeugung dienen. Zwischen Sonnenkollektor und Gasturbine ist ein Wärmespeicher eingeschaltet, mit dessen Hilfe der Temperaturabfall der Luft verringert werden kann, indem die Luft in den Zeiten, in denen die Solarenergie unzulänglich ist, aufgeheizt wird, bevor ein dem Wärmespeicher nachgeschalteter Hilfsbrenner entweder teilweise oder in in vollem Umfang in Gang gesetzt wird. Der Wärmespeicher ist in seinem Zeitverhalten an die Anfahrzeiten des Hilfsbrenners gekoppelt.

Weiterhin ist aus dem JP 2-30987 (A) Abstract ein Verfahren zum Betrieb eines Kraftwerkes an Bord eines Raumfahrzeuges bekannt geworden, bei dem ein in einem Kompressor erwärmtes Arbeitsmittel nach Vorheizung über einen Sonnenkollektor und danach über einen Latentwärmespeicher geführt wird. Danach durchströmt das erwärmte Arbeitsmittel eine den Kompressor antreibende Turbine und den Wärmetauscher zum Vorheizen des Arbeitsmittels. Zur weiteren Erniedrigung der Temperatur wird das Strömungsmittel vor Zulauf zum Kompressor über einen Radiator geführt, der Wärme in den Weltraum abstrahlt. Das Arbeitsmittel wird im geschlossenen Kreislauf geführt und durch den Latentwärmetauscher können kurz zeitige Temperaturtransienten nicht aufgefangen werden.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Erzeugung von Dampf für einen Dampfturbinenprozeß mittels konzentrierter Strahlung unter Erwärmung eines durch einen, von konzentrierter Solarstrahlung erwärmten Absorbers eines volumetrischen Lufterhitzers angesaugten Luftstromes anzugeben, bei dem ein quasi stationärer Betrieb des Dampferzeugers/ Dampfturbine möglich ist, d. h. ein Betrieb mit solchen Temperaturtransienten, die von dem Dampferzeuger/Dampfturbine zugelassen werden.

Diese Aufgabe wird von einem Verfahren zur Erzeugung von Dampf für einen Dampfturbinenprozeß mittels konzentrierter Solarstrahlung mit folgenden Schritten gelöst:

Ein Luftstrom wird durch einen von, konzentrierter Solarstrahlung erwärmten Absorber eines volumetrischen Lufterhitzers eingesaugt und dabei erwärmt, zum Ausgleich kurzzeitiger Temperaturschwankungen des Heißluftstromes infolge kurzzeitiger Schwankungen der Solarstrahlung wird der erwärmte Heißluftstrom durch einen Kurzzeitwärmespeicher für sensible Wärme geführt derart, daß eine, kurzzeitige Temperaturänderung am Speichereintritt zu einer stetigen monoton fallenden Temperatur am Speicheraustritt führt, wobei die Länge des Kurzzeitspeichers in Strömungsrichtung gesehen in etwa der Länge, der durch Material, Wärmeübergangszahl und Querschnitt bestimmten Länge der Thermocline-Zone bei Vollast des Dampferzeugers entspricht, und dem Heißluftstrom gegebenenfalls durch Verbrennung von Brennstofferzeugtes heißes Gas beigemischt, der Heißluftstrom wird danach unter Dampferzeugung abgekühlt und zumindest ein Teilstrom des abgekühlten Heißluftstroms wird auf die Anströmseite des Absorbers zurückgeführt.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Kurzzeitwärmespeichers hinsichtlich seiner Wärmeübertragungsleistung und seiner Länge wird einerseits eine ausreichende Dämpfung und andererseits eine genügend schnell folgende Temperaturveränderung auf der Austrittsseite erhalten.

Der Kurzzeitwärmespeicher ist nicht mit dem bei der Verfahrensführung gemäß dem vorstehend genannten DE-Buch von Becker/Klimas bekannten und zum Dampferzeuger parallel geschalteten Hauptspeicher vergleichbar, denn er hat die Aufgabe, kurzzeitige Temperaturschwankungen (Wolkendurchgang etc.) auszugleichen und Temperaturspitzen zu glätten.

Durch den dem Lufterhitzer nachgeschalteten Kurzzeitwärmespeicher ist es möglich, Temperaturtransienten zu dämpfen, so daß die Beanspruchung das Dampferzeugers hinsichtlich schneller Temperaturwechsel verringert wird. Darüber hinaus kann der Kurzzeitwärmespeicher ein Vermischen von Temperatursträhnen in der Heißluft zu einem gleichmäßigeren Temperaturprofi 1 gewährleisten.

Folgende Anforderungen sind an einen solchen Kurzzeitwärmespeicher zu stellen: Der Druckverlust sollte klein sein, damit die Leistung des für den Lufttransport erforderlichen Gebläses verringert werden kann. Dies kann durch einen in Strömungsrichtung des Heißluftstromes gesehenen kurzen Speicher mit großem Querschnitt erreicht werden. Allerdings muß hier beachtet werden, daß das Temperaturausgleichvermögen des Wärmespeichers mit sinkender Bauhöhe schlechter wird.

Die Wärmekapazität ist so zu bemessen, daß der Kurzzeitwärmespeicher zwar bei Vollast noch ausreichend dämpft, auf der anderen Seite ab, er keine unnötige Trägheit im System bewirkt, insbesondere keine Anfahrverzögerung bei Anfahren des Dampferzeugers und der nachgeschalteten Turbine. Durch eine geschickte Ausbildung von Strömungspfaden im Speichermaterial kann erreicht werden, daß die Heißluft wie in einem Baffle-Wärmetauscher (Umlenksegmente oder Umlenkring/scheibe) strömt, so daß Temperatursträhnen sicher aufgebrochen und eine besonders gute Durchmischung erreicht wird.

Als Speichermaterial sollten möglichst keine hohlen Speicherelemente eingesetzt werden, sondern Elemente aus Vollmaterial. Dies führt zu einer höheren Volumenausnutzung und bei gleichem Speichermaterialeinsatz zu einem geringeren Druckverlust für die durchströmende Heißluft.

Als Speichermaterialien bieten sich z. B. verzunderungsbeständiger Stahl, Keramik oder auch Naturstein an.

Unter Kurzzeit wird in der vorliegenden Anmeldung vorzugsweise ein Minutenbereich verstanden.

Vorzugsweise kann beim Auftreten längerfristiger Temperaturschwankungen der Brennstoff in dem Heißluftstrom verbrannt werden. Dabei bleibt der Massenstrom der vom Receiver herangeführten Luft konstant und es wird die Temperatur verändert. Der bei der Verbrennung entstehende zusätzliche Abgasmassenstrom ist im Vergleich zum Heißluftmassenstrom vernachlässigbar. Durch die Erzeugung von Wärme unmittelbar vor dem Dampferzeuger wird die Wärme bereitgestellt, die für den quasi- stationären bzw. kontinuierlichen Betrieb des Dampferzeugers/Turbine benötigt wird, aber momentan solar oder aus einem teuren Hauptspeicher nicht bereitgestellt werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren verzichtet auf teure Haupt- bzw. Langzeitspeicher, da diese nur eine Verschiebung der Energienutzung bewirken, aber keinen aktiven Deckungsbeitrag zur Energieerzeugung liefern.

Besonders zweckmäßig ist es, einen gasförmigen Brennstoff mittels Eigenluftbrennern im Heißluftstrom zu verbrennen.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn die Heißluft zunächst den Kurzzeitwärmespeicher durchströmt und danach bei Bedarf in dem Heißluftstrom der Brennstoff verbrannt wird, da so in besonders ausgeprägter Weise ein quasi-stationärer Betrieb für Dampferzeuger/Turbine möglich ist. Wenn die Anforderungen der für die Verbrennung des Brennstoffes in dem Heißluftstrom eingesetzten Verbrennungseinrichtung an eine Temperaturkonstanz des Heißluftstroms geringer sind als die Anforderungen des Dampferzeugers an eine Temperaturkonstanz, ist es denkbar, den Kurzzeitwärmespeicher zu teilen und einen Teil vor dem Verbrennen des Brennstoffes im Heißluftstrom und einen Teil danach anzuordnen. Damit bietet sich der Vorteil, daß der Druckverlust des stromab der Verbrennung angeordneten Kurzzeitwärmespeicherteils zum Ausgleich etwaiger Temperatursträhnen hinter der Verbrennungseinrichtung ausgenutzt werden kann.

Es ist aber möglich, einen Ausgleich längerfristiger Temperaturschwankungen dadurch zu verbesseren, daß als Beimischungsgas dem Heißluftstrom das Abgas einer Gasturbine zugemischt wird. Dabei wird der Lufterhitzer auf eine konstante Ausgangstemperatur des Heißluftstroms geregelt, in dem der Luftmassenstrom an die augenblickliche Einstrahlungsleistung angepaßt wird. Die Gasturbinenaustrittstemperatur wird auf die Austrittstemperatur des Lufterhitzers eingeregelt und der Massenstrom der Gasturbine oder eines Teilstroms des Gasturbinenabgases wird so eingeregelt, daß der Gesamtmassenstrom nach Zumischung von Turbinenabgas, der auf den Dampferzeuger auftritt, konstant bleibt. Das heißt, es wird immer so viel Abgas zugemischt, wie der Lufterhitzer gerade weniger anfordert.

Wie vorstehend ausgeführt ist es möglich, den Kurzzeitwärmespeicher zusammen mit der Verbrennung von Brennstoff in dem Heißtluftstrom einzusetzen. Hierbei ist es zweckmäßig, daß der Kurzzeitwärmespeicher stromab der Einspeisestelle des Turbinenabgases in den Heißluftstrom angeordnet ist, da er dann Regelschwankungen mindern und Temperaturtransienten und Strähnen aus der Zumischung des Gasturbinenabgases ausgleichen kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren soll anhand der beigefügten Figuren näher erläutert werden. Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer ersten Solaranlage mit einem Kurzzeitwärmespeicher für einen quasi- stationären Betrieb,

Fig. 2 ein, Blockschaltbild mit einem Brenner für einen quasi-stationären Betrieb,

Fig. 3 ein Blockschaltbild mit einer zugeordneten Gasturbinenanlage für einen quasi-stationären Betrieb und

Fig. 4 eine vertikale Seitenansicht einer Speichermaterialpackung in einer Ausführungsform für einen Kurzzeitspeicher.

Bei der Verfahrensführung gemäß Fig. 1 wird atmosphärische Luft L in einen volumetrischen Lufterhitzer 1 eingesaugt und Heißluft HL über einen Heißluftkanal 2 und einen Kurzzeitwärmespeicher 3 einem Dampferzeuger 4 zugeführt. Die im Dampferzeuger 4 unter Erzeugung von Dampf abgekühlte Warmluft WL wird über mindestens einen Warmluftkanal 5, in dem vorzugsweise ein Axialgebläse 6 angeordnet ist, vor die Ansaugseite des Lufterhitzers zurückgeführt. Der Kurzzeitwärmespeicher 3 wird also fortlaufend von der Heißluft durchströmt und Temperaturschwankungen in dem im Speicher 3 zugeführten Heißluftstrom werden ausgeglichen.

Der Dampferzeuger 4 kann ein in Naturumlauf, Zwangsumlauf oder Zwangsdurchlauf betriebener Dampferzeuger sein.

Bei der Fig. 2 werden soweit als möglich dieselben Bezugszeichen wie in der Fig. 1 verwandt.

Zwischen dem Lufterhitzer 1 und dem Dampferzeuger 4 ist für einen quasi-stationären Betrieb des Dampferzeugers und der diesem nachgeschalteten Turbine (nicht mit dargestellt) eine mit Brennstoff B, vorzugsweise Gas beaufschlagte Verbrennungseinrichtung 7 vorgesehen, der der Kurzzeitwärmespeicher 3 vorgeschaltet ist. Die Verbrennungseinrichtung erzeugt unmittelbar vor dem Dampferzeuger 4 die Wärme, die für den quasi-stationären bzw. kontinuierlichen Betrieb des Dampferzeugers benötigt wird. Vorzugsweise ist die Verbrennungseinrichtung als Eigenluftbrenner ausgebildet, d. h. der zugeführte Brennstoff wird mit der Heißluft verbrannt. Dies ermöglicht es, sowohl die Temperatur als auch den Massenstrom unabhängig von der Leistungsaufteilung zwischen Lufterhitzer 1 und Verbrennungseinrichtung 7 konstant zu halten. Eine Meß- und Regeleinheit 8 erfaßt die Temperatur am Eingang des Dampferzeugers und steuert die Brennstoff zufuhr zur Verbrennungseinrichtung in Abhängigkeit von der erfaßten Temperatur.

In der Fig. 2 ist der Kurzzeitwärmespeicher 3 der Verbrennungseinrichtung 7 vorgeschaltet. Es ist jedoch auch denkbar, den Kurzzeitwärmespeicher zu teilen und einen Teil stromab der Verbrennungseinrichtung 7 anzuordnen. Durch den Druckverlust des stromab angeordneten Teils des Kurzzeitwärmespeichers kann ein Ausgleich der Temperatursträhnen hinter der Verbrennungseinrichtung erzielt werden, die üblicherweise eine Vielzahl von über den Querschnitt des Heißluftkanals 2 verteilten Flammen aufweist. Selbstverständlich muß die Verbrennungseinrichtung nicht fortlaufend betrieben werden, sondern nur dann, wenn es durch Temperaturschwankungen oder nicht ausreichende Einstrahlung auf den Lufterhitzer erforderlich wird. Mit Hilfe der Verbrennungseinrichtung können also nicht nur kurzzeitige Temperaturschwankungen ausgeglichen werden, sondern auch ein länger anhaltendes Strahlungsdefizit, wenn dieses ausgeglichen werden soll.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 wird anstelle der Verbrennungseinrichtung 7 eine Gasturbinenanordnung 9 eingesetzt. In diesem Falle wird in den Heißluftkanal 2 zwischen Lufterhitzer 1 und Dampferzeuger 4 ein Regelventil 10 angeordnet, das zusammen mit einer Meß- und Regeleinheit 11 eine konstante Austrittstemperatur am Auslaß des Ventils ermöglicht, indem der durch den Lufterhitzer geführte Luftmassenstrom an die augenblickliche Einstrahlungsleistung der konzentrierten Sonnenstrahlung angepaßt wird.

Die Gasturbinenanordnung 9 besteht aus einem Kompressor 12, einer Gasturbinenbrennkammer 13 und der Gasturbine 13. Der Brennkammer 13a wird Brennstoff BB unter dem Einfluß einer Meß- und Regeleinheit 14 derart zugeführt, daß die Austrittstemperatur des Turbinenabgases auf denselben Wert eingeregelt wird, auf den auch die aus dem Lufterhitzer austretende Luft geregelt wird. Der Massenstrom des Turbinenabgases wird durch eine Meß- und Regeleinheit 15 so nachgeregelt, daß der Gesamtmassenstrom des hinter dem Ventil 10 über Leitung 16 eingespeisten Abgasstroms, der auf den Dampferzeuger auftritt, konstant bleibt, d. h. die Gasturbinenanordnung 9 liefert immer genau so viel Abgas AG, wie der Lufterhitzer gerade weniger an Luftmassenstrom bei der augenblicklichen Einstrahlungsleistung weniger verlangt.

Stromab der Anschlußstelle des Abgaskanals 16 ist der Kurzzeitwärmespeicher 3 angeordnet, der Regelschwankungen mindert und ebenfalls Temperaturtransienten und Strähnen ausgleicht.

Zu der Gasturbinenanordnung 9 gehört auch ein von der Gasturbine 13 angetriebener Generator 17. Bei dieser Schaltung erhöht sich die Gesamtleistung des Solarkraftwerks bei einer Verminderung der Sonneneinstrahlung, da sich dann die höhere Gasturbinenleistung zu der konstanten Dampfturbinenleistung hinzuaddiert. Dies kann insbesondere in einem Stromnetz von Vorteil sein, in dem sich auch reine Solarkraftwerke, d. h. Kraftwerke ohne die zusätzliche Gasturbinenanordnung befinden, da sich die Leistungscharakteristiken dieser beiden Typen dann kompensieren. Bei mangelnder Sonneneinstrahlung vermindert sich die Leistung der reinen Solarkraftwerke und erhöht sich die Leistung der kombinierten Gasturbinen/Solarkraftwerke.

Die Anordnung nach Fig. 3 kann bei Bedarf ebenfalls noch mit einem Brenner ausgerüstet werden.

In den Fig. 1 bis 3 sind die Schaltungskomponenten, die erfindungsgemäß als Baugruppe auf dem Turm eines Solarkraftwerks angeordnet werden sollen, von einer strich­ punktierten Linie umgeben, d. h. es ist beabsichtigt, alle Komponenten des Wärmeträgerkreislaufs als eine Baugruppe auf dem Turm anzuordnen, d. h. Lufterhitzer 1, Kurzzeitwärmespeicher 3, soweit vorhanden, Verbrennungseinrichtung 7, Dampferzeuger 4, Gebläse 6 sowie Heißluftkanal 2 und Warmluftkanal 5.

In der Fig. 4 ist eine besonders vorteilhafte Anordnung des Speichermaterials in dem Kurzzeitwärmespeicher 3 dargestellt. Die Durchströmung erfolgt in Richtung der Pfeile HL. Der Kurzzeitspeicher 3 kann - wie bereits erwähnt - aus verschiedenen Materialen aufgebaut werden. Die in der Fig. 4 dargestellte Konfiguration besteht aus gitterartig angeordneten Flacheisen aus einem verzunderungsbeständigem Metall. Die Flacheisen 30a mit rechteckigem Querschnitt stehen nebeneinander mit ihrer Schmalseite Trägern 30c auf. Auf ihren Oberseiten liegen Flacheisen 30b mit ihrer Längsseite mit Abstand aneinander auf. Ihre Erstreckungsrichtung ist senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Flacheisen 30a. Es sind mehrere Lagen aus Flacheisen 30a/30b vorgesehen, die von einem den Kanal 2 bestimmenden Blechgehäuse 30d umgeben sind. Durch das Gitterwerk werden etwaige in dem Heißluftstrom HL vorhandene Temperatursträhnen aufgebrochen und eine gute Durchmischung erreicht. Durch den Einsatz von Vollmaterial erfolgt eine höhere Volumenausnutzung. Durch die Verwendung des Metalls wird eine Wärmekapazität erreicht, so daß- der Kurzzeitwärmespeicher im Minutenbereich bei Vollast noch ausreichend dämpft, jedoch keine unnötige Trägheit im System bewirkt. Poröse Keramikkörper, Schüttungen aus Metall oder Keramikelementen oder Konfigurationen aus anderen Metallprofilen können eingesetzt werden.

Claims (4)

1. Verfahren zur Erzeugung von Dampf für einen Dampfturbinenprozeß mittels konzentrierter Solarstrahlung mit folgenden Schritten:
Ein Luftstrom wird durch einen von konzentrierter Solarstrahlung erwärmten Absorber eines volumetrischen Lufterhitzers eingesaugt und dabei erwärmt,
zum Ausgleich kurzzeitiger Temperaturschwankungen des Heißluftstromes infolge kurzzeitiger Schwankungen der Solarstrahlung wird der erwärmte Heißluftstrom durch einen Kurzzeitwärmespeicher für sensible Wärme geführt derart, daß eine kurzzeitige Temperaturänderung am Speichereintritt zu einer stetigen monoton fallenden Temperatur am Speicheraustritt führt, wobei die Länge des Kurzzeitspeichers in Strömungsrichtung gesehen in etwa der Länge der durch Material, Wärmeübergangszahl und Querschnitt bestimmten Länge der Thermocline-Zone bei Vollast des Dampferzeugers entspricht, und dem Heißluftstrom gegebenenfalls durch Verbrennung von Brennstofferzeugtes heißes Gas beigemischt,
der Heißluftstrom wird danach unter Dampferzeugung abgekühlt und
zumindest eine Teilstrom des abgekühlten Heißluftstroms wird auf die Anströmseite des Absorbers zurückgeführt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff in dem erwärmten Heißluftstrom verbrannt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß gasförmiger Brennstoff mittels Eigenluftbrennern im Heißluftstrom verbrannt wird.

4. Verfahren Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Beimischungsgas dem Heißluftstrom das Abgas einer Gasturbine zugemischt wird.