WO2011091882A2 - Vermeidung dynamischer instabilitäten in zwangdurchlauf-dampferzeugern in solarthermischen anlagen durch einsatz von druckausgleichsleitungen - Google Patents

Vermeidung dynamischer instabilitäten in zwangdurchlauf-dampferzeugern in solarthermischen anlagen durch einsatz von druckausgleichsleitungen Download PDF

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WO2011091882A2
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Joachim Franke
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    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B21/00—Water-tube boilers of vertical or steeply-inclined type, i.e. the water-tube sets being arranged vertically or substantially vertically
    • F22B21/22—Water-tube boilers of vertical or steeply-inclined type, i.e. the water-tube sets being arranged vertically or substantially vertically built-up from water tubes of form other than straight or substantially straight
    • F22B21/24—Water-tube boilers of vertical or steeply-inclined type, i.e. the water-tube sets being arranged vertically or substantially vertically built-up from water tubes of form other than straight or substantially straight bent in serpentine or sinuous form
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B1/00—Methods of steam generation characterised by form of heating method
    • F22B1/006—Methods of steam generation characterised by form of heating method using solar heat
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    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B37/00—Component parts or details of steam boilers
    • F22B37/02—Component parts or details of steam boilers applicable to more than one kind or type of steam boiler
    • F22B37/10—Water tubes; Accessories therefor
    • F22B37/104—Connection of tubes one with the other or with collectors, drums or distributors

Definitions

  • the invention relates to a solar thermal continuous steam generator, in particular for solar thermal power plants with parabolic trough collectors and indirect evaporation.
  • the heat transfer medium is heated in the parabolic trough collectors.
  • the hot heat transfer medium releases its energy in a downstream heat exchanger (steam generator) to the feed water coming from the condenser.
  • the generated steam is fed to a steam turbine.
  • the o.g. Steam generator can be designed as a forced flow steam generator with a vertical or horizontal channel for the heat transfer medium.
  • the invention is therefore based on the object to avoid dynamic instabilities in solar ⁇ thermal steam generators of the type mentioned above.
  • the heating tubes of the Dampferzeu ⁇ gers are interconnected at a suitable point by pressure equalization lines.
  • the pressure loss of the two-phase flow or the steam section acts as a throttle at the outlet of the system and is desta ⁇ bil accrud.
  • the relative proportion of this pressure loss at the Ge ⁇ feldruckenfin of the system is to minimize the occurrence of a Insta ⁇ stability.
  • the evaporator is divided into water / steam side ⁇ independent systems, the steam generator stages are decoupled from each other. With correct choice of the position of the pressure equalization lines in the steam generator so dynamic instabilities can be safely avoided.
  • a solar thermal power plant ⁇ plant comprises an inventive forced once- through steam generator.
  • FIG. 3 shows a detailed view of the continuous steam generator
  • the solar thermal power plant ⁇ plant 1 comprises a not shown in figure 1 the solar field, in the concentrate the solar radiation and is converted into heat energy ⁇ .
  • the solar field may include parabolic trough collectors or Fresnel collectors, for example.
  • Concentrated solar radiation is delivered to a heat transfer medium, such as thermal oil, which has a much higher boiling point than water, so that temperatures of 300-400 ° C can be achieved.
  • a heat transfer medium such as thermal oil, which has a much higher boiling point than water, so that temperatures of 300-400 ° C can be achieved.
  • the heat transfer medium is transported to the solar thermal steam generator 3, in which a working fluid, such as water, heated, evaporated and the steam generated is overheated, wherein the heat transfer medium cools again.
  • the cooled heat transfer medium is pumped via line 4 back into the solar field.
  • the superheated steam is introduced in the so-called conventional part of the solar thermal power plant 1 via a Frischdampflei ⁇ device 5 in a steam turbine 6 as the working medium.
  • the steam turbine 6 drives a generator 7.
  • the working medium is expanded and then liquefied in a condenser 8.
  • a feedwater pump 9 pumps the liquefied working medium back to the solar thermal steam generator 3, whereby the water-steam cycle 10 of the working medium is closed.
  • FIG. 2 shows a solar-thermal steam generator 3 with an inlet 11 for the hot heat transfer medium at the upper end of a pressure-tight container 12 and an outlet 13 for the cooled heat-transfer medium at the lower end of the container 12.
  • Feed water 14 is supplied to the solar thermal steam generator 3 at its lower end and distributed via an inlet header 15 to heating tubes 16, which are arranged in the container 12.
  • the heating tubes 16 are formed so that heat from the heat transfer medium can be transferred to the working medium.
  • the hot heat transfer medium due to the lower Strö ⁇ mung resistance does not flow to the totality of the heating tubes 16 over and mainly along the inner wall of the vessel 12 but through the heat exchange tube interspaces, the heat transfer medium is guided in a flow channel 17 through the container 12 of the solar thermal heat recovery steam generator.
  • the flow channel 17 widens at its forth obe ⁇ ren end from the inlet 11 and is open at the bottom.
  • the container 12 is filled in operation within and outside the flow channel 17 with the heat exchange medium.
  • the feed water When passing through the heating pipes 16, the feed water is heated, evaporated and superheated, so that at the end of the heating pipes 16 superheated steam 18 collected in an outlet header 19 and the steam turbine 6 can be supplied.
  • Figure 3 shows a detailed view of the continuous steam generator 3 in section with pressure equalization lines 20.
  • a layer of heating pipes 16 Darge ⁇ represents. This layer is connected to further layers above and un ⁇ terrenz the plane of the drawing by pressure equalizing lines 20 to the deflection of the heating tubes sixteenth Pressure equalization lines may be installed elsewhere, but are particularly easy to install in the area shown.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen solarthermischen Zwangsdurchlaufdampferzeuger (3), insbesondere für eine solarthermische Kraftwerksanlage (1) mit Parabolrinnen, umfassend Heizrohre (16), dadurch gekennzeichnet, dass die Heizrohre (16) durch Druckausgleichsleitungen (20) miteinander verbunden sind.

Description

Beschreibung
Vermeidung dynamischer Instabilitäten in Zwangdurchlauf- Dampferzeugern in solarthermischen Anlagen durch Einsatz von Druckausgleichsleitungen
Die Erfindung bezieht sich auf einen solarthermischen Durchlaufdampferzeuger, insbesondere für solarthermische Kraftwerke mit Parabolrinnenkollektoren und indirekter Verdampfung.
Solarthermische Kraftwerke stellen eine Alternative zur her¬ kömmlichen Stromerzeugung dar. Zurzeit werden solarthermische Kraftwerke mit Parabolrinnenkollektoren und indirekter Verdampfung ausgeführt.
In einer Ausführungsform dieses solarthermischen Kraftwerks wird das Wärmeträgermedium in den Parabolrinnenkollektoren aufgeheizt. Das heiße Wärmeträgermedium gibt seine Energie in einem nachgeschalteten Wärmetauscher (Dampferzeuger) an das vom Kondensator kommende Speisewasser ab. Der erzeugte Dampf wird einer Dampfturbine zugeführt.
Der o.g. Dampferzeuger kann als Zwangdurchlaufdampferzeuger mit vertikalem oder horizontalem Kanal für das Wärmeträgermedium ausgeführt werden.
Grundsätzlich ist bei Dampferzeugern dieser Art die Möglichkeit von statischen und dynamischen Instabilitäten gegeben. Diese sind durch geeignete Maßnahmen zu vermeiden.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, bei solar¬ thermischen Dampferzeugern der oben genannten Art dynamische Instabilitäten zu vermeiden.
Dazu wird vorgeschlagen, dass die Heizrohre des Dampferzeu¬ gers an geeigneter Stelle durch Druckausgleichsleitungen miteinander verbunden werden. Der Druckverlust der Zweiphasenströmung bzw. der Dampfstrecke wirkt wie eine Drossel am Austritt des Systems und ist desta¬ bilisierend. Der relative Anteil dieses Druckverlustes am Ge¬ samtdruckverlust des Systems ist beim Auftreten einer Insta¬ bilität zu minimieren. Durch die in der Erfindung vorgeschlagene Maßnahme wird der Verdampfer in wasser-/dampfseitig von¬ einander unabhängige Systeme geteilt, die Dampferzeugerstufen werden voneinander entkoppelt. Bei richtiger Wahl der Lage der Druckausgleichsleitungen im Dampferzeuger können so dynamische Instabilitäten sicher vermieden werden.
Vorteilhafter Weise umfasst eine solarthermische Kraftwerks¬ anlage einen erfinderischen Zwangsdurchlaufdampferzeuger .
Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich:
Figur 1 einen Wasser-Dampf-Kreislauf eines solarthermischen
Kraftwerks ,
Figur 2 einen Durchlaufdampferzeuger und
Figur 3 eine Detailansicht des Durchlaufdampferzeugers mit
Druckausgleichsleitungen .
Die Figur 1 zeigt schematisch und beispielhaft den Aufbau ei¬ nes Wasser-Dampf-Kreislaufs eines solarthermischen Kraftwerks 1 nach dem Stand der Technik. Die solarthermische Kraftwerks¬ anlage 1 umfasst ein in Figur 1 nicht gezeigtes Solarfeld, in dem die Sonnenstrahlung konzentriert und in Wärmeenergie um¬ gewandelt wird. Das Solarfeld kann beispielsweise Parabolrin- nenkollektoren oder Fresnel-Kollektoren aufweisen. Konzentrierte Sonnenstrahlung wird an ein Wärmeträgermedium, beispielsweise Thermoöl, abgegeben, das gegenüber Wasser einen wesentlich höheren Siedepunkt aufweist, so dass Temperaturen von 300-400 °C erreicht werden können. Über die Rohrleitung 2 wird das Wärmeträgermedium zum solarthermischen Dampferzeuger 3 transportiert, in dem ein Arbeitsmedium, beispielsweise Wasser, erwärmt, verdampft und der erzeugte Dampf überhitzt wird, wobei sich das Wärmeträgermedium wieder abkühlt. Das abgekühlte Wärmeträgermedium wird über die Leitung 4 zurück in das Solarfeld gepumpt.
Der überhitzte Dampf wird im sogenannten konventionellen Teil des solarthermischen Kraftwerks 1 über eine Frischdampflei¬ tung 5 in eine Dampfturbine 6 als Arbeitsmedium eingeleitet. Die Dampfturbine 6 treibt einen Generator 7 an . In der Dampfturbine 6 wird das Arbeitsmedium entspannt und anschließend in einem Kondensator 8 verflüssigt. Eine Speisewasserpumpe 9 pumpt das verflüssigte Arbeitsmedium wieder zurück zum solarthermischen Dampferzeuger 3 womit der Wasser-Dampf-Kreislauf 10 des Arbeitsmediums geschlossen ist.
Figur 2 zeigt einen solarthermisehen Dampferzeuger 3 mit ei- nem Einlass 11 für das heiße Wärmeträgermedium am oberen Ende eines druckdichten Behälters 12 und einem Auslass 13 für das abgekühlte Wärmeträgermedium am unteren Ende des Behälters 12.
Speisewasser 14 wird dem solarthermischen Dampferzeuger 3 an seinem unteren Ende zugeführt und über einen Eintrittssammler 15 auf Heizrohre 16 verteilt, die im Behälter 12 angeordnet sind. Die Heizrohre 16 sind so ausgebildet, dass Wärme vom Wärmeträgermedium auf das Arbeitsmedium übertragbar ist. Damit das heiße Wärmeträgermedium aufgrund des geringeren Strö¬ mungswiderstandes nicht an der Gesamtheit der Heizrohre 16 vorbei und hauptsächlich entlang der Innenwand des Behälters 12 sondern durch die Wärmetauscherrohrzwischenräume strömt, wird das Wärmeträgermedium in einem Strömungskanal 17 durch den Behälter 12 des solarthermischen Abhitzedampferzeugers 3 geführt. Der Strömungskanal 17 erweitert sich an seinem obe¬ ren Ende vom Einlass 11 her und ist unten offen. Der Behälter 12 ist im Betrieb innerhalb und außerhalb des Strömungskanals 17 mit dem Wärmetauschermedium gefüllt.
Beim Durchlaufen der Heizrohre 16 wird das Speisewasser erwärmt, verdampft und überhitzt, so dass am Ende der Heizrohre 16 überhitzter Dampf 18 in einem Austrittssammler 19 gesammelt und der Dampfturbine 6 zugeführt werden kann.
Figur 3 zeigt eine Detailansicht des Durchlaufdampferzeugers 3 im Schnitt mit Druckausgleichsleitungen 20. Im Ausführungsbeispiel der Figur 3 ist eine Lage von Heizrohren 16 darge¬ stellt. Diese Lage ist mit weiteren Lagen oberhalb bzw. un¬ terhalb der Zeichenebene über Druckausgleichleitungen 20 an den Umlenkbereichen der Heizrohre 16 verbunden. Druckaus- gleichsleitungen können auch an anderen Stellen angebracht sein, sind jedoch im gezeigten Bereich besonders einfach zu installieren .

Claims

Patentansprüche
Solarthermischer Zwangsdurchlaufdampferzeuger (3) , insbesondere für eine solarthermische Kraftwerksanlage (1) mit Parabolrinnen, umfassend Heizrohre (16), dadurch gekennzeichnet, dass die Heizrohre (16) durch Druckausgleichs¬ leitungen (20) miteinander verbunden sind.
2. Solarthermische Kraftwerksanlage (1) umfassend einen
Zwangsdurchlaufdampferzeuger (3) nach Anspruch 1.
PCT/EP2010/067910 2010-02-01 2010-11-22 Vermeidung dynamischer instabilitäten in zwangdurchlauf-dampferzeugern in solarthermischen anlagen durch einsatz von druckausgleichsleitungen WO2011091882A2 (de)

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