WO2011091883A2 - Suppression of static instabilities in forced flow steam generators by combined same and counter flow circuits - Google Patents

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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 invention is therefore based on the object to avoid dynamic instabilities in solar ⁇ thermal steam generators of the type mentioned above.
  • a solar thermal steam generator is proposed, in particular for a solar thermal power plant, through which a heat transfer medium in a first direction is feasible, wherein heat exchanger tubes in a first section in Substantially in a counter-current direction to the first direction and in a second portion substantially in one
  • the heat exchanger tubes are arranged in a third section substantially in a counter-current direction to the first direction. It is expedient if the first section of the heat ⁇ exchanger tubes an economizer, the second section of the heat ⁇ exchanger tubes an evaporator and the third section of the heat exchanger tubes is a superheater.
  • the heat transfer medium is a thermal oil.
  • the heat transfer medium is a molten salt.
  • a solar thermal power plant advantageously comprises a steam generator according to the invention. Furthermore, it is advantageous if the solar thermal power plant comprises parabolic troughs. Shown schematically and not to scale:
  • 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.
  • 2 shows a solar thermal steam generator 3 according to the prior art with an inlet 11 for the hot heat ⁇ carrier medium at the upper end of a pressure-tight vessel 12 and an outlet 13 for the cooled heat transfer medium at the lower end of the container 12th
  • Feedwater 14 is supplied to the solar thermal steam generator 3 at its lower end and distributed via an inlet header 15 to heat exchanger tubes 16, which are arranged in the container 12 ⁇ .
  • the heat exchanger tubes 16 are formed so that heat from the heat transfer medium can be transferred to the working medium. So that the hot heat transfer medium due to the lower flow resistance does not flow past the entirety of the heat exchanger tubes 16 and mainly along the inner wall of the container 12 but through the politicians (2004)bergerrohr fundamentalmony, the heat transfer medium is guided in a flow channel 17 through the container 12 of the solar thermal heat recovery steam generator 3.
  • the flow channel 17 Erwei ⁇ tert of him at its upper 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.
  • FIG. 3 shows a detail view of the continuous-flow steam generator 3 according to the invention in section, which is divided into three sections 20, 21, 22 with respect to the flow guide.
  • the first section 20 includes the feed water inlet 14 to Be ⁇ beginning of the evaporation (economizer) and runs in countercurrent to the heat transfer medium 23.
  • the second portion 21 comprises the beginning of the evaporation up to the end of the evaporation (evaporator) and extends in parallel flow to the heat transfer medium 23
  • the third section 22 comprises the end of the evaporation until to the outlet of the live steam 18 (superheater) and runs in countercurrent to the heat transfer medium 23rd
  • the size of the sections 20 and 22 may vary. In extreme cases, these sections 20 and 22 may also be omitted.

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Abstract

The invention relates to a solar thermal steam generator (3), in particular for a solar thermal power plant (1), through which a heat transfer medium (23) can be guided in a first direction, heat transfer tubes (16) being arranged in a first section (20), essentially in the counter flow direction in relation to the first direction and in a second section (21), essentially in the same direction of flow as the first direction.

Description

Beschreibung description
Vermeidung statischer Instabilitäten in Zwangdurchlauf- Dampferzeugern durch kombinierte Gleich- und Gegenstromschal- tung Prevention of static instabilities in forced circulation steam generators through combined DC and reverse current switching
Die Erfindung bezieht sich auf einen solarthermischen Durchlaufdampferzeuger, insbesondere für solarthermische Kraftwerke mit Parabolrinnenkollektoren und indirekter Verdampfung. The invention relates to a solar thermal continuous steam generator, in particular for solar thermal power plants with parabolic trough collectors and indirect evaporation.
Solarthermische Kraftwerke stellen eine Alternative zur her¬ kömmlichen Stromerzeugung dar. Zurzeit werden solarthermische Kraftwerke mit Parabolrinnenkollektoren und indirekter Verdampfung ausgeführt. Solar thermal power plants are an alternative to conventional electricity generation ago ¬. Currently, running solar thermal power plants with parabolic trough collectors and indirect evaporation.
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. In one embodiment of this solar thermal power plant, 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.
Der o.g. Dampferzeuger kann als Zwangdurchlaufdampferzeuger mit vertikalem oder horizontalem Kanal für das Wärmeträgermedium ausgeführt werden. 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.
Grundsätzlich ist bei Dampferzeugern dieser Art die Möglichkeit von statischen und dynamischen Instabilitäten gegeben. Diese sind durch geeignete Maßnahmen zu vermeiden. Basically, in steam generators of this type there is the possibility of static and dynamic instabilities. These are to be avoided by appropriate measures.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, bei solar¬ thermischen Dampferzeugern der oben genannten Art dynamische Instabilitäten zu vermeiden. The invention is therefore based on the object to avoid dynamic instabilities in solar ¬ thermal steam generators of the type mentioned above.
Dazu wird ein solarthermischer Dampferzeuger vorgeschlagen, insbesondere für eine solarthermische Kraftwerksanlage, durch den ein Wärmeträgermedium in einer ersten Richtung führbar ist, wobei Wärmetauscherrohre in einem ersten Abschnitt im Wesentlichen in einer Gegenstromrichtung zur ersten Richtung und in einem zweiten Abschnitt im Wesentlichen in einer For this purpose, a solar thermal steam generator is proposed, in particular for a solar thermal power plant, through which a heat transfer medium in a first direction is feasible, wherein heat exchanger tubes in a first section in Substantially in a counter-current direction to the first direction and in a second portion substantially in one
Gleichstromrichtung zur ersten Richtung angeordnet sind. Aufgrund ihrer Charakteristik neigen reine Gegenstromschal- tungen zu statischer Instabilität, während reine Gleichstromschaltungen inhärent statisch stabil sind. Reine Gleichstromschaltungen sind allerdings aus Gründen der Performance und Heizflächengröße (Kosten) nur selten realisierbar. Es gilt deshalb Gleich- und Gegenstrom in geeigneter Weise zu kombinieren. Bei richtiger Wahl der Lage der Übergänge der Abschnitte im Dampferzeuger können so statische Instabilitäten sicher vermieden und gleichzeitig kostengünstige Designs rea¬ lisiert werden. DC direction are arranged to the first direction. Due to their characteristics, pure reverse current switching tends to cause static instability, while pure DC circuits are inherently statically stable. However, pure DC circuits are rarely feasible for reasons of performance and heating surface size (costs). It is therefore important to combine direct and countercurrent in a suitable manner. With a correct choice of the position of the transitions of the sections in the steam generator so static instabilities can be safely avoided while cost-effective designs are rea ¬ lisiert.
Vorteilhafter Weise sind demzufolge die Wärmetauscherrohre in einem dritten Abschnitt im Wesentlichen in einer Gegenstromrichtung zur ersten Richtung angeordnet. Dabei ist es zweckmäßig, wenn der erste Abschnitt der Wärme¬ tauscherrohre ein Economizer, der zweite Abschnitt der Wärme¬ tauscherrohre ein Verdampfer und der dritte Abschnitt der Wärmetauscherrohre ein Überhitzer ist. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Wärmeträgermedium ein Thermoöl. Advantageously, therefore, the heat exchanger tubes are arranged in a third section substantially in a counter-current direction to the first direction. It is expedient if the first section of the heat ¬ exchanger tubes an economizer, the second section of the heat ¬ exchanger tubes an evaporator and the third section of the heat exchanger tubes is a superheater. In an advantageous embodiment, the heat transfer medium is a thermal oil.
In einer alternativen Ausführungsform ist das Wärmeträgermedium eine Salzschmelze. In an alternative embodiment, the heat transfer medium is a molten salt.
Es ist zweckmäßig, wenn der solarthermische Dampferzeuger ge¬ mäß der Erfindung als Zwangsdurchlaufdampferzeuger verwendet wird . Eine solarthermische Kraftwerksanlage umfasst vorteilhafter Weise einen Dampferzeuger nach der Erfindung. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die solarthermische Kraftwerksanlage Pa- rabolrinnen umfasst. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich: It is expedient if the solar thermal steam generator ge ¬ Mäss of the invention is used as a once-through steam generator. A solar thermal power plant advantageously comprises a steam generator according to the invention. Furthermore, it is advantageous if the solar thermal power plant comprises parabolic troughs. Shown schematically and not to scale:
Figur 1 einen Wasser-Dampf-Kreislauf eines solarthermischen 1 shows a water-steam cycle of a solar thermal
Kraftwerks ,  Power station,
Figur 2 einen Durchlaufdampferzeuger und 2 shows a continuous steam generator and
Figur 3 eine Detailansicht des Durchlaufdampferzeugers mit  Figure 3 shows a detailed view of the continuous steam generator with
Gleich- und Gegenstromführung der Wärmetauscher.  Direct and reverse flow of the heat exchanger.
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. 1 shows schematically and by way of example the structure of egg ¬ nes water-steam circuit of a solar thermal power plant 1 according to the prior art. 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. About the pipe 2, 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.
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 solarthermischen Dampferzeuger 3 nach dem Stand der Technik mit einem Einlass 11 für das heiße Wärme¬ trägermedium am oberen Ende eines druckdichten Behälters 12 und einem Auslass 13 für das abgekühlte Wärmeträgermedium am unteren Ende des Behälters 12. 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. In the steam turbine 6, 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. 2 shows a solar thermal steam generator 3 according to the prior art with an inlet 11 for the hot heat ¬ carrier medium at the upper end of a pressure-tight vessel 12 and an outlet 13 for the cooled heat transfer medium at the lower end of the container 12th
Speisewasser 14 wird dem solarthermischen Dampferzeuger 3 an seinem unteren Ende zugeführt und über einen Eintrittssammler 15 auf Wärmetauscherrohre 16 verteilt, die im Behälter 12 an¬ geordnet sind. Die Wärmetauscherrohre 16 sind so ausgebildet, dass Wärme vom Wärmeträgermedium auf das Arbeitsmedium übertragbar ist. Damit das heiße Wärmeträgermedium aufgrund des geringeren Strömungswiderstandes nicht an der Gesamtheit der Wärmetauscherrohre 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 erwei¬ tert sich an seinem oberen 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 . Feedwater 14 is supplied to the solar thermal steam generator 3 at its lower end and distributed via an inlet header 15 to heat exchanger tubes 16, which are arranged in the container 12 ¬ . The heat exchanger tubes 16 are formed so that heat from the heat transfer medium can be transferred to the working medium. So that the hot heat transfer medium due to the lower flow resistance does not flow past the entirety of the heat exchanger tubes 16 and mainly along the inner wall of the container 12 but through the Wärmetauscherrohrzwischenräume, the heat transfer medium is guided in a flow channel 17 through the container 12 of the solar thermal heat recovery steam generator 3. The flow channel 17 Erwei ¬ tert of him at its upper 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.
Beim Durchlaufen der Wärmetauscherrohre 16 wird das Speise¬ wasser erwärmt, verdampft und überhitzt, so dass am Ende der Wärmetauscherrohre 16 überhitzter Dampf 18 in einem Aus¬ trittssammler 19 gesammelt und der Dampfturbine 6 zugeführt werden kann. Can be when passing through the heat exchanger tubes 16, the feed ¬ water is heated, vaporized and superheated, so that superheated steam 16 from ¬ collected at the end of the heat exchanger tubes 18 in a enters collector 19 and supplied to the steam turbine. 6
Figur 3 zeigt eine Detailansicht des Durchlaufdampferzeugers 3 gemäß der Erfindung im Schnitt, der bzgl. der Strömungsführung in drei Abschnitte 20, 21, 22 unterteilt ist. Der erste Abschnitt 20 umfasst den Speisewassereintritt 14 bis zum Be¬ ginn der Verdampfung (Economizer) und verläuft im Gegenstrom zum Wärmeträgermedium 23. Der zweite Abschnitt 21 umfasst den Beginn der Verdampfung bis zum Ende der Verdampfung (Verdampfer) und verläuft im Gleichstrom zum Wärmeträgermedium 23. Der dritte Abschnitt 22 umfasst das Ende der Verdampfung bis zum Austritt des Frischdampfs 18 (Überhitzer) und verläuft im Gegenstrom zum Wärmeträgermedium 23. FIG. 3 shows a detail view of the continuous-flow steam generator 3 according to the invention in section, which is divided into three sections 20, 21, 22 with respect to the flow guide. The first section 20 includes the feed water inlet 14 to Be ¬ beginning of the evaporation (economizer) and runs in countercurrent to the heat transfer medium 23. The second portion 21 comprises the beginning of the evaporation up to the end of the evaporation (evaporator) and extends in parallel flow to the heat transfer medium 23 The third section 22 comprises the end of the evaporation until to the outlet of the live steam 18 (superheater) and runs in countercurrent to the heat transfer medium 23rd
Je nach Eintrittsunterkühlung des Speisewassers 14 bzw. Über- hitzung des Frischdampfs 18 kann die Größe der Abschnitte 20 und 22 variieren. Im Extremfall können diese Abschnitte 20 und 22 auch entfallen. Depending on the inlet supercooling of the feed water 14 or overheating of the live steam 18, the size of the sections 20 and 22 may vary. In extreme cases, these sections 20 and 22 may also be omitted.

Claims

Solarthermischer Dampferzeuger (3) , insbesondere für eine solarthermische Kraftwerksanlage (1), durch den ein Wär¬ meträgermedium (23) in einer ersten Richtung führbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass Wärmetauscherrohre (16) in einem ersten Abschnitt (20) im Wesentlichen in einer Ge- genstromrichtung zur ersten Richtung und in einem zweiten Abschnitt (21) im Wesentlichen in einer Gleichstromrichtung zur ersten Richtung angeordnet sind. Solar Thermal steam generator (3), in particular for a solar thermal power plant (1) through which can be guided a Wär ¬ meträgermedium (23) in a first direction, characterized in that the heat exchanger tubes (16) in a first portion (20) substantially in a Countercurrent to the first direction and in a second portion (21) are arranged substantially in a direction DC to the first direction.
Solarthermischer Dampferzeuger (3) nach Anspruch 1, wobei die Wärmetauscherrohre (16) in einem dritten Abschnitt (22) im Wesentlichen in einer Gegenstromrichtung zur ersten Richtung angeordnet sind. Solar thermal steam generator (3) according to claim 1, wherein the heat exchanger tubes (16) in a third portion (22) are arranged substantially in a direction of counter-flow to the first direction.
Solarthermischer Dampferzeuger (3) nach Anspruch 2, wobei der erste Abschnitt (20) der Wärmetauscherrohre (16) ein Economizer ist. Solar thermal steam generator (3) according to claim 2, wherein the first portion (20) of the heat exchanger tubes (16) is an economizer.
Solarthermischer Dampferzeuger (3) nach Anspruch 2, wobei der zweite Abschnitt (21) der Wärmetauscherrohre (16) ein Verdampfer ist. Solar thermal steam generator (3) according to claim 2, wherein the second portion (21) of the heat exchanger tubes (16) is an evaporator.
Solarthermischer Dampferzeuger (3) nach Anspruch 2, wobei der dritte Abschnitt (22) der Wärmetauscherrohre (16) ein Überhitzer ist. Solar thermal steam generator (3) according to claim 2, wherein the third portion (22) of the heat exchanger tubes (16) is a superheater.
Solarthermischer Dampferzeuger (3) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Wärmeträgermedium (23) ein Thermoöl ist. Solar thermal steam generator (3) according to one of the preceding claims, wherein the heat transfer medium (23) is a thermal oil.
7. Solarthermischer Dampferzeuger (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Wärmeträgermedium (23) eine Salz¬ schmelze ist. 7. Solar thermal steam generator (3) according to one of claims 1 to 5, wherein the heat transfer medium (23) is a salt melt ¬ .
8. Verwendung des solarthermischen Dampferzeugers (3) nach einem der vorherigen Ansprüche als Zwangsdurchlaufdampf- erzeuger . 8. Use of the solar thermal steam generator (3) according to one of the preceding claims as a forced continuous steam generator.
9. Solarthermische Kraftwerksanlage (1) umfassend einen so¬ larthermischen Dampferzeuger (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 7. 9. Solar thermal power plant (1) comprising a so ¬ larthermischen steam generator (3) according to one of claims 1 to 7.
10. Solarthermische Kraftwerksanlage (1) nach Anspruch 9 um¬ fassend Parabolrinnen . 10. Solar thermal power plant (1) according to claim 9 um ¬ sums parabolic troughs.
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