WO2011091885A2 - Vermeidung statischer und dynamischer instabilitäten in zwangdurchlauf-dampferzeugern in solarthermischen anlagen durch aufweitung der heizflächenrohre - Google Patents

Vermeidung statischer und dynamischer instabilitäten in zwangdurchlauf-dampferzeugern in solarthermischen anlagen durch aufweitung der heizflächenrohre Download PDF

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Joachim Franke
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    • F22B1/00—Methods of steam generation characterised by form of heating method
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • 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
    • F22B37/12—Forms of water tubes, e.g. of varying cross-section

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.
  • Solar thermal power plants represent an alternative to conventional power generation. Solar thermal power plants with parabolic trough collectors and indirect evaporation are currently being implemented.
  • 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.
  • a flow cross-section of the Heat exchanger tubes increases against a flow direction of the heat exchange medium.
  • the achieved reduction of the friction pressure loss of the two-phase flow or the steam flow has a stabilizing effect on the flow.
  • the increase in the flow cross-section is achieved by reducing the tube wall thickness of the heat exchanger tubes.
  • the increase in the flow cross section can be achieved by increasing an internal cross section of the heat exchanger tubes.
  • the heat transfer medium is a thermal oil or a molten salt.
  • solar thermal steam generator is used according to the invention as Zwangs Bristol- steam generator.
  • a solar thermal power plant advantageously comprises such a steam generator.
  • Power plant parabolic troughs includes.
  • 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 above-mentioned pressure loss in the outlet region of the evaporator is minimized.
  • FIG. 2 shows a forced-circulation steam generator
  • FIG. 1 shows schematically and by way of example the structure of egg ⁇ ner a water-steam circuit of a solar thermal power plant 1 according to the prior art.
  • the solar thermal power plant 1 comprises a not shown in Figure 1.
  • ⁇ larfeld in which concentrates the solar radiation and is converted into Wär ⁇ meenergy.
  • the solar panel may include parabolic trough collectors or Fresnel collectors.
  • Concentrated solar radiation is delivered to a heat transfer medium, for example thermal oil, having egg ⁇ NEN substantially higher boiling point relative to water so that temperature ⁇ temperatures can be reached from 300-400 ° C.
  • the heat transfer medium is transported to the solar thermal steam generator 3, in which a working medium, such as water, heated, evaporated and the steam generated is superheated, wherein the heat transfer medium cools again.
  • a working medium such as water, heated, evaporated and the steam generated is superheated
  • 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 20 at the upper end of a pressure-tight container 12 and an outlet 13 for the cooled heat transfer medium 21 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.
  • a flow cross-section of the heat exchanger tubes 16 now increases counter to a flow direction of the heat exchanger medium 20, 21.
  • Arrow 22 shows the direction of increase in the flow area.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen solarthermischen Dampferzeuger (3), insbesondere für eine solarthermische Kraftwerksanlage (1), durch den ein Wärmeträgermedium (20, 21) führbar ist, umfassend Wärmetauscherrohre (16), wobei ein Strömungsquerschnitt der Wärmetauscherrohre (16) entgegen einer Strömungsrichtung des Wärmetauschermediums (20, 21) zunimmt.

Description

Beschreibung
Vermeidung statischer und dynamischer Instabilitäten in
Zwangdurchlauf-Dampferzeugern in solarthermischen Anlagen durch Aufweitung der Heizflächenrohre
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 Ver- dampfung 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 bei einem solarthermischen Dampferzeuger, insbesondere für eine solarthermische Kraft¬ werksanlage, durch den ein Wärmeträgermedium führbar ist und der Wärmetauscherrohre umfasst, ein Strömungsquerschnitt der Wärmetauscherrohre entgegen einer Strömungsrichtung des Wärmetauschermediums zunimmt.
Die erzielte Verringerung des Reibungsdruckverlustes der Zweiphasenströmung bzw. der DampfStrömung wirkt sich stabilisierend auf die Strömung aus.
Vorteilhafter Weise wird die Zunahme des Strömungsquerschnitts durch eine Rohrwandstärkenreduzierung der Wärmetauscherrohre erreicht.
Alternativ kann die Zunahme des Strömungsquerschnitts durch eine Vergrößerung eines Innenquerschnitts der Wärmetauscherrohre erreicht werden.
Zweckmäßiger Weise ist das Wärmeträgermedium ein Thermoöl oder eine Salzschmelze.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird der solarthermischen Dampferzeuger nach der Erfindung als Zwangsdurchlauf- dampferzeuger verwendet.
Eine solarthermische Kraftwerksanlage umfasst vorteilhafter Weise einen solchen Dampferzeuger.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn eine solarthermische
Kraftwerksanlage Parabolrinnen umfasst.
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 o.g. Druckverlust im Austrittsbereich des Verdampfers minimiert. Bei richtiger Wahl der Lage der Strömungsquerschnittsverhältnisse im Dampferzeuger können so statische und dynamische Instabilitäten sicher vermieden werden . Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich:
Figur 1 einen Wasser-Dampf-Kreislauf eines solarthermisches
Kraftwerks und
Figur 2 einen Zwangsdurchlaufdampferzeuger .
Die Figur 1 zeigt schematisch und beispielhaft den Aufbau ei¬ ner eines Wasser-Dampf-Kreislaufs eines solarthermischen Kraftwerks 1 nach dem Stand der Technik. Die solarthermische Kraftwerksanlage 1 umfasst ein in Figur 1 nicht gezeigtes So¬ larfeld, in dem die Sonnenstrahlung konzentriert und in Wär¬ meenergie umgewandelt wird. Das Solarfeld kann beispielsweise Parabolrinnenkollektoren oder Fresnel-Kollektoren aufweisen. Konzentrierte Sonnenstrahlung wird an ein Wärmeträgermedium, beispielsweise Thermoöl, abgegeben, das gegenüber Wasser ei¬ nen wesentlich höheren Siedepunkt aufweist, so dass Tempera¬ turen 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 solarthermischen Dampferzeuger 3 mit einem Einlass 11 für das heiße Wärmeträgermedium 20 am oberen Ende eines druckdichten Behälters 12 und einem Auslass 13 für das abgekühlte Wärmeträgermedium 21 am unteren Ende des Behälters 12.
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 .
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.
Gemäß der Erfindung nimmt nun ein Strömungsquerschnitt der Wärmetauscherrohre 16 entgegen einer Strömungsrichtung des Wärmetauschermediums 20,21 zu. Pfeil 22 zeigt die Richtung der Zunahme des Strömungsquerschnitts.

Claims

Patentansprüche
1. Solarthermischer Dampferzeuger (3), insbesondere für eine solarthermische Kraftwerksanlage (1), durch den ein Wär¬ meträgermedium (20,21) führbar ist, umfassend Wärmetauscherrohre (16), dadurch gekennzeichnet, dass ein Strö¬ mungsquerschnitt der Wärmetauscherrohre (16) entgegen ei¬ ner Strömungsrichtung des Wärmetauschermediums (20,21) zunimmt .
2. Solarthermischer Dampferzeuger (3) nach Anspruch 1, wobei die Zunahme des Strömungsquerschnitts durch eine Rohr¬ wandstärkenreduzierung der Wärmetauscherrohre (16) erreicht wird.
3. Solarthermischer Dampferzeuger (3) nach Anspruch 1, wobei die Zunahme des Strömungsquerschnitts durch eine Vergrö¬ ßerung eines Innenquerschnitts der Wärmetauscherrohre (16) erreicht wird.
4. Solarthermischer Dampferzeuger (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Wärmeträgermedium (20,21) ein Thermoöl ist.
5. Solarthermischer Dampferzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Wärmeträgermedium (20,21) eine Salzschmelze ist.
6. Verwendung des solarthermischen Dampferzeugers (3) nach einem der vorherigen Ansprüche als Zwangsdurchlaufdampf- erzeuger .
7. Solarthermische Kraftwerksanlage (1) umfassend einen so- larthermischenDampferzeuger (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
8. Solarthermische Kraftwerksanlage (1) nach Anspruch 7 um¬ fassend Parabolrinnen .
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