WO2012028493A2 - Solarthermischer durchlaufverdampfer - Google Patents

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    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers

Definitions

  • the invention relates to a solar thermal continuous evaporator with evaporator tubes, which are connected with their inlet ends a an inlet header and with their outlet ends to an outlet collector.
  • Solar thermal power plants are therefore an alternative to conventional power generation.
  • solar thermal power plants are designed with parabolic trough collectors or Fres nel collectors.
  • Another option is the direct evaporation in so-called solar tower power plants
  • a solar thermal power plant with solar tower and direct evaporation consists of a solar field, the solar tower and a conventional power plant part in which the thermal energy of the water vapor is converted into electrical energy ⁇ .
  • the solar field consists of heliostats that focus their light on ei ⁇ nen housed in the tower absorbers.
  • the absorber consists of a heating area in which the inserted ⁇ radiated solar energy is used to heat supplied to feed water to evaporate and possibly also to overheat.
  • the generated steam is then expanded in a conventional power plant ball in a turbine, and then condensed to the absorber again to ⁇ .
  • the turbine drives a generator, which converts the me ⁇ chanic energy into electrical energy.
  • the heating of a number of evaporator tubes, which together form an evaporator heating surface leads to a complete evaporation of a flow medium in the evaporator tubes in one pass. Before it evaporates, the flow medium-usually water-can be fed to a preheater upstream of the evaporator heating surface, which is also referred to as an economizer, and preheated there.
  • the evaporator tubes In solar-heated through steam generators the evaporator tubes have at the outlet of the evaporator often large ⁇ SSE temperature differences, since different amounts of heat is transferred to the individual vapor ⁇ ferrohre the parallel pipe system. The causes of different amounts of heat transferred are due to the locally very different heat flux densities of the incident on the absorber bundled sunlight.
  • the solar energy input is limited by the size of the heliostat field. Part of the radiation is reflected by the absorber and is lost to the thermodynamic power plant process. These losses increase with the size of the heating surface. Therefore, for a given thermal performance compact absorbers with the smallest possible heating surface are desirable. This results in very high heat flux densities, generally higher heat flux densities, than in fossil-fired thermal power plants by concentrating the irradiated solar energy on small areas. Therefore, in the concept of direct evaporation in a solar tower power plant, the cooling of the absorber heating surface is of central importance. In order to minimize the size of the heating surface, the highest possible heat flow densities are to be increased. The upper limit of the permissible heat flow densities is determined by the pipe material and by the quality of the cooling mechanisms .
  • continuous steam generators are not subject to any pressure limitation, so that live steam pressures well above the critical pressure of water are possible. This high live steam pressure promotes a high thermodynamic efficiency of a power plant.
  • the pressure loss of the steam line acts like a throttle at the outlet of the system and is destabilizing.
  • the proportion of this pressure loss at the Ge ⁇ feldruckpar of the system is to minimize the occurrence of a stability Insta.
  • flow oscillations in evaporators only occur in systems having at least two forms of S, one phase being incompressible medium s in, i. in this case supercooled water.
  • the invention has for its object to design the evaporator tubes of a solar-heated through steam generator so that, despite a different heat receiving individual evaporator tubes and in spite of high heat flux densities, minimizes destabilized ⁇ sierende pressure losses and thereby resulting for the Ge ⁇ overall system instability is avoided.
  • this object is achieved for solar-heated by ⁇ running steam generator of the type mentioned in that a pressure equalization vessel is arranged in a suitable altitude of the evaporator heating.
  • the pressure equalization is effected in that a partial flow from the evaporator tubes via pressure equalizing tubes to the surge tank and another partial flow from the surge tank over pressure equalization vessel. flow equal tubes to the evaporator tubes.
  • a pressure equalization would have the
  • the position of the surge tank is set so that the flow between the manifold and the surge tank is dynamically stable at each operating point.
  • the height of the surge tank should be selected so that impermissible vibrations in the individual pipes are prevented and that the temperature imbalances on the outlet collector not get into an inadmissible area.
  • the height is chosen so that a mean vapor content in the pressure ⁇ balancing vessel , at the lowest load in continuous operation, greater than or equal to 20% and less than or equal to 80%.
  • FIG 3 shows a single evaporator tube with a connection to a pressure equalization vessel.
  • the solar tower power plant 1 comprises a solar tower 2, at the vertically upper end of which an absorber 3, for example in the form of an evaporator wall heating surface 6 (see FIG. 2), is arranged.
  • a heliostat 4 with a number of heliostats 5 is placed on the ground around the solar tower 2.
  • the heliostat 4 with the heliostat 5 is designed for focusing the direct solar radiation I s .
  • the individual heli ⁇ ostaten 5 are arranged and aligned so that the direct solar radiation I s from the sun in the form of concentrated
  • Solar radiation I c is focused on the absorber 3.
  • the solar radiation is thus concentrated by a field individually tracked mirror, the heliostat 5, on the top of the solar tower 2.
  • an absorber 3 for example an Ver ⁇ dampferwandsammlung 6
  • the heat umwan ⁇ delt and to a heat transfer medium, for example water, which emits radiation I c, which supplies the heat to a conventional power station process with a steam turbine.
  • a solar thermal continuous evaporator 7 is shown, as it is in an advantageous embodiment as evaporator wall heating surface 6 is integrated in the absorber 3 of the solar tower power plant 1 of FIG 1.
  • Concentrated solar radiation I c is focused on a plurality of heat-transmitting tubes, the so-called evaporator tubes 8.
  • the evaporator tubes 8 are the inlet side connected to the evaporator inlet 9 with a manifold 10 fluidically. At the evaporator outlet 11, the evaporator tubes 8 with a collector 12 ver ⁇ connected.
  • the evaporator tubes are heated 8 by the concentrated solar radiation ⁇ I c, wherein the evaporator tubes 8 Wär ⁇ me of a flow medium, for example water proposed.
  • the flow medium is thereby directly evaporated in the evaporator tubes 8 by the concentrated solar radiation I c .
  • the evaporated water leaves as useful vapor evaporator outlet 11 and can be used in a non-illustrated conventional power plant part for relaxation in a steam turbine.
  • At the evaporator inlet 9 enters cold flow medium, in particular cold water, in the manifold 10 and is ver ⁇ divides the plurality of the evaporator tubes.
  • the solar thermal continuous evaporator 7 In the operation of the solar thermal continuous evaporator 7, it is particularly critical depending on the available heat supply of the primary solar radiation always exactly the required feedwater mass flow through the absorber 3, respectively the Verdampferwandsammlung configuration 6, to provide the required or desired fluid state at the evaporator outlet 11 during unsteady processes, in particular to ensure cloud passage through the heliostat 4.
  • the available at the evaporator outlet 11 water / steam mixture can optionally be delivered with appropriate overheating in another heating surface, not shown as live steam with a live steam temperature of the steam turbine, not shown for generating electrical energy.
  • FIG 3 shows a single evaporator tube 8 with a terminal of a pressure balance tube 14 to a Druckaus ⁇ same tube 13.
  • the connection of the pressure equalization tube ⁇ be found at the location H, and goes with his Austrittsen- de directly into the inlet end of the evaporator tube 8 via.
  • the pressure equalizing pipe 14 is connected to a pressure equalizing vessel 13. From each evaporator tube 8 branches off in each case from a pressure equalization pipe 14.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen solarthermischen Durchlaufverdampfer (7), bestehend aus einer Anzahl an Verdampferrohren (8), die mit ihren Eintrittsenden an einen Verteiler (10) und mit ihren Austrittsenden an einen Sammler (12) angeschlossen sind. Von jedem Verdampferrohr (8) zweigt dabei in gleicher Höhe (H) ein Druckausgleichsrohr (14) ab, welches mit einem Druckausgleichsgefäß (13) verbunden ist. Dadurch strömt ein Teilstrom von den Verdampferrohren (8) über die Druckausgleichsrohre (14) zum Druckausgleichsgefäß (13) und ein anderer Teilstrom vom Druckausgleichsgefäß (13) über die Druckausgleichsrohre (14) zu den Verdampferrohren (8).

Description

Beschreibung
Solarthermischer Durchlauf erdampfer
Die Erfindung betrifft einen solarthermischen DurchlaufVerdampfer mit Verdampferrohren, die mit ihren Eintrittsenden a einen Eintrittssammler und mit ihren Austrittsenden an einen Austrittssammler angeschlossen sind.
Dem stetig steigenden Energiebedarf und dem Klimawandel muss mit dem Einsatz von nachhaltigen Energieträgern entgegen getreten werden. Sonnenenergie ist solch ein nachhaltiger Ener gieträger. Sie ist klimaschonend, in unerschöpflichem Maße vorhanden und stellt keine Belastung für nachkommende Genera tionen dar.
Solarthermische Kraftwerke stellen deshalb eine Alternative zur herkömmlichen Stromerzeugung dar. Zurzeit werden solarthermische Kraftwerke mit Parabolrinnenkollektoren oder Fres nel-Kollektoren ausgeführt. Eine weitere Option stellt die direkte Verdampfung in sogenannten Solarturm Kraftwerken dar
Ein solarthermisches Kraftwerk mit Solarturm und direkter Verdampfung besteht aus einem Solarfeld, dem Solar-Turm und aus einem konventionellen Kraftwerksteil, in dem die thermische Energie des Wasserdampfes in elektrische Energie umge¬ wandelt wird.
Das Solarfeld besteht aus Heliostaten, die ihr Licht auf ei¬ nen in dem Turm untergebrachten Absorber konzentrieren. Der Absorber besteht aus einer Heizfläche, in der die einge¬ strahlte Sonnenenergie dazu genutzt wird, um zugeführtes Speisewasser zu erwärmen, zu verdampfen und gegebenenfalls auch zu überhitzen. Der erzeugte Dampf wird anschließend in einem konventionellen Kraftwerkssteil in einer Turbine entspannt, anschließend kondensiert und dem Absorber wieder zu¬ geführt. Die Turbine treibt einen Generator an, der die me¬ chanische Energie in elektrische Energie wandelt. In einem solarbeheizten Durchlaufdampferzeuger führt die Beheizung einer Anzahl von Verdampferrohren, die zusammen eine Verdampferheizflache bilden, zu einer vollständigen Verdampfung eines Strömungsmediums in den Verdampferrohren in einem Durchgang. Das Strömungsmedium - üblicherweise Wasser - kann vor seiner Verdampfung einem der Verdampferheizflache strö- mungsmediumsseitig vorgeschalteten Vorwärmer, üblicherweise auch als Economizer bezeichnet, zugeführt und dort vorgewärmt werden .
Bei solarbeheizten Durchlaufdampferzeugern weisen die Verdampferrohre am Austritt der Verdampferheizfläche häufig gro¬ ße Temperaturunterschiede auf, da an die einzelnen Verdamp¬ ferrohre des Parallelrohrsystems unterschiedlich viel Wärme übertragen wird. Die Ursachen der unterschiedlich großen übertragenen Wärmemengen liegen an den örtlich stark unterschiedlichen Wärmestromdichten des auf den Absorber einfallenden gebündelten Sonnenlichts.
Zudem ist in einem Solarturm-Kraftwerk die eingebrachte Sonnenenergie durch die Größe des Heliostatenfeldes begrenzt. Ein Teil der Einstrahlung wird vom Absorber reflektiert und ist für den thermodynamischen Kraftwerkprozess verloren. Diese Verluste wachsen mit der Größe der Heizfläche. Deshalb sind bei gegebener thermischer Leistung kompakte Absorber mit möglichst kleiner Heizfläche anzustreben. Dies führt durch die Konzentrierung der eingestrahlten Sonnenenergie auf kleine Flächen zu sehr hohen Wärmestromdichten, im Allgemeinen höheren Wärmestromdichten als in fossil befeuerten thermischen Kraftwerken. Deshalb ist bei dem Konzept der Direktverdampfung in einem Solarturm-Kraftwerk die Kühlung der Absor- ber-heizfläche von zentraler Bedeutung. Zur Minimierung der Heizflächengröße ist auf größtmögliche Wärmestromdichten aus¬ zulegen . Die Obergrenze der zulässigen Wärmestromdichten wird durch das Rohrmaterial und durch die Qualität der Kühlungsmechanis¬ men bestimmt.
Im Gegensatz zu einem Natur- oder Zwangumlaufdampferzeuger unterliegen Durchlaufdampferzeuger keiner Druckbegrenzung, so dass Frischdampfdrücke weit über dem kritischen Druck von Wasser möglich sind. Dieser hohe Frischdampfdruck begünstigt einen hohen thermodynamischen Wirkungsgrad eines Kraftwerks.
Bei vorliegender Zweiphasenströmung wirkt der Druckverlust der Dampfstrecke wie eine Drossel am Austritt des Systems und ist destabilisierend. Der Anteil dieses Druckverlustes am Ge¬ samtdruckverlust des Systems ist beim Auftreten einer Insta- bilität zu minimieren.
Weiterhin treten Strömungsoszi lationen in Verdampfern nur in Systemen mit mindestens zwei S römungsformen auf, wobei eine Phase inkompressibles Medium s in muss, d.h. in diesem Fall unterkühltes Wasser.
Oben beschriebene Instabilität haben in konventionellen Kraftwerken in der Vergangenhe zu Schäden geführt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Verdampferrohre eines solarbeheizten Durchlaufdampferzeugers so zu gestalten, dass trotz einer unterschiedlicher Wärmeaufnahme einzelner Verdampferrohre und trotz hoher Wärmestromdichten, destabili¬ sierende Druckverluste minimiert und dadurch eine für das Ge¬ samtsystem entstehende Instabilität vermieden wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe für solarbeheizte Durch¬ laufdampferzeuger der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass ein Druckausgleichsgefäß in einer geeigneten Höhenlage der Verdampferheizfläche angeordnet ist. Der Druckausgleich wird dadurch bewirkt, dass ein Teilstrom von den Verdampferrohren über Druckausgleichsrohre zum Druckausgleichsgefäß und ein anderer Teilstrom vom Druckausgleichsgefäß über Druckaus- gleichsrohre zu den Verdampferrohren strömen. Wenn im Falle eines fehlenden Druckausgleichs die Strömung in einzelnen Rohren schwingt, so schwankt auch der Druck im Rohr perio¬ disch. Dies wird durch einen Druckausgleich an geeigneter Position verhindert. Mit einem Druckausgleich müssten die
Schwingungen an der Stelle des Druckausgleichs phasengleich sein, d.h. es müsste eine Schwingung des Gesamtmassenstroms vorliegen. Dieser Gesamtmassenstrom ist jedoch konstant aufgeprägt und ist deswegen schwingungsfrei.
Die Position des Druckausgleichsgefäßes wird so festgelegt, dass die Strömung zwischen Verteiler und Druckausgleichsgefäß in jedem Betriebspunkt dynamisch stabil ist.
Da bei dieser strömungstechnischen Auslegung alle Parallelrohre bei unterschiedlicher Beheizung zwar unterschiedliche Durchsätze, jedoch annähernd gleiche Dampfgehalte (bei Nass¬ dampf) bzw. Temperaturen (bei überhitztem Dampf) aufweisen, ist ein Durchsatz des gesamten Massenstromes durch einen Durchgangssammler nicht erforderlich. Ein Durchsatz des gesamten Massenstromes durch einen Durchgangssammler wäre sogar nachteilig, weil dabei wieder die Gefahr der Entmischung ei¬ nes Wasser-Dampfgemisches bestünde. Es ist deshalb nur ein Druckausgleichsgefäß vorgesehen, das lediglich von einem Teil des gesamten NassdampfStromes durchströmt wird. Dieser sich einstellende Teilstrom bewirkt eine Vergleichmäßigung der Strömungsverteilung und eine dem Beheizungsprofil angepasste Strömungsverteilung in den Parallelrohren zwischen dem Eintrittssammler und den abgehenden Druckausgleichsrohren zum Druckausgleichsgefäß. Die Gefahr der Entmischung des Nass¬ dampfes in Wasser und Dampf besteht nicht, sodass alle Ver¬ dampferrohre am oberen Ende der Rohrwände annähernd gleiche Temperatur besitzen und Schäden wegen Wärmespannungen nicht auftreten können.
Die Höhe des Druckausgleichsgefäßes ist so zu wählen, dass unzulässige Schwingungen in den einzelnen Rohren unterbunden werden und dass die Temperaturschieflagen am Austrittssammler nicht in einen unzulässigen Bereich geraten. Vorteilhaft wird die Höhe so gewählt, dass ein mittlerer Dampfgehalt im Druck¬ ausgleichsgefäß, bei der geringsten Last im Durchlaufbetrieb, größer oder gleich 20% und kleiner oder gleich 80% ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer
Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt
FIG 1 ein Solarturm-Kraftwerk,
FIG 2 einen solarthermischen Durchlauf erdampfer,
FIG 3 ein einzelnes Verdampferrohr mit einem Anschluss an ein Druckausgleichsgefäß.
FIG 1 zeigt ein Solarturm-Kraftwerk 1. Das Solarturm- Kraftwerk 1 umfasst einen Solarturm 2, an dessen vertikal oberem Ende ein Absorber 3 beispielsweise in Form einer Verdampferwandheizfläche 6 (siehe FIG 2) angeordnet ist. Ein He- liostatenfeld 4 mit einer Anzahl von Heliostaten 5 ist am Boden um den Solarturm 2 herum platziert. Das Heliostatenfeld 4 mit den Heliostaten 5 ist für eine Fokussierung der direkten Solarstrahlung Is ausgelegt. Dabei sind die einzelnen Heli¬ ostaten 5 so angeordnet und ausgerichtet, dass die direkte Solarstrahlung Is von der Sonne in Form von konzentrierter
Solarstrahlung Ic auf den Absorber 3 fokussiert wird. Bei dem Solarturm-Kraftwerk 1 wird somit die Sonnenstrahlung durch ein Feld einzeln nachgeführter Spiegel, den Heliostaten 5, auf die Spitze des Solarturmes 2 konzentriert. In der Turm- spitze befindet sich ein Absorber 3, beispielsweise eine Ver¬ dampferwandheizfläche 6, die die Strahlung Ic in Wärme umwan¬ delt und an ein Wärmeträgermedium, beispielsweise Wasser, abgibt, das die Wärme einem konventionellen Kraftwerksprozess mit einer Dampfturbine zuführt.
In FIG 2 ist ein solarthermischer Durchlaufverdampfer 7 dargestellt, wie er in vorteilhafter Ausführung als Verdampfer- wandheizfläche 6 in den Absorber 3 des Solarturmkraftwerks 1 der FIG 1 integriert ist. Konzentrierte Solarstrahlung Ic trifft fokussiert auf eine Vielzahl von Wärmeübertragenden Rohren, die so genannten Verdampferrohre 8. Die Verdampferrohre 8 sind eingangsseitig am Verdampfereintritt 9 mit einem Verteiler 10 strömungstechnisch verbunden. Am Verdampferaustritt 11 sind die Verdampferrohre 8 mit einem Sammler 12 ver¬ bunden. Im Betrieb des solarthermischen Durchlaufverdampfers 7 werden die Verdampferrohre 8 durch die konzentrierte Solar¬ strahlung Ic aufgeheizt, wobei die Verdampferrohre 8 die Wär¬ me an ein Strömungsmedium, beispielsweise Wasser, abgeben. Das Strömungsmedium wird dabei in den Verdampferrohren 8 durch die konzentrierte Solarstrahlung Ic direkt verdampft. Das verdampfte Wasser verlässt als Nutzdampf den Verdampferaustritt 11 und kann in einem nicht näher dargestellten konventionellen Kraftwerksteil zur Entspannung in einer Dampfturbine benutzt werden. Am Verdampfereintritt 9 tritt kaltes Strömungsmedium, insbesondere kaltes Wasser, in den Verteiler 10 ein und wird auf die Vielzahl der Verdampferrohre 8 ver¬ teilt. Im Betrieb des solarthermischen Durchlaufverdampfers 7 ist es besonders kritisch in Abhängigkeit des vorhandenen Wärmeangebots der primären Solarstrahlung immer genau den erforderlichen Speisewassermassenstrom durch den Absorber 3, respektive die Verdampferwandheizfläche 6, zur Verfügung zu stellen, um den geforderten bzw. gewünschten Fluidzustand am Verdampferaustritt 11 auch während instationärer Vorgänge, insbesondere bei Wolkendurchzug durch das Heliostatenfeld 4 zu gewährleisten. Das am Verdampferaustritt 11 zur Verfügung stehende Wasser-/Dampfgemisch kann bei entsprechender Überhitzung gegebenenfalls in einer weiteren nicht dargestellten Heizfläche als Frischdampf mit einer Frischdampftemperatur der nicht näher dargestellten Dampfturbine zur Erzeugung von elektrischer Energie zugestellt werden.
FIG 3 zeigt ein einzelnes Verdampferrohr 8 mit einem An- schluss eines Druckausgleichsrohres 14 an ein Druckaus¬ gleichsgefäß 13. Der Anschluss des Druckausgleichsrohres be¬ findet sich an der Stelle H, und geht mit seinem Austrittsen- de direkt in das Eintrittsende des Verdampferrohres 8 über. Das Druckausgleichsrohr 14 ist an ein Druckausgleichsgefäß 13 angeschlossen. Von jedem Verdampferrohr 8 zweigt jeweils ein Druckausgleichsrohr 14 ab.

Claims

Patentansprüche
1. Solarthermischer Durchlauf erdampfer (7), umfassend eine Anzahl an Verdampferrohren (8), die mit ihren Eintrittsenden an einen Verteiler (10) und mit ihren Austrittsenden an einen Sammler (12) angeschlossen sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass von jedem Verdampferrohr (8) in gleicher Höhe (H) ein Druckausgleichsrohr (14) abzweigt, das mit einem Druckaus- gleichsgefäß (13) verbunden ist, so dass durch einen Teil der Druckausgleichsrohre (14) ein Teilstrom von den Verdampferrohren (8) zum Druckausgleichsgefäß (13) strömt und durch ei¬ nen anderen Teil der Druckausgleichsrohre (14) ein Teilstrom vom Druckausgleichsgefäß (13) zu den Verdampferrohren (8) strömt.
2. Solarthermischer Durchlaufverdampfer (7) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (H) so gewählt wird, dass ein mittlerer Dampfgehalt im Druckausgleichsgefäß (13) größer oder gleich 20% und kleiner oder gleich 80% erzielt ist .
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