WO2012028502A2 - Solar-thermal continuous flow steam generator comprising a steam separator and star distributor which is connected downstream for solar tower power stations with direct evaporation - Google Patents

Solar-thermal continuous flow steam generator comprising a steam separator and star distributor which is connected downstream for solar tower power stations with direct evaporation Download PDF

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WO2012028502A2
WO2012028502A2 PCT/EP2011/064518 EP2011064518W WO2012028502A2 WO 2012028502 A2 WO2012028502 A2 WO 2012028502A2 EP 2011064518 W EP2011064518 W EP 2011064518W WO 2012028502 A2 WO2012028502 A2 WO 2012028502A2
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steam generator
tubes
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steam
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Jan BRÜCKNER
Martin Effert
Joachim Franke
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Siemens Aktiengesellschaft
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Publication date
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    • F22BMETHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
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    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40Solar thermal energy, e.g. solar towers

Definitions

  • the invention relates to a solar thermal steam generator, in particular for a solar tower power plant, with a Wasserabscheidesystem and the Wasserabscheidesystem flow medium side upstream evaporator tubes and the Wasserabscheidesystem downstream side superheater tubes, wherein the Wasserabscheidesystem comprises a number of Wasserabscheide instituten, each of the Wasserab ⁇ sheath elements one with the respectively upstream Ver ⁇ steamer tubes connected inflow pipe piece includes, seen in its longitudinal direction merges into a Wasserableitrohr yoga, wherein in the transition region a number of Abströmrohr structurien branches, which are connected to an inlet header of the respective downstream superheater tubes, and wherein the steam side between the respective Wasserabscheideele ⁇ ment and the inlet collector a Distributor element is arranged.
  • solar thermal power plants are one of the SUST ⁇ term alternatives to conventional power generation.
  • solar thermal power plants were lectors with Parabolrinnenkol- or executed Fresnel collectors.
  • Another option is 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, a solar tower and a conventional power plant part. in which the thermal energy of the water vapor is converted into electrical ⁇ specific energy.
  • the solar field consists of heliostats that focus the Clarstrah ⁇ Assembly at one housed in the solar tower absorbers.
  • the absorber consists of a heating surface in which the irradiated solar energy is used to heat supplied feed water, to evaporate and possibly also to overheat.
  • the generated steam is then expanded in a conventional power plant part in a turbine, optionally reheated and then condensed and fed back to the absorber.
  • the turbine drives a generator, which converts the mechanical energy into electrical energy.
  • 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. By concentrating the incident solar energy on small areas, this leads to very high heat flux densities, generally higher heat flux densities than in fossil-fired thermal power plants. Therefore, with the concept of direct evaporation in a solar tower power plant, the cooling of the absorber heating surface is of central importance. To minimize the Schuviducc is be interpreted ⁇ gen on maximum heat flux densities. The upper limit of the allowable heat flux is determined by the pipe material and the quality ofméungsme ⁇ mechanisms.
  • the invention is therefore based on the object to provide a solar thermal ⁇ steam generator of the type mentioned above for maximum heat flow. Furthermore, a correspondingly improved solar tower power plant with high thermodynamic efficiency is to be specified. This object is achieved by the features of claim 1.
  • thermal power plants are operated at high (ia supercritical) pressures.
  • the evaporator must be designed as Autoterrorismlitis because they are subject to no pressure limit, in contrast to a natural or forced circulation steam generator, so that live steam pressures far above the critical pressure of water are possible. This high live steam pressure promotes a high thermodynamic efficiency of a power plant.
  • such a continuous steam generator is usually operated with a minimum flow of flow medium in the evaporator tubes in order to ensure reliable cooling of the evaporator tubes.
  • the pure mass flow through the evaporator usually no longer suffices for cooling the evaporator tubes, so that an additional throughput of flow medium is superimposed on the passage of flow medium through the evaporator in circulation.
  • ⁇ ne minimum flow of fluid in the evaporator tubes is thus not completely evaporated during startup or low load operation in the evaporator tubes, so that at ei ⁇ ner such operating mode at the end of the evaporator tubes still unvaporized flow medium, in particular a water-steam mixture available is.
  • the evaporator tubes of the continuous steam generator after ⁇ connected superheater tubes are usually designed for a flow unevaporated flow medium
  • continuous steam generators are usually designed so that even when starting and in low load operation, a water ingress into the superheater tubes is safely avoided.
  • the evaporator tubes are usually connected to the nachge ⁇ switched superheater tubes via a Wasserabscheidesystem.
  • the water separator causes a separation emerging from the evaporation ⁇ ferromagnetic lead at start or in low-load operation of water-steam mixture into water and steam.
  • the steam is fed to the downstream of the water separator reheater tubes, whereas the separated water can can be fed to the evaporator tubes or discharged via an expander, for example, via a circulating pump as ⁇ .
  • the o.g. Water separation can be achieved, for example, by so-called cyclone separators.
  • Cyclone separators are relatively large, thick-walled components.
  • the water separation system may include a plurality of water separation elements integrated directly into the tubes.
  • each may in particular the parallel ge ⁇ switched evaporator tubes a Wasserabscheideelement conces- be classified.
  • the Wasserabscheideieri may alternatively be designed as so-called T-piece Wasserabscheideetic to the above cyclone separators.
  • Each T-piece Wasserabscheideelement each case includes an associated with the vor ⁇ connected evaporator tube Einströmrohr yoga, which is seen in its longitudinal direction merges into a Wasserableitrohr voting, wherein in the transition region branches off a connected to the downstream superheater tube Abströmrohr collage.
  • the T-piece Wasserabscheideelement for inertial separation of the flowing from the upstream evaporator tube in the Einströmrohr sunny water-steam mixture is designed. Because of its comparatively higher inertia flows namely ⁇ place preferably in the axial extension of the Einströmrohr matterss further and thus enters the Wasserableitrohr mosaic and from there further into a normally be castle ⁇ NEN collecting the water content of the flowing in a ⁇ strömrohr fabrics flow medium at the transition.
  • the transfer of flow medium to the superheater tubes is not limited to vapor By design, in addition, but can now also be a water-steam Ge ⁇ mixing continued at the superheater tubes by the Wasserabscheideieri be fed.
  • the evaporation end point may be required, informverschoben in the superheater tubes hi ⁇ .
  • the live steam temperature can be controlled in comparatively large limits by influencing the feedwater quantity.
  • the invention proceeds from the consideration that by the distributed water separation that occurs in the above-beschrie ⁇ surrounded construction separately in each of the parallel connected evaporator tubes, can result in a relatively large number of tee-Wasserabscheideijnn to design problems in the industrial application , Due to the space problems that may bring with it the need to accommodate such a large number of water separation elements, such a construction due to the high design effort associated with it also considerable ⁇ cost and bring limitations of the geometric parameters of the continuous steam generator with it.
  • a reduction of the design effort of the continuous steam generator could be achieved by a simpler design of the water separation system.
  • the number of Wasserabscheideieri used can be reduced.
  • the basic design in the form of T-piece water separation elements should be maintained.
  • the combination of the two aforementioned concepts can be achieved by a collection of the flow medium from a plurality of evaporator tubes in each case a Wasserabscheideelement.
  • the geometric parameters of a number of outlet pipes are chosen such that a homogeneous flow distribution is ensured on the inlet header of the respectively downstream superheater pipes.
  • a homogeneous entry is already achieved in the inlet header, which accordingly continues in the nachgeschalte ⁇ th superheater tubes.
  • the output pipes may have, for example the same diameter and be guided in gleichze ⁇ lar intervals parallel to one another in the inlet header.
  • the distributor element is designed as a star distributor, ie it comprises a baffle plate, an inlet tube arranged perpendicular to the baffle plate and a number of outlet tubes arranged in a star shape around the baffle plate in its plane.
  • the inflowing water impinges on the baffle plate and is distributed in a symmetrical manner perpendicular to the inflow direction and gelei ⁇ tet in the output tubes.
  • the baffle plate is circular in a particularly advantageous Ausges ⁇ tion and the output tubes arranged concentrically to the center of the baffle plate at equal intervals to the respective adjacent outlet tubes. In this way, a particularly homogeneous distribution is ensured on the various output ⁇ pipes.
  • the solar thermal steam generator is integrated in a particularly advantageous embodiment with its Verdampfersammlungflache in a solar tower power plant and directly to steam generation by focused solar radiation acted upon.
  • the advantages achieved by the invention are in particular that a uniform distribution of the flow medium is achieved on the superheater tubes even at a much ge ⁇ ringeren number of Wasserabscheideijnn by the vapor-side arrangement of an additional distribution element between the respective Wasserabscheideelement and the inlet header of the superheater.
  • the homogeneous temperature distribution over the downstream superheater tubes leads to significantly lower mechanical loads as a result of different thermal expansion of the individual superheater tubes.
  • the Temperaturtran- the superheater outlet header can be redu ⁇ sheet to a minimum SIENT, resulting in a shortening of the startup time.
  • FIG. 4 shows a vapor separator with downstream star distributor for forced flow steam generators in solar tower power plants with direct evaporation.
  • the solar tower power plant 1 comprises a solar tower 2, at the vertically upper end of an absorber 3 is arranged.
  • a heliostat 4 with a number of heliostats 5 is on the ground at de Solar Tower 2 placed around.
  • the heliostat 4 with the heliostat 5 is designed for focusing the direct solar radiation 6.
  • the individual heliostats 5 are arranged and aligned such that the direct solar radiation 6 is focused by the sun in the form of concentrated solar radiation 7 onto 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.
  • the absorber 3 converts the radiation into heat and returns it to a townenvironme ⁇ dium, for example water, from which supplies the heat to a conven tional ⁇ power station process with a steam turbine.
  • an evaporator 8 of a known solar thermal see circulation steam generator 9 with direct evaporation Darge ⁇ represents, which is integrated as an absorber 3 in the solar tower 2 of FIG 1.
  • a feedwater pump 16 is connected in the feedwater pipe 15, a feedwater pump 16 is connected.
  • a circulation pump 20 is connected in the downpipe 18, a circulation pump 20 is connected.
  • the downpipe 18 opens into the inlet manifold 11.
  • the circulation pump sucks 20 boiler water from the drum 14 and pushes it into the inlet manifold 11.
  • the boiler ⁇ water is distributed to the plurality of heat-transmitting tubes 10.
  • the evaporator 8 is divided into parallel Schuflä- chenrohre.
  • the heat-transferring tubes 10 are heated by the concentrated solar radiation 8, wherein the heat-transferring tubes 10 deliver the heat to the boiler water.
  • the resulting steam / water mixture is over the Outflow collector 12 and the overflow pipes 13 are guided into the unheated drum 14 and separated there into saturated dry steam as far as possible and into the circulating water flowing back to the evaporator 8.
  • the feed water supply is controlled so that the water level in the drum 14 remains constant.
  • the saturated steam leaves the drum 14 via the steam line 17 and can be overheated in a further heating surface and then delivered as live steam of a steam turbine not shown for generating electrical energy.
  • FIG. 3 shows the principle of a solar thermal cycling ⁇ steam generator 21, wherein the force of the flow of the water / steam flow through the evaporator of a feed pump sixteenth
  • the feed water is conveyed by the feed pump 16 into the inlet manifold 11 and successively the evaporator 8 and the superheater 22 are flowed through (in solar thermal power plants typically eliminates a feedwater pre-heater).
  • the heating of the feed water to the saturated steam temperature, the evaporation and overheating take place continuously in one pass, so that no drum is needed.
  • a Wasserabscheidesystem 23 is provided for the circulation process when starting the system.
  • FIG. 4 shows the water separation system 23 to which the flow medium vaporized in the steam generator tubes is supplied.
  • Wasserabscheidesystem 23 not yet evaporated water is collected and removed. This is necessary in particular in the on ⁇ driving operation, if for safe cooling of the evaporator tubes, a larger amount of flow medium must be pumped, as can be evaporated in an evaporator tube run.
  • the generated steam is optionally distributed to the superheater tubes.
  • the Wasserabscheidesystem 23 comprises a number of T-piece Wasserabscheide instituten 24.
  • a number of evaporator tubes opens into a common transition pipe piece 25, each of which a T-piece Wasserabscheideelement 24 nachge ⁇ is switched.
  • the T-piece water separation element 24 comprises an inflow pipe piece 26, which, viewed in its longitudinal direction, merges into a water discharge pipe piece 27, wherein an outflow pipe piece 28 branches off in the transition region.
  • the Wasserableitrohr choir 27 opens into a collector 29. To the collector 29 is connected via connecting lines 30, a collecting container 31 (bottle) downstream. To the sump 31, an off ⁇ let valve 32 is connected, via which the separated What ⁇ ser either discarded or can be fed to the evaporation circuit again.
  • the outlet valve 32 can be closed and thus an overfeed of the T-piece Wasserabscheideieri 24 are brought about.
  • still unevaporated water enters the superheater tubes, so that they can still be used for further evaporation, d. h.,
  • the evaporation end point can be moved into the superheater tubes, which allows a relatively higher flexibility in the operation of the continuous steam generator 21.
  • the flow medium impinges on a circular baffle plate and impinges from there in a star shape, concentrically-arranged symmetrically output pipes 35. Due to the symmetrical Anord ⁇ voltage to each output tube is in this case 35 allocated approximately the same amount of flow medium.

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Abstract

The invention relates to a solar-thermal continuous flow steam generator (21) comprising a water separation system (23) and evaporator pipes which are connected on the flow medium side and upstream of the water separation system (23) and overheating pipes which are connected on the flow medium side and downstream of the water separation system (23). Said water separation system (23) comprises a plurality of water separating elements (24), each of said elements (24) comprising an end flow piece (26) which is connected to the respective upstream-connected evaporator pipes, which changes into a water guiding pipe piece (27) when viewed in the longitudinal direction. A number of outflow pipe pieces (28) branch off in the transitional area and are connected to an inlet connector (33) of the respective downstream-connected overheating pipes, and a distributor element (34) is arranged on the evaporator side between the respective water separation element (24) and the inlet collector (33). The invention also relates to a solar tower power station (1).

Description

Beschreibung description
Solarthermischer Durchlaufdampferzeuger mit einem Dampfabscheider und nachgeschaltetem Sternverteiler für Solarturm- Kraftwerke mit direkter Verdampfung Solar thermal continuous steam generator with a steam separator and downstream star distributor for solar tower power plants with direct evaporation
Die Erfindung betrifft einen solarthermischen Dampferzeuger, insbesondere für ein Solarturm-Kraftwerk, mit einem Wasserabscheidesystem und dem Wasserabscheidesystem strömungsmediumsseitig vorgeschalteten Verdampferrohren und dem Wasserabscheidesystem strömungsmediumsseitig nachgeschalteten Überhitzerrohren, wobei das Wasserabscheidesystem eine Anzahl von Wasserabscheideelementen umfasst, wobei jedes der Wasserab¬ scheideelemente ein mit den jeweils vorgeschalteten Ver¬ dampferrohren verbundenes Einströmrohrstück umfasst, das in seiner Längsrichtung gesehen in ein Wasserableitrohrstück übergeht, wobei im Übergangsbereich eine Anzahl von Abströmrohrstücken abzweigt, die mit einem Eintrittssammler der jeweils nachgeschalteten Überhitzerrohre verbunden sind, und wobei dampfseitig zwischen dem jeweiligen Wasserabscheideele¬ ment und dem Eintrittssammler ein Verteilerelement angeordnet ist . The invention relates to a solar thermal steam generator, in particular for a solar tower power plant, with a Wasserabscheidesystem and the Wasserabscheidesystem flow medium side upstream evaporator tubes and the Wasserabscheidesystem downstream side superheater tubes, wherein the Wasserabscheidesystem comprises a number of Wasserabscheideelementen, each of the Wasserab ¬ sheath elements one with the respectively upstream Ver ¬ steamer tubes connected inflow pipe piece includes, seen in its longitudinal direction merges into a Wasserableitrohrstück, wherein in the transition region a number of Abströmrohrstücken branches, which are connected to an inlet header of the respective downstream superheater tubes, and wherein the steam side between the respective Wasserabscheideele ¬ ment and the inlet collector a Distributor element is arranged.
Dem stetig steigenden Energiebedarf und dem Klimawandel muss mit dem Einsatz von nachhaltigen Energieträgern entgegengetreten werden. Sonnenenergie ist solch ein nachhaltiger Energieträger. Sie ist klimaschonend, in unerschöpflichem Maße vorhanden und stellt keine Belastung für nachkommende Genera¬ tionen dar. The steadily rising energy demand and climate change must be tackled with the use of sustainable energy sources. Solar energy is such a sustainable energy source. It is climate-friendly, yet inexhaustibly and is not a burden for is a descendant genera ¬ tions.
Solarthermische Kraftwerke stellen deshalb eine der nachhal¬ tigen Alternativen zur herkömmlichen Stromerzeugung dar. Bisher wurden solarthermische Kraftwerke mit Parabolrinnenkol- lektoren oder Fresnel-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, einem Solarturm und aus einem konventionellen Kraftwerksteil, in dem die thermische Energie des Wasserdampfes in elektri¬ sche Energie umgewandelt wird. Therefore, solar thermal power plants are one of the SUST ¬ term alternatives to conventional power generation. Until now, solar thermal power plants were lectors with Parabolrinnenkol- or executed Fresnel collectors. Another option is 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, a solar tower and a conventional power plant part. in which the thermal energy of the water vapor is converted into electrical ¬ specific energy.
Das Solarfeld besteht aus Heliostaten, die die Sonnenstrah¬ lung auf einen im Solarturm untergebrachten Absorber konzentrieren. Der Absorber besteht aus einer Heizfläche, in der die eingestrahlte 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, gegebenenfalls zwischenüberhitzt und anschließend kondensiert und dem Absorber wieder zugeführt. Die Turbine treibt einen Generator an, der die mechanische Energie in elektrische Energie wandelt. The solar field consists of heliostats that focus the Sonnenstrah ¬ Assembly at one housed in the solar tower absorbers. The absorber consists of a heating surface in which the irradiated solar energy is used to heat supplied feed water, to evaporate and possibly also to overheat. The generated steam is then expanded in a conventional power plant part in a turbine, optionally reheated and then condensed and fed back to the absorber. The turbine drives a generator, which converts the mechanical energy into electrical energy.
In einem Solarturm-Kraftwerk ist 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 Absorberheizfläche von zentraler Bedeutung. Zur Minimierung der Heizflächengröße ist auf größtmögliche Wärmestromdichten auszule¬ gen. Die Obergrenze der zulässigen Wärmestromdichten wird durch das Rohrmaterial und durch die Qualität der Kühlungsme¬ chanismen bestimmt. In a solar tower power plant, 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. By concentrating the incident solar energy on small areas, this leads to very high heat flux densities, generally higher heat flux densities than in fossil-fired thermal power plants. Therefore, with the concept of direct evaporation in a solar tower power plant, the cooling of the absorber heating surface is of central importance. To minimize the Heizflächengröße is be interpreted ¬ gen on maximum heat flux densities. The upper limit of the allowable heat flux is determined by the pipe material and the quality of Kühlungsme ¬ mechanisms.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen solar¬ thermischen Dampferzeuger der oben genannten Art für höchstmöglichen Wärmestrom anzugeben. Des Weiteren soll ein entsprechend verbessertes Solarturm-Kraftwerk mit hohem thermo- dynamischem Wirkungsgrad angegeben werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Für einen hohen thermodynamischen Wirkungsgrad werden thermische Kraftwerke bei hohen (i.a. überkriti- chen) Drücken betrieben. Hierzu müssen die Verdampfer als Durchlaufheizflächen ausgeführt werden, da sie im Gegensatz zu einem Natur- oder Zwangumlaufdampferzeuger keiner Druckbegrenzung unterliegen, so dass Frischdampfdrücke weit über dem kritischen Druck von Wasser möglich sind. Dieser hohe Frischdampfdruck begünstigt einen hohen thermodynamischen Wirkungsgrad eines Kraftwerks. The invention is therefore based on the object to provide a solar thermal ¬ steam generator of the type mentioned above for maximum heat flow. Furthermore, a correspondingly improved solar tower power plant with high thermodynamic efficiency is to be specified. This object is achieved by the features of claim 1. For a high thermodynamic efficiency thermal power plants are operated at high (ia supercritical) pressures. For this purpose, the evaporator must be designed as Durchlaufheizflächen because they are subject to no pressure limit, in contrast to a natural or forced circulation steam generator, so that live steam pressures far above the critical pressure of water are possible. This high live steam pressure promotes a high thermodynamic efficiency of a power plant.
Im Schwachlastbetrieb oder beim Anfahren wird ein derartiger Durchlaufdampferzeuger üblicherweise mit einem Mindeststrom an Strömungsmedium in den Verdampferrohren betrieben, um eine sichere Kühlung der Verdampferrohre zu gewährleisten. Dazu reicht gerade bei niedrigen Lasten von beispielsweise weniger als 40 % der Auslegungslast der reine Durchlaufmassenstrom durch den Verdampfer üblicherweise nicht mehr zur Kühlung der Verdampferrohre aus, so dass dem Durchlauf an Strömungsmedium durch den Verdampfer im Umlauf ein zusätzlicher Durchsatz an Strömungsmedium überlagert wird. Der betriebsgemäß vorgesehe¬ ne Mindeststrom an Strömungsmedium in den Verdampferrohren wird somit beim Anfahren oder im Schwachlastbetrieb in den Verdampferrohren nicht vollständig verdampft, so dass bei ei¬ ner derartigen Betriebsart am Ende der Verdampferrohre noch unverdampftes Strömungsmedium, insbesondere ein Wasser-Dampf- Gemisch, vorhanden ist. During low load operation or during startup, such a continuous steam generator is usually operated with a minimum flow of flow medium in the evaporator tubes in order to ensure reliable cooling of the evaporator tubes. For this purpose, just at low loads of, for example, less than 40% of the design load, the pure mass flow through the evaporator usually no longer suffices for cooling the evaporator tubes, so that an additional throughput of flow medium is superimposed on the passage of flow medium through the evaporator in circulation. The operationally provided ¬ ne minimum flow of fluid in the evaporator tubes is thus not completely evaporated during startup or low load operation in the evaporator tubes, so that at ei ¬ ner such operating mode at the end of the evaporator tubes still unvaporized flow medium, in particular a water-steam mixture available is.
Da die den Verdampferrohren des Durchlaufdampferzeugers nach¬ geschalteten Überhitzerrohre in der Regel nicht für eine Durchströmung unverdampften Strömungsmediums ausgelegt sind, sind Durchlaufdampferzeuger üblicherweise derart ausgelegt, dass auch beim Anfahren und im Schwachlastbetrieb ein Wassereintritt in die Überhitzerrohre sicher vermieden wird. Dazu sind die Verdampferrohre üblicherweise mit den ihnen nachge¬ schalteten Überhitzerrohren über ein Wasserabscheidesystem verbunden. Der Wasserabscheider bewirkt dabei eine Trennung des beim Anfahren oder im Schwachlastbetrieb aus den Verdamp¬ ferrohren austretenden Wasser-Dampf-Gemisches in Wasser und in Dampf. Der Dampf wird den dem Wasserabscheider nachgeschalteten Überhitzerrohren zugeführt, wohingegen das ab- geschiedene Wasser beispielsweise über eine Umwälzpumpe wie¬ der den Verdampferrohren zugeführt oder über einen Entspanner abgeführt werden kann. Since the evaporator tubes of the continuous steam generator after ¬ connected superheater tubes are usually designed for a flow unevaporated flow medium, continuous steam generators are usually designed so that even when starting and in low load operation, a water ingress into the superheater tubes is safely avoided. For this purpose, the evaporator tubes are usually connected to the nachge ¬ switched superheater tubes via a Wasserabscheidesystem. The water separator causes a separation emerging from the evaporation ¬ ferromagnetic lead at start or in low-load operation of water-steam mixture into water and steam. The steam is fed to the downstream of the water separator reheater tubes, whereas the separated water can can be fed to the evaporator tubes or discharged via an expander, for example, via a circulating pump as ¬.
Die o.g. Wasserabscheidung kann beispielsweise durch soge- nannte Zyklon-Abscheider realisiert werden. Zyklon-Abscheider sind relativ große, dickwandige Bauteile. The o.g. Water separation can be achieved, for example, by so-called cyclone separators. Cyclone separators are relatively large, thick-walled components.
Bauartbedingt ist eine Durchspeisung dieser Zyklon-Abscheider mit Wasser nur bedingt möglich. Damit muss die für die Ver- dampfung nutzbare Heizfläche in Strömungsrichtung vor den Abscheidern liegen und ist somit begrenzt. Dies hat zur Folge, dass die Frischdampftemperatur nur in kleinen Grenzen durch die Speisewassermenge geregelt werden kann. Für einen größe¬ ren Regelbereich sind Einspritzkühler erforderlich. Due to the design, a feedthrough of these cyclone separators with water is only possible to a limited extent. Thus, the heating surface that can be used for evaporation must lie in the flow direction in front of the separators and is thus limited. This has the consequence that the live steam temperature can be controlled only in small limits by the feedwater quantity. For a size ¬ ren Control range Desuperheaters are required.
Das Wasserabscheidesystem kann eine Vielzahl von Wasserabscheideelementen umfassen, die direkt in die Rohre integriert sind. Dabei kann insbesondere jedem der parallel ge¬ schalteten Verdampferrohre ein Wasserabscheideelement zuge- ordnet sein. Die Wasserabscheideelemente können alternativ zu den o.g. Zyklon-Abscheidern als so genannte T-Stück- Wasserabscheideelemente ausgebildet sein. Jedes T-Stück- Wasserabscheideelement umfasst dabei jeweils ein mit dem vor¬ geschalteten Verdampferrohr verbundenes Einströmrohrstück, das in seiner Längsrichtung gesehen in ein Wasserableitrohrstück übergeht, wobei im Übergangsbereich ein mit dem nachgeschalteten Überhitzerrohr verbundenes Abströmrohrstück abzweigt . Durch diese Bauweise ist das T-Stück-Wasserabscheideelement für eine Trägheitsseparation des aus dem vorgeschalteten Verdampferrohr in das Einströmrohrstück einströmenden Wasser- Dampf-Gemisches ausgelegt. Aufgrund seiner vergleichsweise höheren Trägheit strömt nämlich der Wasseranteil des im Ein¬ strömrohrstück strömenden Strömungsmediums an der Übergangs¬ stelle bevorzugt in axialer Verlängerung des Einströmrohrstücks weiter und gelangt somit in das Wasserableitrohrstück und von dort aus üblicherweise weiter in einen angeschlosse¬ nen Sammelbehälter. Der Dampfanteil des im Einströmrohrstück strömenden Wasser-Dampf-Gemisches kann hingegen aufgrund sei¬ ner vergleichsweise geringeren Trägheit besser einer aufge¬ zwungenen Umlenkung folgen und strömt somit über das Abströmrohrstück zum nachgeschalteten Überhitzerrohrstück. The water separation system may include a plurality of water separation elements integrated directly into the tubes. Here, each may in particular the parallel ge ¬ switched evaporator tubes a Wasserabscheideelement conces- be classified. The Wasserabscheideelemente may alternatively be designed as so-called T-piece Wasserabscheideelemente to the above cyclone separators. Each T-piece Wasserabscheideelement each case includes an associated with the vor ¬ connected evaporator tube Einströmrohrstück, which is seen in its longitudinal direction merges into a Wasserableitrohrstück, wherein in the transition region branches off a connected to the downstream superheater tube Abströmrohrstück. By this construction, the T-piece Wasserabscheideelement for inertial separation of the flowing from the upstream evaporator tube in the Einströmrohrstück water-steam mixture is designed. Because of its comparatively higher inertia flows namely ¬ place preferably in the axial extension of the Einströmrohrstücks further and thus enters the Wasserableitrohrstück and from there further into a normally be castle ¬ NEN collecting the water content of the flowing in a ¬ strömrohrstück flow medium at the transition. The vapor portion of the flowing in Einströmrohrstück water-steam mixture, however, can follow a set ¬ zwungenen deflection due to be ¬ ner comparatively lower inertia better and thus flows over the Abströmrohrstück to the downstream superheater tube section.
Bei einem Durchlaufdampferzeuger mit einem derart ausgelegten Wasserabscheidesystem kann durch die dezentrale Integration der Wasserabscheidung in die einzelnen Rohre des Rohrsystems des Durchlaufdampferzeugers die Wasserabscheidung ohne vorhe¬ rige Sammlung des aus den Verdampferrohren abströmenden Strömungsmediums erfolgen. Damit ist auch eine direkte Weitergabe des Strömungsmediums in die nachgeschalteten Überhitzerrohre möglich . In a continuous-flow steam generator with such a designed water separation water separation can be performed without herein are subject ¬ membered collection of flowing out of the evaporator tubes of flow medium through the distributed integration of the separation of water into the individual tubes of the tube system of the once-through steam generator. For a direct transfer of the flow medium in the downstream superheater tubes is possible.
Konstruktionsbedingt ist darüber hinaus die Übergabe von Strömungsmedium an die Überhitzerrohre nicht nur auf Dampf beschränkt, vielmehr kann nunmehr auch ein Wasser-Dampf-Ge¬ misch an die Überhitzerrohre weitergeführt werden, indem die Wasserabscheideelemente überspeist werden. Dadurch kann der Verdampfungsendpunkt bedarfsweise in die Überhitzerrohre hi¬ neinverschoben werden. Damit ist eine besonders hohe betrieb¬ liche Flexibilität auch im Anfahr- oder Schwachlastbetrieb des Durchlaufdampferzeugers erreichbar. Insbesondere kann die Frischdampftemperatur in vergleichsweise großen Grenzen durch Beeinflussung der Speisewassermenge geregelt werden. The transfer of flow medium to the superheater tubes is not limited to vapor By design, in addition, but can now also be a water-steam Ge ¬ mixing continued at the superheater tubes by the Wasserabscheideelemente be fed. Thus, the evaporation end point may be required, neinverschoben in the superheater tubes hi ¬. Thus, a particularly high operating ¬ Liche flexibility even in start-up or low load operation of the continuous steam generator can be achieved. In particular, the live steam temperature can be controlled in comparatively large limits by influencing the feedwater quantity.
Allerdings ist bei derartigen Systemen zu berücksichtigen, dass aufgrund der Integration der Wasserabscheidefunktion in die einzelnen Rohre hinein gerade im Bereich des Abscheide¬ systems eine vergleichsweise hohe Anzahl einzelner Rohrstücke oder -elemente erforderlich ist. Aus diesem Grund ist beim erfinderischen Durchlaufdampferzeu- ger vor dem T-Stück-Abscheider eine Sammlung des Strömungsmediums von jeweils einer Mehrzahl von Verdampferrohren und dampfseitig zwischen dem jeweiligen Wasserabscheideelement und dem Eintrittssammler ein Verteilerelement angeordnet. However, to be considered in such systems is that due to the integration of the water separating a comparatively high number of individual pipe sections or elements is required in the individual tubes in particularly in the area of the deposition ¬ system. For this reason, in the inventive Durchlaufdampferzeu- ger before the T-piece separator a collection of the flow medium of each of a plurality of evaporator tubes and the steam side between the respective Wasserabscheideelement and the inlet header arranged a distributor element.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass durch die dezentrale Wasserabscheidung, die bei der oben beschrie¬ benen Bauweise separat in jedem der parallel geschalteten Verdampferrohre erfolgt, eine vergleichsweise große Anzahl von T-Stück-Wasserabscheideelementen zu Konstruktionsproblemen bei der großtechnischen Anwendung führen kann. Durch die Platzprobleme, die die Notwendigkeit der Unterbringung einer derart großen Anzahl von Wasserabscheideelementen mit sich bringen kann, kann eine solche Bauweise infolge des mit ihr verbundenen hohen Konstruktionsaufwands auch erhebliche Mehr¬ kosten und Einschränkungen der geometrischen Parameter des Durchlaufdampferzeugers mit sich bringen. The invention proceeds from the consideration that by the distributed water separation that occurs in the above-beschrie ¬ surrounded construction separately in each of the parallel connected evaporator tubes, can result in a relatively large number of tee-Wasserabscheideelementen to design problems in the industrial application , Due to the space problems that may bring with it the need to accommodate such a large number of water separation elements, such a construction due to the high design effort associated with it also considerable ¬ cost and bring limitations of the geometric parameters of the continuous steam generator with it.
Eine Reduzierung des Konstruktionsaufwands des Durchlauf¬ dampferzeugers könnte durch eine einfachere Auslegung des Wasserabscheidesystems erzielt werden. Dazu kann die Anzahl der verwendeten Wasserabscheideelemente reduziert werden. Um jedoch die Vorteile einer dezentralen Wasserabscheidung, wie beispielsweise die Möglichkeit der Durchspeisung mit Wasser- Dampf-Gemisch zu erhalten, sollte die grundsätzliche Bauweise in Form von T-Stück-Wasserabscheideelementen beibehalten werden. Die Kombination beider vorgenannter Konzepte kann durch eine Sammlung des Strömungsmediums von jeweils einer Mehrzahl von Verdampferrohren in jeweils ein Wasserabscheideelement erreicht werden. A reduction of the design effort of the continuous steam generator could be achieved by a simpler design of the water separation system. For this purpose, the number of Wasserabscheideelemente used can be reduced. However, in order to obtain the advantages of decentralized water separation, such as the possibility of feeding with water-steam mixture, the basic design in the form of T-piece water separation elements should be maintained. The combination of the two aforementioned concepts can be achieved by a collection of the flow medium from a plurality of evaporator tubes in each case a Wasserabscheideelement.
Durch eine reduzierte Anzahl von T-Stück-Wasserabscheideele¬ menten kann eine direkte dampfseitige Weiterleitung an die Eintrittssammler der nachgeschalteten Überhitzerrohre jedoch zu Inhomogenitäten bei der Verteilung auf die verschiedenen Überhitzerrohre führen. Um daher nach dem Austritt des Damp¬ fes oder des Wasser-Dampf-Gemisches aus dem T-Stück-Wasserab- scheideelement eine gleichmäßige Verteilung auf die nachge¬ schalteten Überhitzerrohre zu erreichen, ist dampfseitig zwi¬ schen dem jeweiligen Wasserabscheideelement und dem Ein¬ trittssammler ein Verteilerelement angeordnet. Due to a reduced number of T-piece Wasserabscheideele ¬ ments a direct steam-side forwarding to the inlet header of the downstream superheater tubes, however, lead to inhomogeneities in the distribution of the various superheater tubes. Therefore, after the exit of Damp ¬ or fes the water-steam mixture from the T-piece Wasserab- element sheath, a uniform distribution on the nachge ¬ switched superheater tubes to achieve steam side Zvi ¬ rule of each Wasserabscheideelement and the A ¬ arranged a distributor element occurs collector.
Vorteilhafterweise sind die geometrischen Parameter einer Anzahl von Ausgangsrohren derart gewählt, dass eine homogene Strömungsverteilung auf den Eintrittssammler der jeweils nachgeschalteten Überhitzerrohre gewährleistet ist. Dadurch wird bereits ein homogener Eintrag in den Eintrittssammler erreicht, welcher sich dementsprechend in die nachgeschalte¬ ten Überhitzerrohre fortsetzt. Die Ausgangsrohre können dabei beispielsweise gleiche Durchmesser aufweisen und in gleichmä¬ ßigen Abständen parallel zueinander in den Eintrittssammler geführt sein. Advantageously, the geometric parameters of a number of outlet pipes are chosen such that a homogeneous flow distribution is ensured on the inlet header of the respectively downstream superheater pipes. As a result, a homogeneous entry is already achieved in the inlet header, which accordingly continues in the nachgeschalte ¬ th superheater tubes. The output pipes may have, for example the same diameter and be guided in gleichmä ¬ lar intervals parallel to one another in the inlet header.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist das Verteilerelement als Sternverteiler ausgelegt, d. h. es umfasst eine Prallplatte, ein senkrecht zur Prallplatte angeordnetes Eingangsrohr und eine Anzahl von sternförmig um die Prallplatte in deren Ebene angeordneten Ausgangsrohren. Das einströmende Wasser trifft auf die Prallplatte und wird in symmetrischer Weise senkrecht zur Einströmrichtung verteilt und in die Ausgangsrohre gelei¬ tet . In an advantageous embodiment, the distributor element is designed as a star distributor, ie it comprises a baffle plate, an inlet tube arranged perpendicular to the baffle plate and a number of outlet tubes arranged in a star shape around the baffle plate in its plane. The inflowing water impinges on the baffle plate and is distributed in a symmetrical manner perpendicular to the inflow direction and gelei ¬ tet in the output tubes.
Dabei ist die Prallplatte in besonders vorteilhafter Ausges¬ taltung kreisförmig und die Ausgangsrohre konzentrisch zur Mitte der Prallplatte in gleichen Abständen zu den jeweiligen benachbarten Ausgangsrohren angeordnet. Auf diese Weise ist eine besonders homogene Verteilung auf die verschiedenen Aus¬ gangsrohre gewährleistet. In this case, the baffle plate is circular in a particularly advantageous Ausges ¬ tion and the output tubes arranged concentrically to the center of the baffle plate at equal intervals to the respective adjacent outlet tubes. In this way, a particularly homogeneous distribution is ensured on the various output ¬ pipes.
Dabei sind vorteilhafterweise zwischen fünf und 20 Ausgangs¬ rohre pro Verteilerelement vorgesehen. Bei einer geringeren Anzahl könnte eine ausreichende Homogenisierung des Eintrags von Dampf oder Wasser-Dampf-Gemisch in den Eintrittssammler des Überhitzers nicht mehr gewährleistet werden, während eine höhere Anzahl problematisch in der geometrischen Ausgestal- tung des Verteilerelements sein kann, insbesondere wenn die¬ ses als Sternverteiler ausgelegt ist. Advantageously between five and 20 output ¬ tubes per distributor element are provided. With a smaller number, a sufficient homogenization of the entry of steam or water-steam mixture in the inlet header of the superheater could no longer be guaranteed, while a higher number of problems in the geometrical configuration. tion of the distributor element may be, in particular if the ¬ ses is designed as a star distributor.
Der solarthermische Dampferzeuger ist dabei nach besonders vorteilhafter Ausgestaltung mit seiner Verdampferheizflache in ein Solarturm-Kraftwerk integriert und zur Dampferzeugung durch fokussierte Sonnenstrahlung direkt beaufschlagbar. The solar thermal steam generator is integrated in a particularly advantageous embodiment with its Verdampferheizflache in a solar tower power plant and directly to steam generation by focused solar radiation acted upon.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die dampfseitige Anordnung eines zusätzlichen Verteilerelements zwischen dem jeweiligen Wasserabscheideelement und dem Eintrittssammler der nachgeschalteten Überhitzerheizflächen eine Gleichverteilung des Strömungsmediums auf die Überhitzerrohre auch bei einer wesentlich ge¬ ringeren Anzahl von Wasserabscheideelementen erzielt wird. The advantages achieved by the invention are in particular that a uniform distribution of the flow medium is achieved on the superheater tubes even at a much ge ¬ ringeren number of Wasserabscheideelementen by the vapor-side arrangement of an additional distribution element between the respective Wasserabscheideelement and the inlet header of the superheater.
Durch diese Maßnahmen wird die Reduzierung der Anzahl von Wasserabscheideelementen überhaupt erst ermöglicht. Dies be¬ deutet einen wesentlich geringeren Fertigungsaufwand und eine vergleichsweise geringere Komplexität des Rohrsystems des Durchlaufdampferzeugers und es ist eine besonders hohe be¬ triebliche Flexibilität auch im Anfahr- oder Schwachlastbe¬ trieb erreichbar. These measures make it possible to reduce the number of water separation elements in the first place. This be ¬ indicates a significantly lower manufacturing costs and a comparatively lower complexity of the pipe system of the continuous steam generator and it is particularly high ¬ be triebliche flexibility in starting or Schwachlastbe ¬ driving distance.
Der Einsatz von üblichen Zyklon-Abscheidern und deren Temperaturüberwachung kann entfallen. The use of conventional cyclone separators and their temperature monitoring can be omitted.
Die homogene Temperaturverteilung über die nachgeschalteten Überhitzerrohre führt zu deutlich geringeren mechanischen Be- lastungen infolge unterschiedlich r thermischer Ausdehnung der einzelnen Überhitzerrohre. The homogeneous temperature distribution over the downstream superheater tubes leads to significantly lower mechanical loads as a result of different thermal expansion of the individual superheater tubes.
Gleichzeitig bleiben alle Vorteile der Benutzung von T-Stück- Wasserabscheideelementen erhalten, so z. B. die Möglichkeit der Weiterleitung von Wasser-Dampf-Gemisch an die Überhitzerrohre, die eine bedarfsgerechte Regelung der Frischdampftem- peratur am Dampfauslass des Durchlaufdampferzeugers durch die Steuerung der eingebrachten Strömungsmediumsmenge ermöglicht. Bei Durchspeisung des Dampfabscheiders mit Wasser, Wasser- Dampf Gemisch oder Dampf kann auch der gesamte Überhitzer al Verdampfer genutzt werden. Damit kann die Frischdampftempera tur bis hinunter zur Sättigungstemperatur über die Speisewas sermenge so beeinflusst werden, dass die bisher üblichen Ein spritzkühler entfallen können. At the same time, all advantages of using T-piece Wasserabscheideelementen obtained, such. B. the possibility of forwarding water-steam mixture to the superheater tubes, which allows a needs-based control of the fresh steam temperature at the steam outlet of the continuous steam generator by the control of the introduced flow medium amount. When feeding the steam separator with water, water-steam mixture or steam, the entire superheater can also be used as an evaporator. Thus, the live steam tempera ture down to the saturation temperature on the Speisewas sermenge be influenced so that the usual one sprayers can be omitted.
Weiterhin kann bei geeigneter Fahrweise der Temperaturtran- sient des Überhitzeraustrittssammlers auf ein Minimum redu¬ ziert werden, was zu einer Verkürzung der Anfahrzeit führt. Further, in appropriate operation, the Temperaturtran- the superheater outlet header can be redu ¬ sheet to a minimum SIENT, resulting in a shortening of the startup time.
Die Anzahl der erforderlichen Dampfabscheider reduziert sich durch die Nachschaltung von Sternverteilern erheblich. The number of required steam separators is considerably reduced by the connection of star distributors.
Die erfindungsgemäße Gestaltung von solarthermischen Dampfer zeugern wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. The inventive design of solar thermal steamer generators will be explained in more detail with reference to the drawings.
Im Einzelnen zeigen: In detail show:
FIG 1 ein Solarturm-Kraftwerk, 1 shows a solar tower power plant,
FIG 2 einen Verdampfer eines solarthermischen Dampferzeu gers nach dem Stand der Technik, 2 shows an evaporator of a solar thermal Dampferzeu gers according to the prior art,
FIG 3 einen Verdampfer eines erfinderischen solarthermischen Durchlaufdampferzeugers und 3 shows an evaporator of an inventive solar thermal continuous steam generator and
FIG 4 einen Dampfabscheider mit nachgeschaltetem Sternverteiler für Zwangdurchlaufdampferzeuger in Solar turm-Kraftwerken mit direkter Verdampfung. 4 shows a vapor separator with downstream star distributor for forced flow steam generators in solar tower power plants with direct evaporation.
Einander entsprechende Teile sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Corresponding parts are provided in the figures with the same reference numerals.
FIG 1 zeigt ein Solarturm-Kraftwerk 1. Das Solarturm- Kraftwerk 1 umfasst einen Solarturm 2, an dessen vertikal oberem Ende ein Absorber 3 angeordnet ist. Ein Heliostatenfeld 4 mit einer Anzahl von Heliostaten 5 ist am Boden um de Solarturm 2 herum platziert. Das Heliostatenfeld 4 mit den Heliostaten 5 ist für eine Fokussierung der direkten Solarstrahlung 6 ausgelegt. Dabei sind die einzelnen Heliostaten 5 so angeordnet und ausgerichtet, dass die direkte Solarstrah- lung 6 von der Sonne in Form von konzentrierter Solarstrahlung 7 auf den Absorber 3 fokussiert wird. Bei dem Solarturm- Kraftwerk 1 wird somit die Sonnenstrahlung durch ein Feld einzeln nachgeführter Spiegel, die Heliostaten 5, auf die Spitze des Solarturmes 2 konzentriert. Der Absorber 3 wandelt die Strahlung in Wärme um und gibt sie an ein Wärmeträgerme¬ dium, beispielsweise Wasser, ab, das die Wärme einem konven¬ tionellen Kraftwerksprozess mit einer Dampfturbine zuführt. 1 shows a solar tower power plant 1. The solar tower power plant 1 comprises a solar tower 2, at the vertically upper end of an absorber 3 is arranged. A heliostat 4 with a number of heliostats 5 is on the ground at de Solar Tower 2 placed around. The heliostat 4 with the heliostat 5 is designed for focusing the direct solar radiation 6. In this case, the individual heliostats 5 are arranged and aligned such that the direct solar radiation 6 is focused by the sun in the form of concentrated solar radiation 7 onto the absorber 3. In the solar tower power plant 1, the solar radiation is thus concentrated by a field individually tracked mirror, the heliostat 5, on the top of the solar tower 2. The absorber 3 converts the radiation into heat and returns it to a Wärmeträgerme ¬ dium, for example water, from which supplies the heat to a conven tional ¬ power station process with a steam turbine.
In FIG 2 ist ein Verdampfer 8 eines bekannten solarthermi- sehen Umlaufdampferzeugers 9 mit Direktverdampfung darge¬ stellt, der als Absorber 3 in den Solarturm 2 der FIG 1 integriert ist. In FIG 2, an evaporator 8 of a known solar thermal see circulation steam generator 9 with direct evaporation Darge ¬ represents, which is integrated as an absorber 3 in the solar tower 2 of FIG 1.
Die Dampferzeugerrohre 10 sind eingangsseitig mit einem Ein- trittsverteiler 11 und ausgangsseitig mit einem Austritts¬ sammler 12 strömungstechnisch verbunden. Überströmrohre 13 verbinden den Austrittssammler 12 mit einer Trommel 14, in die eine Speisewasserleitung 15 mündet. In die Speisewasserleitung 15 ist eine Speisewasserpumpe 16 geschaltet. Eine Dampfleitung 17 sowie eine Fallrohrleitung 18 zweigen von der Trommel 14 ab. In die Fallrohrleitung 18 ist eine Umwälzpumpe 20 geschaltet. Die Fallrohrleitung 18 mündet in den Eintrittsverteiler 11. Im Betrieb des solar beheizten Umlaufdampferzeugers 9 saugt die Umwälzpumpe 20 Kesselwasser aus der Trommel 14 an und drückt es in den Eintrittsverteiler 11. Dort wird das Kessel¬ wasser auf die Vielzahl der wärmeübertragenden Rohre 10 verteilt. Der Verdampfer 8 ist in parallel geschaltete Heizflä- chenrohre aufgeteilt. Die wärmeübertragenden Rohre 10 werden durch die konzentrierte Solarstrahlung 8 aufgeheizt, wobei die wärmeübertragenden Rohre 10 die Wärme an das Kesselwasser abgeben. Das entstehende Dampf/Wasser-Gemisch wird über den Ausstrittssammler 12 und die Überströmrohre 13 in die unbe- heizte Trommel 14 geleitet und dort in möglichst trockenen Sattdampf und in zum Verdampfer 8 zurückfließendes Umlaufwas¬ ser getrennt. Die Speisewasserzufuhr wird so geregelt, dass der Wasserstand in der Trommel 14 konstant bleibt. The steam generator tubes 10 on the input side with an input distributor 11 and enters the outlet side fluidly connected with an outlet collector ¬ 12th Overflow pipes 13 connect the outlet header 12 with a drum 14, into which a feedwater line 15 opens. In the feedwater pipe 15, a feedwater pump 16 is connected. A steam line 17 and a downpipe 18 branch off from the drum 14. In the downpipe 18, a circulation pump 20 is connected. The downpipe 18 opens into the inlet manifold 11. In operation of the solar heated circulating steam generator 9, the circulation pump sucks 20 boiler water from the drum 14 and pushes it into the inlet manifold 11. There, the boiler ¬ water is distributed to the plurality of heat-transmitting tubes 10. The evaporator 8 is divided into parallel Heizflä- chenrohre. The heat-transferring tubes 10 are heated by the concentrated solar radiation 8, wherein the heat-transferring tubes 10 deliver the heat to the boiler water. The resulting steam / water mixture is over the Outflow collector 12 and the overflow pipes 13 are guided into the unheated drum 14 and separated there into saturated dry steam as far as possible and into the circulating water flowing back to the evaporator 8. The feed water supply is controlled so that the water level in the drum 14 remains constant.
Der Sattdampf verlässt die Trommel 14 über die Dampfleitung 17 und kann in einer weiteren Heizfläche überhitzt werden und anschließend als Frischdampf einer nicht näher dargestellten Dampfturbine zur Erzeugung von elektrischer Energie zugestellt werden. The saturated steam leaves the drum 14 via the steam line 17 and can be overheated in a further heating surface and then delivered as live steam of a steam turbine not shown for generating electrical energy.
Im Betrieb eines solarthermischen Dampferzeugers ist es be¬ sonders kritisch in Abhängigkeit des vorhandenen Wärmeange¬ bots der primären Solarstrahlung immer genau den erforderlichen Speisewassermassenstrom durch die Absorberheizfläche, zur Verfügung zu stellen, um den geforderten bzw. gewünschten Fluidzustand am Absorberaustritt, respektive am Verdampfer¬ austritt 13 auch während instationärer Vorgänge, insbesondere bei Wolkendurchzug durch das Heliostatenfeld 4 zu gewährleis¬ ten . In operation of a solar thermal steam generator is to provide be ¬ Sonders critical in dependence on the existing heat In ¬ bots of the primary solar radiation always exactly the required feed water mass flow through the Absorberheizfläche, available to the required or desired fluid state at the absorber outlet, respectively, at the evaporator outlet ¬ 13 also during unsteady processes, in particular in cloud passage through the heliostat 4 to be guaranteed ¬ th.
FIG 3 zeigt das Prinzip eines solarthermischen Durchlauf¬ dampferzeugers 21, bei dem der Durchlauf des Wasser- /DampfStromes durch den Verdampfer von einer Speisepumpe 16 erzwungen wird. Das Speisewasser wird von der Speisepumpe 16 in den Eintrittsverteiler 11 gefördert und nacheinander werden der Verdampfer 8 und der Überhitzer 22 durchströmt (bei solarthermischen Kraftwerken entfällt typischerweise ein Speisewasservorwärmer) . Die Erwärmung des Speisewassers bis zur Sattdampftemperatur, die Verdampfung und Überhitzung erfolgen kontinuierlich in einem Durchlauf, so dass keine Trommel benötigt wird. Zwischen Verdampfer 8 und Überhitzer 22 ist für den UmlaufVorgang beim Anfahren der Anlage ein Wasserabscheidesystem 23 vorgesehen. 3 shows the principle of a solar thermal cycling ¬ steam generator 21, wherein the force of the flow of the water / steam flow through the evaporator of a feed pump sixteenth The feed water is conveyed by the feed pump 16 into the inlet manifold 11 and successively the evaporator 8 and the superheater 22 are flowed through (in solar thermal power plants typically eliminates a feedwater pre-heater). The heating of the feed water to the saturated steam temperature, the evaporation and overheating take place continuously in one pass, so that no drum is needed. Between evaporator 8 and superheater 22 a Wasserabscheidesystem 23 is provided for the circulation process when starting the system.
Mit Zwangdurchlaufdampferzeugern können sehr große Dampfleistungen auf relativ kleinem Raum erzeugt werden. Durch den Wegfall der Abscheidetrommel können mit dem Durchlaufdampfer- zeuger auch überkritische Drücke gefahren werden und somit auch sehr hohe Wirkungsgrade erzielt werden. With forced circulation steam generators very large steam outputs can be generated in a relatively small space. By the By eliminating the separating drum, supercritical pressures can also be achieved with the continuous steam generator and thus very high efficiencies can be achieved.
Zur Erläuterung des erfindungsgemäßen solarthermischen Dampferzeugers 21 in dem Solarturm-Kraftwerk 1 mit direkter Verdampfung zeigt FIG 4 das Wasserabscheidesystem 23, dem das in den Dampferzeugerrohren verdampfte Strömungsmedium zugeführt wird. Im Wasserabscheidesystem 23 wird noch nicht verdampftes Wasser gesammelt und abgeführt. Dies ist insbesondere im An¬ fahrbetrieb notwendig, wenn zur sicheren Kühlung der Verdampferrohre eine größere Menge an Strömungsmedium eingepumpt werden muss, als in einem Verdampferrohrdurchlauf verdampft werden kann. Der erzeugte Dampf wird gegebenenfalls auf die Überhitzerrohre verteilt. To explain the solar thermal steam generator 21 according to the invention in the solar tower power plant 1 with direct evaporation, FIG. 4 shows the water separation system 23 to which the flow medium vaporized in the steam generator tubes is supplied. In Wasserabscheidesystem 23 not yet evaporated water is collected and removed. This is necessary in particular in the on ¬ driving operation, if for safe cooling of the evaporator tubes, a larger amount of flow medium must be pumped, as can be evaporated in an evaporator tube run. The generated steam is optionally distributed to the superheater tubes.
Das Wasserabscheidesystem 23 umfasst eine Anzahl von T-Stück- Wasserabscheideelementen 24. Jeweils eine Anzahl von Verdampferrohren mündet in ein gemeinsames Übergangsrohrstück 25, dem jeweils ein T-Stück-Wasserabscheideelement 24 nachge¬ schaltet ist. Das T-Stück-Wasserabscheideelement 24 umfasst ein Einströmrohrstück 26, das in seiner Längsrichtung gesehen in ein Wasserableitrohrstück 27 übergeht, wobei im Übergangsbereich ein Abströmrohrstück 28 abzweigt. Das Wasserableitrohrstück 27 mündet in einen Sammler 29. An den Sammler 29 ist über Verbindungsleitungen 30 ein Sammelbehälter 31 (Flasche) nachgeschaltet. An den Sammelbehälter 31 ist ein Aus¬ lassventil 32 angeschlossen, über das das abgeschiedene Was¬ ser entweder verworfen oder erneut dem Verdampfungskreislauf zugeführt werden kann. The Wasserabscheidesystem 23 comprises a number of T-piece Wasserabscheideelementen 24. In each case a number of evaporator tubes opens into a common transition pipe piece 25, each of which a T-piece Wasserabscheideelement 24 nachge ¬ is switched. The T-piece water separation element 24 comprises an inflow pipe piece 26, which, viewed in its longitudinal direction, merges into a water discharge pipe piece 27, wherein an outflow pipe piece 28 branches off in the transition region. The Wasserableitrohrstück 27 opens into a collector 29. To the collector 29 is connected via connecting lines 30, a collecting container 31 (bottle) downstream. To the sump 31, an off ¬ let valve 32 is connected, via which the separated What ¬ ser either discarded or can be fed to the evaporation circuit again.
Im T-Stück-Wasserabscheideelement 24 tritt Strömungsmedium durch das Einströmrohrstück 26 ein. Das anteilige Wasser fließt bedingt durch seine Massenträgheit in das in Längs¬ richtung folgende Wasserableitrohrstück 27. Der Dampf hingegen folgt aufgrund seiner geringeren Masse der durch die Druckverhältnisse aufgezwungenen Umlenkung in das Abström- rohrstück 28. Dem Abströmrohrstück 28 sind die Überhit röhre über einen Eintrittssammler 33 nachgeschaltet. In the T-piece water separation element 24, flow medium enters through the inflow pipe piece 26. The proportionate water flows due to its inertia in the following in the longitudinal ¬ direction Wasserableitrohrstück 27. The vapor, however, follows due to its lower mass of the forced by the pressure ratios deflection in the outflow pipe piece 28. The Abströmrohrstück 28, the Überhit tube via an inlet header 33 are connected downstream.
Bedarfsweise kann das Auslassventil 32 geschlossen werden und so eine Überspeisung der T-Stück-Wasserabscheideelemente 24 herbeigeführt werden. Dabei tritt noch unverdampftes Wasser in die Überhitzerrohre ein, so dass diese noch zur weiteren Verdampfung genutzt werden können, d. h., der Verdampfungsendpunkt kann in die Überhitzerrohre hineinverlagert werden, was eine vergleichsweise höhere Flexibilität im Betrieb des Durchlaufdampferzeugers 21 ermöglicht. If necessary, the outlet valve 32 can be closed and thus an overfeed of the T-piece Wasserabscheideelemente 24 are brought about. In this case still unevaporated water enters the superheater tubes, so that they can still be used for further evaporation, d. h., The evaporation end point can be moved into the superheater tubes, which allows a relatively higher flexibility in the operation of the continuous steam generator 21.
Um eine besonders einfache Konstruktion des Durchlaufdampf- erzeugers 21 zu ermöglichen, sollte eine vergleichsweise ge¬ ringere Anzahl von T-Stück-Wasserabscheideelementen 24 verwendet werden. Um die dadurch entstehenden Inhomogenitäten hinsichtlich der Verteilung auf die Überhitzerrohre auszu¬ gleichen und somit eine derartige Ausgestaltung überhaupt erst zu ermöglichen, sind den T-Stück-Wasserabscheideelementen 24 Verteilerelemente 34 in der Art von Sternverteilern zwischengeschaltet. Diese sorgen für eine Vorverteilung des Strömungsmediums im Falle einer Überspeisung der T-Stück- Wasserabscheideelemente 24 auf die Eintrittssammler 33. In order to enable a particularly simple construction of the Durchlaufdampf- generator 21, a relatively smaller number of ge ¬ T-piece Wasserabscheideelementen 24 should be used. To the resulting inhomogeneities in the allocation on the superheater tubes for For ¬ same and thus allow such a design in the first place, are interposed in the way of star distributors the T-piece 24 Wasserabscheideelementen distributor elements 34th These provide for a pre-distribution of the flow medium in the event of over-feeding of the T-piece Wasserabscheideelemente 24 to the inlet header 33rd
In den als Sternverteiler ausgebildeten Verteilerelementen 34 trifft das Strömungsmedium auf eine kreisförmige Prallplatte und prallt von dort in sternförmig, konzentrisch-symmetrisch angeordnete Ausgangsrohre 35. Durch die symmetrische Anord¬ nung wird dabei jedem Ausgangsrohr 35 etwa die gleiche Menge an Strömungsmedium zugeteilt. Diese münden in gleichen Abständen in die Eintrittssammler 33, so dass bereits eine Vorverteilung des Strömungsmediums auf die gesamte Breite der Eintrittssammler 33 erfolgt. In the constructed as a star distributor manifold elements 34, the flow medium impinges on a circular baffle plate and impinges from there in a star shape, concentrically-arranged symmetrically output pipes 35. Due to the symmetrical Anord ¬ voltage to each output tube is in this case 35 allocated approximately the same amount of flow medium. These open at equal intervals in the inlet header 33, so that there is already a pre-distribution of the flow medium over the entire width of the inlet header 33.
Bei einer direkten Einleitung des Strömungsmediums über eine einzige Leitung pro T-Stück-Wasserabscheideelement 24 würde das Strömungsmedium in den Eintrittssammlern 33 nicht gleichmäßig verteilt werden können, da diese aufgrund ihrer Breite nicht für eine derartige homogene Verteilung aus beispiels¬ weise einer einzigen Zuleitung geeignet sind. With a direct introduction of the flow medium via a single line per T-piece Wasserabscheideelement 24, the flow medium in the inlet manifolds 33 could not be distributed evenly, as these due to their width are not suitable for such a homogeneous distribution of example, ¬ a single supply line.
Durch die als Sternverteiler ausgelegten Verteilerelemente 34 wird somit eine einfachere und somit auch kostengünstigere Konstruktion des Durchlaufdampferzeugers 21 möglich, da eine vergleichsweise geringere Anzahl von T-Stück-Wasserabscheide¬ elementen 24 verwendet werden kann. Weiterhin werden Temperaturunterschiede durch die bessere Vermischung des Strömungs¬ mediums im Vergleich zu einer vollständig dezentralisierten Wasserabscheidung mit einer größeren Anzahl von T-Stück-Wasserabscheideelementen 24 besser ausgeglichen und somit eine homogenere Temperaturverteilung auf die nachfolgenden Überhitzerrohre erreicht. By designed as a star distributor distribution elements 34 thus a simpler and thus more cost-effective design of the continuous steam generator 21 is possible because a comparatively smaller number of T-piece Wasserabscheide ¬ elements 24 can be used. Furthermore, temperature differences are better compensated by better mixing of the flow ¬ medium compared to a fully decentralized water separation with a larger number of T-piece Wasserabscheideelementen 24 and thus achieves a more homogeneous temperature distribution to the subsequent superheater tubes.

Claims

Patentansprüche claims
Solarthermischer Durchlaufdampferzeuger (21) für ein Solarturm-Kraftwerk (1), mit einem Wasserabscheidesystem und dem Wasserabscheidesystem (23) strömungsmediumsseitig vorgeschalteten Verdampferrohren und dem Wasserabscheidesystem (23) strömungsmediumsseitig nachgeschalteten Überhitzerrohren, wobei das Wasserabscheidesystem (23) eine Anzahl von Wasserabscheideelementen (24) umfasst, wobei jedes der Wasserabscheideelemente (24) ein mit den je¬ weils vorgeschalteten Verdampferrohren verbundenes Einströmrohrstück (26) umfasst, das in seiner Längsrichtung gesehen in ein Wasserableitrohrstück (27) übergeht, wobei im Übergangsbereich eine Anzahl von Abströmrohrstücken (28) abzweigt, die mit einem Eintrittssammler (33) der jeweils nachgeschalteten Überhitzerrohre verbunden sind, und wobei dampfseitig zwischen dem jeweiligen Wasserab¬ scheideelement (24) und dem Eintrittssammler (33) ein Verteilerelement (34) angeordnet ist. Solar thermal continuous steam generator (21) for a solar tower power plant (1), with a Wasserabscheidesystem and the Wasserabscheidesystem (23) flow medium side upstream evaporator tubes and the Wasserabscheidesystem (23) flow medium side downstream superheater tubes, said Wasserabscheidesystem (23) comprises a number of Wasserabscheideelementen (24) wherein each of the Wasserabscheideelemente (24) comprises a connected to the je ¬ Weils upstream evaporator tubes Einströmrohrstück (26), seen in its longitudinal direction in a Wasserableitrohrstück (27) passes, wherein in the transition region a number of Abströmrohrstücken (28) branches, the an inlet header (33) of the respectively downstream superheater tubes are connected, and wherein a distributor element (34) is arranged on the vapor side between the respective Wasserab ¬ sheath element (24) and the inlet header (33).
Solarthermischer Durchlaufdampferzeuger (21) nach Anspruch 1, bei dem die geometrischen Parameter einer Anzahl von Ausgangsrohren (35) des jeweiligen Verteilerelements (34) derart gewählt sind, dass eine homogene Strö¬ mungsverteilung auf den Eintrittssammler (33) der jeweils nachgeschalteten Überhitzerrohre gewährleistet ist. Solar thermal continuous steam generator (21) according to claim 1, wherein the geometric parameters of a number of outlet pipes (35) of the respective distributor element (34) are selected such that a homogeneous Strö ¬ tion distribution is ensured on the inlet header (33) of the respective downstream superheater tubes.
3. Solarthermischer Durchlaufdampferzeuger (21) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das jeweilige Verteilerelement (34) eine Prallplatte, ein senkrecht zur Prallplatte an¬ geordnetes Eingangsrohr und eine Anzahl von sternförmig um die Prallplatte in deren Ebene angeordneten Ausgangs¬ rohre (35) umfasst. 3. Solar thermal continuous steam generator (21) according to claim 1 or 2, wherein the respective distributor element (34) has a baffle plate, a perpendicular to the baffle plate to ¬ ordered input pipe and a number of star-shaped arranged around the baffle plate in the plane of the output ¬ tubes (35). includes.
4. Solarthermischer Durchlaufdampferzeuger (21) nach Anspruch 3, bei dem die Prallplatte kreisförmig ist und die Ausgangsrohre (35) konzentrisch zur Mitte der Prallplatte in gleichen Abständen zu den jeweiligen benachbarten Ausgangsrohren (35) angeordnet sind. 4. Solar thermal continuous steam generator (21) according to claim 3, wherein the baffle plate is circular and the outlet pipes (35) concentric with the center of the baffle plate are arranged at equal intervals to the respective adjacent output tubes (35).
5. Solarthermischer Durchlaufdampferzeuger (21) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das jeweilige Verteiler¬ element (34) zwischen fünf und 20 Ausgangsrohre (35) um- fasst . 5. solar thermal continuous steam generator (21) according to one of claims 1 to 4, wherein the respective distributor ¬ element (34) between five and 20 outlet pipes (35) summarizes.
6. Solarturm-Kraftwerk (1) mit einem solarthermischen Durchlaufdampferzeuger (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche . 6. solar tower power plant (1) with a solar thermal continuous steam generator (21) according to any one of the preceding claims.
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