WO2012110332A1 - Sonnenkollektorstrang für einen solarthermischen durchlaufdampferzeuger - Google Patents

Sonnenkollektorstrang für einen solarthermischen durchlaufdampferzeuger Download PDF

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Jürgen Birnbaum
Joachim Brodesser
Jan BRÜCKNER
Martin Effert
Joachim Franke
Gerhard Schlund
Tobias Schulze
Frank Thomas
Gerhard Zimmermann
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Siemens Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the invention relates to a solar collector strand for a solar thermal continuous steam generator for a solar thermal power plant with a number of solar heatable and a medium to be heated leading tubes.
  • the invention further relates to a solar thermal power plant ⁇ factory.
  • Solar thermal power plants are an alternative to conventional electricity generation ago ⁇ .
  • running solar thermal power plants with parabolic trough collectors and indirect evaporation are an option.
  • One option is the direct evaporation ⁇ fung in parabolic trough collectors or Fresnel collectors.
  • a solar thermal power plant with parabolic trough collectors or Fresnel collectors and direct evaporation consists of a solar field in which the feedwater is preheated, evaporated and superheated, and from a conventional power plant part in which the thermal energy of Wasserdamp ⁇ fes is converted into electrical energy.
  • the solar thermal power plants are operated with parabolic trough collectors or Fresnel collectors in circulation operation.
  • the water supplied to the evaporator collectors is not completely evaporated, but separated from the steam in a separator.
  • the water is sent to the evaporator closing supplied via a circulating pump and the steam flows to the superheater.
  • the object of the invention is therefore to provide a solar collector strand for a solar thermal steam generator for a solar thermal power plant with parabolic trough or Fresnel collectors and direct evaporation, which is suitable for stable continuous operation.
  • Another object of the invention is to provide a solar thermal cycling steamer tool as well as a solar thermal power plant having a stable ⁇ evaporation.
  • the task directed to a solar collector strand is achieved by the features of claim 1.
  • thermodynamic efficiency thermal power plants are operated at high (ia supercritical) pressures.
  • the evaporator must be run as Autoterrorismflä ⁇ chen, since they are subject to no pressure limit, in contrast to a natural or forced circulation steam generator, so that live steam pressures are well above the critical pressure of water possible.
  • This high live steam pressure promotes a high thermodynamic efficiency of a power plant.
  • a continuous steam generator in comparison to a circulating steam generator a simple construction and is therefore produced with very little effort
  • Reibungstikverlus the two-phase flow or the steam line at the outlet of the steam generator tubes acts destabilizing. The share of this pressure loss in the total pressure loss of the system is therefore to minimize instability.
  • the flow cross-section of the tube increases in the flow direction of the medium to be evaporated.
  • the flow cross-section of the tube increases in the flow direction of the medium to be evaporated as a result of a reduction of a wall thickness of the steam generator tubes.
  • the flow cross-section of the tube increases in the flow direction of the medium to be evaporated as a result of an enlargement of a steam generator tube circumference.
  • the medium to be evaporated is water.
  • a solar thermal continuous steam generator it is advantageous before, when it comprises a collector string according to the invention. Likewise, it is advantageous if a solar thermal power plant comprises such a continuous steam generator.
  • the advantages achieved by the invention are in particular that over a wide load range a stable operation and thus the reliable use is granted even for continuous steam generators in solar thermal power plants with direct evaporation.
  • the pressure loss of the two-phase flow or the steam section acts as a throttle at the outlet of the system and is desta ⁇ bil accrued.
  • the proportion of this pressure loss in the total pressure loss ⁇ the system is to minimize the occurrence of instability. This is effectively achieved by the measure proposed in the invention.
  • the dynamically stable heating surfaces of the evaporator can then be run in continuous operation, resulting in particular for a solar thermal power plant great Vortei ⁇ le.
  • the evaporation end point within the evaporator is flexible.
  • the fluid can already be overheated in the evaporator and thus can be flexibly reacted to fluctuations in the heating of evaporator and superheater.
  • the figure shows schematically a steam generator 1 for a solar thermal power plant with parabolic trough collectors 2 and direct evaporation.
  • the steam generator 1 has a plurality of solar collector strands 3 connected in parallel for evaporating feed water, which is supplied via a feedwater line 4.
  • the solar collector strands 3 are formed from series-connected parabolic trough collectors 2, through whose absorber tubes 5 a working medium to be heated flows.
  • the flow-through heating surface is designed such that the flow cross-section along the tubing string 7 in the flow direction of the working medium is increased. This be he can ⁇ ranges, for example, by reducing the tube wall starch or by choosing a larger flow cross-section. The achieved reduction of the friction pressure loss of the two-phase flow or the steam flow has a stabilizing effect on the flow.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sonnenkollektorstrang (3) für einen solarthermischen Durchlaufdampferzeuger (1) mit einem solar beheizbaren Rohrstrang (7) zum Führen eines zu verdampfenden Mediums, wobei der Rohrstrang (7) Absorberrohre (5) von Parabolrinnen- (2) oder Fresnel-Kollektoren umfasst und wobei der Rohrstrang (7) einen Querschnitt aufweist, der in Störmungsrichtung des zu verdampfenden Mediums variiert. Die Erfindung betrifft ferner einen solarthermischen Durchlaufdampferzeuger (1) und eine solarthermische Kraftwerksanlage.

Description

Beschreibung
Sonnenkollektorstrang für einen solarthermischen Durchlaufdampferzeuger
Die Erfindung bezieht sich auf einen Sonnenkollektorstrang für einen solarthermischen Durchlaufdampferzeuger für eine solarthermische Kraftwerksanlage mit einer Anzahl von solar beheizbaren und ein aufzuheizendes Medium führenden Rohren. Die Erfindung betrifft weiterhin eine solarthermische Kraft¬ werksanlage .
Solarthermische Kraftwerke stellen eine Alternative zur her¬ kömmlichen Stromerzeugung dar. Zurzeit werden solarthermische Kraftwerke mit Parabolrinnenkollektoren und indirekter Verdampfung ausgeführt. Eine Option stellt die direkte Verdamp¬ fung in Parabolrinnenkollektoren oder Fresnel-Kollektoren dar .
Ein solarthermisches Kraftwerk mit Parabolrinnenkollektoren oder Fresnel-Kollektoren und direkter Verdampfung besteht aus einem Solarfeld, in dem das Speisewasser vorgewärmt, verdampft und überhitzt wird, und aus einem konventionellen Kraftwerksteil, in dem die thermische Energie des Wasserdamp¬ fes in elektrische Energie umgewandelt wird.
Bei solarthermischen Kraftwerken mit direkter Verdampfung kommen bislang in den Empfängern ("Receiver") Glattrohre mit der gleichen Rohrgeometrie in allen Verdampferkollektoren zum Einsatz. Aufgrund der großen Rohrlänge und der insgesamt ho¬ hen Beheizung neigt die Strömung des Fluids in den Verdampferkollektoren zu dynamischen Instabilitäten.
Bislang werden die solarthermischen Kraftwerke mit Parabolrinnenkollektoren oder Fresnel-Kollektoren im Umwälzbetrieb gefahren. Das den Verdampferkollektoren zugeführte Wasser wird nicht vollständig verdampft, sondern in einem Abscheider vom Dampf abgetrennt. Das Wasser wird dem Verdampfer an- schließend über eine Umwälzpumpe wieder zugeführt und der Dampf strömt zu den Überhitzerheizflächen.
Ein Betrieb eines solchen Kraftwerks im reinen Durchlaufbe¬ trieb war bislang nicht erfolgreich, was sich sehr wahrscheinlich auf Instabilitäten zurückführen lässt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Sonnenkollektor- strang für einen solarthermischen Dampferzeuger für eine solarthermische Kraftwerksanlage mit Parabolrinnen- oder Fres- nel-Kollektoren und direkter Verdampfung anzugeben, der für einen stabilen Durchlaufbetrieb geeignet ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Angabe eines solarthermischen Durchlaufdampferzeuges sowie einer solarthermischen Kraft¬ werksanlage mit stabiler Verdampfung.
Die auf einen Sonnenkollektorstrang gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Die auf einen solarthermischen Durchlaufdampferzeuger und ei ne solarthermische Kraftwerksanlage gerichteten Aufgaben wer den erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale der Ansprüche und 7.
Für einen hohen thermodynamischen Wirkungsgrad werden thermi sehe Kraftwerke bei hohen (i.a. überkritischen) Drücken betrieben. Hierzu müssen die Verdampfer als Durchlaufheizflä¬ chen ausgeführt werden, da sie im Gegensatz zu einem Naturoder 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. Zudem weist ein Durchlaufdampferzeuger im Vergleich zu einem Umlaufdampferzeuger eine einfache Bauweise auf und ist somit mit besonders geringem Aufwand herstellbar Weiterhin ist bekannt, dass speziell der Reibungsdruckverlus der Zweiphasenströmung bzw. der Dampfstrecke am Austritt der Dampferzeugerrohre destabilisierend wirkt. Der Anteil dieses Druckverlustes am Gesamtdruckverlust des Systems ist deshalb zur Vermeidung einer Instabilität zu minimieren. Dazu wird vorgeschlagen, dass zur Stabilisierung der Verdampferheizflache in einem Sonnenkollektorstrang für einen solarthermischen Durchlaufdampferzeuger mit einem solar beheizbaren Rohrstrang zum Führen eines zu verdampfenden Mediums, bei dem der Rohrstrang Absorberrohre von Parabolrinnen- oder Fresnel- Kollektoren umfasst, der Strömungsquerschnitt des Rohrs vari¬ iert .
In einer vorteilhaften Aus führungs form der Erfindung vergrö- ßert sich der Strömungsquerschnitt des Rohrs in Strömungs- richtung des zu verdampfenden Mediums.
Dabei kann es vorteilhaft sein, wenn sich der Strömungsquerschnitt des Rohrs in Strömungsrichtung des zu verdampfenden Mediums infolge einer Reduzierung einer Wandstärke der Dampferzeugerrohre vergrößert.
Alternativ dazu kann es auch vorteilhaft sein, wenn sich der Strömungsquerschnitt des Rohrs in Strömungsrichtung des zu verdampfenden Mediums infolge einer Vergrößerung eines Dampferzeugerrohrumfangs vergrößert.
Zweckmäßiger Weise ist das zu verdampfende Medium Wasser.
Für einen solarthermischen Durchlaufdampferzeuger ist es vor teilhaft, wenn er einen Kollektorstrang nach der Erfindung umfasst. Ebenso ist es vorteilhaft, wenn eine solarthermisch Kraftwerksanlage einen solchen Durchlaufdampferzeuger umfasst .
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass über einen weiten Lastbereich eine stabile Betriebsweise und damit der betriebssichere Einsatz auch für Durchlaufdampferzeuger in solarthermischen Kraftwerken mit direkter Verdampfung gewährt wird. Der Druckverlust der Zweiphasenströmung bzw. der Dampfstrecke wirkt wie eine Drossel am Austritt des Systems und ist desta¬ bilisierend. Der Anteil dieses Druckverlustes am Gesamtdruck¬ verlust des Systems ist beim Auftreten einer Instabilität zu minimieren. Dies wird durch die in der Erfindung vorgeschlagene Maßnahme wirkungsvoll erreicht.
Die dynamisch stabilen Heizflächen des Verdampfers können dann auch im Durchlaufbetrieb gefahren werden, wodurch sich insbesondere für ein solarthermisches Kraftwerk große Vortei¬ le ergeben. Im Durchlaufbetrieb ist der Verdampfungsendpunkt innerhalb des Verdampfers flexibel. Das Fluid kann bereits im Verdampfer überhitzt werden und damit kann auf Schwankungen in der Beheizung von Verdampfer und Überhitzer flexibel rea- giert werden.
Außerdem wird beim Betrieb des Verdampfers im Durchlaufbe¬ trieb der Eigenbedarf der Anlage reduziert, weil die Umwäl pumpe außer Betrieb geht.
Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnung näher erläutert .
Die Figur zeigt schematisch einen Dampferzeuger 1 für ein so- larthermisches Kraftwerk mit Parabolrinnenkollektoren 2 und direkter Verdampfung. Alternativ zu den Parabolrinnenkollektoren 2 können auch Fresnel-Kollektoren verwendet werden. Der Dampferzeuger 1 weist mehrere parallel geschaltete Sonnenkol- lektorstränge 3 zur Verdampfung von Speisewasser auf, das über eine Speisewasserleitung 4 zugeführt wird. Die Sonnen- kollektorstränge 3 werden aus hintereinander geschalteten Parabolrinnenkollektoren 2 gebildet, durch deren Absorberrohre 5 ein aufzuheizendes Arbeitsmedium strömt. Die hintereinander geschalteten Absorberrohre 5, die gegebenenfalls mit Zwi- schenstücken 6 verbunden sind, bilden einen Rohrstrang 7. Erfindungsgemäß ist die Durchlaufheizfläche derart ausgelegt, dass der Strömungsquerschnitt entlang dem Rohrstrang 7 in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums vergrößert wird. Dies kann beispielsweise durch eine Reduzierung der Rohrwandstärk oder durch die Wahl eines größeren Strömungsquerschnitts er¬ reicht werden. Die erzielte Verringerung des Reibungsdruckverlustes der Zweiphasenströmung beziehungsweise der Dampfströmung wirkt sich stabilisierend auf die Strömung aus.

Claims

Patentansprüche
1. Sonnenkollektorstrang (3) für einen solarthermischen
Durchlaufdampferzeuger (1) mit einem solar beheizbaren Rohrstrang (7) zum Führen eines zu verdampfenden Mediums, wobei der Rohrstrang (7) Absorberrohre (5) von Parabol- rinnen- (2) oder Fresnel-Kollektoren umfasst und wobei der Rohrstrang (7) einen Querschnitt aufweist, der in Strömungsrichtung des zu verdampfenden Mediums variiert.
2. Sonnenkollektorstrang (3) nach Anspruch 1, wobei sich der Strömungsquerschnitt des Rohrstrangs (7) in Strömungs¬ richtung des zu verdampfenden Mediums vergrößert.
3. Sonnenkollektorstrang (3) nach Anspruch 2, wobei sich der Strömungsquerschnitt des Rohrstrangs (7) in Strömungs¬ richtung des zu verdampfenden Mediums infolge einer Reduzierung einer Wandstärke des Rohrstrangs (7) vergrößert.
4. Sonnenkollektorstrang (3) nach Anspruch 2, wobei sich der Strömungsquerschnitt des Rohrstrangs (7) in Strömungs¬ richtung des zu verdampfenden Mediums infolge einer Vergrößerung eines Rohrumfangs vergrößert.
5. Sonnenkollektorstrang (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zu verdampfende Medium Wasser ist.
6. Solarthermischer Durchlaufdampferzeuger (1) mit parallel geschalteten Sonnenkollektorsträngen (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
7. Solarthermische Kraftwerksanlage mit einem Durchlauf¬ dampferzeuger (1) nach Anspruch 6.
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