WO2012140007A2 - Solarthermisches kraftwerk mit speicher für ein wärmeträgermedium und verfahren zum betreiben des solarthermischen kraftwerks im entlademodus des speichers - Google Patents

Solarthermisches kraftwerk mit speicher für ein wärmeträgermedium und verfahren zum betreiben des solarthermischen kraftwerks im entlademodus des speichers Download PDF

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    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y02E10/46—Conversion of thermal power into mechanical power, e.g. Rankine, Stirling or solar thermal engines

Definitions

  • the invention relates to a solar thermal power plant with storage for a heat transfer medium and to a method for operating a steam power plant in the discharge mode of the
  • Thermal power plants are usually equipped with thermal storage (heat transfer medium storage), in case of lack of solar radiation, for example after
  • a power delivery of the power plant can be adapted to daily electricity revenues (for example delivery in the "peak" hours, ie when the demand for electricity is high).
  • a solar field with which the solar thermal power plant is fed with thermal energy, so dimensioned that at sufficiently strong solar irradiation excess thermal power that can not be removed from the power block of the power plant, indirectly from a storage system (eg two-tank System with molten salt) or directly absorbed.
  • a storage capacity of the excess thermal power storage system is direct
  • Heat source and heat sink e.g., hot tank and cold
  • the storage capacity is dependent on the mass and the heat capacity of the used
  • Storage medium heat transfer medium
  • the storage capacity is fixed, as an upper and a lower
  • Temperature results from the temperature of hot HTF (heat transfer fluid) from the solar field.
  • the lower temperature is determined by an exit temperature of the HTF from the steam generator.
  • the outlet temperature in turn depends on a feed water temperature in the
  • the object of the present invention is to show how the storage capacity of a thermal storage for a solar power plant can be increased in a simple manner.
  • a solar thermal power plant with at least one heat transfer medium storage for storing a heat transfer medium (TES), in the solar energy
  • TES heat transfer medium
  • the steam cycle at least one feedwater pre-heating device for preheating feed water of the steam circuit and at least one steam cycle bypass line for bypassing the feedwater pre-heating device.
  • Steam cycle bypass line may be in response to an operating mode of the heat transfer medium storage
  • Operating mode of the heat transfer medium storage is in particular a discharge mode (unloading operation) for removal of heat transfer medium from the heat transfer medium storage.
  • Process step specified Activate the steam bypass line depending on the operating mode of the
  • Heat transfer medium storage so that feed water flows through the steam cycle bypass line.
  • a discharge mode of the heat transfer medium storage for the removal of heat transfer medium from the heat transfer medium storage is used as the operating mode.
  • stored heat is stored e.g. transferred by means of a heat exchanger from the heat transfer medium to a heat transfer medium (HTF), with which the
  • Heat transfer medium from the heat transfer medium storage and heat sink (feed water) to increase. This increases the storage capacity of the heat transfer medium storage according to the following equation:
  • the steam cycle bypass line is activated (opened).
  • the feed water is no longer preheated to the extent that would be necessary for a high efficiency of steam generation.
  • the steam cycle bypass line is a high pressure pre-heater bypass.
  • the active high-pressure preheater ensures that the feed water is optimal for high steam generation efficiency
  • High pressure preheater bypass will provide efficient discharge water heating by means of steam for discharge mode
  • the steam cycle bypass line such as the high pressure pre-heater bypass, may be controlled.
  • Storage capacity of the heat transfer medium storage can be accurately adjusted.
  • the heat transfer medium is, for example, a selected from the group molten salt and thermal oil heat transfer fluid.
  • the molten salt is, for example, a mixture with sodium nitrate (60% by weight) and potassium nitrate (40% by weight).
  • Thermo-oil for example, is Therminol® VP1.
  • the figure shows a circuit diagram of a solar thermal
  • Solar thermal power plant 1 has two heat transfer medium storage 2 for storing a heat transfer medium 21.
  • the solar thermal power plant 1 has a
  • the steam cycle bypass line 41 is activated, ie open.
  • the high-pressure preheater of the steam circuit is completely bypassed.
  • the temperature of the feedwater drops to the level of the feedwater tank 42.
  • Water vapor bypass line activated to 0% (discharge mode A, a feedwater flow through the steam bypass line is completely inhibited) and 100%
  • discharge mode B the steam bypass line is activated so that feed water only passes through the water vapor bypass line.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein solarthermisches Kraftwerk mit mindestens einem Wärmeträgermedium-Speicher zum Speichern eines Wärmeträgermediums, in das Sonnenenergie eingekoppelt ist, und mindestens einem Wasserdampfkreislauf zum Erzeugung von Wasserdampf mittels eingekoppelter Sonnenenergie angegeben. Dabei weist der Wasserdampfkreislauf mindestens eine Speisewasservorwärm-Vorrichtung zum Vorwärmen von Speisewasser des Wasserdampfkreislaufs und mindestens eine Wasserdampfkreislauf-Bypass-Leitung zum Umgehen der Speisewasservorwärm-Vorrichtung auf. Die Wasserdampfkreislauf-Bypass-Leitung kann in Abhängigkeit von einem Betriebs-Modus des Wärmeträgermedium-Speichers aktiviert werden, so dass Speisewasser durch die Wasserdampfkreislauf-Bypass-Leitung strömen kann. Der Betriebsmodus des Wärmeträgermedium-Speichers ist insbesondere ein Entlademodus (Entladebetrieb) zur Entnahme von Wärmeträgermedium aus dem Wärmeträgermedium-Speicher. Daneben wird ein Verfahren zum Betreiben eines solarthermischen Kraftwerks mit folgendem Verfahrensschritt angegeben: Aktivieren der Wasserdampf-Bypass-Leitung in Abhängigkeit vom Betriebs-Modus des Wärmeträgermedium- Speichers, so dass Speisewasser durch die Wasserdampfkreislauf-Bypass-Leitung strömt. Mit Hilfe des Wasserdampfkreislauf-Bypasses wird im Entlademodus die Speiswassertemperatur abgesenkt. Dadurch erhöht sich die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Wärmesenke und in Folge davon die Speicherkapazität des Wärmeträgermedium- Speichers.

Description

Beschreibung
Solarthermisches Kraftwerk mit Speicher für ein
Wärmeträgermedium und Verfahren zum Betreiben des
solarthermischen Kraftwerks im Entlademodus des Speichers
Die Erfindung betrifft ein solarthermisches Kraftwerk mit Speicher für ein Wärmeträgermedium sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Dampfkraftwerks im Entlademodus des
Speichers .
Solarthermische Kraftwerke sind üblicherweise mit thermischen Speichern (Wärmeträgermedium-Speicher) ausgestattet, um bei mangelnder solarer Einstrahlung, beispielsweise nach
Sonnenuntergang, weiterhin elektrischen Strom produzieren zu können. Ein weiterer Vorteil solcher thermischer Speicher ist die Möglichkeit, eine Wärmeaufnahme und Wärmeabgabe im
Kreislauf des Wärmeträgermediums unabhängig voneinander gestalten zu können. Dadurch kann eine Stromlieferung des Kraftwerks an tageszeitliche Stromerlöse angepasst werden (z.B. Lieferung in den „peak" Stunden, also, wenn der Bedarf an Strom hoch ist) .
Dazu ist ein Solarfeld, mit dem das solarthermische Kraftwerk mit thermischer Energie gespeist wird, so dimensioniert, dass bei genügend starker solarer Einstrahlung überschüssige thermische Leistung, die vom Power Block des Kraftwerks nicht abgenommen werden kann, von einem Speichersystem indirekt (z.B. Zwei-Tank-System mit geschmolzenem Salz) oder direkt aufgenommen wird. Eine Speicherkapazität des Speichersystems für die überschüssige thermische Leistung ist direkt
proportional zu einer Temperaturdifferenz zwischen
Wärmequelle und Wärmesenke (z.B. heißer Tank und kalter
Tank) . Darüber hinaus ist die Speicherkapazität abhängig von der Masse und von der Wärmekapazität des verwendeten
Speichermediums (Wärmeträgermedium) . Bei gegebener Masse des Speichermediums liegt die Speicherkapazität fest, da eine obere und eine untere
Temperatur durch Auslegung des Solarfeldes und eines
Dampferzeugers des Kraftwerks vorgegeben ist. Die obere
Temperatur resultiert aus der Temperatur von heißem HTF (Heat Transfer Fluid, Wärmeübertragungsmedium) aus dem Solarfeld. Die untere Temperatur ist durch eine Austrittstemperatur des HTF aus dem Dampferzeuger festgelegt. Die Austrittstemperatur hängt ihrerseits von einer Speisewassertemperatur im
Wasserdampfkreislauf ab und ist durch dessen Auslegung bestimmt. Der Wasserdampfkreislauf wird für einen hohen
Wirkungsgrad ausgelegt und üblicherweise auch so im
Entlademodus des Speichers betrieben, bei dem dem Speicher Wärmeträgermedium entnommen wird.
Die Speicherkapazität wird bisher durch eine Erhöhung der eingesetzten Masse gesteigert. Dies ist aber mit nicht unerheblichen zusätzlichen Kosten verbunden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, aufzuzeigen, wie die Speicherkapazität eines thermischen Speichers für ein Solarkraftwerk auf einfache Weise erhöht werden kann.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein solarthermisches Kraftwerk mit mindestens einem Wärmeträgermedium-Speicher zum Speichern eines Wärmeträgermediums (TES), in das Sonnenenergie
eingekoppelt ist, und mindestens einem Wasserdampfkreislauf zum Erzeugung von Wasserdampf mittels eingekoppelter
Sonnenenergie angegeben. Dabei weist der Wasserdampfkreislauf mindestens eine Speisewasservorwärm-Vorrichtung zum Vorwärmen von Speisewasser des Wasserdampfkreislaufs und mindestens eine Wasserdampfkreislauf-Bypass-Leitung zum Umgehen der Speisewasservorwärm-Vorrichtung auf. Die
Wasserdampfkreislauf-Bypass-Leitung kann in Abhängigkeit von einem Betriebs-Modus des Wärmeträgermedium-Speichers
aktiviert werden, so dass Speisewasser durch die
Wasserdampfkreislauf-Bypass-Leitung strömen kann. Der
Betriebsmodus des Wärmeträgermedium-Speichers ist insbesondere ein Entlademodus (Entladebetrieb) zur Entnahme von Wärmeträgermedium aus dem Wärmeträgermedium-Speicher.
Zur Lösung der Aufgabe wird auch ein Verfahren zum Betreiben eines solarthermischen Kraftwerks mit folgendem
Verfahrensschritt angegeben: Aktivieren der Wasserdampf- Bypass-Leitung in Abhängigkeit vom Betriebs-Modus des
Wärmeträgermedium-Speichers, so dass Speisewasser durch die Wasserdampfkreislauf-Bypass-Leitung strömt. Als Betriebsmodus wird insbesondere ein Entlademodus des Wärmeträger-Speichers zur Entnahme von Wärmeträgermedium aus dem Wärmeträgermedium- Speicher verwendet. Dabei wird gespeicherte Wärme z.B. mit Hilfe eines Wärmetauschers von dem Wärmeträgermedium auf ein Wärmeübertragungsmedium (HTF) übertragen, mit dem die
Dampferzeugungseinheit des Kraftwerks betrieben wird.
Die grundlegende Idee der Erfindung liegt darin, die
Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle (heißes
Wärmeträgermedium aus dem Wärmeträgermedium-Speicher) und Wärmesenke (Speisewasser) zu erhöhen. Dadurch erhöht sich die Speicherkapazität des Wärmeträgermedium-Speichers gemäß folgender Gleichung:
Speicherkapazität
Ifl-Wärmeträgermedium " Cwärmeträgermedium " (Theiß —
Figure imgf000005_0001
(1)
Im Entlademodus wird die Wasserdampfkreislauf-Bypass-Leitung aktiviert (geöffnet) . Das Speisewasser wird nicht mehr in dem Maße vorgewärmt, wie es für einen hohen Wirkungsgrad der Dampferzeugung notwendig wäre. Durch die Öffnung der
Wasserdampfkreislauf-Bypass-Leitung wird der Wirkungsgrad des solarthermischen Kraftwerks vermindert. Allerdings wird die Verminderung des Wirkungsgrades durch den Nutzen der Erhöhung der Speicherkapazität überkompensiert. Damit wird ein
elektrischer Ertrag des solarthermischen Kraftwerks erhöht. Dagegen ist im Normalmodus (z.B. bei ausreichender
Sonneneinstrahlung) die Wasserdampfkreislauf-Bypass-Leitung deaktiviert (geschlossen) , so dass die Dampferzeugung mit hohem Wirkungsgrad erfolgen kann.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung kann die
Speisewasservorwärm-Vorrichtung mittels Dampf mindestens einer Dampfturbine des solarthermischen Kraftwerks betrieben werden. Vorzugsweise wird für die letzten Stufen der
Vorwärmung Anzapfdampf aus einer Hochdruckdampfturbine eingesetzt. Die Wasserdampfkreislauf-Bypass-Leitung ist ein Hochdruckvorwärmer-Bypass . Mit dem aktiven Hochdruckvorwärmer ist im Normalmodus sicher gestellt, dass das Speisewasser für einen hohen Wirkungsgrad der Dampferzeugung optimal
vorgewärmt wird. Durch einfaches Öffnen des
Hochdruckvorwärmer-Bypasses wird für den Entlademodus die effiziente Speisewasservorwärmung mittels Dampf der
Hochdruckdampfturbine unterbunden .
Ein (ungeregelter) Hochdruckvorwärmer-Bypass ist
standardmäßig in jedem Wasserdampfkraftwerk zur Beherrschung von Störfällen etc. vorgesehen. Dies hat den Vorteil, dass mit einer derartigen Wasserdampfkreislauf-Bypass-Leitung keine zusätzlichen Geräte-Kosten verbunden sind.
Alternativ kann die Wasserdampfkreislauf-Bypass-Leitung, beispielsweise der Hochdruckvorwärmer-Bypass, geregelt ausgeführt werden. Somit kann die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Wärmesenke und damit die
Speicherkapazität des Wärmeträgermedium-Speichers genau eingestellt werden.
Die Vorgehensweise mit der Wasserdampfkreislauf-Bypass- Leitung ist grundsätzlich unabhängig vom verwendeten
Wärmeträgermedium. Das Wärmeträgermedium ist beispielsweise ein aus der Gruppe Salzschmelze und Thermoöl ausgewähltes Wärmeträgerfluid . Die Salzschmelze ist beispielsweise eine Mischung mit Natriumnitrat (60 Gew.%) und Kaliumnitrat (40 Gew.%) . Als Thermoöl kommt beispielsweise Therminol® VP1 zum Einsatz . Zusammengefasst sind mit der Erfindung folgende Vorteile verbunden :
- Durch eine angepasste Fahrweise des solarthermischen
Kraftwerkes mit thermischen Speichern ist es möglich, eine untere Speichertemperatur abzusenken, ohne die Auslegung des Wasserdampfkreislaufs , des Solarfeldes des solarthermischen Kraftwerkes oder die verfügbare Speichermasse des
Wärmeträgermediums zu ändern.
- Durch die resultierende erhöhte Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Wärmesenke erhöht sich die
Speicherkapazität des Wärmeträgermedium-Speichers. Damit erhöht sich auch eine mögliche Betriebszeit im Entlademodus.
Anhand eines Ausführungsbeispiels und der dazugehörigen Figur wird die Erfindung im Folgenden näher beschrieben.
Die Figur zeigt ein Schaltbild eines solarthermischen
Kraftwerks .
Gegeben ist ein solarthermisches Kraftwerk 1. Das
solarthermische Kraftwerk 1 weist zwei Wärmeträgermedium- Speicher 2 zum Speichern eines Wärmeträgermediums 21 auf.
Ausgehend vom Solarfeld 3 wird mit Hilfe des HTFs 31 bei genügend hoher Sonneneinstrahlung Sonnenenergie über den Wärmetauscher 32 in das Wärmeträgermedium 21 eingekoppelt.
Das solarthermische Kraftwerk 1 verfügt über einen
Wasserdampfkreislauf 4. Im Dampferzeuger 5 wird mit Hilfe des HTFs 31 Wasserdampf erzeugt, der sich in eine Turbine 6 entspannt, mit der ein Generator 7 zu Stromgewinnung
angetrieben wird.
Im Normalmodus wird mit Hilfe von Dampf der Hochdruckturbine 61 Speisewasser des Wasserdampfkreislaufs 4 in der Speisewasservorwärm-Vorrichtung (u.a. Hochdruckvorwärmer) 62 erwärmt .
Dagegen wird bei schwacher oder bei keiner Sonneneinstrahlung auf das Solarfeld 3 im Entlademodus des Wärmeträgermedium- Speichers, bei dem dem Wärmeträgermedium-Speicher Wärme entnommen wird, um gespeicherte Wärme über den Wärmetauscher 32 an das HTF abzugeben, die Wasserdampfkreislauf-Bypass- Leitung 41 aktiviert, d.h. geöffnet. Der Hochdruckvorwärmer des Wasserdampfkreislaufs wird komplett umfahren. Dadurch sinkt die Temperatur des Speisewassers auf das Niveau vom Speisewasserbehälter 42. Als Konsequenz fällt die
Austrittstemperatur des HTF aus dem Dampferzeuger 5.
Ausgehend von einer Masse des Wärmeträgermediums von 30.760 t resultieren die in nachfolgender Tabelle zusammengefassten Werte für die beiden extremen Situationen, dass die
Wasserdampf-Bypass-Leitung zu 0% aktiviert (Entlademodus A, ein Durchströmen von Speisewasser durch die Wasserdampf- Bypass-Leitung ist komplett unterbunden) und zu 100%
aktiviert (Entlademodus B, die Wasserdampf-Bypass-Leitung ist aktiviert, so dass Speisewasser nur über die Wasserdampf- Bypass-Leitung gelangt) ist.
Neben Gleichung (1) wurden folgende Gleichungen zur
Berechnung der Werte der Tabelle herangezogen, wobei r|th-haifnet für den Wirkungsgrad steht:
■Phalfnet ^Generator — PHTF-Pumpen — Psalzpumpen ( 2 ) Tabelle :
Entlademodus
A B
HTF Temperatur am Ausgang des [C°]
Dampferzeugers 302 285
Temperatur des kalten Tanks des [C°] 309 292 Wärmeträger-Speichers
Temperatur des heißen Tanks des [C°] 389 389 Wärmeträger-Speichers
Speicherkapazität des [MWh] 1027 1245 Wärmeträgermediums (TES)
■^Generator [Mwe] 117, 54 117,45
QTESHX [MWth] 313,30 324, 60
PH F Pumpen [MWth] 3,4 2,7
PSalzpumpen [MWth] 1,5 1,2
Phalfnet [Mwe] 112, 69 113, 60
Wirkungsgrad 35, 97 35.00
Energie (halfnet) 369 336

Claims

Patentansprüche
1. Solarthermisches Kraftwerk (1) mit
- mindestens einem Wärmeträgermedium-Speicher (2) zum
Speichern eines Wärmeträgermediums (21), in das Sonnenenergie eingekoppelt ist, und
- mindestens einem Wasserdampfkreislauf (4) zum Erzeugung von Wasserdampf mittels eingekoppelter Sonnenenergie,
wobei der Wasserdampfkreislauf (4)
- mindestens eine Speisewasservorwärm-Vorrichtung (62) zum Vorwärmen von Speisewasser des Wasserdampfkreislaufs (4) und
- mindestens eine Wasserdampfkreislauf-Bypass-Leitung (41) zum Umgehen der Speisewasservorwärm-Vorrichtung (62) aufweist und
- die Wasserdampfkreislauf-Bypass-Leitung (41) in
Abhängigkeit von einem Betriebs-Modus des Wärmeträgermedium- Speichers (2) aktiviert werden kann, so dass Speisewasser durch die Wasserdampfkreislauf-Bypass-Leitung (41) strömen kann .
2. Solarthermisches Kraftwerk nach Anspruch 1, wobei der Betriebsmodus des Wärmeträgermedium-Speichers (2) ein
Entlademodus zur Entnahme von Wärmeträgermedium (21) aus dem Wärmeträgermedium-Speicher (2) ist.
3. Solarthermisches Kraftwerk nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Speisewasservorwärm-Vorrichtung (62) mittels Dampf mindestens einer Dampfturbine (6, 61) des solarthermischen Kraftwerks (1) betrieben werden kann.
4. Solarthermisches Kraftwerk nach Anspruch 3, wobei die Dampfturbine (6) eine Hochdruckdampfturbine (61) ist.
5. Solarthermisches Kraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Wasserdampfkreislauf-Bypass-Leitung (41) geregelt ist.
6. Solarthermisches Kraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Wärmeträgermedium (21) mindestens ein aus der Gruppe Salzschmelze und Thermoöl ausgewähltes
Wärmeträgerfluid ist.
7. Verfahren zum Betreiben eines solarthermischen Kraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit folgendem
Verfahrensschritt :
Aktivieren der Wasserdampf-Bypass-Leitung (41) in
Abhängigkeit vom Betriebs-Modus des Wärmeträgermedium- Speichers (2), so dass Speisewasser durch die
Wasserdampfkreislauf-Bypass-Leitung (41) strömt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei als Betriebsmodus ein Entlademodus des Wärmeträger-Speichers (2) zur Entnahme von Wärmeträgermedium (21) aus dem Wärmeträgermedium-Speicher verwendet wird.
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