WO2012156350A2 - Dampferzeuger, insbesondere für ein solarthermisches kraftwerk - Google Patents

Dampferzeuger, insbesondere für ein solarthermisches kraftwerk Download PDF

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    • F22B29/061—Construction of tube walls
    • F22B29/064—Construction of tube walls involving horizontally- or helically-disposed water tubes

Definitions

  • the invention relates to a steam generator, in particular for a solar thermal power plant, for generating superheated steam by means of solar energy.
  • Solar thermal power plants are used as an alternative to herkömm ⁇ union power plants to generate electricity in order to defuse the existing carbon dioxide problem.
  • solar energy is converted into electrical energy.
  • parabolic trough collectors In conventional solar thermal power plants solar panels with parabolic trough collectors are used as receivers of solar energy. As an alternative to parabolic trough collectors or Fresnel collectors, solar towers with heliostat solar fields are also used.
  • Such solar thermal power plants with indirect Verdamp ⁇ tion have a steam generator.
  • the steam generator comprises a heat transfer circuit (primary circuit) with a heat transfer medium and a water / steam circuit (Se ⁇ kundärniklauf) with water.
  • the heat transfer medium of the heat ⁇ transfer circuit for example a thermal oil or a molten salt ⁇ takes the solar energy in the form of heat (thermi ⁇ specific energy).
  • the heat transfer medium is heated, the heat absorbed by the heat transfer medium heat is transferred using a feedwater pre-heater, an evaporator and an over ⁇ heater to the water of the water / steam cycle ü. In this case, superheated steam is generated.
  • the stored in the superheated steam thermal energy is used to obtain electrical energy, which thermal energy is converted into electrical energy.
  • the solar thermal power plant is followed by a conventional part, in which the conversion of the thermal energy of the carried superheated steam into electrical energy, wherein ⁇ play, with the aid of a steam turbine.
  • the invention is therefore an object of the invention to provide a steam generator, which is compact.
  • the steam generator comprises a pressure vessel, a heat carrier circuit with a heat transfer medium for receiving solar energy in the form of heat; a water / steam circuit with What ⁇ ser, wherein the heat transfer circuit and the What ⁇ water / steam circuit in the steam generator are thermally coupled with ⁇ each other, the What ⁇ water / steam circuit is provided for a forced flow steam generator and a feedwater economizer, an evaporator and a superheater, which are accommodated in the pressure vessel, and at least one accommodated in the pressure vessel water / steam pipe, which is thermally coupled to the feedwater, the evaporator and the superheater is provided, wherein the at least one water pipe in Inside the pressure vessel from an inlet, which is arranged in the region of the feedwater pre-heater extends to an outlet in the region of Studentshit ⁇ zers.
  • the invention is based on the finding that a compact and therefore cost-effective design can be obtained by the at least one water / steam pipe (pipe) of the primary circuit is disposed within the pressure vessel of the steam generator.
  • the heat transfer medium occurs in the vicinity of the upper end of the pressure vessel of the steam generator in a ne superheater heating and heated by the thermal coupling to the water or the steam of the secondary circuit.
  • the heat transfer medium flows through the pressure vessel of the steam generator from top to bottom and leaves it at the bottom, where it is guided in a circuit.
  • the water / steam circuit helical heating surfaces, in the center of which at least one water / steam pipe (pipe) of the heat transfer circuit is arranged.
  • helix ⁇ shaped heating surfaces have a free space in its center.
  • water / steam pipe is arranged, whereby the heat transfer medium is passed to the superheater in the upper region of the pressure vessel.
  • the dividers serve as spacers between individual Schuffle ⁇ SSIG, at the same time they form flow channels in the bundle, which extend transversely to the pipe run. Thereby, a so-called streak formation in the heat carrier medium along a pipe is prevented and all of the tubes in a tube bundle are subjected gleichze ⁇ SSIG.
  • the helical heating surfaces comprise a bundle of multiple water / steam tubes, each have the same length and possibly a different pitch on ⁇ .
  • the water / steam tube of individual cylindrical shells of the helical heating surfaces depending their distance from the center different lengths.
  • a variant of the invention therefore provides that the pitch of the helix of the inner cylindrical shells of the tube bundle is smaller or shallower than that of the cylindrical shells located further out.
  • the water / steam steam circuit has meandering heating surfaces and that the at least one water / steam pipe is arranged as a heat transfer pipe in a free space next to the heating surfaces.
  • a plurality, for example four, water / steam tube are present, which are arranged ⁇ between the meander-shaped heating surfaces and the inside of the pressure vessel of the steam generator according to the invention.
  • FIG. 1 shows a steam generator according to the invention with meandering heating surfaces in a sectional view
  • FIG. 2 shows a steam generator according to the invention with helical heating surfaces in a sectional view
  • Fig. 3 is a cross section of the steam generator shown in Fig. 2.
  • the steam generator 1 shown in a sectional view in Fig. 1 comprises a pressure vessel 2, in which a feedwater heater 3 (economizer), an evaporator 4 and a superheater 5 are arranged.
  • Feedwater preheater 3, evaporator 4 and superheater 5 are arranged in this order from bottom to top in the pressure vessel 2 of the steam generator 1. assigns. These components are part of what ⁇ ser / steam circuit (secondary circuit) with water.
  • Feed water is supplied via an inlet 6 and heated in Spei ⁇ sewasservor Anlagenr 3.
  • evaporation of the water sets in, so that predominantly pure steam is present in the superheater 5 and leaves the pressure vessel 2 via an outlet 7.
  • the superheated steam may be supplied to a steam turbine to produce electrical energy in this manner.
  • a separating vessel 8 which serves as a separator and the liquid phase and the gaseous phase of the water separates, so that the gas ⁇ shaped phase in the superheater 5 and the liquid phase is fed to the feedwater preheater.
  • the steam generator 1 comprises a heat transfer circuit (Pri ⁇ märniklauf) with a heat transfer medium, in the illustrated embodiment, a thermal oil is used as the heat transfer ⁇ medium.
  • the heat transfer medium absorbs the solar energy in the form of thermal energy, whereby it is heated.
  • this inlet 9, 10 for the heat transfer medium which flows from there in vertically angeord ⁇ Neten pipes 11, 12 into the upper region of the pressure vessel 2.
  • the pipes 11, 12 and the heat transfer medium flows through Switzerland redesign of superheater 5, evaporator 4 and feedwater heater 3 back down. Due to the thermal coupling, the nickelträ ⁇ germedium heat is to the water or to the steam in the superheater 5, evaporator 4 and 3 from feedwater.
  • the heat transfer medium leaves the pressure vessel 2 via an outlet 13 on the underside of the pressure vessel. 2
  • Fig. 2 and 3 show a second embodiment of a steam generator 14.
  • the steam generator 14 comprises a pressure vessels ⁇ ter 15 with helical heating surfaces 16, 17.
  • a pipe 18 In the center of helixfömrigen heating surfaces 16, 17 there is an open space defined by a pipe 18 is penetrated, which is filled with the heat transfer medium.
  • the conduit 18 extends from an inlet 19 in the lower region of the pressure vessel 15 to the upper portion of the pressure vessel 15 where it Mün ⁇ det.
  • the heat transfer medium thus flows around the helical heating surfaces 16, 17 from top to bottom, through the thermal coupling, the helical heating surfaces 16, 17 are heated.
  • FIG. 3 is a sectional view of FIG. 2.

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Abstract

Dampferzeuger (1), insbesondere für ein solarthermisches Kraftwerk, umfassend: einen Druckbehälter (2); einen Wärmeträgerkreislauf mit einem Wärmeträgermedium zur Aufnahme von solarer Energie in Form von Wärme; einen Wasser/Wasserdampfkreislauf mit Wasser, wobei der Wärmeträgerkreislauf und der Wasser/Wasserdampfkreislauf in dem Dampferzeuger (1) thermisch miteinander gekoppelt sind, wobei der Wasser/Wasserdampfkreislauf für einen Zwangsdurchlauf-Dampferzeuger vorgesehen ist und einen Speisewasservorwärmer (3), einen Verdampfer (4) und einen Überhitzer (5) umfasst, die in dem Druckbehälter (2) aufgenommen sind; wobei der Wärmeträgerkreislauf wenigstens ein in dem Druckbehälter (2) aufgenommenes Wasser-/Dampfrohr umfasst, das mit dem Speisewasservorwärmer (3), dem Verdampfer (4) und dem Überhitzer (5) thermisch gekoppelt ist, wobei sich das wenigstens eine Wasser-/Dampfrohr von einem Einlass (9, 10), der im Druckbehälter (2) im Bereich des Speisewasservorwärmers (3) angeordnet ist, im Inneren des Druckbehälters (2) bis einem Auslass im Bereich des Überhitzers (5) erstreckt.

Description

Beschreibung
Dampferzeuger, insbesondere für ein solarthermisches Kraft¬ werk
Die Erfindung betrifft einen Dampferzeuger, insbesondere für ein solarthermisches Kraftwerk, zur Erzeugung von überhitztem Wasserdampf mittels solarer Energie.
Solarthermische Kraftwerke werden als Alternative zu herkömm¬ lichen Kraftwerken zur Stromerzeugung eingesetzt, um die bestehende Kohlendioxid-Problematik zu entschärfen. In solarthermischen Kraftwerken wird Sonnenenergie in elektrische E- nergie umgewandelt.
Bei herkömmlichen solarthermischen Kraftwerken werden Solarfelder mit Parabolrinnen-Kollektoren als Empfänger der Solarenergie verwendet. Alternativ zu Parabolrinnen-Kollektoren oder Fresnel-Kollektoren werden auch Solartürme mit Heliostaten-Solarfeldern eingesetzt.
Derartige solarthermische Kraftwerke mit indirekter Verdamp¬ fung weisen einen Dampferzeuger auf. Der Dampferzeuger um- fasst einen Wärmeträger-Kreislauf (Primärkreislauf) mit einem Wärmeträgermedium und einen Wasser/Wasserdampf-Kreislauf (Se¬ kundärkreislauf) mit Wasser. Das Wärmeträgermedium des Wärme¬ trägerkreislaufs, beispielsweise ein Thermoöl oder eine Salz¬ schmelze, nimmt die solare Energie in Form von Wärme (thermi¬ sche Energie) auf. Das Wärmeträgermedium wird erwärmt, die durch das Wärmeträgermedium aufgenommene Wärme wird mit Hilfe eines Speisewasservorwärmers, eines Verdampfers und eines Üb¬ erhitzers an das Wasser des Wasser/Wasserdampf-Kreislaufs ü- bertragen. Dabei wird überhitzter Wasserdampf erzeugt. Die im überhitzten Wasserdampf gespeicherte thermische Energie wird zur Gewinnung von elektrischer Energie benutzt, wodurch thermische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird. Dem solarthermischen Kraftwerk ist ein konventioneller Teil nachgeschaltet, in dem die Umwandlung der thermischen Energie des überhitzten Wasserdampfs in elektrische Energie erfolgt, bei¬ spielsweise mit Hilfe einer Dampfturbine.
Herkömmliche Dampferzeuger weisen eine beträchtliche Größe auf, beispielsweise kann ein Dampferzeuger 30 Meter hoch sein. Wegen der großen Massenströme sind die Rohrleitungen vergleichsweise groß dimensioniert, wodurch die Montage auf¬ wändig und teuer ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Dampferzeuger anzugeben, der kompakt aufgebaut ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Dampferzeuger mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgesehen. Erfindungsgemäß umfasst der Dampferzeuger einen Druckbehälter, einen Wärmeträgerkreislauf mit einem Wärmeträgermedium zur Aufnahme von solarer Energie in Form von Wärme; einen Wasser/Wasserdampfkreislauf mit Was¬ ser, wobei der Wärmeträgerkreislauf und der Was¬ ser/Wasserdampfkreislauf in dem Dampferzeuger thermisch mit¬ einander gekoppelt sind, wobei der Was¬ ser/Wasserdampfkreislauf für einen Zwangsdurchlauf- Dampferzeuger vorgesehen ist und einen Speisewasservorwärmer (Economizer) , einen Verdampfer und einen Überhitzer umfasst, die in dem Druckbehälter aufgenommen sind, sowie wenigstens ein in dem Druckbehälter aufgenommenes Wasser-/Dampfrohr, das mit dem Speisewasservorwärmer, dem Verdampfer und dem Überhitzer thermisch gekoppelt ist, vorgesehen ist, wobei sich das wenigstens eine Wasserrohr im Inneren des Druckbehälters von einem Einlass, der im Bereich des Speisewasservorwärmers angeordnet ist, bis zu einem Auslass im Bereich des Überhit¬ zers erstreckt.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass eine kompakte und damit kostengünstige Bauweise erhalten werden kann, indem das wenigstens eine Wasser-/Dampfrohr (Rohrleitung) des Primärkreislaufs innerhalb des Druckbehälters des Dampferzeugers angeordnet ist. Dabei tritt das Wärmeträgermedium in der Nähe des oberen Endes des Druckbehälters des Dampferzeugers in ei- ne Überhitzerheizfläche ein und heizt durch die thermische Kopplung das Wasser bzw. den Dampf des Sekundärkreislaufs auf. Das Wärmeträgermedium durchströmt den Druckbehälter des Dampferzeugers von oben nach unten und verlässt ihn an der Unterseite, wobei es in einem Kreislauf geführt ist.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann der Wasser/Wasserdampfkreislauf helixförmige Heizflächen aufweisen, in deren Zentrum das wenigstens eine Wasser-/Dampfrohr (Rohrleitung) des Wärmeträgerkreislaufs angeordnet ist. Bei dieser Anordnung wird von der Tatsache Gebrauch gemacht, dass helix¬ förmige Heizflächen einen Freiraum in ihrem Zentrum aufweisen. In diesem Freiraum ist das als Rohrleitung für das Wärmeträgermedium ausgebildete Wasser-/Dampfrohr angeordnet, wodurch das Wärmeträgermedium zum Überhitzer im oberen Bereich des Druckbehälters geführt wird. Es sind natürlich auch Aus¬ führungen denkbar, bei denen mehrere Wasser-/Dampfröhre als Wärmeträgerrohrleitungen überwiegend vertikal durch den
Druckbehälter des Dampferzeugers geführt sind. Wenn die he- lixförmigen Heizflächen mehrere Freiräume bilden, kann jeder Freiraum von einer Wärmeträgerrohrleitung durchsetzt sein.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass in dem Druckbehälter vertikal voneinander
beabstandete Trennbleche angeordnet sind. Die Trennbleche dienen als Abstandhalter zwischen einzelnen Heizflächenrohren, gleichzeitig bilden sie Strömungskanäle im Bündel, die quer zum Rohrverlauf verlaufen. Dadurch wird eine so genannte Strähnenbildung im Wärmeträgermedium entlang eines Rohres vermieden und alle Rohre in einem Rohrbündel werden gleichmä¬ ßig beaufschlagt.
Bei dem erfindungsgemäßen Dampferzeuger kann es auch vorgesehen sein, dass die helixförmigen Heizflächen ein Bündel mehrerer Wasser-/Dampfröhre umfassen, die jeweils die gleiche Länge und gegebenenfalls eine unterschiedliche Steigung auf¬ weisen. Normalerweise weisen die Wasser-/Dampfröhre einzelner Zylinderschalen der helixförmigen Heizflächen in Abhängigkeit ihres Abstands vom Zentrum unterschiedliche Längen auf. Um die unterschiedlichen Längen auszugleichen, sieht eine Variante der Erfindung daher vor, dass die Steigung der Helix der inneren Zylinderschalen des Rohrbündels kleiner oder flacher als die der weiter außen liegenden Zylinderschalen ist.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass der Wasser/Waserdampfkreislauf mäander- förmige Heizflächen aufweist und dass das wenigstens eine Wasser-/Dampfrohr als Wärmeträgerrohrleitung in einem Freiraum neben den Heizflächen angeordnet ist. Vorzugsweise sind mehrere, zum Beispiel vier, Wasser-/Dampfröhre vorhanden, die zwischen den mäanderförmigen Heizflächen und der Innenseite des Druckbehälters des erfindungsgemäßen Dampferzeugers ange¬ ordnet sind.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellun¬ gen und zeigen:
Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Dampferzeuger mit mäander- förmigen Heizflächen in einer geschnittenen Ansicht ;
Fig. 2 einen erfindungsgemäßen Dampferzeuger mit helixför- migen Heizflächen in einer geschnittenen Ansicht; und
Fig. 3 einen Querschnitt des in Fig. 2 gezeigten Dampferzeugers .
Der in Fig. 1 in einer geschnittenen Ansicht gezeigte Dampferzeuger 1 umfasst einen Druckbehälter 2, in dem ein Speisewasservorwärmer 3 (Economizer) , ein Verdampfer 4 und ein Überhitzer 5 angeordnet sind. Speisewasservorwärmer 3, Verdampfer 4 und Überhitzer 5 sind in dieser Reihenfolge von unten nach oben in dem Druckbehälter 2 des Dampferzeugers 1 ange- ordnet. Diese Komponenten sind Bestandteil eines Was¬ ser/Wasserdampf-Kreislaufs (Sekundärkreislauf) mit Wasser. Speisewasser wird über einen Einlass 6 zugeführt und im Spei¬ sewasservorwärmer 3 erwärmt. Durch weitere Erwärmung im Verdampfer 4 setzt eine Verdampfung des Wassers ein, sodass in dem Überhitzer 5 überwiegend reiner Dampf vorliegt, der den Druckbehälter 2 über einen Auslass 7 verlässt. Der überhitzte Dampf kann einer Dampfturbine zugeführt werden, um auf diese Weise elektrische Energie zu erzeugen.
An der Außenseite des Druckbehälters 2 befindet sich ein Trenngefäß 8, das als Separator dient und die flüssige Phase und die gasförmige Phase des Wassers trennt, sodass die gas¬ förmige Phase im Überhitzer 5 und die flüssige Phase dem Speisewasservorwärmer 3 zugeführt wird.
Der Dampferzeuger 1 umfasst einen Wärmeträgerkreislauf (Pri¬ märkreislauf) mit einem Wärmeträgermedium, wobei in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein Thermoöl als Wärmeträger¬ medium verwendet wird.
Das Wärmeträgermedium nimmt die solare Energie in Form von thermischer Energie auf, wodurch es erwärmt wird. Im unteren Bereich des Druckbehälters 2 weist dieses Einlässe 9, 10 für das Wärmeträgermedium auf, das von dort in senkrecht angeord¬ neten Rohrleitungen 11, 12 bis in den oberen Bereich des Druckbehälters 2 strömt. Dort münden die Rohrleitungen 11, 12 und das Wärmeträgermedium strömt über Mäanderheizflächen von Überhitzer 5, Verdampfer 4 und Speisewasservorwärmer 3 wieder nach unten. Durch die thermische Kopplung gibt das Wärmeträ¬ germedium Wärme an das Wasser bzw. den Wasserdampf im Überhitzer 5, Verdampfer 4 und Speisewasservorwärmer 3 ab. Das Wärmeträgermedium verlässt den Druckbehälter 2 über einen Auslass 13 an der Unterseite des Druckbehälter 2.
Durch die innerhalb des Druckbehälters 2 angeordneten Rohr- leitungen 11, 12 ergibt sich eine besonders kompakte Bauwei- se, bei der Toträume vermieden werden . Bei dem in Fig. 1 dar- gestellten Dampferzeuger 1 sind insgesamt vier Rohrleitungen 11, 12 vorgesehen. Durch das in den Rohrleitungen 11, 12 geführte Wärmeträgermedium werden bisherige Toträume mit er¬ wärmt, wodurch sich der Anfahrvorgang verkürzt.
Fig. 2 und 3 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel eines Dampferzeugers 14. In Übereinstimmung mit dem ersten Ausführungsbeispiel umfasst der Dampferzeuger 14 einen Druckbehäl¬ ter 15 mit helixförmigen Heizflächen 16, 17. Im Zentrum der helixfömrigen Heizflächen 16, 17 befindet sich ein Freiraum, der von einer Rohrleitung 18 durchsetzt ist, die mit dem Wärmeträgermedium gefüllt ist. Die Rohrleitung 18 erstreckt sich von einem Einlass 19 im unteren Bereich des Druckbehälters 15 bis zu dem oberen Bereich des Druckbehälters 15, wo sie mün¬ det. Das Wärmeträgermedium umströmt somit die helixförmigen Heizflächen 16, 17 von oben nach unten, durch die thermische Kopplung werden die helixförmigen Heizflächen 16, 17 erwärmt.
Fig. 3 ist eine geschnittene Ansicht von Fig. 2. In dem
Dampferzeuger strömt das Wärmeträgermedium von oben nach unten durch das Heizflächenbündel. Wenn keine Trennbleche vor¬ handen wären, neigt der Strom des Wärmeträgers dazu, dem Verlauf der Heizflächenrohre zu folgen, wodurch sich eine spi¬ ralförmige Strömung des Wärmeträgermediums im Mantelraum des Dampferzeugers einstellen würde. Diese unerwünschte spiral¬ förmige Strömung wird jedoch durch die Trennbleche verhindert, wegen der Trennbleche strömt das Wärmeträgermedium vertikal nach unten.

Claims

Patentansprüche
1. Dampferzeuger (1), insbesondere für ein solarthermisches Kraftwerk, umfassend:
- einen Druckbehälter (2);
- einen Wärmeträgerkreislauf mit einem Wärmeträgermedium zur Aufnahme von solarer Energie in Form von Wärme;
- einen Wasser/Wasserdampfkreislauf mit Wasser, wobei der Wärmeträgerkreislauf und der Wasser/Wasserdampfkreislauf in dem Dampferzeuger (1) thermisch miteinander gekoppelt sind,
- wobei der Wasser/Wasserdampfkreislauf für einen Zwangs¬ durchlauf-Dampferzeuger vorgesehen ist und einen Speisewasservorwärmer (3), einen Verdampfer (4) und einen Überhitzer (5) umfasst, die in dem Druckbehälter (2) aufgenommen sind;
- wobei der Wärmeträgerkreislauf wenigstens ein in dem Druck¬ behälter (2) aufgenommenes Wasser-/Dampfrohr umfasst, das mit dem Speisewasservorwärmer (3), dem Verdampfer (4) und dem Überhitzer (5) thermisch gekoppelt ist,
- wobei sich das wenigstens eine Wasser-/Dampfrohr von einem Einlass (9, 10), der im Druckbehälter (2) im Bereich des Speisewasservorwärmers (3) angeordnet ist, im Inneren des Druckbehälters (2) bis einem Auslass im Bereich des Überhit¬ zers (5) erstreckt.
2. Dampferzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasser/Wasserdampfkreislauf helixförmige Heizflächen (16, 17) aufweist, in deren Zentrum das wenigstens eine Was¬ sel/Dampfrohr als Rohrleitung des Wärmeträgerkreislaufs an- geordnet ist.
3. Dampferzeuger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Druckbehälter (2) vertikal voneinander beabstan- dete Trennbleche angeordnet sind.
4. Dampferzeuger nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die helixförmigen Heizflächen (16, 17) ein Bündel mehrerer Wasser-/Dampfröhre umfassen, die jeweils die gleiche Länge und gegebenenfalls eine unterschiedliche Stei¬ gung aufweisen.
5. Dampferzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasser/Wasserdampfkreislauf mäanderförmige Heizflä¬ chen aufweist und das wenigstens eine Wasser-/Dampfrohr als Wärmeträgerrohrleitung in einem Freiraum neben den Heizflächen angeordnet ist.
6. Dampferzeuger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass er mehrere, vorzugsweise vier, Wasser-/Dampfröhre als Wärmeträgerrohrleitungen umfasst .
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