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