DE102010040208B4

DE102010040208B4 - Solarthermische Durchlaufverdampfer-Heizfläche mit lokaler Querschnittsverengung an ihrem Eintritt

Info

Publication number: DE102010040208B4
Application number: DE201010040208
Authority: DE
Inventors: Joachim Brodeßer; Martin Effert; Joachim Franke
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-09-03
Filing date: 2010-09-03
Publication date: 2012-08-16
Anticipated expiration: 2030-09-04
Also published as: DE102010040208A1; WO2012028494A2; WO2012028494A3

Abstract

Solarthermische Durchlaufverdampfer-Heizfläche (20), insbesondere für ein Solarturm-Kraftwerk (1), umfassend einen Absorber (3) mit Dampferzeugerrohren (10) zwischen einem Ein- (11) und einem Austrittssammler (12), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Dampferzeugerrohr (10) an seinem Eintritt (22) eine lokale Querschnittsverengung (25, 26, 27) aufweist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine solarthermische Durchlaufverdampfer-Heizfläche, insbesondere für ein Solarturm-Kraftwerk, umfassend einen Absorber mit Dampferzeugerrohren. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Solarturm-Kraftwerk mit einer solarthermischen Durchlaufverdampfer-Heizfläche.
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 Generationen dar.
Solarthermische Kraftwerke stellen deshalb eine der nachhaltigen Alternativen zur herkömmlichen Stromerzeugung dar. Bisher wurden solarthermische Kraftwerke mit Parabolrinnenkollektoren 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 elektrische Energie umgewandelt wird.
Das Solarfeld besteht aus Heliostaten, die die Sonnenstrahlung 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.
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 eingestreuten 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 auszulegen. Die Obergrenze der zulässigen Wärmestromdichten wird durch das Rohrmaterial und durch die Qualität der Kühlungsmechanismen bestimmt.
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.
In Durchlaufverdampfer-Heizflächen können statische und dynamische Instabilitäten auftreten, die in konventionellen Kraftwerken in der Vergangenheit zu Schäden geführt haben. Die WO 00/37 851 A1 beschreibt beispielsweise einen konventionellen Durchlaufdampferzeuger, der eine Brennkammer für fossilen Brennstoff aufweist, der heizgasseitig über einen Horizontalgaszug ein Vertikalgaszug nachgeschaltet ist. Die Umfassungswände der Brennkammer sind dabei aus gasdicht miteinander verschweißten, vertikal angeordneten Verdampferrohren gebildet. Damit beim Betrieb des Durchlaufdampferzeugers Temperaturunterschiede zwischen benachbarten Verdampferrohren der Brennkammer besonders gering gehalten sind, weist der Durchlaufdampferzeuger eine Anzahl von Brennern auf, die in der Brennkammer in der Höhe des Horizontalgaszugs angeordnet sind. Außerdem ist für eine Anzahl von parallel mit Strömungsmedium beaufschlagbaren Verdampferrohren der aus der Dampfleistung bei Volllast und der aus der Summe der Innenquerschnittsflächen dieser parallel mit Strömungsmedium beaufschlagbaren Verdampferrohre gebildete Quotient begrenzt. Das Risiko statischer und dynamischer Instabilitäten in Durchlaufverdampfer-Heizflächen ist aufgrund der hohen Energiedichte bei solarthermischen Anlagen erhöht.
Es besteht daher insbesondere bei solarthermischen Kraftwerksanlagen die Notwendigkeit, Instabilitäten in der Verdampferheizfläche des Absorbers zu vermeiden.
Die WO 97/14 930 A2 beschreibt ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Erzeugen von solarem Dampf mit mindestens einem Receiverrohr, wobei das Receiverrohr wenigstens auf einem Teil seiner Länge von Wasser durchströmt ist, und wobei ein Teil des Wassers eine senkrecht zur Durchflussrichtung orientierte Geschwindigkeitskomponente erhält bzw. aufweist. Durch diese Maßnahme wird einer Siedekrise im Receiverrohr entgegengewirkt.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine solarthermische Durchlaufverdampfer-Heizfläche für einen solarthermischen Durchlaufverdampfer insbesondere in einem Solarturm-Kraftwerk für höchstmöglichen Wärmestrom anzugeben. Des Weiteren soll ein entsprechend verbessertes Solarturm-Kraftwerk mit hohem thermodynamischem Wirkungsgrad angegeben werden.
Die auf eine solarthermische Durchlaufverdampfer-Heizfläche gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Angabe einer solarthermischen Durchlaufverdampfer-Heizfläche, insbesondere für ein Solarturm-Kraftwerk, umfassend einen Absorber mit Dampferzeugerrohren, wobei mindestens ein Dampferzeugerrohr an seinem Eintritt jeweils eine lokale Querschnittsverengung aufweist.
Hinsichtlich der lokalen Querschnittsverengung am Eintritt der Dampferzeugerrohre geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, dass der Druckverlust der Zweiphasenströmung bzw. der Dampfstrecke wie eine Drossel am Austritt des Systems wirkt und destabilisierend ist. Der relative Anteil dieses Druckverlustes am Gesamtdruckverlust des Systems ist beim Auftreten einer Instabilität zu minimieren. Durch die vorgeschlagene Maßnahme wird der Druckverlustanteil im Eintrittsbereich des Dampferzeugers, d. h. im einphasigen Bereich der Wasserströmung, erhöht. Bei richtiger Positionierung und Dimensionierung der Querschnittsverengung können so Instabilitäten sicher vermieden werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Drossel als lokale Querschnittsverengungen in mindestens einem Dampferzeugerrohr angeordnet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist ein zwischen Eintrittssammler und Dampferzeugerrohr angeordneter Nippel einen kleineren Innendurchmesser als das mindestens eine Dampferzeugerrohr auf.
Ebenso vorteilhaft kann es sein, wenn ein Austrittsdurchmesser am Eintrittssammler kleiner ist, als ein Innendurchmesser des mindestens einen Dampferzeugerrohrs. Üblicherweise umfasst die Durchlaufverdampfer-Heizfläche mehrere Dampferzeugerrohre, wobei es dann vorteilhaft ist, wenn die Austrittsdurchmesser am Eintrittssammler kleiner sind, als die Innendurchmesser der Dampferzeugerrohre.
Grundsätzlich wäre auch eine Kombination von Drosseln, Nippeln mit kleinerem Innendurchmesser und/oder ein im Vergleich zum Innendurchmesser der Dampferzeugerrohre kleinerem Austrittsdurchmesser am Eintrittssammler als Maßnahmen zur lokalen Querschnittsverengung in jeweils anderen Dampferzeugerrohren denkbar.
Die solarthermische Durchlaufverdampfer-Heizfläche ist dabei nach besonders vorteilhafter Ausgestaltung in ein Solarturm-Kraftwerk integriert und zur Dampferzeugung durch fokussierte Sonnenstrahlung direkt beaufschlagbar.
Nachfolgend werden anhand von Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Darin zeigen:
1 ein Heliostatenfeld und einen Solarturm eines Solarturm-Kraftwerks,
2 einen Verdampfer eines solarthermischen Dampferzeugers nach dem Stand der Technik,
3 einen Zwangdurchlaufdampferzeuger mit einer solarthermischen Durchlaufverdampfer-Heizfläche,
4 ein Dampferzeugerrohr mit Drossel,
5 einen Eintrittssammler mit Dampferzeugerrohren, die über Nippel mit dem Eintrittssammler verbunden sind und
6 einen Eintrittssammler mit Dampferzeugerrohren, wobei Austrittsdurchmesser am Eintrittssammler kleiner sind, als Innendurchmesser der Dampferzeugerrohre.
Einander entsprechende Teile sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt den solaren Teil eines Solarturm-Kraftwerks 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 den 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 Solarstrahlung 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 Wärmeträgermedium, beispielsweise Wasser, ab, das die wärme einem konventionellen Kraftwerksprozess mit einer Dampfturbine zuführt.
In 2 ist eine Verdampferheizfläche 8 eines bekannten solarthermischen Zwangumlaufdampferzeugers 9 mit Direktverdampfung dargestellt, der als Absorber 3 in den Solarturm 2 der 1 integriert ist.
Die Dampferzeugerrohre 10 sind eingangsseitig mit einem Eintrittssammler 11 und ausgangsseitig mit einem Austrittssammler 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 19 geschaltet. Die Fallrohrleitung 18 mündet in den Eintrittssammler 11.
Im Betrieb des solar beheizten Zwangumlaufdampferzeugers 9 saugt die Umwälzpumpe 19 Kesselwasser aus der Trommel 14 an und drückt es in den Eintrittssammler 11. Dort wird das Kesselwasser auf die Vielzahl der wärmeübertragenden Dampferzeugerrohre 10 verteilt. Die Verdampferheizfläche 8 ist in parallel geschaltete Heizflächenrohre aufgeteilt. Die wärmeübertragenden Rohre 10 werden durch die konzentrierte Solarstrahlung 7 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 unbeheizte Trommel 14 geleitet und dort in möglichst trockenen Sattdampf und in zur Verdampferheizfläche 8 zurückfließendes Umlaufwasser getrennt. Die Speisewasserzufuhr wird so geregelt, dass der Wasserstand in der Trommel 14 konstant bleibt.
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.
Zur Erläuterung des erfindungsgemäßen solarthermischen Durchlaufverdampfer-Heizfläche 20 im Solarturm-Kraftwerk 1 mit direkter Verdampfung zeigt 3 das Prinzip eines solarthermischen Zwangdurchlaufdampferzeugers 21, bei dem der Durchlauf des Wasser-Dampf-Stromes durch die Durchlaufverdampfer-Heizfläche 20 von einer Speisewasserpumpe 16 erzwungen wird. Das Speisewasser wird von der Speisewasserpumpe 16 in den Eintrittssammler 11 und den Verdampfereintritt 22 gefördert und nacheinander werden die Dampferzeugerrohre 10 der Durchlaufverdampfer-Heizfläche 20 und der Überhitzer 23 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 Durchlaufverdampfer-Heizfläche 20 und Überhitzer 23 ist für den Umlaufvorgang beim Anfahren der Anlage eine Abscheideeinrichtung 24 vorgesehen.
Mit Zwangdurchlaufdampferzeugern 21 können sehr große Dampfleistungen auf relativ kleinem Raum erzeugt werden. Durch den Wegfall der Abscheidetrommel können mit dem Durchlaufdampferzeuger sehr hohe Drücke gefahren werden und somit auch sehr hohe Wirkungsgrade erzielt werden.
4 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer in ein Dampferzeugerrohr 10 der Durchlaufverdampfer-Heizfläche 20 des Durchlaufdampferzeugers 21 eingebauten lokalen Querschnittsverengung, die als Drossel 25 ausgeführt ist.
Hierzu ist in den Verdampfereintritt 22 jedes Dampferzeugerrohrs 10 der Durchlaufverdampfer-Heizfläche 20 eine Drossel 25 geschaltet.
Beim Betrieb des Durchlaufdampferzeugers 21 strömt kondensiertes Wasser, sogenanntes Speisewasser, aus einem der (nicht gezeigten) Dampfturbine nachgeschalteten (nicht gezeigten) Kondensator über hier nicht dargestellte Vorwärmer und eine Speisewasserleitung 15 in den Eintrittssammler 11. Von dort strömt das vorgewärmte Speisewasser über die Drosseln 25 in die einzelnen Dampferzeugerrohre 10 der solarthermischen Durchlaufverdampfer-Heizfläche 20.
Die Drosseln 25 gewährleisten praktisch über den gesamten Lastbereich des solarthermischen Durchlaufdampferzeugers 21 einen erhöhten Druckverlust im Verdampfer. Dabei wird ein stabiler und gleichmäßiger Durchfluss des vorgewärmten Speisewassers durch die Dampferzeugerrohre 10 erzielt.
5 zeigt eine alternative Querschnittsverengung, die dadurch erzielt wird, dass zwischen Eintrittssammler 11 und Dampferzeugerrohren 10 angeordnete Nippel 26 einen kleineren Innendurchmesser als die Dampferzeugerrohre 10 aufweisen.
6 zeigt eine weitere Ausführungsform der lokalen Querschnittsverengung, die sich dadurch ergibt, dass Austrittsdurchmesser 27 am Eintrittssammler 11 kleiner sind, als Innendurchmesser 28 der Dampferzeugerrohre 10.

Claims

Solarthermische Durchlaufverdampfer-Heizfläche (20), insbesondere für ein Solarturm-Kraftwerk (1), umfassend einen Absorber (3) mit Dampferzeugerrohren (10) zwischen einem Ein- (11) und einem Austrittssammler (12), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Dampferzeugerrohr (10) an seinem Eintritt (22) eine lokale Querschnittsverengung (25, 26, 27) aufweist.
Solarthermische Durchlaufverdampfer-Heizfläche (20) nach Anspruch 1, wobei eine Drossel (25) als lokale Querschnittsverengung im mindestens einen Dampferzeugerrohr (10) angeordnet ist.
Solarthermische Durchlaufverdampfer-Heizfläche (20) nach Anspruch 1, wobei ein zwischen Eintrittssammler (11) und dem mindestens einen Dampferzeugerrohr (10) angeordneter Nippel (26) einen kleineren Innendurchmesser als das Dampferzeugerrohr (10) aufweist.
Solarthermische Durchlaufverdampfer-Heizfläche (20) nach Anspruch 1, wobei ein Austrittsdurchmesser (27) am Eintrittssammler (11) kleiner ist, als ein Innendurchmesser des mindestens einen Dampferzeugerrohrs (10).
Solarturm-Kraftwerk (1) mit einer solarthermischen Durchlaufverdampfer-Heizfläche (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.