DE102011054618A9

DE102011054618A9 - Verfahren zum Betreiben eines solarthermischen Kraftwerks und solarthermisches Kraftwerk

Info

Publication number: DE102011054618A9
Application number: DE102011054618A
Authority: DE
Inventors: Markus Eck; Tobias Hirsch; Michael Wittmann
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2011-10-19
Filing date: 2011-10-19
Publication date: 2013-09-19
Anticipated expiration: 2031-10-20
Also published as: DE102011054618A1; DE102011054618B4

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines solarthermischen Kraftwerks bereitgestellt, welches eine Verdampfereinrichtung mit einer Solarstrahlungsempfängereinrichtung, eine Hochdruckdampfturbine, eine der Hochdruckdampfturbine nachgeordnete Niederdruckdampfturbine und eine Zwischenüberhitzereinrichtung zwischen der Hochdruckdampfturbine und der Niederdruckdampfturbine umfasst, bei dem durch die Verdampfereinrichtung ein Wärmeträgermedium in Dampfform bereitgestellt wird, der Dampf der Hochdruckdampfturbine eingangsseitig bereitgestellt wird, Dampf ausgangsseitig von der Hochdruckdampfturbine der Zwischenüberhitzereinrichtung zugeführt und dort erhitzt wird und von der Zwischenüberhitzereinrichtung eingangsseitig der Niederdruckdampfturbine bereitgestellt wird, wobei die Zwischenüberhitzereinrichtung mit Frischdampf von der Verdampfereinrichtung beheizt wird, wobei ein erster Betriebsmodus vorgesehen ist, bei dem die Verdampfereinrichtung Dampf auf einem gleitenden Druckniveau, welches abhängt von einem Teillastgrad, bereitstellt, und ein zweiter Betriebsmodus, bei dem die Verdampfereinrichtung Dampf auf einem mindestens näherungsweise festen Druckniveau bereitstellt, wobei zwischen dem ersten Betriebsmodus und dem zweiten Betriebsmodus in Abhängigkeit des Teillastgrads umgeschaltet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines solarthermischen Kraftwerks, welches eine Verdampfereinrichtung mit einer Solarstrahlungsempfängereinrichtung, eine Hochdruckdampfturbine, eine der Hochdruckdampfturbine nachgeordnete Niederdruckdampfturbine und eine Zwischenüberhitzereinrichtung zwischen der Hochdruckdampfturbine und der Niederdruckdampfturbine umfasst, bei dem durch die Verdampfereinrichtung ein Wärmeträgermedium in Dampfform bereitgestellt wird, der Dampf der Hochdruckdampfturbine eingangsseitig bereitgestellt wird, der Dampf ausgangsseitig von der Hochdruckdampfturbine der Zwischenüberhitzereinrichtung zugeführt und dort erhitzt wird und von der Zwischenüberhitzereinrichtung eingangsseitig der Niederdruckdampfturbine bereitgestellt wird, wobei die Zwischenüberhitzereinrichtung mit Frischdampf von der Verdampfereinrichtung beheizt wird.
Die Erfindung betrifft ferner eine solarthermisches Kraftwerk, umfassend eine Verdampfereinrichtung mit einer Solarstrahlungsempfängereinrichtung, durch welche ein Wärmeträgermedium in Dampfform bereitgestellt ist, mindestens eine Hochdruckdampfturbine, mindestens eine der Hochdruckdampfturbine nachgeschaltete Niederdruckdampfturbine, und eine Zwischenüberhitzereinrichtung zwischen der mindestens einen Hochdruckdampfturbine und der mindestens einen Niederdruckdampfturbine, welche durch Frischdampf von der Verdampfereinrichtung beheizt ist.
Bei einem solchen Verfahren bzw. einem solchen solarthermischen Kraftwerk wird Dampf zweistufig genutzt, nämlich in einer Hochdruckdampfturbine und einer Niederdruckdampfturbine. Teilentspannter Dampf von der Hochdruckdampfturbine wird der Niederdruckdampfturbine zugeführt, wobei eine Zwischenüberhitzung stattfindet. Die Zwischenüberhitzung wiederum erfolgt mithilfe von Frischdampf, welcher von der Verdampfereinrichtung ausgekoppelt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art und ein solarthermisches Kraftwerk der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei welchem sich auch bei Teillast ein optimiertes Betriebsergebnis erzielen lässt.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein erster Betriebsmodus vorgesehen wird, bei dem die Verdampfereinrichtung Dampf auf einem gleitenden Druckniveau, welches abhängt von einem Teillastgrad, bereitstellt, und ein zweiter Betriebsmodus vorgesehen wird, bei dem die Verdampfereinrichtung Dampf auf einem mindestens näherungsweise festen Druckniveau bereitstellt, wobei zwischen dem ersten Betriebsmodus und dem zweiten Betriebsmodus in Abhängigkeit des Teillastgrads umgeschaltet wird.
Grundsätzlich ist es so, dass, wenn für alle Teillastgrade (ein Teillastgrad Null entspricht Volllast) ein gleitender Betrieb gewählt wird, bei dem sich der Druck des Dampfes selber einstellen kann, die Zwischenüberhitzungstemperatur, welche die Temperatur charakterisiert, mit welcher Dampf der Niederdruckdampfturbine zugeführt wird, in Abhängigkeit vom Teillastgrad schwankt; zwischen dem Massenstrom (welcher durch den Teillastgrad bestimmt ist) und dem Druckniveau besteht ein direkter Zusammenhang. Eine lastabhängige Zwischenüberhitzungstemperatur hat zur Folge, dass der Konversionsgrad der Niederdruckdampfturbine variiert. Insbesondere fällt mit Absinken der Zwischenüberhitzungstemperatur der Konversionsgrad. Weiterhin führt ein Abfall der Zwischenüberhitzungstemperatur zu einem Ansteigen der Endnässe an der Niederdruckdampfturbine; dies kann Materialprobleme am Ende der Niederdruckdampfturbine zur Folge haben. Ferner kann die Entladung einer Speichereinrichtung unter Umständen auf einem niedrigeren Druckniveau als dem speicherspezifischen Entladedruck erfolgen; dadurch wird gespeicherte Wärme exergetisch schlechter ausgenutzt.
Ein reiner Festdruckbetrieb, bei dem der Druck unabhängig von dem Teillastgrad mindestens näherungsweise festgehalten wird (wobei beispielsweise Schwankungsgrade von 5 % oder 10 % erlaubt sind), hat zur Folge, dass ein Frischdampfstrom energetisch entwertet wird; es entstehen Drosselverluste. Eine entsprechende Pumpe, welche flüssiges Wärmeträgermedium befördert, muss einen kompletten Druckhub gegen eine Drosseleinrichtung bewerkstelligen und muss einen höheren Massenstrom bereitstellen. Es sinkt dann der thermische Wirkungsgrad des solarthermischen Kraftwerks und der Eigenverbrauch steigt im Vergleich zu dem gleitenden Betrieb.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung werden die spezifischen Probleme des gleitenden Betriebs und Festdruckbetriebs verhindert bzw. zumindest verringert und deren spezifische Vorteile genutzt. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass in Abhängigkeit von dem Teillastgrad entweder der erste Betriebsmodus mit gleitendem Druckniveau oder zweite Betriebsmodus mit Festdruck vorliegt und es erfolgt eine Umschaltung in Abhängigkeit von dem Teillastgrad.
Es lässt sich dadurch bei geringen Teillastgraden (hoher Last in der Nähe von Volllast) ein Gleitbetrieb durchführen, welcher energetisch vorteilhaft ist. Der Abfall der Zwischenüberhitzungstemperatur ist mit Erhöhung des Teillastgrads noch moderat. Es werden dabei in diesem Betriebsmodus die Mehrzahl der Betriebsstunden erwartet; es lässt sich dadurch ein global gesehen hoher Wirkungsgrad erreichen. Bei weiterem Abfall der Last (Zunahme des Teillastgrads) wird auf den zweiten Betriebsmodus mit Festdruck umgestellt. Dadurch wird das Druckniveau festgehalten. Dadurch wiederum wird die Zwischenüberhitzungstemperatur mindestens näherungsweise festgehalten. Dadurch lässt sich die Endnässe an der Niederdruckdampfturbine verringern mit Verringerung der entsprechenden Materialprobleme. Ferner lässt sich das Druckniveau auf einem Entladedruck einer Speichereinrichtung festhalten.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung kann in einem niedrigeren Teillastgradbereich eine effiziente Umwandlung erfolgen, sodass, da hier die Mehrzahl der Betriebsstunden erwartet werden, ein hoher Wirkungsgrad erzielbar ist. Bei hohen Teillastgraden (im unteren Teillastbereich) wird der durch die Zwischenüberhitzung bedingte Abfall der Zwischenüberhitzungstemperatur abgefangen, indem auf Festdruckbetrieb umgestellt wird. Die Niederdruckdampfturbine kann dadurch in einem günstigen Betriebspunkt ausgelegt und gefahren werden. Die Dampfnässe an einem Ende der Niederdruckdampfturbine wird gesenkt und mögliche Materialprobleme werden vermieden.
Insbesondere werden die Betriebsmodi so geschaltet, dass bei niedrigem Teillastgrad in der Nähe von Volllast der erste Betriebsmodus vorliegt und bei hohem Teillastgrad in der Nähe von 40 % Volllast der zweite Betriebsmodus vorliegt. In der Nähe von Volllast werden die meisten Betriebsstunden erwartet. Dadurch ergibt sich ein hoher effektiver Wirkungsgrad des entsprechenden solarthermischen Kraftwerks. Die durch die Zwischenüberhitzung erwarteten Probleme bei hohen Teillastgraden (bei niedriger Last) werden weitgehend vermieden bzw. zumindest verringert.
Insbesondere erfolgt bei Erhöhung des Teillastgrads eine Umschaltung von dem ersten Betriebsmodus auf den zweiten Betriebsmodus. Dadurch wird eine Zwischenüberhitzungstemperatur stabilisiert und es lässt sich dann eine Endnässe an der Niederdruckdampfturbine verringern.
Insbesondere erfolgt bei Erniedrigung des Teillastgrads eine Umschaltung vom zweiten Betriebsmodus auf den ersten Betriebsmodus. Es erfolgt also bei einer Erhöhung der Last (Erniedrigung des Teillastgrads) eine Umschaltung von Festdruckbetrieb auf gleitenden Betrieb. Dadurch wird die effektive Nutzung des Wärmeträgermediums erhöht, das heißt es wird der Wirkungsgrad erhöht.
Insbesondere wird in der Zwischenüberhitzereinrichtung Dampf, welcher von der Hochdruckdampfturbine bereitgestellt wird, über einen Wärmeübertrager mit Frischdampf von der Verdampfereinrichtung erhitzt. Dadurch lässt sich der Energieinhalt von Frischdampf zur Zwischenüberhitzung nutzen. Frischdampf wird in einem ersten Strom der Hochdruckdampfturbine zur Wandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie zugeführt. Ferner wird Frischdampf in einem weiteren Frischdampfstrom der Zwischenüberhitzereinrichtung zur Zwischenüberhitzung von teilentladenem Dampf, welcher die Hochdruckdampfturbine verlässt, bereitgestellt.
Insbesondere wird der Zwischenüberhitzereinrichtung Frischdampf als Erhitzungsmedium auf einem Druckniveau entsprechend dem ersten Betriebsmodus oder dem zweiten Betriebsmodus von der Verdampfereinrichtung bereitgestellt. Dadurch lässt sich je nach Vorliegen des ersten Betriebsmodus oder des zweiten Betriebsmodus eine optimale Betriebsweise erreichen. In dem zweiten Betriebsmodus lässt sich über den Frischdampf die Zwischenüberhitzertemperatur auch stabilisieren. In dem ersten Betriebsmodus lässt sich ein moderater Temperaturabfall einstellen.
Bei einer Ausführungsform umfasst die Verdampfereinrichtung eine Speichereinrichtung, die den Umschaltpunkt oder Umschaltbereich zwischen dem ersten Betriebsmodus und dem zweiten Betriebsmodus festlegt. Wenn die Speichereinrichtung eine Verdampferstrecke umfasst, und insbesondere einen oder mehrere Latentspeicher umfasst, dann weist diese eine bestimmte Entladetemperatur bzw. einen Entladetemperaturbereich auf. Dieser wiederum ist korreliert mit einem bestimmten Entladedruck bzw. Entladedruckbereich. Durch Anpassung des Umschaltpunkts oder des Umschaltpunktbereichs an diesen Entladedruck bzw. Entladedruckbereich lässt sich ein optimierter Betrieb erreichen. Insbesondere lässt sich ein Entladedruck bzw. Entladedruckbereich korrelieren mit dem zweiten Betriebsmodus. Wenn der Teillastgrad zunimmt, lässt sich dann ab dem Umschaltpunkt aus der Speichereinrichtung Dampf auf seinem optimalen Entladedruck bzw. Entladedruckbereich bereitstellen. Dadurch ist eine Anpassung der Betriebsweise an die individuelle Druckcharakteristik der Speichereinrichtung (welche insbesondere eine thermische Speichereinrichtung ist) erfolgt.
Insbesondere ist die Speichereinrichtung parallel zu der Solarstrahlungsempfängereinrichtung angeordnet. Dadurch kann beispielsweise in einem Teillastbetrieb zusätzlich zu Frischdampf auch die Speichereinrichtung Dampf bereitstellen.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die Speichereinrichtung eine Entladungstemperatur oder einen Entladungstemperaturbereich aufweist, bei welcher Dampf auf einem bestimmten Druckniveau bereitgestellt wird, und wobei dieses bestimmte Druckniveau das Druckniveau für die Umschaltung zwischen dem ersten Betriebsmodus und dem zweiten Betriebsmodus definiert. Dadurch ist eine Anpassung an die individuelle Druckcharakteristik der Speichereinrichtung erfolgt.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die Verdampfereinrichtung eine Einstelleinrichtung umfasst, durch welche festgelegt wird, ob der erste Betriebsmodus oder zweite Betriebsmodus vorliegt. Dadurch lässt sich auf einfache Weise gesteuert und insbesondere automatisch umschalten, welcher Betriebsmodus vorliegt. Dadurch wiederum lässt sich ein solarthermisches Kraftwerk optimiert betreiben.
Für den zweiten Betriebsmodus ist es vorteilhaft, wenn eine Drosseleinrichtung vorgesehen ist, welche der Hochdruckdampfturbine vorgeschaltet ist. Dadurch lässt sich der Festdruckbetrieb (der zweite Betriebsmodus) durchführen. Insbesondere ist die Drosseleinrichtung als Einstelleinrichtung für den ersten Betriebsmodus und den zweiten Betriebsmodus ausgebildet. Es lässt sich dadurch einstellen, indem die Drosseleinrichtung nicht wirksam gemacht wird, dass der erste Betriebsmodus vorliegt. Durch "Einschalten" der Drosseleinrichtung lässt sich der zweite Betriebsmodus realisieren.
Insbesondere wird Frischdampf, welcher der Zwischenüberhitzereinrichtung zugeführt wird, vor (bezogen auf die Strömungsrichtung) der Drosseleinrichtung ausgekoppelt. Dadurch wird Frischdampf der Zwischenüberhitzereinrichtung auf dem Druckniveau zugeführt, welches über die Drosseleinrichtung bzw. die Einstelleinrichtung eingestellt wird.
Insbesondere wird die Drosseleinrichtung gesteuert und/oder geregelt betrieben.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn ein gemessener Massenstrom und/oder ein gemessener Druck von Wärmeträgermedium-Dampf als Indikatorsignal für (i) die Umschaltung zwischen erstem Betriebsmodus und zweitem Betriebsmodus und/oder für (ii) die Steuerung und/oder Regelung der Einstelleinrichtung oder Drosseleinrichtung verwendet wird. Dadurch lässt sich insbesondere auf automatisierte Weise ein optimierter Betrieb eines solarthermischen Kraftwerks erreichen. Ferner ist es grundsätzlich möglich, auch unterschiedliche Drücke für den Festdruckbetrieb vorzustehen, wenn beispielsweise Speichereinrichtungen mit unterschiedlichem Phasenwechselmaterial verwendet werden.
Insbesondere schaltet eine Steuerungs-/Regelungseinrichtung in Abhängigkeit von einem ermittelten Massenstrom und/oder ermittelten Druck vor Eintritt in die Hochdruckdampfturbine zwischen dem ersten Betriebsmodus und dem zweiten Betriebsmodus um. Dadurch lässt sich eine automatische Betriebsführung eines solarthermischen Kraftwerks erreichen. Es werden dadurch optimierte Betriebsbedingungen erreicht. Wenn beispielsweise der Teillastgrad aufgrund Verringerung der solaren Einstrahlung zunimmt, dann wird eine automatische Umschaltung ab einem bestimmten Druckniveau von dem gleitenden Betrieb in den Festdruckbetrieb durchgeführt bzw. bei Verbesserung der solaren Einstrahlungsbedingungen wird wieder in den gleitenden Betrieb umgeschaltet.
Insbesondere erfolgt an der Solarstrahlungsempfängereinrichtung eine solare Direktverdampfung, das heißt das flüssige Wärmeträgermedium wird direkt verdampf und dieser Dampf wird dann den Turbinen bereitgestellt.
Die eingangs genannte Aufgabe wird bei dem eingangs genannten solarthermischen Kraftwerk ferner erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Einstelleinrichtung vorgesehen ist, durch welche der Druck von durch die Verdampfereinrichtung bereitgestelltem Dampf beeinflussbar ist, und eine Steuerungs-/Regelungsreinrichtung vorgesehen ist, welche die Einstelleinrichtung so ansteuert, dass in einem ersten Betriebsmodus der Druck des bereitgestellten Dampfes in Abhängigkeit eines Teillastgrads gleitend variiert und in einem zweiten Betriebsmodus der Druck mindestens näherungsweise festgelegt ist, und eine Umschaltung zwischen erstem Betriebsmodus und zweitem Betriebsmodus bei einem bestimmten Teillastgradbereich bewirkt.
Das erfindungsgemäße solarthermische Kraftwerk weist die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erläuterten Vorteile auf.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des solarthermischen Kraftwerks wurden ebenfalls im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erläutert.
Insbesondere lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren an dem erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerk durchführen bzw. das solarthermische Kraftwerk lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betreiben.
Günstig ist es, wenn eine Sensoreinrichtung vorgesehen ist, welche den Druck und/oder den Massenstrom von der mindestens einen Hochdruckdampfturbine zugeführten Dampf ermittelt und diese Daten der Steuerungs-/Regelungseinrichtung bereitstellt. Dadurch lässt sich eine automatische Betriebsweise des solarthermischen Kraftwerks erreichen mit Optimierung des globalen Wirkungsgrads und Verringerung von Materialproblemen aufgrund zu hoher Endnässe an der mindestens einen Niederdruckdampfturbine. Insbesondere wird der Druck und/oder der Massenstrom vor einer Drosseleinrichtung gemessen.
Es ist ferner günstig, wenn die Verdampfereinrichtung eine Speichereinrichtung und insbesondere thermische Speichereinrichtung umfasst. Dadurch lässt sich Wärme zwischenspeichern. Die Speichereinrichtung selber kann dann beispielsweise Dampf bereitstellen, wenn das solarthermische Kraftwerk in einen Teillastbetrieb gefahren wird.
Insbesondere ist die Speichereinrichtung parallel zur Solarstrahlungsempfängereinrichtung geschaltet. Es ist dadurch möglich, parallel Frischdampf und über die Speichereinrichtung bereitgestellten Dampf der mindestens einen Hochdruckdampfturbine zuzuführen. Grundsätzlich ist es auch möglich, einen Teil des Frischdampfes abzuzweigen und zur Erhitzung von Speichermaterial wie Phasenspeichermaterial in der Speichereinrichtung zu verwenden.
Insbesondere ist die Zwischenüberhitzereinrichtung fluidwirksam an die Verdampfereinrichtung gekoppelt, wobei ein Einkopplungspunkt einer Drosseleinrichtung vorgeschaltet ist. Dadurch ist das Druckniveau von Dampf, welcher durch die Verdampfereinrichtung bereitgestellt ist, auf das Druckniveau von Frischdampf, welcher zur Überhitzung an der Zwischenüberhitzereinrichtung dient.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich bei einem erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerk verwenden.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerks;
2 den Druckverlauf an den in 1 gezeigten Stellen bei unterschiedlichen Betriebsmodi in Abhängigkeit von der Last (100 % Last entspricht Volllast);
3 den Verlauf der Temperatur an einer Zwischenüberhitzereinrichtung (vergleiche 1) bei den verschiedenen Betriebsmodi in Abhängigkeit von der Last; und
4 den Verlauf des Wirkungsgrads für die verschiedenen Betriebsmodi in Abhängigkeit von der Last.
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerks, welches in 1 schematisch in einer Blockbilddarstellung gezeigt und dort mit 10 bezeichnet ist, umfasst eine Verdampfereinrichtung 12. Die Verdampfereinrichtung 12 stellt Dampf eines Wärmeträgermediums zur weiteren Verwendung in einer Dampfturbineneinrichtung 14 bereit.
Das Wärmeträgermedium wird einem Eingang 16 der Verdampfereinrichtung 12 in flüssiger Form bereitgestellt. Die Verdampfereinrichtung 12 stellt an einem Ausgang 18, 20 Dampf bereit.
Das Wärmeträgermedium ist beispielsweise Wasser.
Die Verdampfereinrichtung 12 weist eine Solarstrahlungsempfängereinrichtung 22 auf. An der Solarstrahlungsempfängereinrichtung wird durch Beaufschlagung von flüssigem Wärmeträgermedium mit Solarstrahlung Dampf erzeugt. Es handelt sich dabei um eine Direktverdampfung ohne Verwendung eines Zwischenträgermediums. Die Solarstrahlungsempfängereinrichtung 22 weist dabei eine Konzentratoreinrichtung für Solarstrahlung auf und eine Absorptionseinrichtung, auf welche durch die Konzentratoreinrichtung konzentrierte Solarstrahlung gerichtet wird. Die Absorptionseinrichtung ist wiederum an einer Transporteinrichtung für Wärmeträgermedium angeordnet, sodass Wärmeträgermedium in einem Strom erhitzt und in Dampfform gebracht wird und dadurch ein Dampfstrom bereitgestellt wird.
Die Konzentratoreinrichtung umfasst beispielsweise Parabolrinnenkollektoren oder Heliostate. Die Absorptionseinrichtung ist beispielsweise an einem Transportrohr für Wärmeträgermedium angeordnet, wobei die Absorptionseinrichtung beispielsweise im Fokus von Parabolrinnenkollektoren angeordnet ist. Es kann auch eine Absorptionseinrichtung vorhanden sein, welche an einem Turm angeordnet ist.
Insbesondere umfasst die Solarstrahlungsempfängereinrichtung einen Verdampferbereich 24 und einen in Strömungsrichtung des Wärmeträgermediums dem Verdampferbereich 24 nachgeschalteten Überhitzerbereich 26. In dem Verdampferbereich 24 wird aus flüssigem Wärmeträgermedium Dampf erzeugt. In dem Überhitzerbereich 26 wird der erzeugte Dampf überhitzt.
Die Solarstrahlungsempfängereinrichtung 22 kann eine Mehrzahl von insbesondere parallel angeordneten Strängen aufweisen, in welchen die Dampferzeugung erfolgt. Insbesondere ist dann ein Strang in einen Verdampferbereich und einen Überhitzerbereich unterteilt.
Die Solarstrahlungsempfängereinrichtung 22 hat einen Eingang 28, welcher (über eine Leitung 30) fluidwirksam mit dem Eingang 16 der Verdampfereinrichtung 12 verbunden ist. Die Solarstrahlungsempfängereinrichtung 22 hat einen Ausgang 32, welcher fluidwirksam (über eine Leitung 34) mit den Ausgängen 18 und 20 verbunden ist.
Zwischen der Leitung 30 und der Leitung 34 ist eine thermische Speichereinrichtung 36 angeordnet. Die Speichereinrichtung 36 ist parallel zu der Solarstrahlungsempfängereinrichtung 22. Ein Eingang 38 der Speichereinrichtung 36 ist fluidwirksam mit dem Eingang 16 verbunden. Über den Eingang 38 lässt sich flüssiges Wärmeträgermedium ("Frischwasser") einkoppeln.
Die Speichereinrichtung 36 umfasst einen weiteren Eingang 40, welcher fluidwirksam mit dem Ausgang 32 der Solarstrahlungsempfängereinrichtung 22 verbunden ist. Über diesen Eingang 40 lässt sich heißer Dampf, welcher von der Solarstrahlungsempfängereinrichtung 22 bereitgestellt wird, in die Speichereinrichtung 36 einkoppeln.
Ferner umfasst die Speichereinrichtung 36 einen Ausgang 42, welcher in fluidwirksamer Weise an die Leitung 34 gekoppelt ist. Über den Ausgang 42 lässt sich über gespeicherte thermische Energie Dampf zur weiteren Verwendung insbesondere in die Dampfturbineneinrichtung 14 bereitstellen.
Die Speichereinrichtung 36 umfasst einen oder mehrere Speicher mit entsprechenden Speicherbehältern. In diesen lässt sich direkt (in der Form von dampfförmigem Wärmeträgermedium) oder indirekt (über ein Speichermedium, welches von heißem Dampf beaufschlagt wird) Wärme speichern. Die gespeicherte Wärme lässt sich wiederum nutzen, indem gespeicherter Dampf über den Ausgang 42 ausgekoppelt wird bzw. in der Speichereinrichtung 36 über gespeicherte Wärme Dampf erzeugt wird und dieser Dampf über den Ausgang 42 ausgekoppelt wird.
Die Verdampfereinrichtung 12 umfasst eine Einstelleinrichtung 44. Die Einstelleinrichtung 44 ist fluidwirksam an den Ausgang 32 der Solarstrahlungsempfängereinrichtung 22 gekoppelt. Über diese lässt sich der Druck p₁ ausgangsseitig an der Verdampfereinrichtung 12 einstellen. Insbesondere ist eine Steuerungs-/Regelungseinrichtung 46 vorgesehen, welche signalwirksam mit der Einstelleinrichtung 44 verbunden ist. (In 1 sind Signalleitungen durch Doppellinien angedeutet.) Durch entsprechende Steuerungsbefehle bzw. Regelungsbefehle der Steuerungs-/Regelungseinrichtung 46 lässt sich über die Einstelleinrichtung 44 das Druckniveau p₁ ausgangsseitig der Solarstrahlungsempfängereinrichtung 22 beeinflussen und insbesondere einstellen. Dies wird untenstehend noch näher erläutert.
Die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 46 ist insbesondere auch signalwirksam mit der Speichereinrichtung 36 verbunden, um gesteuert bzw. geregelt Speichervorgänge bzw. Entladevorgänge an der Speichereinrichtung 36 durchzuführen.
Der Ausgang 20 ist ein Ausgang der Einstelleinrichtung 44. Über den Ausgang 20 wird Dampf zur Verwendung in der Dampfturbineneinrichtung 14 bereitgestellt.
Die Dampfturbineneinrichtung 14 umfasst eine Hochdruckdampfturbine 48. Die Hochdruckdampfturbine 48 ist mit einem Eingang fluidwirksam mit dem Ausgang 20 der Einstelleinrichtung 44 verbunden. In der Hochdruckdampfturbine 48 wird auf einem hohen Druckniveau Dampf entspannt. Durch diese Entspannung lässt sich mechanische Arbeit an einer Turbine verrichten, wodurch wiederum ein elektrischer Strom erzeugt werden kann.
Der Hochdruckdampfturbine 48 ist in Strömungsrichtung eine Niederdruckdampfturbine 50 nachgeschaltet. An der Hochdruckdampfturbine 48 (teil-)entspannter Dampf wird über eine Leitung 52 der Niederdruckdampfturbine 50 auf einem niedrigeren Druckniveau zugeführt und dort genutzt. An der Niederdruckdampfturbine 50 findet eine weitere Entspannung statt, wobei die entsprechende mechanische Energie in elektrische Energie gewandelt wird.
Zwischen der Hochdruckdampfturbine 48 und der Niederdruckdampfturbine 50 ist an der Leitung 52 eine Zwischenüberhitzereinrichtung 54 angeordnet. Dampf, welcher ausgangsseitig von der Hochdruckdampfturbine 48 der Niederdruckdampfturbine 50 bereitgestellt wird, durchströmt die Zwischenüberhitzereinrichtung 54, welche als Wärmetauscher ausgebildet ist, und wird dort erhitzt. Dampf, welcher an der Hochdruckdampfturbine 48 teilentspannt wurde, wird einem ersten Eingang 56 der Zwischenüberhitzereinrichtung 54 bereitgestellt, durchströmt diese und wird dann von einem ersten Ausgang 58 der Zwischenüberhitzereinrichtung 54 der Niederdruckdampfturbine 50 zugeführt.
Die Zwischenüberhitzereinrichtung 54 wird mit Dampf direkt von der Verdampfereinrichtung 12 (Frischdampf) beheizt. Dazu weist die Zwischenüberhitzereinrichtung 54 einen zweiten Eingang 60 auf. Dieser zweite Eingang 60 ist über eine Leitung 62 fluidwirksam mit dem Ausgang 18 verbunden. Es kann dadurch Frischdampf aus der Leitung 34 direkt ausgekoppelt werden und sozusagen unter Umgehung der Hochdruckdampfturbine 48 in den zweiten Eingang 60 der Zwischenüberhitzereinrichtung 54 eingekoppelt werden.
Die Zwischenüberhitzereinrichtung 54 umfasst ferner einen zweiten Ausgang 64. Von diesem zweiten Ausgang 64 führt eine Leitung 66 zu einem ersten Eingang 68 eines Hochdruckvorwärmers 70.
Ferner führt eine Leitung 72 von der Hochdruckdampfturbine 48 zu einem zweiten Eingang 74 des Hochdruckvorwärmers 70. Über die Leitung 72 wird insbesondere Flüssigkeit bzw. Dampf mit hohem Flüssigkeitsgehalt dem Hochdruckvorwärmer 70 zugeführt. Der Hochdruckvorwärmer 70 wiederum ist mit einem Ausgang 76 fluidwirksam mit dem Eingang 16 der Verdampfereinrichtung 12 verbunden. Durch den Hochdruckvorwärmer 70 lässt sich über eine Hochdruckseite der Dampfturbineneinrichtung 14 flüssiges Wärmeträgermedium vor Einkopplung in die Verdampfereinrichtung 12 vorwärmen.
Dem Hochdruckvorwärmer 70 ist ein Niederdruckvorwärmer 78 vorgeschaltet. Dieser Niederdruckvorwärmer hat einen ersten Eingang 80. Dieser steht über eine Leitung 81 in fluidwirksamer Verbindung mit der Niederdruckdampfturbine 50. Flüssigkeit, welche von der Niederdruckdampfturbine 50 bereitgestellt wird, bzw. Dampf mit hohem Flüssigkeitsgehalt lässt sich dadurch in den Niederdruckvorwärmer 78 einkoppeln.
Der Niederdruckdampfturbine 50 ist ferner ein Kondensator 82 nachgeschaltet. An diesem Kondensator 82 werden eventuell noch enthaltene Dampfanteile in dem Fluid, welches aus der Niederdruckdampfturbinen 50 nach Entspannung ausgekoppelt wird, kondensiert. Ein Ausgang 84 des Kondensators 82 ist fluidwirksam mit einem Eingang 86 des Niederdruckvorwärmers 78 verbunden. Zwischen dem Niederdruckvorwärmer 78 und dem Kondensator 82 ist eine Pumpe 88 angeordnet. Zwischen dem Hochdruckvorwärmer 70 und dem Niederdruckvorwärmer 78 ist eine Pumpe 90 angeordnet.
An dem Kondensator 82 kondensiertes flüssiges Wärmeträgermedium wird über den Eingang 86 in den Niederdruckvorwärmer 78 eingekoppelt. Dieses flüssige Wärmeträgermedium lässt sich an dem Niederdruckvorwärmer 78 über Fluid, welches über den Eingang 80 eingekoppelt wird, erwärmen. Flüssiges Wärmeträgermedium, welches aus dem Niederdruckvorwärmer ausgekoppelt wird, wird dem Hochdruckvorwärmer 70 zugeführt und dort weiter erwärmt. Dieses flüssige Wärmeträgermedium wird dann an der Verdampfereinrichtung 12 verdampft.
Das solarthermische Kraftwerk 10 umfasst eine Sensoreinrichtung 92. Durch diese Sensoreinrichtung 92 lässt sich der Druck und/oder Massenstrom von Dampf, welcher durch die Verdampfereinrichtung 12 bereitgestellt wird, ermitteln. Die Sensoreinrichtung 92 steht in signalwirksamer Verbindung mit der Steuerungs-/Regelungseinrichtung 46, das heißt sie stellt dieser ihre Sensorsignale bereit. Diese wiederum kann dadurch die Einstelleinrichtung 44 in Abhängigkeit dieser Sensorsignale ansteuern.
Die Sensoreinrichtung 92 ist so angeordnet, dass die Sensorsignale den Zustand des Dampfes, welcher durch die Verdampfereinrichtung 12 bereitgestellt wird, charakterisieren. Insbesondere ist die Sensoreinrichtung 92 bezogen auf die Fluidströmungsrichtung vor einem Eingang der Einstelleinrichtung 44 angeordnet.
Das solarthermische Kraftwerk 10 funktioniert grundsätzlich wie folgt:
An der Verdampfereinrichtung 12 wird mittels Solarstrahlung aus dem flüssigen Wärmeträgermedium überhitzter Dampf erzeugt. Dampf kann in der Speichereinrichtung 36 zwischengespeichert werden; dieser zwischengespeicherte Dampf kann in Zeiten mit geringerer Last genutzt werden.
Der erzeugte Dampf (Frischdampf) wird der Hochdruckdampfturbine 48 zugeführt und dort genutzt. Es findet eine (Teil-)Entspannung statt. Die entsprechende mechanische Energie wird zur Erzeugung von elektrischem Strom verwendet. Teilentspannter Dampf wird durch die Zwischenüberhitzereinrichtung 54 zur Zwischenerhitzung geführt. Frischdampf wird ferner genutzt, indem er über die Leitung 62 ausgekoppelt wird; er erhitzt in einem Wärmeübertragungsprozess an der Zwischenüberhitzereinrichtung 54 Dampf, welcher von der Hochdruckdampfturbine 48 bereitgestellt wird. Dieser "nacherhitzte" Dampf wird der Niederdruckdampfturbine 50 zugeführt. Dort findet eine Entspannung statt und es wird ebenfalls die entsprechende mechanische Energie benutzt, um elektrischen Strom zu erzeugen.
An der Niederdruckdampfturbine 50 erzeugtes flüssiges Wärmeträgermedium wird dem Hochdruckvorwärmer 70 zugeführt. Nicht vollständig kondensierter Dampf wird an dem Kondensator 82 verflüssigt und die Flüssigkeit wird dann dem Hochdruckvorwärmer 70 zugeführt. Weiterhin wird direkt Flüssigkeit von der Niederdruckdampfturbine 50 dem Niederdruckvorwärmer 78 zugeführt. Weiterhin wird ausgangsseitig von der Zwischenüberhitzereinrichtung 54 Dampf bzw. Flüssigkeit dem Hochdruckvorwärmer 70 zugeführt.
An dem Ausgang 76 des Hochdruckvorwärmers 70 wird vorgewärmtes flüssiges Wärmeträgermedium bereitgestellt, welches dann in einem Kreislauf wiederum an der Solarstrahlungsempfängereinrichtung 22 verdampft wird.
Grundsätzlich ist die Last (die Menge des genutzten Dampfs) Schwankungen unterworfen. Diese Schwankungen sind insbesondere bestimmt durch den solaren Einstrahlungsgrad. Grundsätzlich kann die Last aber auch beispielsweise durch Teilstörungen insbesondere in der Solarstrahlungsempfängereinrichtung 22 beeinflusst sein. Bei Volllast wird die maximale Menge an möglichem Dampf über die Solarstrahlungsempfängereinrichtung 22 erzeugt. Bei Teillast, welche kleiner als 100 % Last (Volllast) ist, wird eine geringere Menge an Dampf erzeugt. Bei der erfindungsgemäßen Lösung erfolgt eine Steuerung/Regelung in Abhängigkeit des Teillastgrads. Ein Teillastgrad Null bedeutet Volllast. Eine Zunahme des Teillastgrads bedeutet Abnahme der Last im Vergleich zur Volllast.
Das solarthermische Kraftwerk 10 umfasst erfindungsgemäß einen ersten Betriebsmodus, bei welchem die Verdampfereinrichtung 12 Dampf auf einem gleitenden Druckniveau bereitstellt. Dieses gleitende Druckniveau ist durch das Lastniveau bestimmt. In dem ersten Betriebsmodus stellt sich der Druck p₁ von Frischdampf, welcher durch die Solarstrahlungsempfängereinrichtung 22 geliefert wird, in Abhängigkeit von dem Lastgrad (Teillastgrad) von selber ein und wird nicht weiter beeinflusst. In dem ersten Betriebsmodus ist die Einstelleinrichtung 44 so eingestellt, dass sie nicht wirksam ist, das heißt die Einstelleinrichtung 44 ist auf "inaktiv" gestellt und beeinflusst die Strömung von Frischdampf in der Leitung 34 und insbesondere in der Zuführung zu der Hochdruckdampfturbine 48 nicht. Ein entsprechendes Stellventil der Einstelleinrichtung 44 ist im ersten Betriebsmodus offen.
Das solarthermische Kraftwerk 10 weist ferner einen zweiten Betriebsmodus auf, bei welchem der Druck p₁ fest bzw. in einem gewissen Bereich fest eingestellt ist. Es kann beispielsweise bezüglich der Festeinstellung eine Schwankungsbreite von 5 % oder 10 % um einen bestimmten Druck zugelassen werden. Der bestimmte Druck ist dabei insbesondere der Druck p₁, wenn Volllast vorliegt.
Erfindungsgemäß ist es nun vorgesehen, dass zwischen dem ersten Betriebsmodus und dem zweiten Betriebsmodus in Abhängigkeit von dem Teillastgrad umgeschaltet wird. Diese Umschaltung wird durch die Einstelleinrichtung 44 bewirkt, welche wiederum durch die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 46 angesteuert ist. Entsprechende Regelungssignale stammen wiederum von der Sensoreinrichtung 92.
In diesem Zusammenhang ist dann die Einstelleinrichtung 44 eine Drosseleinrichtung, welche den Druck p₁ auf einen bestimmten Wert drosselt, wie untenstehend noch näher erläutert wird.
In 2 ist mit gepunkteter Linie und dem Bezugszeichen 94 schematisch der Verlauf des Drucks angegeben, wenn gleitender Betrieb vorliegt, das heißt wenn ständig der erste Betriebsmodus ohne Umschaltung vorliegt. p₁ ist dabei der Druck des Frischdampfs in der Leitung 34, das heißt der Druck, unter welchem auch die Solarstrahlungsempfängereinrichtung 22 Frischdampf bereitstellt. Ferner ist p₁ der Druck, unter welchem Frischdampf der Zwischenüberhitzereinrichtung 54 zugeführt wird, wobei dieser Frischdampf Wärmeübertragungsmedium in dem Wärmeübertrager der Zwischenüberhitzereinrichtung 54 ist. p₂ ist der Druck, unter welchem Dampf der Hochdruckdampfturbine 48 bereitgestellt ist.
Wie aus 2 ersichtlich ist, nimmt der Druck p₁ im gleitenden Betrieb 94 mit Verringerung der Last (Erhöhung des Teillastgrads) ab und insbesondere monoton ab. In erster Näherung ist diese Abnahme linear. Da mit Verringerung der Last (Erhöhung des Teillastgrads) der "globale Erwärmungsgrad" für das flüssige Wärmeübertragungsmedium abnimmt, nimmt der Druck p₁ ab. Im gleitenden Betrieb 94 entspricht, wenn Leitungsverluste vernachlässigt werden, der Druck p₂ dem Druck p₁, sodass diese Kurven in dem Schaubild gemäß 2 zusammenfallen.
In dem zweiten Betriebsmodus, welcher in 2 in durchgezogenen Linien angedeutet ist und dort mit den Bezugszeichen 96a, 96b gezeigt ist, ist an der Einstelleinrichtung 44 ein Festdruck p₁ eingestellt. Der Verlauf 96a, 96b an der Leitung 34 ist mindestens näherungsweise konstant. (In 2 ist eine leichte Abnahme mit einem Knick gezeigt, wobei diese Abnahme innerhalb eines zehnprozentigen Fensters liegt.) Der mindestens näherungsweise konstante Verlauf der Kurve 96a für den Druck p₁ ist durch die Einstelleinrichtung 44, welche als Drosseleinrichtung wirkt, bewirkt.
Die Kurve 96b zeigt den Druck p₂ für Wärmeträgermedium an der Hochdruckdampfturbine 48. Dieser Druck p₂ nimmt bei Verringerung der Last stetig monoton ab, da der "globale Erwärmungsgrad", welcher an der Hochdruckdampfturbine 48 genutzt wird, abnimmt. Der Verlauf des Drucks p₂ entspricht mindestens näherungsweise dem Verlauf im gleitenden Betrieb 94.
Erfindungsgemäß wird das solarthermische Kraftwerk 10 in Abhängigkeit von der Last (dem Teillastgrad) entweder im gleitenden Betrieb 94 oder im Festdruckbetrieb 96a, 96b betrieben. Dieser Betrieb ist in 2 in durchbrochenen Linien durch die Kurven 98b, 98a angedeutet. Ausgehend von der Volllast (Last 100 %, Teillastgrad 0 %) wird erfindungsgemäß zunächst der gleitende Betrieb 98a (in diesem Bereich entsprechend der Kurve 94) verwendet. Die Einstelleinrichtung 44 ist nicht wirksam und die Drücke p₁, p₂ stellen sich selber in Abhängigkeit von der Last ein. Ausgehend von Volllast nehmen dadurch diese Drücke p₁, p₂ ab. Es wird dann bei einem bestimmten Teillastgrad bzw. einem bestimmten Druck, wie untenstehend noch näher erläutert wird, in dem Festdruckbetrieb umgestellt. Die entspricht dem Verlauf 98b. Die Einstelleinrichtung 44 ist dabei derart angesteuert, dass mindestens näherungsweise dem Druck p₁ festgehalten wird (Kurve 98b in 2), und zwar zu höheren Teillastgraden (zu geringeren Lasten) hin. Der Druck p₂ nimmt dabei entsprechend dem Festdruckbetrieb 96b zu höheren Teillastgraden (zu geringeren Lasten) hin ab.
Der Druck p₁, in dem auf Festdruckbetrieb 98b umgeschaltet wird, ist dabei geringer, als wenn permanent Festdruckbetrieb (vergleiche die Kurve 96a) vorliegt.
Es besteht grundsätzlich ein fester Zusammenhang zwischen Massenstrom und Druckniveau an der heißen Seite der Zwischenüberhitzereinrichtung 54. Dadurch fällt in Teillast die an der Zwischenüberhitzereinrichtung 54 erreichbare Temperatur zur Zwischenüberhitzung des Dampfs, welcher von der Hochdruckdampfturbine 48 der Niederdruckdampfturbine zugeführt wird. Wenn das solarthermische Kraftwerk 10 allein im gleitenden Betrieb 94 betrieben wird, dann nimmt, wie in 2 (Kurve 94) ersichtlich ist, der Druck p₁ für den Frischdampf ab, welcher zur Erhitzung an der Zwischenüberhitzereinrichtung 54 dient. Somit kann im rein gleitenden Betrieb 94 die Zwischenüberhitzungstemperatur nicht auf gleichbleibend hohem Niveau gehalten werden, wenn der Teillastgrad zunimmt. Mit dem Absinken der Zwischenüberhitzungstemperatur fällt auch der Konversionsgrad an der Niederdruckdampfturbine 50. Weiterhin bedingt der Abfall der Zwischenüberhitzungstemperatur ein Ansteigen einer Endnässe für Wärmeträgermedium an der Niederdruckdampfturbine 50. Dies wiederum kann zu Materialproblemen am Ende der Niederdruckdampfturbine 50 führen.
Die thermische Speichereinrichtung 76 weist insbesondere eine Verdampfungsstrecke auf; die Speichereinrichtung umfasst insbesondere einen oder mehrere Latentwärmespeicher wie PCM-Speicher. Eine solche Speichereinrichtung liefert dann bei der Entladung Dampf auf einem festen vorgegeben Druckniveau. Wenn im gleitenden Betrieb 94 aufgrund Abfall des Drucks p₁ eine Entladung auf einem niedrigeren Druck als beim speicherspezifischen Entladedruck durchgeführt wird, dann wird die in der Speichereinrichtung 36 gespeicherte Wärme schlechter exergetisch ausgenutzt.
Wenn das solarthermische Kraftwerk 10 in dem Festdruckbetrieb 96a betrieben wird, dann sind die genannten Probleme mit der Zwischenüberhitzungstemperatur, wie sie beim gleitenden Betrieb 94 vorliegen, vermieden. Jedoch findet eine energetische Entwertung des Frischdampfstroms statt, da eine Drosselung an der Einstelleinrichtung 44 stattfindet.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung liegt sowohl der erste Betriebsmodus mit gleitendem Betrieb 98a als auch der zweite Betriebsmodus mit Festdruckbetrieb 98b vor, wobei die Umschaltung in Abhängigkeit von dem Teillastgrad erfolgt. Die Umschaltung erfolgt dabei insbesondere automatisch über die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 46. Die Sensoreinrichtung 92 stellt entsprechende Massenstrom- und/oder Druckdaten bereit und daraus bestimmt die Einstelleinrichtung 44, ob durch entsprechende Ansteuerung der Einstelleinrichtung 44 entweder der erste Betriebsmodus oder zweite Betriebsmodus eingestellt werden soll. Insbesondere erfolgt eine laufende Überwachung, um bei Bedarf eine Umschaltung zwischen dem ersten Betriebsmodus und dem zweiten Betriebsmodus durchzuführen.
Dadurch werden die spezifischen Vorteile sowohl von gleitendem Betrieb als auch Festdruckbetrieb kombiniert bzw. deren spezifische Nachteile vermieden oder zumindest verringert.
Insbesondere wird ein Umschaltpunkt 100, welcher einem entsprechenden Druckniveau p * / 1 entspricht, entsprechend einer charakteristischen Temperatur für die Speichereinrichtung 36 gewählt. Insbesondere entspricht der Umschaltpunkt 100 einer Entladetemperatur bzw. einem Entladetemperaturbereich der Speichereinrichtung 36. Der Druck p * / 1 entspricht einem Entladedruck der Speichereinrichtung 36.
Erfindungsgemäß wird dann ausgehend von Volllast (Teillastgrad Null) das solarthermische Kraftwerk 10 im gleitenden Betrieb 98a (im ersten Betriebsmodus) betrieben. Der Druck p₁ ist dabei höher als der Druck p * / 1 bei der Speicherentladung. Es erfolgt ein gleitender Betrieb solange, bis bei einem bestimmten Teillastgrad der Druck p * / 1 für den Druck in der Leitung 34 erreicht ist. In dem genannten ersten Betriebsmodus ist die Einstelleinrichtung 44 nicht wirksam.
Das Erreichen des Drucks p * / 1 wird über die Sensoreinrichtung 92 ermittelt und wenn die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 46 dann die entsprechende Signale erhält, welche das Erreichen des Drucks p * / 1 signalisieren (entweder direkt oder über den Massenstrom), wird die Einstelleinrichtung 44 angesteuert. Die Einstelleinrichtung 44 führt dann eine Drosselung durch, sodass der Wert p * / 1 festgehalten wird.
Grundsätzlich wird erwartet, dass die Anzahl der Betriebsstunden in dem ersten Betriebsmodus höher ist als in dem zweiten Betriebsmodus. In dem ersten Betriebsmodus (bei entsprechender Wahl des Umschaltpunkts 100) ist der Abfall der Zwischenüberhitzungstemperatur bei Zunahme des Teillastgrads relativ moderat und noch tolerabel. Der thermische Wirkungsgrad ist wie untenstehend noch näher erläutert wird hoch. Da eine Mehrzahl der Betriebsstunden in dem ersten Betriebsmodus zu erwarten ist, ist ein hoher thermischer Wirkungsgrad wichtig.
Wenn dann der Teillastgrad weiter zunimmt, wird auf den Festdruckbetrieb 98b (zweiten Betriebsmodus) umgeschaltet. Das Druckniveau wird (mindestens näherungsweise) auf p * / 1 festgehalten. Es stabilisiert sich dann die Zwischenüberhitzungstemperatur und ein weiterer, turbinenseitig ungünstiger Abfall des Drucks ist vermieden.
Der Verlauf der Zwischenüberhitzertemperatur ist in 3 gezeigt. Die punktierte Linie 94 zeigt den gleitenden Betrieb. Wie oben bereits erwähnt, nimmt mit Zunahme des Teillastgrads die Zwischenüberhitzertemperatur insbesondere monoton ab.
In dem Festdruckbetrieb 96a, 96b ist dagegen die Zwischenüberhitzertemperatur konstant.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird gewissermaßen ein Kompromiss geschlossen. Bis zum Umschaltpunkt 100 nimmt die Zwischenüberhitzertemperatur moderat ab. Nach Erreichen des Umschaltpunktes zu größeren Teillastgraden hin wird die Zwischenüberhitzertemperatur stabilisiert.
In 4 ist der Wirkungsgrad η in Abhängigkeit des Teillastgrads gezeigt. Der Wirkungsgrad ist aus den oben genannten Gründen für den Festdruckbetrieb 96a, 96b am geringsten. Bei der erfindungsgemäßen Lösung (durchbrochene Linie) ist der Wirkungsgrad für geringe Teillastgrade höher (Kurve 98a, 98b) als bei dem Festdruckbetrieb 96a, 96b. Da für geringe Teillastgrade die meisten Betriebsstunden erwartet werden, erhält man eine effektive Wirkungsgradausnutzung.
Grundsätzlich ist bei kleinen Teillastgraden der gleitende Betrieb 94 vom Wirkungsgrad her am günstigsten. Jedoch werden die oben genannten Materialprobleme verursacht.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung werden der erste Betriebsmodus (gleitender Betrieb 98a) und der zweite Betriebsmodus (Festdruckbetrieb 98b) kombiniert, wobei der Teillastgrad das Vorliegen des jeweiligen Betriebsmodus bestimmt. Dadurch werden die Vorteile der beiden Verfahren gebündelt und deren Nachteile verringert. Bei geringeren Teillastgraden erfolgt eine hocheffiziente Umwandlung von Wärmeträgermedium, da hier die meisten Betriebsstunden erwartet werden. Bei höheren Teillastgraden wird der durch die Zwischenüberhitzung bedingte Abfall der Zwischenüberhitzungstemperatur abgefangen, indem in den Festdruckbetrieb 98b umgeschaltet wird. Die Niederdruckdampfturbine 50 kann dadurch in einem günstigeren Betriebspunkt ausgelegt und gefahren werden. Die stabilisierte Zwischenüberhitzungstemperatur senkt die Dampfnässe an einem Ende der Niederdruckdampfturbine 50 und vermeidet mögliche Materialprobleme.
Durch die erfindungsgemäße Lösung ist es möglich, das solarthermische Kraftwerk 10 an die individuelle Druckcharakteristik der Speichereinrichtung 36 explizit anzupassen.
Bezugszeichenliste

10: Solarthermisches Kraftwerk
12: Verdampfereinrichtung
14: Dampfturbineneinrichtung
16: Eingang
18: Ausgang
20: Ausgang
22: Solarstrahlungsempfängereinrichtung
24: Verdampferbereich
26: Überhitzerbereich
28: Eingang
30: Leitung
32: Ausgang
34: Leitung
36: Speichereinrichtung
38: Eingang
40: Eingang
42: Ausgang
44: Einstelleinrichtung
46: Steuerungs-/Regelungseinrichtung
48: Hochdruckdampfturbine
50: Niederdruckdampfturbine
52: Leitung
54: Zwischenüberhitzereinrichtung
56: Erster Eingang
58: Erster Ausgang
60: Zweiter Eingang
62: Leitung
64: Zweiter Ausgang
66: Leitung
68: Erster Eingang
70: Hochdruckvorwärmer
72: Leitung
74: Zweiter Eingang
76: Ausgang
78: Niederdruckvorwärmer
80: Erster Eingang
81: Leitung
82: Kondensator
84: Ausgang
86: Eingang
88: Pumpe
90: Pumpe
92: Sensoreinrichtung
94: Gleitender Bereich
96a, b: Festdruckbetrieb
98a, b: Betrieb
100: Umschaltpunkt

Claims

Verfahren zum Betreiben eines solarthermischen Kraftwerks, welches eine Verdampfereinrichtung mit einer Solarstrahlungsempfängereinrichtung, eine Hochdruckdampfturbine, eine der Hochdruckdampfturbine nachgeordnete Niederdruckdampfturbine und eine Zwischenüberhitzereinrichtung zwischen der Hochdruckdampfturbine und der Niederdruckdampfturbine umfasst, bei dem durch die Verdampfereinrichtung ein Wärmeträgermedium in Dampfform bereitgestellt wird, der Dampf der Hochdruckdampfturbine eingangsseitig bereitgestellt wird, Dampf ausgangsseitig von der Hochdruckdampfturbine der Zwischenüberhitzereinrichtung zugeführt und dort erhitzt wird und von der Zwischenüberhitzereinrichtung eingangsseitig der Niederdruckdampfturbine bereitgestellt wird, wobei die Zwischenüberhitzereinrichtung mit Frischdampf von der Verdampfereinrichtung beheizt wird, gekennzeichnet durch einen ersten Betriebsmodus, bei dem die Verdampfereinrichtung Dampf auf einem gleitenden Druckniveau, welches abhängt von einem Teillastgrad, bereitstellt, und einen zweiten Betriebsmodus, bei dem die Verdampfereinrichtung Dampf auf einem mindestens näherungsweise festen Druckniveau bereitstellt, wobei zwischen dem ersten Betriebsmodus und dem zweiten Betriebsmodus in Abhängigkeit des Teillastgrads umgeschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsmodi so geschaltet werden, dass bei niedrigem Teillastgrad in der Nähe von Volllast der erste Betriebsmodus vorliegt und bei hohem Teillastgrad in der Nähe von 40 % Volllast der zweite Betriebsmodus vorliegt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erhöhung des Teillastgrads eine Umschaltung von dem ersten Betriebsmodus auf den zweiten Betriebsmodus erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erniedrigung des Teillastgrads eine Umschaltung vom zweiten Betriebsmodus auf den ersten Betriebsmodus erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zwischenüberhitzereinrichtung Dampf, welcher von der Hochdruckdampfturbine bereitgestellt wird, über einen Wärmeübertrager mit Frischdampf von der Verdampfereinrichtung erhitzt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenüberhitzereinrichtung Frischdampf als Erhitzungsmedium auf einem Druckniveau entsprechend dem ersten Betriebsmodus oder dem zweiten Betriebsmodus von der Verdampfereinrichtung bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfereinrichtung eine Speichereinrichtung umfasst, die den Umschaltpunkt oder Umschaltbereich zwischen dem ersten Betriebsmodus und dem zweiten Betriebsmodus festlegt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichereinrichtung parallel zu der Solarstrahlungsempfängereinrichtung angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichereinrichtung eine Entladungstemperatur oder einen Entladungstemperaturbereich aufweist, bei welcher Dampf auf einem bestimmten Druckniveau bereitgestellt wird, und wobei dieses bestimmte Druckniveau das Druckniveau für die Umschaltung zwischen dem ersten Betriebsmodus und dem zweiten Betriebsmodus definiert.
Verfahren nach einen der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfereinrichtung eine Einstelleinrichtung umfasst, durch welche festgelegt wird, ob der erste Betriebsmodus oder der zweite Betriebsmodus vorliegt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Drosseleinrichtung, welche der Hochdruckdampfturbine vorgeschaltet ist, und welche insbesondere als Einstelleinrichtung für den ersten Betriebsmodus und zweiten Betriebsmodus ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass Frischdampf, welcher der Zwischenüberhitzereinrichtung zugeführt wird, vor der Drosseleinrichtung ausgekoppelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosseleinrichtung gesteuert und/oder geregelt betrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein gemessener Massenstrom und/oder ein gemessener Druck von Wärmeträgermedium-Dampf als Indikatorsignal für (i) die Umschaltung zwischen erstem Betriebsmodus und zweitem Betriebsmodus und/oder für (ii) die Steuerung und/oder Regelung der Einstelleinrichtung oder Drosseleinrichtung verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerungs-/Regelungseinrichtung in Abhängigkeit von einem ermittelten Massenstrom und/oder ermittelten Druck von Dampf vor Eintritt in die Hochdruckdampfturbine zwischen dem ersten Betriebsmodus und dem zweiten Betriebsmodus umschaltet.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine solare Direktverdampfung an der Solarstrahlungsempfängereinrichtung erfolgt.
Solarthermisches Kraftwerk, umfassend eine Verdampfereinrichtung (12) mit einer Solarstrahlungsempfängereinrichtung (22), durch welche ein Wärmeträgermedium in Dampfform bereitgestellt ist, mindestens eine Hochdruckdampfturbine (48), mindestens eine der Hochdruckdampfturbine (48) nachgeschaltete Niederdruckdampfturbine (50), eine Zwischenüberhitzereinrichtung (54) zwischen der mindestens einen Hochdruckdampfturbine (48) und der mindestens einen Niederdruckdampfturbine (50), welche durch Frischdampf von der Verdampfereinrichtung (12) beheizt ist, eine Einstelleinrichtung (44), durch welche der Druck von durch die Verdampfereinrichtung (12) bereitgestelltem Dampf beeinflussbar ist, und eine Steuerungs-/Regelungseinrichtung (46), welche die Einstelleinrichtung (44) so ansteuert, dass in einem ersten Betriebsmodus der Druck des bereitgestellten Dampfs in Abhängigkeit eines Teillastgrads gleitend variiert und in einem zweiten Betriebsmodus der Druck mindestens näherungsweise festgelegt ist, und eine Umschaltung zwischen dem ersten Betriebsmodus und dem zweiten Betriebsmodus bei einem bestimmten Teillastgrad oder Teillastgradbereich bewirkt.
Solarthermisches Kraftwerk nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch eine Sensoreinrichtung (92), welche den Druck und/oder den Massenstrom von der mindestens einen Hochdruckdampfturbine zugeführtem Dampf ermittelt und diese Daten der Steuerungs-/Regelungseinrichtung (46) bereitstellt.
Solarthermisches Kraftwerk nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfereinrichtung (12) eine Speichereinrichtung (36) umfasst.
Solarthermisches Kraftwerk nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichereinrichtung (36) parallel zur Solarstrahlungsempfängereinrichtung (22) geschaltet ist.
Solarthermisches Kraftwerk nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenüberhitzereinrichtung (54) fluidwirksam an die Verdampfereinrichtung (12) gekoppelt ist, wobei ein Einkopplungspunkt einer Drosseleinrichtung (44) vorgeschaltet ist.
Verwendung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16 bei einem solarthermischen Kraftwerk gemäß einem der Ansprüche 17 bis 21.