EP2606278A2 - Durchlaufdampferzeuger mit integriertem zwischenüberhitzer - Google Patents

Durchlaufdampferzeuger mit integriertem zwischenüberhitzer

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EP2606278A2
EP2606278A2 EP11766953.1A EP11766953A EP2606278A2 EP 2606278 A2 EP2606278 A2 EP 2606278A2 EP 11766953 A EP11766953 A EP 11766953A EP 2606278 A2 EP2606278 A2 EP 2606278A2
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EP
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steam generator
heat transfer
transfer medium
tubes
superheater
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EP11766953.1A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jan BRÜCKNER
Joachim Franke
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F22B1/06—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers the heat carrier being molten; Use of molten metal, e.g. zinc, as heat transfer medium
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    • F22G7/00—Steam superheaters characterised by location, arrangement, or disposition
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y02E10/46—Conversion of thermal power into mechanical power, e.g. Rankine, Stirling or solar thermal engines

Definitions

  • the invention relates to a once-through steam generator, in particular for solar thermal power plants, with tegriertem in ⁇ reheater.
  • Solar thermal power plants represent an alternative to the forth ⁇ conventional power generation.
  • solar thermal power plants with a tower collectors and indirect evaporation in which a heat transfer medium is heated by solar radiation and its energy in a downstream heat exchanger (steam generator) to the working medium of a water-steam -Kreislaufes, wherein the generated steam is fed to a steam turbine.
  • Al ⁇ ternatives for solar tower concept are power plants with parabolic channel- or Fresnel collectors, where the solar energy is not concentrated in a tower, but a sauceträ ⁇ germedium in tubes which are concentric to a focal line is heated.
  • the steam generator mentioned above is currently designed so that it consists of four components (preheater, evaporator, superheater and reheater).
  • the disadvantage of this is that this type of construction high costs for the Dampfmaschineerkompo- components themselves and additionally for the necessary piping ⁇ system conditions.
  • the object of the invention is to propose a cost steam generator. Further, it is an object of the invention to provide a cost-steam generating device and a solar thermal power plant vorzu at reduced costs beat ⁇ .
  • the container of the steam generator is a pressure vessel.
  • the pressure vessel is designed such that a heat transfer medium flows through the pressure vessel from top to bottom.
  • the heat transfer medium is a salt melt as salts are non-toxic, inexpensive, and in marmolze ⁇ NEN depressurized state stored.
  • the superheater reheater tubes are in the direction of flow of heat carrier medium alternately side by side in the container angeord net.
  • the superheater and reheater pipes are arranged alternately one behind the other in the container.
  • the steam generating device advantageously comprises, in addition to the inventive continuous steam generator, a water separation system, wherein the first part of the steam generator pipes is connected downstream of the water separation system on the flow medium side.
  • the second part of the steam generator tubes is expediently connected upstream of the water separation system on the flow medium side.
  • the steam generating device with the steam generator is integrated according to a particularly advantageous embodiment in a solar tower power plant with indirect evaporation.
  • the steam generating device is integrated with the steam generator in a solar thermal power plant with parabolic trough collectors.
  • the steamer generating device is integrated with the steam generator in a solarthermi cal power plant with Fresnel panels.
  • Figure 1 is a solar tower power plant with indirect evaporation and 2 shows a steam generating device with a forced continuous steam generator with integrated intermediate overheating according to the invention and a water separator.
  • a solar tower power plant 1 shows schematically and by way of example a solar tower power plant 1. It comprises a solar tower 2, at the vertically upper end of which an absorber 3 is arranged. A heliostat field 4 with a number of heliostats 5 is placed on the ground around the solar tower 2. The heliostat 4 with the heliostat 5 is designed for focusing the direct solar radiation 6. The individual heliostats 5 are arranged and aligned so that the direct Solarstrah ⁇ lung 6 lung from the sun in the form of concentrated Solarstrah- is focused on the absorber 3. 7 In the solar tower power plant 1, the solar radiation is thus concentrated by a field individually tracked mirror, the heliostat 5, on the top of the solar tower 2. The absorber 3 converts the radiation into heat and delivers it to a heat transfer medium, for example molten salt or thermal oil, which supplies the heat to a conventional power plant process 8 with a steam turbine 9.
  • a heat transfer medium for example molten salt or thermal oil
  • Steam turbine 9 is connected with one or more pressure stages 10, 11, 12 in a water-steam circuit 13, the coming of the condenser 14 feed water is passed through various heat exchangers 15, 16, 17. These heat exchangers 15, 16, 17 have the function of preheater 15, evaporator 16 and superheater 17.
  • steam which is relaxed in the high pressure ⁇ part 10 of the steam turbine 9 and slightly cooled, before entering the medium-pressure part 11 in a further heat exchanger 18 reheat between.
  • Heat Transf ⁇ supply the heat transfer medium to the working medium typically thus be four components needed.
  • This type of construction requires high costs for the steam generator components itself and additionally for the necessary piping system. This problem is not limited to that shown in Figure 1 type of solar thermal power plant, but be ⁇ affects other solar power plant types with indirect evaporation, such collectors as power plants with parabolic trough or Fresnel.
  • FIG. 2 shows an embodiment of the inventive steam generator 19, in which all the steam generator components mentioned, ie preheaters, evaporators, superheaters and reheaters, are combined in one component.
  • the run ⁇ steam generator 19 comprises a pressure vessel 20 having a heat transfer medium inlet 21 and a heat transfer medium outlet 22, between which a heat transfer medium passage is formed 23rd In the heat transfer medium channel 23 steam generator tubes 24 are arranged, wherein a first part 25 of the
  • Steam generator tubes 24 is formed as a system of superheater 26 and reheater tubes 27 and a second part 28 of the steam generator tubes 24 is formed as a system of preheater 29 and evaporator tubes 30.
  • a hot heat transfer medium such as a molten salt, conducted at the heat transfer medium inlet 21 into the pressure tank 20 of the steam generator 19 and flowing through the heat ⁇ carrier medium channel 23 to the steam generator tubes 24 by 22 for the heat transfer medium output
  • Cold feed water is supplied through a feed water inlet 31 into the Vormérmrohre 29 pumped and continues to flow through the evaporator tubes 30.
  • the steam generated in this case is supplied via a first steam outlet 32 to a Wasserabscheidesystem 33 for separating unevaporated water. Steam generator 19 and Wasserabscheidesystem 33 thereby form a steam generator 34.
  • the remaining steam is supplied via a first steam inlet 35 back to the steam generator 19 for overheating in the superheater tubes 26 and leaves it again via a second steam outlet 36 in the direction of the steam turbine 9.
  • the in the high-pressure part 10th The steam turbine 9 partially relaxed and cooled from ⁇ cooled steam is used for reheating over a two- Steam inlet 37 again supplied to the steam generator 19 and leaves this after flowing through the reheater pipes 27 again at the third steam outlet 38 in the direction of the central pressure part 11 of the steam turbine.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Durchlaufdampferzeuger (19) mit einem Behälter (20), der einen Wärmeträgermediumeingang (21) und einen Wärmeträgermediumausgang (22) aufweist, wobei zwischen Wärmeträgermediumeingang (21) und Wärmeträgermediumausgang (22) ein Wärmeträgermediumkanal (23) gebildet ist, in dem ein Wärmeträgermedium strömt, mit im Wärmeträgermediumkanal (23) angeordneten Dampferzeugerrohren (24), wobei ein erster Teil (25) der Dampferzeugerrohre (24) als ein System von Überhitzer- (26) und Zwischenüberhitzerrohren (27) ausgebildet ist, und ein zweiter Teil (28) der Dampferzeugerrohre (24) als ein System von Vorwärm- (29) und Verdampferrohren (30) ausgebildet ist, und in Strömungsrichtung des Wärmeträgermediums der erste Teil (25) vor dem zweiten Teil (28) angeordnet ist. Die Erfindung betrifft ferner eine Dampferzeugereinrichtung (34) mit einem Durchlaufdampferzeuger (19) und einem Wasserabscheidesystem (33). Die Erfindung betrifft auch eine solarthermische Kraftwerksanlage.

Description

Beschreibung
Durchlaufdampferzeuger mit integriertem Zwischenüberhitzer
Die Erfindung betrifft einen Zwangdurchlauf-Dampferzeuger, insbesondere für solarthermische Kraftwerksanlagen, mit in¬ tegriertem Zwischenüberhitzer.
Solarthermische Kraftwerke stellen eine Alternative zur her¬ kömmlichen Stromerzeugung dar. Zurzeit werden solarthermische Kraftwerke beispielsweise mit Turmkollektoren und indirekter Verdampfung ausgeführt, bei der ein Wärmeträgermedium durch solare Strahlung aufgeheizt wird und seine Energie in einem nachgeschalteten Wärmetauscher (Dampferzeuger) an das Arbeitsmedium eines Wasser-Dampf-Kreislaufes abgibt, wobei der dabei erzeugte Dampf einer Dampfturbine zugeführt wird. Al¬ ternativen zum Solarturm-Konzept sind Kraftwerke mit Parabol- rinnen- bzw. Fresnelkollektoren, bei denen die Sonnenenergie nicht auf einen Turm konzentriert wird, sondern ein Wärmeträ¬ germedium in Rohren, die konzentrisch zu einer Brennlinie verlaufen, erwärmt wird.
Der o.g. Dampferzeuger wird derzeit so ausgeführt, dass er z.B. aus vier Komponenten (Vorwärmer, Verdampfer, Überhitzer und Zwischenüberhitzer) besteht. Nachteilig hieran ist, dass diese Art der Bauform hohe Kosten für die Dampferzeugerkompo- nenten selbst und zusätzlich für das notwendige Rohrleitungs¬ system bedingt.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen kostengünstigen Dampferzeuger vorzuschlagen. Ferner ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine kostengünstige Dampferzeugungseinrichtung und eine solarthermische Kraftwerksanlage zu reduzierten Kosten vorzu¬ schlagen .
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die Vorrich¬ tung gemäß Anspruch 1, sowie die Vorrichtungen der Ansprüche 8 und 11 bis 13. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen definiert. In einem Durchlaufdampferzeuger mit einem Behälter, der einen Wärmeträgermediumeingang und einen Wärmeträgermediumausgang aufweist, wobei zwischen Wärmeträgermediumeingang und Wärmeträgermediumausgang ein Wärmeträgermediumkanal gebildet ist, in dem ein Wärmeträgermedium strömt, mit im Wärmeträgermediumkanal angeordneten Dampferzeugerrohren, wobei ein erster Teil der Dampferzeugerrohre als ein System von Überhitzerund Zwischenüberhitzerrohren ausgebildet ist, und ein zweiter Teil der Dampferzeugerrohre als ein System von Vorwärm- und Verdampferrohren ausgebildet ist, und in Strömungsrichtung des Wärmeträgermediums der erste Teil vor dem zweiten Teil angeordnet ist, findet die gesamte Dampferzeugung (inklusive Zwischenüberhitzung) in einer Komponente statt, was die Kosten wesentlich reduziert. Bei den bisher bekannten Ausführungsformen des Dampferzeugers waren mindestens zwei Druckbe¬ hälter (Vorwärmer + Verdampfer + Überhitzer und separater Zwischenüberhitzer) , meistens sogar vier Druckbehälter erforderlich .
Vorteilhafter Weise sind Überhitzerrohre und Zwischenüberhit¬ zerrohre auf einer Wärmeträgermediumsseite zu einer Heizflä¬ che verschaltet. Damit wird eine äußerst kompakte Bauform des Durchlaufdampferzeugers erzielt.
Zweckmäßigerweise ist der Behälter des Dampferzeugers ein Druckbehälter .
Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn der Druckbehälter derart ausgelegt ist, dass ein Wärmeträgermedium den Druckbehälter von oben nach unten durchströmt.
Vorteilhafter Weise ist das Wärmeträgermedium eine Salzschmelze, da Salze ungiftig, kostengünstig und im geschmolze¬ nen Zustand drucklos speicherbar sind. einer vorteilhaften Aus führungs form sind die Überhitzer- Zwischenüberhitzerrohre in Strömungsrichtung eines Wärme trägermediums alternierend nebeneinander im Behälter angeord net .
In einer alternativen Aus führungs form sind die Überhitzerund Zwischenüberhitzerrohre alternierend hintereinander im Behälter angeordnet.
Die Dampferzeugungseinrichtung nach der Erfindung umfasst in vorteilhafter Weise neben dem erfinderischen Durchlaufdampf- erzeuger ferner ein Wasserabscheidesystem, wobei der erste Teil der Dampferzeugerrohre dem Wasserabscheidesystem strö- mungsmediumsseitig nachgeschaltet ist.
Dabei ist der zweite Teil der Dampferzeugerrohre dem Wasser¬ abscheidesystem strömungsmediumsseitig zweckmäßigerweise vor geschaltet .
Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn an Verdampferrohre paralle angrenzende Überhitzerrohre dem Wasserabscheidesystem strö- mungsseitig unmittelbar nachgeschaltet sind.
Die Dampferzeugungseinrichtung mit dem Dampferzeuger ist dabei nach besonders vorteilhafter Ausgestaltung in ein Solarturm-Kraftwerk mit indirekter Verdampfung integriert.
In einer alternativen Ausgestaltung ist die Dampferzeugungseinrichtung mit dem Dampferzeuger in ein solarthermisches Kraftwerk mit Parabolrinnenkollektoren integriert.
In einer weiteren alternativen Ausgestaltung ist die Dampfer zeugungseinrichtung mit dem Dampferzeuger in ein solarthermi sches Kraftwerk mit Fresnelkollektoren integriert.
Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich:
Figur 1 ein Solarturm-Kraftwerk mit indirekter Verdampfung und Figur 2 eine Dampferzeugungseinrichtung mit einem Zwangdurchlauf-Dampferzeuger mit integrierter Zwischen- überhitzung nach der Erfindung und einem Wasserabscheider .
Die Figur 1 zeigt schematisch und beispielhaft ein Solarturm- Kraftwerk 1. Es 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 Solarstrah¬ lung 6 von der Sonne in Form von konzentrierter Solarstrah- lung 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 Wärmeträgerme- dium, beispielsweise Salzschmelze oder Thermoöl, ab, das die Wärme einem konventionellen Kraftwerksprozess 8 mit einer Dampfturbine 9 zuführt.
Zur Übertragung der Wärme auf das Arbeitsmittel des konventi- onellen Kraftwerksprozesses 8, bei dem üblicherweise eine
Dampfturbine 9 mit einer oder mehreren Druckstufen 10, 11, 12 in einen Wasser-Dampf-Kreislauf 13 geschaltet ist, wird das vom Kondensator 14 kommende Speisewasser durch verschiedene Wärmetauscher 15, 16, 17 geleitet. Diese Wärmetauscher 15, 16, 17 haben die Funktion von Vorwärmer 15, Verdampfer 16 und Überhitzer 17. Außerdem wird zur Erhöhung des Gesamtwirkungsgrads des Kraftwerks üblicherweise Dampf, der im Hochdruck¬ teil 10 der Dampfturbine 9 entspannt und leicht abgekühlt ist, vor dem Eintritt in den Mitteldruckteil 11 in einem wei- teren Wärmetauscher 18 zwischenüberhitzt. Zur Wärmeübertra¬ gung vom Wärmeträgermedium auf das Arbeitsmedium werden somit typischer Weise vier Komponenten benötigt. Diese Art der Bauform bedingt hohe Kosten für die Dampferzeugerkomponenten selbst und zusätzlich für das notwendige Rohrleitungssystem. Diese Problematik ist nicht nur auf den in Figur 1 gezeigten Typ eines solarthermischen Kraftwerks beschränkt, sondern be¬ trifft auch andere solare Kraftwerkstypen mit indirekter Verdampfung, wie z.B. Kraftwerke mit Parabolrinnen oder Fresnel- kollektoren .
Figur 2 zeigt eine Aus führungs form des erfinderischen Dampferzeugers 19, in dem alle genannten Dampferzeugerkomponenten, d.h. Vorwärmer, Verdampfer, Überhitzer und Zwischenüberhitzer, in einer Komponente zusammengefasst sind. Der Durchlauf¬ dampferzeuger 19 umfasst einen Druckbehälter 20, der einen Wärmeträgermediumeingang 21 und einen Wärmeträgermediumausgang 22 aufweist, zwischen denen ein Wärmeträgermediumkanal 23 gebildet ist. Im Wärmeträgermediumkanal 23 sind Dampfer- zeugerrohre 24 angeordnet, wobei ein erster Teil 25 der
Dampferzeugerrohre 24 als ein System von Überhitzer- 26 und Zwischenüberhitzerrohren 27 ausgebildet ist und ein zweiter Teil 28 der Dampferzeugerrohre 24 als ein System von Vorwärm- 29 und Verdampferrohren 30 ausgebildet ist.
Im Betrieb wird ein heißes Wärmeträgermedium, z.B. eine Salzschmelze, am Wärmeträgermediumeingang 21 in den Druckbehälter 20 des Dampferzeugers 19 geleitet und strömt durch den Wärme¬ trägermediumkanal 23 an den Dampferzeugerrohren 24 vorbei zum Wärmeträgermediumausgang 22. Kaltes Speisewasser wird über einen Speisewassereinlass 31 in die Vorwärmrohre 29 gepumpt und strömt weiter durch die Verdampferrohre 30. Der hierbei erzeugte Dampf wird über einen ersten Dampfauslass 32 einem Wasserabscheidesystem 33 zur Abtrennung nicht verdampften Wassers zugeführt. Dampferzeuger 19 und Wasserabscheidesystem 33 bilden dabei eine Dampferzeugungseinrichtung 34. Der verbleibende Dampf wird über einen ersten Dampfeinlass 35 wieder dem Dampferzeuger 19 zur Überhitzung in den Überhitzerrohren 26 zugeführt und verlässt diesen wieder über einen zweiten Dampfauslass 36 in Richtung der Dampfturbine 9. Der im Hochdruckteil 10 der Dampfturbine 9 teilentspannte und ab¬ gekühlte Dampf wird zur Zwischenüberhitzung über einen zwei- ten Dampfeinlass 37 wieder dem Dampferzeuger 19 zugeführt und verlässt diesen nach Durchströmen der Zwischenüberhitzerrohre 27 wieder am dritten Dampfauslass 38 in Richtung des Mitteldruckteils 11 der Dampfturbine 9.

Claims

Patentansprüche
1. Durchlaufdampferzeuger (19) mit einem Behälter (20), der einen Wärmeträgermediumeingang (21) und einen Wärmeträ- germediumausgang (22) aufweist, wobei zwischen Wärmeträgermediumeingang (21) und Wärmeträgermediumausgang (22) ein Wärmeträgermediumkanal (23) gebildet ist, in dem ein Wärmeträgermedium strömt, mit im Wärmeträgermediumkanal (23) angeordneten Dampferzeugerrohren (24), wobei ein erster Teil (25) der Dampferzeugerrohre (24) als ein Sys¬ tem von Überhitzer- (26) und Zwischenüberhitzerrohren (27) ausgebildet ist, und ein zweiter Teil (28) der
Dampferzeugerrohre (24) als ein System von Vorwärm- (29) und Verdampferrohren (30) ausgebildet ist, und in Strö- mungsrichtung des Wärmeträgermediums der erste Teil (25) vor dem zweiten Teil (28) angeordnet ist.
2. Durchlaufdampferzeuger (19) nach Anspruch 1, wobei Überhitzerrohre (26) und Zwischenüberhitzerrohre (27) auf ei- ner Wärmeträgermediumsseite zu einer Heizfläche verschal¬ tet sind.
3. Durchlaufdampferzeuger (19) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Behälter (20) ein Druckbehälter (20) ist.
4. Durchlaufdampferzeuger (19) nach Anspruch 3, bei dem der Druckbehälter (20) derart ausgelegt ist, dass ein Wärme¬ trägermedium den Druckbehälter (20) von oben nach unten durchströmt.
5. Durchlaufdampferzeuger (19) nach Anspruch 4, wobei das Wärmeträgermedium eine Salzschmelze ist.
6. Durchlaufdampferzeuger (19) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Überhitzer- (26) und Zwischenüberhitzerrohre (27) in Strömungsrichtung des Wärmeträgerme- diums alternierend nebeneinander im Behälter (20) angeordnet sind.
7. Durchlaufdampferzeuger (19) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Überhitzer- (26) und Zwischenüberhit¬ zerrohre (27) in Strömungsrichtung des Wärmeträgermediums alternierend hintereinander im Behälter (20) angeordnet sind .
8. Dampferzeugungseinrichtung (34) mit einem Durchlaufdampf- erzeuger (19) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend ein Wasserabscheidesystem (33), wobei der erste Teil (25) der Dampferzeugerrohre (24) dem Was¬ serabscheidesystem (33) strömungsmediumsseitig nachge- schaltet ist.
9. Dampferzeugungseinrichtung (34) nach Anspruch 8, wobei der zweite Teil (28) der Dampferzeugerrohre (24) dem Was¬ serabscheidesystem (33) strömungsmediumsseitig vorge- schaltet ist.
10. Dampferzeugungseinrichtung (34) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei an Verdampferrohre (29) parallel angren¬ zende Überhitzerrohre (26) dem Wasserabscheidesystem (33) strömungsseitig unmittelbar nachgeschaltet sind.
11. Solarthermische Kraftwerksanlage mit einer Dampferzeu¬ gungseinrichtung (34) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, weiter umfassend einen Solarturm (2) .
12. Solarthermische Kraftwerksanlage mit einer Dampferzeu¬ gungseinrichtung (34) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, weiter umfassend Parabolrinnenkollektoren .
13. Solarthermische Kraftwerksanlage mit einer Dampferzeu¬ gungseinrichtung (34) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, weiter umfassend Fresnelkollektoren .
EP11766953.1A 2010-10-04 2011-09-29 Durchlaufdampferzeuger mit integriertem zwischenüberhitzer Withdrawn EP2606278A2 (de)

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