WO2012028510A1 - Berohrung einer verdampferheizfläche für durchlaufdampferzeuger in solarturm-kraftwerken mit direkter verdampfung und naturumlauf-charakteristik - Google Patents

Berohrung einer verdampferheizfläche für durchlaufdampferzeuger in solarturm-kraftwerken mit direkter verdampfung und naturumlauf-charakteristik Download PDF

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WO2012028510A1
WO2012028510A1 PCT/EP2011/064551 EP2011064551W WO2012028510A1 WO 2012028510 A1 WO2012028510 A1 WO 2012028510A1 EP 2011064551 W EP2011064551 W EP 2011064551W WO 2012028510 A1 WO2012028510 A1 WO 2012028510A1
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WO
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steam generator
solar
quotient
pipe
straight line
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PCT/EP2011/064551
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Jan BRÜCKNER
Martin Effert
Joachim Franke
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G6/00—Devices for producing mechanical power from solar energy
    • F03G6/06—Devices for producing mechanical power from solar energy with solar energy concentrating means
    • F03G6/065—Devices for producing mechanical power from solar energy with solar energy concentrating means having a Rankine cycle
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    • F22B1/00—Methods of steam generation characterised by form of heating method
    • F22B1/006—Methods of steam generation characterised by form of heating method using solar heat
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B29/00—Steam boilers of forced-flow type
    • F22B29/06—Steam boilers of forced-flow type of once-through type, i.e. built-up from tubes receiving water at one end and delivering superheated steam at the other end of the tubes
    • F22B29/061—Construction of tube walls
    • F22B29/062—Construction of tube walls involving vertically-disposed water tubes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
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    • F24S20/20—Solar heat collectors for receiving concentrated solar energy, e.g. receivers for solar power plants
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • 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 solar thermal continuous steam generator, in particular for a solar tower power plant, with substantially vertically arranged steam generator tubes which have a pipe inside diameter d and which are connected in parallel for the flow of a coolant.
  • the invention further relates to a solar tower power plant with a solar thermal continuous steam generator.
  • solar thermal power plants are one of the SUST ⁇ term alternatives to conventional power generation.
  • solar thermal power plants were lectors with Parabolrinnenkol- or executed Fresnel collectors.
  • Another option is the direct evaporation in so-called solar tower power plants.
  • a solar thermal power plant with So ⁇ larturm and direct expansion consists of a solar array, a solar tower and of a conventional power plant part in which the thermal energy of the steam is converted into electric energy.
  • the solar field consists of heliostats that focus the solar radiation on an absorber placed in the solar tower.
  • the absorber consists of a heating surface in which the irradiated solar energy is used to heat supplied feed water, to evaporate and possibly also to overheat.
  • the generated steam is then in a conventional power plant section in a turbine relaxed, optionally reheated and then condensed and fed back to the absorber.
  • the turbine drives a generator, which converts the mechanical energy into electrical energy.
  • the solar energy input is limited by the size of the heliostat field. Part of the radiation is reflected by the absorber and is lost to the thermodynamic power plant process. These losses increase with the size of the heating surface. Therefore, for a given thermal performance compact absorbers with the smallest possible heating surface are desirable. By concentrating the interspersed solar energy on small areas, this leads to very high heat flux densities, generally higher heat flux densities than in fossil-fired thermal power plants. Therefore, with the concept of direct evaporation in a solar tower power plant, the cooling of the absorber heating surface is of central importance. To minimize the size of the heating surface, it must be designed for maximum heat flow densities. The upper limit of the allowable heat flux is determined by the pipe material and the quality ofméungsme ⁇ mechanisms.
  • Static and dynamic instabilities can occur in evaporator heating surfaces, which have caused damage in conventional power plants in the past. This risk is increased due to the high energy density of solar thermal systems.
  • the unavoidable differences in the heat input to the individual tubes can lead to temperature differences between individual tubes at the evaporator outlet, causing damage due to impermissible thermal stresses.
  • the mass flow density of the coolant in the pipe is in addition to the pipe inside diameter a determining factor for the fluidic design of the parallel pipe system, which acts as Verdampferlik Structure.
  • the proportion of friction pressure if the total pressure drop of the continuous evaporator can be very high, whereby such evaporators have a typical characteristic, according to the back in a parallel pipe system mass flow rate in the single tube at its stronger heating and increases in its weaker heating - in comparison to the flow of a pipe with medium heating. This characteristic is a cause of larger temperature differences between individual tubes at the evaporator outlet for heating surfaces with vertically arranged tubes.
  • the invention is therefore based on the object to provide a solar thermal steam generator for maximum heat flow. Furthermore, a correspondingly improved So ⁇ larturm power plant with high thermodynamic efficiency is to be specified.
  • this object is achieved for a solar thermal steam generator of the type mentioned above in that the evaporator or evaporators are designed as Naturalviersammlung lake because they are in contrast to a natural or forced circulation steam generator no pressure limit, so that live steam pressures far above the critical pressure of water possible are.
  • This high live steam pressure promotes a high thermodynamic efficiency of a power plant.
  • a continuous steam generator in comparison to a circulating steam generator a simple construction and is thus produced with very little effort.
  • the pipe inside diameter d is a function of a quotient K and points, determined by value pairs of pipe inside diameter d and quotient K, lie in a coordinate system between a straight line A and a straight line B.
  • the summed mass flow rate is used to form the quotient K.
  • An advantageous embodiment of the invention is that the pipe inside diameter d assigned to each quotient K deviates by at most 30% from the pipe inside diameter d associated with this quotient K on the straight line A, wherein it is smaller by at most 10% than that on the straight line A. this inner pipe diameter d associated with this quotient K d.
  • the solar thermal continuous steam generator is integrated according to a particularly advantageous embodiment with its evaporator ⁇ heating surface in a solar tower power plant and directly to steam generation by focused solar radiation acted upon.
  • the configuration of the continuous steam generator according to the invention is very advantageous because it lowers the mass flow density in the steam flowed through the steam and the inner pipe diameter d is determined such that the proportion of the geodesic pressure drop across the entire pressure drop forces a change in the characteristics of continuous evaporators , according to which - starting from the design state - the mass flow rate in the individual pipe is increased during its stronger heating and decreases in its weaker heating.
  • This so-called natural circulation characteristic in which the geodesic pressure loss component in the total pressure Loss predominates or the friction pressure loss is smaller than the geodesic pressure loss leads to a significant Ver ⁇ uniformity of the steam and thus the tube wall temperatures at the outlet of the evaporator and always ensures a secure flow through all steam generator tubes.
  • FIG. 1 shows a solar tower power plant
  • FIG. 2 shows an evaporator of a solar thermal steam generator according to the prior art
  • the solar tower power plant 1 comprises a solar tower 2, at the vertically upper end of 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 such that the direct solar radiation 6 is focused by the sun in the form of concentrated solar radiation 7 onto the absorber 3.
  • the solar tower power plant 1 thus the solar radiation through a field individually tracked mirrors, the heliostat 5, on the Top of solar tower 2 concentrated.
  • the absorber 3 converts the radiation into heat and returns it to a townenvironme ⁇ dium, for example water, from which supplies the heat to a conventional power station process with a steam turbine.
  • an evaporator 8 is of a known solar-thermal ⁇ 's circulation steam generator 9 shown with direct evaporation, which is integrated as an absorber 3 in the solar tower 2 of Fig. 1
  • the steam generator tubes 10 are connected on the inlet side with an inlet distributor 11 and on the outlet side with an outlet collector 12 fluidically.
  • Overflow pipes 13 connect the outlet header 12 with a drum 14, into which a feedwater line 15 opens.
  • a feedwater pump 16 is connected in the feedwater pipe 15, a feedwater pump 16 is connected.
  • a circulation pump 20 is connected in the downpipe 18, a circulation pump 20 is connected.
  • the downpipe 18 opens into the inlet distributor 11.
  • the circulating pump 20 draws boiler water from the drum 14 and presses it into the inlet manifold 11. There, the boiler water is distributed to the plurality of heat-transferring pipes 10.
  • the evaporator 8 is divided into parallel Schuvinrohre.
  • the heat-transferring tubes 10 are heated by the concentrated solar radiation 7, wherein the heat-transferring tubes 10 deliver the heat to the boiler water.
  • the resulting steam / water mixture is passed via the discharge collector 12 and the overflow tubes 13 into the unheated drum 14 where it is separated into saturated dry steam as far as possible and to circulating water flowing back to the evaporator 8.
  • the feed water supply is controlled so that the water level in the drum 14 remains constant.
  • the saturated steam leaves the drum 14 via the steam line 17 and can be overheated in another heating surface and then be supplied as live steam of a steam turbine not shown for the generation of electrical energy ⁇ .
  • FIG 3 shows the principle of a forced continuous steam generator, in which the passage of the water-steam flow through the evaporator is forced by a feed pump 16.
  • the feed water is conveyed by the feed pump 16 into the inlet manifold 11 and successively the evaporator 8 and the superheater 22 flows through (in solar thermal power plants typically eliminates a feed ⁇ water preheater).
  • the heating of the feed water to the saturated steam temperature, the evaporation and a first overheating take place continuously in one pass, so that no drum is needed.
  • a separation device 23 is provided for the circulation process when starting the system.
  • K is the quotient of the summed mass flow rate M (kg / s) of all the steam generator tubes at 100% steam output and the sum of all the external tube diameter of the respective Ver ⁇ dampferroisthetic.
  • each point in the field between this straight line A and a straight line B represents a pair of values in which the proportions of friction pressure drop and geodetic pressure drop are in such a favorable relationship - in general, then the geodesic pressure drop is greater than the friction pressure drop - that in the multiple heating of a single
  • the value pairs formed from internal pipe diameters d and quotients K lie between the straight lines A and B of the coordinate system according to FIG. 4.
  • a pipe internal diameter d assigned to a quotient K should at least 10% smaller or 30% greater than the pipe inside diameter d assigned to this quotient K on the straight line A
  • the total pressure drop in the steam generator tubes 10, ie the difference between the pressure in the lower inlet distributor 11 and the pressure in the overhead outlet collector 12, is composed of the proportions friction pressure drop, geodesic pressure drop and acceleration pressure drop.
  • the proportion of the acceleration pressure drop is 1 to 2% of the total pressure drop and therefore can be neglected here.
  • the geodetic pressure drop of a single steam generator tube 10 decreases when the steam generator tube is heated more frequently than other steam generator tubes due to increased vapor formation because the water-steam column becomes lighter.
  • the throughput through the reheated steam generator tube 10 therefore increases due to this effect until the sum of increased friction pressure drop and reduced geodetic pressure drop reaches the pressure drop predetermined by the coupling via inlet distributor 11 and outlet collector 12. This increase in throughput is desirable to keep the steam exit temperature at the end of the steam generator tube 10 low, despite the multiple heating.
  • This inventively comparatively large influence of geodetically caused pressure drop is the cause of the change in the characteristic of a solar thermal steam generator towards a behavior in which larger temperature differences at the tube end of the evaporator are avoided because a stronger heating of a single steam generator tube 10 by a higher flow rate of the coolant is largely compensated by the same.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen solarthermischen Durchlaufdampferzeuger (21) mit im wesentlichen vertikal angeordneten Rohren, die einen Rohrinnendurchmesser d aufweisen und für den Durchfluss eines Kühlmittels parallel geschaltet sind, wobei der Rohrinnendurchmesser d eine Funktion eines Quotienten K ist, wobei weiter durch Wertepaare des Rohrinnendurchmessers d und des Quotienten K bestimmte Punkte in einem Koordinatensystem zwischen einer Geraden A und einer Geraden B liegen, und wobei zur Bildung des Quotienten K der summierte Massendurchsatz aller Rohre bei 100% Dampfleistung dividiert ist durch die Summe aller Rohraussendurchmesser der betreffenden Verdampferheizfläche. Die Erfindung betrifft ferner ein Solarturm-Kraftwerk mit einem solarthermischen Durchlaufdampferzeuger.

Description

Beschreibung
Berohrung einer Verdampferheizflache für Durchlaufdampferzeuger in Solarturm-Kraftwerken mit direkter Verdampfung und Na- turumlauf-Charakteristik
Die Erfindung betrifft einen solarthermischen Durchlaufdampf- erzeuger, insbesondere für ein Solarturm-Kraftwerk, mit im wesentlichen vertikal angeordneten Dampferzeugerrohren, die einen Rohrinnendurchmesser d aufweisen und die für den Durch- fluss eines Kühlmittels parallel geschaltet sind. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Solarturm-Kraftwerk mit einem solarthermischen Durchlaufdampferzeuger . 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 Genera- tionen dar.
Solarthermische Kraftwerke stellen deshalb eine der nachhal¬ tigen Alternativen zur herkömmlichen Stromerzeugung dar. Bis¬ her wurden solarthermische Kraftwerke mit Parabolrinnenkol- lektoren oder Fresnel-Kollektoren ausgeführt. Eine weitere Option stellt die direkte Verdampfung in sogenannten Solarturm-Kraftwerken dar. Ein solarthermisches Kraftwerk mit So¬ larturm 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 konzent- rieren. 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 Kühlungsme¬ chanismen bestimmt.
In Verdampferheizflächen können statische und dynamische Instabilitäten auftreten, die in konventionellen Kraftwerken in der Vergangenheit zu Schäden geführt haben. Dieses Risiko ist aufgrund der hohen Energiedichte bei solarthermischen Anlagen erhöht. Insbesondere die nicht vermeidbaren Unterschiede in der Wärmezufuhr zu den einzelnen Rohren können zu Temperaturdifferenzen zwischen einzelnen Rohren am Verdampferaustritt führen, die Schäden aufgrund von unzulässigen Wärmespannungen verursachen .
Die Massenstromdichte des Kühlmittels im Rohr ist neben dem Rohrinnendurchmesser eine bestimmende Größe für die strömungstechnische Auslegung des Parallelrohrsystems, das als Verdampferheizfläche wirkt. Der Anteil des Reibungsdruckab- falls am gesamten Druckabfall der Durchlauf-Verdampfer kann sehr hoch sein, wodurch derartige Verdampfer eine typische Charakteristik aufweisen, gemäß der in einem Parallelrohrsystem der Massendurchsatz im Einzelrohr bei dessen stärkerer Beheizung zurückgeht und bei dessen schwächerer Beheizung ansteigt - jeweils im Vergleich zur Durchströmung eines Rohres mit mittlerer Beheizung. Diese Charakteristik ist eine Ursache für größere Temperaturdifferenzen zwischen einzelnen Rohren am Verdampferaustritt bei Heizflächen mit vertikal angeordneten Rohren.
Es besteht daher insbesondere bei solarthermischen KraftWerksanlagen der Bedarf einer sicheren und bedarfsgerechten Durchströmung aller Heizfläch :nrohre .
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen solarthermischen Dampferzeuger für höchstmöglichen Wärmestrom anzugeben. Des Weiteren soll ein entsprechend verbessertes So¬ larturm-Kraftwerk mit hohem thermodynamischem Wirkungsgrad angegeben werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe für einen solarthermischen Dampferzeuger der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der oder die Verdampfer als Durchlaufheizflächen ausgeführt werden, da sie im Gegensatz zu einem Natur- oder Zwangumlaufdampferzeuger keiner Druckbegrenzung unterliegen, so dass Frischdampfdrücke weit über dem kritischen Druck von Wasser möglich sind. Dieser hohe Frischdampfdruck begünstigt einen hohen thermodynamischen Wirkungsgrad eines Kraftwerks. Zudem weist ein Durchlaufdampferzeuger im Vergleich zu einem Umlaufdampferzeuger eine einfache Bauweise auf und ist somit mit besonders geringem Aufwand herstellbar. Dabei ist bei einem solchen erfindungsgemäßen Durchlaufdampferzeuger der Rohrinnendurchmesser d eine Funktion eines Quotienten K und Punkte, bestimmt durch Wertepaare aus Rohrinnendurchmesser d und Quotient K, liegen in einem Koordinatensystem zwischen einer Geraden A und einer Geraden B. Zur Bildung des Quotienten K wird der summierte Massendurchsatz M aller Dampferzeu- gerrohre bei 100 % Dampfleistung durch die Summe aller Rohr- aussendurchmesser der betreffenden Verdampferheizflache divi¬ diert. Dabei liegen Punkte entsprechend den Wertepaaren di = 11,1 mm bei Ki = 7,9 kg/s m
und
&2 = 41,1 mm bei K2 = 29,3 kg/s m,
auf der Geraden A und dabei ist die Gerade B durch Punkte entsprechend den Wertepaaren
d3 = 12,1 mm bei K3 = 3,4 kg/s m
und
d4 = 36,4 mm bei K4 = 10,3 kg/s m
definiert .
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass der jeweils einem Quotienten K zugeordnete Rohrinnendurchmesser d um höchstens 30% von dem auf der Geraden A diesem Quotienten K zugehörigen Rohrinnendurchmesser d abweicht, wobei er insbesondere um höchstens 10% kleiner ist als der auf der Gerade A diesem Quotienten K zugeordnete Rohrinnen- durchmesser d.
Der solarthermische Durchlaufdampferzeuger ist dabei nach besonders vorteilhafter Ausgestaltung mit seiner Verdampfer¬ heizfläche in ein Solarturm-Kraftwerk integriert und zur Dampferzeugung durch fokussierte Sonnenstrahlung direkt beaufschlagbar .
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Durchlaufdampferzeu- gers ist sehr vorteilhaft, weil durch sie die Massenstrom- dichte in den durchströmten Dampfe zeugerrohren so weit abgesenkt und der Rohrinnendurchmesser d so bestimmt sind, dass der Anteil des geodätischen Druckabfalls am gesamten Druckabfall eine Veränderung der Charakteristik von DurchlaufVerdampfern erzwingt, gemäß der - ausgehend vom Auslegungszu- stand - der Massendurchsatz im Einzelrohr bei dessen stärkerer Beheizung erhöht wird und bei dessen schwächerer Beheizung zurückgeht. Diese sogenannte Naturumlauf-Charakteristik, bei der der geodätische Druckverlustanteil im Gesamtdruckver- lust überwiegt bzw. der Reibungsdruckverlust kleiner als der geodätische Druckverlust ist, führt zu einer bedeutenden Ver¬ gleichmäßigung der Dampf- und damit der Rohrwandtemperaturen am Austritt der Verdampferheizfläche und gewährleistet immer eine sichere Durchströmung aller Dampferzeugerrohre .
Die erfindungsgemäße Gestaltung von solarthermischen Durchlaufdampferzeugern wird anhand der Zeichnungen näher erläutert .
Im Einzelnen zeigen:
FIG 1 ein Solarturm-Kraftwerk, FIG 2 einen Verdampfer eines solarthermischen Dampferzeugers nach dem Stand der Technik,
FIG 3 einen Verdampfer eines erfinderischen solarthermischen Durchlaufdampferzeugers und
FIG 4 ein Koordinatensystem mit Geraden A und B.
Einander entsprechende Teile sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
FIG 1 zeigt ein Solarturm-Kraftwerk 1. Das Solarturm- Kraftwerk 1 umfasst einen Solarturm 2, an dessen vertikal oberem Ende ein Absorber 3 angeordnet ist. Ein Heliostaten- feld 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 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 Wärmeträgerme¬ dium, beispielsweise Wasser, ab, das die Wärme einem konventionellen Kraftwerksprozess mit einer Dampfturbine zuführt.
In FIG 2 ist ein Verdampfer 8 eines bekannten solarthermi¬ schen Umlaufdampferzeugers 9 mit Direktverdampfung dargestellt, der als Absorber 3 in den Solarturm 2 der FIG 1 integriert ist.
Die Dampferzeugerrohre 10 sind eingangsseitig mit einem Eintrittsverteiler 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 20 geschaltet. Die Fallrohrleitung 18 mündet in den Ein- trittsverteiler 11.
Im Betrieb des solar beheizten Umlaufdampferzeugers 9 saugt die Umwälzpumpe 20 Kesselwasser aus der Trommel 14 an und drückt es in den Eintrittsverteiler 11. Dort wird das Kessel- wasser auf die Vielzahl der wärmeübertragenden Rohre 10 verteilt. Der Verdampfer 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 unbe- heizte Trommel 14 geleitet und dort in möglichst trockenen Sattdampf und in zum Verdampfer 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 zuge¬ stellt werden.
Im Betrieb eines solarthermischen Dampferzeugers ist es besonders kritisch in Abhängigkeit des vorhandenen Wärmeange¬ bots der primären Solarstrahlung immer genau den erforderlichen Speisewassermassenstrom durch die Absorberheizfläche, zur Verfügung zu stellen, um den geforderten bzw. gewünschten Fluidzustand am Absorberaustritt, respektive am Verdampfer¬ austritt 13 auch während instationärer Vorgänge, insbesondere bei Wolkendurchzug durch das Heliostatenfeld 4 zu gewährleisten .
Zur Erläuterung des erfindungsgemäßen solarthermischen Durchlaufdampferzeugers 21 in dem Solarturm-Kraftwerk 1 mit direkter Verdampfung zeigt FIG 3 das Prinzip eines Zwangdurchlauf- dampferzeugers , bei dem der Durchlauf des Wasser-Dampf- Stromes durch den Verdampfer von einer Speisepumpe 16 erzwungen wird. Das Speisewasser wird von der Speisepumpe 16 in den Eintrittsverteiler 11 gefördert und nacheinander werden der Verdampfer 8 und der Überhitzer 22 durchströmt (bei solarthermischen Kraftwerken entfällt typischerweise ein Speise¬ wasservorwärmer) . Die Erwärmung des Speisewassers bis zur Sattdampftemperatur, die Verdampfung und eine erste Überhitzung erfolgen kontinuierlich in einem Durchlauf, so dass keine Trommel benötigt wird. Zwischen Verdampfer 8 und Überhit¬ zer 22 ist für den UmlaufVorgang beim Anfahren der Anlage eine Abscheideeinrichtung 23 vorgesehen.
Mit Zwangdurchlaufdampferzeugern können sehr große Dampfleistungen auf relativ kleinem Raum erzeugt werden. Durch den Wegfall der Abscheidetrommel können mit dem Durchlaufdampf- erzeuger auch Drücke oberhalb des kritischen Drucks gefahren werden und somit können auch sehr hohe Wirkungsgrade erzielt werden . FIG 4 zeigt ein Diagramm in dem der Rohrinnendurchmesser d als Funktion des Quotienten K dargestellt ist.
Dabei ist K der Quotient aus dem summierten Massendurchsatz M (kg/s) aller Dampferzeugerrohre bei 100% Dampfleistung und der Summe aller Rohraussendurchmesser der betreffenden Ver¬ dampferheizfläche .
Die Gerade Ά ist durch die Wertepaare
di = 11,1 mm bei Ki = 7,9 kg/s m
und
d.2 = 41,1 mm bei K2 = 29,3 kg/s m,
gegeben . Jeder Punkt in dem Feld zwischen dieser Geraden A und einer Geraden B stellt ein Wertepaar dar, bei dem die Anteile von Reibungsdruckabfall und geodätischem Druckabfall in einem so günstigen Verhältnis zueinander stehen - im allgemeinen ist dann der geodätische Druckabfall größer als der Reibungs- druckabfall - , dass bei der Mehrbeheizung eines einzelnen
Dampferzeugerrohrs 10 der Massendurchsatz durch dieses Dampferzeugerrohr 10 ansteigt.
Eine sichere Kühlung der Dampferzeugerrohre 10 erlaubt daher bei einem vorgegebenen Quotienten K keine beliebige Wahl des Rohrinnendurchmessers d. Deshalb wird das Feld auf in der Praxis üblicherweise vorkommende Wertepaare durch eine Gerade B begrenzt, die durch die Punkte entsprechend den Wertepaaren d3 = 12,1 mm bei K3 = 3,4 kg/s m
und
d = 36,4 mm bei K = 10,3 kg/s m
bestimmt ist. Erfindungsgemäß liegen damit die aus Rohrinnendurchmesser d und Quotienten K gebildeten Wertepaare zwischen den Geraden A und B des Koordinatensystems nach Figur 4.
Bei besonders ungünstigen Beheizungsverhältnissen sollte ein einem Quotienten K zugeordneter Rohrinnendurchmesser d höchs- tens 10% kleiner bzw. 30% größer als der auf der Geraden A diesem Quotienten K zugeordnete Rohrinnendurchmesser d sein.
Durch die Ermittlung der Größe des Rohrinnendurchmessers d auf die angegebene Art und Weise werden in den Dampferzeugerrohren 10 Strömungsverhältnisse erzwungen, bei denen ein durch Reibung erzeugter Anteil des Druckabfalls in einem günstigen Verhältnis zum geodätisch verursachten Anteil des Druckabfalls am Gesamtdruckabfall steht, und zwar sowohl bei Volllast- als auch bei Teillastbetrieb. Infolge der erfin¬ dungsgemäß bestimmten Abmessungen der Dampferzeugerrohre 10 werden diese günstigen Verhältnisse gewährleistet durch eine relativ niedrige, auf die Masse des Kühlmittels bezogene Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels in axialer Richtung.
Der Gesamtdruckabfall in den Dampferzeugerrohren 10, also der Unterschied zwischen dem Druck im unten liegenden Eintrittsverteiler 11 und dem Druck im oben liegenden Austrittssammler 12, setzt sich zusammen aus den Anteilen Reibungsdruckabfall, geodätischer Druckabfall und Beschleunigungsdruckabfall. Der Anteil des Beschleunigungsdruckabfalls liegt bei 1 bis 2 % des Gesamtdruckabfalls und kann deshalb hier vernachlässigt werden . Der Reibungsdruckabfall eines einzelnen Dampferzeugerrohres
10 erhöht sich bei einer gegenüber anderen Rohren vorhandenen Mehrbeheizung infolge der erhöhten Volumenzunahme des Wasser- Dampf-Gemisches. Da allen parallel geschalteten Dampferzeugerrohren 10 einer Verdampferheizfläche durch ihre Kopplung an einen gemeinsamen Eintrittsverteiler 11 und einen gemeinsamen Austrittssammler 12 der gleiche Druckabfall vorgegeben ist, muss zum Ausgleich dieses Druckabfallanteils bei einem stärker beheizten Dampferzeugerrohr 10 der Durchsatz zurückgehen. Dieser zurückgehende Durchsatz führt in Verbindung mit der stärkeren Beheizung des Dampferzeugerrohres 10 demzufolge zu stark erhöhten Dampfaustrittstemperaturen am Ende des Dampferzeugerrohrs 10 gegenüber durchschnittlich oder schwächer beheizten Dampferzeugerrohren 10. Der geodätische Druckabfall eines einzelnen Dampferzeugerroh- res 10 sinkt dagegen bei Mehrbeheizung dieses Dampferzeuger- rohres gegenüber anderen Dampferzeugerrohren infolge erhöhter Dampfbildung, weil die Wasser-Dampf-Säule leichter wird. Der Durchsatz durch das mehrbeheizte Dampferzeugerrohr 10 steigt aufgrund dieses Effekts also an, bis die Summe von erhöhtem Reibungsdruckabfall und gesunkenem geodätischen Druckabfall den durch die Kopplung über Eintrittsverteiler 11 und Aus- trittssammler 12 vorgegebenen Druckabfall erreicht. Diese Steigerung des Durchsatzes ist erwünscht, um die Dampfaustrittstemperatur am Ende des Dampferzeugerrohrs 10 trotz der Mehrbeheizung niedrig zu halten. Dieser erfindungsgemäß vergleichsweise große Einfluss des geodätisch verursachten Druckabfalls ist die Ursache für die Veränderung der Charakteristik eines solarthermischen Dampferzeugers hin zu einem Verhalten, bei dem größere Temperaturunterschiede am Rohrende des Verdampfers vermieden sind, weil eine stärkere Beheizung eines einzelnen Dampferzeugerrohres 10 durch einen höheren Durchsatz des Kühlmittels durch dasselbe größtenteils kompensiert wird.

Claims

Patentansprüche
Solarthermischer Durchlaufdampferzeuger (21), insbesondere für ein Solarturm-Kraftwerk (1), mit im wesentlichen vertikal angeordneten Dampferzeugerrohren (10), die einen Rohrinnendurchmesser d aufweisen und für den Durchfluss eines Kühlmittels parallel geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet,
- dass der Rohrinnendurchmesser d eine Funktion eines Quotienten K ist,
- dass durch Wertepaare des Rohrinnendurchmessers d und des Quotienten K bestimmte Punkte in einem Koordinatensystem zwischen einer Geraden A und einer Geraden B liegen,
- wobei zur Bildung des Quotienten K der summierte Massendurchsatz aller Rohre bei 100% Dampfleistung dividiert ist durch die Summe aller Rohraussendurchmesser der betreffenden Verdampferheizflache und
- wobei Punkte entsprechend den Wertepaaren
di = 11,1 mm bei Ki = 7,9 kg/s m
und
d2 = 41,1 mm bei K2 = 29,3 kg/s m,
auf der Geraden A liegen und
- wobei die Punkte entsprechend den Wertepaaren
dß = 12,1 mm bei K3 = 3,4 kg/s m
und
d4 = 36,4 mm bei K4 = 10,3 kg/s m
auf der Geraden B liegen.
Der solarthermische Durchlaufdampferzeuger (21) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der einem Quotienten K zugeordnete Rohrinnendurchmesser d um höchstens 10% kleiner ist als der auf der Geraden A diesem Quotienten K zugeordnete Rohrinnendurchmesser d.
3. Der solarthermische Durchlaufdampferzeuger (21) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der einem Quotienten K zugeordnete Rohrinnendurchmesser d um höchs- tens 30% größer ist als der auf der Geraden A diesem Quotienten K zugeordnete Rohrinnendurchmesser d.
4. Solarturm-Kraftwerk (1) mit einem solarthermischen Durchlaufdampferzeuger (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche .
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1992018807A1 (de) * 1991-04-18 1992-10-29 Siemens Aktiengesellschaft Durchlaufdampferzeuger mit einem vertikalen gaszug aus im wesentlichen vertikal angeordneten rohren
WO2009105689A2 (en) * 2008-02-22 2009-08-27 Esolar, Inc. Solar receivers with internal reflections and flux-limiting patterns of reflectivity

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