WO2012110346A1 - Solarthermischer durchlaufverdampfer mit lokaler querschnittsverengung am eintritt - Google Patents

Solarthermischer durchlaufverdampfer mit lokaler querschnittsverengung am eintritt Download PDF

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WO2012110346A1
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solar
evaporator
continuous evaporator
thermal power
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PCT/EP2012/051948
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Jürgen Birnbaum
Joachim Brodesser
Jan BRÜCKNER
Martin Effert
Joachim Franke
Gerhard Schlund
Tobias Schulze
Frank Thomas
Gerhard Zimmermann
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Siemens Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the invention relates to a continuous evaporator for a steam generator for a solar thermal power plant with concentrating solar panels and direct evaporation.
  • Solar thermal power plants are an alternative to conventional electricity generation ago ⁇ .
  • One option is the direct evaporation ⁇ fung in parabolic trough collectors or Fresnel collectors.
  • Em solar thermal power plant with parabolic trough collectors or Fresnel collectors and direct evaporation consists of a solar field in which the feedwater is preheated, evaporated and superheated, and from a conventional power plant part in which the thermal energy of Wasserdamp ⁇ fes is converted into electrical energy.
  • solar thermal power plants with direct evaporation so far in the receivers ("Receiver") smooth tubes with the same tube geometry in all evaporator collectors are used. Due to the large pipe length and the total ho ⁇ hen heating the flow of fluid in the vaporization tends ferkollektoren to dynamic instabilities.
  • the solar thermal power plants are operated with parabolic trough collectors or Fresnel collectors in circulation operation.
  • the water supplied to the evaporator collectors is not completely evaporated, but separated in a separation from the steam.
  • the water is then returned to the evaporator via a recirculation pump and the steam flows to the superheater heating surfaces.
  • the invention is thus based on the object to provide a through-running ⁇ erdampfer for a steam generator for a solar thermal power plant with concentrating solar o ⁇ ren and direct evaporation are avoided by the dynamic instabilities. Furthermore, a corresponding steam generator and an improved power plant ⁇ plant to be specified with high thermodynamic efficiency.
  • the directed to a continuous evaporator task he is inventively achieved by specifying a fürvierverdamp fers for a steam generator for a solar thermal power ⁇ plant with direct evaporation, with several parallel collector strands, each with a steam generator tube, wherein at least one steam generator tube in its inlet region a local Has cross-sectional constriction.
  • the invention is based on the He notes that the pressure loss of the two-phase flow and the steam path acts as a restrictor at the outlet of Sys tems ⁇ and destabilizing. The relative contribution of this pressure loss to the system's total pressure drop should be minimized if instability occurs.
  • the proposed measure the pressure drop in the proportion entry ⁇ area of the steam generator, ie in single-phase the water flow increases. With proper positioning and dimensioning of the cross-sectional constriction so instabilities can be safely avoided.
  • a throttle is arranged as a local cross-sectional constrictions in at least ei ⁇ nem steam generator tube.
  • the collector strands comprise concentrating collectors, such as, for example, parabolic trough collectors or Fresnel collectors.
  • the flow steam generator is integrated according to particularly vorteilhaf ⁇ ter embodiment in a steam generator, which in turn is part of a solar thermal power plant with direct evaporation, in particular with concentrating solar collectors.
  • the dynamically stable heating surfaces of the evaporator can also be run in continuous operation, which results in great advantages, in particular for a solar thermal power plant.
  • continuous operation the evaporation end point in ⁇ within the evaporator is flexible.
  • the fluid can already be overheated in the evaporator and thus can be reacted flexibly to fluctuations in the heating of the evaporator and superheater.
  • the figure shows schematically a continuous evaporator 1 for a solar thermal power plant with parabolic trough collectors 2 and direct evaporation.
  • parabolic trough collectors 2 As an alternative to the parabolic trough collectors 2, other concentrating collectors, such as Fresnel collectors can be used.
  • the fürvierverdampfer 1 has a plurality of parallel connected collector strands 3 for the evaporation of feed water, which is supplied via a feedwater line 4.
  • the collector strands 3 are formed from parabolic trough collectors 2 connected in series, through whose absorber tubes 5 a working medium to be heated flows.
  • the series-connected absorber tubes 5, which are optionally connected with spacers 6, form a steam generator tube 7.
  • the steam generator tubes have local cross-sectional constrictions 8, such as throttles 9 at their entry.
  • the throttles 9 ensure virtually over the entire load range of a solar thermal continuous steam generator increased pressure drop in the inlet region of the continuous evaporator 1. In this case, a stable and uniform flow of preheated feedwater through the steam generator tubes 7 is achieved.

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Abstract

Einen Durchlaufverdampfer (1) für einen Dampferzeuger für eine solarthermische Kraftwerksanlage mit direkter Verdampfung, mit mehreren parallel geschalteten Kollektorsträngen (3) mit je einem Dampferzeugerrohr (7), wobei mindestens ein Dampferzeugerrohr (7) an seinem Eintritt eine lokale Querschnittsverengung (8) aufweist, sowie einen Dampferzeuger und eine solarthermische Kraftwerksanlage.

Description

Beschreibung
Solarthermischer Durchlauf erdampfer mit lokaler Querschnittsverengung am Eintritt
Die Erfindung betrifft einen Durchlaufverdampfer für einen Dampferzeuger für eine solarthermische Kraftwerksanlage mit konzentrierenden solaren Kollektoren und direkter Verdampfung .
Solarthermische Kraftwerke stellen eine Alternative zur her¬ kömmlichen Stromerzeugung dar. Zurzeit werden solarthermisch Kraftwerke mit Parabolrinnenkollektoren und indirekter Verdampfung ausgeführt. Eine Option stellt die direkte Verdamp¬ fung in Parabolrinnenkollektoren oder Fresnel-Kollektoren dar .
Em solarthermisches Kraftwerk mit Parabolrinnenkollektoren oder Fresnel-Kollektoren und direkter Verdampfung besteht aus einem Solarfeld, in dem das Speisewasser vorgewärmt, verdampft und überhitzt wird, und aus einem konventionellen Kraftwerksteil, in dem die thermische Energie des Wasserdamp¬ fes in elektrische Energie umgewandelt wird. Bei solarthermischen Kraftwerken mit direkter Verdampfung kommen bislang in den Empfängern ("Receiver") Glattrohre mit der gleichen Rohrgeometrie in allen Verdampferkollektoren zum Einsatz. Aufgrund der großen Rohrlänge und der insgesamt ho¬ hen Beheizung neigt die Strömung des Fluids in den Verdamp- ferkollektoren zu dynamischen Instabilitäten.
Bislang werden die solarthermischen Kraftwerke mit Parabolrinnenkollektoren oder Fresnel-Kollektoren im Umwälzbetrieb gefahren. Das den Verdampferkollektoren zugeführte Wasser wird nicht vollständig verdampft, sondern in einem Abscheide vom Dampf abgetrennt. Das Wasser wird dem Verdampfer anschließend über eine Umwälzpumpe wieder zugeführt und der Dampf strömt zu den Überhitzerheizflächen. Ein Betrieb eines solchen Kraftwerks im reinen Durchlaufbe¬ trieb war bislang nicht erfolgreich, was sich sehr wahrscheinlich auf Instabilitäten zurückführen lässt.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Durch¬ lauf erdampfer für einen Dampferzeuger für eine solarthermische Kraftwerksanlage mit konzentrierenden solaren Kollekto¬ ren und direkter Verdampfung anzugeben, bei dem dynamische Instabilitäten vermieden werden. Des Weiteren soll ein entsprechender Dampferzeuger sowie eine verbesserte Kraftwerks¬ anlage mit hohem thermodynamischem Wirkungsgrad angegeben werden .
Die auf einen Durchlaufverdampfer gerichtete Aufgabe wird er findungsgemäß gelöst durch die Angabe eines Durchlaufverdamp fers für einen Dampferzeuger für eine solarthermische Kraft¬ werksanlage mit direkter Verdampfung, mit mehreren parallel geschalteten Kollektorsträngen mit je einem Dampferzeuger- rohr, wobei mindestens ein Dampferzeugerrohr in seinem Eintrittsbereich eine lokale Querschnittsverengung aufweist.
Hinsichtlich der lokalen Querschnittsverengung im Eintrittsbereich der Dampferzeugerrohre geht die Erfindung von der Er kenntnis aus, dass der Druckverlust der Zweiphasenströmung bzw. der Dampfstrecke wie eine Drossel am Austritt des Sys¬ tems wirkt und destabilisierend ist. Der relative Anteil die ses Druckverlustes am Gesamtdruckverlust des Systems ist bei Auftreten einer Instabilität zu minimieren. Durch die vorgeschlagene Maßnahme wird der Druckverlustanteil im Eintritts¬ bereich des Dampferzeugers, d.h. im einphasigen Bereich der Wasserströmung, erhöht. Bei richtiger Positionierung und Dimensionierung der Querschnittsverengung können so Instabilitäten sicher vermieden werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Drossel als lokale Querschnittsverengungen in mindestens ei¬ nem Dampferzeugerrohr angeordnet. Zweckmäßiger Weise umfassen die Kollektorstränge konzentrie¬ rende Kollektoren, wie beispielsweise Parabolrinnenkollekto- ren oder Fresnel-Kollektoren .
Der Durchlauf erdampfer ist dabei nach besonders vorteilhaf¬ ter Ausgestaltung in einen Dampferzeuger integriert, der wiederum Teil einer solarthermischen Kraftwerksanlage mit direkter Verdampfung, insbesondere mit konzentrierenden solaren Kollektoren, ist.
Die dynamisch stabilen Heizflächen des Verdampfers können auch im Durchlaufbetrieb gefahren werden, wodurch sich insbesondere für ein solarthermisches Kraftwerk große Vorteile er- geben. Im Durchlaufbetrieb ist der Verdampfungsendpunkt in¬ nerhalb des Verdampfers flexibel. Das Fluid kann bereits im Verdampfer überhitzt werden und damit kann auf Schwankungen in der Beheizung von Verdampfer und Überhitzer flexibel reagiert werden.
Vorteilhaft beim Betrieb des Verdampfers im Durchlaufbetrieb ist, dass der Eigenbedarf der Anlage reduziert wird, weil die Umwälzpumpe außer Betrieb geht. Die Figur zeigt schematisch einen Durchlaufverdampfer 1 für ein solarthermisches Kraftwerk mit Parabolrinnenkollektoren 2 und direkter Verdampfung. Alternativ zu den Parabolrinnenkollektoren 2 können auch andere konzentrierende Kollektoren, wie Fresnel-Kollektoren verwendet werden. Der Durchlaufver- dampfer 1 weist mehrere parallel geschaltete Kollektorstränge 3 zur Verdampfung von Speisewasser auf, das über eine Speisewasserleitung 4 zugeführt wird. Die Kollektorstränge 3 werden aus hintereinander geschalteten Parabolrinnenkollektoren 2 gebildet, durch deren Absorberrohre 5 ein aufzuheizendes Ar- beitsmedium strömt. Die hintereinander geschalteten Absorberrohre 5, die gegebenenfalls mit Zwischenstücken 6 verbunden sind, bilden ein Dampferzeugerrohr 7. Die Dampferzeugerrohre weisen an ihrem Eintritt lokale Querschnittsverengungen 8, beispielsweise Drosseln 9 auf.
Die Drosseln 9 gewährleisten praktisch über den gesamten Lastbereich eines solarthermischen Durchlaufdampferzeugers einen erhöhten Druckverlust im Eintrittsbereich des Durchlaufverdampfers 1. Dabei wird ein stabiler und gleichmäßiger Durchfluss des vorgewärmten Speisewassers durch die Dampfer- zeugerrohre 7 erzielt.

Claims

Patentansprüche
1. Durchlauf erdampfer (1) für einen Dampferzeuger für eine solarthermische Kraftwerksanlage mit direkter Verdamp¬ fung, mit mehreren parallel geschalteten Kollektorsträngen (3) mit je einem Dampferzeugerrohr (7), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Dampferzeugerrohr (7) in seinem Eintrittsbereich eine lokale Querschnittsverengung (8) aufweist.
2. Durchlaufverdampfer (1) nach Anspruch 1, wobei eine Drossel (9) als lokale Querschnittsverengung (8) im Dampferzeugerrohr (7) angeordnet ist.
3. Durchlaufverdampfer (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Kollektorstränge (3) konzentrierende Kollek¬ toren umfassen.
4. Durchlaufverdampfer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Kollektorstränge (3) Parabolrinnenkollektoren umfassen .
5. Durchlaufverdampfer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Kollektorstränge (3) Fresnel-Kollektoren umfas¬ sen .
6. Dampferzeuger mit einem Durchlaufverdampfer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
7. Solarthermische Kraftwerksanlage mit direkter Verdampfung mit einem Dampferzeuger nach Anspruch 6.
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