DE102011004279A1

DE102011004279A1 - Dampferzeuger für solarthermisches Kraftwerk

Info

Publication number: DE102011004279A1
Application number: DE102011004279A
Authority: DE
Inventors: Jan Brückner; Joachim Franke; Gerhard Schlund
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2011-02-17
Filing date: 2011-02-17
Publication date: 2012-08-23

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Dampferzeuger für ein solarthermisches Kraftwerk mit einem durch eine Wandung (82) ausgebildeten Luftkanal zum Führen von aufgeheizter Luft als Wärmeträgermedium (G) und einer Anzahl von im Luftkanal angeordneten Verdampferrohren (81), die von einem Strömungsmedium (M) durchströmt werden, welches durch das Wärmeträgermedium (G) zumindest teilweise verdampft wird, wobei zumindest an einer Stelle der Verdampferrohre (81) eine Druckausgleichseinrichtung (83) vorgesehen ist, über die die Verdampferrohre (81) miteinander in Wirkverbindung stehen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Dampferzeuger für ein solarthermisches Kraftwerk gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Solarthermische Kraftwerke stellen eine Alternative zur herkömmlichen Stromerzeugung dar. Ein zukünftiges Kraftwerkskonzept ist das sogenannte Turmkraftwerk.
In einer Ausführungsform dieses Turmkraftwerks wird Umgebungsluft in einem sogenannten Receiver aufgeheizt. Die so erzeugte Heißluft gibt ihre Energie in einem nachgeschalteten Dampferzeuger an das vom Kondensator kommende Speisewasser ab. Der erzeugte Dampf wird einer Dampfturbine zugeführt.
Für den Dampferzeuger kommen mehrere alternative Auslegungskonzepte in Betracht, nämlich die Auslegung als Durchlaufdampferzeuger oder die Auslegung als Umlaufdampferzeuger. Bei einem Durchlaufdampferzeuger führt die Beheizung von als Verdampferrohren vorgesehenen Dampferzeugerrohren zu einer Verdampfung des Strömungsmediums in den Dampferzeugerrohren in einem einmaligen Durchlauf. Im Gegensatz dazu wird bei einem Natur- und Zwangumlaufdampferzeuger das im Umlauf geführte Wasser beim Durchlauf durch die Verdampferrohre nur teilweise verdampft. Das dabei nicht verdampfte Wasser wird nach einer Abtrennung des erzeugten Dampfes für eine weitere Verdampfung denselben Verdampferrohren erneut zugeführt.
Ein als Zwangdurchlaufdampferzeuger ausgebildeter Dampferzeuger kann dabei mit vertikalem oder horizontalem Luftkanal ausgebildet sein. Aufgrund der großen Rohrlänge der Verdampferrohre im Dampferzeuger und der insgesamt hohen Beheizung der im Receiver des solarthermischen Kraftwerks aufgeheizten Luft als Wärmeträgermedium neigt die Strömung des Strömungsmediums in den Verdampferrohren zu dynamischen Instabilitäten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Dampferzeuger für solarthermische Kraftwerksanlagen bereit zu stellen, der solchen Instabilitäten in solarthermischen Kraftwerken vermeiden soll.
Diese Aufgabe wird mit dem Dampferzeuger für ein solarthermisches Kraftwerk mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Indem bei einem Dampferzeuger für ein solarthermisches Kraftwerk mit einem durch eine Wandung ausgebildeten Luftkanal zum Führen von aufgeheizter Luft als Wärmeträgermedium und einer Anzahl von im Luftkanal angeordneten Verdampferrohren, die von einem Strömungsmedium durchströmt werden, welches durch das Wärmeträgermedium zumindest teilweise verdampft wird, zumindest an einer Stelle der Verdampferrohre eine Druckausgleichseinrichtung vorgesehen ist, über die die Verdampferrohre miteinander in Wirkverbindung stehen, kann ein Druckausgleich zwischen den einzelnen Verdampferrohren des Dampferzeugers erfolgen.
Durch solche Druckausgleichseinrichtungen, die vorzugsweise als Druckausgleichssammler, Durchgangssammler oder Druckausgangsleitungen ausgebildet sein können, werden die parallel angeordnete Verdampferrohre und damit letztendlich auch der Verdampfer in zumindest zwei weitgehend voneinander entkoppelte Stufen unterteilt. Bei entsprechender Auslegung und Wahl der Lage der Druckausgleichseinrichtung im Verdampfer können so größere Druckdifferenzen über die Druckausgleichseinrichtung ausgeglichen werden. Dynamische Instabilitäten in den Verdampferrohren des Dampferzeugers können so sicher vermieden werden.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Figuren beispielhaft erläutert werden. Es zeigen:
1 ein solarthermisches Kraftwerk mit Solarturm und Dampferzeuger in vereinfachter Darstellung
2 skizzenhaft Teile eines erfindungsgemäß ausgebildeten Dampferzeugers
1 zeigt eine solarthermische Kraftwerksanlage mit einem Solarturm 2, an dessen oberem Ende ein Receiver 3 angeordnet ist. Ein Heliostatenfeld 4 mit einer Anzahl von Heliostaten 5 ist am Boden um den Solarturm 2 herum platziert. Das Heliostatenfeld 4 mit den Heliostaten 5 ist für eine Fokussierung der direkten Solarstrahlung 6 ausgelegt. Dabei sind die einzelnen Heliostaten 5 so angeordnet und ausgerichtet, dass die direkte Solarstrahlung 6 von der Sonne in Form von konzentrierter Solarstrahlung 7 auf den Receiver 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 Receiver 3 wandelt die Strahlung in Wärme um und gibt sie an ein Wärmeträgermedium, beispielsweise Luft G, ab, das die Wärme dem Dampferzeuger 8 über eine Heißluftleitung 9 zuführt. Im Dampferzeuger 8 wird Wärme vom Wärmeträgermedium G auf ein Strömungsmedium M eines Wasser-Dampf-Kreislaufs 10 eines konventionellen Kraftwerksteils mit einer Dampfturbine 11 übertragen. Der dabei erzeugte Dampf D wird über eine Dampfleitung 12 der Dampfturbine 11 zur Entspannung und Verrichtung von Arbeit zugeführt. Die Dampfturbine 11 ist über eine Welle 13 mit einem Generator 14 verbunden, der die mechanische Leistung in elektrische Leistung umwandelt. Danach strömt der entspannte und abgekühlte Dampf in den Kondensator 15, wo er durch Wärmeübertragung an die Umgebung kondensiert. Das Wasser wird mit Hilfe einer Speisepumpe 16 erneut dem Dampferzeuger 8 zugeführt. Das im Dampferzeuger 8 abgekühlte Wärmeträgermedium G wird mit einem Gebläse 17 wieder in den Solarturm 2 zurückgeführt.
2 zeigt eine Ausführungsform eines Dampferzeugers 8 mit vertikalem Luftkanal in seitlicher Ansicht. Schematisch dargestellt ist hier nur ein Verdampferrohr 81 aus einer Anzahl von üblicherweise im Dampferzeuger parallel angeordneten Verdampferrohren, die in Windungen mehrfach durch einen durch Wandungen 82 begrenzten Luftkanal geführt sind. Erfindungsgemäß ist nun an zumindest einer Stelle der Verdampferrohre 81 eine Druckausgleichseinrichtung 83 vorgesehen, damit an dieser Stelle über mehrere der parallel angeordneten Verdampferrohre ein Druckausgleich erfolgen kann und somit eine Wirkverbindung zwischen diesen Verdampferrohren besteht. Zur einfacheren Darstellung ist in 2 nur ein einziges Verdampferrohr 81 gezeigt, wobei mit Bezugszeichen 83 jeweils eine Druckausgleichseinrichtung angedeutet ist, die an den entsprechenden Stellen jeweils mit diesem Verdampferrohr und zumindest einem „dahinterliegenden” parallelen Verdampferrohr in Wirkverbindung stehen um so einen Druckausgleich zwischen den Verdampferrohren zu bewirken.
Die Druckausgleichseinrichtungen 83 können dabei vorteilhafter Weise als sogenannter Druckausgleichssammler bzw. Durchgangssammler oder als sogenannte Druckausgleichsleitung ausgeführt werden. Vorzugsweise ist die Druckausgleichseinrichtung immer offen, das heißt an der Stelle des Druckausgleichs sind alle Verdampferrohre 81 Wasser- bzw. Dampfseitig miteinander verbunden, ohne dass die Druckausgleichseinrichtung 83 irgendwelche Armaturen umfasst.
Um eine gute dynamische Stabilität zu erreichen wird vorzugsweise die Lage des Druckausgleichs so gewählt, dass sie bei allen Betriebsfällen keinen Dampfgehalt des Strömungsmediums von unter 80% sieht. Das heißt, die Druckausgleichseinrichtung 83 ist an den Verdampferrohren 81 so nahe wie möglich in Richtung des Verdampferaustritts angeordnet. Die Bemessung der Druckausgleichseinrichtung als Durchgangssammlers ist im Wesentlichen durch die mechanische Auslegung bestimmt. Der Innendurchmesser des Durchgangssammlers sollte dabei so klein wie möglich sein.
Ist die Druckausgleichseinrichtung aus Stabilitätsgründen im Dampferzeuger an einer Stelle zu platzieren, an der der Dampfgehalt weniger als 80% aufweist, kommen zum Erreichen der dynamischen Stabilität vorzugsweise die oben genannten Druckausgleichsleitungen zum Einsatz. Dabei ist darauf zu achten, dass der Querschnitt der Druckausgleichsleitung deutlich kleiner als der Querschnitt der Verdampferrohre ist.

Claims

Dampferzeuger für ein solarthermisches Kraftwerk mit einem durch eine Wandung (82) ausgebildeten Luftkanal zum Führen von aufgeheizter Luft als Wärmeträgermedium (G) und einer Anzahl von im Luftkanal angeordneten Verdampferrohren (81), die von einem Strömungsmedium (M) durchströmt werden, welches durch das Wärmeträgermedium (G) zumindest teilweise verdampft wird dadurch gekennzeichnet, dass zumindest an einer Stelle der Verdampferrohre (81) eine Druckausgleichseinrichtung (83) vorgesehen ist, über die die Verdampferrohre (81) miteinander in Wirkverbindung stehen.
Dampferzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckausgleichseinrichtung ein Druckausgleichssammler bzw. Durchgangssammler ist.
Dampferzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckausgleichseinrichtung eine Druckausgleichsleitung ist.
Dampferzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Lage der Druckausgleichseinrichtung so gewählt ist, dass dort im Betrieb ein Dampfgehalt des Strömungsmediums von mindestens 80% vorliegt.