DE102011004263A1

DE102011004263A1 - Verfahren zum Betreiben eines solarbeheizten Abhitzedampferzeugers sowie solarthermischer Abhitzedampferzeuger

Info

Publication number: DE102011004263A1
Application number: DE102011004263A
Authority: DE
Inventors: Jan Brückner; Joachim Franke; Frank Thomas
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
Also published as: WO2012110342A3; WO2012110342A2

Abstract

Bei einem Verfahren zum Betreiben eines solarbeheizten Abhitzedampferzeugers (1) mit einer Anzahl an Heizflächen (2, 4), bei dem einer Vorrichtung zum Einstellen des Speisewassermassenstroms Ṁ ein Sollwert Ṁ_s für den Speisewassermassenstrom Ṁ zugeführt wird, soll die Qualität einer prädiktiven Speisewasser- oder Massenstromregelung noch weiter verbessert und insbesondere bei auftretenden Laständerungen die Enthalpie des Strömungsmediums am Verdampferaustritt besonders stabil gehalten werden. Dazu wird erfindungsgemäß bei der Erstellung des Sollwerts Ṁ_s für den Speisewassermassenstrom Ṁ ein charakteristischer Korrekturwert K_T berücksichtigt, durch den thermische Speichereffekte von ein- oder ausgespeicherter thermischer Energie in eine oder mehrere der Heizflächen (2, 4) korrigiert werden. Das Verfahren ist in besonderer Weise für den Betrieb eines solarthermischen Abhitzedampferzeugers (1) in einem Solarturm-Kraftwerk (129) mit indirekter Verdampfung angepasst.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines solarbeheizten Abhitzedampferzeugers mit einer Anzahl von Heizflächen, bei dem durch solare Wärmeeinstrahlung ein Heißgas, insbesondere Heißluft, erzeugt wird, mit dem die Heizflächen des Abhitzedampferzeugers beaufschlagt werden. Die Erfindung betrifft weiterhin einen solarthermischen Abhitzedampferzeuger zur Durchführung des Verfahrens, insbesondere in einem Solarturm-Kraftwerk mit indirekter Verdampfung.
Solarthermische Kraftwerke stellen eine Alternative zur herkömmlichen Stromerzeugung dar. Zurzeit werden solarthermische Kraftwerke mit Parabolrinnenkollektoren oder Fresnel-Kollektoren ausgeführt. Eine weitere Option stellt die direkte oder indirekte Verdampfung in sogenannten Solarturm-Kraftwerken dar.
In einer Ausführungsform dieses Turmkraftwerks wird Umgebungsluft in einem sogenannten Receiver aufgeheizt. Die auf diese Weise erzeugte Heißluft gibt ihre Energie in einem nachgeschalteten Abhitzedampferzeuger (AHDE) an das vom Kondensator kommende Speisewasser ab. Der erzeugte Dampf wird einer Dampfturbine zugeführt. Dies bezeichnet man als indirekte solare Verdampfung.
Beim offenen Luftreceiver wird anstelle des Rohrbündelabsorbers ein metallischer oder keramischer Schwamm benutzt, der auch als volumetrischer Absorber bezeichnet wird, da die Strahlung sowohl an der Oberfläche als auch im inneren eines porösen Körpers absorbiert und in Wärme umgewandelt wird. Umgebungsluft, die durch den Schwamm nach innen gesaugt wird, erhitzt sich so auf über 800°C und dient anschließend zur Dampferzeugung für ein konventionelles Dampfkraftwerk. Der Vorteil gegenüber Rohrbündelabsorbern ist, dass die Wärme nicht durch eine Wand hindurch übertragen werden muss. Dadurch sind höhere Energieflussdichten, Betriebstemperaturen und Wirkungsgrade möglich.
Entsprechend der in den Absorber eingebrachten Wärmeleistung und den daraus resultierenden Heißgasparameter (Temperatur und Massenstrom des Heißgases) sowie der Wahl der AHDE-Frischdampfparameter ist ein geeigneter Speisewassermassenstrom zu gewährleisten. In sogenannten Zwangdurchlaufsystemen stellt die Sollwertführung der Speisewasserdurchflussregelung im Anfahr- und Schwachlastbetrieb, sowie im Zwangdurchlaufbetrieb die notwendigen Speisewasser Sollwerte in Abhängigkeit des Anlagenzustands bereit. Dabei muss im instationären Betrieb, z. B. bei Wolkendurchzug durch das Solarfeld der Verdampferdurchfluss möglichst synchron zum Wärmeeintrag über das Heißgas in die Heizfläche verändert werden.
In einem solarbeheizten Durchlauf-Abhitzedampferzeuger führt die Beheizung einer Anzahl von Dampferzeugerrohren, die zusammen eine Verdampferheizfläche bilden, zu einer vollständigen Verdampfung eines Strömungsmediums in den Dampferzeugerrohren in einem Durchgang. Das Strömungsmedium – üblicherweise Wasser – wird dabei in der Regel vor seiner Verdampfung einem der Verdampferheizfläche strömungsmediumsseitig vorgeschalteten Vorwärmer, üblicherweise auch als Economizer bezeichnet, zugeführt und dort vorgewärmt.
Abhängig vom Betriebszustand des solarbeheizten Abhitzedampferzeugers und damit zusammenhängend von der aktuellen Dampferzeugerleistung wird der Speisewassermassenstrom in die Verdampferheizfläche geregelt. Bei Laständerungen sollte der Verdampferdurchfluss möglichst synchron zum Wärmeeintrag in die Verdampferheizfläche geändert werden, weil sonst eine Abweichung der spezifischen Enthalpie des Strömungsmediums am Austritt der Verdampferheizfläche vom Sollwert nicht sicher vermieden werden kann. Eine solche unerwünschte Abweichung der spezifischen Enthalpie erschwert die Regelung der Temperatur des aus dem Dampferzeuger austretenden Frischdampfes und führt darüber hinaus zu hohen Materialbelastungen und somit zu einer reduzierten Lebensdauer des Dampferzeugers.
Um Abweichungen der spezifischen Enthalpie vom Sollwert und daraus resultierende unerwünscht große Temperaturschwankungen in allen Betriebszuständen des Dampferzeugers, also insbesondere auch in transienten Zuständen oder bei Lastwechseln, möglichst gering zu halten, kann die Speisewasserdurchflussregelung in der Art einer so genannten prädiktiven oder vorausschauenden Auslegung ausgestaltet sein. Dabei sollen insbesondere auch bei Lastwechseln die notwendigen Speisewassersollwerte in Abhängigkeit vom aktuellen oder für die nächste Zukunft zu erwartenden Betriebszustand bereitgestellt werden.
Es besteht daher bei solarthermischen Kraftwerksanlagen der Bedarf den Ungenauigkeiten infolge z. B. Änderungen in der solaren Inzidenz (Einstrahlung) bei der Vorgabe eines insbesondere bei Änderung der Gesamtwärmeaufnahme oder bei Lastwechseln besonders bedarfsgerechten Sollwerts für den Speisewassermassenstrom effektiv zu begegnen.
Gerade bei solarthermisch basierten Energieerzeugungssystemen können ausreichend stabile und eindeutig auf einen vorbestimmten, konstanten solaren Energieeintrag zurückführbare Systemeigenschaften insgesamt nicht vorausgesetzt werden. Zudem ist bei derartigen, als indirekte Verdampfersysteme ausgestalteten Anlagen eine solare Primärleistung auf den Heliostaten und damit auf dem Luftreceiver im Turm nicht im selben Maße als freier Parameter nutzbar wie bei konventionell gefeuerten Kesseln.
Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines solarbeheizten Abhitzedampferzeugers der oben genannten Art anzugeben, der sich vor allem bei instationärem Betrieb durch eine besonders hohe Zuverlässigkeit und der Qualität der Regelbarkeit auszeichnet. Des Weiteren soll ein für die Durchführung des Verfahrens besonders geeigneter solarthermischer Abhitzedampferzeuger angegeben werden.
Bezüglich des Verfahrens wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines solarbeheizten Abhitzedampferzeugers mit einer Anzahl von Heizflächen, bei dem durch solare Wärmeeinstrahlung ein Heißgas, insbesondere Heißluft, erzeugt wird, mit dem die Heizflächen des Abhitzedampferzeugers beaufschlagt werden. Der Abhitzedampferzeuger umfasst eine Vorrichtung zum Einstellen des Speisewassermassenstroms Ṁ, der ein Sollwert Ṁ_s zugeführt wird. Erfindungsgemäß wird bei der Erstellung des Sollwerts Ṁ_s für den Speisewassermassenstrom Ṁ ein charakteristischer Korrekturwert K_T berücksichtigt, durch den thermische Speichereffekte von ein- oder ausgespeicherter thermischer Energie in eine oder mehrere der Heizflächen korrigiert werden.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, ein Konzept einer prädiktive Massenstromregelung erstmals für einen solarbeheizten Abhitzedampferzeugers hinsichtlich der Ansteuerqualität bei der Einstellung des Speisewassermassenstroms anzuwenden. Dabei werden konsequent als einschlägig erkannte Korrekturwerte bei der Ermittlung eines geeigneten Sollwerts für den Speisewassermassenstrom berücksichtigt. Gerade bei Lastwechseln oder sonstigen transienten Vorgängen beim Betrieb des solarbeheizten Abhitzedampferzeugers sollte dabei berücksichtigt werden, dass sich bei derartigen Vorgängen das spezifische Volumen des Strömungsmediums deutlich ändern kann. Aus dieser spezifischen Volumenänderung des Strömungsmediums, beispielsweise infolge von Temperaturänderungen, resultieren temporär oder vorübergehend fluid- oder strömungsmediumsseitige Ein- oder Ausspeichereffekte in bzw. aus den entsprechenden Heizflächen des solarbeheizten Abhitzedampferzeugers.
Derartige, auf Dichteänderungen des Fluids oder Strömungsmediums infolge von Temperaturveränderungen zurückgehende Speichereffekte bedingen Massenstromschwankungen am Ausgang der jeweiligen Heizflächen, so dass der von der jeweiligen Heizfläche abströmende Massenstrom nicht der gleiche wie der einströmende und insbesondere nicht der gleiche wie der von der Speisewasserpumpe geförderte Massenstrom ist. Unter derartigen Umständen laufen somit der Durchfluss durch die jeweilige Heizfläche und der von der Speisewasserpumpe geförderte Massenstrom nicht mehr synchron zueinander, so dass bei derartigen Umständen und nahezu gleichbleibender Beheizung mit an sich unerwünschten mehr oder minder starken Enthalpieschwankungen am Verdampferaustritt zu rechnen ist. Um diesen Effekten (strömungsmediumsseitige Ein- und Ausspeichervorgänge) im Sinne einer prädiktiven Massenstromregelung bei solarthermischen Kraftwerksanlagen geeignet zu begegnen, soll in der Speisewasserregelung ein zusätzlicher Korrekturterm K_f zur Kompensation berücksichtigt werden.
Darüber hinaus wird in Abhängigkeit des vorhandenen Wärmeangebots der Solarstrahlung und damit der generierten Heißgasmenge durch das Verfahren gemäß der Erfindung immer genau der erforderliche Speisewassermassenstrom durch die Verdampferheizflächen des Abhitzedampferzeugers zur Verfügung gestellt.
Wird eine derart ausgestaltete Speisewassersollwertermittlung in zwangdurchströmten Abhitzedampferzeugern eines solarbeheizten Turmkraftwerks eingesetzt, können auch für stark instationäre Betriebszustände, wie sie in solarbeheizten Kraftwerken vermehrt auftreten (z. B. Wolkendurchzug), je nach Betriebsart sowohl ein konstanter Flaschenwasserstand im LEVEL Modus als auch konstante Verdampferaustrittstemperaturen im BENSON Modus sichergestellt werden, die nach dem heutigen Stand der Technik nicht zu gewährleisten sind. Neben einer somit flexiblen Fahrweise bei sich ändernden Wetterbedingungen kann durch ein materialschonendes Konzept die Verfügbarkeit der gesamten Anlage deutlich verbessert werden.
Basis für eine Vorausberechnung der Speisewassermenge bildet die heißluftseitige Wärmebilanzierung des Verdampfers, mit deren Hilfe zu jedem beliebigen Zeitpunkt die von der aufgeheizten Luft (im Folgenden Heißgas benannt) an die Verdampferheizfläche übertragene Wärmeleistung Q . bestimmt werden kann. Neben dem aktuellen Heißgasmassenstrom, der z. B. über die Blockleitebene zur Verfügung gestellt werden kann, sind für diese Wärmebilanz zusätzlich die Heißgasenthalpien am Verdampferein- und austritt zu ermitteln. Hierfür wird die Heißgastemperatur am Verdampfereintritt gemessen, minimal durch ein Zeitverzögerungsglied höherer Ordnung (PTn) verzögert und vor dem Hintergrund bekannter Gaszusammensetzung anschließend in eine zugehörige Gasenthalpie umgerechnet. Durch die Implementierung eines zusätzlichen PTn Glieds kann die zeitliche Verzögerung, mit der gasseitige Temperaturänderungen auch für das Strömungsmedium im Verdampfer spürbar werden, nachgebildet werden. Für die Messung der heißgasseitigen Temperatur ist der Gaskanal am Verdampfereintritt mit zusätzlichem Messequipment (Thermoelemente) auszustatten. Am Verdampferaustritt kann die Heißgastemperatur ebenfalls über eine separate Messung bestimmt werden (analog zum Verdampfereintritt). Hier ist es aber insbesondere für den unterkritischen Betrieb möglich, auf eine separate Messung der Heißgastemperatur zu verzichten, wodurch zusätzliche Investitionskosten minimiert werden können. Anstelle einer Messgröße ist für diesen Fall in Abhängigkeit der Sättigungstemperatur des Strömungsmediums im Verdampfer die Heißgastemperatur abzuschätzen und ebenfalls als Funktion der vorliegenden Gaszusammensetzung in eine zugehörige Gasenthalpie umzurechnen. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Heißgastemperatur am Verdampferaustritt minimal größer als die Sättigungstemperatur des Fluids im Verdampfer ist, und sich diese Temperaturdifferenz mit sinkender Last ebenfalls reduziert (lastabhängig).
Neben dieser Gesamtwärmeaufnahme des Verdampfers wird für die Ermittlung des Speisewassermassenstromes zusätzlich die Aufwärmspanne (Enthalpiedifferenz) des Strömungsmediums im Verdampfer benötigt. Diese wird gebildet aus der gemessenen Enthalpie am Verdampfereintritt (Umrechnung über die Messgrößen Druck und Temperatur) und dem Enthalpiesollwert am Verdampferaustritt. Dieser kann in Abhängigkeit der Betriebsweise über eine Umrechnung des gemessenen Abscheiderdrucks und dem gewünschten Überhitzungssollwert (Durchlaufbetrieb, im Folgenden BENSON Betrieb genannt) bzw. dem gewünschten Dampfgehaltssollwert (Betrieb mit Verdampferüberspeisung, im Folgenden LEVEL Betrieb genannt) bestimmt werden. Wird zum Abschluss das verdampferseitige Wärmeangebot durch die mediumsseitige Enthalpiedifferenz dividiert, ist zumindest für den stationären Lastbetrieb der benötigte Speisewassermassenstrom für jeden Betriebszustand bekannt. Dabei ist zu berücksichtigen, dass im LEVEL Betrieb das am Verdampferaustritt überschüssige Wasser abzuscheiden ist. Optional könnte bei geeigneter maschinentechnischer Ausführung (entsprechendes Abscheiderdesign) der noch nicht verdampfte Wasseranteil mit dem Dampf in die folgenden Überhitzer weitergeleitet werden, in denen dann die Restverdampfung stattfinden könnte.
Im BENSON Betrieb ist ein für den aktuellen Anlagenzustand geeigneter Überhitzungssollwert am Verdampferaustritt festzulegen. Dieser kann beispielsweise in Anlehnung an die gewünschte Frischdampftemperatur festgelegt werden. Wird unter diesen Umständen mit der Speisewassermenge eine derartige Dampftemperatur eingestellt, bei der die Einspritzungen der Frischdampftemperaturregelung gerade noch nicht öffnen, kann der AHDE mit einem optimalen Wirkungsgrad betrieben werden. Somit liegt im Regelfall im „Benson-Kontroll-Modus” am Austritt der Verdampferheizfläche Überhitzung des Strömungsmediums vor. Es kann jedoch in diesem Modus die Überspeisung eines der Verdampferheizfläche nachgeschalteten Wasserspeichers in Kauf genommen und den nachfolgenden Heizflächen teilweise noch unverdampftes Strömungsmedium zugeführt werden, so dass erst in den nachfolgenden Heizflächen die vollständige Verdampfung des Strömungsmediums erfolgt. In einem derartigen Modus kann insbesondere als gewünschter Dampfparameter die Einstellung einer um eine vorgegebene Temperaturdifferenz von beispielsweise 35°C oberhalb der Sättigungstemperatur des Strömungsmediums liegenden Solltemperatur für das Strömungsmedium am Austritt des Verdampfers vorgegeben werden. Gerade bei einer derartigen Betriebsweise des Abhitzedampferzeugers kann es wünschenswert sein, den aktuellen Betriebszustand von der Verdampferheizfläche nachgeschalteten Überhitzerheizflächen zugeordneten Einspritzkühlern geeignet zu berücksichtigen, indem deren Kühlbedarf auf eine geeignete Mehrbespeisung des Systems mit Speisewasser verlagert wird. Dazu wird vorteilhafterweise bei der Vorgabe des Sollwerts für die Enthalpie des Strömungsmediums am Austritt der Verdampferheizfläche ein aktueller Kühlbedarf bei der Verdampferheizfläche nachgeschalteten Einspritzkühlern berücksichtigt. Die Soll-Frischdampf-Temperatur soll somit insbesondere so weit wie möglich durch eine geeignete Einstellung des Speisewasserstroms erreicht werden, so dass der zusätzliche Kühlbedarf bei den Einspritzkühlern besonders gering gehalten werden kann. Umgekehrt kann auch für den Fall, dass eine zu geringe Frischdampf-Temperatur festgestellt wird, der Enthalpie-Sollwert des Strömungsmediums am Verdampferaustritt geeignet erhöht werden, so dass eine entsprechend gering bemessene Speisewassermenge über den solchermaßen geänderten Sollwert für den Speisewassermassenstrom zugeführt wird.
Alternativ kann der Abhitzedampferzeuger auch in einem so genannten „Level Control Mode” betrieben werden, bei dem der Wasserstand in einem der Verdampferheizfläche nachgeschalteten Wasserspeicher variiert und nachgeregelt wird, wobei ein Überspeisen des Wasserspeichers möglichst vermieden werden sollte. Dabei wird der Wasserstand innerhalb des Wasserspeichers soweit möglich in einem vorgegebenen Sollbereich gehalten, wobei in vorteilhafter Ausgestaltung für den Sollwert für den Speisewassermassenstrom ein Füllstands-Korrekturwert berücksichtigt wird, der die Abweichung des Iststands des Füllstands im Wasserspeicher von einem zugeordneten Sollwert charakterisiert.
Der mit der prädiktiven Speisewassersollwertermittlung bestimmte Verdampferdurchfluss kann (falls erforderlich) durch überlagerte Regelkreise zusätzlich korrigiert werden, so dass die geforderten Sollwerte am Verdampferaustritt auch tatsächlich dauerhaft zu erreichen sind (Füllstand in der Flasche im LEVEL Betrieb, bzw. Enthalpiesollwert im BENSON Betrieb). Zusätzlich ist mit Hilfe dieser Regelkreise ein stoßfreies Umschalten zwischen BENSON und LEVEL Betrieb möglich. Für die Korrekturregelung des vorausberechneten Speisewassermassenstroms ist allerdings zu berücksichtigen, dass dies aus Gründen der Reglerstabilität nur sehr langsam und mit geringer Reglerverstärkung durchgeführt werden kann. Starke temporäre Abweichungen zum vorgegebenen Sollwert, die sich aufgrund physikalischer Mechanismen in Folge instationärer Betriebsweise des Abhitzekessels ergeben, lassen sich durch diese Korrekturregelkreise nur unwesentlich bzw. gar nicht reduzieren. Daher ist durch zusätzliche Maßnahmen die prädiktive Speisewassersollwertermittlung dahingehend zu ertüchtigen, die temporären Abweichungen zum vorgegebenen Sollwert auch während schneller transienter Vorgänge zu minimieren.
Bei instationären Vorgängen ändern sich strömungsmediumsseitig im Verdampfer generell thermodynamische Zustandswerte wie beispielsweise die Verdampferaustrittstemperatur, der Druck (für den unterkritischen Fall somit auch die Siedetemperatur des Strömungsmediums) sowie die Verdampfereintrittstemperatur. Infolge dieser Änderungen ist auch die Materialtemperatur der Verdampferrohre nicht konstant und wird je nach Richtung größer oder kleiner. Resultierend wird thermische Energie in die Rohrwände ein- oder aus den Rohrwänden ausgespeichert. Verglichen mit der bilanzierten Heißgaswärme steht demnach für den Verdampfungsprozess des Strömungsmediums je nach Richtung der Materialtemperaturänderung temporär mehr oder weniger Wärme zur Verfügung. Bei vorgegebenem Enthalpiesollwert am Verdampferaustritt ist daher zur. Vorausberechnung des benötigten Speisewassermassenstromes dieser nicht unerhebliche Einfluss im Regelungskonzept zu berücksichtigen. Durch ein Differenzierglied erster Ordnung (DT1-Element) lässt sich dieser physikalische Effekt regelungstechnisch abbilden.
Als Eingangssignal dieses Differenzierglieds ist vorteilhafterweise eine mittlere Materialtemperatur aller Verdampferrohre zu wählen. Die Ermittlung dieser mittleren Materialtemperatur ist auf unterschiedliche Weise möglich.
Für den unterkritischen Betrieb beispielsweise wird vorausgesetzt, dass bei einer Modifizierung des Systemdrucks die zeitliche Änderung sowohl der Temperatur des Strömungsmediums (die im überwiegenden Teil des Verdampfers der Sättigungstemperatur entspricht) als auch die der Rohrwand näherungsweise identisch sind. Als Eingang des Differenzierglieds wird demnach die aus dem gemessenen Abscheiderdruck berechnete Sättigungstemperatur des Strömungsmediums verwendet.
Für überkritische Systeme, für die aus physikalischen Gründen eine Sättigungstemperatur nicht mehr zu bestimmen ist, kann beispielsweise eine druckabhängige mittlere Fluid- bzw. Materialtemperatur errechnet und als Eingangssignal des Differenzierglieds verwendet werden.
Wird der Ausgang dieses Differenzierglieds mit der Masse der gesamten Verdampferrohre und der spezifischen Wärmekapazität des Verdampfermaterials multipliziert, können die in der Rohrwand ein- bzw. ausgespeicherten Wärmemengen quantifiziert werden. Durch die Wahl einer geeigneten Zeitkonstanten dieses Differenzierglieds lässt sich das zeitliche Verhalten der beschriebenen Speichereffekte relativ genau nachbilden, so dass dieser auf instationären Vorgängen beruhende zusätzliche Effekt des Ein- bzw. Ausspeicherns von Wärme der Metallmassen direkt berechnet werden kann. Diese Vorgehensweise ist gleichermaßen für unter- wie überkritische Systeme anwendbar.
Alternativ wäre auch eine direkte Messung der Materialtemperatur an charakteristischen Stellen der Verdampferrohre denkbar. Unter diesen Umständen könnte eine Änderung der Metalltemperatur auf direktem Weg berücksichtigt werden. In diesem Fall wäre sowohl die Anzahl der Differenzierglieder als auch deren entsprechende Verstärkungsfaktoren (im Wesentlichen Masse der Verdampferrohre) der Anzahl der Metalltemperaturmessungen anzupassen. Der Vorteil dieser doch messtechnisch aufwändigeren Variante würde in einer genaueren Bestimmung der ein- bzw. ausgespeicherten Wärmemenge resultieren.
Die gesamte aus den Verdampferrohren ein- oder ausgespeicherte Wärmemenge entspricht hierbei nun dem Korrekturfaktor K_T, der zur Bestimmung des Speisewassermassenstromsollwerts Ṁ_s von der bilanzierten Gesamtwärmeleistung Q . abzuziehen ist.
Mit dem zweiten Korrekturwert K_F, der direkt auf den Speisewassermassenstromsollwert Ṁ_s korrigierend eingreift, werden darüber hinaus weitere störende Einflüsse im Wasser-Dampfkreislauf des Abhitzedampferzeugers, die sich aufgrund eines instationären Betriebs ergeben, wirkungsvoll kompensiert. Bei transienten Vorgängen im Wasser-Dampfkreislauf ändern sich thermodynamische Zustandswerte wie z. B. Druck und Temperatur. Mit diesen Änderungen sind zwangsläufig in jeder Heizfläche des Abhitzedampferzeugers Änderungen des spezifischen Volumens bzw. der Dichte des Strömungsmediums verknüpft.
Nimmt z. B. aufgrund eines Lastwechsels das spezifische Volumen des Strömungsmediums in der gesamten Verdampferheizfläche ab (Dichte nimmt zu), kann diese temporär mehr Fluid aufnehmen (Masse einspeichern). Schlussfolgernd ergeben sich stark unterschiedliche Massenströme am Ein- und Austritt, was bei zugehöriger Beheizung unmittelbar in einer schwankenden Verdampferaustrittsenthalpie mündet. Um diese Schwankungen zu reduzieren, sind die auftretenden Massenspeichereffekte durch die Speisewassersollwertermittlung wirkungsvoll zu kompensieren. Die Dichteverteilung im Verdampferrohr wird maßgeblich durch den Verdampfungsbeginn charakterisiert. Dieser ist sehr stark mit der Verdampfereintrittsunterkühlung verknüpft. Hat die Verdampfung im Verdampferrohr erst eingesetzt, reduziert sich stromabwärts die Gemischdichte sehr stark. Ändert sich nun aufgrund transienter Vorgänge die Eintrittsunterkühlung, verschiebt sich simultan der Verdampfungsbeginn und somit die gesamte Dichteverteilung im Rohr. Massenein- bzw. -ausspeichereffekte sind die Folge. Dabei resultieren steigende Eintrittsunterkühlungen kurzfristig in einer Erhöhung der Verdampferaustrittsenthalpie. Dies lässt sich dadurch erklären, dass sich mit steigender Eintrittsunterkühlung der Verdampfungsbeginn Richtung Verdampferaustritt schiebt (der Verdampfer wird mit kälterem Fluid bespeist). Infolge der lokalen Dichteerhöhungen (insbesondere im Bereich des Versatzes des Verdampfungsbeginns) wird verstärkt Fluid eingespeichert und reduziert im Umkehrschluss den Austrittsmassenstrom, was unmittelbar bei zugehöriger Beheizung in einer erhöhten Verdampferaustrittsenthalpie münden muss. Bei einer Verringerung der Verdampfereintrittsunterkühlung stellt sich der umgekehrte Vorgang ein.
Wird in der Speisewassersollwertermittlung ein zusätzliches Differenzierglied erster Ordnung verwendet, lassen sich bei Wahl eines geeigneten Eingangssignals (beispielsweise die Unterkühlung- oder die Enthalpie- oder die Temperatur am Verdampfereintritt), einer dazu passenden Zeitkonstanten und einer geeigneten Verstärkung die Enthalpieschwankungen am Verdampferaustritt abermals effektiv vermindern.
Auch in den Economizerheizflächen des Abhitzekessels treten im instationären Betrieb fluidseitige Ein- und Ausspeichereffekte auf. Diese werden bei einer Massenstrommessstelle am Verdampfereintritt unmittelbar berücksichtigt und bedürfen in diesem konkreten Fall keiner Gegenmaßnahme. In der Praxis erweist sich die Messung des Speisewassermassenstroms unmittelbar am Eintritt der Verdampferheizfläche jedoch als technisch sehr aufwendig und nicht in jedem Betriebszustand zuverlässig durchführbar. Stattdessen wird ersatzweise der Speisewassermassenstrom am Eintritt des Economizers gemessen und in die Berechnungen der Speisewassermenge einbezogen, der jedoch nicht in jedem Fall gleich dem Speisewassermassenstrom am Eintritt der Verdampferheizfläche ist. Konkret bedeutet dies, dass bei einer Massenstrommessstelle am Economizer Eintritt und einem Speisewasserregler, der sich auf diese Messstelle bezieht, sich die aus den Speichereffekten resultierenden Massenstromschwankungen am Economizeraustritt (bzw. Verdampfereintritt) unmittelbar auf die Verdampferaustrittsenthalpie auswirken. Unter diesen Umständen laufen Verdampferdurchfluss und Wärmeeintrag in die Heizfläche nicht mehr synchron zueinander, so dass mit mehr oder minder starken Enthalpieschwankungen am Verdampferaustritt zu rechnen ist. Durch zusätzliche Messungen von Temperatur und Druck am Eintritt der ersten bzw. am Austritt der letzten Economizerheizfläche lässt sich die Fluiddichte an diesen Stellen ermitteln. Über eine geeignete Umrechnung kann ein repräsentatives Dichtemittel bestimmt werden. Eine Änderung dieses Dichtemittels ist somit zwangsläufig ein Indikator fluidseitiger Ein- und Ausspeichereffekte, die durch ein weiteres Differenzierglied erster Ordnung quantitativ erfasst werden können. Wird eine geeignete Verstärkung (vorzugsweise das komplette Volumen der Economizer Heizflächen) und eine geeignete Zeitkonstante (vorzugsweise die halbe Durchlaufzeit des Strömungsmediums durch die Economizerheizflächen {lastabhängig}) für dieses Differenzierglied gewählt, kompensiert das so generierte Korrektursignal optimalerweise die fluidseitigen Speichereffekte im Economizer.
In vorteilhafter Ausgestaltung werden auf derartige Weise fluidseitige Ein- oder Ausspeichereffekte in einer Vorwärmerheizfläche des solarbeheizten Abhitzedampferzeugers ausgewertet. Gerade im Hinblick auf den üblicherweise vergleichsweise großen Inhalt an Wasser oder Strömungsmedium in den Vorwärmer- oder Economizerheizflächen wirken sich nämlich Dichteänderungen des dort befindlichen Strömungsmediums vergleichsweise gravierend auf den Verdampferdurchfluss und somit auf die Verdampferaustrittsenthalpie aus, so dass eine geeignete Berücksichtigung und Kompensation dieses Effekts bei der Ermittlung eines geeigneten Sollwerts für den Speisewassermassenstrom besonders günstig ist.
Dabei wird der Korrekturwert K_F (oder ein Teil davon), der bei der Ermittlung des Sollwerts für den Speisewassermassenstrom berücksichtigt werden soll, vorteilhafterweise durch Berücksichtigung von für die zeitliche Ableitung der Dichte des Strömungsmediums sowohl am Eingang als auch am Ausgang der jeweiligen Heizfläche erstellt.
Bezüglich des solarthermischen Abhitzedampferzeugers wird die genannte Aufgabe gelöst, durch einen solarthermischen Abhitzedampferzeuger mit einer Verdampferheizfläche und mit einer Vorrichtung zum Einstellen des Speisewassermassenstroms, die anhand eines Sollwerts für den Speisewassermassenstrom geführt ist, wobei eine zugeordnete Speisewasserdurchflussregelung zur Vorgabe des Sollwerts anhand des Verfahrens ausgelegt ist.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist der solarthermischer Abhitzedampferzeuger mit seiner Verdampferheizfläche in den Heißgasstrom eines Solarturm-Kraftwerk derart geschaltet, wobei die Verdampferheizfläche zur Dampferzeugung von durch solare Inzidenz erzeugtem Heißgas beaufschlagbar ist.
Vorteilhafterweise ist das Solarturm-Kraftwerk mit einem Luftreceiver und mit einem dem Luftreceiver nachgeschalteten solarthermischen Abhitzedampferzeuger ausgestattet.
Das Solarturm-Kraftwerk weist in besonders vorteilhafter Ausgestaltung einen solarthermischen Abhitzedampferzeuger auf, der in den Wasser-Dampfkreislauf einer Dampfturbinenanlage geschaltet ist.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass während transienter Vorgänge, die mit der Ein- und Ausspeicherung von thermischer Energie bzw. mit der Einund Ausspeicherung von Strömungsmedium in den entsprechenden Rohren verknüpft sind, durch die Berücksichtigung prozessspezifischer Korrekturwerte (K_T, K_F) eine Korrektur des im Rahmen einer prädiktiven Massenstromregelung ermittelten Sollwerts für den Speisewassermassenstrom ermöglicht ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt
1 ein Solarturm-Kraftwerk mit offenem Luftreceiver
2 ein als volumetrischer Absorber ausgestalteter Luftreceiver
3 eine solarthermische Kraftwerksanlage mit Luftreceiver und nachgeschaltetem solarthermischen Abhitzedampferzeuger
4 einen solarbeheizten Abhitzedampferzeuger mit zugeordneter Speisewasserdurchflussregelung.
1 zeigt eine Solarturmanlage 129. Die Solarturmanlage 129 weist einen Turm 132 auf, an dessen vertikal oberem Ende ein Luftreceiver 133 angeordnet ist. Der Luftreceiver 133 weist einen volumetrischen Absorber 135 auf. Ein Heliostatenfeld 130 ist am Boden in der Nähe des Turmes rund um den Turm 132 angeordnet. Das Heliostatenfeld 130 weist eine Vielzahl von Heliostaten 131 auf, die einzeln positionierbar bzw. ausrichtbar sind. Das gesamte Heliostatenfeld 130 ist dabei so ausgerichtet, dass die direkte Solarstrahlung I_s fokussiert wird, so dass konzentrierte Solarstrahlung I_c durch optische Reflektion am Heliostatenfeld 130 entsteht, wobei die konzentrierte Solarstrahlung I_c auf den Luftreceiver 133, respektive den volumetrischen Absorber 135, gebündelt wird. Auf diese Weise wird Umgebungsluft L, die in den Luftreceiver 133 strömt, mittels des volumetrischen Absorbers 135 durch die gebündelte Solarstrahlung I_c sehr stark aufgeheizt. Die stark erhitzte oder überhitzte Luft L kann als Heizluft L' oder Heißgas L' zur Energieerzeugung in einer nicht näher dargestellten konventionellen Kraftwerksanlage genutzt werden.
Ein Beispiel für einen volumetrischen Absorber 135 ist in 2 dargestellt. Der volumetrische Absorber 135 weist ein Gehäuse 134 auf, welches mit einer Wärmedämmung 140 ausgestattet ist. Die Wärmedämmung 140 kann beispielsweise aus einem porösen keramischen Material oder einem Metallschaum bestehen, so dass eine gute Aufheizung des volumetrischen Absorbers 135 bei Sonneneinstrahlung gegeben ist. Der volumetrische Absorber 135 weist einen Einlass 138 sowie einen Auslass 139 auf. Der Einlass 138 und der Auslass 139 sind strömungstechnisch miteinander verbunden. Die Frontseite des volumetrischen Absorbers 135 weist ein gekrümmtes Quarzglasfenster 136 auf, welches in das Gehäuse 134 eingepasst ist. Seitlich des Quarzglasfensters 136 ist eine wassergekühlte Schutzblende 137 vorgesehen, die die Stirnseite des volumetrischen Absorbers 135 vor Überhitzung schützt und das Quarzglasfenster 136 umrahmt. Durch diese Konfiguration ist eine Einstrahlöffnung gebildet, die den Fokuspunkt für die konzentrierte Solarstrahlung I_c bildet. Im Betrieb des volumetrischen Absorbers 135, beispielsweise in einer Solarturmanlage 129 gemäß 1, wird kühle Umgebungsluft L in den volumetrischen Absorber 135 angesaugt. Die Luft L strömt in den Kanal entlang der Wärmedämmung 140 in Richtung der Frontseite des volumetrischen Absorbers vor und tritt in einen engen thermischen Wechselwirkungskontakt mit dem Absorbermaterial im volumetrischen Absorber 135. Das Absorbermaterial erhitzt sich aufgrund der intensiven und konzentrierten Solarstrahlung I_c, die durch das Quarzglasfenster 136 auf das Absorbermaterial trifft. Durch den Kontakt der Luft L mit dem stark erhitzten Absorbermaterial findet eine Aufheizung der Luft L statt, so dass eine Heißluft L' bzw. ein Heißgas L' gebildet wird, welches über den Auslass 139 den volumetrischen Absorber 135 verlässt und für nachfolgende Prozesse als Nutzwärmeträger zur Verfügung steht. In einem kontinuierlichen Betrieb wird bei Einstrahlung von konzentrierter Solarstrahlung I_c einströmende Umgebungsluft L kontinuierlich erhitzt und ein kontinuierlicher Strom aus Heizluft L' bzw. Heißgas L' steht zur Verfügung.
Die Integration einer Solarturmanlage 129 zu einem vollständigen Solarturmkraftwerk zur Erzeugung elektrischer Energie ist in 3 dargestellt. Dabei zeigt 3 eine Solarkraftwerksanlage 149, die aus einem Solarteil S und einem Kraftwerksteil P besteht, die zu einer Gesamtanlage integriert ist. Der Solarteil S weist eine Solarturmanlage 129 – in analoger Weise wie in 1 beschrieben – auf. Diese umfasst ein Heliostatenfeld 130 sowie den Solarturm 132 mit dem Luftreceiver 133, der an der Turmspitze angeordnet ist und der den volumetrischen Absorber 135 enthält. Durch das Heliostatenfeld 130 wird konzentrierte Solarstrahlung I_c auf den Luftreceiver 133 fokussiert, so dass angesaugte Umgebungsluft L in dem volumetrischen Absorber 135 stark erhitzt bzw. überhitzt wird und als Heißgas L' für den Prozess im Kraftwerksteil P zur Verfügung steht. Der Kraftwerksteil P umfasst eine Dampfturbine 145 sowie einen an die Dampfturbine angekoppelten Generator 146 zur Erzeugung elektrischer Energie. Abdampfseitig ist an die Dampfturbine 145 ein Kondensator 147 angeschlossen. Eine Speisewasserpumpe 148 fördert Speisewasser in dem Wasser-Dampf-Kreislauf 150 der Dampfturbinenanlage. Zur Erzeugung von Nutzdampf mit der gewünschten Frischdampftemperatur zum Betrieb der Dampfturbine 145 ist der Heizluftstrom L' über einen Vorlauf 142 mit dem solarbeheizten Abhitzedampferzeuger 1 verbunden. Am Austritt des Abhitzedampferzeugers 1 ist eine Verbindungsleitung in Form eines Rücklaufs 141 zwischen dem Abhitzedampferzeuger 1 und dem Luftreceiver 133 des Solarturms 132 vorgesehen. Zur Förderung der Abluft aus dem Abhitzedampferzeuger 1 sind Gebläse 144 in den Rücklauf eingeschaltet. Der solarbeheizte Abhitzedampferzeuger 1 weist eine Verdampferheizfläche 4 sowie eine Überhitzerheizfläche 8 auf. So dass im Betrieb die gewünschte Frischdampftemperatur und der gewünschte Frischdampfdruck erzeugbar ist. Ein Heißgasspeicher oder Pufferbehälter 143 verbindet den Vorlauf 141 mit dem Rücklauf 142, so dass bedarfsweise Heißluft L' in den Heißgasspeicher 143 abgezweigt werden kann, die aus dem Heißgasspeicher 143 bedarfsweise aus dem Pufferbehälter 143 ausgespeichert und in den Rücklauf 141 eingespeist werden kann. Der Solarteil S und der Kraftwerksteil P sind durch diese Verschaltung zu einer Gesamtanlage integriert, wobei der solar betriebene Abhitzedampferzeuger 1 mit seinen Heizflächen in den Heißluftstrom L' des Luftreceivers 133 geschaltet ist. Somit ist eine thermodynamische Ankopplung des Heißluftstroms L' an den Wasser-Dampf-Kreislauf 150 der Dampfturbinenanlage gegeben. Im Betrieb werden die Heizflächen des Dampferzeugers 1 mit Heißgas L' beaufschlagt, so dass Frischdampf F erzeugt wird. Das Heißgas L' weist eine Temperatur von 680°C und einen Druck von 1 bar auf. Durch den Wärmeübertrag in den Heizflächen des Abhitzedampferzeugers wird Frischdampf F mit einer Temperatur von 480°C und einem Druck von 26 bar erzeugt. Mit diesem Frischdampf F wird die Dampfturbine 145 beaufschlagt, so dass sich der Frischdampf F in der Dampfturbine 145 arbeitsbringend entspannt und die Turbine antreibt. Die Dampfturbine 145 wiederum treibt den elektrischen Generator 146 an, so dass elektrische Energie erzeugt ist. Abdampfseitig kondensiert der Dampf in dem Kondensator 147 und wird wiederum über die Speisewasserpumpe 148 in die Vorwärmstrecke des Abhitzedampferzeugers 1 eingespeist.
Eine Speisewasserregelung für die solar thermische Kraftwerksanlage 149 mit Luftreceiver 133 und nachgeschaltetem Heißluft-Abhitzedampferzeuger 1 auf Basis einer prädiktiven Speisewassersollwertermittlung ist in 4 näher erläutert.
Der solarbeheizte Abhitzedampferzeuger 1 gemäß der 4 weist eine auch als Economizer bezeichnete Vorwärmerheizfläche 2 für als Strömungsmedium vorgesehenes Speisewasser auf, der sich in einem nicht näher dargestellten Gaszug befindet. Der Vorwärmerheizfläche 2 ist strömungsmediumsseitig eine Speisewasserpumpe 3 vor- und eine Verdampferheizfläche 4 nachgeschaltet. Ausgangsseitig ist die Verdampferheizfläche 4 strömungsmediumsseitig über einen Wasserspeicher 6, der insbesondere auch als Wasserabscheider oder Abscheideflasche ausgestaltet sein kann, mit einer Anzahl nachgeschalteter Überhitzerheizflächen 8, 10, 12 verbunden, die ihrerseits zur Anpassung der Dampftemperaturen und dergleichen mit Einspritzkühlern 14, 16 versehen sein können. Der solarbeheizte Abhitzedampferzeuger 1 ist als Rohrbündelabsorber ausgestaltet, wobei die Heizflächen, also insbesondere die Vorwärmerheizfläche 2, die Verdampferheizfläche 4 sowie die Überhitzerheizflächen 8, 10, 12, mit einem aus dem Luftreceiver 135 aufgeheizten Heißgas beaufschlagbar sind, so dass ein Wärmeeintrag durch Abkühlung des Heißgases an diesen Heizflächen mit geringerer Temperatur erfolgt. Die Wärmeübertragung findet hier im Wesentlichen durch Konvektion statt.
Der solarthermische Abhitzedampferzeuger 1 ist für eine geregelte Beaufschlagung mit Speisewasser ausgelegt. Dazu ist der Speisewasserpumpe 3 ein von einem Stellmotor 20 angesteuertes Drosselventil 22 nachgeschaltet, so dass über geeignete Ansteuerung des Drosselventils 22 die von der Speisewasserpumpe 3 in Richtung des Vorwärmers 2 geförderte Speisewassermenge oder der Speisewassermassenstrom einstellbar ist. Zur Ermittlung eines aktuellen Kennwerts für den zugeführten Speisewassermassenstrom ist dem Drosselventil 22 eine Messeinrichtung 24 zur Ermittlung des Speisewassermassenstroms Ṁ durch die Speisewasserleitung nachgeschaltet. Der Stellmotor 20 ist über ein Regelelement 28 angesteuert, das eingangsseitig mit einem über eine Datenleitung 30 zugeführten Sollwert Ṁ_s für den Speisewassermassenstrom Ṁ und mit dem über eine Messeinrichtung 24 ermittelten aktuellen Istwert des Speisewassermassenstroms Ṁ beaufschlagt ist. Durch Differenzbildung zwischen diesen beiden Signalen wird an den Regler 28 ein Nachführungsbedarf übermittelt, so dass bei einer Abweichung des Ist- vom Sollwert eine entsprechende Nachführung des Drosselventils 22 über die Ansteuerung des Motors 20 erfolgt.
Zur Ermittlung eines besonders bedarfsgerechten Sollwerts Ṁ_s für den Speisewassermassenstrom Ṁ in der Art einer prädiktiven, vorausschauenden oder am zukünftigen oder aktuellen Bedarf orientierten Einstellung des Speisewassermassenstroms ist die Datenleitung 30 eingangsseitig mit einer zur Vorgabe des Sollwerts Ṁ_s für den Speisewassermassenstrom Ṁ ausgelegten Speisewasserdurchflussregelung 32 verbunden. Diese ist dafür ausgelegt, den Sollwert Ṁ_s für den Speisewassermassenstrom Ṁ anhand einer Wärmestrombilanz in der Verdampferheizfläche 4 zu ermitteln, wobei der Sollwert Ṁ_s für den Speisewassermassenstrom Ṁ anhand des Verhältnisses aus dem aktuell in der Verdampferheizfläche 4 vom Heißgas auf das Strömungsmedium übertragenen Wärmestrom einerseits und einer im Hinblick auf den gewünschten Frischdampfzustand vorgegebenen Soll-Enthalpieerhöhung des Strömungsmediums in der Verdampferheizfläche 4 andererseits vorgegeben wird. Eine Nutzung eines derartigen Konzepts der Bereitstellung eines Sollwerts für den Speisewassermassenstrom auf der Grundlage einer Wärmebilanz selbst für einen solarbeheizten Abhitzedampferzeuger 1 in Bauweise als Rohrbündelabsorber in einem Solarturm-Kraftwerk ist im Ausführungsbeispiel insbesondere dadurch erreicht, dass der durch die konzentrierte Sonneneinstrahlung auf das Strömungsmedium übertragene Wärmestrom unter Berücksichtigung eines für die aktuelle Temperatur am Verdampfereintritt charakteristischen Temperaturkennwerts und eines für den aktuellen Massenstrom des Heißgases charakteristischen Massenstromkennwerts ermittelt wird.
Dazu weist die Speisewasserdurchflussregelung 32 ein Dividierglied 34 auf, dem als Zähler ein geeigneter Kennwert für den aktuell in der Verdampferheizfläche 4 vom Heißgas auf das Strömungsmedium übertragenen Wärmestrom und als Nenner ein im Hinblick auf den gewünschten Frischdampfzustand geeignet vorgegebener Kennwert für die gewünschte Soll-Enthalpieerhöhung des Strömungsmediums in der Verdampferheizfläche 4 zugeführt wird. Zählerseitig ist das Dividierglied 34 dabei eingangsseitig mit einem Funktionsmodul 36 verbunden, das anhand eines zugeführten, für die aktuelle Temperatur des Heißgases am Verdampfereintritt charakteristischen Temperaturkennwerts als Ausgangswert einen Wert für die Enthalpie des Heißgases am Verdampfereintritt ausgibt. Im Ausführungsbeispiel ist dabei die Zuführung eines für die aktuelle Temperatur des Heißgases am Verdampfereintritt charakteristischen Messwerts als Temperaturkennwert vorgesehen. Der für die Enthalpie des Heißgases am Verdampfereinlass charakteristische Kennwert wird auf ein Subtrahierglied 38 ausgegeben, wo von diesem Kennwert ein von einem Funktionsmodul 40 gelieferter Kennwert für die Enthalpie des Gases am Verdampferauslass abgezogen wird.
Zur Ermittlung der Enthalpie des Heißgases am Verdampferauslass wird dem Funktionsglied 40 eingangsseitig die von einem Summierglied 42 gebildete Summe zweier Temperaturwerte zugeführt. Dabei wird einerseits die über ein Funktionsglied 44, das eingangsseitig mit einem Drucksensor 46 verbunden ist, anhand des Drucks des Strömungsmediums beim Verdampfereintritt ermittelte Sättigungstemperatur des Strömungsmediums berücksichtigt. Andererseits wird über ein Funktionsglied 48, dem seinerseits eingangsseitig über ein weiteres Funktionsglied 50 ein für den aktuellen Massenstrom des Heißgases charakteristischer Massenstromkennwert zugeführt wird, der so genannte „Pinchpoint”, nämlich die aus dem Massenstrom des Heißgases ermittelte Temperaturdifferenz der Heißgastemperatur am Verdampferaustritt minus der Siedetemperatur des Strömungsmediums am Verdampfereintritt, berücksichtigt. Aus diesen beiden über das Summierglied 42 addierten Temperaturbeiträgen wird vom Funktionsbaustein 40 somit die Enthalpie des Heißgases am Verdampferaustritt, gegebenenfalls unter Rückgriff auf geeignete Tabellen, Diagramme oder dergleichen, bereitgestellt. Ausgangsseitig liefert das Subtrahierglied 38 somit die Enthalpiedifferenz oder -bilanz des Heißgases, also die Differenz aus Heißgasenthalpie am Verdampfereintritt und Heißgasenthalpie am Verdampferaustritt.
Diese Enthalpiedifferenz wird an ein Multiplizierglied 52 weitergegeben, dem der charakteristische Massenstromkennwert, der im Übrigen als aktuell erfasster Messwert vorliegen kann, ebenfalls zugeführt wird. Ausgangsseitig liefert das Multiplizierglied 52 somit einen Kennwert für die vom Heißgas an die Verdampferheizfläche 4 abgegebene Wärmeleistung.
Um anhand dieser vom Heißgas abgegebenen Wärmeleistung den tatsächlich auf das Strömungsmedium übertragenen Wärmestrom ermitteln zu können, ist zunächst noch eine Korrektur um Wärmeein- und/oder -ausspeichereffekte in die Komponenten der Verdampferheizfläche 4, insbesondere in die Metallmassen, vorgesehen. Dazu wird der genannte Kennwert für die vom Heißgas abgegebene Wärmeleistung zunächst einem Subtrahierglied 54 zugeführt, wo ein für die Wärmeein- oder -ausspeicherung in die Verdampferbauteile charakteristischer Korrekturwert K_T abgezogen wird. Dieser wird von einem Funktionsglied 56 bereitgestellt. Dieses ist eingangsseitig seinerseits mit dem Ausgangswert eines weiteren Funktionsgliedes 58 beaufschlagt, indem ein mittlerer Temperaturwert für die Metallmassen der Verdampferheizfläche 4 ermittelt wird. Dazu ist das weitere Funktionsglied 58 eingangsseitig mit einem im Wasserspeicher 6 angeordneten Druckgeber 60 verbunden, so dass das weitere Funktionsglied 58 die mittlere Temperatur der Metallmassen anhand des Drucks des Strömungsmediums, z. B. durch Gleichsetzung mit der zu diesem Druck gehörigen Siedetemperatur, im Wasserspeicher 6 ermitteln kann.
Ausgangsseitig übergibt das Subtrahierglied 54 somit einen für die vom Heißgas abgegebene Wärmeleistung, vermindert um. die in das Metall der Verdampferheizfläche 4 eingespeicherte Wärmeleistung, und somit einen für die an das Strömungsmedium abzugebende Wärmeleistung charakteristischen Kennwert.
Dieser Kennwert wird im Dividierglied 34 als Zähler verwendet, der dort durch einen Nenner geteilt wird, der einer im Hinblick auf den gewünschten Frischdampfzustand vorgegebenen Soll-Enthalpieerhöhung des Strömungsmediums in der Verdampferheizfläche 4 entspricht, so dass aus dieser Division oder diesem Verhältnis der Sollwert Ṁ_s für den Speisewassermassenstrom Ṁ gebildet werden kann. Zur Bereitstellung des Nenners, also des Kennwerts für die gewünschte Soll-Enthalpieerhöhung auf der Wasser-Dampf- oder Strömungsmediumsseite, ist das Dividierglied 34 eingangsseitig mit einem Subtrahierglied 70 verbunden. Dieses ist eingangsseitig mit einem von einem Funktionsglied 72 bereitgestellten Kennwert für den gewünschten Sollwert für die Enthalpie des Strömungsmediums am Verdampferaustritt beaufschlagt. Des Weiteren ist das Subtrahierglied 70 eingangsseitig mit einem von einem Funktionsmodul 74 bereitgestellten Kennwert oder Istwert für die aktuelle Enthalpie des Strömungsmediums am Verdampfereintritt beaufschlagt, der im Subtrahierglied 70 vom genannten Kennwert für den Sollwert der Enthalpie am Verdampferaustritt abgezogen wird. Eingangsseitig ist das Funktionsmodul 74 dabei zur Bildung des genannten Kennwerts für die Ist-Enthalpie am Verdampfereintritt mit dem Drucksensor 46 und mit einem Temperatursensor 76 verbunden. Durch die Differenzbildung im Subtrahierglied 70 wird somit die in Abhängigkeit vom gewünschten Frischdampfzustand in das Strömungsmedium in der Verdampferheizfläche 4 einzubringende Enthalpieerhöhung ermittelt, die als Nenner im Dividierglied 34 verwendet werden kann.
Der solarbeheizte Abhitzedampferzeuger 1 könnte für einen Betrieb im so genannten „Level Control Mode” ausgelegt sein, bei dem der Wasserstand im Wasserspeicher 6 geregelt wird, wobei an die dem der Verdampferheizfläche 4 nachgeschalteten Überhitzerheizflächen 8, 10, 12 ausschließlich Dampf weitergegeben wird, und das verdampferaustrittsseitig noch mitgeführte Wasser im Wasserspeicher 6 abgeschieden wird. Im Ausführungsbeispiel ist der solarbeheizte Abhitzedampferzeuger 1 aber für einen Betrieb im so genannten „Benson Control Modus” ausgelegt, bei dem eine Überspeisung des auch als Wasserabscheider vorgesehenen Wasserspeichers 6 und die vollständige Verdampfung des Strömungsmediums erst in den nachfolgenden Überhitzerheizflächen 8, 10, 12 möglich ist. Bei dieser Betriebsvariante wird das Funktionsglied 72, über das der Sollwert für die Enthalpie des Strömungsmediums am Verdampferaustritt ausgegeben werden soll, eingangsseitig einerseits mit dem vom Drucksensor 60 ermittelten Istwert für den Druck im Wasserabscheider 6 beaufschlagt. Weiterhin ist dem Funktionsmodul 72 eingangsseitig ein weiteres Funktionsmodul 90 vorgeschaltet, das anhand des vom Drucksensor 60 ermittelten Ist-Drucks im Wasserspeicher 6 anhand einer hinterlegten Funktionalität oder des gewünschten Frischdampfzustands einen geeigneten Sollwert für die Temperatur des Strömungsmediums im Wasserspeicher 6 ermittelt. Beispielsweise könnte für einen Betrieb der Anlage im „Benson Control Modus” als Sollwert für die Temperatur hierbei ein Temperaturwert hinterlegt sein, der der Sättigungstemperatur des Strömungsmediums beim ermittelten Druck zuzüglich einer vorgesehenen Mindestüberhitzung von beispielsweise 35°C entspricht. Das Funktionsmodul 72 ermittelt aus diesem Sollwert für die Temperatur unter Berücksichtigung des aktuellen Druckwerts den genannten Sollwert für die Enthalpie des Strömungsmediums am Verdampferaustritt.
Im Ausführungsbeispiel wird dieser vom Funktionsmodul 72 bereitgestellte Sollwert, der im Wesentlichen an den Eigenschaften des Strömungsmediums als solches orientiert ist, anschließend in einem nachgeschalteten Addierglied 92 noch um einen weiteren Korrekturwert K_Trimm verändert. Dieser von einem Funktionsmodul 94 gelieferte weitere Korrekturwert K_Trimm berücksichtigt im Wesentlichen in der Art einer Trimmfunktion die Abweichung der aktuell festgestellten Frischdampftemperatur von der im Hinblick auf den gewünschten Frischdampfzustand eigentlich gewünschten Frischdampftemperatur. Eine derartige Abweichung kann sich insbesondere dadurch bemerkbar machen, dass bei zu hoher Frischdampftemperatur in den Einspritzkühlern 14, 16 Kühlbedarf entsteht und somit die Beaufschlagung der Einspritzkühler 14, 16 mit Kühlmedium erforderlich ist. Falls ein derartiger Massenstrom zu den Einspritzkühlern 14, 16 festgestellt wird, ist es Auslegungsziel des Funktionsmoduls 94, diesen Kühlbedarf von den Einspritzkühlern 14, 16 weg und hin zu einer erhöhten Speisewasserzufuhr zu verlagern. Bei einem dementsprechend festgestellten Kühlbedarf in den Einspritzkühlern 14, 16 wird dementsprechend im Funktionsmodul 94 die gewünschte Enthalpie des Strömungsmediums am Verdampferaustritt abgesenkt, um den Kühlbedarf zu minimieren. Andernfalls, also wenn eine zu niedrige Frischdampftemperatur festgestellt wird, wird über den vom Funktionsmodul 94 bereitgestellten Korrekturwert K_Trimm und dessen Addition im Addiermodul 92 der Enthalpie-Sollwert erhöht.
Zur Absicherung umfasst die Speisewasserdurchflussregelung 32 des solarbeheizten Abhitzedampferzeugers 1 noch eine nachgelagerte direkte Regelschleife, bei der in einem Funktionsmodul 100 anhand der Messwerte im Wasserspeicher 6 ein Istwert für die Enthalpie des Strömungsmediums am Verdampferaustritt ermittelt und in einem Differenziermodul 102 mit der gewünschten Enthalpie, also mit dem Soll-Enthalpiewert, verglichen wird. Durch die Differenzbildung im Differenziermodul 102 wird dabei die Soll-Ist-Abweichung festgestellt, die über einen nachgeschalteten Regler 104 in einem Addierglied 106 dem vom Dividierglied 34 bereitgestellten Sollwert für den Speisewassermassenstrom überlagert wird. Diese Überlagerung geschieht geeignet zeitlich verzögert und gedämpft, so dass dieser Regeleingriff lediglich im Bedarfsfall, also bei zu grober Regelabweichung, eingreift.
Zur noch weiteren Verbesserung der Regelungsqualität bei der prädiktiven Massenstromregelung des solarbeheizten Abhitzedampferzeugers 1 ist bei der Erstellung des Sollwerts Ṁ_s für den Speisewassermassenstrom Ṁ zudem noch die Berücksichtigung eines Korrekturwerts K_F vorgesehen, der die zeitliche Ableitung von Enthalpie- und Dichtewerten des Strömungsmediums an geeigneten Messstellen repräsentiert. Dazu wird der vom Addierglied 106 ausgegebene Zwischenwert einem weiteren Addierglied 108 zugeführt, wo ihm der Korrekturwert K_F überlagert wird.
Zur Ermittlung der Beiträge oder Summanden für den Korrekturwert K_F ist dabei einerseits ein zur Ermittlung eines Dichtekennwerts für das Strömungsmedium am Eintritt der Vorwärmerheizfläche 2 vorgesehenes Funktionsmodul 110 eingangsseitig mit einem im Eintrittsbereich der Vorwärmerheizfläche 2 angeordneten Drucksensor 112 und einem ebenfalls im Eintrittsbereich der Vorwärmerheizfläche 2 angeordneten Temperatursensor 114 verbunden. Anhand der von diesen Sensoren gelieferten Messwerte ermittelt das Funktionsmodul 110 einen Kennwert für die Dichte des Fluids oder Strömungsmediums im Eintrittsbereich der Vorwärmerheizfläche 2, der an ein nachgeschaltetes Addierglied 116 ausgegeben wird. Ein weiteres Funktionsmodul 118 ist seinerseits eingangsseitig mit dem Drucksensor 46 und dem Temperatursensor 76 verbunden und ermittelt aus den von diesen gelieferten Messwerten einen Dichtekennwert für das Fluid oder Strömungsmedium austrittsseitig der Vorwärmerheizfläche 2. Dieser weitere Dichtekennwert wird vom Funktionsmodul 118 ebenfalls an das Addierglied 116 ausgegeben.
Das Addierglied 116 gibt seinerseits die aus den eingehenden Dichtekennwerten gebildete Summe an ein nachgeschaltetes Dividierglied 120 aus, in dem die genannte Summe durch den Faktor 2 als Nenner dividiert wird. Ausgangsseitig stellt das Dividierglied 120 somit einen für die mittlere Fluid- oder Speisewasserdichte in der Vorwärmerheizfläche 2 charakteristischen Kennwert bereit. Dieser wird einem nachgeschalteten Differenzierglied 122 zugeführt.
Das Differenzierglied 122 ist als so genanntes „Derivative-Element” oder „DT1-Glied” ausgestaltet und liefert als Ausgangswert einen für die zeitliche Ableitung des vom Dividierglied 120 gelieferten Dichtekennwerts des Fluids oder Strömungsmediums charakteristischen Kennwert, der an ein nachgeschaltetes Subtrahierglied 124 ausgegeben wird.
Zusätzlich ist ein weiteres Differenzierglied 126 vorgesehen, das eingangsseitig mit dem vom Funktionsmodul 74 erzeugten für die Ist-Enthalpie am Verdampfereintritt charakteristischen Kennwert beaufschlagt wird. Das Differenzierglied 126, das seinerseits ebenfalls als so genanntes „Derivative-Element” oder „DT1-Glied” ausgeführt ist, liefert somit einen für die zeitliche Ableitung der Enthalpie am Eingang der Verdampferheizfläche 4 charakteristischen Kennwert.
Im Subtrahierglied 124 wird dieser Kennwert vom Differenzierglied 122 gelieferten, für die zeitliche Ableitung der Dichtewerte des Strömungsmediums charakteristischen Kennwert abgezogen. Damit liefert das Subtrahierglied 124 einen Ausgangswert, der linear aus Beiträgen für die zeitliche Ableitung der Dichte des Strömungsmediums am Eintritt der Vorwärmheizfläche 2, der zeitlichen Ableitung der Dichte des Strömungsmediums am Austritt der Vorwärmerheizfläche 2 und der zeitlichen Ableitung der Enthalpie des Strömungsmediums am Eingang der Verdampferheizfläche 4 zusammengesetzt ist. In diesem aus den genannten Anteilen gebildeten Korrekturwert K_F sind somit über die genannten zeitlichen Ableitungen fluidseitige Ein- oder Ausspeichereffekte in der Vorwärmerheizfläche 2 und/oder in der Verdampferheizfläche 4 bei transienten Vorgängen oder Laständerungen berücksichtigt. Dieser Korrekturwert K_F wird im Addierglied 108 dem Sollwert Ṁ_s für die Speisewassermassenstromdichte überlagert.
Durch das Verfahren gemäß der Erfindung und den solarbeheizten Abhitzedampferzeuger wird in Abhängigkeit des vorhandenen Wärmeangebots der Solarstrahlung immer genau der erforderliche Speisewassermassenstrom durch die Verdampferheizfläche zur Verfügung gestellt, um den geforderten/gewünschten Fluidzustand am Austritt des Abhitzedampferzeugers (Frischdampftemperatur) auch während instationärer Vorgänge insbesondere bei Wolkendurchzug durch das Solarfeld zu gewährleisten. Durch die konzeptionelle Berücksichtigung entsprechender physikalischer Mechanismen kann dieser Austrittszustand mit geringstmöglicher Schwankungsbreite auch ohne zusätzliche Einspritzeinrichtungen sichergestellt werden.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines solarbeheizten Abhitzedampferzeugers (1) mit einer Anzahl von Heizflächen (2, 4), bei dem durch solare Wärmeeinstrahlung ein Heißgas, insbesondere Heißluft, erzeugt wird, mit dem die Heizflächen (2, 4) des Abhitzedampferzeugers (1) beaufschlagt werden, und bei dem einer Vorrichtung zum Einstellen des Speisewassermassenstroms Ṁ ein Sollwert Ṁ_s für den Speisewassermassenstrom Ṁ zugeführt wird, wobei bei der Erstellung des Sollwerts Ṁ_s für den Speisewassermassenstrom Ṁ ein charakteristischer Korrekturwert K_T berücksichtigt wird, durch den thermische Speichereffekte von ein- oder ausgespeicherter thermischer Energie in eine oder mehrere der Heizflächen (2, 4) korrigiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei durch den Korrekturwert K_T thermische Speichereffekte von ein- oder ausgespeicherter thermischer Energie in die Rohrwände der Verdampferheizfläche (4) des Abhitzedampferzeugers (1) korrigiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei bei der Einstellung des Sollwerts Ṁ_s die an die Verdampferheizfläche (4) des Abhitzedampferzeugers (1) übertragene Gesamtwärmeleistung Q . berücksichtigt wird, die ermittelt wird aus dem Produkt aus – der Enthalpiedifferenz zwischen der Enthalpie des Heißgases am Eintritt der Verdampferheizfläche (4) des Abhitzedampferzeugers (1) und der Enthalpie des Heißgases am Austritt der Verdampferheizfläche (4) des Abhitzedampferzeugers (1) und – dem gemessenen Massenstrom des Heißgases vor dem Eintritt der Verdampferheizfläche (4) des Abhitzedampferzeugers (1).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei bei der Einstellung des Sollwerts Ṁ_s weiterhin ein Korrekturwert K_F berücksichtigt wird, wobei durch den Korrekturwert K_F die in die Verdampferheizfläche (4) des Abhitzedampferzeugers (1) ein- oder ausgespeicherten Speisewassermengen korrigiert werden.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Korrekturwert K_F bestimmt wird unter Nutzung der Speisewasser-Unterkühlung- oder der Speisewasser-Enthalpie- oder der Speisewassertemperatur am Verdampfereintritt.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei durch den Korrekturwert K_F weiterhin die in den Economizerheizflächen (2) des Abhitzedampferzeugers (1) ein- oder ausgespeicherten Speisewassermengen korrigiert werden.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Korrekturwert K_F bestimmt wird unter Nutzung der Speisewasserdichten am Eintritt der Economizerheizflächen (2) und am Austritt der Economizerheizflächen (2).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das bei einem Solarturm-Kraftwerk (129) durchgeführt wird, wobei als Strömungsmedium Speisewasser in der Verdampferheizfläche (4) durch indirekten solaren Wärmeeintrag erwärmt und verdampft wird.
Solarthermischer Abhitzedampferzeuger (1) mit einer Verdampferheizfläche (4) und mit einer Vorrichtung zum Einstellen des Speisewassermassenstroms (Ṁ), die anhand eines Sollwerts (Ṁ_s) für den Speisewassermassenstrom (Ṁ) geführt ist, wobei eine zugeordnete Speisewasserdurchflussregelung (32) zur Vorgabe des Sollwerts (Ṁ_s) anhand des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgelegt ist.
Solarthermischer Abhitzedampferzeuger (1) nach Anspruch 9, dessen Heizflächen (2, 4) in den Heißgasstrom eines Solarturm-Kraftwerk geschaltet sind, wobei die Heizflächen (2, 4) zur Dampferzeugung von durch solare Inzidenz erzeugtem Heißgas beaufschlagbar sind.
Solarturm-Kraftwerk (129) mit einem Luftreceiver (133) und mit einem dem Luftreceiver (133) nachgeschalteten solarthermischen Abhitzedampferzeuger (1).
Solarturm-Kraftwerk (129) nach Anspruch 11, mit einem solarthermischen Abhitzedampferzeuger (1), der in den Wasser-Dampfkreislauf (150) einer Dampfturbinenanlage (146) geschaltet ist.