DE102011075930A1

DE102011075930A1 - Dampferzeuger, insbesondere für ein solarthermisches Kraftwerk

Info

Publication number: DE102011075930A1
Application number: DE201110075930
Authority: DE
Inventors: Günther Beckesch; Arno Czimczik; Waldemar Hoffmann
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2011-05-16
Filing date: 2011-05-16
Publication date: 2012-11-22
Also published as: WO2012156350A2; WO2012156350A3

Abstract

Dampferzeuger (1), insbesondere für ein solarthermisches Kraftwerk, umfassend: – einen Druckbehälter (2); – einen Wärmeträgerkreislauf mit einem Wärmeträgermedium zur Aufnahme von solarer Energie in Form von Wärme; – einen Wasser/Wasserdampfkreislauf mit Wasser, wobei der Wärmeträgerkreislauf und der Wasser/Wasserdampfkreislauf in dem Dampferzeuger (1) thermisch miteinander gekoppelt sind, – wobei der Wasser/Wasserdampfkreislauf für einen Zwangsdurchlauf-Dampferzeuger vorgesehen ist und einen Speisewasservorwärmer (3), einen Verdampfer (4) und einen Überhitzer (5) umfasst, die in dem Druckbehälter (2) aufgenommen sind; – wobei der Wärmeträgerkreislauf wenigstens ein in dem Druckbehälter (2) aufgenommenes Wasser-/Dampfrohr umfasst, das mit dem Speisewasservorwärmer (3), dem Verdampfer (4) und dem Überhitzer (5) thermisch gekoppelt ist, – wobei sich das wenigstens eine Wasser-/Dampfrohr von einem Einlass (9, 10), der im Druckbehälter (2) im Bereich des Speisewasservorwärmers (3) angeordnet ist, im Inneren des Druckbehälters (2) bis einem Auslass im Bereich des Überhitzers (5) erstreckt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Dampferzeuger, insbesondere für ein solarthermisches Kraftwerk, zur Erzeugung von überhitztem Wasserdampf mittels solarer Energie.
Solarthermische Kraftwerke werden als Alternative zu herkömmlichen Kraftwerken zur Stromerzeugung eingesetzt, um die bestehende Kohlendioxid-Problematik zu entschärfen. In solarthermischen Kraftwerken wird Sonnenenergie in elektrische Energie umgewandelt.
Bei herkömmlichen solarthermischen Kraftwerken werden Solarfelder mit Parabolrinnen-Kollektoren als Empfänger der Solarenergie verwendet. Alternativ zu Parabolrinnen-Kollektoren oder Fresnel-Kollektoren werden auch Solartürme mit Heliostaten-Solarfeldern eingesetzt.
Derartige solarthermische Kraftwerke mit indirekter Verdampfung weisen einen Dampferzeuger auf. Der Dampferzeuger umfasst einen Wärmeträger-Kreislauf (Primärkreislauf) mit einem Wärmeträgermedium und einen Wasser/Wasserdampf-Kreislauf (Sekundärkreislauf) mit Wasser. Das Wärmeträgermedium des Wärmeträgerkreislaufs, beispielsweise ein Thermoöl oder eine Salzschmelze, nimmt die solare Energie in Form von Wärme (thermische Energie) auf. Das Wärmeträgermedium wird erwärmt, die durch das Wärmeträgermedium aufgenommene Wärme wird mit Hilfe eines Speisewasservorwärmers, eines Verdampfers und eines Überhitzers an das Wasser des Wasser/Wasserdampf-Kreislaufs übertragen. Dabei wird überhitzter Wasserdampf erzeugt. Die im überhitzten Wasserdampf gespeicherte thermische Energie wird zur Gewinnung von elektrischer Energie benutzt, wodurch thermische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird. Dem solarthermischen Kraftwerk ist ein konventioneller Teil nachgeschaltet, in dem die Umwandlung der thermischen Energie des überhitzten Wasserdampfs in elektrische Energie erfolgt, beispielsweise mit Hilfe einer Dampfturbine.
Herkömmliche Dampferzeuger weisen eine beträchtliche Größe auf, beispielsweise kann ein Dampferzeuger 30 Meter hoch sein. Wegen der großen Massenströme sind die Rohrleitungen vergleichsweise groß dimensioniert, wodurch die Montage aufwändig und teuer ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Dampferzeuger anzugeben, der kompakt aufgebaut ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Dampferzeuger mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgesehen. Erfindungsgemäß umfasst der Dampferzeuger einen Druckbehälter, einen Wärmeträgerkreislauf mit einem Wärmeträgermedium zur Aufnahme von solarer Energie in Form von Wärme; einen Wasser/Wasserdampfkreislauf mit Wasser, wobei der Wärmeträgerkreislauf und der Wasser/Wasserdampfkreislauf in dem Dampferzeuger thermisch miteinander gekoppelt sind, wobei der Wasser/Wasserdampfkreislauf für einen Zwangsdurchlauf-Dampferzeuger vorgesehen ist und einen Speisewasservorwärmer (Economizer), einen Verdampfer und einen Überhitzer umfasst, die in dem Druckbehälter aufgenommen sind, sowie wenigstens ein in dem Druckbehälter aufgenommenes Wasser-/Dampfrohr, das mit dem Speisewasservorwärmer, dem Verdampfer und dem Überhitzer thermisch gekoppelt ist, vorgesehen ist, wobei sich das wenigstens eine Wasserrohr im Inneren des Druckbehälters von einem Einlass, der im Bereich des Speisewasservorwärmers angeordnet ist, bis zu einem Auslass im Bereich des Überhitzers erstreckt.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass eine kompakte und damit kostengünstige Bauweise erhalten werden kann, indem das wenigstens eine Wasser-/Dampfrohr (Rohrleitung) des Primärkreislaufs innerhalb des Druckbehälters des Dampferzeugers angeordnet ist. Dabei tritt das Wärmeträgermedium in der Nähe des oberen Endes des Druckbehälters des Dampferzeugers in eine Überhitzerheizfläche ein und heizt durch die thermische Kopplung das Wasser bzw. den Dampf des Sekundärkreislaufs auf. Das Wärmeträgermedium durchströmt den Druckbehälter des Dampferzeugers von oben nach unten und verlässt ihn an der Unterseite, wobei es in einem Kreislauf geführt ist.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann der Wasser/Wasserdampfkreislauf helixförmige Heizflächen aufweisen, in deren Zentrum das wenigstens eine Wasser-/Dampfrohr (Rohrleitung) des Wärmeträgerkreislaufs angeordnet ist. Bei dieser Anordnung wird von der Tatsache Gebrauch gemacht, dass helixförmige Heizflächen einen Freiraum in ihrem Zentrum aufweisen. In diesem Freiraum ist das als Rohrleitung für das Wärmeträgermedium ausgebildete Wasser-/Dampfrohr angeordnet, wodurch das Wärmeträgermedium zum Überhitzer im oberen Bereich des Druckbehälters geführt wird. Es sind natürlich auch Ausführungen denkbar, bei denen mehrere Wasser-/Dampfrohre als Wärmeträgerrohrleitungen überwiegend vertikal durch den Druckbehälter des Dampferzeugers geführt sind. Wenn die helixförmigen Heizflächen mehrere Freiräume bilden, kann jeder Freiraum von einer Wärmeträgerrohrleitung durchsetzt sein.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass in dem Druckbehälter vertikal voneinander beabstandete Trennbleche angeordnet sind. Die Trennbleche dienen als Abstandhalter zwischen einzelnen Heizflächenrohren, gleichzeitig bilden sie Strömungskanäle im Bündel, die quer zum Rohrverlauf verlaufen. Dadurch wird eine so genannte Strähnenbildung im Wärmeträgermedium entlang eines Rohres vermieden und alle Rohre in einem Rohrbündel werden gleichmäßig beaufschlagt.
Bei dem erfindungsgemäßen Dampferzeuger kann es auch vorgesehen sein, dass die helixförmigen Heizflächen ein Bündel mehrerer Wasser-/Dampfrohre umfassen, die jeweils die gleiche Länge und gegebenenfalls eine unterschiedliche Steigung aufweisen. Normalerweise weisen die Wasser-/Dampfrohre einzelner Zylinderschalen der helixförmigen Heizflächen in Abhängigkeit ihres Abstands vom Zentrum unterschiedliche Längen auf. Um die unterschiedlichen Längen auszugleichen, sieht eine Variante der Erfindung daher vor, dass die Steigung der Helix der inneren Zylinderschalen des Rohrbündels kleiner oder flacher als die der weiter außen liegenden Zylinderschalen ist.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass der Wasser/Waserdampfkreislauf mäanderförmige Heizflächen aufweist und dass das wenigstens eine Wasser-/Dampfrohr als Wärmeträgerrohrleitung in einem Freiraum neben den Heizflächen angeordnet ist. Vorzugsweise sind mehrere, zum Beispiel vier, Wasser-/Dampfrohre vorhanden, die zwischen den mäanderförmigen Heizflächen und der Innenseite des Druckbehälters des erfindungsgemäßen Dampferzeugers angeordnet sind.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:
1 einen erfindungsgemäßen Dampferzeuger mit mäanderförmigen Heizflächen in einer geschnittenen Ansicht;
2 einen erfindungsgemäßen Dampferzeuger mit helixförmigen Heizflächen in einer geschnittenen Ansicht; und
3 einen Querschnitt des in 2 gezeigten Dampferzeugers.
Der in 1 in einer geschnittenen Ansicht gezeigte Dampferzeuger 1 umfasst einen Druckbehälter 2, in dem ein Speisewasservorwärmer 3 (Economizer), ein Verdampfer 4 und ein Überhitzer 5 angeordnet sind. Speisewasservorwärmer 3, Verdampfer 4 und Überhitzer 5 sind in dieser Reihenfolge von unten nach oben in dem Druckbehälter 2 des Dampferzeugers 1 angeordnet. Diese Komponenten sind Bestandteil eines Wasser/Wasserdampf-Kreislaufs (Sekundärkreislauf) mit Wasser. Speisewasser wird über einen Einlass 6 zugeführt und im Speisewasservorwärmer 3 erwärmt. Durch weitere Erwärmung im Verdampfer 4 setzt eine Verdampfung des Wassers ein, sodass in dem Überhitzer 5 überwiegend reiner Dampf vorliegt, der den Druckbehälter 2 über einen Auslass 7 verlässt. Der überhitzte Dampf kann einer Dampfturbine zugeführt werden, um auf diese Weise elektrische Energie zu erzeugen.
An der Außenseite des Druckbehälters 2 befindet sich ein Trenngefäß 8, das als Separator dient und die flüssige Phase und die gasförmige Phase des Wassers trennt, sodass die gasförmige Phase im Überhitzer 5 und die flüssige Phase dem Speisewasservorwärmer 3 zugeführt wird.
Der Dampferzeuger 1 umfasst einen Wärmeträgerkreislauf (Primärkreislauf) mit einem Wärmeträgermedium, wobei in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein Thermoöl als Wärmeträgermedium verwendet wird.
Das Wärmeträgermedium nimmt die solare Energie in Form von thermischer Energie auf, wodurch es erwärmt wird. Im unteren Bereich des Druckbehälters 2 weist dieses Einlässe 9, 10 für das Wärmeträgermedium auf, das von dort in senkrecht angeordneten Rohrleitungen 11, 12 bis in den oberen Bereich des Druckbehälters 2 strömt. Dort münden die Rohrleitungen 11, 12 und das Wärmeträgermedium strömt über Mäanderheizflächen von Überhitzer 5, Verdampfer 4 und Speisewasservorwärmer 3 wieder nach unten. Durch die thermische Kopplung gibt das Wärmeträgermedium Wärme an das Wasser bzw. den Wasserdampf im Überhitzer 5, Verdampfer 4 und Speisewasservorwärmer 3 ab. Das Wärmeträgermedium verlässt den Druckbehälter 2 über einen Auslass 13 an der Unterseite des Druckbehälter 2.
Durch die innerhalb des Druckbehälters 2 angeordneten Rohrleitungen 11, 12 ergibt sich eine besonders kompakte Bauweise, bei der Toträume vermieden werden. Bei dem in 1 dargestellten Dampferzeuger 1 sind insgesamt vier Rohrleitungen 11, 12 vorgesehen. Durch das in den Rohrleitungen 11, 12 geführte Wärmeträgermedium werden bisherige Toträume mit erwärmt, wodurch sich der Anfahrvorgang verkürzt.
2 und 3 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel eines Dampferzeugers 14. In Übereinstimmung mit dem ersten Ausführungsbeispiel umfasst der Dampferzeuger 14 einen Druckbehälter 15 mit helixförmigen Heizflächen 16, 17. Im Zentrum der helixfömrigen Heizflächen 16, 17 befindet sich ein Freiraum, der von einer Rohrleitung 18 durchsetzt ist, die mit dem Wärmeträgermedium gefüllt ist. Die Rohrleitung 18 erstreckt sich von einem Einlass 19 im unteren Bereich des Druckbehälters 15 bis zu dem oberen Bereich des Druckbehälters 15, wo sie mündet. Das Wärmeträgermedium umströmt somit die helixförmigen Heizflächen 16, 17 von oben nach unten, durch die thermische Kopplung werden die helixförmigen Heizflächen 16, 17 erwärmt.
3 ist eine geschnittene Ansicht von 2. In dem Dampferzeuger strömt das Wärmeträgermedium von oben nach unten durch das Heizflächenbündel. Wenn keine Trennbleche vorhanden wären, neigt der Strom des Wärmeträgers dazu, dem Verlauf der Heizflächenrohre zu folgen, wodurch sich eine spiralförmige Strömung des Wärmeträgermediums im Mantelraum des Dampferzeugers einstellen würde. Diese unerwünschte spiralförmige Strömung wird jedoch durch die Trennbleche verhindert, wegen der Trennbleche strömt das Wärmeträgermedium vertikal nach unten.

Claims

Dampferzeuger (1), insbesondere für ein solarthermisches Kraftwerk, umfassend: – einen Druckbehälter (2); – einen Wärmeträgerkreislauf mit einem Wärmeträgermedium zur Aufnahme von solarer Energie in Form von Wärme; – einen Wasser/Wasserdampfkreislauf mit Wasser, wobei der Wärmeträgerkreislauf und der Wasser/Wasserdampfkreislauf in dem Dampferzeuger (1) thermisch miteinander gekoppelt sind, – wobei der Wasser/Wasserdampfkreislauf für einen Zwangsdurchlauf-Dampferzeuger vorgesehen ist und einen Speisewasservorwärmer (3), einen Verdampfer (4) und einen Überhitzer (5) umfasst, die in dem Druckbehälter (2) aufgenommen sind; – wobei der Wärmeträgerkreislauf wenigstens ein in dem Druckbehälter (2) aufgenommenes Wasser-/Dampfrohr umfasst, das mit dem Speisewasservorwärmer (3), dem Verdampfer (4) und dem Überhitzer (5) thermisch gekoppelt ist, – wobei sich das wenigstens eine Wasser-/Dampfrohr von einem Einlass (9, 10), der im Druckbehälter (2) im Bereich des Speisewasservorwärmers (3) angeordnet ist, im Inneren des Druckbehälters (2) bis einem Auslass im Bereich des Überhitzers (5) erstreckt.
Dampferzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasser/Wasserdampfkreislauf helixförmige Heizflächen (16, 17) aufweist, in deren Zentrum das wenigstens eine Wasser-/Dampfrohr als Rohrleitung des Wärmeträgerkreislaufs angeordnet ist.
Dampferzeuger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Druckbehälter (2) vertikal voneinander beabstandete Trennbleche angeordnet sind.
Dampferzeuger nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die helixförmigen Heizflächen (16, 17) ein Bündel mehrerer Wasser-/Dampfrohre umfassen, die jeweils die gleiche Länge und gegebenenfalls eine unterschiedliche Steigung aufweisen.
Dampferzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasser/Wasserdampfkreislauf mäanderförmige Heizflächen aufweist und das wenigstens eine Wasser-/Dampfrohr als Wärmeträgerrohrleitung in einem Freiraum neben den Heizflächen angeordnet ist.
Dampferzeuger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass er mehrere, vorzugsweise vier, Wasser-/Dampfrohre als Wärmeträgerrohrleitungen umfasst.