Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Zwischenüberhitzung bei solarer Direktverdampfung in einem solarthermischen Kraftwerk
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer solarthermischen Kraftwerksanlage, sowie eine solarthermische Kraftwerksanlage in welcher ein Arbeitsfluid in einem Kreislauf umläuft, mit einem auf Direktverdampfung basierenden so- laren Dampferzeuger und einer Dampfturbine, in welcher das Arbeitsfluid unter Abgabe technischer Arbeit auf einer Entspannungsstrecke entspannt wird, mit mindestens einem Zwischenüberhitzer, welcher mittels stromaufwärts des Zwischenüberhitzers dem Kreislauf entnommenen Arbeitsfluids geheizt wird und welcher mindestens eine Zwischenüberhitzer Arbeitsfluid überhitzt, welches stromabwärts der beheizenden Entnahme durch eine Einströmung in die Entspannungsstrecke einströmt .
Solarthermische Kraftwerke stellen eine alternative zur herkömmlichen Stromerzeugung dar. Ein solarthermisches Kraftwerk nutzt solare Strahlungsenergie um elektrische Energie zu produzieren. Es besteht aus einem solaren Kraftwerksteil zur Absorption der Sonnenenergie und einem zweiten meist konventio- nellen Kraftwerksteil.
Der solare Kraftwerksteil umfasst dabei ein Solarfeld, das heißt, ein Konzentrationssystem mit Kollektoren. Die konzentrierenden Kollektoren sind der Hauptbestandteil des solaren Kraftwerksteils. Bekanntere Kollektoren sind dabei der Para- bolrinnenkollektor, der Fresnel-Kollektor, der Solar-Turm und der Paraboloidspiegel . Parabolrinnenkollektoren konzentrieren die Sonnenstrahlen auf ein in der Fokuslinie platziertes Absorberrohr. Dort wird die Sonnenenergie absorbiert und als Wärme an ein Wärmeträgermedium weitergegeben.
Als Wärmeträgermedium kann dabei Thermoöl, Wasser, Luft oder Salzschmelze zum Einsatz kommen.
Der konventionelle Kraftwerksteil umfasst zumeist eine Dampfturbine sowie einen Generator und einen Kondensator, wobei im Vergleich zum konventionellen Kraftwerk der Wärmeeintrag durch den Kessel durch den vom Solarfeld erzeugten Wärmeeintrag ersetzt wird.
Zurzeit werden solarthermische Kraftwerke mit indirekter Verdampfung ausgeführt, d.h. dass zwischen dem solaren Kraft- werksteil und dem konventionellen Kraftwerksteil Wärmetauscher geschaltet sind, um die im Solarfeld erzeugte Energie vom Wärmeträgermedium eines Solarfeldkreislaufes auf einen Wasser-Dampf-Kreislauf des konventionellen Kraftwerksteils zu übertragen .
Eine künftige Option stellt die direkte Verdampfung dar, bei der der Solarfeldkreislauf des solaren Kraftwerksteils und der Wasser-Dampf-Kreislauf des konventionellen Kraftwerksteils einen gemeinsamen Kreislauf bilden, wobei das Speise- wasser im Solarfeld vorgewärmt, verdampft und überhitzt und so dem konventionellen Teil zugeführt wird. Der solare Kraftwerksteil ist somit ein solarer Dampferzeuger.
Mit den in einem Solarfeld mit direkter Verdampfung erreich- ten Dampfparametern kann der konventionelle Kraftwerksteil nicht optimal betrieben werden. Die Entspannung des Dampfes über ein möglichst großes Druckgefälle ist durch die bei der Entspannung in der Turbine entstehende Nässe sehr begrenzt. Um die Entstehung von Nässe in der Turbine bei Ausnutzung ei- nes möglichst großen Druckgefälles zu minimieren, ist eine Zwischenüberhitzung des Dampfes notwendig.
In einem konventionellen Dampfkraftwerk wird die Zwischenüberhitzung mittels eines Wärmetauschers im Kessel durchge- führt. Bei solarthermischen Kraftwerken mit direkter Verdampfung kann die Zwischenüberhitzung in einem separaten Solarfeld ausgeführt werden. Diese Ausführung der Zwischenüberhitzung erscheint aber nicht zweckmäßig, da bei einer Zwischen-
überhitzung im Solarfeld ein sehr hoher Druckverlust zu erwarten ist.
Die auf eine Vorrichtung bezogene Aufgabe der Erfindung ist daher die Angabe einer solarthermischen Kraftwerksanlage mit verbesserter Zwischenüberhitzung. Eine weitere Aufgabe ist die Angabe eines Verfahrens zum Betrieb einer solchen Kraftwerksanlage .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 sowie des Patentanspruchs 18.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen genannt .
Die erfinderische solarthermische Kraftwerksanlage umfasst einen Arbeitsfluidkreislauf, einen auf Direktverdampfung basierenden solaren Dampferzeuger und eine Dampfturbine, zur Entspannung des Arbeitsfluids auf einer Entspannungsstrecke unter Abgabe technischer Arbeit, mit mindestens einem Zwischenüberhitzer, welcher mittels stromaufwärts des Zwischenüberhitzers dem Kreislauf entnehmbaren Arbeitsfluids beheizbar ist und mittels dessen Arbeitsfluid überhitzbar ist, welches stromabwärts der beheizenden Entnahme durch eine Ein- Strömung der Entspannungsstrecke zuführbar ist. Dadurch kann das Arbeitsfluid ohne den bei einer Zwischenüberhitzung im Solarfeld zu erwartenden sehr hohen Druckverlust überhitzt werden .
Die Beheizung des Zwischenüberhitzers erfolgt mittels Dampfentnahme vor der Entspannungsstrecke bzw. mittels Anzapfungen aus der Entspannungsstrecke der Turbine. In der Folge bedeutet „Anzapfung" eine Dampfentnähme zwischen zwei Schaufelstufen .
Bevorzugt ist der Zwischenüberhitzer ein Dampf-Dampf- Wärmetauscher, der primärseitig in eine Frischdampfleitung geschaltet ist. Hierbei wird Frischdampf vor der Turbine ent-
nommen und zur Überhitzung des abgekühlten Zwischenüberhit- zungsdampfes verwendet.
Weiterhin bevorzugt ist es, wenn der Dampf-Dampf- Wärmetauscher primärseitig in eine Anzapfung des Hochdruckteils der Turbine geschaltet ist. Hierbei wird vorteilhafterweise auf eine Entnahme des höherwertigen Frischdampfes verzichtet .
In bevorzugter Ausgestaltung erfolgt die Zwischenüberhitzung über zwei Dampf-Dampf-Wärmetauscher, von denen einer primärseitig in eine Frischdampfleitung und ein anderer primärseitig in eine Anzapfung des Hochdruckteils geschaltet sind. Je nach Bedarf kann der jeweilige Anteil an der Zwischenüberhit- zung eingestellt werden.
Es ist vorteilhaft, den abgekühlten Dampf der Primärseite des Überhitzers zur rekuperativen Speisewasservorwärmung zu nutzen .
Je nach Dampfparameter kann ein Dampfabscheider im Kreislauf vor dem Zwischenüberhitzer zweckmäßig sein, um mit möglichst hohem Dampfgehalt in den Dampf-Dampf-Wärmetauscher auf der kalten Sekundärseite des Zwischenüberhitzers zu fahren.
Dabei ist es weiterhin zweckmäßig, wenn das Kondensat aus dem Dampfabscheider an geeigneter Stelle wieder in den Ar- beitsfluidkreislauf eingebracht wird.
In vorteilhafter Ausgestaltung umfasst die solarthermische
Kraftwerksanlage einen Generator zur elektrischen Energieerzeugung.
Zu einer guten Wirkungsgradsteigerung bei hinnehmbaren bauli- ehern Aufwand kommt es, wenn mindestens zwei Turbinen in der
Entspannungsstrecke vorgesehen sind, zum Beispiel eine kombinierte Hochmitteldruckturbine am Anfang und eine Niederdruckturbine am Ende der Entspannungsstrecke, wobei Arbeitsfluid
nach der ersten Teilturbine in einem Dampf-Dampf- Wärmetauscher einer Zwischenüberhitzung unterzogen wird und anschließend der Niederdruckteilturbine zugeleitet wird.
Besonders für größere Kraftwerksleistungen sind mindestens drei Turbinen, eine Hochdruckturbine, eine Mitteldruckturbine und mindestens eine Niederdruckturbine in der Entspannungsstrecke vorteilhaft. Diese Konfiguration bietet unter anderem die Möglichkeit einer besonders flexiblen Gestaltung der Zwi- schenüberhitzung . Das Arbeitsfluid kann nach der Hochdruckteilturbine und/oder nach der Mitteldruckteilturbine entnommen und einer Zwischenüberhitzung in einem Dampf-Dampf- Wärmetauscher unterzogen werden, bevor es in die stromabwärts folgende Teilturbine einströmt. Die Niederdruckteilturbinen können stets ein- oder mehrflutig ausgebildet sein. Auch ist es möglich, mehrere Niederdruckteilturbinen im Anschluss an die regenerative Zwischenüberhitzung nach der Erfindung vorzusehen .
Besonders vorteilhaft umfasst die solarthermische Kraftwerksanlage Parabolrinnenkollektoren, welche über eine hohe Technologiereife verfügen und den höchsten Konzentrationsfaktor für linear konzentrierende Systeme aufweisen, wodurch hohe Prozesstemperaturen möglich sind.
In einer alternativen Ausführungsform werden Fresnel- Kollektoren verwendet. Ein Vorteil der Fresnel-Kollektoren gegenüber dem Parabolrinnenkollektor liegt in der Verrohrung und den resultierenden, vergleichsweise geringen Druckverlus- ten. Ein weiterer Vorteil der Fresnel-Kollektoren sind die gegenüber Parabolrinnenkollektoren weitgehend standardisierten Komponenten, die ohne hochtechnologisches Know-how herzustellen sind. Fresnel-Kollektoren sind daher kostengünstig in Anschaffung und Unterhalt.
Eine weitere vorteilhafte alternative Ausführungsform nutzt für die solare Direktverdampfung einen Solarturm, der höchste Prozesstemperaturen ermöglicht.
Aufgrund seiner sehr hohen spezifischen Wärmekapazität bzw. seiner hohen spezifischen Verdampfungsenthalpie und seiner einfachen Handhabbarkeit ist Wasser ein sehr guter Wärmeträ- ger und somit als Arbeitsfluid sehr geeignet.
Bezogen auf das Verfahren wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Betrieb einer solarthermischen Kraftwerksanlage gelöst, in welcher ein Arbeitsfluid in einem Kreislauf umläuft, mit einem auf Direktverdampfung basierenden solaren Dampferzeuger und einer Dampfturbine, in welcher das Arbeitsfluid unter Abgabe technischer Arbeit auf einer Entspannungsstrecke entspannt wird, mit mindestens einem Zwischenüberhitzer, welcher mittels stromaufwärts des Zwischenüberhitzers dem Kreis- lauf entnommenen Arbeitsfluids geheizt wird und welcher mindestens eine Zwischenüberhitzer Arbeitsfluid überhitzt, welches stromabwärts der beheizenden Entnahme durch eine Einströmung in die Entspannungsstrecke einströmt.
Das Verfahren bedient sich der beschriebenen Vorrichtung. Die Vorteile der Vorrichtung ergeben sich daher auch für das Verfahren .
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er- geben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter
Ausführungsbeispiele und Zeichnungen sowie aus weiteren Unteransprüchen .
Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand der Zeich- nungen näher erläutert.
Darin zeigen in vereinfachter und nicht maßstäblicher Darstellung:
FIG 1 eine Zwischenüberhitzung mittels einer Frischdampfan- zapfstelle vor der HD-Turbine und eines Dampf-Dampf- Wärmetauschers,
FIG 2 eine Zwischenüberhitzung mittels zweier Dampf-Dampf- Wärmetauscher und zwei unterschiedlichen Entnahmedampfströmen,
FIG 3 eine Zwischenüberhitzung mittels eines Dampf-Dampf- Wärmetauschers (Entnahmedampfström aus der ersten HD- Turbinenanzapfung) ,
FIG 4 eine Zwischenüberhitzung mittels eines Dampf-Dampf- Wärmetauschers und einer speziellen Anzapfstelle an der Turbine und FIG 5 eine Kombination von Dampf-Dampf-Wärmetauscher und direkter H2-Verbrennung.
Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Figur 1 zeigt den schematischen Aufbau und den Kreislaufpro- zess einer solarthermischen Kraftwerksanlage 1 mit Direktverdampfung nach der Erfindung. Die Anlage 1 umfasst ein Solarfeld 2, in dem die Sonnenstrahlung konzentriert und in Wärme- energie umgewandelt wird und kann beispielsweise Parabolrin- nenkollektoren, Solartürme, Paraboloidspiegel- oder Fresnel- Kollektoren aufweisen. Konzentrierte Sonnenstrahlung wird an ein Wärmeträgermedium abgegeben, welches verdampft und über eine Frischdampfleitung 10 in eine Entspannungsstrecke 19, bestehend aus einer Dampfturbine 3, als Arbeitsfluid eingeleitet wird. Die Dampfturbine 3 umfasst eine Hochdruckturbine 4 und eine Niederdruckturbine 5, welche einen Generator 6 antreiben. In der Turbine 3 wird das Arbeitsfluid entspannt und anschließend in einem Kondensator 7 verflüssigt. Eine Speise- wasserpumpe 8 pumpt das verflüssigte Wärmeträgermedium wieder zurück in das Solarfeld 2, womit der Kreislauf 9 des Wärmeträgermediums bzw. des Arbeitsfluids geschlossen ist.
Im Ausführungsbeispiel der Figur 1 wird Frischdampf aus der Frischdampfleitung 10 vor der Turbine 3 an der Entnahmestelle 11 entnommen und über eine von der Frischdampfleitung 10 abzweigende Leitung 20 zur Überhitzung des kalten Zwischenüber- hitzungsdampfes einem Dampf-Dampf Wärmetauscher 12 zugeführt.
Der Frischdampf wird hierbei soweit abgekühlt, dass er zur rekuperativen Speisewasservorwärmung an der entsprechenden Stelle im Speisewassersystem genutzt werden kann (Einspeisestelle 13) . Vor der Zwischenüberhitzung kann, falls dies auf- grund der Dampfparameter notwendig sein sollte, noch ein Dampfabscheider 14 in den Kreislauf 9 eingebaut werden, um mit einem möglichst hohen Dampfgehalt in den Dampf-Dampf- Wärmetauscher 12 auf der kalten Zwischenüberhitzungsseite zu fahren. Das Kondensat aus dem Dampfabscheider 14 wird an ei- ner geeigneten Stelle (Einspeisestelle 15) wieder in den
Speisewasserkreislauf 9 eingebracht. Die Temperatur des heißen Zwischenüberhitzungsdampfes ergibt sich durch die Grädig- keit des Dampf-Dampf-Wärmetauschers 12 und die Sattdampftem- peratur des Entnahmedampfes an der Entnahmestelle 11 bei dem durch das Solarfeld 2 und den Druckverlust des Dampf-Dampf- Wärmetauschers 12 vorgegebenen Druck.
Figur 2 zeigt eine zweite Ausführung der Zwischenüberhitzung, bei der der Dampf nach dem Austritt aus der Hochdruckturbine einer Zwischenüberhitzung mittels zweier Entnahmedampfströme in zwei Dampf-Dampf-Wärmetauschern zugeführt wird. Der erste Entnahmedampfström wird aus einer Anzapfung 16 der Hochdruckturbine 4 entnommen und dem Dampf-Dampf-Wärmetauscher 17 zugeführt. Der zweite Entnahmedampfström wird aus der Frisch- dampfleitung 10 vor der Turbine 3 entnommen (Entnahmestelle
11) und zu einer zweiten Zwischenüberhitzung in einem zweiten Dampf-Dampf-Wärmetauscher 12 verwendet. Die Temperatur des Dampfes aus der Zwischenüberhitzung stellt sich dabei bei beiden Dampf-Dampf-Wärmetauschern 12,17 über ihre Grädigkeit und der Sattdampftemperatur der Entnahmedämpfe in Abhängigkeit ihres Druckes ein. Die aus diesen Zwischenüberhitzungen in den Wärmetauschern 12,17 abgekühlten Entnahmedämpfe des Arbeitsfluids, welches entweder als Dampf oder als Kondensat ausfällt, werden an den entsprechenden Stellen vor Eintritt in das Solarfeld zur rekuperativen Speisewasservorwärmung genutzt (Einspeisestellen 13,18) . Vor die beiden Dampf-Dampf- Wärmetauscher 12,17 kann optional noch ein Dampfabscheider 14 in die Zwischenüberhitzung eingebaut werden (je nach Dampfpa-
rametern der kalten Zwischenüberhitzung) , um mit einem möglichst hohen Dampfgehalt in die Wärmetauscher 12,17 zu fahren .
Figur 3 zeigt die Zwischenüberhitzung mittels einer Anzapfung 16 der Hochdruckturbine 4. Der Entnahmedampf wird zur Zwischenüberhitzung des kalten Dampfes nach der Hochdruckturbine 4 in einem Dampf-Dampf-Wärmetauscher 17 verwendet. Der abgekühlte Entnahmedampf wird zur rekuperativen Speisewasservor- wärmung in das Speisewassersystem eingebracht (Einspeisestelle 18) . Vor den Wärmetauscher 17 kann je nach kalten Zwi- schenüberhitzungsdampfparametern ein Dampfabscheider 14 eingebaut werden, um einen möglichst hohen Dampfgehalt im Wärmetauscher 17 zu erhalten. Das abgeschiedene Kondensat wird an der entsprechenden Stelle (Einspeisestelle 15) in den Speisewasserkreislauf eingebracht.
In einer in Figur 4 gezeigten Ausführung wird eine Anzapfstelle 16 an der Hochdruckturbine 4 speziell für die Überhit- zung des kalten Zwischenüberhitzungsdampfes vorgesehen und für die Anforderungen der Zwischenüberhitzung ausgelegt. In einem Dampf-Dampf-Wärmetauscher 17 wird der kalte Zwischenüberhitzungsdampf mittels des Dampfes der Anzapfstelle 16 an der Turbine 3 überhitzt. Der abgekühlte Dampf wird an der entsprechenden Stelle (Einspeisestelle 18) im Speisewasserkreislauf zur rekuperativen Speisewasservorwärmung eingebracht. Vor dem Dampf-Dampf-Wärmetauscher 17 kann optional noch ein Dampfabscheider 14 eingebaut werden, der für einen optimalen Dampfgehalt im Dampf-Dampf-Wärmetauscher 17 sorgt. Das Kondensat wird zur rekuperativen Speisewasservorwärmung an der entsprechenden Stelle (Einspeisestelle 15) im Speisewasserkreislauf eingebracht. Ob der Einsatz eines Dampfab- scheiders 14 sinnvoll ist, hängt von den Dampfparametern der kalten Zwischenüberhitzung ab.
Figur 5 zeigt eine Ausführungsform, bei der eine erste Zwischenüberhitzung des teilentspannten Dampfes über einen Dampf-Dampf-Wärmetauscher 17 realisiert und die Zwischenüber-
hitzung auf die notwendigen Dampfparameter mittels Zusatzfeuerung 21, beispielsweise eines H2-Brenners, der direkt in die Zwischenüberhitzung feuert, durchgeführt wird. Der Dampf für die erste Zwischenüberhitzung kann dabei entweder aus einer speziellen Anzapfung 16 der Hochdruckturbine 4 oder einer
Entnahmestelle aus einer Anzapfung zur Speisewasservorwärmung entnommen werden. Der Wasserstoff 26 für diese Art der Feuerung kann mittels Elektrolyse oder thermischer Spaltung gewonnen werden.
Alle zuvor genannten Verschaltungen der Zwischenüberhitzung mittels Wärmetauscher sind in beliebiger Kombination mit der hier ausgeführten Zusatzfeuerung (fossil, Biomasse, H2) ebenfalls denkbar.