EP3014179A2 - Betriebsverfahren zum anfahren eines solarthermisch beheizten zwangdurchlaufdampferzeugers - Google Patents

Betriebsverfahren zum anfahren eines solarthermisch beheizten zwangdurchlaufdampferzeugers

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EP3014179A2
EP3014179A2 EP14772073.4A EP14772073A EP3014179A2 EP 3014179 A2 EP3014179 A2 EP 3014179A2 EP 14772073 A EP14772073 A EP 14772073A EP 3014179 A2 EP3014179 A2 EP 3014179A2
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EP
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steam
steam generator
once
predetermined
flow
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EP14772073.4A
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Jan BRÜCKNER
Frank Thomas
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Siemens AG
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    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y02E10/46—Conversion of thermal power into mechanical power, e.g. Rankine, Stirling or solar thermal engines

Definitions

  • the invention relates to an operation method for starting up a solar thermally heated once-through steam generator ge ⁇ Frankfurtss the preamble of claim 1.
  • Solar thermal power plants are an alternative to conventional electricity generation ago ⁇ .
  • An already known power plant concept in this area is trough power plant, the so-called parabolic.
  • thermal oil is typically used as the heat transfer medium, which is the
  • Parabolic troughs of a solar field flows through and so absorbs the heat introduced via the sun and transmits to a steamer ⁇ generator in pipes flowing through flow medium.
  • Main steam supplied via a water-steam separator of the steam turbine is predominantly used during the start-up phase.
  • the water-steam separator at the outlet of the once-through steam generator is predominantly used during the start-up phase.
  • ⁇ operating phase contrast superheated Strö ⁇ tion medium at the outlet of the once-through steam generator and therefore also in the water-steam separator must always sufficiently present so that the steam turbine is not supplied with saturated steam.
  • the A ⁇ position of the corresponding fresh steam temperature at the outlet of the once-through steam generator can, therefore, only by the choice of the correct feed-water mass flow to be accurately adjusted, and variations in the feed-water mass flow are directly related to variations in the steam temperature.
  • the object of the invention is therefore to provide a method of operation be riding, can keep the transient states during tägli ⁇ chen startup and during the start of the solar-heated mixing ⁇ once-through steam generator within permissible limits.
  • the selected Druckni level of about 50-70 bar for the second fixed pressure setpoint is chosen so that the not necessary for triggering the steam turbine steam temperature and in particular the required steam superheat continues to be achieved as quickly as possible, so that during the start-up phase there is no appreciable increase in the amount of steam flowing off via a high-pressure or low-pressure bypass.
  • the flow medium in forced circulation steam generators has a higher boiling point at higher pressures. temperature.
  • the temperature difference between the flow medium and the inflowing from the solar field heat transfer medium which also has a positive effect on the temperature transients, since under these circumstances, the temperature increase of the steam at the outlet of the forced once- through steam generator falls ⁇ less.
  • the mass flow of the entering into the forced flow steam generator 1 flow medium S is controlled during the entire operation, ie from the start in the startup phase to the normal load operation in the Lastbe ⁇ drive phase, via a control 5.
  • a water-steam separator 3 is provided at the outlet of the solar thermal heated forced-circulation steam generator, with the newly formed during the startup phase increasingly unevaporated water at the outlet of the Zwang Struktur ⁇ running steam generator 1 separated from the produced steam and ⁇ closing discharged ,
  • a matching possible control structure 4 for the control valve 41 is indicated in the figure.
  • the second fixed pressure setpoint valid for the start-up phase is set.
  • the pressure measuring device 42 of the currently applied in the bypass 6 pressure is measured. Both values are then fed via 45 as a control deviation to a controller 46.
  • This controller 46 can be, for example, a PID, PI or P or a combination of the individual controllers.
  • the controller 45 then controls according to the control deviation via a motor 43 or any other actuator, the controllable valve 41 so that the mass flow of the derived via the DampfUmtechnisch 6 flow medium S is set according to the predetermined for the start-phase second fixed pressure setpoint.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Betriebsverfahren zum Anfahren eines solarthermisch beheizten Zwangdurchlaufdampferzeugers, bei dem mittels eines in einem Solarfeld erhitzten Wärmeträgermediums (W), ein den Zwangdurchlaufdampferzeuger (1) durchströmendes Strömungsmedium (S) für eine dem Zwangdurchlaufdampferzeuger (1) strömungsmediumseitig nachgeschalteten Dampfturbine (2), verdampft und überhitzt wird, wobei für eine Lastbetriebsphase ein erster Festdrucksollwert vorgegeben wird, und wobei in einer der Lastbetriebsphase vorangehenden Anfahrphase ein zweiter Festdrucksollwert vorgegeben wird und in dieser Anfahrphase verdampftes Strömungsmedium über eine Dampfumleitung (6) um die Dampfturbine (2) herum mit dem vorgegebenen zweiten Festdrucksollwert geregelt abgeleitet wird.

Description

Beschreibung
Betriebsverfahren zum Anfahren eines solarthermisch beheizten Zwangdurchlaufdampferzeugers
Die Erfindung betrifft ein Betriebsverfahren zum Anfahren eines solarthermisch beheizten Zwangdurchlaufdampferzeugers ge¬ mäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Solarthermische Kraftwerke stellen eine Alternative zur her¬ kömmlichen Stromerzeugung dar. Ein bereits bekanntes Kraftwerkskonzept in diesem Bereich ist das sogenannte Parabol- rinnenkraftwerk . In diesem Kraftwerkstyp wird typischerweise Thermoöl als Wärmeträgermedium verwendet, welches die
Parabolrinnen eines Solarfeldes durchströmt und so die über die Sonne eingebrachte Wärme aufnimmt und an ein den Dampfer¬ zeuger in Rohren durchströmendes Strömungsmedium überträgt.
Für einen solchen solarthermisch beheizten Dampferzeuger stellt das Zwangdurchlaufprinzip die bevorzugte Ausführungs¬ form dar. Das in den Zwangdurchlaufdampferzeuger eintretende und an dieser Stelle auch als Speisewasser bezeichnete Strö¬ mungsmedium wird in einem Durchgang aufgewärmt, verdampft und überhitzt. Das überhitzte Strömungsmedium wird dann als
Frischdampf über einen Wasser-Dampf-Abscheider der Dampfturbine zugeführt. Der Wasser-Dampf-Abscheider am Austritt des Zwangdurchlaufdampferzeugers kommt dabei überwiegend während der Anfahrphase zum Einsatz. Während der normalen Lastbe¬ triebsphase muss dagegen immer ausreichend überhitztes Strö¬ mungsmedium am Austritt des Zwangdurchlaufdampferzeugers und somit auch im Wasser-Dampf-Abscheider vorliegen, damit die Dampfturbine nicht mit Sattdampf beaufschlagt wird. Die Ein¬ stellung der entsprechenden Frischdampftemperatur am Austritt des Zwangdurchlaufdampferzeugers kann daher nur durch die Wahl des richtigen Speisewassermassenstroms genau eingestellt werden, bzw. sind Schwankungen des Speisewassermassenstroms unmittelbar mit Schwankungen der Frischdampftemperatur verknüpft . Um solchen Schwankungen der Frischdampftemperatur im Speisewasser-Dampf-Kreislauf, insbesondere während der Lastbe¬ triebsphase solarthermischer Kraftwerke entgegen zu wirken, wird bereits in der WO 2012/110344 AI ein Verfahren zur prädiktiven bzw. vorausschauenden Regelung des Speisewassermassenstroms mittels eines Korrekturwertes vorgeschlagen. Diese Art der prädiktiven Regelung des Speisewassermassenstroms er¬ möglicht es, Abweichungen der am Austritt des Zwangdurchlaufdampferzeugers vorliegenden spezifischen Enthalpie vom Sollwert und daraus resultierende unerwünscht große Schwan¬ kungen der Frischdampftemperatur in allen Betriebszuständen des Lastbetriebs, die durch transiente Zustände wie sie bei¬ spielsweise bei einem Lastwechsel hervorgerufen werden, so gering wie möglich zu halten.
Solche transiente Zustände treten aber nicht nur während der Lastbetriebsphase, sondern auch bereits während der Anfahr¬ phase des solarthermisch beheizten Zwangdurchlaufdampfer- zeugers auf. So können gerade hier in der Anfahrphase starke Temperaturänderungen mit hohen Temperaturtransienten am Austritt des Zwangdurchlaufdampferzeugers auftreten. Dies liegt im Wesentlichen darin begründet, dass nach der ersten Wärmeaufnahme durch das Wärmeträgermedium erster Dampf produziert wird, der stromabwärts überschüssiges noch nicht verdampftes Speisewasser aus den Rohren ausschiebt (sogenannter Wasserausstoß) , das dann im Wasser-Dampf-Abscheider vom produzierten Dampf getrennt werden muss. Dieser stark instationäre Vorgang des Wasserausstoßes resultiert in der Regel in einer kurzfristigen Entkopplung des Frischdampfmassenstroms am Aus¬ tritt des Zwangdurchlaufdampferzeugers vom Speisewassermas- senstrom am Eintritt des Zwangdurchlaufdampferzeugers . Dieser Effekt wird noch dadurch verstärkt, dass in dieser durch die zunehmende Sonneneinstrahlung bewirkten Anfahrphase das in den Zwangdurchlaufdampferzeuger einströmende Wärmeträgermedium kontinuierlich seine Temperatur erhöht. Gerade in der Anfahrphase von solarthermisch beheizten Zwangdurchlaufdampfer- zeugern können so unzulässig hohe Temperaturtransienten am Austritt des Zwangdurchlaufdampferzeugers auftreten, die ins besondere bei dickwandigen Bauteilen des Zwangdurchlaufdampf erzeugers, wie zum Beispiel den Austrittsammlern, im ungüns¬ tigsten Fall zu Materialversagen führen können. Dies ist gerade bei solarthermischen Kraftwerken, die täglich abhängig von der Sonneneinstrahlung angefahren werden müssen, besonders nachteilig.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Betriebsverfahren be reit zu stellen, das transiente Zustände während des tägli¬ chen Anfahrens und damit in der Anfahrphase des solarther¬ misch beheizten Zwangdurchlaufdampferzeugers in zulässigen Grenzen halten kann.
Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren zum Anfahren eines Zwangdurchlaufdampferzeugers mit den Merkmalen des Ansp 1 gelöst.
Dadurch, dass zum Anfahren eines solarthermisch beheizten Zwangdurchlaufdampferzeugers, bei dem mittels eines in einem Solarfeld erhitzten Wärmeträgermediums, ein den Zwangdurch¬ laufdampferzeuger durchströmendes Strömungsmedium für eine dem Zwangdurchlaufdampferzeuger strömungsmediumseitig nachge schalteten Dampfturbine, verdampft und überhitzt wird, sowie für eine Lastbetriebsphase ein erster Festdrucksollwert vor¬ gegeben wird, und für eine der Lastbetriebsphase vorangehen¬ den Anfahrphase ein zweiter Festdrucksollwert von vorzugswei se ca. 50-70 bar vorgegeben wird, und in dieser Anfahrphase verdampftes Strömungsmedium über eine DampfUmleitung um die Dampfturbine herum mit dem vorgegebenen zweiten Festdrucksollwert geregelt abgeleitet wird, kann eine deutliche Redu¬ zierung der Temperaturtransienten und damit eine schonende Erhöhung der Frischdampftemperatur am Austritt des Zwangdurchlaufdampferzeugers erzielt werden. Das gewählte Druckni veau von ca. 50-70 bar für den zweiten Festdrucksollwert ist dabei so gewählt, dass die zum Anstoßen der Dampfturbine not wendige Dampftemperatur und insbesondere die erforderliche Dampfüberhitzung weiterhin möglichst schnell erreicht wird, so dass es während der Anfahrphase zu keiner nennenswerten Erhöhung der über eine Hochdruck- bzw. Niederdruckumleitung abströmenden Dampfmenge kommt.
Die Wirkung der vorliegenden Erfindung beruht dabei im Wesentlichen auf drei Ursachen:
- Massenstromschwankungen des Strömungsmediums am Austritt des Zwangdurchlaufdampferzeugers , die gerade während des Anfahrens verstärkt auftreten und hier insbesondere währen des Wasserausstoßes und demzufolge im zeitlichen Übergangs bereich vom Nass- in den überhitzten Betrieb, führen unmit telbar zu Enthalpieschwankungen am Austritt des Zwangdurch laufdampferzeugers . Physikalisch bedingt führen solche Enthalpieschwankungen bei höheren Drücken aber zu geringeren Temperaturunterschieden des überhitzten Dampfes. Demzu folge kann während der ersten Überhitzungsphase durch eine Druckanhebung der absolute Temperaturanstieg und somit re¬ sultierend auch der Temperaturtransient deutlich reduziert werden .
- Dichteunterschiede zwischen der Wasser- und der Dampfphase nehmen mit steigendem Druck ab. Somit sinkt auch die Zunah me des spezifischen Volumens des Strömungsmediums beim Übergang von Sattwasser zu Sattdampf bei vergleichsweise höherem Druck. Dadurch kann der Wasserausstoß über den am Austritt des solarthermisch beheizten Zwangdurchlaufdampf- erzeugers angeordneten Speisewasser-Dampf-Abscheider reduziert werden. Die Dampferzeugerrohre sind weniger geneigt über Gebühr Speisewasser auszuschieben, welches durch frisches Speisewasser erst wieder ersetzt werden muss, bevor es dann als überhitzter Dampf am Austritt wieder austreten kann. Je weniger also eine Entkopplung des Speisewassermas senstroms vom Frischdampfmassenstrom auftritt, desto güns¬ tiger ist dies zur Einhaltung des in einer Speisewasserre¬ gelung vorgegebenen Temperatursollwerts. Diese Entkopplung wird mit steigendem Druck zunehmend unterbunden.
- Physikalisch bedingt hat das Strömungsmedium im Zwangdurch laufdampferzeuger bei höheren Drücken eine höhere Siedetem- peratur. Somit sinkt im Zwangdurchlaufdampferzeuger die Temperaturdifferenz zwischen dem Strömungsmedium und dem aus dem Solarfeld einströmenden Wärmeträgermedium, was sich ebenfalls positiv auf den Temperaturtransienten auswirkt, da unter diesen Umständen der Temperaturanstieg des Dampfes am Austritt des Zwangdurchlaufdampferzeugers geringer aus¬ fällt.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Insbesondere bei heute bekannten solarthermischen Kraftwerken wird so für die Anfahrphase ein Festdrucksollwert vorgegeben der nahezu doppelt so hoch ist wie der für die spätere Lastbetriebsphase vorgegebene Festdrucksollwert von ca. 35 bar, so dass der vorgegebene zweite Festdrucksollwert größer als der erste Festdrucksollwert ist. Kommen dagegen bei solarthermischen Kraftwerken Dampfturbinen zum Einsatz, die erst bei höheren Drücken, wie z.B. 60 bar angefahren werden (häufig bei Dampfturbinen mit integriertem Regelrad) , entspricht das Festdruckniveau der Anfahrphase in etwa be¬ reits dem der Lastbetriebsphase, so dass hier eine weitere Anhebung des Festdrucksollwerts nicht erforderlich ist.
Die Erfindung soll nun anhand einer Figur beispielhaft erläu¬ tert werden. Dargestellt ist hier ein Zwangdurchlaufdampf- erzeuger 1. In diesem wird mittels eines in einem nicht näher dargestellten Solarfeld erhitzten Wärmeträgermediums W, ein den Zwangdurchlaufdampferzeuger 1 in Dampferzeugerrohren durchströmendes Strömungsmedium S verdampft, indem Wärme von dem Wärmeträgermedium W auf das die Dampferzeugerrohre durch¬ strömende Strömungsmedium S übertragen wird. Das im Zwangdurchlaufdampferzeuger 1 verdampfte und überhitzte Strömungs¬ medium wird dann während des normalen Lastbetriebs in der Lastbetriebsphase über eine oder mehrere Dampfleitungen 7 mit einem oder auch mehreren Ventilen 8 einer Dampfturbine 2 zugeführt. In Abhängigkeit der produzierten Dampfmenge stellt sich im sogenannten Gleitdruckbetrieb über das Schluckvermö¬ gen der Dampfturbine 2 ein entsprechender Frischdampfdruck am Austritt des Zwangdurchlaufdampferzeugers 1 ein. Nimmt nun bei reduzierter DampfProduktion dieser Frischdampfdruck ab, so gibt es eine vom Zwangdurchlaufdampferzeuger 1 geforderte untere Grenze unter die aufgrund verschiedenster strömungsme¬ chanischer Effekte des Strömungsmediums im Zwangdurchlauf- dampferzeuger 1 der Frischdampfdruck nicht weiter abfallen sollte. Diese untere Grenze wird üblicherweise als Festdruck¬ niveau, Festdrucksollwert oder einfach nur Festdruck bezeichnet. Durch eine entsprechende Androsselung des Ventils 8 kann einem weiteren Abfall des Frischdampfdrucks unter den ge¬ wünschten Festdrucksollwert bei weiterer Reduktion der Dampfproduktion (infolge von beispielsweise reduzierter Sonneneinstrahlung) wirksam begegnet werden.
Der Massenstrom des in den Zwangdurchlaufdampferzeuger 1 eintretenden Strömungsmediums S, auch als Speisewasser bezeichnet, wird während des gesamten Betriebs, also vom Anfahren in der Anfahrphase bis zum normalen Lastbetrieb in der Lastbe¬ triebsphase, über eine Regelung 5 geregelt. Für die Anfahr¬ phase ist zudem am Austritt des solarthermisch beheizten Zwangdurchlaufdampferzeugers ein Wasser-Dampf-Abscheider 3 vorgesehen, mit dem gerade während der Anfahrphase verstärkt entstehendes unverdampftes Wasser am Austritt des Zwangdurch¬ laufdampferzeugers 1 vom produzierten Dampf getrennt und an¬ schließend ausgeschleust werden kann.
Insbesondere zu Beginn der Anfahrphase des Zwangdurchlauf- dampferzeugers 1 kann der initial produzierte Dampf nicht gleich der Dampfturbine 2 zugeführt werden. Dies liegt im We¬ sentlichen darin begründet, dass die von der Dampfturbine 2 geforderten Dampfparameter (insbesondere Druck, Temperatur und Dampfüberhitzung) noch nicht erreicht sind. Aus diesem Grund muss das verdampfte Strömungsmedium S um die Dampftur¬ bine 2 herum über entsprechende DampfUmleitungen 6 abgeleitet werden. Diese Umleitung erfolgt üblicherweise geregelt über eine entsprechende Regelvorrichtung 4. Diese umfasst unter anderem ein in der hier gezeigten einen DampfUmleitung 6 angeordnetes regelbares Ventil 41 sowie eine
strömungsmediumseitig davor liegende Druckmesseinrichtung 42. Gerade während dieses Umleitbetriebs in der Anfahrphase muss aber weiterhin möglichst zügig das Festdruckniveau erreicht werden, was durch eine geeignete Regelung des Ventils 41 ge¬ währleistet werden kann. Und genau hier greift die Erfindung an. Wird nun erfindungsgemäß bei heute bekannten Auslegungen von solarthermischen Kraftwerken der Festdrucksollwert während des Anfahrens von dem für den normalen Betrieb vorgege¬ benen Wert von 35 bar auf nahezu den doppelten Wert von 50-70 bar erhöht, so können am Austritt des
Zwangdurchlaufdampferzeugers 1 die Temperaturtransienten aus Sicht der kritischen Bauteile (wie beispielsweise dickwandige Sammler) in zulässigen Grenzen gehalten werden. Eine dazu passende mögliche Regelstruktur 4 für die Regelarmatur 41 ist in der Figur angedeutet. Mittels 44 wird der für die Anfahr- phase geltende zweite Festdrucksollwert eingestellt. Über die Druckmesseinrichtung 42 wird der aktuell in der Umleitung 6 anliegende Druck gemessen. Beide Werte werden dann über 45 als Regelabweichung einem Regler 46 zugeführt. Dieser Regler 46 kann beispielsweise ein PID-, PI- oder P- oder eine Kombi- nation aus den einzelnen Reglern sein. Der Regler 45 steuert dann entsprechend der Regelabweichung über einen Motor 43 oder auch jedes andere Stellglied das regelbare Ventil 41 so an, dass der Massenstrom des über die DampfUmleitung 6 abgeleiteten Strömungsmediums S entsprechend dem für die Anfahr- phase vorgegebenem zweiten Festdrucksollwert eingestellt wird .

Claims

Patentansprüche
1. Betriebsverfahren zum Anfahren eines solarthermisch beheizten Zwangdurchlaufdampferzeugers , bei dem mittels eines in einem Solarfeld erhitzten Wärmeträgermediums (W) , ein den Zwangdurchlaufdampferzeuger (1) durchströmendes Strömungsmedium (S) für eine dem Zwangdurchlaufdampferzeuger (1) strömungsmediumseitig nachgeschalteten Dampfturbine (2), ver¬ dampft und überhitzt wird, wobei für eine Lastbetriebsphase ein erster Festdrucksollwert vorgegeben wird, und wobei in einer der Lastbetriebsphase vorangehenden Anfahrphase ein zweiter Festdrucksollwert vorgegeben wird und in dieser Anfahrphase verdampftes Strömungsmedium über eine Dampfumlei¬ tung (6) um die Dampfturbine (2) herum mit dem vorgegebenen zweiten Festdrucksollwert geregelt abgeleitet wird.
2. Betriebsverfahren nach Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s
die Einstellung eines Massenstroms des über die Dampfumlei- tung (6) abgeleiteten Strömungsmediums (S) mittels einer in der DampfUmleitung eingebrachten Regelarmatur (41) erfolgt, wobei zur Regelung dieser Regelarmatur (41) der vorgegebene zweite Festdrucksollwert herangezogen wird.
3. Betriebsverfahren nach Anspruch 1 oder 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s
der vorgegebene zweite Festdrucksollwert in einem Bereich von
50 bis 70 bar liegt.
4. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s
der vorgegebene zweite Festdrucksollwert größer als der erste Festdrucksollwert ist.
5. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s
der vorgegebene zweite Festdrucksollwert nahezu identisch zu dem ersten Festdrucksollwert ist.
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