WO2012110330A2 - Verfahren zum betreiben eines solarthermischen abhitzedampferzeugers - Google Patents

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Siemens AG
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Definitions

  • the invention relates to a method for operating a solar thermal heat recovery steam generator with an evaporator, an economizer with a number of EconomizerSystemflachen and with a medium to a number of EconomizerSystemflachen flow medium side parallel bypass line.
  • Solar thermal power plants are an alternative to conventional electricity generation ago ⁇ .
  • running solar thermal power plants with parabolic trough collectors or Fres nel collectors Another option is the direct or indirect evaporation in so-called solar tower power plants.
  • this tower power plant is heated in a so-called receiver Conversely ⁇ ambient air.
  • the hot air generated in this way releases its energy in a downstream heat recovery steam generator (AHDE) to the feed water coming from the condenser.
  • AHDE heat recovery steam generator
  • the generated steam is fed to a steam turbine. This is known as indi ⁇ rect solar evaporation.
  • a metallic or ceramic sponge also referred to as a volumetric absorber
  • the radiation is absorbed both on the surface and in the interior of a porous body and converted to heat.
  • Ambient air which is sucked inwards by the sponge, heats up to over 800 ° C and then serves to generate steam for a conventional steam power plant.
  • the advantage over tube bundle absorbers is that the heat does not have to be transmitted through a wall. As a result, higher energy flux densities, operating temperatures and efficiencies are possible. By concentrating the Blasted light in the absorber is expected to have very high heat flux densities.
  • Heat recovery steam generator can be categorized based on a variety of criteria: Based on the direction of flow of the gas stream can be divided heat recovery steam generator, for example, in Vertika ⁇ le and horizontal types. Furthermore, there are steam generator with a plurality of pressure stages with different thermal states of the water-steam mixture contained in each case.
  • this usually comprises a feedwater pre-heater or economizer.
  • This consists of several economizer heating surfaces, which form the last heating surfaces after a number of evaporator, superheater and reheater heating surfaces in the hot gas path.
  • the Econo ⁇ mizer is upstream of the evaporator heating and superheater and uses the residual heat in the hot gases to preheat the feed water.
  • the hot gas flows through the economizer in re ⁇ tively low temperatures.
  • a suffi ⁇ sponding sub-cooling of the flow medium is at the evaporator inlet in principle be secured (ie, the temperature of the flow medium should have a reaching distance from the saturation temperature from ⁇ have).
  • ⁇ measures are required in the lower load range.
  • a partial flow of the flow medium is usually led around one or more economizer heating surfaces in a bypass line via a corresponding arrangement and then mixed again with the main flow, for example at the inlet of the last economizer.
  • the partial flow is through the economizer bypass line usually being adjusted so that in steady state operation a is maintained under ⁇ cooling at the evaporator inlet, for example, at least 3 Kelvin (K) in the corresponding load range.
  • K Kelvin
  • a temperature and pressure measurement at the evaporator inlet is provided, with the aid of which a difference formation the actual supercooling can be determined at any time.
  • a valve in the economizer bypass line is actuated when the minimum subcooling is undershot. This valve receives an opening pulse of, for example
  • the valve receives a closing pulse of for example 1 s.
  • the opening in the rule for a longer period of time (for example, 600 s) remains before after renewed comparison between setpoint and actual value, the same operation is repeated, the sub-cooling at the evaporator inlet should still RESIZE ⁇ SSER than 6 K and the valve is not yet completely closed.
  • comparatively large time intervals are selected here in order to avoid vapor formation in the economizer.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a method of operating a solar thermal heat recovery steam generator of the above type as well as a solar thermal heat recovery steam generator, which allow a higher operating Si ⁇ certainty and reliability in the control of the solar-heat steam generator ⁇ mix.
  • this object is achieved according to the invention by using a characteristic variable which is characteristic of the solar thermal waste heat steam generator for controlling or regulating the flow rate of the bypass line.
  • the invention is based on the consideration that a higher operational safety and reliability in the control of the solar thermal heat recovery steam generator would be possible if a formation of a water-steam mixture at Ein ⁇ occurs the evaporator could be reliably avoided ver ⁇ in all load conditions.
  • the risk of steam generation is relatively large during rapid load changes, in particular, since a relatively rapid change in the Unterküh ⁇ lung is present at the inlet of the evaporator. In these cases, the hitherto provided regulation of subcooling by influencing the Economizerbypass diesselmenge reacts too slowly. So it should be provided a faster responding control or regulation.
  • the flow rate of the bypass line is reduced with an increase in the characteristic.
  • the flow rate of the bypass line can be adjusted accordingly even if the heat energy supplied to the heat recovery steam generator increases, and thus even before the measurement of an actual change in temperature or subcooling at the inlet of the evaporator.
  • Increases namely in today's operation of the solar thermal heat recovery steam generator, the solar thermal waste heat steam generator supplied heat this is associated with an increase in other thermodynamic (state) sizes of the flow medium (such as feedwater mass flow, pressure, medium temperatures), which due to physical laws directly with an increase associated with the entry subcooling. Therefore, in this case, the flow rate of the bypass line is reduced, so that the tempera ⁇ tur increases at the outlet of the economizer and thus the Unterküh ⁇ ment is reduced at the evaporator inlet.
  • bypass line runs, for example, parallel to a number of economizer and after the mixing point of bypass line and flow through them Economizer heating surfaces are followed by one or more additional economizer heating surfaces.
  • the previously used temperature signal for controlling the flow rate of the bypass line is measured at the outlet of the last EconomizerAlbflache and thus at the inlet of the evaporator.
  • this signal which summarizes the temperature difference caused by changes in the flow ⁇ amount of the bypass line ER, delayed by one hand, the time required for the flow ⁇ medium for flowing through the last, not provided with a bypass line EconomizerSystemflachen, on the other hand by Storage processes of thermal energy in the pipe walls of these heating surfaces, the heat capacity is also taken into account. Therefore, a further Ver ⁇ improving the speed of the control or regulation might take place if the temperature is advantageously used at the mixing point at the outlet of the bypass line for controlling or regulating the flow rate of the bypass line. Thus, even more reliable and faster control or prevention of vapor formation at the inlet of the evaporator is possible.
  • the evaporator inlet subcooling is still significantly influenced by fluctuations in the saturation temperature in the evaporator. Since the saturation temperature in the evaporator is essentially influenced by the pressure in the pipe system, z. B. at rapid system pressure changes (for example, when dissolving a throttle reserve), a sharp decline in the occurrence of sub-cooling occur. This change in the inlet subcooling is independent of the thermal energy supplied to the solar thermal heat recovery steam generator. To consider such a scenario, beneficial ⁇ way legally saturation temperature should be used in the evaporator to control or regulate the flow rate of the bypass line.
  • control quality for the economizer bypass can be further improved in the event of a rapid pressure change in the evaporator.
  • An even better control quality of the flow rate of the bypass line can continue to be achieved if an even better, for the solar thermal heat recovery steam generator supplied heat energy characteristic parameter is used in the STEU ⁇ tion or regulation.
  • the power signal of the upstream air receiver can not ensure sufficient quality, as this signal may not be sufficiently correlated with the introduced into the solar thermal heat recovery steam generator heat, on the other hand, this signal is not available in applications without pre ⁇ switched air receiver.
  • the balanced hot gas heat of the evaporator should be used as characteristic for the thermal energy supplied to the solar heat recovery steam generator heat ⁇ cal characteristic.
  • the balanced hot gas heat is determined essentially from the mass flow of the hot gas on the one hand and the enthalpy difference at the hot gas inlet and at the outlet of the evaporator.
  • the inlet temperature is measured and the outlet temperature approximated by the saturation temperature of the evaporator and both temperature values calculated in an associated H exertgasenthalpie to ⁇ .
  • This practically allows a direct measurement of the heat flow introduced into the evaporator.
  • this signal is in control equipment for solar thermal heat from ⁇ steam generators often before, because it can be used to feed water control. By using this signal, the quality of the control or regulation can be further improved and sufficient subcooling at the inlet of the evaporator can be ensured even better.
  • the object is achieved by a solar thermal waste heat steam generator with an evaporator, with an economizer with a number of Economizersammlung lake, with a flow medium to a number of Economizersammlung lake parallel ge ⁇ switched bypass line with a flow control or flow control valve, with a temperature and pressure measurement Device at the evaporator inlet and optionally a temperature measuring device at the mixing point at the outlet of the bypass line and a data controller connected to the aforementioned measuring devices and the flow control or flow control valve control device, which is designed to carry out said method.
  • Such a heat recovery steam generator is advantageously used in a steam turbine plant.
  • the requiredußun ⁇ supercooling the flow medium at Verdampfereintrit can be sure ⁇ placed in a tower power plant with integrated heat recovery steam generator even during transient events.
  • a corresponding Eco-bypass control concept can be kept relatively constant during transient processes in addition to ensuring a minimum subcooling, so that by this measure first steam formation at the evaporator inlet still untrue ⁇ apparent and secondly the control quality of the Suitewasserre- concept by the almost constant evaporator ⁇ supercooling is positively influenced.
  • FIG. 1 shows a solar tower power plant with an open air receiver a designed as a volumetric absorber air receiver
  • 5 is a schematic representation of the control method, taking into account the balanced hot gas heat of the evaporator and the change in the saturation ⁇ temperature in the evaporator.
  • FIG. 1 shows a solar tower installation 129.
  • the solar tower installation 129 has a tower 132, on whose vertical upper end an air receiver 133 is arranged.
  • the air receiver 133 has a volumetric absorber 135.
  • a heliostat field 130 is placed on the ground near the tower around tower 132.
  • the heliostat field 130 has a plurality of heliostats 131 which are individually positionable or alignable.
  • the entire heliostat field 130 is aligned so that the direct solar radiation I s is focused, so that concentrated solar radiation I c is formed by optical reflection at the heliostat field 130, wherein the concentrated solar radiation I c on the air receiver 133, respectively the volumetric absorber 135th , is bundled.
  • ambient air L which flows into the air receiver 133, by means of the volumetric absorber 135 by the concentrated solar radiation I c is very strongly heated.
  • the highly heated or superheated air L can be used as heating air L 'or
  • the volumetric absorber 135 has a Ge ⁇ housing 134, which is equipped kitchens ⁇ tet with thermal insulation 140th
  • the thermal insulation 140 can be made, for example, of a porous ceramic material or a metal foam. hen, so that a good heating of the volumetric absorber 135 is given in sunlight.
  • the volumetric absorber 135 has an inlet 138 and an outlet 139. The inlet 138 and the outlet 139 are fluidically connected with each other.
  • the front side of the volumetric absorber 135 has a curved Quarzglasfens ⁇ ter 136, which is fitted into the housing 134.
  • Seit ⁇ Lich the quartz glass window 136 is a water-cooled
  • Protective cover 137 is provided which protects the end face of the volumetric absorber 135 against overheating and the
  • FIG. 3 shows a solar power ⁇ plant system 149, which consists of a solar part S and a power ⁇ plant part P, which integrates into an overall system is.
  • the solar part S has a solar tower system 129 - in ana ⁇ loger manner as described in FIG 1 - on. This comprises a heliostat field 130 and the solar tower 132 with the Lucasre ⁇ DCver 133, which is arranged at the top of the tower and containing the volumetric absorber 135.
  • the power plant section P includes a steam turbine 145 and an integrally ⁇ coupled to the steam turbine generator 146 for generating electrical energy.
  • a condenser 147 is connected to the steam turbine 145.
  • a feed water pump 148 delivers feedwater in the water-steam cycle 150 of the steam turbine plant.
  • the heating air flow L ' is connected via a feed 142 to the solar thermal waste heat steam generator 1.
  • connection line in the form of a return flow 141 between the solar thermal heat recovery steam generator 1 and the air receiver 133 of the solar tower 132 is provided.
  • blower 144 are turned on in the return.
  • the solar thermal heat recovery steam generator 1 has an evaporator 4 and an over ⁇ hitzersammlung Design 8th So that during operation the desired live steam temperature and the desired live steam pressure can be generated.
  • a hot-gas reservoir or buffer tank 143 con- nects the lead 141 to the return line 142 so that demand ⁇ as hot air L 'into the hot gas storage 143 can be branched off, are required, popped from the hot gas memory 143 from the buffer tank 143 and fed into the return line 141 can.
  • the solar part S and the power plant part P are integrated by this interconnection into an overall system, the solar thermal waste heat steam generator 1 with its heating surfaces being connected into the hot air flow L 'of the air receiver 133.
  • the heating surfaces of the solar thermal heat recovery steam generator 1 with hot gas L ' are applied, so that live steam F is generated.
  • the hot gas L ' has a temperature of 680 ° C and a pressure of 1 bar.
  • live steam F with a temperature of 480 ° C and a pressure of 26 bar is generated.
  • the steam turbine is F aufschlagt 145 loading, so that the steam in the steam turbines ⁇ F 145 ne work bringing relaxed and drives the turbine.
  • the steam turbine 145 in turn drives the electric Genera ⁇ tor 146, so that electrical energy is generated.
  • the vapor condenses in the condenser 147 and is in turn fed via the feed water pump 148 into the preheating section of the solar thermal waste heat steam generator 1.
  • FIG. 4 shows selected components of a schematically presented Darge ⁇ solar thermal heat recovery steam generator 1.
  • flow medium flows, driven by a non-illustrated pump initially at the inlet 2 in the cycle, wherein firstly a bypass line 3 branches off.
  • a flow control valve 6 is provided which can be regulated by a motor 7. It may also be a simple control valve is provided, however, a better adjustment of the subcooling at the evaporator inlet is possible by a fast-acting control valve.
  • a part of the flow medium thus flows depending on the position of the flow control valve 6 in the bypass line 3, another part flows into a first economizer 10.
  • a first economizer 10 There may be provided parallel to the bypass line 3 and other economizer heating.
  • the flow medium from the bypass line 3 and the economizer heating surface 10 is mixed at a mixing point 12.
  • the mixing point 12 is followed by a further economizer heating surface 14.
  • the evaporator 16 which may also consist of a number of heating surfaces, further components such as a water-vapor separator and further superheater heating surfaces are connected downstream.
  • the economizer heating surfaces 10, 14 and the evaporator 16 are possible on the hot gas side.
  • the economizer heating surfaces 10, 14 are downstream of the evaporator 16 on the hot gas side, since the economizers are designed to carry the comparatively coldest flow medium and to utilize the residual heat in the hot gas duct.
  • a suffi ⁇ sponding hypothermia that is a sufficient difference of actual temperature to saturation temperature in the evaporator are present, so that only liquid medium flow is present.
  • a pressure measuring device 20 and a temperature measuring device 22 are provided at this point.
  • Another, faster-reacting temperature signal which is not delayed by the through ⁇ term of flow medium through the economizer 14 is provided by a further temperature measuring device 24 at the mixing point 12th
  • a supercooling set point 26 is initially set at the evaporator inlet 18. This may for example be 3 K, ie, the temperature at the evaporator inlet 18 should be 3 K below the saturation temperature in the evaporator 16. From the pressure determined at the pressure measuring device 20, the saturation temperature 28 in the evaporator 16 is initially determined, since this is a direct function of the pressure prevailing in the evaporator 16. This saturation temperature 28 is then added in an adder 30 to the negative supercooling setpoint 26. In a further adder 32, the temperature measured at the temperature measuring device 22 at the evaporator inlet 18 is withdrawn thereon. This results in a suitable control value for a control of the flow control valve 6.
  • the power 34 of the heat recovery steam generator solar thermal upstream air receiver is used as an input signal.
  • the power 34 serves as an input signal for a differentiating element of the first order (DTI element) 36, which generates a correspondingly scaled output signal when the power 34 changes.
  • This output signal is added in a further adder 38 to the ge ⁇ measured deviation of the sub-cooling at the evaporator inlet to the setpoint.
  • Entry into the further economizer heating surface 14 detects what, in the case of only one temperature measuring device 22 at the evaporator inlet 18 or outlet of the economizer heating surface 14 as a result of the throughput time through the economizer heating surface 14, could take place only with a corresponding time delay.
  • These measurement ⁇ information is added to the negative control value in an adder 44th
  • the time delay behavior of the economizer heating surface 14 must be taken into account so that control operations already carried out (triggered by the change in the flow control temperature at the inlet of the economizer heating surface 14) are not subject to any further control intervention (after the temperature change arrived at the outlet of the economizer 14).
  • the temperature signal of the temperature measuring device 24 is processed after the addition in a PTn element 40, which simulates the time delay behavior of the economizer 14.
  • the resulting output signal is added in a further adder 42 to the previous control value and thus compensates for a double consideration again.
  • control value thus determined is passed to a ⁇ controller 46 further, which drives the motor 7 of the flow control valve 6 of the bypass line.
  • FIG 5 shows a schematic representation of a variant of the control circuit of Figure 1.
  • the balance ⁇ ed hot gas heat 48 is used as input signal for the DTL-member 36 instead of the output 34 of the air receiver 133rd
  • the carrying hot gas heat 48 is determined from the difference of the H adoptedgasenthalpie at the evaporator inlet 18 and the H adoptedgasenthalpie at the evaporator outlet (see Be ⁇ scription earlier) and through the hot gas mass flow.
  • the reported hot gas heat 48 a more direct In ⁇ indicator of the the solar thermal heat recovery steam generator 1 supplied heat quantity as the hot gas output 34 of the connected upstream air receiver 133.
  • Re ⁇ gelung the temperature at the evaporator inlet 18 is possible.
  • FIG. 5 shows a further DTL element 50, which generates an output signal when the saturation temperature in the evaporator 16 changes. This output signal is fed to the control loop in the adder ⁇ member 38. Characterized a sufficient sub-cooling can also be used in egg ⁇ ner stationary heat supply in the solar thermal heat recovery steam generator 1 at a rapid change in the pressure and the saturation temperature in the evaporator 28 16 at the evaporator inlet 18 technicallyge ⁇ represents.

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Abstract

Ein Verfahren zum Betreiben eines solarthermischen Abhitzedampferzeugers (1) mit einem Verdampfer (16), einem Economizer mit einer Anzahl von Economizerheizflächen (10, 14) und mit einer zu einer Anzahl von Economizerheizflächen (10) strömungsmediumsseitig parallel geschalteten Bypassleitung (3), soll eine höhere betriebliche Sicherheit und Zuverlässigkeit bei der Steuerung des solarthermischen Abhitzedampferzeugers ermöglichen. Dazu wird dem eine für die dem solarthermischen Abhitzedampferzeuger (1) zugeführte Wärmeenergie charakteristische Kenngrösse zur Steuerung oder Regelung der Durchflussmenge der Bypassleitung (3) verwendet.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Betreiben eines solarthermischen Abhitzedampferzeugers
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines solarthermischen Abhitzedampferzeugers mit einem Verdampfer, einem Economizer mit einer Anzahl von Economizerheizflachen und mit einer zu einer Anzahl von Economizerheizflachen strö mungsmediumsseitig parallel geschalteten Bypassleitung.
Solarthermische Kraftwerke stellen eine Alternative zur her¬ kömmlichen Stromerzeugung dar. Zurzeit werden solarthermische Kraftwerke mit Parabolrinnenkollektoren oder Fres nel-Kollektoren ausgeführt. Eine weitere Option stellt die direkte oder indirekte Verdampfung in sogenannten Solarturm- Kraftwerken dar.
In einer Aus führungs form dieses Turmkraftwerks wird Umge¬ bungsluft 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 indi¬ rekte 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. Um gebungsluft, 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. Durch die Konzentrierung des ein- gestrahlten Lichts in dem Absorber ist mit sehr hohen Wärmestromdichten zu rechnen.
Abhitzedampferzeuger sind anhand einer Vielzahl von Kriterien kategorisierbar : Basierend auf der Strömungsrichtung des Gasstroms können Abhitzedampferzeuger beispielsweise in vertika¬ le und horizontale Bauarten eingeteilt werden. Weiterhin existieren Dampferzeuger mit einer Mehrzahl von Druckstufen mit unterschiedlichen thermischen Zuständen des jeweils enthaltenen Wasser-Dampf-Gemisches.
Zur Erhöhung des Wirkungsgrades des Abhitzedampferzeugers um- fasst dieser üblicherweise einen Speisewasservorwärmer oder Economizer. Dieser besteht aus mehreren Economizerheizflachen, welche im Heißgasweg die letzten Heizflächen nach einer Anzahl von Verdampfer-, Überhitzer- und Zwischenüberhitzerheizflächen bilden. Strömungsmediumsseitig ist der Econo¬ mizer den Verdampferheizflächen und Überhitzerheizflächen vorgeschaltet und nutzt die Restwärme in den Heißgasen, um das Speisewasser vorzuwärmen. Durch die genannte Anordnung im Heißgaskanal durchströmt das Heißgas den Economizer bei re¬ lativ niedrigen Temperaturen.
Während des Betriebes eines solarthermischen Abhitzedampferzeugers ist am Verdampfereintritt grundsätzlich eine ausrei¬ chende Unterkühlung des Strömungsmediums zu gewährleisten (d. h. die Temperatur des Strömungsmediums sollte einen aus¬ reichenden Abstand zur Sättigungstemperatur aufweisen) . Dadurch wird zum einen sichergestellt, dass im Verteilsystem des Verdampfers nur einphasiges Strömungsmedium vorliegt und somit keine Entmischungsvorgänge von Wasser und Dampf am Ein¬ tritt einzelner Verdampferrohre auftreten können, zum anderen wäre durch das Vorhandensein eines Wasser-Dampf-Gemischs am Verdampfereintritt eine optimale Regelung der Verdampfer¬ austrittsenthalpie nur noch schwer bzw. gar nicht zu reali¬ sieren, in dessen Folge die Verdampferaustrittstemperaturen unter Umständen nicht mehr beherrschbar wären. Aus diesem Grund ist ein Abhitzedampferzeuger üblicherweise derart ausgelegt, dass bei Volllast eine ausreichende Unter¬ kühlung am Verdampfereintritt vorliegt. Gerade bei transien- ten Lastvorgängen kann sich jedoch aufgrund physikalischer Gegebenheiten die mediumsseitige Unterkühlung am Verdampfereintritt mehr oder minder stark ändern.
Damit trotz dieser Schwankungen eine ausreichende Unterkühlung vorliegt, sind im unteren Lastbereich zusätzliche Ma߬ nahmen erforderlich. Hierfür wird üblicherweise über eine entsprechende Anordnung ein Teilstrom des Strömungsmediums um einen oder mehrere Economizerheizflächen in einer Bypasslei- tung herumgeführt und dann dem Hauptstrom beispielsweise am Eintritt des letzten Economizers wieder beigemischt. Durch eine derartige teilweise Vorbeileitung des Strömungsmediums am Heißgaskanal wird die Gesamtwärmeaufnahme des Speisewas¬ sers in den Economizerheizflächen reduziert und somit sichergestellt, dass eine ausreichende Unterkühlung des Strömungs¬ mediums am Verdampfereintritt auch im unteren Lastbereich zu erreichen ist.
In heutigen Anlagen wird der Teilstrom durch die Economizer- bypassleitung im entsprechenden Lastbereich üblicherweise gerade so eingestellt, dass im stationären Betrieb eine Unter¬ kühlung am Verdampfereintritt von beispielsweise mindestens 3 Kelvin (K) eingehalten wird. Dafür ist eine Temperatur- und Druckmessung am Verdampfereintritt vorgesehen, mit deren Hilfe über eine Differenzbildung die tatsächliche Unterkühlung zu jedem Zeitpunkt ermittelt werden kann. Durch einen Soll- Ist-Vergleich wird bei Unterschreiten der Mindestunterkühlung ein Ventil in der Economizerbypassleitung angesteuert. Dieses Ventil erhält einen Öffnungsimpuls von beispielsweise
1 Sekunde (s) . Über die Ventilstellzeit ist mit diesem Öff¬ nungsimpuls unmittelbar eine neue Ventilstellung verknüpft, in der dann das Ventil für beispielsweise 30 s verharrt. Für den Fall, dass die geforderte Mindestunterkühlung auch nach diesen 30 s noch nicht erreicht ist, wird der gleiche Vorgang wiederholt, bis entweder die Mindestunterkühlung erreicht bzw. überschritten wird oder aber das Ventil vollständig ge¬ öffnet ist.
Ist die gemessene Unterkühlung im umgekehrten Fall beispiels¬ weise größer als 6 K, erhält das Ventil einen Schließimpuls von beispielsweise 1 s. In der neuen Ventilstellung wird im Vergleich zum Öffnen in der Regel für einen größeren Zeitraum (beispielsweise 600 s) verharrt, bevor nach erneutem Abgleich zwischen Soll- und Istwert der gleiche Vorgang wiederholt wird, sollte die Unterkühlung am Verdampfereintritt noch grö¬ ßer als 6 K und das Ventil noch nicht vollständig geschlossen sein. Zwischen den einzelnen Stellimpulsen werden hier vergleichsweise große Zeitabstände gewählt, um eine Dampfbildung im Economizer zu vermeiden.
Gerade bei schnellen transienten Vorgängen, wie beispielsweise bei einem Wolkendurchzug durch das Solarfeld, kann unter Umständen das oben beschriebene Steuerungskonzept die gefor¬ derte Mindestunterkühlung des Fluids am Verdampfereintritt nur schwer bzw. gar nicht sicherstellen. Dadurch könnte bei diesen schnellen Laständerungen eine Dampfbildung am Verdampfereintritt nicht ausgeschlossen werden, so dass Probleme bei der Verteilung auf die einzelnen Verdampferrohre auftreten können und eine Regelung der Verdampferaustrittstemperatur unter Umständen nicht mehr möglich wäre.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines solarthermischen Abhitzedampferzeugers der oben genannten Art sowie einen solarthermischen Abhitzedampferzeuger anzugeben, welche eine höhere betriebliche Si¬ cherheit und Zuverlässigkeit bei der Steuerung des solarther¬ mischen Abhitzedampferzeugers ermöglichen.
Bezüglich des Verfahrens wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, indem eine für die dem solarthermischen Abhitzedampferzeuger zugeführte Wärmeenergie charakteristische Kenngröße zur Steuerung oder Regelung der Durchflussmenge der Bypass- leitung verwendet wird. Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass eine höhere betriebliche Sicherheit und Zuverlässigkeit bei der Steuerung des solarthermischen Abhitzedampferzeugers möglich wäre, wenn eine Bildung eines Wasser-Dampf-Gemischs am Ein¬ tritt des Verdampfers in allen Lastzuständen zuverlässig ver¬ mieden werden könnte. Dabei ist die Gefahr einer Dampfbildung insbesondere bei schnellen Lastwechseln vergleichsweise groß, da hier eine vergleichsweise schnelle Änderung der Unterküh¬ lung am Eintritt des Verdampfers vorliegt. In diesen Fällen reagiert die bisher vorgesehene Regelung der Unterkühlung durch Beeinflussung der Economizerbypassdurchflussmenge zu langsam. Es sollte also eine schneller reagierende Steuerung oder Regelung vorgesehen werden.
Dabei hat sich herausgestellt, dass die Reaktionszeit des bisher üblichen Steuerungskonzeptes dabei insbesondere daraus resultiert, dass als Eingangsgröße für die Steuerung die Un¬ terkühlung, d. h. die Differenz zwischen Temperatur am Verdampfereintritt und Sättigungstemperatur im Verdampfer verwendet wird. Dies bedeutet, dass die Steuerung für die Durch¬ flussmenge der Economizerbypassleitung erst dann eingreift, wenn bereits eine Veränderung der Unterkühlung am Verdampfereintritt erfolgt. Eine Verbesserung wäre daher möglich, wenn eine zeitlich vorgelagerte Kenngröße in der Art einer prädik- tiven Steuerung oder Regelung verwendet werden könnte.
Wird daher bereits zu Beginn eines instationären Betriebsvorgangs (z.B. Wolkendurchzug durch die Heliostaten, erfasst durch ein geeignetes Messsignal) und unter Berücksichtigung der Richtung die Stellung des Bypassventils entsprechend ma¬ nipuliert (zu diesem Zeitpunkt kann noch keine Abweichung der Eintrittsunterkühlung vom Sollwert gemessen werden) , wird unter günstigen Bedingungen die Mindestunterkühlung am Verdampfereintritt nicht unterschritten bzw. kann unter diesen Umständen eine Dampfbildung in der letzten Economizerheizfläche vermieden werden. Ausgehend von der Erkenntnis, dass eine Änderung der Unter¬ kühlung am Verdampfereintritt durch die Änderung der dem Ab¬ hitzedampferzeuger zugeführten Wärmeenergie verursacht wird, kann dies dadurch erreicht werden, indem eine für diese dem solarthermischen Abhitzedampferzeuger zugeführte Wärmeenergie charakteristische Kenngröße zur Steuerung oder Regelung der Durchflussmenge der Bypassleitung verwendet wird.
In vorteilhafter Ausgestaltung wird bei einer Erhöhung der Kenngröße die Durchflussmenge der Bypassleitung vermindert. Dadurch kann bereits bei einer Erhöhung der dem Abhitzedampferzeuger zugeführten Wärmeenergie und damit noch vor der Messung einer tatsächlichen Änderung der Temperatur bzw. Unterkühlung am Eintritt des Verdampfers die Durchflussmenge der Bypassleitung entsprechend angepasst werden. Erhöht sich nämlich bei heutiger Betriebsweise des solarthermischen Abhitzedampferzeugers die dem solarthermischen Abhitzedampferzeuger zugeführte Wärmemenge, so ist dies mit einer Vergrößerung weiterer thermodynamischer ( Zustands- ) Größen des Strömungsmediums (wie beispielsweise Speisewassermassenstrom, Druck, Mediumstemperaturen) verknüpft, was aufgrund physikalischer Gesetzmäßigkeiten unmittelbar mit einer Erhöhung der Eintrittsunterkühlung einhergeht. Daher wird in diesem Fall die Durchflussmenge der Bypassleitung verringert, so dass die Tempera¬ tur am Austritt des Economizers erhöht und so die Unterküh¬ lung am Verdampfereintritt verringert wird.
Entsprechend umgekehrt wird bei einer Verringerung der Kenn¬ größe vorteilhafterweise die Durchflussmenge der Bypasslei¬ tung erhöht, um so die Austrittstemperatur des Economizers zielgerichtet anzupassen.
In solarthermischen Abhitzedampferzeugern sind häufig nicht sämtliche Heizflächen des Economizers mit einer Bypassleitung versehen, sondern die Bypassleitung verläuft beispielsweise parallel zu einer Anzahl von Economizerheizflächen und nach der Mischstelle von Bypassleitung und Durchfluss durch diese Economizerheizflachen schließen sich eine oder mehrere weitere Economizerheizflachen an. Das bisher verwendete Temperatursignal zur Regelung der Durchflussmenge der Bypassleitung wird am Austritt der letzten Economizerheizflache und damit am Eintritt des Verdampfers gemessen. Dementsprechend ist dieses Signal, welches die durch Änderungen der Durchfluss¬ menge der Bypassleitung verursachte Temperaturdifferenz er- fasst, verzögert mit einerseits der Zeit, die das Strömungs¬ medium für das Fließen durch die letzten, nicht mit einer Bypassleitung versehenen Economizerheizflachen benötigt, andererseits auch durch Einspeichervorgänge thermischer Energie in die Rohrwände dieser Heizflächen, deren Wärmekapazität ebenso zu berücksichtigen ist. Daher könnte eine weitere Ver¬ besserung der Geschwindigkeit der Steuerung oder Regelung erfolgen, wenn vorteilhafterweise die Temperatur an der Mischstelle am Austritt der Bypassleitung zur Steuerung oder Regelung der Durchflussmenge der Bypassleitung verwendet wird. Somit ist eine noch zuverlässigere und schnellere Steuerung oder Regelung und Verhinderung einer Dampfbildung am Eintritt des Verdampfers möglich.
Die Verdampfereintrittsunterkühlung wird neben Temperaturschwankungen am Austritt des Economizers weiterhin noch maßgeblich durch Schwankungen der Sättigungstemperatur im Verdampfer beeinflusst. Da die Sättigungstemperatur im Verdampfer im Wesentlichen vom Druck im Rohrsystem beeinflusst wird, kann z. B. bei schnellen Systemdruckänderungen (beispielsweise beim Auflösen einer Drosselreserve) ein starker Rückgang der Eintrittsunterkühlung auftreten. Dabei ist diese Änderung der Eintrittsunterkühlung unabhängig von der dem solarthermischen Abhitzedampferzeuger zugeführten Wärmeenergie. Um auch ein derartiges Szenario zu berücksichtigen, sollte vorteil¬ hafterweise die Sättigungstemperatur im Verdampfer zur Steuerung oder Regelung der Durchflussmenge der Bypassleitung verwendet werden. Dadurch kann die Regelgüte für die Economizer- bypassleitung im Falle einer schnellen Druckänderung im Verdampfer weiter verbessert werden. Eine noch bessere Regelgüte der Durchflussmenge der Bypass- leitung kann weiterhin erreicht werden, wenn eine noch bessere, für die dem solarthermischen Abhitzedampferzeuger zugeführte Wärmeenergie charakteristische Kenngröße bei der Steu¬ erung oder Regelung verwendet wird. Unter Umständen kann nämlich das Leistungssignal des vorgeschalteten Luftreceivers keine ausreichende Qualität gewährleisten, da dieses Signal eventuell nicht ausreichend mit der in den solarthermischen Abhitzedampferzeuger eingebrachten Wärmemenge korreliert, andererseits steht dieses Signal in Anwendungen ohne vorge¬ schalteten Luftreceiver nicht zur Verfügung.
Daher sollte in vorteilhafter Ausgestaltung die bilanzierte Heißgaswärme des Verdampfers als für die dem solarthermischen Abhitzedampferzeuger zugeführte Wärmeenergie charakteristi¬ sche Kenngröße verwendet werden. Die bilanzierte Heißgaswärme wird im Wesentlichen aus dem Massenstrom des Heißgases einerseits und der Enthalpiedifferenz am heißgasseitigen Eintritt und am Austritt des Verdampfers ermittelt. Dabei wird die Eintrittstemperatur gemessen und die Austrittstemperatur durch die Sättigungstemperatur des Verdampfers angenähert und beide Temperaturwerte in eine zugehörige Heißgasenthalpie um¬ gerechnet. Dies ermöglicht praktisch eine direkte Messung des in den Verdampfer eingebrachten Wärmestroms. Im Übrigen liegt dieses Signal in Regeleinrichtungen für solarthermische Ab¬ hitzedampferzeuger häufig bereits vor, da es zur Speisewasserregelung verwendet werden kann. Durch die Verwendung dieses Signals kann die Güte der Steuerung oder Regelung weiter verbessert werden und eine ausreichende Unterkühlung am Eintritt des Verdampfers noch besser sichergestellt werden.
Bezüglich des solarthermischen Abhitzedampferzeugers wird die Aufgabe gelöst durch einen solarthermischen Abhitzedampferzeuger mit einem Verdampfer, mit einem Economizer mit einer Anzahl von Economizerheizflächen, mit einer zu einer Anzahl von Economizerheizflächen strömungsmediumsseitig parallel ge¬ schalteten Bypassleitung mit einem Durchflusssteuer- oder Durchflussregelventil, mit einer Temperatur- und Druckmess- einrichtung am Verdampfereintritt und gegebenenfalls einer Temperaturmesseinrichtung an der Mischstelle am Austritt der Bypassleitung und einer mit den vorgenannten Messeinrichtungen und dem Durchflusssteuer- oder Durchflussregelventil datenseitig verbundenen Steuereinrichtung, welche zur Durchführung des genannten Verfahrens ausgelegt ist.
Ein derartiger Abhitzedampferzeuger kommt vorteilhafterweise in einer Dampfturbinenanlage zum Einsatz.
Durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann in einem Turmkraftwerk mit integriertem Abhitzedampferzeuger auch während transienter Vorgänge die geforderte Mindestun¬ terkühlung des Strömungsmediums am Verdampfereintrit Sicher¬ gestellt werden. Damit liegt am Verdampfereintritt grundsätz¬ lich einphasiges Strömungsmedium vor, so dass mit Problemen der Strömungsverteilung auf die einzelnen Verdampferrohre nicht zu rechnen ist. Bei Einsatz eines entsprechenden Eco- Bypass Regelkonzeptes kann neben der Sicherstellung einer Mindestunterkühlung diese während transienter Vorgänge relativ konstant gehalten werden, so dass durch diese Maßnahme erstens eine Dampfbildung am Verdampfereintritt noch unwahr¬ scheinlicher und zweitens die Regelgüte des Speisewasserre- getkonzeptes durch die nahezu konstante Verdampfereintritts¬ unterkühlung positiv beeinflusst wird.
Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:
FIG 1 ein Solarturm-Kraftwerk mit offenem Luftreceiver ein als volumetrischer Absorber ausgestalteter Luftreceiver
FIG 3 eine solarthermische Kraftwerksanlage mit Luftre¬ ceiver und nachgeschaltetem solarthermischen Abhitzedampferzeuger FIG 4 eine schematische Darstellung des Regelverfahrens unter Berücksichtigung der Leistung eines dem solarthermischen Abhitzedampferzeuger vorgeschalteten Luftreceivers , und
FIG 5 eine schematische Darstellung des Regelverfahrens unter Berücksichtigung der bilanzierten Heißgaswärme des Verdampfers und der Änderung der Sättigungs¬ temperatur im Verdampfer.
Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszei¬ chen versehen.
FIG 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 Is fokussiert wird, so dass konzentrierte Solarstrahlung Ic durch optische Reflektion am Heliostatenfeld 130 entsteht, wobei die kon- zentrierte Solarstrahlung Ic 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 Ic 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 FIG 2 dargestellt. Der volumetrische Absorber 135 weist ein Ge¬ häuse 134 auf, welches mit einer Wärmedämmung 140 ausgestat¬ tet ist. Die Wärmedämmung 140 kann beispielsweise aus einem porösen keramischen Material oder einem Metallschaum beste- hen, so dass eine gute Aufheizung des volumetrischen Absorbers 135 bei Sonneneinstrahlung gegeben ist. Der volumetri- sche Absorber 135 weist einen Einlass 138 sowie einen Auslass 139 auf. Der Einlass 138 und der Auslass 139 sind strömungs- technisch miteinander verbunden. Die Frontseite des volumetrischen Absorbers 135 weist ein gekrümmtes Quarzglasfens¬ ter 136 auf, welches in das Gehäuse 134 eingepasst ist. Seit¬ lich des Quarzglasfensters 136 ist eine wassergekühlte
Schutzblende 137 vorgesehen, die die Stirnseite des volu- metrischen Absorbers 135 vor Überhitzung schützt und das
Quarzglasfenster 136 umrahmt. Durch diese Konfiguration ist eine Einstrahlöffnung gebildet, die den Fokuspunkt für die konzentrierte Solarstrahlung Ic bildet. Im Betrieb des volu¬ metrischen Absorbers 135, beispielsweise in einer Solarturm- anläge 129 gemäß FIG 1, wird kühle Umgebungsluft L in den vo¬ lumetrischen 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 Ic, 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 Nutzwärme¬ träger zur Verfügung steht. In einem kontinuierlichen Betrieb wird bei Einstrahlung von konzentrierter Solarstrahlung Ic 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 vollstän- digen Solarturmkraftwerk zur Erzeugung elektrischer Energie ist in FIG 3 dargestellt. Dabei zeigt FIG 3 eine Solarkraft¬ werksanlage 149, die aus einem Solarteil S und einem Kraft¬ werksteil P besteht, die zu einer Gesamtanlage integriert ist. Der Solarteil S weist eine Solarturmanlage 129 - in ana¬ loger Weise wie in FIG 1 beschrieben - auf. Diese umfasst ein Heliostatenfeld 130 sowie den Solarturm 132 mit dem Luftre¬ ceiver 133, der an der Turmspitze angeordnet ist und der den volumetrischen Absorber 135 enthält. Durch das Heliostatenfeld 130 wird konzentrierte Solarstrahlung Ic auf den Luft¬ receiver 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 Kraft- werksteil P zur Verfügung steht. Der Kraftwerksteil P umfasst eine Dampfturbine 145 sowie einen an die Dampfturbine ange¬ koppelten Generator 146 zur Erzeugung elektrischer Energie. Abdampfseitig ist an die Dampfturbine 145 ein Kondensator 147 angeschlossen. Eine Speisewasserpumpe 148 fördert Speisewas- ser in dem Wasser-Dampf-Kreislauf 150 der Dampfturbinenanla- ge . Zur Erzeugung von Nutzdampf mit der gewünschten Frischdampftemperatur zum Betrieb der Dampfturbine 145 ist der Heizluftstrom L' über einen Vorlauf 142 mit dem solarthermischen Abhitzedampferzeuger 1 verbunden. Am Austritt des so- larthermischen Abhitzedampferzeugers 1 ist eine Verbindungs¬ leitung in Form eines Rücklaufs 141 zwischen dem solarthermischen Abhitzedampferzeuger 1 und dem Luftreceiver 133 des Solarturms 132 vorgesehen. Zur Förderung der Abluft aus dem solarthermischen Abhitzedampferzeuger 1 sind Gebläse 144 in den Rücklauf eingeschaltet. Der solarthermischen Abhitzedampferzeuger 1 weist eine Verdampferheizfläche 4 sowie eine Über¬ hitzerheizfläche 8 auf. So dass im Betrieb die gewünschte Frischdampftemperatur und der gewünschte Frischdampfdruck erzeugbar ist. Ein Heißgasspeicher oder Pufferbehälter 143 ver- bindet den Vorlauf 141 mit dem Rücklauf 142, so dass bedarfs¬ weise 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 Kraft- werksteil P sind durch diese Verschaltung zu einer Gesamtanlage integriert, wobei der solarthermischen Abhitzedampferzeuger 1 mit seinen Heizflächen in den Heißluftstrom L' des Luftreceivers 133 geschaltet ist. Somit ist eine thermodyna- mische Ankopplung des Heißluftstroms L' an den Wasser-Dampf- Kreislauf 150 der Dampfturbinenanlage gegeben. Im Betrieb werden die Heizflächen des solarthermischen Abhitzedampferzeugers 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 be- aufschlagt, so dass sich der Frischdampf F in der Dampfturbi¬ ne 145 arbeitsbringend entspannt und die Turbine antreibt. Die Dampfturbine 145 wiederum treibt den elektrischen Genera¬ tor 146 an, so dass elektrische Energie erzeugt ist. Abdampf- seitig kondensiert der Dampf in dem Kondensator 147 und wird wiederum über die Speisewasserpumpe 148 in die Vorwärmstrecke des solarthermischen Abhitzedampferzeugers 1 eingespeist.
FIG 4 zeigt ausgewählte Bauteile eines schematisch darge¬ stellten solarthermischen Abhitzedampferzeugers 1. Strömungs- medium strömt, getrieben durch eine nicht näher dargestellte Pumpe zunächst am Eintritt 2 in den Kreislauf, wobei zunächst eine Bypassleitung 3 abzweigt. Zur Regelung des Durchflusses der Bypassleitung ist ein Durchflussregelventil 6 vorgesehen, welches durch einen Motor 7 regelbar ist. Es kann auch ein einfaches Steuerventil vorgesehen sein, jedoch ist durch ein schnell reagierendes Regelventil eine bessere Einstellung der Unterkühlung am Verdampfereintritt möglich.
Ein Teil des Strömungsmediums strömt somit abhängig von der Stellung des Durchflussregelventils 6 in die Bypassleitung 3, ein anderer Teil strömt in eine erste Economizerheizfläche 10. Es können parallel zur Bypassleitung 3 auch weitere Economizerheizflächen vorgesehen sein. Am Austritt der Economizerheizfläche 10 wird an einer Mischstelle 12 das Strömungs- medium aus der Bypassleitung 3 und der Economizerheizfläche 10 vermischt. Der Mischstelle 12 ist eine weitere Economizerheizflache 14 nachgeschaltet. Nachdem das Strömungsmedium die Economizer- heizfläche 14 passiert hat, tritt es in den nachgeschalteten Verdampfer 16 am Verdampfereintritt 18 ein. Dem Verdampfer 16, der ebenso aus einer Anzahl von Heizflächen bestehen kann, sind weitere Bauteile wie beispielsweise eine Wasser- Dampf-Abscheideeinrichtung und weitere Überhitzerheizflächen nachgeschaltet . Heißgasseitig sind verschiedene Anordnungen der Economizer- heizflächen 10, 14 und des Verdampfers 16 möglich. Üblicherweise sind jedoch die Economizerheizflächen 10, 14 dem Verdampfer 16 heißgasseitig nachgeschaltet, da die Economizer das vergleichsweise kälteste Strömungsmedium führen und die Restwärme im Heißgaskanal nutzen sollen. Um einen reibungs¬ losen Betrieb des solarthermischen Abhitzedampferzeugers 1 zu gewährleisten, sollte am Verdampfereintritt 18 eine ausrei¬ chende Unterkühlung, d. h. eine ausreichende Differenz von aktueller Temperatur zur Sättigungstemperatur im Verdampfer vorliegen, so dass ausschließlich flüssiges Strömungsmedium vorliegt. Nur so kann sichergestellt werden, dass eine zuver¬ lässige Verteilung des Strömungsmediums auf die einzelnen Verdampferrohre im Verdampfer 16 erfolgt. Zur Regelung der Unterkühlung am Verdampfereintritt 18 sind an dieser Stelle eine Druckmesseinrichtung 20 sowie eine Temperaturmesseinrichtung 22 vorgesehen. Ein weiteres, schneller reagierendes Temperatursignal, welches nicht durch die Durch¬ laufzeit des Strömungsmediums durch die Economizerheizfläche 14 verzögert ist, wird von einer weiteren Temperaturmesseinrichtung 24 an der Mischstelle 12 bereitgestellt.
Regelungsseitig wird zunächst ein Unterkühlungssollwert 26 am Verdampfereintritt 18 vorgegeben. Dieser kann beispielsweise 3 K betragen, d. h., die Temperatur am Verdampfereintritt 18 soll 3 K unterhalb der Sättigungstemperatur im Verdampfer 16 liegen . Aus dem an der Druckmesseinrichtung 20 ermittelten Druck wird dazu zunächst die Sättigungstemperatur 28 im Verdampfer 16 ermittelt, da diese eine direkte Funktion des im Verdampfer 16 herrschenden Drucks ist. Diese Sättigungstemperatur 28 wird dann in einem Addierglied 30 zum negativen Unterkühlungssollwert 26 addiert. In einem weiteren Addierglied 32 wird darauf die an der Temperaturmesseinrichtung 22 gemessene Temperatur am Verdampfereintritt 18 abgezogen. Dadurch ergibt sich nun ein geeigneter Regelwert für eine Steuerung des Durchflussregelventils 6.
Bei schnellen Änderungen der dem solarthermischen Abhitzedampferzeuger 1 zugeführten Wärmemenge kann unter Umständen die Regelung der Durchflussmenge der Bypassleitung 3 zu langsam erfolgen, so dass eine ausreichende Unterkühlung am Verdampfereintritt 18 nicht mehr gewährleistet ist. Um eine prä- diktive Regelung zu ermöglichen, wird daher die Leistung 34 des dem Abhitzedampferzeuger solarthermischen vorgeschalteten Luftreceivers als Eingangssignal verwendet. Die Leistung 34 dient als Eingangssignal für ein Differenzierglied erster Ordnung (DTl-Glied) 36, welches bei Änderungen der Leistung 34 ein entsprechend skaliertes Ausgangssignal erzeugt. Dieses Ausgangssignal wird in einem weiteren Addierglied 38 zur ge¬ messenen Abweichung der Unterkühlung am Verdampfereintritt zum Sollwert addiert. Dadurch kann bereits zu Beginn einer Laständerung des Luftreceivers entsprechend reagiert werden und ein Stellimpuls für das Durchflussregelventil 6 erzeugt werden (es muss nicht erst eine gemessene Unter- oder Über¬ schreitung der Mindestunterkühlung abgewartet werden) . Je nach Konfiguration der beteiligten Komponenten kann so auch bei schnellen Laständerungen mit Hilfe dieses zusätzlichen Vorsteuersignals eine ausreichende Mindestunterkühlung am Verdampfereintritt 18 sichergestellt werden.
Obwohl mit dieser zusätzlichen Maßnahme in den meisten Fällen vermutlich die gewünschte Mindestunterkühlung am Verdampfereintritt 18 gewährleistet werden kann, muss aufgrund des trä¬ gen Zeitverhaltens der Steuerung mit entsprechenden Schwan- kungen der Verdampfereintrittsunterkühlung gerechnet werden, was sich nachteilig auf die Speisewasserdurchflussregelung auswirkt und daher in mehr oder minder starken Temperaturschwankungen am Verdampferaustritt mündet.
Abhilfe schafft hier die zusätzliche Temperaturmesseinrich¬ tung 24 nach der Mischstelle 12. Ändert sich aufgrund eines Regeleingriffs der Teilstrom durch die Bypassleitung 3, werden die damit auftretenden Temperaturänderungen des Strö- mungsmediums bereits an der Mischstelle 12, d. h. vor dem
Eintritt in die weitere Economizerheizfläche 14 erfasst, was im Fall von nur einer Temperaturmesseinrichtung 22 am Verdampfereintritt 18 bzw. Austritt der Economizerheizfläche 14 in Folge der Durchlaufzeit durch die Economizerheizfläche 14 nur entsprechend zeitverzögert erfolgen könnte. Diese Mess¬ information wird auf den negativen Regelwert in einem Addierglied 44 addiert.
Es bleibt allerdings zu beachten, dass das zeitliche Verzöge- rungsverhalten der Economizerheizfläche 14 berücksichtigt werden muss, damit auf bereits durchgeführte Regeloperationen (ausgelöst durch die Änderung der Strömungsregelungstempera- tur am Eintritt der Economizerheizfläche 14) nicht ein weite¬ rer Regeleingriff erfolgt (nachdem die Temperaturänderung am Austritt der Economizerheizfläche 14 angekommen ist) . Dazu wird das Temperatursignal der Temperaturmesseinrichtung 24 nach der Addition in einem PTn-Glied 40 verarbeitet, welches das zeitliche Verzögerungsverhalten der Economizerheizfläche 14 simuliert. Das erhaltene Ausgangssignal wird in einem wei- teren Addierglied 42 auf den bisherigen Regelwert addiert und gleicht eine Doppeltberücksichtigung somit wieder aus.
Der so ermittelte Regelwert wird an einen Regler 46 weiter¬ geleitet, welcher den Motor 7 des Durchflussregelventils 6 der Bypassleitung 3 ansteuert.
FIG 5 zeigt eine schematische Darstellung einer Variante des Regelkreises aus Abbildung 1. Im Unterschied zur FIG 4 wird hier anstatt der Leistung 34 des Luftreceivers 133 die bilan¬ zierte Heißgaswärme 48 als Eingangssignal für das DTl-Glied 36 verwendet. Die bilanzierte Heißgaswärme 48 wird ermittelt aus der Differenz der Heißgasenthalpie am Verdampfereintritt 18 und der Heißgasenthalpie am Verdampferaustritt (siehe Be¬ schreibung weiter vorn) sowie durch den Heißgasmassenstrom. Somit ist die bilanzierte Heißgaswärme 48 ein direkterer In¬ dikator für die dem solarthermischen Abhitzedampferzeuger 1 zugeführte Wärmemenge als die Heißgas-Leistung 34 des vorge- schalteten Luftreceivers 133. Somit ist eine noch bessere Re¬ gelung der Temperatur am Verdampfereintritt 18 möglich.
Weiterhin zeigt FIG 5 ein weiteres DTl-Glied 50, welches ein Ausgangssignal bei Änderungen der Sättigungstemperatur im Verdampfer 16 erzeugt. Dieses Ausgangssignal wird im Addier¬ glied 38 dem Regelkreis zugeführt. Dadurch kann auch bei ei¬ ner stationären Wärmezufuhr in den solarthermischen Abhitzedampferzeuger 1 bei einer schnellen Änderung des Drucks und damit der Sättigungstemperatur 28 im Verdampfer 16 eine aus- reichende Unterkühlung am Verdampfereintritt 18 sicherge¬ stellt werden.
Insgesamt ist durch das dargestellte Regelkonzept ein wesent¬ lich sicherer und zuverlässigerer Betrieb des solarthermi- sehen Abhitzedampferzeugers 1 möglich.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines solarthermischen Abhitzedampferzeugers (1), umfassend einen Verdampfer (16), einen Economizer mit einer Anzahl von Economizerheizflachen (10, 14) und einer zu der Anzahl von Economizerheizflachen (10) strömungsmediumsseitig parallel geschalteten Bypassleitung (3), bei dem eine für die dem Abhitzedampferzeuger (1) zugeführte Wärmeenergie charakteristische Kenngröße zur Steuerung oder Regelung der Durchflussmenge der Bypassleitung (3) verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem bei einer Erhöhung der Kenngröße die Durchflussmenge der Bypassleitung (3) ver- mindert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem bei einer Verringerung der Kenngröße die Durchflussmenge der Bypassleitung (3) erhöht wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Temperatur an der Mischstelle (12) am Austritt der Bypasslei¬ tung (3) zur Steuerung oder Regelung der Durchflussmenge der Bypassleitung (3) verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Sättigungstemperatur (28) im Verdampfer (16) zur Steuerung oder Regelung der Durchflussmenge der Bypassleitung (3) verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die bilanzierte Heißgaswärme (48) des Verdampfers (16) als für die dem solarthermischen Abhitzedampferzeuger (1) zugeführte Wärmeenergie charakteristische Kenngröße verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das bei einem Solarturm-Kraftwerk (129) durchgeführt wird, wobei als Strömungsmedium Speisewasser in den Verdampfer (16) durch indirekten solaren Wärmeeintrag erwärmt und verdampft wird.
8. Solarthermischer Abhitzedampferzeuger (1) mit einem Verdampfer (16), einem Economizer mit einer Anzahl von Economi- zerheizflächen (10, 14), mit einer zu einer Anzahl von Econo- mizerheizflächen (10) strömungsmediumsseitig parallel ge¬ schalteten Bypassleitung (3) mit einem Durchflusssteuer- oder Durchflussregelventil (6), mit einer Temperatur- und Druck¬ messeinrichtung (24) am Verdampfereintritt (18) und gegebe¬ nenfalls einer Temperaturmesseinrichtung (24) an der Mischstelle (12) am Austritt der Bypassleitung (3) und einer mit den vorgenannten Messeinrichtungen (24) und dem Durchflusssteuer- oder Durchflussregelventil (6) datenseitig verbunde¬ nen Steuereinrichtung, welche zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis (7) ausgelegt ist.
9. Dampfturbinenanlage mit einem solarthermischen Abhitze¬ dampferzeuger (1) nach Anspruch 8.
PCT/EP2012/051850 2011-02-17 2012-02-03 Verfahren zum betreiben eines solarthermischen abhitzedampferzeugers Ceased WO2012110330A2 (de)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150240792A1 (en) * 2014-02-24 2015-08-27 Alstom Technology Ltd Solar thermal power system

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108561866A (zh) * 2018-04-20 2018-09-21 青岛中正周和科技发展有限公司 一种连通管管径变化的太阳能蒸汽发生器
CH715206A2 (de) * 2018-07-27 2020-01-31 Eni Spa Verfahren zur Isolation einer Prozesseinheit und Prozesseinheit mit einem isolierenden Bereich.
CN114543058B (zh) * 2022-02-25 2023-07-21 中国科学院电工研究所 一种基于太阳能的高温蒸汽发生器
EP4345399A1 (de) * 2022-09-28 2024-04-03 ETH Zurich Solarempfänger für hochtemperaturanwendungen

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
IT1118685B (it) * 1979-05-17 1986-03-03 Francia Giovanni Sistema di regolazione per una caldaia ad energia solare
US4485803A (en) * 1982-10-14 1984-12-04 The Babcock & Wilcox Company Solar receiver with interspersed panels
DE10144841B9 (de) * 2001-09-06 2004-10-21 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Solarthermisches Gas- und Dampfkraftwerk und Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie
US20060174622A1 (en) * 2005-02-09 2006-08-10 Mark Skowronski Electrical generating system using solar energy and gas turbine
EP2224164A1 (de) * 2008-11-13 2010-09-01 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zum Betreiben eines Abhitzedampferzeugers

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150240792A1 (en) * 2014-02-24 2015-08-27 Alstom Technology Ltd Solar thermal power system
US9995285B2 (en) * 2014-02-24 2018-06-12 Alstom Technology Ltd. Method for operating a solar thermal power system with an economizer recirculation line

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