Wärmetauscher zur Dampferzeugung für ein solarthermisches Kraftwerk |
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申请号 | EP09008287.6 | 申请日 | 2009-06-24 | 公开(公告)号 | EP2278220B1 | 公开(公告)日 | 2014-03-05 |
申请人 | Balcke-Dürr GmbH; | 发明人 | Stahlhut, Jörg, Dipl.-Ing.; Hegner, Wolfgang Dr.; Band, Dirk; | ||||
摘要 | |||||||
权利要求 | |||||||
说明书全文 | Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zur Erzeugung eines Dampfstroms für ein solarthermisches Kraftwerk. Faktoren, wie beispielsweise stärkeres Umweltbewusstsein in der Wirtschaft und Politik, Verteuerung und Verknappung der fossilen Brennstoffe, haben in den letzten Jahrzehnten zu einem Umdenken im Bereich der Stromerzeugung geführt. Neue Technologien haben zur verstärkten Nutzung der regenerativen Wind- und Solarenergie geführt. Insbesondere solarthermische Anlagen mit Parabolrinnen-Kollektoren haben sich inzwischen großtechnisch durchgesetzt, so dass bereits Anlagen in den USA und Europa in Betrieb genommen worden sind und weitere Großanlagen demnächst noch hinzukommen werden. In solarthermischen Kraftwerken mit Parabolrinnen-Kollektoren wird das Sonnenlicht mittels parabolförmiger Spiegel auf die Absorberrohre gebündelt, so dass das in den Absorberrohren befindliche Thermo-Öl auf eine Temperatur von circa 400 °C erhitzt wird. Mit Hilfe von Wärmetauschern wird dem Thermo-Öl thermische Energie entzogen und auf Wasser zwecks Verdampfung übertragen, so dass der dadurch erzeugte Wasserdampf in einem angeschlossenen Dampfkraftwerk auf herkömmliche Weise eine Turbine zur Stromproduktion antreibt. Herkömmlich, wie in Es hat sich gezeigt, dass bei solarthermischen Kraftwerken und ihrer charakteristischen zyklischen Betriebsweise eine Dampfabtrennung im selben Mantel mittels Erweiterung des Manteldurchmessers von Nachteil ist. Der erweiterte Manteldurchmesser erfordert eine Vergrößerung der Mantelwanddicken, welche sich nachteilig auf die Thermoelastizität der Wärmetauscher auswirkt, das heißt die maximal zulässigen Temperaturgradienten während des Anfahr- und Wechsellastbetriebes des Kraftwerkes reduziert und demzufolge die Kraftwerksverfügbarkeit bei erhöhtem Materialermüdungsrisiko verringert. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher zur Dampferzeugung für ein solarthermisches Kraftwerk anzugeben, welcher die erwähnten Nachteile im Stand der Technik reduziert oder überwindet. Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1. Die abhängigen Ansprüche sind auf vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung gerichtet. Der erfindungsgemäße Wärmetauscher zur Erzeugung eines Dampfstroms für ein solarthermisches Kraftwerk umfasst einen Mantel zur Aufnahme eines mantelseitigen Fluids und Rohre, die innerhalb des Mantels verlaufen, für ein rohrseitiges Fluid. Die Wärme wird über die Rohre von dem rohrseitigen Fluid auf das mantelseitige Fluid übertragen, wobei das rohrseitige Fluid ein Thermo-Öl oder Salz und das mantelseitige Fluid Wasser ist. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Wärmetauschers kann der Durchmesser des Mantels deutlich verringert werden. Der Einsatz von Sammlern anstelle von Rohrscheiben reduziert die mechanisch erforderlich Wanddicken sogar noch weiter. Dadurch lassen sich die maximal zulässigen Temperaturgradienten während des Anfahr- und Wechsellastbetriebes erheblich steigern, was zu einer größeren Thermoelastizität und Verfügbarkeit des Kraftwerks führt. Die erhöhte thermische Elastizität steigert darüber hinaus die Betriebssicherheit, da das Risiko der Materialermüdung und Thermorisse deutlich verringert wird. Der Wärmetauscher umfasst einen Fluideintrittskanal, welcher sich an eine Eintrittsöffnung für das mantelseitige Fluid anschließt und zumindest einen Teil der Rohre in der Weise umgibt, dass der Fluideintrittskanal als eine Vorwärmerstrecke und/oder ein Strömungsrichter für das in den Mantel eintretende mantelseitige Fluid ausgebildet ist. Gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung durchläuft das in den Wärmetauschermantel eintretende kalte Wasser zunächst diesen Fluideintrittskanal, bevor es sich mit dem bereits erwärmten Wasser bzw. Wasser-Dampf-Gemisch im Wärmetauscher vermischt. Hierdurch wird in gewisser Weise eine integrierte Vorwärmestrecke gebildet, was sich thermodynamisch und strömungstechnisch als günstig erweist. Des Weiteren dient der Fluideintrittskanal als Strömungsrichter. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umgibt der Fluideintrittskanal circa 1/8 der Oberflächen der Rohre. Der Fluideintrittskanal ist vorzugsweise kastenförmig aufgebaut und umschließt einen Teil der wärmeabgebenden Rohroberflächen. Der Fluideintrittskanal kann auch zylinderförmig ausgeführt sein. Dabei beträgt das Verhältnis der vom Fluideintrittskanal umschlossenen Rohroberfläche zur gesamten Rohroberfläche im Wärmetauscher 1/8. Je nach Anwendungsfall kann dieser Wert angepasst werden. Weiterhin bevorzugt umfasst der Wärmetauscher einen Fluidaustrittskanal, welcher im Bereich einer Austrittsöffnung für das mantelseitige Fluid in der Weise angeordnet ist, dass der Fluidaustrittskanal als ein Strömungsrichter und/oder Wasserabscheider für das aus dem Mantel austretende mantelseitige Fluid ausgebildet ist. Hierdurch wird für eine gerichtete Strömung des aus dem Wärmetauscher austretenden Dampfes gesorgt. Ferner kann der Fluidaustrittskanal Elemente umfassen, die einer besseren Wasser- bzw. Tropfenabscheidung dienen. Die Rohre sind als horizontales Mäander-Rohr-Bündel ausgebildet. Hierdurch wird in kompakter Weise eine große Oberfläche zur Wärmeübertragung bzw. Dampferzeugung und eine möglichst lange Verweilzeit des wärmeabgebenden Thermo-Öls im Wärmetauscher zur Verfügung gestellt. Die Dimension und Anordnung des Rohrbündels können dem jeweiligen Anwendungsfall entsprechend optimal ausgelegt werden. Weiter weist der erfindungsgemäße Wärmetauscher eine Dampftrommel auf, welche oberhalb des Wärmetauschers angeordnet ist und durch Steig- und Fallleitungen an den Wärmetauscher gekoppelt ist. Der im Wärmetauscher gebildete Dampf gelangt über Steigleitungen zur Dampftrommel, von der er zur weiteren Verwendung bzw. Überhitzung entnommen wird. Über Fallleitungen kann das Kondensat aus der Dampftrommel abgeführt und zum Wärmetauscher zurückgeführt werden. Die Anordnung der Dampftrommel oberhalb des Wärmetauschers erlaubt einen Naturumlauf. Je nach Anwendungsfall kann auch ein Zwangsumlauf mittels einer Pumpe in Frage kommen. Vorzugsweise weist die Dampftrommel einen Frischwassereinlass auf. Dadurch kann eine separate wärmetauscherseitige Eintrittsöffnung für das mantelseitige Fluid, Wasser, entfallen. Das zu erhitzende Wasser gelangt gemäß dieser Ausführungsform über den Frischwassereinlass in die Dampftrommel und weiter über die Fallleitungen in den Wärmetauscher. Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen schematisch:
Das zu erhitzende Wasser tritt mit einer Temperatur von circa 300 °C und einem Druck von circa 110 bar über den Wassereinlassstutzen 12 oder in den Wärmetauscher 1. Über eine Eintrittsöffnung 13 strömt das kalte Wasser zunächst in einen Fluideintrittskanal 14. Hierbei ist der Fluideintrittskanal 14 gewinkelt kastenförmig aufgebaut und weist eine rechteckige Öffnung 14' auf, so dass das Wasser nach dem Eintritt in Richtung des Pfeils 15 zwangsgeführt wird und erst nach dem Passieren der Öffnung 14' mit bereits erhitztem Wasser bzw. Wasser-Dampf-Gemisch in Kontakt tritt. Der Fluideintrittskanal 14 dient somit der Strömungsführung und der Vorwärmung des kalten Wassers. Der Fluideintrittskanal 14 schließt einen Teil der das wärmeabgebende Thermo-Öl führende Rohre 20 ein, so dass es innerhalb des Kanals 14 zu einer erzwungenen Konvektion kommt. Es hat sich dabei herausgestellt, dass das Verhältnis der von dem Fluideintrittskanal 14 eingeschlossenen Oberfläche der Rohre 20 zur Gesamtoberfläche der im Wärmetauscher 1 befindlichen Rohre 20 idealerweise circa 1/8 beträgt. Durch den Wärmeübergang vom Thermo-Öl zum Wasser wird im Wärmetauscher 1 Wasserdampf gebildet, so dass dort ein Gemisch aus Wasser und Dampf vorliegt, wobei aufgrund des Dichteunterschieds der gebildete Wasserdampf in Richtung der Dampftrommel 30 aufsteigt und Wasser sich vorwiegend im Bodenbereich des Wärmetauschers 1 befindet. Über die Öffnungen 32, die sich vorzugsweise im vertikal oberen Bereich des Wärmetauschers 1 befinden, gelangt der Dampf in die Steigleitungen 31 und weiter in die Dampftrommel 30. Von dort wird der Dampf über den Anschluss 35 entnommen und weiter verwendet. Vorzugsweise ist ein weiterer Wärmetauscher (nicht dargestellt) zur Überhitzung des Dampfes angeschlossen. Über die Fallleitungen 33 und die Öffnungen 34 wird das in der Dampftrommel 30 befindliche Kondensat wieder dem Wärmetauscher 1 zugeführt. Der aus der Dampftrommel 30 entnommene Dampf weist im Mittel eine Temperatur von circa 380 °C und einen Druck von circa 108 bar auf. Temperaturen und Drücke der Fluide in dem Wärmetauscher können je nach Kraftwerksstandort oder -größe variieren. |