Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines bekannten Kraftwerkskonzepts mit einer Dampferzeugungsstufe und einer Dampfturbine;

2 ein Temperatur-Enthalpie-Diagramm in schematischer Darstellung für das Kraftwerkskonzept gemäß 1;

3 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Dampferzeugungsstufe;

4 ein Temperatur-Enthalpie-Diagramm für die Dampferzeugungsstufe gemäß 3;

5 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Dampferzeugungsstufe;

6 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Dampferzeugungsstufe;

7 ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Dampferzeugungsstufe;

8 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für die integrale Beheizung von Verdampfer und Erhitzung von Arbeitsmedium und

9 ein weiteres Ausführungsbeispiel für die integrale Beheizung von Verdampfer und Erhitzung von Arbeitsmedium.

Ein bekanntes Kraftwerk, welches in 1 gezeigt und dort als Ganzes mit 10 bezeichnet ist, umfaßt eine Dampferzeugungsstufe 12 und eine Turbinenstufe 14. Die Dampferzeugungsstufe 12 umfaßt einen Vorwärmer 16, einen Verdampfer 18 und einen Überhitzer 20. Vorwärmer 16, Verdampfer 18 und Überhitzer 20 weisen jeweils Wärmetauscherflächen 22 auf, an denen Wasser bzw. Dampf Wärme aufnehmen kann zur Vorwärmung (im Vorwärmer 16), zur Verdampfung (im Verdampfer 18) oder zur Überhitzung des Dampfes (im Überhitzer 20).

Ein Ausgang 23 des Überhitzers 20, welcher ein Ausgang für überhitzten Dampf ist, ist an eine Dampfturbine 24 gekoppelt, welche einen Generator 26 antreibt. In der Dampfturbine 24 findet eine Entspannung des Dampfes statt und die entsprechende mechanische Energie wird zur Erzeugung elektrischen Stroms eingesetzt.

Von der Dampfturbine 24 führt eine Leitung 28 zu einem Eingang 30 des Vorwärmers 16. Der Eingang 30 ist ein Eingang für Speisewasser. Dieses Speisewasser wird in dem Vorwärmer 16 vorgewärmt.

In der Leitung 28 ist ein Wärmetauscher 32 angeordnet. Das (flüssige) Speisewasser wird über eine Pumpe 34 zu dem Vorwärmer 16 befördert.

Ein Ausgang 36 des Vorwärmers 16 ist mit einem Eingang 38 des Verdampfers 18 verbunden. An dem Eingang 38 wird dem Verdampfer 18 vorgewärmtes Wasser bereitgestellt.

Ein Ausgang 40 des Verdampfers 18 ist mit einem Eingang 42 des Überhitzers 20 verbunden. Über den Ausgang 40 wird dem Überhitzer 20 Dampf zur Überhitzung im Überhitzer 20 bereitgestellt.

Die Dampferzeugungsstufe 12 und die Turbinenstufe 14 sind über einen Wasser/Dampf-Kreislauf 44 miteinander verbunden.

Zur Beheizung des Vorwärmers 16, des Verdampfers 18 und des Überhitzers 20 ist ein Arbeitsmedium-Kreislauf 46 vorgesehen, wobei der Vorwärmer 16, der Verdampfer 18 und der Überhitzer 20 an eine Arbeitsmediumführung 48 gekoppelt sind. In der Arbeitsmediumführung 48 ist eine Heizquelle 50 angeordnet, in welcher das in dem Arbeitsmedium-Kreislauf 46 geführte Arbeitsmedium wie Luft aufheizbar ist. Beispielsweise wird das Arbeitsmedium über die Heizquelle 50 solar oder über Verbrennungsvorgänge aufgeheizt. Das in der Heizquelle 50 aufgeheizte Arbeitsmedium wird einem Eingang 52 des Überhitzers 20 zugeführt, um entsprechend für die Überhitzung des durch den Überhitzer 20 durchgeführten Dampfes zu sorgen. Nach Durchströmung des Überhitzers 20 durchströmt das entsprechend abgekühlte Arbeitsmedium den Verdampfer 18. Im Verdampfer 18 bewirkt das Arbeitsmedium die Verdampfung des Wassers. Von dem Verdampfer 18 wird es dann dem Vorwärmer 16 zugeführt. Dort wird die Restwärme des Verdampfers 18 genutzt, um über den Eingang 30 eingekoppeltes Speisewasser vorzuwärmen.

Von einem Ausgang 54 des Vorwärmers 16, welcher ein Ausgang für Arbeitsmedium ist, wird das Arbeitsmedium dann zu der Heizquelle 50 zur Aufheizung zurückgeführt.

Ein solches Kraftwerkschema ist beispielsweise in der 6 des Artikels "An Update on Solar Central Receiver Systems, Projects, and Technologies" von M. Romero et al. in Transactions of the ASME, Vol. 124, May 2002, Seiten 98–108 gezeigt.

In der unten stehenden Tabelle sind beispielhaft typische Temperaturen an den Punkten a, b, c, d im Wasser/Dampf-Kreislauf 44 und an den Punkten e und f im Arbeitsmedium-Kreislauf 46 für das Kraftwerk 10 angegeben, wenn man von einem Verdampferdruck von 120 bar ausgeht und von Luft als Arbeitsmedium. Damit überhitzter Dampf mit einer Temperatur von 540°C der Dampfturbine 24 zugeführt werden kann, muß Luft als Arbeitsmedium mit einer Temperatur von 800°C in den Überhitzer 20 am Eingang 52 eingekoppelt werden.

In 2 ist schematisch die Temperatur über der Enthalpie (übertragenen Wärme) für das Kraftwerkskonzept gemäß 1 gezeigt. Die Kurve 56 zeigt die T-H-Abhängigkeit für Luft als Arbeitsmedium. Die Abhängigkeit ist im wesentlichen linear; je höher die Temperatur, desto höher ist auch die Wärme, die übertragen werden kann.

Die untere Kurve 58 entspricht Wasser/Dampf. Sie umfaßt einen im wesentlichen linearen Vorwärmbereich für das Durchlaufen des Vorwärmers 16, einen im wesentlichen temperaturunabhängigen Verdampfungsbereich für die Verdampfung im Verdampfer 18 und einen Überhitzungsbereich 64, welcher im wesentlichen linear ist, für die Überhitzung des im Verdampfer 18 erzeugten Dampfes im Überhitzer 20.

Der Pinch-Point ist definiert als diejenige Enthalpie, an welcher die Kurven 56 und 58 den minimalen Abstand haben. Er ist in 2 mit 66 bezeichnet. Dieser Pinch-Point legt die Eintrittstemperatur des Arbeitsmediums am Eingang 52 des Überhitzers 20 und die Austrittstemperatur am Vorwärmer 16 fest. Da aufgrund des Verdampfers 18 die Temperatur für die Kurve 56 am Pinch-Point 66 relativ hoch liegt, muß die Eintrittstemperatur am Eingang 52 entsprechend hoch gewählt werden.

Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, daß der Verdampfer in einer Dampferzeugungsstufe mindestens von dem Überhitzer getrennt ist, um so die Pinch-Point-Problematik zu umgehen.

Bei einem ersten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung umfaßt eine Dampferzeugungsstufe 68 einen Arbeitsmedium-Kreislauf 70. In die entsprechende Arbeitsmediumführung 72 ist ein Überhitzer 74 und diesem bezüglich der Arbeitsmediumführung nachgeschaltet ein Vorwärmer 76 angeordnet. Des weiteren ist eine Heizquelle 78 in dem Arbeitsmedium-Kreislauf 70 angeordnet. Über die Heizquelle 78, bei der es sich um einen Strahlungsempfänger wie beispielsweise um einen Absorber für Solarstrahlung oder um einen volumetrischen Receiver handeln kann, wird das Arbeitsmedium aufgeheizt, wobei das Arbeitsmedium als "sekundäre" Heizquelle dann wiederum den Überhitzer 74 und den Vorwärmer 76 heizt.

Es kann auch vorgesehen sein, daß in dem Arbeitsmedium-Kreislauf 70 ein Wärmespeicher 80 angeordnet ist, um Wärme speichern zu können. Als Wärmespeicher 80 können bei Luft als Arbeitsmedium beispielsweise Schüttgutspeicher oder Sandspeicher eingesetzt werden.

Mittels des Überhitzers 74 und des Vorwärmers 76 ist ein erstes Heizsystem 82 gebildet, über das sich Wasser/Dampf beheizen läßt. Der Vorwärmer 76 heizt Speisewasser vor und der Überhitzer 74 überhitzt Dampf, welcher von einem Verdampfer 84 erzeugt wurde. Der Verdampfer 84 selber ist an ein zweites Heizsystem 86 gekoppelt oder ist ein Teil dieses Heizsystems. Dieses zweite Heizsystem 86 weist selber eine Heizquelle auf. Diese Heizquelle beheizt direkt oder indirekt den Verdampfer 84, um aus dem durch den Vorwärmer 76 vorgewärmten Wasser Dampf zu erzeugen.

Bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Verdampfer 84 direkt solar beheizt, d. h. er ist mit entsprechenden Absorberflächen versehen, auf die konzentrierte Solarstrahlung gerichtet ist. Es erfolgt dann eine Aufheizung des den Verdampfer durchströmenden Wassers, welche zur Dampfbildung führt. Der Verdampfer 84 stellt damit eine Art "sekundäre" Heizquelle dar.

Das zweite Heizsystem 86 ist bezüglich der Beheizung unabhängig von dem ersten Heizsystem 82 zur Heizung des Überhitzers 74 und bezüglich der Beheizung entkoppelt vom Überhitzer 74.

Dadurch läßt sich ein Verdampferpfad 88 des zweiten Heizsystems 86 getrennt von dem Arbeitsmedium-Kreislauf 70 optimieren. Durch die Trennung von Verdampfung und Überhitzung in zwei Heizsysteme 86, 82 lassen sich die entsprechenden Temperaturniveaus getrennt anpassen. Dadurch läßt sich eine Verbesserung im Gesamtwirkungsgrad erzielen, der 10 % oder mehr betragen kann. (Der Gesamtwirkungsgrad bezieht sich auf ein Kraftwerk mit Turbinenstufe. Die Turbinenstufe bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 ist grundsätzlich gleich ausgebildet wie oben im Zusammenhang mit der 1 beschrieben.)

Das Arbeitsmedium läßt sich mit niedrigerer Temperatur in den Überhitzer 74 einkoppeln. Dadurch wiederum sind die Materialanforderungen für den Überhitzer 74 reduziert, so daß sich diese Komponente kostengünstiger herstellen läßt und entsprechend der Wartungsaufwand auch verringert ist.

In der oben genannten Tabelle sind die entsprechenden Temperaturen wiederum für die Punkte a (Eingang Vorwärmer), b (Eingang Verdampfer), c (Eingang Überhitzer) und d (Ausgang Überhitzer) sowie e (Eingang für Arbeitsmedium des Überhitzers) und f (Ausgang des Vorwärmers für Arbeitsmedium) angegeben. Bei gleicher Austrittstemperatur des Dampfes (Punkt d) im Vergleich zu der konventionellen Lösung gemäß 1 kann die Zuführungstemperatur des Arbeitsmediums (Punkt e) um ca. 200°C erniedrigt werden. Die Zahlenbeispiele beruhen darauf, daß auch im Verdampfer 84 wiederum ein Verdampferdruck von 120 bar herrscht.

In 4 ist ein entsprechendes T-H-Diagramm für das Kraftwerkskonzept gemäß 3 dargestellt. Die Kurve 90 ist die T-H-Kurve für Luft als Arbeitsmedium, welches im ersten Heizsystem 82 geheizt wird. Die darunterliegende Kurve 92 ist die Wasser/Dampf-Kurve für das Durchlaufen des ersten Heizsystems 82 der Dampferzeugungsstufe 68. Diese Kurve 92 weist einen Vorwärmbereich 94 und einen Überhitzungsbereich 96 auf. Der Verdampfungsbereich, wie er in 2 mit dem Bezugszeichen 62 gezeigt ist, "fehlt" hier, da der Verdampfer 84 nicht in dem ersten Heizsystem 82 enthalten ist, sondern an das zweite Heizsystem 86 gekoppelt ist.

Der Pinch-Point liegt dadurch nicht an einem Übergang zwischen dem Vorwärmbereich 94 und einem Verdampfungsbereich (da ja ein solcher Verdampfungsbereich nicht vorhanden ist). Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, entsprechend die Eintrittstemperatur für Arbeitsmedium (Punkt e) im Vergleich zu dem konventionellen Konzept gemäß 1 abzusenken. Der Pinch-Point ist vorgebbar und wird eben so gewählt, daß auf einer entsprechend niedrigeren Temperatur Arbeitsmedium dem Überhitzer 74 zuführbar ist. In der 4 liegt der Pinch-Point 98 bei der maximal übertragbaren Wärme, d. h. bei der höchsten Temperatur.

Durch die Trennung der Beheizung des Überhitzers 74 (zusammen mit dem Vorwärmer 76) gegenüber dem Verdampfer 84 in ein erstes Heizsystem 82 und in ein zweites Heizsystem 86 ist die "sekundäre" Heizquelle, mittels welcher direkt Wärme auf Wasser/Dampf übertragen wird, in den beiden Heizsystemen getrennt. In dem ersten Heizsystem 82 überträgt Arbeitsmedium in dem Überhitzer 74 Wärme auf den zu überhitzenden Dampf. Dieses Arbeitsmedium steht nicht in Wärmekontakt mit dem Verdampfer 84. Der Verdampfer 84 selber wird durch eine getrennte Heizquelle geheizt.

Dies schließt aber nicht aus, daß beide Heizsysteme 82 und 86 die gleiche primäre Heizquelle aufweisen, wie beispielsweise Solarstrahlung. Beispielsweise kann die Beheizung des zweiten Heizsystems 86 mit dem Verdampfer 84 über eine oder mehrere Kollektorrinnen erfolgen mit direkter Verdampfung oder mittels eines Wärmeübertragungsmediums wie Thermoöl oder Salz, wie unten noch beschrieben. Der Verdampfer 84 kann beispielsweise auch an einem Turm angeordnet sein, wobei konzentrierte Solarstrahlung für die Erhitzung sorgt. Es ist auch möglich, daß der Verdampfer 84 mittels Verbrennungsvorgängen geheizt wird.

Das erste Heizsystem 82 kann solar beheizt werden oder über Verbrennung beheizt werden. Bei der Heizquelle 78 selber kann es sich beispielsweise um einen volumetrischen Receiver handeln.

Bei dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 3 ist der Vorwärmer 76 in das erste Heizsystem 82 eingebunden, d. h. der Vorwärmer 76 wird mittels Restwärme des Überhitzers 74 geheizt. Es ist aber auch möglich, daß der Vorwärmer in das zweite Heizsystem 86 eingebunden ist und dadurch über Restwärme des Verdampfers 84 geheizt wird (in der Figur nicht gezeigt).

Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Dampferzeugungsstufe, welche in 5 als Ganzes mit 100 bezeichnet ist, ist der Arbeitsmedium-Kreislauf 70 grundsätzlich gleich aufgebaut, wie im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel 68 beschrieben. Es werden deshalb hier gleiche Bezugszeichen verwendet. (In dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 ist kein Wärmespeicher gezeigt.) Entsprechend ist auch das erste Heizsystem 82 gleich ausgebildet.

Ein zweites Heizsystem 102 umfaßt einen Verdampfer 104, welcher in einem Kreislauf 106 für Wärmeübertragungsmedium angeordnet ist. In diesem Kreislauf 106 ist das Wärmeübertragungsmedium, wie beispielsweise Thermoöl, geführt. Der Kreislauf 106 umfaßt dazu eine Heizquelle 108, in welcher das Wärmeübertragungsmedium aufgeheizt wird. Es wird dann einem Eingang 110 des Verdampfers 104 zugeführt, wobei dieser Eingang 110 ein Eingang für Wärmeübertragungsmedium ist. Von einem Ausgang 112 wird abgekühltes Wärmeübertragungsmedium zu der Heizquelle 108 zurückgeführt. Beim Durchlaufen der Strecke zwischen dem Eingang 110 und dem Ausgang 112 in dem Verdampfer 104 gibt das Wärmeübertragungsmedium Wärme an in den Verdampfer 104 eingekoppeltes Wasser ab, um Dampf zu erzeugen.

Die Heizquelle 108 kann solar beheizt sein.

In der obigen Tabelle sind für das Ausführungsbeispiel gemäß 5 an den Punkten g und h typische Temperaturen angegeben, wenn als Wärmeübertragungsmedium ein Thermoöl eingesetzt wird. Der Punkt g liegt in der Niedertemperaturseite des Kreislaufs 106 und der Punkt h in der Hochtemperaturseite.

Es ergeben sich wiederum die oben geschilderten Vorteile.

Bei einem dritten Ausführungsbeispiel, welches in 6 gezeigt und dort als Ganzes mit 114 bezeichnet ist, ist das erste Heizsystem und der Arbeitsmedium-Kreislauf grundsätzlich gleich ausgebildet wie oben. Es werden deshalb gleiche Bezugszeichen verwendet. Es kann auch ein Wärmespeicher 80 in dem Arbeitsmedium-Kreislauf 70 vorgesehen sein.

Es ist hier vorgesehen, daß in dem Kreislauf 106 parallel zu dem Eingang 110 und dem Ausgang 112 des Verdampfers 104 ein Wärmespeicher 116 angeordnet ist. Über diesen Wärmespeicher 116 läßt sich erhitztes Wärmeübertragungsmedium zwischenspeichern und bei ausfallender Heizquelle 108 bzw. bei verminderter Heizleistung der Heizquelle 108 läßt sich dem Verdampfer 104 aufgeheiztes Wärmeübertragungsmedium aus dem Wärmespeicher 116 zuführen. Dadurch kann beispielsweise bei einem solarthermischen Kraftwerk bei Wolkenbedeckung die Verdampfung zumindest für einen gewissen Zeitraum aufrechterhalten werden.

Bei dem Wärmespeicher 116 kann es sich beispielsweise um einen Ölspeicher, Betonspeicher oder Salzspeicher handeln. Wenn als Wärmeübertragungsmedium Salz verwendet wird, dann kann dieses Salz in dem Wärmespeicher 116 direkt gespeichert werden.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Dampferzeugungsstufe, welche in 7 als Ganzes mit 118 bezeichnet ist, ist ein Turm 120 vorgesehen, an dem beabstandet zu dem Boden 122 ein Verdampfer 124 sitzt. Der Verdampfer 124 umfaßt beispielsweise Absorberrohre, auf die konzentrierte Solarstrahlung 126 gerichtet ist. Zur Konzentration der Solarstrahlung ist ein Heliostatenfeld 128 mit einer Mehrzahl von Heliostaten 130 vorgesehen. Diese richten konzentrierte Solarstrahlung auf den Verdampfer 124.

An dem Turm 120 sitzt beabstandet zu dem Boden 122 weiterhin ein Luftreceiver 132, auf den ebenfalls konzentrierte Solarstrahlung gerichtet ist. Über den Luftreceiver 132 wird Luft als Arbeitsmedium erwärmt.

Heiße Luft wird vom Luftreceiver 132 zu einem Überhitzer 134 geführt. Dies ist durch einen Pfeil 136 angedeutet. Von dem Überhitzer 134 wird abgekühlte Luft zu einem Vorwärmer 138 geführt, was durch einen Pfeil 140 angedeutet ist.

Wasser durchströmt den Vorwärmer 138 zur Vorwärmung und ist dann über eine Leitung 140 zu einem Abscheider 142 geführt. Von einem Ausgang 144 für flüssiges Wasser ist eine Leitung 146 zu einem Eingang des Verdampfers 124 geführt. Von einem Ausgang des Verdampfers 124 führt eine Leitung 148 zu einem weiteren Eingang des Abscheiders 142. Von einem Ausgang des Abscheiders 142 führt eine Leitung 150 zu dem Überhitzer 134. In dem Abscheider 142 erfolgt eine Wasser/Dampf-Trennung, so daß sichergestellt ist, daß dem Überhitzer 134 nur Dampf zugeführt wird.

Prinzipiell entspricht das Ausführungsbeispiel gemäß 7 dem in 3 gezeigten Prinzip (ohne Wärmespeicher 80): Der Verdampfer 124 entspricht dem Verdampfer 84 gemäß 3. Der Luftreceiver 132 stellt die (sekundäre) Heizquelle 78 gemäß 3 dar.

Bei dem in 7 gezeigten Ausführungsbeispiel sind wiederum Verdampfung und Überhitzung getrennt, so daß sich die oben beschriebenen Vorteile ergeben.

Es ist grundsätzlich möglich, daß die gleiche primäre Heizquelle sowohl den Verdampfer als auch den Überhitzer heizt. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 7 heizt die von dem Heliostatenfeld 128 (welche die primäre Heizquelle darstellt) kommende konzentrierte Solarstrahlung sowohl den Verdampfer 124 als auch den Luftreceiver 132, wobei letzterer wiederum das Arbeitsmedium aufheizt, welches dann den Überhitzer 134 beheizt. Es ist grundsätzlich möglich, daß die (sekundären) Heizquellen für Überhitzer und Verdampfer getrennt angeordnet sind.

Es ist auch möglich, insbesondere wenn beide Heizquellen solar beheizt werden, diese räumlich nebeneinander anzuordnen.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 8 ist Wasser/Dampf in einer Mehrzahl von beabstandeten, nebeneinander angeordneten Rohren geführt. Diese Rohre sind als Absorberrohre ausgebildet, welche mit konzentrierter Solarstrahlung 154 beaufschlagt werden. Diese Rohre 152 sind Teil eines Verdampfers oder Vorwärmers. Zwischen benachbarten Rohren 156, 158 ist ein Freiraum 160 gebildet, durch den Solarstrahlung 154 dringen kann. Hinter der Rohrreihe ist ein Aufheizungsbereich 162 für einen Überhitzer oder Vorwärmer angeordnet. In diesem Aufheizungsbereich wird das Arbeitsmedium wie Luft aufgeheizt, welches dann wiederum dem Überhitzer zur Überhitzung zugeführt wird. Der Aufheizungsbereich 162 kann beispielsweise durch einen volumetrischen Receiver gebildet sein. Der Aufheizungsbereich 164 der jeweiligen Rohre 154 ist entsprechend durch eine Absorberfläche gebildet. Die Aufheizungsbereiche 162 und 164 liegen nebeneinander in einem Beaufschlagungsbereich für konzentrierte Solarstrahlung 154. Dadurch ist ein integrierter Receiver gebildet, d. h. eine integrierte Heizquelle für das erste Heizsystem 82 und das zweite Heizsystem 86 bzw. 102.

Dieser integrierte Receiver weist eine erste Ebene 166 als Heizquelle für den Verdampfer auf (beispielsweise entsprechend der Heizquelle 108 gemäß 6) und eine zweite Ebene 168 beispielsweise entsprechend der Heizquelle 78 auf.

Es kann auch vorgesehen sein, wie in 9 schematisch gezeigt, daß hinter einer ersten Ebene, welche mittels eines Rohrregisters 170 gebildet ist und welches als Heizquelle für einen Verdampfer dient, ein zweites Rohrregister 172 angeordnet ist, welches als Heizquelle für einen Überhitzer dient. In dem ersten Rohrregister 170 sind die Rohre beabstandet. In dem zweiten Rohrregister 172 stoßen benachbarte Rohre vorzugsweise unmittelbar aneinander.