專利名稱：太陽能加熱的直流式蒸汽發(fā)生器的運行方法以及太陽能直流式蒸汽發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于運行具有多個加熱面的太陽能加熱的蒸汽發(fā)生器的方法，其中，給用于調(diào)節(jié)供給水質(zhì)量流M的設(shè)備輸入用于供給水質(zhì)量流M的額定值Ms。本發(fā)明還涉及一種用于尤其在具有直接蒸發(fā)裝置的太陽塔發(fā)電站中實施該方法的太陽能蒸汽發(fā)生器。
背景技術(shù)：
必須使用可持續(xù)的能量載體來應對面對日益增加的能量需求和氣候變化。太陽能是一種持續(xù)的能載體。它保護氣候、用之不竭并且不是子孫后代的負擔。因此，太陽能熱發(fā)電站是傳統(tǒng)發(fā)電站的一種替代形式。目前，實施了一些具有拋物面狀槽收集器和菲涅耳收集器的太陽熱發(fā)電站。另一種選擇是在所謂的太陽塔發(fā)電站中直接的蒸發(fā)裝置。具有太陽塔和直接的蒸發(fā)裝置的太陽能熱發(fā)電站由日光場、太陽塔和傳統(tǒng)的發(fā)電站部分組成，在該傳統(tǒng)的發(fā)電站部分中水蒸汽的熱能轉(zhuǎn)化為電能。日光場由將光線集中到安設(shè)在太陽塔中的吸收器上的定日鏡組成。吸收器由加熱面組成，在該加熱面中入射的太陽能被用于加熱、蒸發(fā)所輸入的供給水且必要時使之過熱。然后，產(chǎn)生的蒸汽在傳統(tǒng)的發(fā)電站部分中在透平中膨脹，然后凝結(jié)并且又輸送給吸收器。該透平驅(qū)動將機械能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電機。在太陽塔發(fā)電站中，引入的太陽能由定日鏡場的尺寸大小限定。一部分入射輻射被吸收器反射因而對于熱動力發(fā)電站過程而沿是損失掉了。此損失量隨著加熱面的尺寸增加而增大。因此，在已給定熱效率時追求具有盡可能小加熱面的緊湊吸收器。這由于入射的太陽能集中到了較小面積上而導致很高的熱流密度。與之關(guān)聯(lián)地，根據(jù)引入吸收器的熱功率和新鮮蒸汽參數(shù)的選擇保證適合的給水質(zhì)量流。在所謂的強制循環(huán)式系統(tǒng)中，供給水流量調(diào)節(jié)裝置的額定值控制裝置在起動和低負載運行中、以及在強制循環(huán)式運行中根據(jù)設(shè)備狀態(tài)提供所需要的給水質(zhì)量流額定值。在此，在不穩(wěn)定運行時，例如在云穿過日光場時，蒸發(fā)器流量必須與向加熱面中的熱量輸入盡可能同步地變化。在太陽能加熱的強制循環(huán)式蒸汽發(fā)生器中，共同形成蒸發(fā)器加熱面的多個蒸汽發(fā)生器管的加熱導致流動介質(zhì)在一次通過蒸汽發(fā)生器時就在其中完全蒸發(fā)。流動介質(zhì)(一般是水)在此可以可任選地在其蒸發(fā)之前輸送給就流動介質(zhì)而言設(shè)置在蒸發(fā)器加熱面上游的、一般也稱作節(jié)熱器的預熱器并且在該處被預熱。根據(jù)太陽能加熱的強制循環(huán)式蒸汽發(fā)生器的運行狀態(tài)并因此與當前的蒸汽發(fā)生器功率相關(guān)聯(lián)地將供給水質(zhì)量流調(diào)節(jié)到吸收器加熱面中。在負載變化時，流量應當盡可能與輸入吸收器加熱面的熱量同步地變化，因為否則無法可靠地避免流動介質(zhì)在吸收器加熱面出口處的比焓偏離額定值。這種不期望的比焓偏離使流出蒸汽發(fā)生器的新鮮蒸汽的溫度難以調(diào)節(jié)，還導致較高的材料負荷并因此導致整個蒸汽發(fā)生器的壽命減小。
在太陽能熱發(fā)電站設(shè)備中存在通過預先給定尤其在總吸熱量變化時或在負載變換時特別適合需要的用于供給水質(zhì)量流的額定值來有效地應對由于例如太陽能入射的變化導致的不精確性的需求。剛好在基于太陽熱的能量生產(chǎn)系統(tǒng)中，整體上并不以足夠穩(wěn)定的并且明確可歸因于預先確定的恒定的太陽能量輸入的系統(tǒng)特性為前提。此外，在這種設(shè)計成直接的吸收器系統(tǒng)的設(shè)備中，在定日鏡上并因此在塔中的接收器上的太陽初級功率不能與在傳統(tǒng)的燃燒鍋爐中程度相同地用作自由參數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
現(xiàn)在本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種用于運行前述類型的太陽能加熱的強制循環(huán)式蒸汽發(fā)生器的方法，該強制循環(huán)式蒸汽發(fā)生器主要在不穩(wěn)定的運行時具有特別高的可靠性和可調(diào)節(jié)性的質(zhì)量。此外，提供一種特別適合實施該方法的太陽能蒸汽發(fā)生器。就方法而言，該技術(shù)問題按本發(fā)明通過一種用于運行太陽能加熱的直流式蒸汽發(fā)生器的方法解決，該太陽能加熱的直流式蒸汽發(fā)生器具有多個加熱面，其中，給用于調(diào)節(jié)供給水質(zhì)量流的設(shè)備輸入用于供給水質(zhì)量流的額定值，其中，在制訂用于供給水質(zhì)量流的額定值時考慮一個分別表征太陽能加熱的流動介質(zhì)在一個或多個加熱面的入口處的焓或密度的時間導數(shù)的修正值。本發(fā)明在此從這種考慮出發(fā)為太陽能加熱的直流式蒸汽發(fā)生器采用所謂預估的或預計的質(zhì)量流調(diào)節(jié)的方案以便在調(diào)節(jié)供給水質(zhì)量流時改善控制質(zhì)量。在此，在確定適合的用于供給水質(zhì)量流的額定值時考慮因此被認為有關(guān)的修正值。為了在蒸汽發(fā)生器的所有工作狀態(tài)下，也就是說尤其也在瞬態(tài)下或在負載變換時使保持在吸收器出口處的比焓與額定值的偏差并由此造成的不期望大的溫度波動盡可能小，供給水流量調(diào)節(jié)以預估的設(shè)計方式安排。在此，尤其即使在負載變換時也根據(jù)當前或要為不久的將來預期的運行狀態(tài)提供需要的供給水額定值。通過按本發(fā)明的方法，根據(jù)太陽輻射現(xiàn)有的熱量供給，由吸收器加熱面總是精確地提供需要的給水質(zhì)量流，以便即使在不穩(wěn)定的過程中，尤其在云穿過日光場時也保證在吸收器出口處需要的/期望的流體狀態(tài)(新鮮蒸汽溫度)。按本發(fā)明的方案有利地規(guī)定一種供給水量作為太陽入射輻射的函數(shù)的預控制計算。這種特征值根據(jù)當前存在的測量數(shù)據(jù)合適地確定并且尤其通過調(diào)用已存儲的存儲器特征值適合地提供。但通過有利地將當前測得的測量值考慮為特征值，能夠?qū)崿F(xiàn)熱量輻射特別可靠的分析并因此求得特別準確預先計算的供給水額定值。若在此太陽入射輻射的強度通過測量技術(shù)檢測并且通過合適的計算方法轉(zhuǎn)換成輸送給吸收器的熱功率，則吸收器加熱面的總熱量輸入可以直接地確定。若日光場的每個定日鏡都配有相應的測量裝置，則得出的結(jié)論是，已知吸收器加熱面的總吸熱量。除了由于在管壁中不穩(wěn)定的熱傳遞而可能通過例如PT3元件略微延遲的總吸熱量之外，為測定供給水質(zhì)量流附加地需要流動介質(zhì)在吸收器加熱面中的溫度差(額定焓增量)。流動介質(zhì)在吸收器加熱面中的額定焓增量的測定有利地一方面根據(jù)合適的測量值，例如流動介質(zhì)在吸收器加熱面的入口處的壓力和溫度以求得的實際焓為基礎(chǔ)。另外，根據(jù)或通過考慮期望的蒸氣狀態(tài)，例如在吸收器加熱面的出口處的比蒸汽參數(shù)或蒸汽含量，通過考慮流動介質(zhì)在吸收器加熱面的出口處的當前壓力預先確定用于該流動介質(zhì)在吸收器加熱面的出口處的焓的額定值。若形成兩個值的差，就得知了額定焓增量。然后若在吸收器側(cè)供給的熱量被該介質(zhì)側(cè)的焓差(額定焓增量)除，則至少對于穩(wěn)定的載荷運行已知對各運行狀態(tài)需要的供給水質(zhì)量流。以這種方式，根據(jù)吸收器加熱面的熱量流平衡能夠?qū)崿F(xiàn)尤其適合需要的、針對設(shè)備實際狀態(tài)的預控制的需要供給水量的計算，該熱量流平衡必要時可以可選擇地包括前置的預熱器吸收器表面和后續(xù)的過熱器吸收器加熱面。此外，根據(jù)此基本方案構(gòu)造，在不穩(wěn)定的運行中考慮附加的物理機械裝置，該附加的物理機械裝置臨時對穿流通過吸收器加熱面產(chǎn)生影響并因此導致在吸收器加熱面的出口處的焓偏離預設(shè)的額定值。若在不穩(wěn)定的過程中系統(tǒng)壓力變化并因此同時在吸收器中流體的飽和溫度變化，則吸收器加熱面管的材料溫度同樣變化。結(jié)果，熱能存入管壁中或從管壁釋放。因此，與從測得的太陽入射輻射強度中求得的總吸熱量比較，對于流動介質(zhì)的焓增力口，視壓力變化的方向而定地臨時提供更多(壓力下降)或更少的熱量(壓力增大)。因此，在預先給定在吸收器加熱面的出口處的焓額定值時，在調(diào)節(jié)方案中一定考慮這種不小的影響以便預先計算需要的供給水質(zhì)量流。通過一階微分元件(DTl元件)用控制技術(shù)可以描繪該物理效果。在此前提條件大體是，在改變系統(tǒng)壓力時，流動介質(zhì)的沸騰溫度的時間變化和管壁的時間變化均相同。據(jù)此，把從測得的吸收器壓力中算出的、流動介質(zhì)的飽和溫度用作微分元件的輸入。若將微分元件的輸出結(jié)果與整個吸收器加熱面管的質(zhì)量和吸收器加熱面的材料的比熱容相乘，則可以確定存入管壁中的或從管壁中釋放出熱量的數(shù)量。通過選擇該微分元件適合的時間常數(shù)，可以相對精確地模擬所述存儲效果的時間特性，因此可以直接地計算該基于不穩(wěn)定的過程的、金屬質(zhì)量的熱量存儲或釋放的附加效果。因為不再為超臨界系統(tǒng)確定與壓力有關(guān)的飽和溫度，所以微分元件的輸入信號可以通過與壓力有關(guān)的用于流體溫度的函數(shù)(例如多項式)計算，因此也可以為超臨界系統(tǒng)確定吸收器加熱面管的存儲和釋放效果。也可以考慮在吸收器加熱面管的特征位置處直接測量金屬溫度，以便可以直接考慮金屬溫度的變化。在這種情況下，微分元件的數(shù)量和其相應的增益因子(基本上是吸收器加熱面管的質(zhì)量)均要與金屬溫度測量裝置的數(shù)量匹配。除了對超臨界的和亞臨界的系統(tǒng)均適合的優(yōu)點外，也可以以這種方式精確地確定具有過熱蒸氣的吸收器加熱面管的溫度變化，開頭所述的方法對于其金屬溫度測定僅是不充分精確的。此外，在水-蒸氣循環(huán)中的瞬態(tài)過程，熱力學的狀態(tài)值，例如壓力和溫度發(fā)生變化。流動介質(zhì)在各吸收器加熱面中的比體積或密度的變化強制地與該壓力和溫度變化相關(guān)聯(lián)。若例如由于負載變換而使流動介質(zhì)在整個加熱面中的比體積降低(密度增加)，則它可以臨時容納更多的流體(存入質(zhì)量)。這種由于流體或流動介質(zhì)的密度變化造成的存儲效果決定在各加熱面的出口處的質(zhì)量流波動，因此從各加熱面流出的質(zhì)量流不同于流入的質(zhì)量流，并且尤其是不同于由供給水泵供給的質(zhì)量流，這在對應的加熱中直接通入在加熱面出口處的波動的焓中。為了減小該波動，出現(xiàn)的質(zhì)量存儲效果通過供給水額定值測定裝置極為有效地補償。尤其在亞臨界的系統(tǒng)中，相應地考慮在流動的蒸發(fā)范圍內(nèi)的很大的密度變化。在此，在加熱面管中的密度分布決定性地由蒸發(fā)起點表征。它非常強烈地與在加熱面入口處的欠冷卻相關(guān)聯(lián)。若在管中才使用蒸發(fā)裝置，則混合物密度向下游非常劇烈地減小。若現(xiàn)在由于瞬態(tài)過程入口欠冷卻發(fā)生變化，則蒸發(fā)起點發(fā)生移動并因此整個在管中的密度分布同時移動。結(jié)果是質(zhì)量存儲或釋放效應。在此，增大的入口欠冷卻短期內(nèi)導致加熱面的出口處的焓增加。這可以解釋為，隨著入口欠冷卻增大，蒸發(fā)起點朝加熱面出口方向移動(給吸收器加熱面供給更冷的流體)。由于(尤其在蒸發(fā)起點的偏移區(qū)域內(nèi))局部的密度增大，流體增強地被存儲并且相反減少出口質(zhì)量流，這直接在對應的加熱時必須通入增大的出口焓。在降低入口欠冷卻時，出現(xiàn)相反的過程。原則上，所描述的機制也可考慮用于超臨界的系統(tǒng)。在此，流體溫度或在加熱面入口處的比流體焓的臨時變化可以負責相應的質(zhì)量存儲和釋放效果。出于控制技術(shù)考慮，就流動介質(zhì)而言的存儲和釋放過程在此作為特別有利的方法規(guī)定，檢測適合于時間求導的參數(shù)，如尤其是流動介質(zhì)在各加熱面的入口處的焓、溫度或密度。因此若在供給水額定值測定裝置中使用另一個一階微分元件(DTl元件)，則在選擇適合的輸入信號、與之匹配的時間常數(shù)和適合的增益時，再一次有效地避免了本文開頭描述的在加熱面出口處的焓波動。視加熱面設(shè)計和系統(tǒng)要求而定，例如入口欠冷卻(亞臨界的)或更一般地入口溫度或入口焓可以用作輸入信號。若具有較小流體溫度的供給水從再生的供給水預熱裝置中流出(預熱裝置由于透平的抽氣很小)或不提供再生的供給水預熱裝置，則可以考慮利用另一個用于附加預熱供給水的吸收器加熱面(與一般的燃料發(fā)電站的節(jié)熱器加熱面類似)。若未規(guī)定在預估的供給水流量調(diào)節(jié)裝置中單獨地考慮引入該附加的吸收器加熱面中的熱功率，則值得為了供給水流量調(diào)節(jié)裝置最佳的運行將水側(cè)的壓力和溫度測量裝置布置在該“節(jié)熱器吸收器加熱面”之后。除了調(diào)節(jié)的更大的穩(wěn)定性外，該措施有助于提高調(diào)節(jié)質(zhì)量。當然，在用于保證正確測量信號的該位置處確保足夠的入口欠冷卻。在用作節(jié)熱器的吸收器加熱面中，在瞬態(tài)過程中同樣出現(xiàn)就流體而言的存儲和釋放效果。在節(jié)熱器的入口處的質(zhì)量流測量位置和在涉及該測量位置的供給水調(diào)節(jié)器中，由存儲效果造成的在節(jié)熱器出口處的質(zhì)量流波動直接地對新鮮蒸汽焓(太陽能加熱的蒸汽發(fā)生器的出口)產(chǎn)生影響。在這種情況下，太陽能加熱的直流式蒸汽發(fā)生器的吸收器加熱面的流量和熱量輸入重新彼此不再同步。通過附加地測量在吸收器的節(jié)熱器加熱面的入口或出口處的溫度和壓力，可以確定在該位置處的流體密度。該密度的變化可以看作就流體而言的存儲和釋放效果的尺度(可能取適合的平均值)，該密度的變化可以通過使用另一個微分元件或使用其它一階微分元件定量檢測。若為了該微分元件選擇適合的增益和適合的時間常數(shù)，則生成的修正信號可選擇地補償在節(jié)熱器中就流體而言的存儲效果。若節(jié)熱器吸收器加熱面在此具有例如線性的密度分布，則優(yōu)選從加熱面入口和出口處確定的密度中求得算數(shù)平均值并且用作后置的DTl元件的輸入信號。有利地，在此為DTl元件的增益選擇節(jié)熱器吸收器加熱面的總介質(zhì)體積，也就是說相應于在節(jié)熱器吸收器加熱面中的總水含量，并且為時間常數(shù)選擇流動介質(zhì)通過節(jié)熱器吸收器加熱面的通過時間的一半。在特別有利的結(jié)構(gòu)方案中，在此時間常數(shù)可以與太陽能加熱的直流式蒸汽發(fā)生器當前的負載狀態(tài)相應地匹配，其中，適宜地考慮這種情況，在太陽能加熱的直流式蒸汽發(fā)生器負載很小時，流動介質(zhì)通過預熱器吸收器加熱面的通過時間相應地提高。若現(xiàn)在例如在負載變化情況下熱量輸入到節(jié)熱器吸收器加熱面中的量下降，則在此臨時存入流動介質(zhì)。因此，在供給水泵恒定的輸送流中，在該節(jié)熱器吸收器加熱面的出口處或在后置的蒸發(fā)器吸收器加熱面的入口處的質(zhì)量流下降。通過由DTl元件求得的用于供給水質(zhì)量流的額定值的修正信號臨時提高以便補償優(yōu)選供給水泵的輸送流，從而在后置的蒸發(fā)器吸收器加熱面的入口處的供給水質(zhì)量流可以幾乎保持恒定并因此導致后置的蒸發(fā)器吸收器加熱面的出口處的焓也可以幾乎保持恒定。用預估的供給水額定值測定裝置確定的蒸發(fā)器流量可以(若需要)通過疊加的調(diào)節(jié)回路附加地修正，以便也實際持久地達到在加熱面出口處需要的額定值。就太陽能加熱的直流式蒸汽發(fā)生器而言，所述技術(shù)問題通過為用于調(diào)節(jié)供給水質(zhì)量流的設(shè)備對應配設(shè)的用于預先給定供給水質(zhì)量流的額定值的供給水流量調(diào)節(jié)裝置根據(jù)所述方法設(shè)計來解決。太陽能熱的蒸汽發(fā)生器在此按尤其有利的結(jié)構(gòu)方案以其吸收器加熱面集成到太陽塔發(fā)電站中并且能被聚焦的太陽入射光直接加載以便產(chǎn)生蒸氣。本發(fā)明的優(yōu)點尤其是，通過考慮流動介質(zhì)在直流式蒸汽發(fā)生器的一個或多個加熱面的入口處的焓、溫度或密度的時間導數(shù)能夠修正在預估的質(zhì)量流調(diào)節(jié)框架下求得的用于供給水質(zhì)量流的額定值，其中，還可以合適地考慮管材料的熱能的存儲和釋放過程和流體或在加熱面中就流動介質(zhì)而言的存儲或釋放過程。因此，剛好在出現(xiàn)負載變換時或必須借助這種存儲或釋放過程計算的其他瞬態(tài)過程中能夠質(zhì)量特別高地求得適合需要的用于供給水質(zhì)量流的額定值。


在圖1至6中進一步闡述本發(fā)明的實施例。附圖中圖1是太陽塔發(fā)電站，圖2是太陽能蒸汽發(fā)生器，圖3是配有供給水流量調(diào)節(jié)裝置的太陽能加熱的蒸汽發(fā)生器的簡略圖，圖4是太陽能加熱的蒸汽發(fā)生器的給水流量調(diào)節(jié)裝置的針對不穩(wěn)定運行的擴展設(shè)計的簡略圖，其帶有預估的供給水質(zhì)量流額定值測定裝置，圖5是用于各吸收器加熱面的供給水流量調(diào)節(jié)裝置的簡略圖，其帶有預估的供給水質(zhì)量流額定值測定裝置，圖6是優(yōu)化的供給水流量調(diào)節(jié)裝置的簡略圖，其帶有預估的給水質(zhì)量流額定值測
定裝置。
具體實施例方式圖1示出太陽塔發(fā)電站129。太陽塔發(fā)電站129包括太陽塔143，在所述太陽塔143的垂直上端部設(shè)有接收器133。該接收器133包括例如管束吸收器135形式的吸收器134(參見圖2)。具有多個定日鏡131的定日鏡場141圍繞太陽塔143設(shè)置在地面上。具有定日鏡131的定日鏡場141設(shè)計用于聚焦直接的太陽輻射Is。在此，單獨的定日鏡131布置并且定向為，直接的太陽輻射Is從太陽以集中的太陽輻射Ic形式聚焦到接收器133上。因此，在太陽塔發(fā)電站129中，太陽輻射通過一個區(qū)域，單獨跟蹤的反射鏡，定日鏡131集中到太陽塔132的塔尖。在塔尖中具有一個吸收器，例如管束吸收器135，該吸收器把通過熱量輻射吸收的熱量通過傳熱管道和對流傳遞到熱載體介質(zhì)(例如水)上。在圖2中示出太陽能直流式蒸汽發(fā)生器I如何在設(shè)計成管束吸收器135的有利方案中集成到圖1的太陽塔發(fā)電站129的接收器133中。集中的太陽輻射Ic聚焦地射到傳輸多個傳熱管道上，所述管道是所謂的蒸汽發(fā)生器管140。蒸汽發(fā)生器管140的入口側(cè)在加熱面入口 138處與分配器137流體連通地連接。在加熱面出口 139處，蒸汽發(fā)生器管140與收集器136連接。在太陽能加熱的直流式蒸汽發(fā)生器I的運行中，蒸汽發(fā)生器管140通過集中的太陽輻射Ic加熱，其中，蒸汽發(fā)生器管140將熱量傳給流動介質(zhì)，例如水。該流動介質(zhì)在此在蒸汽發(fā)生器管140中通過集中的太陽輻射Ic直接預熱、蒸發(fā)并且必要時過熱。蒸發(fā)或必要時過熱的流動介質(zhì)作為有效蒸汽離開加熱面出口 139并且必要時在未示出的加熱面中進一步過熱之后在未進一步示出的傳統(tǒng)的發(fā)電站部分中可以用來在蒸汽透平中膨脹。在加熱面入口 138處，冷的流動介質(zhì)，尤其是冷水流入分配器137中，并且分散到多個蒸汽發(fā)生器管140上。在太陽能直流式蒸汽發(fā)生器的運行中，特別重要的是，根據(jù)現(xiàn)有的初級太陽輻射的熱量供給，通過吸收器加熱面，更確切地說，管束吸收器135 —直精確地提供需要的供給水質(zhì)量流，以便即使在不穩(wěn)定的過程中，尤其在云穿過定日鏡場141時也確保在吸收器出口，更確切地說，在加熱面出口 139處需要的或期望的流體狀態(tài)。在加熱面出口 139處存在的水/蒸汽混合物可以在相應過熱時作為具有新鮮蒸汽溫度的新鮮蒸汽供給未進一步示出的用于產(chǎn)生電能的蒸汽透平。在圖3中，簡略示出太陽加熱的用于主要穩(wěn)定運行的直流式蒸汽發(fā)生器I。圖3所示的太陽加熱的直流式蒸汽發(fā)生器I具有用于作為流動介質(zhì)提供的供給水的吸收器5。就流動介質(zhì)而言在吸收器5的上游設(shè)有供給水泵3，在吸收器的下游設(shè)有在此未進一步示出的蒸汽透平。吸收器5具有在此未詳細示出的吸收器加熱面，該吸收器加熱面可以加載太陽熱量輻射，以便通過吸收器加熱面的照射進行熱量輸入。太陽加熱的直流式蒸汽發(fā)生器I設(shè)計用于用供給水可調(diào)節(jié)地加載。為此，供給水泵3后置有由伺服馬達20控制的節(jié)流閥22，因此，通過節(jié)流閥22合適的控制可調(diào)節(jié)由供給水泵3沿吸收器5的方向輸送的供給水量或供給水質(zhì)量流。為了測定用于輸入的供給水質(zhì)量流的當前特征值，在節(jié)流閥22上游設(shè)置用于測定通過供給水管線的供給水質(zhì)量流M的測量裝置24。伺服馬達20通過調(diào)節(jié)元件28控制，該調(diào)節(jié)元件28在輸入側(cè)加載有通過數(shù)據(jù)線30輸入的用于供給水質(zhì)量流M的額定值Ms和通過測量裝置24測定的供給水質(zhì)量流M當前的實際值。由于在兩個信號之間形成差，因此給調(diào)節(jié)器28傳送了跟蹤需求，因此在實際值偏離額定值時通過控制馬達20相應地跟蹤節(jié)流閥22。為了確定用于供給水質(zhì)量流M的額定值凡，數(shù)據(jù)線30的輸入側(cè)與設(shè)計用于預先給定用于供給水質(zhì)量流M的額定值Ms的供給水流量調(diào)節(jié)裝置32連接。該供給水流量調(diào)節(jié)裝置設(shè)計用于根據(jù)在吸收器5中的熱量流平衡確定用于供給水質(zhì)量流M的額定值Ms，其中，用于供給水質(zhì)量流M的額定值Ms根據(jù)當前在吸收器5中通過集中的太陽輻射傳遞到流動介質(zhì)上的熱量流與針對期望的新鮮蒸汽狀態(tài)預設(shè)的在吸收器5中流動介質(zhì)的額定焓增量所成的比例預先給定。在該實施例中，尤其是優(yōu)選通過對于當前情況特別有代表性的特征值或以特別有利的方式通過當前測得的測量值求得由集中的太陽入射輻射傳遞到流動介質(zhì)上的熱量流利用這種方案根據(jù)熱量平衡本身為用于在太陽塔發(fā)電站中直接蒸發(fā)的吸收器管壁的結(jié)構(gòu)形式的、太陽能加熱的直流式蒸氣發(fā)生器I提供用于供給水質(zhì)量流M的額定值。為此，供給水流量調(diào)節(jié)32具有除法元件34。作為計數(shù)器給除法元件34輸送用于當前在吸收器5中傳遞到流動介質(zhì)上的熱量流的特征值。該特征值通過功能模塊130提供給除法元件34。為此，該功能模塊130從分析單元128中獲得有關(guān)引入吸收器中的熱功率Q的數(shù)據(jù)。在此未詳細示出分析單元128與測量裝置的連接，該測量裝置安設(shè)在日光場的每個定日鏡上。通過測量裝置，太陽入射輻射的強度通過測量技術(shù)檢測并且在分析單元128中通過合適的計算方法轉(zhuǎn)換成傳遞到吸收器上的熱功率Q。此外，在功能模塊130中由于在吸收器管壁中不穩(wěn)定的熱功率還進行特征值的延遲。該延遲可以通過控制技術(shù)例如通過PT3元件實現(xiàn)。為了提供分母(Nenner)，也就是說用于在水_蒸汽或流動介質(zhì)側(cè)期望的額定焓增量的特征值，除法元件34的輸入側(cè)與減法元件70連接。減法元件70在輸入側(cè)被加載有由功能元件72提供的用于流動介質(zhì)在吸收器出口處的焓的期望額定值的特征值。該特征值在功能模塊72中由期望的新鮮蒸汽溫度(新鮮蒸汽溫度額定值)和在吸收器5的出口處測得的壓力求得。有關(guān)在吸收器5的出口處的壓力的數(shù)據(jù)通過壓力傳感器47提供給功能模塊72。此外，減法元件70在輸入側(cè)加載有由功能模塊74提供的特征值或用于流動介質(zhì)在吸收器入口處的當前焓的實際值，該特征值或?qū)嶋H值在減法元件70中從所述的用于在吸收器5的出口處焓的額定值的特征值中減去。在輸入側(cè)，功能模塊74與壓力傳感器46溫度傳感器76連接以便在此形成所述的用于在吸收器入口處的實際焓的特征值。因此，由于在減法元件70中差的形成，根據(jù)期望的新鮮蒸汽狀態(tài)確定流動介質(zhì)在吸收器中需要的焓增量，焓增量作為分母可以使用在除法元件34中，該除法元件34算出所需的質(zhì)量流信號。圖4示出在圖3中簡略示出的太陽能加熱的直流式蒸汽發(fā)生器I的一種為不穩(wěn)定的運行優(yōu)化的擴展設(shè)計。在不穩(wěn)定的運行中，考慮附加的物理的機械裝置，這些物理的機械裝置臨時地對通過吸收器加熱面5的穿流產(chǎn)生影響并因此造成在加熱面出口 139處的焓與預設(shè)的額定值的偏差。若在不穩(wěn)定過程中系統(tǒng)壓力變化并因此同時流體在吸收器加熱面5中的飽和溫度變化，則吸收器5的蒸汽發(fā)生器管的材料溫度同樣變化。結(jié)果，熱能存入管壁中或從管壁釋放出。因此，與從太陽入射輻射測得的強度中求得的總吸熱量相比，對于流動介質(zhì)在吸收器加熱面5中期望的焓增量視壓力變化方向而定地臨時存在更多(壓力降低)或更少的熱量(壓力增高)。因此，在加熱面出口 139處的焓額定值中預先給定時，為了預先計算需要的供給水質(zhì)量流，在調(diào)節(jié)方案中一定考慮這種不小的影響。因為不再為超臨界的系統(tǒng)確定與壓力有關(guān)的飽和溫度，所以同樣可以通過與壓力有關(guān)的用于流體溫度的函數(shù)(例如多項式)計算特征溫度值，因此也可以為超臨界系統(tǒng)確定吸收器5的加熱面管的存儲和釋放效果。為了考慮吸收器5的材料溫度的變化對引入流動介質(zhì)中的熱量的影響，按本發(fā)明，將由功能模塊130提供的用于當前在吸收器5上外部通過集中的太陽輻射傳遞的熱量流的特征值首先輸入減法元件71，該減法元件71從提供的數(shù)據(jù)中減去描述吸收器5的材料溫度變化的修正值KT。該修正值KT在此或者對于亞臨界的系統(tǒng)來說從流動介質(zhì)的飽和溫度中求得，或者對于超臨界系統(tǒng)來說借助通過流動介質(zhì)在吸收器出口處的壓力求得的特征溫度值求得。此外，減法元件71通過一階微分元件122與測量裝置25連接。測量裝置25根據(jù)有關(guān)在吸收器5的出口處壓力的數(shù)據(jù)計算飽和溫度或流動介質(zhì)的特征溫度值。算出的飽和溫度或特征溫度值被傳遞到微分元件122上。通過為微分元件122選擇適合的時間常數(shù)可以相對精確地模擬所述存儲器效果的時間特性，因此可以直接算出該基于不穩(wěn)定過程的、金屬質(zhì)量的熱量存儲或釋放的附加效果。在此，前提大概是，在系統(tǒng)壓力修改時，流動介質(zhì)溫度和管壁溫度的時間變化均相同。若微分元件122的結(jié)果與整個蒸發(fā)器管的質(zhì)量和蒸發(fā)器材料的比熱容相乘，則可以用修正值Kt量化表示存入管壁或從其中釋放的熱量，并因此吸收器的材料溫度變化由供給水質(zhì)量流額定值Ms有針對性的影響來補償。為了在太陽能加熱的直流式蒸汽發(fā)生器I的預估的質(zhì)量流調(diào)節(jié)時改善調(diào)節(jié)質(zhì)量，在制訂用于供給水質(zhì)量流M的額定值Ms時還考慮修正值KF。通過例如借助供給水在吸收器5入口處的欠冷卻(UnterkUhlung)求得的修正值Kf可以為不穩(wěn)定運行保證供給水質(zhì)量流M的調(diào)節(jié)以便補償流體在吸收器加熱面5中的密度變化。通過加法元件106將修正值Kf與除法元件34的輸出信號疊加。若在另外的一階微分元件126中求得修正值Kf，這設(shè)置在功能模塊110的下游，該功能模塊110具有與壓力傳感器46和溫度傳感器76的連接裝置。在該實施例中，功能模塊110從測得的壓力和溫度數(shù)據(jù)中首先求得供給水在吸收器5的入口處的欠冷卻，該欠冷卻用作下游的微分元件(DTl元件)126的輸入信號。在選擇該附加的微分元件126適合的增益(增益)和適合的時間常數(shù)時，這樣產(chǎn)生的修正值Kf可以有效地補償出現(xiàn)在吸收器5中的流動介質(zhì)側(cè)的、造成密度變化的存儲和釋放過程。作為圖4的擴展，圖5示出吸收器5的單獨的吸收器加熱面。預熱器加熱面(節(jié)熱器)2、蒸發(fā)器加熱面4和過熱器加熱面8沿流體的流動方向布置。與圖4不同，在圖5中現(xiàn)在為各單獨的吸收器加熱面2，4，8確定當前傳遞到流動介質(zhì)上的熱量流。為此，在功能模塊130的上游設(shè)置加法元件92，該加法元件92從分析單元128a，128b和128c中獲得有關(guān)引入各吸收器加熱面2，4和8的熱功率Q的數(shù)據(jù)。在此未進一步示出分析單元128a，128b和128c與安設(shè)在日光場的各定日鏡上的測量裝置的連接裝置。此外，在該具體的實施例中，為了估算直流式蒸汽發(fā)生器管的存儲和釋放的全部熱能單獨地分析各吸收器加熱面2，4和8的管壁溫度。為此，在減法元件71上游設(shè)置加法元件93，該加法元件93將三個微分元件122a，122b和122c的值相加。微分元件122a在此與測量裝置25a連接，微分元件122b與測量裝置25b連接，微分元件122c與測量裝置25c連接。未示出測量裝置25a，25b和25c與在各吸收器加熱面2，4和8上的溫度傳感器的連接。與圖4不同，功能模塊110在輸入側(cè)通過連接線路與布置在預熱器加熱面2和蒸發(fā)器加熱面4之間的壓力傳感器46a和溫度傳感器76a連接。作為圖5的備選，圖6示出預估的供給水質(zhì)量流額定值測定裝置32的用于不穩(wěn)定的運行的另一種優(yōu)化形式。因為預熱器加熱面2中流動介質(zhì)側(cè)的存儲和釋放效果也出現(xiàn)在不穩(wěn)定的運行中，但它們還未被圖5的電路圖考慮，所以它們要通過修正信號Kf的另一個分量補償。為此，在圖6的實施例中，測量在預熱器吸收器加熱面2的入口和出口處的壓力和溫度并且在功能模塊108a或108b中轉(zhuǎn)換成相應的流體密度。在下游的功能模塊109中，形成兩個單獨的來自功能模塊108a和108b的密度的、合適的平均值。該平均密度用作后續(xù)的一階微分元件142的輸入信號。此處也選擇合適的增益(優(yōu)選預熱器加熱面2的總水體積)和合適的時間常數(shù)(優(yōu)選流動介質(zhì)經(jīng)過預熱器加熱面2的通過時間的一半)以便正確地預先計算附加的修正信號。來自微分元件142的信號在另一個加法元件113中與微分元件(DTl元件)126的輸出信號相加，之后它整體上作為修正質(zhì)量流Kf在加法元件106中加載給從除法元件34算出的供給水質(zhì)量流。通過按本發(fā)明的方法和太陽能加熱的直流式蒸汽發(fā)生器1，根據(jù)太陽輻射現(xiàn)有的熱量供給通過吸收器加熱面134 —直精確地提供所需的給水質(zhì)量流，以便即使在不穩(wěn)定的過程中，尤其在云穿過日光場時也保證在吸收器出口處需要的/期望的流體狀態(tài)(新鮮蒸汽溫度)。通過抽象考慮相應的物理機械裝置，即便不用附加的噴射裝置也確保了具有盡可能小的波動寬度的輸出狀態(tài)。若提供終端噴射冷卻器用于改善新鮮蒸汽溫度，則該終端噴射冷卻器可以毫無困難地與所述的供給水調(diào)節(jié)裝置組合。在該情況下，在噴射冷卻器之前的溫度例如可以通過供給水調(diào)節(jié)方案調(diào)節(jié)，終端噴射冷卻器由于其非常快的調(diào)節(jié)特性負責近乎無波動的(優(yōu)選用于透平的)新鮮蒸汽最終溫度。也可以考慮，在考慮新鮮蒸汽的溫度額定值時略微減小用預估的供給水額定值測定裝置確定的流量(例如5-10%)。在這種情況下，新鮮蒸汽最終溫度太高。在此，終端噴射冷卻器重新負責期望的新鮮蒸汽最終溫度。也可以考慮附加地使用中間噴射冷卻器(根據(jù)加熱面設(shè)計并且出于材料技術(shù)觀點，中間噴射裝置會是必要的)。通過這種情況，以就新鮮蒸汽最終溫度而言流量析因估算(略小于I的因子)提供太小的供給水量，噴射冷卻器可以與噴射調(diào)節(jié)系統(tǒng)無關(guān)地保持在其調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。供給水調(diào)節(jié)裝置的修正調(diào)節(jié)器在這種情況下負責將噴射量原則上并且與總吸熱量的測量精度無關(guān)地穩(wěn)定到期望的額定值水平。(帶或不帶噴射裝置)的整個方案的另一個優(yōu)點是，可以模塊化應用。若出于設(shè)計原因例如不同的并且相互脫離的加熱面部分具有可能不同的關(guān)系，則供給水調(diào)節(jié)裝置可以個性化地用于每個單獨的部分。一部分的穿流在這種情況下可以大大偏離另一個部分的穿流。但由于模塊化的應用可以實現(xiàn)節(jié)省材料且有利于效率的運行方式。
權(quán)利要求
1.一種用于運行具有多個加熱面(2，4)的太陽能加熱的直流式蒸汽發(fā)生器(I)的方法，其中，為用于調(diào)節(jié)供給水質(zhì)量流(M)的設(shè)備輸入用于所述供給水質(zhì)量流(M)的額定值(Ms)，其中，在制訂用于所述供給水質(zhì)量流(M)的額定值(Ms)時，考慮表征太陽能加熱的流動介質(zhì)在一個或多個所述加熱面(2，4)的入口處的焓，溫度或密度的時間導數(shù)的修正值(Kf)。
2.按權(quán)利要求1所述的方法，其中，根據(jù)表征所述流動介質(zhì)在加熱面(2，4)的入口處的密度的時間導數(shù)的特征值與表征在所述流動介質(zhì)在加熱面(2，4)的出口處的密度的時間導數(shù)的特征值的和來制訂所述修正值(Kf)。
3.按權(quán)利要求2所述的方法，其中，分析所述流動介質(zhì)在預熱器加熱面(2)中的密度的時間導數(shù)。
4.按權(quán)利要求1至3之一所述的方法，其中，所述時間導數(shù)分別通過微分元件(142，126)求得。
5.按權(quán)利要求4所述的方法，其中，給對應于預熱器加熱面⑵的微分元件(142)加載相當于所述流動介質(zhì)在預熱器加熱面(2)中的總體積的增益因子。
6.按權(quán)利要求4或5所述的方法，其中，給對應于預加熱器加熱面(2)的微分元件(142)加載相當于所述流動介質(zhì)通過所述預熱器加熱面(2)的通過時間的約一半的時間常數(shù)。
7.按權(quán)利要求1至6之一所述的方法，其中，根據(jù)當前在所述加熱面(2，4)中通過太陽能熱量輸入傳遞到所述流動介質(zhì)上的熱量流和針對期望的新鮮蒸汽狀態(tài)預設(shè)的、所述流動介質(zhì)在所述加熱面(2，4)中的額定焓增量之間的比例預先設(shè)定用于所述給水質(zhì)量流(M)的額定值(Ms)，其中，通過特別代表當前情況的熱量流特征值求得所述通過太陽能熱量輸入傳遞到所述流動介質(zhì)上的熱量流。
8.按權(quán)利要求7所述的方法，其中，分別考慮當前的測量值作為表征的熱量流特征值。
9.按前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中，通過附加的修正值(KT)考慮熱能，所述熱能通過在所述流動介質(zhì)中的壓力變化存入所述加熱面(2，4)的質(zhì)量中或從所述加熱面(2，4)的質(zhì)量中釋放，其中，所存儲或釋放的熱能的量用飽和溫度的時間導數(shù)或通過所述壓力求得的流動介質(zhì)的流體溫度、加熱面(2，4)的質(zhì)量和所述加熱面(2，4)的材料的比熱容的乘積表不。
10.按前述權(quán)利要求之一所述的在太陽塔發(fā)電站中實施的方法，其中，在所述吸收器加熱面(5)中通過直接的太陽能熱量輸入加熱、蒸發(fā)作為流動介質(zhì)的供給水并且必要時使之過熱。
11.一種太陽能直流式蒸汽發(fā)生器(I)，其具有多個加熱面(2，4)和用于調(diào)節(jié)所述給水質(zhì)量流(M)的設(shè)備，所述設(shè)備根據(jù)用于所述給水質(zhì)量流(M)的額定值(Ms)控制，其中，對應的供給水流量調(diào)節(jié)裝置(32)設(shè)計用于按照權(quán)利要求1至10之一所述的方法預先設(shè)定所述額定值(Ms)。
12.按權(quán)利要求11所述的太陽能直流式蒸汽發(fā)生器(I)，其吸收器加熱面(5)集成到太陽塔發(fā)電站中并且被聚焦的太陽入射輻射直接加載以便產(chǎn)生蒸汽。
13.—種太陽塔發(fā)電站，其具有按權(quán)利要求11或12所述的太陽能直流式蒸汽發(fā)生器⑴。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于運行具有蒸發(fā)器加熱面(4)的太陽能加熱的直流式蒸汽發(fā)生器(1)的方法，其中，給用于調(diào)節(jié)所述供給水質(zhì)量流(M)的設(shè)備輸入用于所述供給水質(zhì)量流(公式(I))的額定值(公式(II))，在該方法中，應當進一步改善預估的給水或質(zhì)量流調(diào)節(jié)的質(zhì)量并且尤其在出現(xiàn)負載變化時流動介質(zhì)在蒸發(fā)器出口處的焓保持特別穩(wěn)定。為此，按本發(fā)明，在制訂用于所述供給水質(zhì)量流(I)的額定值(II)時，考慮表征太陽能加熱的流動介質(zhì)在一個或多個所述加熱面(2，4)的入口處的焓，溫度或密度的時間導數(shù)的修正值(Kf)。該方法尤其適合用于在具有直接的蒸發(fā)裝置的太陽塔發(fā)電站(129)中運行太陽能直流式蒸汽發(fā)生器(1)。
文檔編號F22B1/00GK103080648SQ201180042632
公開日2013年5月1日 申請日期2011年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月3日
發(fā)明者J.布魯克納, M.埃弗特, J.弗蘭克, F.托馬斯 申請人:西門子公司