Anwendung des Systemcodes ATHLET zur Modellierung der Fluiddynamik in solarthermischen Kraftwerken mit Direktverdampfung

Abstract

Bei solarthermischen Anlagen mit Direktverdampfung wird Wasser durch horizontale Absorberrohre gepumpt und durch den Energieeintrag von konzentriertem Sonnenlicht verdampft. Es entsteht überhitzter Dampf, der folglich über eine Dampfturbine und Generator in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Das Betriebsverhalten wird dabei wesentlich durch die sich ausbildende Zweiphasenströmung in den Absorberrohren bestimmt. Typische Betriebsbedingungen liegen im Bereich von 35 bar/ 350°C bis zu 120 bar/ 500°C am Austritt des letzten Kollektors. Zur Definition von Auslegungskriterien für zukünftige Kraftwerke ist es wichtig die Strömungsvorgänge am Verdampfungsendpunkt im Zwangsdurchlaufbetrieb und das transiente Anlagenverhalten besser zu verstehen. Hierbei kommt der von der Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit (GRS) mbH entwickelte Systemcode ATHLET zur Anwendung. Die Vorteile von ATHLET liegen in der Anwendung eines 6 Gleichungsmodells mit separaten Bilanzgleichungen für Masse, Impuls und Energie für jede Phase. Es können mit ATHLET transiente Vorgänge unter Berücksichtigung von thermischen Nichtgleichgewichtszuständen sowie unter Einbeziehung der Rückkopplung von Regelungen auf die Thermofluiddynamik modelliert werden. Die Simulationsergebnissen lassen unter anderen das Ableiten von gezielten Informationen zur Phasendifferenzgeschwindigkeit zu. Im Rahmen der Untersuchung wird zunächst die Machbarkeit einer Analyse von solarthermischen Kraftwerken mit diesem Systemcode aufgezeigt und dann anhand von Messdaten aus der DISS Versuchsanlage an der Plataforma Solar de Almería in Spanien verifiziert. Dabei stimmen die berechneten Massen- und Energiebilanzen gut mit den Messdaten überein. Des Weiteren werden typische Strömungsinstabilitäten für Verdampfersysteme und deren Relevanz für solarthermische Kraftwerke mit Direktverdampfung untersucht. Im Ergebnis können thermische Oszillationen im Zwangsdurchlaufbetrieb durch die Bewegungen des Verdampfungsendpunktes erwartet werden und bei hochskalierten Kraftwerken mit mehreren parallelen Rohren können Parallelrohrinstabilitäten in Form von Dichtewellenoszillationen auftreten. Eine Beispielsimulation mit ATHLET bestätigt die Möglichkeiten zur Simulation von Parallelrohrinstabilitäten. Zukünftige Untersuchungen konzentrieren sich auf die ausgewählten Instabilitäten.