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Die Erfindung betrifft ein Kraftwerk mit zumindest einem Generator, der mit einem von einem Generatorwärmetauscher gekühlten Kühlgas gekühlt wird, und einem geschlossenen Kühlwassersystem, an das der Generatorwärmetauscher und weitere Wärmetauscher des Kraftwerks angeschlossen sind.
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Derartige Kraftwerke sind im Stand der Technik in unterschiedlichsten Ausführungen bekannt. Sie können als Gasturbinen-, als Dampfturbinen- oder als Gas- und Dampfturbinenkraftwerk ausgebildet sein. Eine Vielzahl der Kraftwerkskomponenten bedarf einer Kühlung, um zum einen die anfallende Verlustwärme abzuführen und zum anderen die Leistung des Kraftwerks zu steigern.
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Die Generatoren eines Kraftwerks werden in der Regel mit von Generatorwärmetauschern gekühltem Kühlgas gekühlt. Die Generatorwärmetauscher sind an ein geschlossenes Kühlwassersystem des Kraftwerks angeschlossen, über das auch weitere Wärmetauscher mit Kühlwasser versorgt werden, beispielsweise solche zur Schmier- und/oder Dichtölkühlung, zur Kühlung von Pumpen oder dergleichen. Die Rückkühlung des Kühlwassers des Kühlwasserkreislaufs kann auf verschiedene Arten erfolgen, beispielsweise mittels Frischwasserdurchlaufkühlung, Umlaufkühlung unter Einsatz eines Kühlturms oder von luftgekühlten Kühlern, etc.
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Die mögliche erzielbare elektrische Leistung am Generator ist abhängig von der zur Kühlung der Generatorwicklungen vorgegebenen Kaltgastemperatur des Kühlgases, also der Kühlgastemperatur bei Eintritt in den Generator. Je niedriger die Kaltgastemperatur ist, desto mehr mechanische Energie kann im Generator in elektrische Energie umgewandelt werden. Das Kaltgas wird wie zuvor beschrieben über den Generatorwärmetauscher gewonnen, der über das Kühlwassersystem gekühlt wird. Damit ist die Kaltgastemperatur des Kühlgases für die Generatorkühlung an die Kühlwassertemperatur des Kühlwassersystems gekoppelt. Die Kühlwassertemperatur ist wiederum abhängig von der Rückkühlung und kann folglich nicht beliebig gesenkt werden. Damit sind auch der am Generator erzielbaren elektrischen Leistung Grenzen gesetzt.
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Kommt es durch leistungssteigernde Maßnahmen an der Turbine zu einem Anstieg der mechanischen Leistung an der Generatorwelle, wäre es wünschenswert, für den Generator eine verbesserte Kühlung bereitzustellen, um diese Mehrleistung in elektrische Energie umzuwandeln zu können.
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Die
EP 1 529 333 A1 offenbart eine Kühlung eines Generators, bei dem das Kühlwasser des Kühlwassersystems des Kraftwerks zusätzlich für die Generatorkühlung heruntergekühlt wird.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kraftwerk der eingangs genannten Art mit verbessertem Aufbau zu schaffen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Kraftwerk nach Anspruch 1, und Verfahren zum Betreiben nach Anspruch 16 sowie ein Verfahren zur Modifikation eines Kraftwerks nach Anspruch 27.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung ein Kraftwerk der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Generatorwärmetauscher Bestandteil eines Zusatzkühlwasserkreislaufs ist, der ausschließlich der Kühlung zumindest eines Generators dient, der insbesondere mit dem Kühlwassersystem des Kraftwerks verbunden und insbesondere über zumindest ein Absperrventil wahlweise von diesem getrennt werden kann.
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Weiterer Vorteil ist das Vorhandensein einer Pumpe und zumindest einer Kältemaschine zur Kühlung des den Zusatzkühlwasserkreislauf durchströmenden Kühlwassers.
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Das Vorsehen eines separaten Zusatzkühlwasserkreislaufs für den zumindest einen Generator, der von dem Kühlwassersystem entkoppelt werden kann, ist dahingehend von Vorteil, dass über den Zusatzkühlwasserkreislauf eine auf den Kühlbedarf des zumindest einen Generators abgestimmte Kühlleistung bereitgestellt werden kann, und zwar ohne Rücksicht auf die Kühlleistung des Kühlwassersystems, über das die weiteren Wärmetauscher gekühlt werden, um beispielsweise Schmier- und/oder Dichtöl, Pumpen oder andere Komponenten des Kraftwerks zu kühlen. Dennoch kann durch Öffnen des zumindest einen Absperrventils wahlweise auch eine Kühlung des Generators alleine über das Kühlwassersystem erfolgen, wenn bei geringen Umgebungstemperaturen nur eine geringe Kühlleistung für den Generator bereitgestellt werden muss oder der Zusatzkühlwasserkreislauf ausfällt, so dass eine Notfallkühlung gewährleistet wird.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Zusatzkühlwasserkreislauf über das Kühlwassersystem mit Kühlwasser gespeist wird, so dass für den Zusatzkühlwasserkreislauf keine separate Kühlwasserversorgung erforderlich ist.
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Der Einsatz zumindest einer Kältemaschine zur Kühlung des den Zusatzkühlwasserkreislauf durchströmenden Kühlwassers bietet eine hohe Flexibilität der zur Verfügung stellbaren Kühlleistung, so dass diese einfach an sich ändernde Umgebungsbedingungen und Fahrweisen des Kraftwerks angepasst werden kann.
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Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Kältemaschine eine Kompressionskältemaschine und weist einen Verdampfer, einen Kompressor, einen Kondensator und ein Entspannungsventil auf, die einen geschlossenen Kreislauf bilden, durch den das Kältemittel der Kältemaschine geleitet wird.
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Bei dem Kältemittel der Kältemaschine handelt es sich bevorzugt um Tetrafluorethan, das auch unter dem Handelsnamen R-134a erhältlich ist. Mit Tetrafluorethan als Kältemittel wurden sehr gute Ergebnisse erzielt.
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Der Kondensator der Kältemaschine wird bevorzugt mit Kühlwasser des Kühlwassersystems gekühlt, wodurch ein einfacher und preiswerter Aufbau des Zusatzkühlwasserkreislaufs erzielt wird.
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Alternativ oder zusätzlich wird vorteilhaft der Kompressor der Kältemaschine mit von einem an das Kühlwassersystem angeschlossenen Generatorwärmetauscher gekühlter Luft gekühlt.
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Ferner schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Kraftwerks, bei dem der Zusatzkühlwasserkreislauf im Normalbetrieb des Kraftwerks durch das zumindest eine Absperrventil von dem Kühlwassersystem getrennt ist, so dass das den Generatorwärmetauscher verlassende Kühlwasser des Zusatzkühlwasserkreislaufes ausschließlich über die Kältemaschine rückgekühlt wird. Damit erfolgt auch die Generatorkühlung ausschließlich über die Kältemaschine und ist damit unabhängig von dem Kühlwassersystem. Entsprechend wird eine energetisch günstige, sehr leistungsfähige und flexible Generatorkühlung bereitgestellt, die es ermöglicht, auch sehr hohe mechanische Leistungen an der Generatorwelle in elektrische Energie umzuwandeln.
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Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei Unterschreiten eines vorab definierten unteren Grenzwertes der mechanischen Leistung an der Generatorwelle des Generators der Normalbetrieb durch Öffnen des Absperrventil und durch Abstellen des Zusatzkühlwasserkreislaufs automatisch verlassen, so dass die Generatorkühlung nicht mehr über den Zusatzkühlwasserkreislauf sondern über das Kühlwassersystem erfolgt, und dass bei erneutem Überschreiten des Grenzwertes der Normalbetrieb durch Schließen des Absperrventils und Inbetriebnahme des Zusatzkühlwasserkreislaufs wieder aufgenommen wird. Der Grenzwert ist dabei derart gewählt, dass eine ordnungsgemäße Kühlung des Generators alleine durch das Kühlwassersystem gewährleistet werden kann.
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Das zumindest eine Absperrventil des Zusatzkühlwasserkreislaufs wird im Falle eines Ausfalls der Kältemaschine vorteilhaft automatisch geöffnet und der Generatorwärmetauscher mit dem Kühlwassersystem 14 verbunden. Auf diese Weise ist stets eine Notkühlung des Generators über das Kühlwassersystem sichergestellt.
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Bevorzugt wird beim Verlassen des Normalbetriebs und bei Wiederaufnahme des Normalbetriebs der Generator temporär sowohl von dem Zusatzkühlwasserkreislauf als auch von dem Kühlwassersystem gekühlt. Durch einen solchen Mischbetrieb kann verhindert werden, dass innerhalb des Generators zu große, den Generator schädigende Temperaturgradienten entstehen.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung und Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Kraftwerks unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen deutlich, die schematisch ein solches Kraftwerk zeigen.
- 1 zeigt ein Kraftwerk mit einem Generator, einem Wärmetauscher für einen Generator mit einem Wärmetauscher,
- 2 zeigt ein Hybridsystem in einem Kraftwerk, bei dem ein Generator auch durch ein Gebläse gekühlt werden kann,
- 3 zeigt ein Kraftwerk mit zwei Generatoren und einem Wärmetauscher,
- 4 zeigt ein Kraftwerk mit zwei Generatoren, die jeweils einen Wärmetauscher aufweisen,
- 5 zeigt, dass ein Wärmetauscher verwendet wird, um verschiedene Teilkomponenten eines Generators zu kühlen und
- 6 zeigt, dass verschiedene Teilkomponenten eines Generators durch zwei Wärmetauscher gekühlt werden.
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Bei dem Kraftwerk 1 handelt es sich vorliegend um ein Gasturbinenkraftwerk, wobei es sich ebenso um jeden anderen Kraftwerkstyp handeln könnte. Vorzugsweise kann es also auch ein GuD-Kraftwerk darstellen mit zumindest einer Dampfturbine (nicht näher dargestellt).
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Die Dampfturbinen können im selben Wellenstrang des Gasturbinenrotors 6 hängen. Vorzugsweise können zwei Dampfturbinen Teil des Kraftwerks sein. Daher oder aus anderen Gründen können zwei Generatoren vorhanden sein.
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Das Kraftwerk 1 umfasst hier vorzugsweise einen Luftverdichter 2, eine Gasturbine 3, zumindest einen Generator 4 und einen Transformator 5. Während des Betriebs des Kraftwerks 1 wird in dem Luftverdichter 2 verdichtete Luft in bekannter Weise zusammen mit einem Brennstoff verbrannt. Das Verbrennungsgas wird der Gasturbine 3 zugeführt und in dieser unter Antreiben eines Gasturbinenrotors 6 entspannt. Der Gasturbinenrotor 6 treibt den Generator 4 an, der die Bewegungsenergie in elektrische Energie wandelt. Der Transformator 5, der an den Generator 4 elektrisch angeschlossen ist, transformiert die elektrische Energie derart, dass sie einem Stromversorgungsnetz zugeführt werden kann.
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Zur Kühlung einzelner Komponenten des Kraftwerks 1 verfügt dieses über ein geschlossenes Kühlwassersystem 7, das allgemein auch als Zwischenkühlwasserkreislauf bezeichnet und von dem vorliegend lediglich eine Hauptzuführleitung 8 und eine Hauptrückführleitung 9 dargestellt sind. An das Kühlwassersystem 7 sind über Leitungen 10 und 11 Wärmetauscher 12 angeschlossen, über die beispielsweise Schmieröl, Dichtöl, Pumpen und/oder andere Komponenten des Kraftwerks 1 gekühlt werden.
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Zur Kühlung des zumindest einen Generators 4 ist an das Kühlwassersystem 7 über Leitungen 13 ferner ein Generatorwärmetauscher 14 angeschlossen, dem über die Leitung 15 dem Generator 4 entnommenes Warmgas zugeführt wird, das dann über die Leitung 16 gekühlt als Kaltgas zum Generator 4 zurückgeführt wird. Der Generatorwärmetauscher 14 bildet erfindungsgemäß einen Bestandteil eines Zusatzkühlwasserkreislaufs 17, der ausschließlich der Kühlung des Generators 4 dient und vorliegend über Absperrventile 18, 18', die an der zuführenden Leitung 13 vorgesehen sind, wahlweise mit dem Kühlwassersystem 7 verbunden und von diesem getrennt werden kann. Der Zusatzkühlkreislauf 17 umfasst eine Kältemaschine 19, die über eine mit einer Pumpe 20 versehene Leitung 21 zwischen dem Generatorwärmetauscher 14 und dem Absperrventil 18 mit der rückführenden Leitung 13 und über eine ein Drei-Wege-Ventil 22 aufweisende Leitung 23 zwischen dem Generatorwärmetauscher 14 und dem Absperrventil 18 mit der zuführenden Leitung 13 einerseits und über ein Leitung 24 mit der Leitung 21 andererseits verbunden ist. Die Kältemaschine 19 umfasst vorliegend einen Verdampfer 25, einen Kompressor 26, einen Kondensator 27 und ein Entspannungsventil 28, durch die das Kältemittel der Kältemaschine 19 über Leitungen 29 im geschlossenen Kreislauf geleitet wird, bei dem es sich vorliegend um Tetrafluorethan (R-134a) handelt, wobei grundsätzlich auch andere Kühlmedien verwendet werden können. Der Kondensator 27 der Kältemaschine 19 wird mit über Leitungen 30 zugeführtem Kühlwasser des Kühlwassersystems 7 gekühlt. Ferner wird der Kompressor 26 der Kältemaschine 19 mit von einem an das Kühlwassersystem 7 über Leitungen 31 und die Leitungen 30 angeschlossen Wärmetauscher 32 gekühlter Luft gekühlt.
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Während des Normalbetriebs ist das zumindest eine Ventil 18, 18' geschlossen und das Drei-Wege-Ventil 22 verbindet die Leitungen 13 und 23, so dass der Zusatzkühlwasserkreislauf 17 vollständig von dem Kühlwassersystem 7 getrennt ist. Entsprechend erfolgt die Kühlung des Generators 4 ausschließlich über die Kältemaschine 19. Dies ist dahingehend von Vorteil, dass die Kühlleistung der Generatorkühlung vollständig unabhängig von dem Kühlwassersystem 7 eingestellt werden kann. Entsprechend wird eine energetisch günstige, sehr leistungsfähige und flexible Generatorkühlung bereitgestellt, die es ermöglicht, auch sehr hohe mechanische Leistungen an der Generatorwelle in elektrische Energie umzuwandeln. Bei geringeren mechanischen Leistungen an der Generatorwelle können, wenn die Kühlleistung des Kühlwassersystems 7 dann für den Generator 4 ausreichend ist, das zumindest eine Absperrventil 18, 18' geöffnet und der Zusatzkühlwasserkreislauf 17 abgestellt werden, so dass die Generatorkühlung nicht mehr über den Zusatzkühlwasserkreislauf 17 bzw. die Kältemaschine 19 sondern über das Kühlwassersystem 7 erfolgt. Das Umschalten von einer Kühlungsart zur anderen kann unter Einsatz einer in der entsprechenden Steuerung hinterlegten Kurve erfolgen, die jeder Generatorleistung eine Soll-Kühlgastemperatur mit einer zugehörigen Kühlwassertemperatur am Eintritt des Generatorwärmetauschers 14 zuordnet und Grenzwerte kennzeichnet, welche Kühlgastemperaturen bei welchen Temperaturen des Kühlwassers des Kühlwassersystems 7 erreicht werden. Wird ein solcher Grenzwert überschritten, so wird automatisch von einer Kühlung des Generators 4 durch das Kühlwassersystem 7 auf eine solche durch den Zusatzkühlwasserkreislauf 17 umgeschaltet. Bei Unterschreitung wird entsprechend zurückgeschaltet. Für eine solche Reglung sind zumindest die Generatorleistung und die Kühlwassertemperatur des Kühlwassersystems 7 vor Eintritt in den Generatorwärmetauscher 14 durch entsprechende Sensorik zu erfassen. Ferner ist vorgesehen, dass das zumindest eine Absperrventil 18, 18' des Zusatzkühlwasserkreislaufs 17 im Falle eines Ausfalls der Kältemaschine 19 automatisch geöffnet und der Generatorwärmetauscher 14 mit dem Kühlwassersystem 7 verbunden wird, um eine Notfallkühlung des Generators 4 bereitzustellen.
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Wird die Generatorkühlung von einer Kühlung über den Zusatzkühlwasserkreislauf 17 auf eine Kühlung über das Kühlwassersystem 7 umgeschaltet oder umgekehrt, so sollte die Umstellung bevorzugt nach und nach erfolgen, um im Generator 4 keine zu starken Beschädigungen nach sich ziehende Temperaturgradienten hervorzurufen. Zu diesem Zweck ist das Drei-Wege-Ventil 22 vorgesehen, das auch einen Mischbetrieb ermöglicht, der dafür sorgt, dass ein zulässiger Temperaturgradient des Kühlwassers am Eintritt des Generatorwärmetauschers 14 eingehalten wird. Dieser kann 1K/Minute betragen, um nur ein Beispiel zu nennen.
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Insgesamt zeichnet sich das erfindungsgemäße Kraftwerk 1 durch eine effektive Generatorkühlung bei einfachem Aufbau aus.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. So ist es beispielsweise auch möglich, an eine zentral aufgestellte Kältemaschine 19 mehrere Zusatzkühlwasserkreisläufe 17 anzuschließen, die jeweils einen Generator 4 aufweisen. Auf diese Weise kann auf das Aufstellen mehrerer Kältemaschinen 19 verzichtet werden, wodurch Kosten eingespart werden können.
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2 zeigt ein Hybridsystem zur Kühlung des Generators 4. Der Generator 4 kann zusätzlich durch ein Gebläse oder Gebläsesystem 33 über separate Leitungen 15', 16' gekühlt werden. Das Gebläsesystem 33 kann parallel zum Generatorwärmetauscher 14 betrieben werden oder wird vorzugsweise nur bei entsprechend niedrigeren Außentemperaturen oder niedriger thermischen Belastungen des Generators 4 eingesetzt. Sollte die thermische Belastung des Generators 4 und/oder die Außentemperaturen steigen, so muss der Generatorwärmetauscher 14 betrieben werden und das Gebläsesystem 33 wird in der Regel ausgeschaltet.
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3 zeigt eine weitere schematische Anordnung eines Kraftwerks 1 mit vorzugsweise zwei Generatoren 4', 4''. Die schematische Anordnung der zwei Generatoren 4', 4'' bezüglich einer oder mehrerer Gasturbinen 2 und/oder nicht näher dargestellten Dampfturbinen ist nur schematisch. Jedenfalls ist bei zwei oder auch mehr Generatoren 4', 4'' nur ein Generatorwärmetauscher 14 vorhanden, der beide Generatoren 4', 4'' kühlt. Die Kühlung ist vorzugsweise parallel geschaltet, so dass separate Schaltungen 15', 16' für den zweiten Generator 4" vorhanden sind.
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4 zeigt ein Kraftwerk 1 mit zwei Generatoren 4', 4''. Die Anordnung der zwei Generatoren 4', 4'' ist nur schematisch sowie die Anzahl der Gasturbinen 2 oder das Vorhandensein nicht näher dargestellter Dampfturbinen. Jedenfalls wird der zweite Generator 4'' durch einen zweiten Generatorwärmetauscher 14'' gekühlt, der ebenfalls wiederum an eine Kältemaschine angeschlossen ist. Dies kann dieselbe Kältemaschine 19 oder eine separate Kältemaschine 19' sein. Somit ist für jeden Generator 4', 4'' ein separater Generatorwärmetauscher 14', 14'' und eine separate Wärmemaschine 19, 19' vorhanden. Dementsprechend sind auch entsprechende Zuleitungen 15' und 16' analog zu den Leitungen 15, 16 Kühlung des ersten Generators 4' vorhanden.
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In 5 ist näher dargestellt, dass für einen Generator 4 zwei Zuleitungen 16, 16' und zwei Ableitungen 15, 15' vorhanden sind, die dazu dienen, verschiedene Teilkomponenten des Generators 4 zu kühlen. Dies kann z.B. eine Ölkühlung sein und/oder eine Kühlung des Rotors. Diese Kühlung von Teilkomponenten gilt natürlich entsprechend für die vorherigen und nachfolgenden Figuren.
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6 zeigt, dass für einen Generator 4 zwei Generatorwärmetauscher 14, 14' und ebenfalls zusätzliche Leitungen 15', 16' vorhanden sind, um eine andere oder mehrere Teilkomponenten des Generators 4 zu kühlen. So kann der Generatorwärmetauscher 14 zur Kühlung des Rotors dienen, wohingegen der zweite Generatorwärmetauscher 14' beispielsweise zur Kühlung des Öls im Generator 4 dient. Die Verwendung von zwei Generatorwärmetauschern 14, 14' ermöglicht es, die verschiedenen Teilkomponenten des einen Generators 4 optimal und unabhängig voneinander zu kühlen. Der zweite Generatorwärmetauscher 14' ist über entsprechende Zuleitungen 13' mit der Kältemaschine 19 verbunden. Optional wäre es auch möglich, für den zweiten Generatorwärmetauscher 14' eine separate Kältemaschine 13' zu verwenden.
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Ebenso können ältere bestehende Kraftwerke aufgerüstet werden, bei dem eine separate Kühlung wie oben beschrieben für den oder die Generatoren 4, 4' zusätzlich und erstmalig parallel zu dem Kühlwassersystem 7 installiert wird. Dadurch wird das Kühlwassersystem 7 entlastet und/oder die Leistung des oder der Generatoren 4, 4' verbessert.
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Die Kältemaschinen 19, 19' werden vorzugsweise dabei mit dem Strom vom Kraftwerk 1 versorgt. Die anderen, insbesondere alle anderen Komponenten des Kraftwerks 1 werden vorzugsweise nicht durch die Kältemaschine 19 gekühlt, sondern nur durch das Kühlwassersystem 7.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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