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Kombinierte Gasturbinen-Dampfturbinenanlage
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bzw. Gasturbinenanlage Es wurde bereits in der Stammanmeldung eine
kombinierte Gasturbinen-Dampfturbinenanlage mit verbrennungsseitig aufgeladener
Wirbelschichtfeuerung beschrieben, bei welcher dem Abhitzekessel des Gasturbinenhauptaggregates
rauchgasseitig eine Nidertemperatur-Gasturbine nachgeschaltet ist (Figur 7).
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Aufgabe dieser Zusatzmeldung ist es nun zu zeigen, wie dieses Prinzip
der rauchgasseitig nachgeschalteten Niedertemperatur-Gasturbine für die Schaffung
einer kombinierten Gasturbinen-Dampfturbinenanlage oder einer reinen Gasturbinenanlage
hohen Wirkungsgrades und niedriger Anschaffungskosten sowie hoher Grenzleistung,
niedrigen Gewichtes, kleiner Abmessungen und vorteilhaften Teillastverhaltens allgemein
angewendet werden kann.
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Bekanntlich erreicht eine kombinierte Gasturbinen-Dampfturbinenanlage
bei den derzeit zur Anwendung kommenden Gasturbineneintrittstemperaturen, Dampfdrücken
und Dampfüberhitzungstemperaturen dann den höchsten thermischen Wirkungsgrad, wenn
die Verbrennung des zugeführten Brennstoffes nur in den Brennkammern der Gas turbine
erfolgt und die Erzeugung des Arbeitsdampfes für den Dampfkreislauf ausschließlich
in einem nicht befeuerten Abhitze-Dampferzeuger geschieht, der der Gasturbine rauchgasseitig
nachgeschaltet ist.
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Nun sind bei den heute bzw. in naher Zukunft erreichbaren Gasturbineneintrittstemperaturen
von 1100 - 1200 OC - und sofern die Gasturbine Zwischenverbrennung aufweist - auch
in kombinierten Gasturbinen-Dampfturbinenanlagen für den Arbeitsdampf Drücke bis
250 bar und Frischdampf- und Zwischenflberhitzunqstemperaturen
von
ca. 540 OC anwendbar, nachteilig ist jedoch, daß die Abgastemperatur (am Austritt
des Abhitze-Dampferzeugers) noch etwa 150 OC beträgt, und daß - zwecks Erlangung
dieser Abgastemperatur - die regenerative Speisewasservorwärmtemperatur des Dampfkreislaufs
nur etwa 100 OC erreichen darf.
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Denn die relativ hohe Abgastemperatur von etwa 150 OC bedingt, daß
von der dem Abhitze-Dampferzeuger mit einer Eintrittstemperatur von 600 - 800 OC
zugeführten Abwärmemenge nur etwa 75 - 82 % in den Arbeitsdampf des Dampfkreislaufes
überführt werden, und die zur Abkühlung der Rauchgase notwendige regenerative Speisewasservorwärmtemperatur
(Endtemperatur) von nur ca. 100 OC reduziert den thermischen Wirkungsgrad des Dampfkreislaufes.
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Ein weiterer Nachteil dieser bekannten kombinierten Gasturbinen-Dampfturbinenanlage
besteht darin, daß die Abhitze-Dampferzeuger während des Betriebes rauchgasseitig
nur unter Atmosphärendruck stehen, was sehr große Heizflächen mit hohen Gewichten
und großen Abmessungen bedingt, die entsprechend hohe Kosten verursachen.
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In diesen Heizflächen der Abhitze-Dampferzeuger tritt während des
Betriebes auch ein verhältnismäßig hoher rauchgasseitiger Zugverlust auf, der den
Wirkungsgrad der Anlagen herabmindert.
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Auch ist es bei den bekannten kombinierten Gasturbinen-Dampfturbinenanlagen
mit vom Rauchgas unter atmosphärischem Druck beaufschlagten Abhitze-Dampferzeugern
von Nachteil, daß ihre Wirkungsgrade bei Teillast stark absinken, da die Gasdurchsatzgewichte
der Gasturbinen bei Teillast mit jenen bei Nennlast weitgehend übereinstimmen und
eine Verringerung der Leistungsabgabe primär durch Absenken der Turbineneintrittstemperaturen
erreicht wird.
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Ein anderer Nachteil der bekannten kombinierten Gasturbinen-Dampfturbinenanlagen
mit nicht befeuerten Abhitze-Dampferzeugern besteht darin, daß die Grenzleistung
einer solchen Anlage gegenwärtig nur etwa 200 MWe beträgt. (Die Grenzleistung der
Gasturbine allein ist 120 MWe).
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Zur Senkung der spezifischen Anlagekosten und zur Reduktion des erforderlichen
Betriebspersonals wäre aber eine wesentlich höhere Grenzleistung erwünscht. (Diese
beträgt bei reinen Dampfblöcken derzeit etwa 700 - 800 MWe).
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Schließlich wäre für gewisse Brennstoffsorten (z.B. für marginales
Erdgas, das nur verhältnismäßig niedrige Anteile an brennbaren Gasen enthält) zur
Erreichung eines guten Ausbrandes ein möglichst hoher Verbrennungsdruck in den Gasturbinenbrennkammern
erwünscht. Dieser Verbrennungsdruck beträgt an derzeit verfügbaren Gasturbinen maximal
nur etwa 10 bar. Eine wesentliche Steigerung desselben wäre für Schwachgase als
Brennstoff wünschenswert.
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Auch bei reinen Gasturbinenanlagen, bei denen zur Steigerung von
deren Wirkungsgraden bekanntlich kreislaufinterne, wärmeaustauschende Rekuperatoren
vorgesehen sind, ist eine Senkung der spezifischen Anschaffungskosten durch höhere
Grenzleistungen und Verminderung der Gewichte und Abmessungen der Rekuperatoren
sowie ein vorteilhaftes Teillastverhalten im Betrieb erwünscht. Ebenso eine Reduktion
der verbrennungsluftseitigen und rauchgasseitigen Druckverluste im Rekuperator bzw.
in den Rekuperatoren.
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Sind die kombinierten Gasturbinen-Dampfturbinenanlagen oder die Gasturbinenanlagen
als Antriebsaggregate großer Schiffe vorgesehen - und ihre hohen Wirkungsgrade und
die Verwendung von o1 als Brennstoff machen sie dafür in Zukunft besonders geeignet
-so komrnt der Reduktion ihrer Gewichte und Abmessunf3en besondere rse tE 3 tilnq
.
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Zur Vermeidung dieser Nachteile wird eine kombinierte Gasturbinen-Dampfturbinenanlage
vorgeschlagen, die aus wenigstens einem ein- oder mehrgehäusigen Gasturbinenhauptaggregat
mit integriertem Elektrogenerator, einem oder mehreren dem bzw. den Gasturbinenhauptaggregat
(en) rauchgasseitig nachgeschalteten nicht befeuerten (oder befeuerten) Abhitze-Dampferzeugern
mit den zum Abhitze-Dampferzeuger bzw. zu den Abhitze-Dampferzeugern gehörenden
Dampfturbinenaggregat(en), Kondensator(en), Kondensatpumpen, Entnahmevorwärmern,
Speisewasserbehälter(n), Speisepumpen und verbindenden Rohrleitungen sowie gegebenenfalls
mit einem oder mehreren dem Gasturbinenhauptaggregat zugeordneten Rekuperator(en)
besteht, und die erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß dem Abhitze-Dampferzeuger
bzw. den Abhitze-Dampferzeugern und gegebenenfalls dem bzw. den Rekuperator(en)
rauchgasseitig eine Niedertemperatur-Gasturbinen nachgeschaltet ist oder mehrere
Niedertemperatur-Gasturbinen nachgeschaltet sind, und daß der bzw. die Abhitze-Dampferzeuger
und gegebenenfalls der bzw. die Rekuperator(en) während des Nennlastbetriebes unter
einem rauchgasseitigen (absoluten) Druck steht bzw.
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stehen, der wenigstens das Doppelte des umgebenden atmosphärischen
Luftdruckes beträgt.
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Weiters wird eine reine Gasturbinenanlage vorgeschlagen, die aus
einem ein- oder mehrgehäusigen Gasturbinenhauptaggregat mit integriertem Elektrogenerator
und einem oder mehreren Rekuperatoren zur Rückführung von Rauchgaswärme in die verdichtete
Verbrennungsluft besteht, und die erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß
dem bzw. den Rekuperator(en) rauchgasseitig eine Niedertemperatur-Gasturbine nachgeschaltet
ist oder mehrere Niedertemperatur-Gasturbinen nachgeschaltet sind, und daß der Rekuperator
bzw. die Rekuperatoren während des Nennlastbetriebes unter einem rauchgasseitigen
Druck steht bzw. stehen, der wenigstens das Doppelte des umgehenden atmospärischen
Luftdruckes beträgt.
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Dabei wird bei Nennlastbetrieb der rauchgasseitige Druck im Abhitze-Dampferzeuger
bzw. im Rekuperator zweckmäßig etwa 4 bar betragen. (Bei kleineren Anlagen können
dann als Niedertemperatur-Gasturbinensätze serienmäßig hergestellte Abgasturbolader
eingesetzt werden, wie sie für Dieselmotoren seit Jahrzehnten Verwendung finden).
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Weiters ist es durch diese Lösung möglich, die erforderliche Größe
der Heizflächen des Abhitze-Dampferzeugers bzw. des Rekuperators erheblich zu reduzieren,
was eine Senkung der Anlagekosten erreichen läßt.
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Schließlich kann bei ihr der Druck in den Gasturbinenbrennkammern
auf 25 - 30 bar angehoben werden (bei Gasturbinen mit Zwischenverbrennung noch erheblich
höher), was bei der Verfeuerung von Schwachgasen (z.B. marginalem Erdgas) einen
besseren Ausbrand derselben ergibt.
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Zur Vereinfachung der Betriebsführung ist der eingehäusige Niedertemperatur-Gasturbinensatz,
welcher den ND-Verdichter und die eigentliche Niedertemperatur-Gasturbine enthält,
vorteilhaft als Teil des Gasturbinenhauptaggregates ausgebildet.
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Oder aber kann der Niedertemperatur-Gasturbinensatz bzw.
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können mehrere Niedertemperatur-Gasturbinensätze als vom Gasturbinenhauptaggregat
getrennte Einheit(en) dem Abhitze-Dampferzeuger bzw. den Abhitze-Dampferzeugern
oder dem Rekuperator bzw. den Rekuperatoren rauchgasseitig nachgeschaltet sein.
Diese Lösung ist dann zu wählen, wenn das Gasturbinenhauptaggregat neben dem Elektrogenerator
zwei oder drei eingehäusige Hochtemperatur-Gasturbinensätze umfaßt und überdies
- zufolge der geforderten Größe der Gesamtanlage - zwei oder mehrere eingeh.5usige
Niedertemperatur-Gasturbinensätze erforderlich sind.
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Bei der letzten Lösung ist der bzw. jeder Niedertemperatur-Gasturbinensatz
über wenigstens eine Warmluftleitung mit dem bzw.
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mit einem Gehäuse des Gasturbinenhauptaggregates verbunden. Dadurch
ist das verbrennungsluftseitige betriebliche Zusammenwirken des Niedertemperatur-Gasturbinensatzes
bzw. der Niedertemperatur-Gasturbinensätze mit dem Hochtemperatur-Gasturbinensatz
bzw.
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mit den Hochtemperatur-Gasturbinensätzen des Gasturbinenhauptaggregates
gewährleistet.
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Ist der Niedertemperatur-Gasturbinensatz bzw. sind die Niedertemperatur-Gasturbinensätze
als vom Gasturbinenhauptaggregat getrennte Einheit(en) ausgebildet, so wird derselbe
bzw. werden dieselben vorteilhaft und in an sich bekannter Weise (je) mit einem
elektrischen Motorgenerator - gegebenenfalls über ein Zwischengetriebe - gekuppelt.
Der elektrische Motorgenerator dient einerseits zum Anfahren seines zugehörigen
Niedertemperatur-Gasturbinensatzes. Andererseits kann er während des Betriebes auch
etwaig anfallende elektrische Überschußenergie in das Netz abgeben.
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Das Gasturbinenhauptaggregat kann unterschiedlich aufgebaut sein.
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So kann es aus einem eingehäusigen Niedertemperatur-Gasturbinensatz
und einem eingehäusigen Hochtemperatur-Gasturbinensatz sowie einem Elektrogenerator
- gegebenenfalls mit Zwischengetriebe(n) - bestehen.
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Oder es kann aus einem eingehäusigen Niedertemperatur-Gasturbinensatz
und zwei eingehäusigen Hochtemperatur-Gasturbinensätzen sowie einem Elektrogenerator
- gegebenenfalls mit Zwischengetriehe(n) - zusammengesetzt sein. Bei dieser Lösung
sind die
beiden Hochtemperatur-Gasturbinensätze zweckmäßig verbrennungsluftseitig
und rauchgasseitig hintereinander geschaltet. Es steht hier das Gehäuse des Niedertemperatur-Gasturbinensatzes
mit dem Gehäuse eines Hochtemperatur-Gasturbinensatzes über wenigstens einer Warmluftleitung
in Verbindung.
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Wenn die Niedertemperatur-Gasturbine eine gesonderte Einheit bildet,
kann das Gasturbinenhauptaggregat aus zwei oder drei eingehäusigen Hochtemperatur-Gasturbinensätzen
sowie einem Elektrogenerator - gegebenenfalls mit ZwisclengetriebeCn) - bestehen.
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Oder es kann das Gasturbinenhauptaggregat aus zwei oder mehreren
eingehäusigen Niedertemperatur-Gasturbinensätzen und einem eingehäusigen Hochtemperatur-Gasturbinensatz
sowie einem Elektrogenerator - gegebenenfalls mit Zwischengetriebe(n) - gebildet
sein. Bei dieser Lösung, die mindestens eine Verdoppelung der oberen Grenzleistung
der Anlage ermöglicht, sind die zwei oder mehreren eingehäusigen Niedertemperatur-Gasturbinensätze
des Gasturbinenhauptaggregates während des Betriebes von der angesaugten Verbrennungsluft
und von den expandierenden Rauchgasen parallel durchströmt. Auch hier sind die Gehäuse
der Niedertemperatur-Gasturbinensätze über mehrere Warmluftleitungen mit dem Gehäuse
des Hochtemperatur-Gasturbinensatzes verbunden.
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Wenn das Gasturbinenhauptaggregat einen Niedertemperatur-Gasturbinensatz
oder mehrere Niedertemperatur-Gasturbinensätze enthält, wird diesem(n) zweckmäßig
ein Zwischengetriebezugeordnet, das ein veränderliches Übersetzungsverhältnis aufweist.
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(Solche Zwischengetriebe werden derzeit für große Kesselspeisepumpen
angeboten). Durch dieses Zwischengetriebe mit veränderlichem Übersetzungsverhältnis
kann bei Teillast der Anlage die Drehzahl des Niedertemperatur-Gasturbinensatzes
bzw. der Niedertemperatur-Gasturbinensätze und damit das sekündlich angesaugte Gewicht
an Verbrennungsluft reduziert werden, was ein übermäßiges Absinken des Anlagenwirkungsgrades
in diesem Betriebszustand verhindert.
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Der Betrieb der vorgeschlagenen, neuen kombinierten Gasturbinen-Dampfturbinenanlage
(vorzugsweise mit nicht befeuertem(n) Dampferzeuger(n)) bzw. der neuen Gasturbinenanlage
weist folgende spezielle Merkmale auf: - die Eintrittstemperatur der Rauchgase (Arbeitsgase)
in die Niedertemperatur-Gasturbine(n) beträgt bei Nennlast zwischen 200 und 500
OC; - die Austrittstemperatur der Rauchgase an der Niedertemperatur-Gasturbinen
bzw. an den Niedertemperatur-Gasturbinen beträgt bei Nennlast höchstens 130 OC,
vorzugsweise aber ca. 100 OC; - es wird bzw. es werden bei Teillast der Anlage die
Drehzahl (en) des Niedertemperatur-Gasturbinensatzes bzw. der Niedertemperatur-Gasturbinensätze
gegenüber der Drehzahl bzw. den Drehzahlen bei Vollast zwecks Beibehaltung eines
höheren Anlagenwirkungsgrades abgesenkt; - wenn der Niedertemperatur-Gasturbinensatz
bzw. die Niedertemperatur-Gasturbinensätze als vom Gasturbinenhauptaggregat gesonderte
Einheit(en) ausgebildet ist bzw. sind und diese(r) (je) durch einen elektrischen
Motorgenerator angetrieben wird bzw. werden, erfolgt die Drehzahl absenkung desselben
bzw. derselben bei Teillast in an sich bekannter Weise durch thyristorgesteuerte
Frequenzwandlung für den elektrischen Motorgenerator bzw. für die elektrischen Motorgeneratoren;
- die Gehäuse der Hochtemperatur-Gasturbinensätze und der Niedertemperatur-Gasturbinensätze
können zur Steigerung des Wirkungsgrades auch je einen zwei- oder mehrteiligen Axialverdichter
enthalten,
zwischen dessen Verdichterteilen ein gehäuseinterner Zwischenkühler angeordnet ist
oder mehrere gehäeuseinterne Zwischenkühler angeordnet sind.
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- im Dampfkreislauf der kombinierten Gasturbinen-Dampfturbinenanlage
beträgt bei Nennlast die durch regenerative Dampfentnahmevorwärmung erzeugte Eintrittstemperatur
des Speisewassers in den Abhitze-Dampferzeuger bzw. in die Abhitze-Dampferzeuger
mindestens 160 OC, vorzugsweise aber ca.
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200 OC; - wenn das Gasturbinenhauptaggregat der kombinierten Gasturbinen-Dampfturbinenanlage
zwei Hochtemperatur-Gasturbinensätze aufweist und zwecks Vermeidung einer zu hohen
Endverdichtungstemperatur der Verbrennungsluft mit Zwischenkühlung arbeitet, ist
der Zwischenkühler bzw. sind die Zwischenkühler während des Betriebes in an sich
bekannter Weise vom Speisewasser des Dampfkreislaufes als wärmeaufnehmendem Medium
durchströmt; - dabei wird das aus dem Zwischenkühler bzw. aus den Zwischenkühlern
kommende Speisewasser bzw. Dampf-Wassergemisch in den Abhitze-Dampferzeuger bzw.
in die Abhitze-Dampferzeuger zwischen dessen bzw. deren Wärmetauscherflächen eingespeist.
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Nach einem weiteren, wesentlichen Merkmal der Erfindung ist der Dampfkreislauf
der kombinierten Gasturbinen-Dampfturbinenanlage in einer Weise ausgelegt, die für
denselben einen gesteigerten Wirkungsgrad erreichen läßt (wodurch auch der Gesamtwirkungsgrad
der Kombianlage weiter angehoben wird).
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Während bei den bisher ausgeführten kombinierten Gasturbinen-Dampfturbinenanlagen
mit nicht befeuerten Abhitze-Dampferzeugern letztere als 2-Druck-Dampferzeuger (mit
Dampfdrücken von ca. 4 bar und ca. 40 bar) gebaut worden sind, ist der hier vorgeschlagene
Dampfkreislauf dadurch gekennzeichnet, daß er als l-Druck-Dampfkreislauf bei Nennlast
einen Druck von wenigstens 120 bar (vorzugsweise von 180 - 250 bar) und Frischdampfüberhitzung
(auf 400 - 500 OC) aufweist, und daß der Arbeitsdampf während des Betriebes zwischen
den Gehäusen der Dampfturbine(n) eine ein- oder mehrmalige Feuchtigkeitsabscheidung
erfährt.
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Besonders durch die letzte Maßnahme wird der Wirkungsgrad des Dampfkreises
merklich gesteigert, da durch sie die im Dampfkondensator ausgetauschte Abwärmemenge
verkleinert wird. Auch kann durch sie auf die Zwischenüberhitzung des Dampfes verzichtet
werden, was eine Vereinfachung des Dampfkreises ergibtaund dabei trotzdem ein hoher
Dampfdruck gewählt werden.
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Die vorstehend beschriebene kombinierte Gasturbinen-Dampfturbinenanlage
bzw. Gasturbinenanlage kann nur mit Erdgas oder Ol befeuert werden. Dabei können
Gesamtwirkungsgrade von 50 -60 % erreicht werden.
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Es ist aber auch der Einsatz von Kohle möglich, wenn diese vergast
wird. Bei dieser Vergasung ist vor allem auch eine weitgehende Entfernung von Schadstoffen
(z.B. Schwefelverbindungen) aus dem erzeugten Brenngas möglich, so daß durch dieses
technische Verfahren auch sehr strengen Vorschriften zur Reinhaltung der Luft entsprochen
werden kann. Daher kommt dem Verfahren aus Gründen des Umweltschutzes für die Zukunft
besondere Bedeutung zu.
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Allerdings ist der Vergasungsvorgang mit einem merklichen Verlust
an verfügbarer Wärme verbunden. (Die in dem erzeugten Brenngas vorhandene Gesamtwärmemenge
ist kleiner als die ursprünglich in der Kohle enthaltene).
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Immerhin lassen sich auch bei dem Einsatz von - vergaster -Kohle
mit den hier vorgeschlagenen Anlagen Gesamtwirkungsgrade von 40 - 50 % erreichen.
Überdies ist - im Vergleich zu konventionellen Dampfkraftwerksblöcken - bei der
neuen Gasturbinen-Dampfturbinenanlage bzw. bei der neuen Gastu:binenanlage auch
eine beachtliche Reduktion der spezifischen Anlagekosten möglich.
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Die hier vorgeschlagenen neuen technischen Merkmale sind nicht nur
an kombinierten Gasturbinen-Dampfturbinenanlagen mit nicht befeuerten Abhitze-Dampferzeugern
anwendbar sondern auch an solchen Anlagen, bei denen die den Hochtemperatur-Gasturbinensätzen
nachgeschalteten Dampferzeuger - etwa zur Abdeckung von Spitzenlast - beheizt sind.
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Bei einer reinen Gasturbinenanlage der vorgeschlagenen Art kann deren
Gasturbinenhauptaggregat auch drei Hochtemperatur-Gasturbinensätze aufweisen, die
während des Betriebes verdichterseitig und turbinenseitig vom Arbeitsmedium nacheinander
durchströmt sind. Eine solche Gasturbinenanlage mit HD-seitiger Verbrennung und
mit zweifacher Zwischenverbrennung bei 1200 OC, sechsfacher Zwischenkühlung und
rekuperativer Vorwärmung der auf etwa 76 bar
komprimierten Verbrennungsluft
auf 700 OC erreicht beim Nennlastbetrieb und Verfeuerung von öl oder Gas einen thermischen
Wirkungsgrad von ca. 60 %.
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Bei der Verwendung der kombinierten Gasturbinen/Dampfturbinenanlage
bzw. der Gasturbinenanlage für den Antrieb großer Schiffe kann das Gasturbinenhauptaggregat
die Welle der Schiffsschraube über ein Reduktionsgetriebe auch direkt antreiben.
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In den Zeichnung sind die Schaltschemata von acht Ausführungsformen
der neuen kombinierten Gasturbinen-Dampfturbinenanlage sowie drei Temperatur-Entropie-Diagramme
von dessen Gasturbinenprozessen und ein Temperatur-Entropie-Diagramm des zugehörigen
verbesserten Dampfkreislaufes dargestellt. Weiters sind die Schaltschemata von sechs
Ausführungsformen der neuen Gasturbinenanlage und zwei Temperatur-Entropie-Diagramme
von deren thermodynamischen Prozessen gezeichnet.
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Es zeigt: Figur 1 das Schaltschema der ersten Ausführungsform einer
kombinierten Gasturbinen-Dampfturbinenanlage, bei der das Gasturbinenhauptaggregat
aus einem eingehäusigen Niedertemperatur-Gasturbinensatz, einem eingehäusigen Hochtemperatur-Gasturbinensatz
sowie einem Elektrogenerator besteht.
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Figur 2 das Schaltschema der zweiten Ausführungsform einer kombinierten
Gasturbinen-Dampfturbinenanlage, bei der das Gasturbinenhauptaggregat aus einem
eingehäusigen Niedertemperatur-Gasturbinensatz, zwei eingehäusigen Hochtemperatur-Gasturbinensätzen
(mit Zwischenverbrennung) sowie einem Elektrogenerator besteht.
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Figur 3 das Schaltschema der dritten Ausführungsform einer kombinierten
Gasturbinen-Dampfturbinenanlage, bei der das Gasturbinenhauptaggregat aus einem
eingehäusigen Hochtemperatur-Gasuturbinensatz und dem Elektrogenerator besteht und
bei der der Niedertemperatur-Gasturbinensatz dem Abhitze-Dampferzeuger rauchgasseitig
als gesonderte Einheit nachgeschaltet und mit einem elektrischen Motorgenerator
gekuppelt ist.
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Figur 4 das Schaltschema der vierten Ausführungsform einer kombinierten
Gasturbinen-Dampfturbinenanlage, bei dem das Gasturbinenhauptaggregat aus zwei eingehäusigen
Hochtemperatur-Gasturbinensätzen mit Zwischenkühlung und Zwischenverbrennung und
dem Elektrogenerator besteht und bei der der Niedertemperatur-Gasturbinensatz dem
Abhitze-Dampferzeuger rauchgasseitig als gesonderte Einheit nachgeschaltet ist und
dem verbrennungsluftseitig ein elektrisch angetriebenes Hilfsgebläse vorgeschaltet
ist.
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Figur 5 das Schaltschema der fünften Ausführungsform einer kombinierten
Gasturbinen-Dampfturbinenanlage für Grenzleistungen bis ca. 400 MWe, bei dem das
Gasturbinenhauptaggregat aus einem eingehäusigen Hochtemperatur-Gasturbinensatz,
zwei eingehäusigen Niedertemperatur-Gasturbinensätzen mit zugeordneten Zwischengetriebe
sowie dem Elektrogenerator besteht und bei dem das Zwischengetriebe ein veränderliches
Übersetzungsverhältnis aufweist.
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Figur 6 das Temperatur-Entropie-Diagramm eines Gasturbinenprozesses,
mit einfacher Hochtemperatur-Expansion und Niedertemperatur-Expansion, wie er in
den Kombianlagen der Schaltungen nach Figur 1 oder Figur 3 oder Figur 5 abläuft.
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Figur 7 das Temperatur-Entropie-Diagramm eines Gasturbinenprozesses
mit Zwischenkühlung und Zwischenverbrennung sowie Niedertemperatur-Expansion, wie
er in den KomBianlagen der Schaltungen nach Figur 2 oder Figur 4 abläuft.
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Figur 8 das Temperatur-Entropie-Diagramm eines im Dampfkreislauf der
Kombianlagen zur Anwendung kommenden Dampfprozesses mit 250 bar bzw. 180 bar Dampfdruck,
450 OC bzw. 400 OC Frischdampfüberhitzung und regenerativer Speisewasservorwärmung
auf 200 OC, bei welchem der Arbeitsdampf während des Betriebes eine zweimalige Feuchtigkeitsabscheidllng
zwischen den Gehäusen der Dampftiirbine erfährt.
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Figur 9 das Schaltschema der ersten Ausführungsform einer reinen Gasturbinenanlage
mit Rekuperator, bei der das Gasturbinenhauptaggregat aus einem eingehäusigen Niedertemperatur-Gasturbinensatz,
einem eingehäusigen Hochtemperatur-Gasturbinensatz sowie einem Elektrogenerator
besteht.
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Figur 10 das Schaltschema der sechsten Ausführungsform einer kombinierten
Gasturbinen-Dampfturbinenanlage mit Rekuperator und Dampfkreislauf, bei der das
Gasturbinenhauptaggregat aus einem eingehäusigen Niedertemperatur-Gasturbinensatz,
einem eingehäusigen Hochtemperatur-Gasturbinensatz sowie einem Elektrogenerator
besteht.
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Figur 11 das Schaltschema der zweiten Ausführungsform einer reinen
Gasturbinenanlage mit Rekuperator, bei der das Gasturbinenhauptaggregat aus einem
eingehäusigen Niedertemperatur-Gasturbinensatz, zwei eingehäusigen Hochtemperatur-Gasturbinensätzen
(mit Zwischenverbrennung) sowie einem Elektrogenerator besteht.
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Figur 12 das Schaltschema der siebten Ausführungsform einer kombinierten
Gasturbinen-Dampfturbinenanlage mit Rekuperator und Dampfkreislauf, bei der das
Gasturbinenhauptaggregat aus einem eingehäusigen Niedertemperatur-Gasturbinensatz,
zwei eingehäusigen Hochtemperatur-Gasturbinensätzen (mit Zwischenverbrennung) sowie
einem Elektrogenerator besteht.
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Figur 13 das Schaltschema der dritten Ausführungsform einer reinen
Gasturbinenanlage mit Rekuperator, bei der das Gas turbinenhauptaggregat aus einem
eingehäusigen Hochtemperatur-Gasturbinensatz und dem Elektrogenerator besteht, und
bei der zwei Niedertemperatur-Gasturbinensätze dem Rekuperator rauchgasseitig als
gesonderte Einheit nachgeschaltet und mit einem elektrischen Motorgenerator gekuppelt
sind.
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Figur 14 das Schaltschema der achten Ausführungsform einer kombinierten
Gasturbinen-Dampfturbinenanlage mit Rekuperator und Dampfkreislauf, bei der das
Gasturbinenhauptaggregat aus einem eingehäusigen Hochtemperatur-Gasturbinensatz
und dem Elektrogenerator besteht, und bei der ein Niedertemperatur-Gasturbinensatz
dem Rekuperator und dem Abhitze-Dampferzeuger rauchgasseitig als gesonderte Einheit
nachgeschaltet und mit einem elektrischen Motorgenerator gekuppelt ist.
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Figur 15 das Schaltschema der vierten -Ausführungsform einer reinen
Gasturbinenanlage mit Rekuperator, bei der das Gasturbinenhauptaggregat aus zwei
eingehäusigen Hochtemperatur-Gasturbinensätzen mit Zwischenkühlung und Zwischenverbrennung
und dem Elektrogenerator besteht, und bei dei der Niedertemperatur-Gasturbinensatz
dem Rekuperator rauchgasseitig als gesonderte Einheit nachgeschaltet ist und dem
verbrennungsluftseitig ein elektrisch angetriebenes Hilfsgebläse vorgeschaltet ist.
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Figur 16 das Schaltschema der fünften Ausführungsform einer reinen
Gasturbinenanlage mit Rekuperator, für gesteigerte Grenzleistungen, bei dem das
Gasturbinenhauptaggregat aus einem eingehäusigen Hochtemperatur-Gasturbinensatz,
zwei eingehäusigen Niedertemperatur-Gasturbinensätzen mit zugeordnetem Zwischengetriebe
sowie dem Elektrogenerator besteht und bei dem das Zwischengetriebe ein veränderl
iches Übersetzungsverhältnis aufweist.
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Figur 17 das Schaltschema der sechsten Ausführungsform einer reinen
Gasturbinenanlage mit Rekuperator, zweifacher Zwischenverbrennung und sechsfacher
Zwischenkühlung, bei der das Gasturbinenhauptaggregat aus drei eingehäusigen Hochtemperatur-Gasturbinensätzen
und dem Elektrogenerator besteht, und bei der der Niedertemperatur-Gasturbinensatz
dem Rekuperator rauchgasseitig als gesonderte Einheit nachgeschaltet und mit einem
elektrischen tor generator gekuppelt ist.
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Figur 18 das Temperatur-Entropie-Diagramm eines Gasturbinenprozesses
mit einfacher Hochtemperatur-Expansion und Niedertemperatur-Expansion sowie mit
dreifacher Zwischenkühlung und Rekuperation, wie er in einer reinen Gasturbinenanlage
nach Schaltschema Figur 9 abläuft.
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Figur 19 das Temperatur-Entropie-Diagramm eines Gasturbinenprozesses
mit zweifacher Zwischenkühlung, einmaliger Zwischenverbrennung, Rekuperation und
Dampfer-zeugung sowie Niedertemperatur-Expansion, wie er in einer kombinierten Gasturbinen-Dampfturbinenanlage
nach Schaltschema Figur 12 abläuft.
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Figur 20 das Temperatur-Entropie-Diagramm eines Gasturbinenprozesses
mit sechsfacher Zwischenkühlung, zweimaliger Zwischenverbrennung, Rekuperation und
Niedertemperatur-Expansion, wie er in einer reinen Gasturbinenanlage nach Schaltschema
Figur 17 abläuft.
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Bei der in Figur 1 als Schaltschema dargestellten ersten Ausführungsform
der Kombianlage besteht das Gasturbinenhauptaggregat 1 aus dem eingehäusigen Niedertemperatur-Gasturbinensatz
2, dem eingehäusigen Hochtemperatur-Gasturbinensatz 3 und dem Elektrogenerator 4,
die mechanisch miteinander gekuppelt sind.
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Der Niedertemperatur-Gasturbinensatz 2 besteht aus dem Niederdruck-Verdichter
2a und der Niedertemperatur-Gasturbine 2b. Der Hochtemperatur-Gasturbinensatz 3
besteht aus dem Hochdruck-Verdichter 3a, der Brennkammer 3b und der Hochtemperatur-Gasturbine
3c.
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Die Verbrennungsluft wird vom Niederdruck-Verdichter 2a angesaugt,
von diesem teilweise verdichtet, und strömt von ihm über die Warmluftleitung 5 zum
Hochdruck-Verdichter 3a. In diesem erfolgt eine weitere Verdichtung der Verbrennungsluft,
welche dann zur Brennkammer 3b geleitet wird, in welcher die Zuführung und Verbrennung
des Brennstoffes und die Umwandlung der Verbrennungsluft zu Rauchgas erfolgt.
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Anschließend durchströmt das Rauchgas die Hochtemperatur-Gasturbine
3a, wo es teilweise expandiert, und gelangen von dort über die "heiße" Rauchgasleitung
6a in den Abhitze-Dampferzeuger 7, in dem es einen Teil seiner Wärme an den Dampf
und das Speisewasser des Dampfkreislaufes abgibt.
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Vom Abhitze-Dampferzeuger 7 strömt das Rauchgas über die "kalte"
Rauchgasleitung 6b in die Niedertemperatur-Gasturbine 2b, in welcher der zweite
Teil der Expansion auf Atmosphärendruck erfolgt.
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Im Abhitze-Dampferzeuger 7 sind der Gasturbinenkreislauf und der
Dampfkreislauf miteinander verknüpft.
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Der im Abhitze-Dampferzeuger 7 erzeugte Frischdampf strömt über die
Frischdampfleitung 8 zur Dampfturbine 9, die aus dem HD-Gehäuse 9a, dem MD-Gehäuse
9b und dem ND-Gehäuse 9c besteht und den elektrischen Generator 10 antreibt.
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Der die Dampfturbine 9 durchströmende Arbeitsdampf wird in den zwischen
den Turbinengehäusen 9a, 9b und 9c angeordneten Feuchtigkeitsabscheidern lla und
11b zweimal von Flüssigkeitspartikeln gereinigt und dann im Kondensator 12 niedergeschlagen.
Das Kondensat gelangt über die Kondensatpumpe 13, die Kondensatleitung 14 und den
ND-Entnahmevorwärmer 15 in den SpeisewasserbehElter 16, wo es entgast wird.
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Die Speisepumpe 17 fördert das Speisewasser über die Speiseleitung
18 und die beiden HD-EntnahmevorwArmer 19a und 19b in den Abhitze-Dampferzeuger
7, wo es verdampft und der Dampf überhitzt wirI.
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Bei der in Figur 2 als Schaltschema dargestellten zweiten Ausführungsform
der Kombianlage besteht das Gasturbinenhauptaggregat 1' aus dem eingehäusigen Niedertemperatur-Gasturbinensatz
2, den zwei eingehäusigen Hochtemperatur-Gasturbinensätzen 3 und 20, und dem Elektrogenerator
4, die wieder mechanisch miteinander gekuppelt sind.
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Der zweite Hochtemperatur-Gasturbinensatz 20 besteht aus dem MD-Verdichter
20a und der MD-Gasturbine 20b und es ist ihm die MD-Brennkammer 20c zugeordnet.
-
In der Heißluftleitung 21, die vom Austritt des MD-Verdichters 20a
zum Eintritt des HD-Verdichters 3a führt, ist ein Zwischenkühler 22 angeordnet,
der während des Betriebes über die Speiseleitung 18a mit Speisewasser des Dampfkreislaufes
als wärmeaufnehmendem Medium versorgt wird.
-
Durch die Zwischenkühlung der Verbrennungsluft im Zwischenkühl er
22 wird eine übermäßig hohe Verdichtungsendtemperatur am Austritt des HD-Verdichters
3a vermieden.
-
Das aus dem Zwischenkühler 22 austretende Speisewasser wird über
die Leitung 18b in den Abhitze-Dampferzeuger 7 eingespeist, und zwar zwischen dessen
Wärmetauscherflächen 7a (Speisewasservorwärmer) und 7b (Verdampfer und/oder Überhitzer).
-
Die übrigen Positionen im Schaltschema Figur 2 stimmen mit den Positionen
des Schaltschema Figur 1 dann überein, wenn dIe Positionsnummern dieselben sind.
-
Im Gasturbinenkreislauf des in Figur 2 dargestellten Gasturbinenhauptaggregates
1' wird die Verbrennungsluft vom ND-Verdichter 2a angesaugt und einer ersten Verdichtung
unterworfen, dann
strömt sie über die Warmluftleitung 5 zum MD-Verdichter
20a durch den eine zweite Verdichtung erfolgt. Die Verbrennungsluft strömt dann
über die Heißluftleitung 21 und den Zwischenkühler 22 zum HD-Verdichter 3a, der
eine dritte Verdichtung ausführt. In der HD-Brennkammer 3b erfolgt eine erste Verbrennung
(HD-Verbrennung) und anschließend eine erste Teilentspannung in der Hochtemperatur-Gasturbine
3c. Nach einer zweiten Verbrennung (Zwischenverbrennung) in der MD-Brennkammer 20c
vollführt das Rauchgas eine zweite Teilentspannung in der MD-Gasturbine 20b, von
welcher es über die "heiße" Rauchgasleitung 6a, den Abhitze-Dampferzeuger 7 und
die "kalte" Rauchgasleitung 6b zur Niedertemperatur-Gasturbine 2b gelangt, in welcher
es in einer dritten Teilentspannung auf Atmosphärendruck expandiert.
-
Durch die in diesem Gasturbinenprozeß stattfindende Zwischenverbrennung
(Zwischenüberhitzung) ist eine weitere beachtliche Steigerung des Gesamtwirkungsgrades
der Kombianlage erreichbar.
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Bei der dritten Ausführungsform der Kombianlage, welche in Figur
3 als Schaltschema gezeigt ist, ist der Niedertemperatur-Gasturinensatz 2 als vom
Gasturbinenhauptaggregat 1" separierte Einheit ausgebildet und von einem elektrischen
Motorgenerator 23 - erforderlichenfalls über ein Zwischengetriebe - angetrieben.
-
Der elektrische Motorgenerator 23 dient vor allem für däs Anfahren
des Niedertemperatur-Gasturbinensatzes 2.
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Das Gasturbinen-Hauptaggregat 1'' besteht nur aus dem Hochtemperatur-Gasturbinensatz
3 - welcher den HD-Verdichter 3a, die Brennkammer 3b und die Hochtemperatur-Gasturbine
3c umfaßt - und dem Elektrogenerator 4.
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Der Niedertemperatur-Gasturbinensatz 2 ist mit dem Gasturbinenhauptaggregat
1" verbrennungsluftseitig über die Warmluftleitung 5 verbunden, welche vom Austritt
des ND-Verdichters 2a zum Eintritt des HD-Verdichters 3a führt.
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Bei Teillast dieser Kombianlage kann zur Beibehaltung eines guten
Wirkungsgrades der Gesamtanlage die Drehzahl des Niedertemperatur-Gasturbinensatzes
2 abgesenkt werden, was mittels thyristorgesteuerter Frequenzregelung für den elektrischen
Motorgenerator 23 geschieht. Durch diese Maßnahme wird das sekundliche Durchsatzgewicht
der Anlage an Verbrennungsluft und Rauchgas reduziert.
-
Der Vorteil dieser Ausführungsvariante besteht darin, daß man auch
mehrere, verbrennungsluftseitig und rauchgasseitig parallel geschaltete Niedertemperatur-Gasturbinensätze
2 anordnen kann, als welche man zweckmäßig große serienmäßig hergestellte Abgasturbolader
(für Dieselmotoren) verwenden wird.
-
Bei dieser Variante kann die Grenzleistung der Kombianlage bis auf
400 MWe - gegebenenfalls auch auf 600 MWe - angehoben werden.
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Auch bei der in Figur 4 als Schaltschema dargestellten vierten Ausführungsform
der Kombianlage ist der Niedertemperatur-Gasturbinensatz 2 als vom Gasturbinenhauptaggregat
1' " separierte Einheit ausgebildet. Für das Anfahren ist dieser Position 2 verbrennungsluftseitig
ein E-motorgetriebenes Hilfsgebläse 24 vorgeschaltet.
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Bei dieser Ausführungsvariante besteht das Gasturbinenhauptaggregat
1"' - zur Erreichung eines höheren Gesamtwirkungsgrades (ler Kombianlage - aus zwei
Iiochtemperatur-Gasturhinenstzen 3 und
20, welche vom Arbeitsmedium
hintereinander durchströmt werden und - wie die Ausführungsvariante 2 - mit Zwischenkühlung
und Zwischenverbrennung (Zwischenüberhitzung) arbeiten.
-
Bei der fünften Ausführungsvariante der Kombianlage, welche in Figur
5 als Schaltschema dargestellt ist, besteht das Gasturbinenhauptaggregat 11V aus
zwei Niedertemperatur-Gasturbinensätzen 2 mit zugeordnetem Zwischengetriebe 25,
einem Hochtemperatur-Gasturbinensatz 3 sowie dem Elektrogenerator 4.
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Mit dieser Variante kann ebenfalls eine Grenzleistung des Kombiblocks
von ca. 400 MWe erreicht werden. Die beiden Tieftemperatur-Gasturbinensätze 2 sind
verbrennungsluftseitig und rauchgasseitig miteinander parallel geschaltet.
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Das Zwischengetriebe 25 weist ein veränderliches Obersetzungsverhältnis
auf, so daß bei Teillast der Anlage die Drehzahl der beiden Niedertemperatur-Gasturbinensätze
2 reduziert werden kann, was das sekundliche Durchsatzgewicht der Anlage an Verbrennungsluft
und Rauchgas reduziert und einen höheren Wirkungsgrad beibehalten läßt.
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Die hier gezeigte Lösung erlaubt die Erreichung großer Blockleistungen
(400 MWe) mit einer verhältnismäßig einfachen Schaltung der Teilaggregate.
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Die in den Schaltschemata Figur 3, Figur 4 und Figur 5 dargestellten
Positionen stimmen mit den Positionen der Schaltschemata Figur 1 und Figur 2 dann
überein, wenn die Positionsnummern dieselben sind.
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In dem in Figur 6 dargestellten idealisierten Temperatur-Entropie-Diagramm
ist der gasturbinenseitige Kreisprozeß dargestellt, wie er in den Ausführungsvarianten
der Kombianlagen nach Figur 1, Figur 3 und Figur 5 abläuft.
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Es bedeuten: a - b erste Verdichtung der Verbrennungsluft im Verdichter
2a des Niedertemperatur-Gasturbinensatzes 2.
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b - c zweite Verdichtung der Verbrennungsluft im Verdichter 3a des
Hochtemperatur-Gasturbinensatzes 3.
-
c - d Erhitzung des Arbeitsmediums durch Verbrennung von Brennstoff
in der Brennkammer 3b des Hochtemperatur-Gasturbinensatzes 3.
-
d - e erste Teil entspannung des Rauchgases in der HD-Turbine 3c des
Hochtemperatur-Gasturbinensatzes 3.
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e - f Abkühlung des Rauchgases im Abhitze-Dampferzeuger 7 f - g zweite
Teil entspannung des Rauchgases in der Niedertemperatur-Gasturbine 2b des Niedertemperatur-Gasturbinensatzes
2 (auf Atmosphärendruck).
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A - B zeigt die Temperaturzunahmen des Speisewassers und Dampfes im
Abhitze-Dampferzeuger 7.
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Aus dem-Diagramm Figur 6 ist ersichtlich, daß sowohl eine Abgastemperatur
der Rauchgase von ca. 100 OC erreicht werden kann und daß dabei eine regenerative
Entnahmevorwärmung des Speisewassers des Dampfkreislaufs bis ca. 200 OC möglich
ist. Beide Maßnahmen bringen eine Steigerung des Gesamtwirkungsgrades der Kombianlage.
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In dem in Figur 7 dargestellten idealisierten Temperatur-Entropie-Diagramm
ist der gasturbinenseitige Kreisprozeß mit Zwischenkühlung und Zwischenverbrennung
(Zwischenüberhitzung) dargestellt, wie er in den Ausführungsvarianten der Kombianlage
nach Figur 2 und Figur 3 abläuft.
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Es bedeuten: a - b erste Verdichtung der Verbrennungsluft im Verdichter
2a des Niedertemperatur-Gasturbinensatzes 2.
-
b - c zweite Verdichtung der Verbrennungsluft im MD-Verdichter 20a
des Hochtemperatur-Gasturbinensatzes 20.
-
c - d Rückkühlung der Verbrennungsluft im Zwischenkühler 22.
-
d - e dritte Verdichtung der Verbrennungsluft im HD-Verdichter 3a
des Hochtemperatur-Gasturbinensatzes 3.
-
e - f Erhitzung des Arbeitsmediums durch Verbrennung von Brennstoff
in der HD-Brennkammer 3b des Hochtemperatur-Gasturbinensatzes 3.
-
f - g erste Teil entspannung des Rauchgases in der HD-Turbine 3c des
Hochtemperatur-Gasturbinensatzes 3.
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g - h Zwischenüberhitzung des Rauchgases durch Verbrennung von Brennstoff
in der MD-Brennkammer 20c des Hochtemperatur-Gasturbinensatzes 20.
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h - j zweite Teilentspannung des Rauchgases in der MD-Turbine 20b
des Hochtemperatur-Gasturbinensatzes 20.
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j - k Abkühlung des Rauchgases im Abhitze-Dampferzeuger 7.
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k - 1 dritte Teilentspannung des Rauchgases in der Niedertemperatur-Gasturbine
2b des Niedertemperatur-Gasturbinensatzes 2 (auf Atmosph,Erenrlrtlck).
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A - B zeigt die Temperaturzunahme des Speisewassers und Dampfes im
Abhitze-Dampferzeuger 7.
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C - D zeigt die Temperaturzunahme des Speisewassers im Zwischenkühler
22.
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Durch die im Diagramm Figur 7 gezeigte Anwendung der Zwischenverbrennung
ist eine zusätzliche Steigerung des Gesamtwirkungsgrades und der Grenzleistung der
Kombianlage erreichbar.
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In Figur 8 ist ein idealisiertes Temperatur-Entropie-Diagramm für
den Dampfprozeß dargestellt, wie er im Dampfkreislauf der Kombianlage ablaufen soll.
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Dabei wird dieser Dampfprozeß mit dem Ziel vorgeschlagen, den Wirkungsgrad
des Dampfkreislaufs zu steigern und dadurch auch den Gesamtwirkungsgrad der Kombianlage
zu verbessern.
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Der Wirkungsgrad des Dampfkreislaufes kann dadurch verbessert werden,
daß in ihm einerseits die mittlere Temperatur tm der äußeren Wärmezufuhr gesteigert
und andererseits die Größe der im Kondensator abgeführten Verlustwärme verringert
wird.
-
Um die mittlere Temperatur der äußeren Wärmezufuhr im Dampfprozeß
anzuheben, wird einerseits eine regenerative Entnahmevorwär mung des Speisewassers
von 200 OC und andererseits ein Dampfdruck von 250 bar (bzw. 180 bar) gewählt.
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Um die im Kondensator abzuführende Verlustwärme zu verringern ist
eine zweimalige Feuchtigkeitsabscheidung für den Arbeitsdampf vorgesehen. Und zwar
eine erste Feuchtigkeitsseparation im Feuchtigkeitsabscheider lla, der zwischen
dem HD-Gehäuse 9a und dem MD-Gehäuse 9b der Dampfturbine 9 angeordnet ist, und eine
zweite im
Feuchtigkeitsabscheider leib, der zwischen dem MD-Gehäuse
9b und dem ND-Gehäuse 9c der Dampfturbine angeordnet ist. Die Dampfexpansionen im
HD-Turbinengegäuse 9a und im MD-Turbinengehäuse 9b sind dabei so gewählt, daß der
minimale Dampfgehalt des Arbeitsdampfes noch über 84 % liegt.
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Im Diagramm Figur 8 bedeuten: A - B (bzw. A' - B) die Entspannung
des Arbeitsdampfes im HD-Turbinengehäuse 9a.
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B - C die erste Feuchtigkeitsseparation im Feuchtigkeitsabscheider
lla.
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C - D die Entspannung des Arbeitsdampfes im MD-Turbinengehäuse 9b.
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D - E die zweite Feuchtigkeitsseparation im Feuchtigkeitsabscheider
leib.
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E - F die Entspannung des Arbeitsdampfes im ND-Turbinengehäuse 9c.
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F - G die Niederschlagung des Turbinenabdampfes im Kondensator 12.
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G - H die rekuperative Entnahmevorwärmung des Kondensates bzw.
-
Speisewassers (bei gleichzeitiger Erhöhung von dessen Druck durch
die Kondensat- und Speisepumpe).
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H - A (bzw. H - A') die weitere Aufheizung des Speisewassers bzw.
Dampfes im Abhitze-Dampferzeuger 7.
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Der Druck von 180 bar ist für die Ausführungsvarianten nach Figur
2 und Figur 4 mit Zwischenkühlung und Zwischenverbrennung vorgesehen, bei welchen
die erreichbare Endüberhitzung des Arbeitsdampfes niedriger ist als bei den Ausführungsvarianten
nach Figur 1, Figur 3 und Figur 5.
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Obwohl in diesem erfindungsmäßig vorgeschlagenen Dampfkreislauf die
Dampfüberhitzung mit 450 OC (bzw. 400 OC) verhältnismäßig niedrig ist, ist mit ihr
doch ein beachtlich höherer Wirkungsgrad zu erreichen, als dies bisher bei ausgeführten
Kombianlagen mit 2-Druck-Dampfkreisläufen möglich war.
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Bei der in Figur 9 als Schaltschema dargestellten ersten Ausführungsform
der reinen Gasturbinenanlage besteht das Gasturbinenhauptaggregat 1 wieder aus dem
eingehäusigen Niedertemperatur-Gasturbinensatz 2, dem eingehäusigen Hochtemperatur-Gasturbinensatz
3 und dem Elektrogenerator 4.
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Der Niederdruck-Verdichter 2a des Niedertemperatur-Gasturbinensatzes
2 besteht aus den beiden Verdichterteilen 2a' und 2asz', zwischen welchen der gehäuseinterne
Zwischenkühler 26 angeordnet ist.
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Ebenso besteht der Hochdruck-Verdichter 3a des Hochtemperatur-Gasturbinensatzes
3 aus den beiden Verdichterteilen 3a' und 3a'', zwischen welchen der gehäuseinterne
Zwischenkühler 26' angeordnet ist.
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Oberdies ist in der Warmluftleitung 5 ein zusätzlicher externer Zwischenkühler
22' angeordnet. Diese drei Zwischenkühler reduzieren den Bedarf an Kompressionsenergie
der Verbrennungsluft und steigern dadurch den Wirkungsgrad der Anlage. Die gehäuseinternen
Zwischenkühler benötigen keine Zu- und Abfuhrkanäle für die Verbrennungsluft und
verringern so deren Druckverluste.
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Die Verbrennungsluft wird vom Verdichterteil 2a' des Niederdruck-Verdichters
2a angesaugt und strömt über den gehäuseinternen Zwischenkühler 26, den Verdichterteil
2a'', den externen Zwischenkühler
22', den Verdichterteil 3a'
des Hochdruckverdichters 3a, den gehäuseinternen Zwischenkühler 26', den Verdichterteil
3a'' und den Rekuperator 27 in die Brennkammer 3b. In dieser erfolgt die Zuführung
und Verbrennung des Brennstoffes und die Umwandlung der Verbrennungsluft in Rauchgas.
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Anschließend durchströmt das Rauchgas die Hochtemperatur-Gasturbine
3c, wo es teilweise expandiert, und gelangt von dort über die "heiße" Rauchgasleitung
6a in den Rekuperator 27, in dem es einen Teil seiner Wärme an die komprimierte
Verbrennungsluft abgibt.
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Vom Rekuperator 27 strömt das Rauchgas über die "kalte" Rauchgasleitung
6b in die Niedertemperatur-Gasturbine 2b, in welcher der zweite Teil der Expansion
auf Atmosphärendruck erfolgt.
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Bei der in Figur 10 als Schaltschema dargestellten sechsten Ausführungsform
der Kombianlage besitzt diese einen Rekuperator 27' und einen Abhitze-Dampferzeuger
7, die beide während des Nennlastbetriebes rauchgasseitig unter einem Überdruck
von ca. 4 bar stehen, wodurch deren Größen, Gewichte und Druckverluste verringert
werden.
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Die Ausrüstung einer Kombianlage mit einem Rekuperator ist dann sinnvoll,
wenn die Verdichtungsendtemperatur der Verbrennungsluft am letzten Verdichter verhältnismäßig
hoch (z.B. 300 OC) ist, und wenn die Austrittstemperatur der Rauchgase an der Hochtemperatur-Gasturbine
700 OC oder mehr beträgt, weil dann die Möglichkeit gegeben ist, die komprimierte
Verbrennungsluft im Rekuperator auf 600 OC oder höher vorzuwärmen.
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Bei der zweiten Ausführungsform der reinen Gasturbinenanlage, welche
in Figur 11 als Schaltschema gezeigt ist, wird die Verbrennungsluft vom ND-Verdichter
2a angesaugt und einer ersten Verdichtung unterworfen. Dann strömt sie über die
Warmluftleitung 5 und den externen Zwischenkühler 22' zum MD-Verdichter 20a, durch
den eine zweite Verdichtung erfolgt. Die Verbrennungsluft strömt dann über die Heißluftleitung
21 und den externen Zwischenkühler 22'' zum HD-Verdichter 3a, der eine dritte Verdichtung
ausführt. Anschließend erfolgt eine weitere Aufwärmung der Verbrennungsluft im Rekuperator
27. In der HD-Brennkammer 3b erfolgt eine erste Verbrennung (HD-Verbrennung) und
anschließend eine erste Teilentspannung in der Hochtemperatur-Gasturbine 3c. Nach
einer zweiten Verbrennung (Zwischenverbrennung) in der MD-Brennkammer 20c vollführt
das Rauchgas eine zweite Teil entspannung in der MD-Gasturbine 20b, von welcher
es über die "heiße" Rauchgasleitung 6a, den Rekuperator 27 und die "kalte" Rauchgasleitung
6b zur Niedertemperatur-Gasturbine 2b gelangt, in welcher es in einer dritten Teilentspannung
auf Atmosphärendruck expandiert.
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Auch bei dieser reinen Gasturbinenanlage wird durch die Zwischenverbrennung
(Zwischenüberhitzung) eine beachtliche Steigerung des thermischen Wirkungsgrades
erreicht.
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Bei der in Figur 12 dargestellten siebten Ausführungsform der Kombianlage
besitzt diese sowohl einen Rekuperator 27' als auch einen Abhitze-Dampferzeuger
7 mit dampfseitigem Zubehör 9, 10, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18.
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Das Gasturbinenhauptaggregat 1' besteht wieder aus dem Niedertemperatur-Gasturbinensatz
2, den beiden Hochtemperatur-Gasturbinensätzen 3 und 20 (mit Zwischenverbrennung)
sowie dem Elektrogenerator 4.
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Auch hier ist durch die Zwischenverbrennung (Zwischenüberhitzer)
eine Steigerung des thermischen Wirkungsgrades erreichbar.
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Wegen dieser Zwischenüberhitzung ist die Austrittstemperatur der
Rauchgase an der MD-Gasturbine besonders hoch (z.B. 800 OC) und es ist die Anwendung
eines Rekuperators besonders vorteilhaft.
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Bei der dritten Ausführungsform der reinen Gasturbinenanlage, welche
in Figur 13 als Schaltschema dargestellt ist, sind zwei Niedertemperatur-Gasturbinensätze
2 als vom Gasturbinenhauptaggregat 1" separierte Einheit ausgebildet und von einem
elektrischen Motorgenerator 23 - erforderlichenfalls über ein Zwischengetriebe -angetrieben.
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Das Gasturbinen-Hauptaggregat 1" besteht nur aus einem Hochtemperatur-Gasturbinensatz
3, welchem ein Rekuperator 27 zugeordnet ist, und dem Elektrogenerator 4.
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Die beiden Niedertemperatur-Gasturbinensätze 2 sind mit dem Hochtemperatur-Gasturbinensatz
3 über Warmluftleitungen 5 verbunden.
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Die Anordnung von zwei Niedertemperatur-Gasturbinensätzen 2 erlaubt
es, die Grenzleistung der Gasturbinenanlag erheblich zu steigern.
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Bei der in Figur 14 als Schaltschema dargestellten achten Ausführungsform
der Kombianlage ist der Niedertemperatur-Gasturbinensatz 2 wiederum als vom Gasturbinenhauptaggregat
1'2 getrennte Einheit ausgebildet und von einem Motorgenerator 23 angetrieben.
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Dem Gasturbinenhauptaggregat 1'' ist wieder ein Rekuperator 27' und
ein Abhitze-Dampferzeuger 7 mit dampfseitigen Zubehörteilen 9, 10, 12, 13, 14, 15,
16, 17, 18 zugeordnet.
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In Figur 15 ist die vierte Ausführungsform der reinen Gasturbinenanlage
als Schaltschema dargestellt, in der dem Gasturbinenhauptaggregat 1''' wieder ein
getrennter Niedertemperatur-Gasturbinensatz 2 zugeordnet ist, dem verbrennungsluftseitig
ein E-motorgetriebenes Hilfsgebläse 24 vorgeschaltet ist.
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Das Gasturbinenhauptaggregat 1"' besteht - neben dem Elektrogenerator
4 - aus den zwei Hochtemperatur-Gasturbinensätzen 3 und 20, die mit Zwischenkühlung,
Zwischenverbrennung (Zwischenüberhitzung) und Rekuperation arbeiten.
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Bei der fünften Ausführungsform der reinen Gasturbinenanlage, die
in Figur 16 als Schaltschema dargestellt ist, besteht das Gasturbinenhauptaggregat
11V aus zwei Niedertemperatur-Gasturbinensätzen 2 mit zugeordnetem Zwischengetriebe
25, einem Hochtemperatur-Gasturbinensatz 3 sowie dem Elektrogenerator 4.
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Die Grenzleistung kann dadurch wieder beachtlich angehoben werden.
Das Zwischengetriebe 25 weist ein veränderliches Obersetzungsverhältnis für die
Teillastregelung auf. Dem Gasturbinenhauptaggregat 11V ist auch ein rauchgasseitig
druckaufgeladener Rekuperator 27 zugeordnet.
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In Figur 17 ist die sechste Ausführungsform der reinen Gasturbinenanlage
als Schaltschema dargestellt.
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Das Gasturbinenhauptaggregat besteht aus den drei Hochtemperatur-Gasturbinensätzen
3, 20 und 28 und arbeitet mit zweifacher Zwischenverbrennung (Zwischenüberhitzung)
sowie mit Rekuperation.
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Der Niedertemperatur-Gasturbinensatz 2 ist als separate Einheit ausgebildet
und wird von einem elektrischen Motorgenerator 23 angetrieben.
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Die Axialverdichter 2a, 20a und 28a des Niedertemperatur-Gasturbinensatzes
2 und der beiden Hochtemperatur-Gasturbinensätze 20 und 28 sind je zweiteilig ausgebildet.
Jedem dieser Axialverdichter ist ein gehäuseinterner Zwischenkühler 26, 26', 26"
zugeordnet. Überdies besitzt die Anlage noch drei externe Zwischenkühler 22', 22'',
22"', so daß der thermodynamische Prozeß zur Steigerung seines Wirkungsgrades sechs
Zwischenkühlungen aufweist.
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Eine Gasturbinenanlage gemäß Figur 17 erreicht - bei den in Diagramm
Figur 20 eingetragenen Betriebswerten und bei Verfeuerung von öl oder Gas - einen
thermischen Wirkungsgrad von etwa 60 %. (Bei Einsatz von vergaster Kohle immerhin
noch einen Wirkungsgrad von etwa 50 %, auf den Heizwert der eingesetzten Kohle bezogen).
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In dem in Figur 18 dargestellten Temperatur-Entropie-Diagramm ist
der thermodynamische Kreisprozeß der in Figur 9 gezeichneten reinen Gasturbinenanlage
eingetragen. Diese Anlage arbeitet mit HD-seitiger Verbrennung, einfacher Hochtemperatur-Expansion,
rauchgasseitiger Wärmeabgabe im Rekuperator, Niedertemperatur-Expansion, vierfacher
Verdichtung mit dreifacher Zwischenkühlung und verbrennungsluftseitiger Wmrmeaufnahme
im Rekuperator.