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Die
Erfindung betrifft ein solarthermisches Gas- und Dampfkraftwerk, umfassend eine
Gasturbine, eine Dampfturbine, einen Abhitzedampferzeuger, welcher
an die Dampfturbine gekoppelt ist und durch den Wärmeübertragungsmedium über Abgase
der Gasturbine erhitzbar ist und einen solar beheizbaren Dampferzeuger,
welcher ebenfalls an die Dampfturbine gekoppelt ist.
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Ferner
betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Umwandlung von thermischer
Energie in elektrische Energie in einem solarthermischen Gas- und
Dampfkraftwerk mit einem solar beheizbaren Dampferzeuger, bei dem
die Abhitze eines Abgases einer Gasturbine mittels eines Abhitzedampferzeugers
genutzt wird und bei dem durch den solar beheizbaren Dampferzeuger
geführtes
Wärmeübertragungsmedium
ebenfalls durch Abgashitze der Gasturbine erhitzt wird.
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Ein
Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische
Energie in einem solarthermischen Gas- und Dampfkraftwerk mit einem
solar beheizbaren Dampferzeuger, bei dem die Abhitze eines Abgases
einer Gasturbine mittels eines Abhitzedampferzeugers genutzt wird
und bei dem durch den solar beheizbaren Dampferzeuger geführtes Wärmeübertragungsmedium
ebenfalls durch Abgasabhitze der Gasturbine erhitzt wird ist ferner
aus dem Artikel "Optimization
Studies For Integrated Solar Combined Cycle Systems" von B. Kelly, U.
Herrmann und M. J. Hale, Proceedings of Solar Form 2001, Solar Energy:
The Power to Choose, April 21–25,
2001 Washington DC, ASME bekannt.
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In
der
DE 196 52 349
C2 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Solar- und Niedertemperatur-Wärme-Kombinatioasanlage
aus Gas- und Dampfturbine zur Stromerzeugung oder gekoppelten Strom-
und Wärmeerzeugung
beschrieben, wobei in diesem Verfahren geringfügig mehr Verbrennungsluft verdichtet
wird, als zur stöchiometrischen
Verbrennung des Gasturbinenbrennstoffes erforderlich ist.
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In
der
DE 196 27 425
A1 ist ein Verfahren zum Betrieb einer Hybrid-Solar-Kombianlage
beschrieben, die im wesentlichen eine Gasturbogruppe, eine Dampfturbogruppe,
einen Abhitzedampferzeuger und einen Solar-Dampferzeuger umfaßt, wobei durch die Abgase
der Gasturbogruppe im Abhitzedampferzeuger durch eine Speisewasserleitung
eingespeistes Speisewasser verdampft wird und der Dampf über eine
Dampfzuleirung zum Betrieb mindestens einer Dampfturbine der Dampfturbogruppe verwendet
wird.
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In
der
DE 29 48 306 C2 ist
eine Einrichtung zum Teillastbetrieb eines Solarkraftwerkes mit
mindestens einem Hohlraum-Solarerhitzer beschrieben, in welchem
sich von einem zu erhitzenden Medium durchströmte, wärmetauschende Rohre befinden, wobei
an den Hohlraum-Solarerhitzern eine Luftabsauge- und Lufzuführleitung
mit eingeschaltetem Gebläse
aageschlossen ist, die mit einem in einen Wasser-Dampfkreislauf
eingeschalteten Wärmetauscher verbunden
sind.
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Die
US 5,727,379 offenbart ein
System zur Erzeugung elektrischer Leistung mit einer Gasturbine,
einem solaren Dampferzeuger, einer Hochdruck-Dampfturbine und einer
Niederdruck-Dampfturbine.
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Bei
solarthermischen Gas- und Dampfkraftwerken stellt sich grundsätzlich immer
das Problem, daß die
solaren Einstrahlungsbedingungen schwanken und daß diese
Schwankungen zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrades der Energieumwandlung
führen
können.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte solarthermische
Gas- und Dampfkraftwerk und das eingangs genannte Verfahren so zu
verbessern, daß der
Wirkungsgrad des Kraftwerks bzw. der Gewinnung elektrischer Energie möglichst
wenig von der Variation der solaren Einstrahlungsbedingungen abhängt.
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Diese
Aufgabe wird bei dem gattungsgemäßen solarthermischen
Gas- und Dampfkraftwerk erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der solar
beheizbare Dampferzeuger einen von dem Abhitzedampferzeuger getrennten
Abhitzewärmetauscher umfaßt, mittels
dem solar erhitztes Wärmeübertragungsmedium
durch Ab der der Gasturbine erhitzbar ist, daß der Abhitzewärmetauscher
des solar beheizbaren Dampferzeugers und der Abhitzedampferzeuger
bezüglich
ihrer jeweiligen Eingänge
und Ausgänge
für Wärmeüber tragungsmedium
parallel angeordnet sind, und daß eine Erhitzungsstrecke des
solar beheizbaren Dampferzeuger und eine Erhitzungsstrecke des Abhitzedampferzeugers
parallel angeordnet sind.
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Erfindungsgemäß wird zum
einen eine optimale Abhitzenutzung der Gasturbine erreicht, da zum
einen solar beheiztes Wärmeübertragungsmedium
und "konventionelles" Wärmeübertragungsmedium
aufgeheizt werden. Zum anderen ist aber diese Aufheizung entkoppelt,
so daß sichergestellt
ist, daß der
Abhitzedampferzeuger in seinem optimalen Auslegungsbereich betreibbar
ist, und Schwankungen in den solaren Einstrahlungsbedingungen die
Dampferzeugung und Dampfüberhitzung
durch den "konventionellen" Abhitzedampferzeuger
nicht beeinträchtigen.
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Dadurch
wiederum ist sichergestellt, daß der Dampfturbine
Dampf und insbesondere überhitzter Dampf
in der für
die jeweilige Auslegung der Dampfturbine optimalen Temperatur zuführbar ist.
Die Dampfturbine kann in eine Hochdruckdampfturbine und eine Niederdruckdampfturbine
aufgeteilt sein.
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Es
ist vorgesehen, daß der
Abhitzewärmetauscher
des solar beheizbaren Dampferzeugers und der Abhitzedampferzeuger
bezüglich
ihrer jeweiligen Eingänge
und Ausgänge
für Wärmeübertragungsmedium
parallel angeordnet sind Dadurch kann ein Abgasstrom der Gasturbine
aufgeteilt werden, wobei ein erster Teilstrom des Abgases den Abhitzedampferzeuger
und ein zweiter Teilstrom des Abgases den Abhitzewärmetauscher
des solar beheizbaren Dampferzeugers durchströmt. Ferner läßt sich
das Wärmeübertragungsmedium
in einen ersten Strom zur Durchströmung des Abhitzedampferzeugers
und einen zweiten Strom zur Durchströmung des solar beheizbaren
Dampferzeugers aufteilen. Erfolgt die Aufteilung. der Ströme derart,
daß die
Temperatur des solar erzeugten Dampfes und des in dem Abhitzedampferzeuger
erzeugten Dampfes bei der Zusantmenführung im wesentlichen gleich.
ist, dann läßt sich
die Dampfturbine optimal betreiben, wobei sich Schwankungen in den
solaren Einstrahlungsbediagungen durch Änderung der Verhältnisse
der Ströme
(Wärmeübertragungsmedium
und/oder Abgasströme)
steuern bzw. regeln lassen, um so eben der Dampfturbine Wärmeübertragungsmedium
in einer im wesentlichen konstanten, optimierten Temperatur zuführen zu
können.
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Eine
Erhitzungsstrecke des solar beheizbaren Dampferzeugers und eine
Erhitzungsstrecke des Abgasdampferzeugers sind parallel zueinander
angeordnet.
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Ganz
besonders vorteilhaft ist es, wenn ein erster Abgaszug und ein zweiter
Abgaszug vorgesehen sind, auf die ein Abgasstrom der Gasturbine
aufteilbar ist, wobei der erste Abgaszug den Abhitzedampferzeuger
umfaßt
und der zweite Abgaszug den Abhitzewärmetauscher des solar beheizbaren Dampferzeugers
umfaßt.
Durch diese Aufteilung, die insbesondere, steuerbar und/oder regelbar
ist, läßt sich
eine getrennte, entkoppelte Abhitzenutzung für den solarthermischen Kreis
des Gas- und Dampfkraftwerkes und für den "konventionellen" Kreis nutzen.
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Konstruktiv
günstig
ist es, wenn eine Rauchklappe zur Aufteilung des Abgasstromes vorgesehen ist,
um so entsprechend Teilströme
für den
solarthermischen Kreis und den "konventionellen" Kreis zu erhalten.
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Ganz
besonders vorteilhaft ist es, wenn einer Dampftubine nachgeschaltet
mindestens eine Abzweigungsvorrichtung vorgesehen ist, über die
ein Wätmeübertragungsmediumstrom
aufteilbar ist in einen ersten Strom zur Durchströmung des
Abhitzedampferzeugers und einen zweiten Strom zur Durchströmung des
solar beheizbaren Dampferzeugers. Dadurch läßt sich ein Teilstom für den solar
beheizbaren Dampferzeuger abzweigen, um an diesem die Abhitze der
Gasturbine nutzen zu können.
Der erste Strom zur Durchströmung
des Abhitzedampferzeugers läßt sich
dabei ebenfalls, getrennt von dem zweiten Strom, über die
Abhitze des Abgases der Gasturbine aufheizen und das Wärmeübertragungsmedium
insbesondere verdampfen und überhitzen. Diese
Verdampfung und Überhitzung
ist dabei entkoppelt von dem solar beheizbaren Dampferzeuger, d.
h. solar erhitztes Wärmeübertragungsmedium
wird nicht in den Abhitzedampferzeuger eingekoppelt.
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Günstigerweise
ist eine Abzweigungsvorrichtung einem Eingang des solar beheizbaren Dampferzeugers
und einem Eingang des Abhitzedampferzeugers vorgeschaltet, um so
eine optimierte Entkopplung der Abhitzenutzung erhalten zu können.
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Ganz
besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Abzweigungsvorrichtung zur
Einstellung der Massestromaufteilung in den ersten Strom und den
zweiten Strom steuerbar und/oder regelbar ist. Über diese Steuerung läßt es sich
erreichen, daß die
Stromaufteilung so erfolgt, daß einer
Dampfturbine ein überhitzter
Dampfstrom zugeführt
wird, welcher auf einer im wesentlichen konstanten Temperatur liegt,
beispielsweise 500°C ± 10 K.
Dieser Überhitzte-Dampf-Strom ist dabei
in seiner Temperaturabhängigkeit
im wesentlichen unabhängig
von Schwankungen der solaren Einstrahlungsbedingungen, wobei die
Schawankungssicherheit durch entsprechende Steuerung der Stromaufteilung
erreichbar ist.
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Es
kann vorgesehen sein, daß eine
Abzweigungsvorrichtung an einen Niederdruckeingaag des Abhitzedampferzeugers
gekoppelt ist und/oder eine Abzweigungsvorrichtung an einen Hochdruckeingang
des Abhitzedampferzeugets gekoppelt ist. Ist insbesondere der Abhitzedampferzeuger
mit einer Niederdruckstrecke und einer Hochdruckstrecke für das Wärmeübertragungsmedium
ausgestattet, so ergeben sich umfangreiche Steuerungsmöglichkeiten.
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Auf
analoge Weise kann eine Abzweigungseinrichtung an einen Niederdruckeingang
und/oder einen Hochdruckeingang insbesondere des Abhitzewärmetauschers
des solar beheizbaren Dampferzeugers gekoppelt sein, um so weitere
Steuerungs- und/oder Regelungsmöglichkeiten
zu erhalten. Es ergibt sich dann insgesamt die Möglichkeit, das Wärmeübertragungsmedium
durch den Abhitzedampferzeuger in Eindrucksteuerung oder Zweidrucksteuerung
durchzuführen.
Dies kann kombiniert werden mit der Möglichkeit, das Wärmeübertragungsmedium durch
den solar beheizbaren Dampferzeuger mittels Eindrucksteuerung oder
Zweidrucksteuerung durchzuführen.
[0022] Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn eine Zusammenführungsvorrichtung
für Wärmeübertragungsmedium
vorgesehen ist, mittels welcher ein erster Strom, welcher einen
Abhitzedampferzeuger durchströmt
hat, und ein zweiter Strom, welcher den solar beheizbaren Dampferzeuger
durchströmt
hat, zusammenführbar
sind und von welcher der zusammengeführte Strom der Dampfturbine
zuführbar
ist Dadurch ist sichergestellt, daß trotz Stromaufteilung eingangsseitig
des Abhitzewärmetauschers
und des Abhitzedampferzeugers der Dampfturbine ein Gesamtmassestrom
an Wärmeübertragungsmedium zugeführt wird,
welcher größer ist
als die jeweiligen Aufteilungsströme.
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Insbesondere
ist dabei der Dampfturbine ein Massenstrom zuführbar, welcher innerhalb einer
vorgebbaren Variationsbreite liegt.
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Günstigerweise
ist eine Steuerungs- und Regelungsvorrichtung vorgesehen, über die
die Aufteilung in den ersten Strom und den zweiten Strom an der
Abzweigungsvorrichtung so steuerbar und/oder regelbar ist, daß solar
erzeugter Wämteübertragungsmedium-Dampf
und in dem Abhitzedampferzeuger erzeugter Dampf bei der Zusam menführung im
wesentlichen die gleichen Temperaturen aufweisen. Es kann dabei
eine gewisse Schwankungsbreite zugelassen werden, beispielsweise
bei einer optimalen Temperatur von überhitztem Dampf von ca. 500°C kann eine
Schwankungsbreite von ±10
K zugelassen werden.
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Die
Steuerung und/oder Regelung erfolgt dabei in Abhängigkeit von den solaren Einstrahlungsbedingungen
und insbesondere der solaren Strahlungsstärke. Ist beispielsweise die
solare Einstrahlung gering, so wird auch auch ein geringer Massestrom durch
den solar beheizbaren Dampferzeuger geführt. Es kann dann entsprechend
vorgesehen sein, daß der
Abgasstrom, welcher durch den Abhitzewärmetauscher geführt wird,
verringert wird, um so die erforderliche Temperatur zu erhalten,
welche mit der Temperatur übereinstimmt,
welche nach Durchströmen des
ersten Stroms durch den Abhitzedampferzeuger erhalten wurde.
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Insbesondere
ist die Aufeilung von Abgas der Gasturbine auf einen ersten Abgaszug
und einen zweiten Abgaszug über
die Steuerungs- und Regelungsvorrichtung steuerbar und/oder regelbar.
Neben der Aufteilung in den ersten Strom und zweiten Strom Wärmeübertragungsmedium
ergibt sich dann die Möglichkeit,
bei entkoppelter Abhitzenutzung für "konventionelles" Wärmeübertragungsmediums
und solar beheiztes Wärmeübertragungsmedium
die Temperatur des der Dampfturbine zugeführten überhitzten Dampfes im wesentlichen
unabhängig
von Schwankungen der solaren Einstrahlungsbedingungen zu halten.
Insbesondere entspricht die Aufteilung in Abgasströme der Aufteilung
in Wärmeübertragungsmediumsströme, um so
die Abhitze entsprechend dem jeweiligen Massestrom effektiv nutzen
zu können.
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Es
kann dabei zur Ermöglichung
einer Steuerung und/oder Regelung vorgesehen sein, daß die Steuerungs- und Regelungsvorrichtung
mit Temperatursensoren verbunden ist, durch welche die Temperatur
des Wärmeübertragungsmediums
an relevanten Punkten des Wärmeübertragungsmediums-Kreislaufs
ermittelbar ist. Bei solchen relevanten Punkten handelt es sich
beispielsweise um Stellen, an denen die Ausgangstemperaturen des
erhitzten Wärmeübertragungsmediums
aus dem Abhitzedampferzeuger und dem Abhitzewärmetauscher ermittelbar sind.
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Weiterhin
ist es günstig,
wenn eine Abzweigungsvorrichtung so gesteuert und/oder geregelt
ist, daß ein
Mindestmassestrom als erster Strom an Wärmeübertragungsmedium durch den
Abhitzedampferzeuger strömt.
Damit ist insbesondere sichergestellt, daß sich Schwankungen der solaren
Einstrahlung nicht zu stark in Schwankungen der Temperatur des überhitzten
Dampfes, welcher der Dampfturbine zugeführt wird, auswirken.
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Die
eingangs genannte Aufgabe wird bei dem gattungsgemäßen Verfahren
ferner erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß ein
Abgasstrom der Gasturbine in einen ersten Abgasstrom und einen zweiten
Abgasstrom aufgeteilet wird, daß Wärmübertragungsmedium
zur Durchströmung
des Abhitzedampferzeugers in einen ersten Strom und zur Durchströmung des
solar beheizbaren Dampferzeugers in einen zweiten Strom aufgeteilt
wird, daß die Abgasabhitze
für den
solar beheizbaren Dampferzeuger durchströmendes Wärmeüberrragungsmedium getrennt
genutzt wird und daß der
erste Strom und der zweite Strom nach Durchlaufen der jeweiligen
Erhitzungsstrecken wieder zusammengeführt werden.
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Auf
diese Weise läßt sich
auch bei schwankenden solaren Einstrahlungsbedingungen der Dampfturbine
ein so Gesamtmassestrom mit im wesentlichen konstanter Temperatur
zuführen,
wobei auch für
solar erhitzbares Wärmeübertragungsmedium
eine Abhitzenutzung ermöglicht
ist.
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Weitere
Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens
wurden bereits im Zusammenhang mir dem erfindungsgemäßen solarthermischen
Gas- und Damprkraftwerk erläutert.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen wurden ebenfalls bereits im Zusammenhang
mit der erfindungsge mäßen Vorrichtung
erläutert.
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Die
nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im 3 Zusammenhang
mit der Zeichnung der näheren
Erläuterung
der Erfindung. Es zeigen:
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1 ein schematisches Blockschaltbild
einer ersten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Gas-
und Dampfkraftwerkes;
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2 ein Blockschaltbild einer
zweiten Ausführungsform
und
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3 ein Blockschaltbild einer
dritten Ausführungsform.
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Ein
erfindungsgemäßes solarthermisches Gas-
und Dampfkraftwerk, welches in 1 schematisch
in einer ersten Ausführungsform
gezeigt und dort als Ganzes mit 10 bezeichnet ist, umfaßt eine Gasturbine 12,
welche einen Generator 14 zur Umwandlung von mechanischer
Energie in elektrische Energie antreibt. Weiterhin treibt die Gasturbine 12 einen
Luftverdichter 16 an, über
welchen verdichtete Luft einer Brennkammer 18 zuführbar ist.
Die Luftzuführung
ist dabei durch das Bezugszeichen 20 angedeutet. Der Brennkammer 18 wird über eine
Zuführungsleitung 22 ein
Brennstoff wie Erdgas zugeführt, wobei
dann die über
die Verbrennung frei werdende Energie die Gasturbine 12 antreibt.
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Ein
Abgasstrom 24 der Gasturbine 12 wird einem als
Ganzes mit 26 bezeichneten Dampfkraftwerk zur Nutzung der
Abgashitze zugeführt.
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Das
Dampfkraftwerk 26 umfaßt
eine Dampfturbine 28, welche wiederum einen Generator 30 antreibt,
um mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Die Dampfturbine 28 ist
dabei in einem Wärmeübertragungsmedium-Kreislauf 32 angeordnet,
in welchem ein Wärmeübertragungsmedium
und insbesondere Wasser strömt,
um thermische Energie aufnehmen zu können und dann die Dampfturbine 28 antreiben
zu können.
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Der
Dampfturbine 28 ist ausgangsseitig in Strömungsrichtung
des Wärmeübertragungsmediums
ein Kondensator 34 nachgeschaltet, in welchem dampfförmiges Wärmeübertragungsmedium,
von der Dampfturbine 28 herkommend, kondensiert. Die dabei
frei werdende latente Wärme
wird über
Wärmetauscherflächen 36 abgeführt.
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Über eine
Pumpe 38 wird das Wärmeübertragungsmedium
zu einem Eingang 40 einer Abzweigungsvorrichtung 42 geführt. Ein
erster Ausgang 44 ist dabei an einen Eingang 46 eines
Abhitzedampferzeugers 48 gekoppelt. Ein Ausgang 50 dieses
Abhitzedampferzeugers 48 ist an einen ersten Eingang 52 einer
Zusammenführungsvorrichtung 54 gekoppelt, wobei
ein Ausgang 56 dieser Zusammenführungsvorrichtung 54 wiederum über eine
Leitung 58 mit der Dampfturbine 28 verbunden ist. Über diese
Leitung 58 wird dieser Dampf zur Entspannung zugeführt.
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Der
Abhitzedampferzeuger 48 weist eine Erhitzungsstrecke 60 auf,
bei deren Durchströmung das
Wärmeübertragungsmedium
Wärme aus
dem Abgas der Gasturbine 12 aufnehmen kann und so insbesondere
Dampf bildbar ist. Dazu ist ein Gaseingang 62 des Abhitzedampferzeugers 48 an
die Gasturbine 12 gekoppelt, so daß der Abgasstrom 24 durch
den Abhitzedampferzeuger 48 durchführbar ist. Über einen Gasausgang 64 ist
dabei das durch den Abhitzedampferzeuger 48 durchgeströmte Abgas,
welches in diesem Abhitze abgegeben hat, abführbar.
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Zur
Wärmeaufnahme
aus dem Abgas durch das Wärmeübertragungsmedium
ist die Erhitzungsstrecke 60 mit einer Mehrzahl von Wärmetauscherflächen 66 versehen,
wobei das Wärmeübertragungsmedium
im Gegenstrom zu dem Abgas durch den Abhitzedampferzeuger 48 geführt wird.
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Bei
dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel
ist der Abhitzedampferzeuger 48 bezüglich der Wärmeübertragungsmediumdurchführung in
einen Economizer 68, einen Verdampfer 70 zur Verdampfung
des Wärmeübertragungsmediums
und einen Überhitzer 72 zur
Erzeugung von überhitztem
Dampf aufgeteilt. Über
den Ausgang 50 läßt sich
dann überhitzter
Dampf der Dampfturbine 28 zuführen.
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Das
Dampfkraftwerk 26 ist an einen als Ganzes mit 74 bezeichneten
solar beheizbaren Dampferzeuger gekoppelt. In diesem läßt sich
aus dem Wärmeübertragungsmedium
Dampf mittels solarer Heizung erzeugen. Dazu ist das Wärmeübertragungsmedium
durch ein entsprechendes Solarfeld 76 geführt, welches
beispielsweise aus einer Mehrzahl von Rinnenkollektoren gebildet
ist. Insbesondere sind dabei mehrere Rinnenkollektoren zu einem
Rinnenkollektorstrang hintereinander geschaltet und eine Mehrzahl
von Rinnenkollektorsträngen
parallel geschaltet.
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Erfindungsgemäß ist es
nun vorgesehen, daß der
solar beheizbare Dampferzeuger 74 einen eigenen Abhitzewärmetauscher 78 umfaßt. Ein
Eingang dieses Abhitzewärmetauschers 78 ist
dabei an einen zweiten Ausgang 82 der Abzweigungsvorrichtung 42 über eine
Leitung 84 gekoppelt. Ein Ausgang 86 dieses Abhitzewärmetauschers 78 ist über eine Leitung 88 an
einen zweiten Eingang 90 der Zusammenführungsvorrichtung 54 gekoppelt,
so daß ein erster
Strom 92 und ein zweiter Strom 94 des Wärmeübertragungsmediums,
welche durch die Abzweigungsvorrichtung 42 auf den Abhitzedampferzeuger 48 und
den solar beheizbaren Dampferzeuger 74 aufgeteilt wurden,
wieder durch die Zusammenführungsvorrichtung 54 zusammenführbar sind.
Der der Dampfturbine 28 zugeführte Gesamtmassestrom 28 entspricht
dann innerhalb einer Variationsbreite dem Gesamtmassestrom, welcher
am Eingang 40 der Abzweigungsvorrichtung 42 ansteht.
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Der
solar beheizbare Dampferzeuger 74 weist eine als Ganzes
mit 96 bezeichnete Erhitzungsstrecke auf, über welche
Wärmeübertragungsmedium,
das durch den solar beheizbaren Dampferzeuger 74 geführt wird,
erhitzbar ist.
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Bei
dem in 1 gezeigten schematischen Ausführungsbeispiel
umfaßt
die Erhitzungsstrecke 96 einen Economizer 98 mit
innerhalb des Abhitzewärmetauschers78 liegenden
Wärmetauscherflächen.
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An
den Economizer 98 schließt sich das Solarfeld 96 an,
so daß das
Wärmeübertragungsmedium
zur Durchströmung
des Solarfeldes 76 aus dem Abhitzewärmetauscher 78 geführt ist.
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In
Strömungsrichtung
auf das Solarfeld 76 folgend umfaßt die Erhitzungsstrecke 96 einen Überhitzen 100 mit
Wärmeübertragungsflächen innerhalb des
Abhitzewärmetauschers 78.
Das Solarfeld 76 wirkt dabei als Verdampfer, d.h. als der
eigentliche Dampferzeuger.
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Der
Abhitzewärmetauscher 78 ist
zur Nutzung der Abhitze des Abgases der Gasturbine 12 ebenfalls
an diese gekoppelt. Es ist dabei eine Abzweigungsvorrichtung 102 vorgesehen,
welche insbesondere eine Rauchgasklappe umfaßt, welche mit einem Eingang
mit der Gasturbine 12 verbunden ist und durch die der Abgasstrom 24 in
einen ersten Abgasstrom 104 zum Abhitzedampferzeuger 48 und
einen zweiten Abgasstrom 106 zu dem Abhitzewärmetauscher 78 aufteilbar
ist. Der Abhitzewärmetauscher 78 weist
weiterhin einen Gaseingang 108 auf, über welchen Abgas in diesen
einkoppelbar ist und durch diesen durchführbar ist. Über einen Gasausgang 110 ist
dieses Abgas nach Wärmeabgabe
aus dem Abhitzewärmetauscher 78 abführbar.
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Das
Abgas durchströmt
dabei den Abhitzewärmetauscher 78 in
Gegenströmung
zum Wärmeübertragungsmedium
und gibt dabei an Wärmeübertragungsflächen des
Economizers 98 und des Überhitzers 100 Wärme an das
Wärmeübertragungsmedium
ab. In dem Economizer 98 wird dieses vor Durchströmung des
Solarfeldes 76 vorgeheizt, während es im Überhitzer 100 nach
Verdampfung im Solarfeld 96 überhitzt wird.
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Weiterhin
ist eine Steuerungs- und Regelungsvorrichtung 112 vorgesehen, über welche
die Abzweigungsvorrichtungen 42 für die Wärmeübertragungsströme und 102 für die Abgasströme steuerbar und/oder
regelbar sind. Die Steuerungs- und Regelungsvorrichtung 112 ist
mit einer Mehrzahl von Temperatursensoren verbunden, welche relevante
Temperaturdaten des Wärmeübertragungsmediums
ermitteln. Beispielsweise ist ein Dampfgehaltsensor 114 vorgesehen,
welcher den Dampfgehalt des Wärmeübertragungsmediums
nach Durchlaufen des Solarfeldes 76 vor Eintritt in den Überhitzer 100 ermittelt und
diesen Wert der Steuerungs- und Regelungsvorrichtung 112 meldet.
Weiterhin kann es vorgesehen sein, daß ein Temperatursensor 116 die
Temperatur des Wärmeübertragungsmediums
in der Leitung 88 vor Einkopplung in die Zusammenführungsvorrichtung 54 mißt. Über einen
Temperatursensor 118 läßt sich
die Temperatur des Wärmeübertragungsmediums
nach Durchlaufen des Abhitzedampferzeugers 48 ermitteln.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie funktioniert
wie folgt:
Der Wärmeübertragungsstrom
wird durch die Abzweigungsvorrichtung 42 in einen ersten
Strom 92 und in einen zweiten Strom 94 aufgeteilt.
Der erste Strom 92 durchströmt den Abhitzedampferzeuger 48, während der
zweite Strom 94 den solar beheizbaren Dampferzeuger 74 mit
dem Solarfeld 76 und dem Abhitzewärmetauscher 78 durchströmt. An der
Zusammenführungsvorrichtung 54 werden
die beiden Ströme 92 und 94 wieder
zusammengeführt,
so daß der Dampfturbine 28 ein
Gesamtmassestrom zugeführt wird,
welcher mindestens größer ist
als ein Massestrom der Einzelströme 92 oder 94.
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Der
Abgasstrom 24 der Gasturbine 12 wird in einen
ersten Abgasstrom 104 und in einen zweiten Abgasstrom 106 aufgeteilt.
Diese Aufteilung ist insbesondere gleichsinnig mit der Aufteilung
in den ersten. Strom 92 und den zweiten Strom 94 gesteuert und/oder
geregelt, d. h. das Verhältnis
der Massedurchflüsse
des ersten Abgasstroms 102 und des zweiten Abgasstroms 104 entspricht
dem Verhältnis der
Massedurchflüsse
des ersten Stroms 92 und des zweiten Stroms 94.
Der erste Abgasstrom 104 wird durch den Abhitzedampferzeuger 48 geführt und
erhitzt dabei den ersten Strom 92 des Wärmeübertragungsmediums. Insbesondere
erfolgt darin eine Verdampfung und eine weitere Überhitzung. Der zweite Abgasstrom 106 wird
durch den Abhitzewärmetauscher 78 geführt und
bewirkt eine Überhitzung
des in dem Solarfeld 76 erzeugten Dampfes und eine Vorwärmung des
Stroms vor Eintritt in das Solarfeld 76.
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Durch
die Aufteilung des Wärmeübertragungsmediumstroms
in einen ersten Strom 92 und einen zweiten Strom 94 und
die Aufteilung des Abgasstroms 24 in einen ersten Abgasstrom 104 und
einen zweiten Abgasstrom 106 wird die Abgasnutzung in dem
solaren Dampferzeuger 74 von der Abgasnutzung in dem Abhitzedampferzeuger 48 getrennt.
Der Abhitzedampferzeuger 48 ist dabei zu dem Abhitzewärmetauscher 78 parallel
geschaltet, d. h. ihre jeweiligen Eingänge 46 und 80 und
ihre jeweiligen Ausgänge 86 und 50 sind
miteinander gekoppelt. Die Eingänge 46 und 80 sind über die
Abzweigungsvorrichtung 42 gekoppelt, die Ausgänge 86 und 50 über die
Zusammenführungsvorrichtung 54.
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Da
die Abhitzenutzung des Abgases der Gasturbine 12 für den "konventionellen" Wärmeübertragungsmediumkreis
in einem ersten Abgaszug 120 und für das solar beheizte Wärmeübertragungsmedium
in einem davon getrennten zweiten Abgaszug 122 erfolgt,
d. h. das solar beheizte Wärmeübertragungsmedium
zur Abhitzenutzung des Abgases nicht in den Abhitzedampferzeuger 48 eingekoppelt
wird, läßt sich
letzterer so optimieren, daß Dampf
in einem gewünschten
Massestrom und der gewünschten Temperatur
der Dampfturbine 28 zugeführt wird, wobei eine Änderung
in den solaren Einstrahlungsbedingungen die eingestellten optimalen
Bedingungen nicht verschlechtert:
Über die Steuerungs- und Regelungseinrichtung 112 erfolgt
die Aufteilung der Ströme 92, 94 und
Abgasströme 104, 106 derart,
daß bei
der Zusammenführung
durch die Zusammenführungsvorrichtung 54 die beiden
Ströme 92 und 94 nach
Durchlaufen ihrer jeweiligen Erhitzungsstrecken 60 und 96 im
wesentlichen die gleiche Temperatur haben. Ein typischer Temperaturwert
für überhitzten
Dampf zur Zuführung zur
Dampfturbine 28 liegt beispielsweise in der Größenordnung
von 500°C.
Damit ist gewährleistet,
daß die
Dampfturbine 28 optimiert arbeitet. Andern sich die Einstrahlungsbedingungen
an dem Solarfeld 76, so wird entsprechend das Verhältnis der
Ströme 92, 94 und 104, 106 verändert. Bei
geringeren Bestrahlungsstärken
wird insbesondere der Massestrom 92 durch den Abhitzedampferzeuger 48 vergrößert und ebenso
der Massestrom des zweiten Abgasstroms 106 durch den Abhitzewärmetauscher 78. Über die Temperatursensoren 114 und 116 wird
dabei ständig überprüft, daß die Temperaturunterschiede
in dem überhitzten
Dampf des ersten Stroms 92 und des zweiten Stroms 94 vor
der Zusammenführung
nicht zu groß sind.
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Die
Steuerungs- und Regelungsvorrichtung 112 stellt ferner
sicher, daß durch
den Abhitzedampferzeuger 48 stets ein bestimmter Mindestmassestrom
fließt,
um insbesondere das solarthermische Gas- und Dampfkraftwerk 10 nicht
zu stark abhängig zu
machen von Schwankungen in der solaren Einstrahlung, d. h. zu gewährleisten,
daß stets
ein bestimmter Mindestmassestrom durch das Abgas der Gasturbine 12 überhitzt
und verdampft wird und dann der Dampfturbine 28 bereitgestellt
wird.
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Erfindungsgemäß wird gewährleistet,
daß die
Wärmeübertragungsflächen des
Abhitzedampferzeugers 48 auch bei schwankendem aktuellen
Strahlungsangebot in Relation im wesentlichen immer gleich belastet
sind, d. h., daß sich
der Abhitzedampferzeuger 48 auch bei variierenden solaren
Einstrahlungsbedingungen innerhalb seines optimierten Auslegungsbereiches
betreiben läßt und damit
eine Verschlechterung des Betriebsverhaltens bei Verschlechterung
der solaren Einstrahlungsbedingungen unterbunden ist.
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Bei
einer zweiten Ausführungsform,
welche in 2 schematisch
gezeigt ist, sind gleiche Elemente wie bei der ersten Ausführungsform
gemäß 1 mit den gleichen Bezugszeichen
versehen. Bei diesem Ausführungsbeispiel
umfaßt
ein Dampfkraftwerk 124 eine Hochdruckdampfturbine 126 und
eine Niederdruckdampfturbine 128, welche hintereinander
geschaltet sind. Die Dampfturbinen 126 und 128 treiben
einen Generator 130 an. Die Niederdruckdampfturbine 128 ist über einen
Kondensator 34 und eine Pumpe 130 mit einer Abzweigung 132 verbunden.
Diese Abzweigung 132 weist einen ersten Ausgang 134 auf,
welcher mit einem Niederdruckeingang 136 eines Abhitzedampferzeugers 138 verbunden
ist. Ein Niederdruckausgang 140 dieses Abhitzedampferzeugers 138 ist
dabei an einen ersten Eingang 142 einer Zusammenführung 144 gekoppelt, wobei
ein zweiter Eingang 146 dieser Zusammenführung 144 an
die Hochdruckdampfturbine 126 gekoppelt ist. Die Zusammenführung 144 führt daher Dampf
von der Hochdruckdampfturbine 126 und überhitzten Dampf von dem Abhitzedampferzeuger 138,
und zwar von dessen Niederdruckausgang 140, zusammen und
der Niederdruckdampfturbine 128 zu.
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Eine
zwischen dem Niederdruckeingang 136 und dem Niederdruckausgang 140 des
Abhitzedampferzeugers 138 gebildete Erhitzungsstrecke 148 umfaßt einen
Economizer 150, einen Verdampfer 152 und einen Überhitzer 154.
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Ein
zweiter Ausgang 156 der Abzweigung 132 führt über eine
Pumpe 158 zu einer Abzweigungsvorrichtung 160, über welche
sich das Wärmeübertragungsmedium
in den ersten Strom 92 zur Durchströmung des Abhitzedampferzeugers 138 und den
zweiten Strom 94 zur Einkopplung in den solar beheizbaren
Dampferzeuger 74 aufteilen läßt. Der zweite Strom 94 wird
dabei über
einen Hochdruckeingang 162 des Abhitzedampferzeugers 138 in
diesen eingekoppelt und über
einen Hochdruckausgang 164 aus diesem ausgekoppelt und
der Zusammenführungsvorrichtung 54 zugeführt. Zwischen
dem Hochdruckeingang 162 und dem Hochdruckausgang 164 ist
eine Erhitzungsstrecke 166 gebildet, welche beispielsweise
einen Economizer 168, einen Verdampfer 170 und
einen Überhitzer 172 umfaßt.
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Bei
dieser zweiten Ausführungsform
wird das Dampfkraftwerk 124 in einem Zweidruckverfahren
betrieben, d. h. Wärmeübertragungsmedium
wird über
die Erhitzungsstrecke 148 mit niedrigerem Druck durch dieses
hindurchgeführt,
verdampft und überhitzt
als in einer weiteren Erhitzungsstrecke 166 zwischen dem
Hochdruckeingang 162 und dem Hochdruckausgang 164.
Der überhitzte
Dampf wird im Hochdruckbereich der Hochdruckdampfturbine 126 zugeführt und
im Niederdruckbereich der Niederdruckdampfturbine 128 über die
Zusammenführung 144.
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Der
Abgasstrom 104 durch den Abhitzedampferzeuger 138 erhitzt
dann zwei Teilströme
des Wärmeübertragungsmediums,
nämlich
den Niederdruckstrom und den Hochdruckstrom.
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Der
Strom 94, welcher dem solar beheizbaren Dampferzeuger 74 zugeführt wird,
wird dabei aus dem Hochdruckbereich über die Abzweigungsvorrichtung 160 entnommen.
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Ansonsten
funktioniert das solarthermische Gas- und Dampfkraftwerk gemäß 2 genauso wie oben anhand
des Gas- und Dampfkraftwerks 10 erläutert.
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Bei
einer dritten Ausführungsform,
welche in 3 gezeigt
ist, wird neben dem Dampfkraftwerk 124 auch der solar beheizbare
Dampferzeuger in einem Zweidruckverfahren betrieben. Gleiche Elemente
wie bei der zweiten Ausführungsform
gemäß 2 sind mit den gleichen
Bezugszeichen versehen.
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Bei
dieser dritten Ausführungsform
ist ein Abhitzewärmetauscher 174 des
solar beheizbaren Dampferzeugers, welcher in 3 als Ganzes mit 176 bezeichnet
ist, mittels eines Niederdruckeingangs 178 an eine Niederdruckleitung 180 des Dampfkraftwerks 124 gekoppelt.
In dieser Leitung 180 ist dabei zwischen dem Niederdruckeingang 136 und
dem ersten Ausgang 134 der Zusammenführung 132 eine Abzweigungsvorrichtung 182 angeordnet, über welche
das Wärmeübertragungsmedium
in einen ersten Strom 184 zur Zuführung zum Abhitzedampferzeuger 138 (und
zwar zu dessen Niederdruckeingang 136) und in einen zweiten
Strom 186 zur Zuführung
zu dem solar beheizbaren Dampferzeuger 176 aufteilbar ist.
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In
dem Abhitzewärmetauscher 174 ist
dabei eine Erhitzerstrecke 188 vorgesehen, über welche von
dem Niederdruckeingang 178 kommend das Wärmeübertragungsmedium
einen Economizer 190, das Solarfeld 76 zur Verdampfung
und danach einen Überhitzer 192 durchströmt. Von
einem Hochdruckausgang 194 wird dann der überhitzte
Dampf über eine
Zusammenführung 196 in
eine Leitung 198 eingekoppelt, welche den Niederdruckausgang 140 des Abhitzedampferzeugers 138 mit
der Zusammenführung 144 zwischen
der Hochdruckdampfturbine 126 und der Niederdruckdampfturbine 128 verbindet.
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Über eine
Abzwergungsvorrichtung 200, welche mit der Abzweigung 132 verbunden
ist, wird ferner im Hochdruckbereich das Wärmeübertragungsmedium in einen
ersten Strom 202 aufgeteilt, welcher die Erhitzungsstrecke 166 des
Abhitzedampferzeugers 138 durchläuft, und in einen zweiten Strom 204 aufgeteilt,
welcher über
einen Hochdruckeingang 206 in den Abhitzewärmetauscher 174 des solar
beheizbaren Dampferzeugers 176 eingekoppelt wird. Das Wärmeübertragungsmedium
durchströmt dann
einen Economizer 208, das Solarfeld 76 als Verdampfer
und anschließend
einen Überhitzer 210 des
Abhitzewärmetauschers 174.
Von einen Hochdruckausgang 212 wird das überhitzte
Wänneübertragungsmedium
der Zusammenführungsvorrichtung 54 zugeführt.
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Die
Aufteilung in den ersten Strom 184 und den zweiten Strom 186 über die
Abzweigungsvorrichtung 182 auf der Niederdruckseite und
die Aufteilung in den ersten Strom 202 und den zweiten
Strom 204 über
die Abzweigungsvorrichtung 200 auf der Hochdruckseite erfolgt
dabei wie oben beschrieben derart, daß auch bei schwankenden Einstrahlungsbedingungen
die Dampfströme,
welche an der Zusammenführung 54 zusammengeführt werden,
die gleiche, für
die Hochdruckdampfturbine 26 optimierte Temperatur und
Massestrom aufweisen und ferner der über die Zusammenführung 196 zusammengeführte solar
abgaserhitzte und konventionell abgaserhitzte Dampfstrom die für die Niederdruckdampfturbine 128 optimierte
Temperatur und Massestrom aufweist. Die Aufteilung in Abgasströme 102 und 104 erfolgt
dabei wie oben beschrieben.
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Durch
die Ausführungsform
gemäß der 2 und 3 erhält
man zusätzliche
Steuerungs- und Regelungsmöglichkeiten
zur weiteren Optimierung der Dampfzuführung zu der bzw. den Dampfturbinen.
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Bei
den in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispielen wird das Wärmeübertragungsmedium
durch die Abhitzekessel (Abhitzewärmetauscher und Abhitzedampferzeuger)
mittels des sogenannten Durchlaufkonzepts durchgeführt. Es
kann alternativ für
einen oder beide Abhitzekessel das Rezirkulationskonzept (Umlaufkonzept)
verwendet werden, gemäß dem ein
Verdampferbereich eines Abhitzekessels von einem Überhitzerbereich
durch einen Abscheider für
die flüssige
Phase getrennt ist. Dadurch lassen sich Zwei-Phasen-Gemische trennen,
um sicherzustellen, daß der Überhitzer
nur mit Dampf versorgt wird.