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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Systeme zur Erhöhung des
Wirkungsgrads eines Kraftwerks und insbesondere – ohne dass dies einschränkend gemeint
wäre – auf Systeme
für die Nutzung
der durch ein Kraftwerk erzeugten Abwärme, um die durch einen Abhitzedampferzeuger
geleistete Arbeit zu reduzieren.
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Im
Allgemeinen benötigen
viele Komponenten und/oder Systeme eines Kraftwerks Kühlung. In einem
nicht einschränkenden
Beispiel können
diese Komponenten umfassen: einen Generator, ein Schmierölsystem,
einen Transformator, ein Turbineneinlasskühlsystem, ein Verdichterzwischenkühlsystem
und Ähnliches.
Diese Komponenten und Systeme geben die durch Unzulänglichkeiten
(Lüftung,
Lager, elektrische Heizung usw.) erzeugte Wärme ab. Im Allgemeinen wirken
sich diese Funktionen direkt auf die Leistung und den Wirkungsgrad
des Kraftwerks aus.
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Für gewöhnlich wird
in diesen Systemen ein einzelner Skid eingesetzt, der luft- oder
wassergekühlte
Wärmetauscher
verwenden kann. Nicht einschränkende
Beispiele hierfür:
Ein Generator-Kühlwasserskid
kann einen Wärmetauscher
verwenden, dessen Kühlmedium
Wasser ist. Ein Schmierölskid kann
wassergekühlte
Wärmetauscher
verwenden. Ein Verdichter-Zwischenkühlskid kann
Wasser bei Umgebungstemperatur verwenden. Ein Transformator-Kühlskid kann
den Transformator durch luftgekühlte
Wärmetauscher
kühlen.
Diese unabhängigen Kühlskids
führen
die aus der Kühlung
der zuvor erwähnten
Kraftwerkskomponenten und -systeme erlangte Abwärme ab.
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Ein
GuD-Kraftwerk setzt einen Abhitzedampferzeuger (AHDE) ein. Das Kraftwerk
verwendet das Abgas einer Gasturbine, um in dem AHDE Wasser zur
Dampferzeugung zu erwärmen.
Nach der Verwendung durch eine Dampfturbine oder einen anderen Prozess
kondensiert der Dampf und strömt
zu einem Kondensator. Der kondensierte Dampf (im Folgenden als „Kondensat” oder ähnlich bezeichnet) strömt zwecks
Wiedererwärmung
in einer Kondensatschleife zu einem Abschnitt des AHDE. Der AHDE verfügt typischerweise über einen
Economizer-Abschnitt, der das Kondensat auf eine Zwischentemperatur
erhitzt, bevor es zu Dampf verdampft. Der Einsatz eines Economizers
in einem AHDE reduziert den Gesamt-Wirkungsgrad des Kraftwerks.
Gegenwärtig
existieren keine bekannten Systeme, die die Komponenten eines Kraftwerks
so integrieren, dass die zuvor erwähnte Abwärme zur Erwärmung des Kondensats genutzt
wird, so dass die Verwendung des Economizers reduziert wird oder
entfällt.
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Aus
den zuvor erwähnten
Gründen
existiert ein Bedarf an einem System, das die von Kraftwerks-Zusatzsystemen
abgegebene Wärme
zurückgewinnt.
Das System sollte die Abwärme
zur Erhöhung
der Temperatur des in dem AHDE strömenden Kondensats nutzen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird ein System zur Erhöhung des Wirkungsgrads
eines Kraftwerks geschaffen, wobei das Kraftwerk zumindest eine
Gasturbine 100 und einen Abhitzedampferzeuger (AHDE) 165 umfasst
und das System umfasst: zumindest ein Zusatzsystem, wobei das zumindest
eine Zusatzsystem strömungstechnisch
mit zumindest einer Komponente des Kraftwerks verbunden ist und
von der zumindest einen Komponente des Kraftwerks empfangene Abwärme abführt; ein
mit dem AHDE 165 integrierter Kondensator 175,
wobei der Kondensator 175 Kondensat von dem AHDE 165 aufnimmt
und eine Kondensatschleife 177 enthält, wobei die Kondensatschleife 177 einen
Teil des Kondensats zu einem Einlassabschnitt des zumindest einen
Zusatzsystems befördert
und eine Wärmerückgewinnungsschleife 230,
wobei die Wärmerückgewinnungsschleife 230 das
Kondensat dazu verwendet, Abwärme
von dem zumindest einen Zusatzsystem zu dem AHDE 165 zu befördern, wobei
die Wärmerückgewinnungsschleife 230 die
Temperatur des Kondensats erhöht,
bevor sie zu dem AHDE 165 zurückführt, was die durch den AHDE 165 geleistete
Arbeit reduziert und den Wirkungsgrad des Kraftwerks erhöht.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Diese
und andere Merkmale, Gesichtspunkte und Vorteile der vorliegenden
Erfindung sind besser verständlich,
wenn die folgende detaillierte Beschreibung mit Bezugnahme auf die
begleitenden Zeichnungen gelesen wird, in denen gleiche Bezugszeichen
durchweg gleiche Elemente bezeichnen.
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Die
schematische Zeichnung 1 stellt unabhängige Kühlskids
dar, die in Zusatzsystemen von Kraftwerken nach dem Stand der Technik
dazu verwendet werden, Abwärme
abzuführen.
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Die
schematische Zeichnung 2 stellt ein System für die Verwendung
von Abwärme
zur Erwärmung
des Kondensats in einem AHDE gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dar.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Die
folgende detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
nimmt Bezug auf die begleitenden Zeichnungen, die spezifische Ausführungsformen
der Erfindung zeigen. Andere Ausführungsformen mit anderen Strukturen
und Arbeitsvorgängen
weichen nicht vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung ab.
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Bestimmte
Begriffe werden hier allein im Interesse des Lesers benutzt und
sind nicht als eine Einschränkung
des Schutzumfangs der Erfindung zu verstehen. Zum Beispiel beschreiben
Wörter
wie „oberer”, „unterer”, „links”, „rechts”, „Vorderseite”, „Rückseite”, „Oberseite”, „Unterseite”, „horizontal” vertikal” stromauf” stromab” vorn” hinten” und ähnliche
lediglich die in den Figuren dargestellte Konfiguration. Tatsächlich kann
das Element oder können
die Elemente einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung in einer beliebigen Richtung ausgerichtet sein,
und die Terminologie ist von daher so zu verstehen, dass derartige
Abwandlungen eingeschlossen sind, solange nichts anderes angegeben
ist.
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Die
technische Wirkung der vorliegenden Erfindung besteht darin, die
Temperatur des in einem AHDE strömenden
Kondensats zu erhöhen,
indem Abwärme
abführende
Komponenten des Kraftwerks miteinander integriert werden. Eine Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung liegt in Form eines Systems vor, das die
Abwärme
zurückgewinnen
kann, um das Kondensat zu erwärmen.
Eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann aus allen Materialien hergestellt
werden, die in der Lage sind, der Betriebsumgebung standzuhalten,
der die vorliegende Erfindung ausgesetzt ist.
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Die
vorliegende Erfindung kann auf die Vielzahl von Kraftwerken mit
zumindest einer Verbrennungsturbine (Gasturbine, Aeroderivat oder Ähnliches),
zumindest einem Abhitzedampferzeuger (Dampfkessel, AHDE oder Ähnliches)
und zumindest einem Kondensator angewendet werden. Im Folgenden
werden nicht einschränkende
Beispiele für
die Typen von Kraftwerkskonfigurationen angeführt, auf die die vorliegende
Erfindung angewendet werden kann. Eine Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung kann auf ein Kraftwerk mit einer Gasturbine, einer Dampfturbine,
einem AHDE und einem Kondensator angewendet werden. Eine Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung kann auf ein Kraftwerk mit einer Gasturbine,
einem AHDE und einem Kondensator angewendet werden. Hier kann das
Kraftwerk den von dem AHDE erzeugten Dampf für einen anderen Prozess nutzen.
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Es
wird jetzt auf die Figuren Bezug genommen, wobei gleiche Bezugszeichen
in allen Darstellungen gleiche Elemente bezeichnen. Die schematische
Zeichnung 1 stellt unabhängige Kühlskids dar,
die in einem Kraftwerk nach dem Stand der Technik Abwärme abführen. 1 zeigt
ein Kraftwerk, das eine Gasturbine 100, einen Abhitzedampferzeuger
(AHDE) 165, eine Dampfturbine 170, einen Kondensator 175 und
einen Generator 155 umfasst.
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Die
Gasturbine 100 umfasst einen Axialverdichter 110 mit
einer Rotorwelle 120. Einlassluft 105 tritt bei 110 in
den Verdichter ein, wird verdichtet und dann zu einem Verbrennungssystem 130 abgeführt, wo
Brennstoff 135, beispielsweise Erdgas, verbrannt wird,
um hochenergetische Verbrennungsgase 140 zu erzeugen, die
den Turbinenabschnitt 145 antreiben. In der Turbine 145 wird
die Energie der Heißgase 140 in
Arbeit umgewandelt, wovon ein Teil dafür verwendet wird, den Verdichter 110 durch
die Welle 120 anzutreiben, während der Rest zur Verfügung steht,
um eine Last wie beispiels weise den Generator 155 anzutreiben.
Ein Transformator 160 ist physisch mit dem Generator 155 verbunden
und passt die Spannung der durch den Generator 155 erzeugten Elektrizität an.
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Ein
AHDE 165 kann das Abgas 150 des Turbinenabschnitts 145 aufnehmen.
Die Hitze des Abgases 150 erwärmt das Kondensat (nicht dargestellt), das
in der Kondensatschleife 177 des AHDE 165 strömt. Das
Kondensat verdampft dann zu Dampf, der zu der Dampfturbine 170 strömen kann.
Nach der Erzeugung eines Drehmoments kann der Dampf zu dem Kondensator 175 strömen, wo
er kondensiert und so wieder zu Kondensat wird. Dampfkessel-Speisepumpen
(nicht dargestellt) oder Ähnliches können das
Kondensat in der Kondensatschleife 177 bewegen, sodass
es wieder in den AHDE 165 eintritt, wo der zuvor genannte
Strömungsprozess
sich wiederholt.
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Komponenten
des Kraftwerks, wie unter anderem die Gasturbine 100, der
Generator 155 und der Transformator 160, erzeugen
Abwärme,
die abgeführt
werden muss. Diese Komponenten sind typischerweise mit Zusatzsystemen
zum Abführen
der Abwärme
versehen, darunter Wärmetauscher
oder Ähnliches.
Die Zusatzsysteme können
Fluide, wie unter anderem Luft, Öl
und Wasser verwenden, um die von den Zusatzsystemen zum Abführen der
Abwärme
benutzten Fluide zu kühlen.
Im Folgenden werden nicht einschränkende Beispiele für Fluide
genannt, die für
gewöhnlich
von spezifischen Zusatzsysteme verwendet werden. Um die Temperatur
von Komponenten in dem Verdichter 110 zu reduzieren, wird
ein Verdichter-Zwischenkühlskid
(CIS) 180 verwendet, der Wasser als Kühlfluid nutzt. Der CIS 180 verfügt über eine
CIS-Heißluftleitung 181,
die die erwärmte,
verdichtete Luft ableitet, die durch den CIS 180 geführt wird,
wo Kühlung
stattfindet; die CIS-Kaltluftleitung 183 führt die
Kühlluft
zu dem Verdichter 110 zurück. Um die Temperatur des in
der Gasturbine 100 und dem Generator 155 verwendeten
Schmieröls
zu reduzieren, wird ein Schmieröl-Kühlskid (LOCS) 185 benutzt.
Der LOCS 185 führt durch
einen wassergekühlten
Wärmetauscher,
der mit Luft bei Umgebungstemperatur arbeitet, Wärme aus dem LOCS 185 ab.
Der LOCS 185 ist mit den Leitungen 187, 189, 191 versehen,
durch die das Schmieröl
durch den LOCS zirkulieren kann, sodass das Kühler-Schmieröl zu der
Gasturbine 100 zurückgeführt werden
kann. Der Generator 155 verwendet einen Kühlwasserskid
(CWS) 193 zur Senkung der Temperaturen innerer Komponenten.
Der CWS 193 enthält
eine CWS-Heißfluidleitung 195 und
eine CWS-Kaltfluidleitung 197, damit das Kühlfluid
durch den CWS 193 und den Generator 155 zirkulieren kann.
Komponenten des Transformators 160 werden durch einen Transformator-Kühlskid (TCS) 200 gekühlt. Der
TCS 200 kann Öl
als ein Kühlmedium
verwenden. Der TCS 200 kann eine TCS-Heißleitung 201 und
eine TCS-Kaltleitung 203 zum Ableiten der Abwärme verwenden, ähnlich den
zuvor erwähnten Prozessen.
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Diese
Zusatzsysteme CIS 180, LOCS 185, CWS 193 und
TCS 200, sind im Allgemeinen nicht integriert, um das Kondensat
in der Kondensatschleife 177 zu erwärmen. Die durch diese Systeme
abgeführte
Abwärme
wird nicht zurückgewonnen,
sodass diese Wärmeenergie
verschwendet wird.
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Die
schematische Zeichnung 2 stellt ein System für die Verwendung
von Abwärme
zur Erwärmung
des Kondensats in einem AHDE 165 gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dar. Wie bereits erörtert, kann die vorliegende
Erfindung bei der Vielzahl verschiedener Kraftwerke angewendet werden,
die zumindest eine Verbrennungsturbine (Gasturbine, Aeroderivat
oder Ähnliches),
zumindest einen Abhitzedampferzeuger (Kessel, AHDE oder Ähnliches)
und zumindest einen Kondensator aufweisen. Eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird auf die in 1. dargestellte
Kraft werkskonfiguration angewendet. Die Erörterung der 2 ist
auf die vorliegende Erfindung beschränkt.
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Die
vorliegende Erfindung benutzt das aus dem Kondensator 175 austretende
Kondensat als Quelle des Kühlfluids,
das von den Wärmetauschern der
Zusatzsysteme verwendet wird. Durch dieses Merkmal entfällt die
Notwendigkeit, die Wärmetauscher
mit verschiedenen Kühlfluiden
(Öl, Wasser, Luft
oder dergleichen) zu versorgen. Die vorliegende Erfindung befördert auch
das abgegebene Kühlfluid der
Wärmetauscher
(das Kühlfluid,
das erwärmt
wird) zu einem Einlassabschnitt des AHDE 165. Durch dieses
Merkmal wird die Arbeitsleistung des AHDE 165 signifikant
reduziert, die zur Erhöhung
der Temperatur des Kondensats erforderlich ist, um die Erzeugung
von Dampf zu ermöglichen.
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Bei
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird die abgeführte Abwärme durch zumindest ein Zusatzsystem
zurückgewonnen.
Bei einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird das Zusatzsystem in den mit dem
AHDE 165 genutzten Strömungsweg
des Kondensats integriert. Wie in 2 dargestellt,
kann eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung eine Wärmerückgewinnungsschleife 230 enthalten,
die strömungstechnisch mit
der Kondensatschleife 177 verbunden ist.
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In
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann die Kondensatschleife 177 an
einem Auslass des Kondensators 175 beginnen. Das Kondensat
kann aus dem Kondensator 175 zu einem Luftabscheider 210 strömen, der
den Großteil
der Luft aus dem Kondensat entfernen kann. Danach kann das Kondensat
zu einem „Verteiler”-Abschnitt oder
dergleichen der Kondensatschleife 177 strömen. Der „Verteiler”-Abschnitt
ermöglicht
im Allgemeinen einzelne Verbindungen zwischen der Kondensatschleife 177 und
einem Wärmetauscher
eines Zusatzsystems. Wie in 2 dargestellt,
kann jedes der zuvor genannten Zusatzsysteme – CIS 180, LOCS 185,
CWS 193 und TCS 200 – mit dem Verteiler der Kondensatschleife 177 integriert
sein. Wie bereits erörtert,
ermöglicht
dieses Merkmal, dass das Kondensat als Kühlfluid-Versorgung für jedes
Zusatzsystem dient. Dementsprechend umfasst in einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung der CIS 180 eine CIS-Kondensatversorgung 212;
der LOCS 185 umfasst eine LOCS-Kondensatversorgung 216; der
CWS 193 umfasst eine CWS-Kondensatversorgung 220 und
der TCS 200 umfasst eine TCS-Kondensatversorgung 224.
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2 zeigt
auch den Strömungsweg
der Wärmerückgewinnungsschleife
(HRL) 230. Die HRL 230 dient zur Beförderung
des Kondensats, das durch die Abwärme in der Vielzahl der Zusatzsysteme
erwärmt
wurde, zu dem AHDE 165. Die HRL 230 kann einen
Verteilerabschnitt umfassen, der die Einzel-Konnektivität mit jedem
Zusatzsystem ermöglicht, ähnlich wie
der Verteilerabschnitt der Kondensatschleife 177. Wie in 2 dargestellt,
kann jedes der zuvor genannten Zusatzsysteme – CIS 180, LOCS 185,
CWS 193 und TCS 200 – mit der Verteilerleitung
der Kondensatschleife 230 integriert sein. Dementsprechend
umfasst in einer Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung der CIS 180 einen CIS-Kondensatrücklauf 214;
der LOCS 185 umfasst einen LOCS-Kondensatrücklauf 218;
der CWS 193 umfasst einen CWS-Kondensatrücklauf 222 und
der TCS 200 umfasst einen TCS-Kondensatrücklauf 226. Der
Strömungsweg
der HRL 230 kann im Allgemeinen an dem Verteilerabschnitt
beginnen und an dem AHDE 165 enden.
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Wie
bereits erörtert,
reduziert die vorliegende Erfindung die Arbeit, die von einem Economizer-Abschnitt
eines AHDE 165 geleistet wird. Ein nicht einschränkendes
Beispiel: Gegenwärtig
bekannte Economizer-Abschnitte erwärmen das von dem Kondensator 175 zurückströmende Wasser,
wie in 1 dargestellt. Diese durch den Economizer-Abschnitt
durchgeführte „ansehnliche
Erwärmung” kann die
Kondensattemperatur von circa 48,88°C (120 Grad Fahrenheit) auf
circa 87,77°C (190
Grad Fahrenheit) erhöhen,
wonach das Kondensat zu Dampf verdampfen kann. Hier erwärmte der
Economizer-Abschnitt das Kondensat um ungefähr 38,89 Grad Celsius (70 Grad
Fahrenheit).
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht
es, dass die Zusatzsysteme des Kraftwerks den Großteil der
vernünftigen
Erwärmung
durchführen.
Um das vorherige Beispiel fortzuführen: Eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann das Kondensat auf circa 65,55°C (150 Grad
Fahrenheit) erwärmen,
was erfordert, dass der Economizer-Abschnitt das Kondensat auf 87,77°C (190 Grad
Fahrenheit) erwärmt.
Hier musste der Economizer-Abschnitt das Kondensat nur um circa
22,22°C
(40 Grad Fahrenheit) erwärmen – eine signifikante
Differenz. Dieser Vorteil der vorliegenden Erfindung ermöglicht einen relativ
geringer bemessenen Economizer-Abschnitt des AHDE 165 im
Vergleich mit einem gleich ausgestatteten Kraftwerk, das keine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst.
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Für einen
Betreiber können
sich einige Vorteile ergeben, wenn das Kraftwerk mit einem kleineren
Economizer betrieben wird. Ein kleiner Economizer erzeugt eventuell
weniger Gegendruck. Im Allgemeinen gilt: Je geringer der Gegendruck,
desto weniger Arbeit muss die Gasturbine 100 leisten, um
das Abgas 150 zu dem AHDE 165 zu befördern. Durch eine
Reduzierung des Gegendrucks ist mehr Energie zum Antreiben der Last
(Generator, mechanischer Antrieb oder Ähnliches) vorhanden, was den
Wirkungsgrad der Gasturbine 100 erhöhen kann.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung nur in Bezug auf einige ihrer beispielhaften
Ausführungsformen
detailliert dargestellt und beschrieben wurde, sollte für Fachleute
ersichtlich sein, dass wir nicht beabsichtigen, die Erfindung auf
die Ausführungsformen
zu beschränken,
da verschiedene Abwandlungen, Auslassungen und Hinzufügungen an
den offenbarten Ausführungsformen
vorgenommen werden können,
ohne wesentlich von den neuartigen Lehren und Vorteilen der Erfindung
abzuweichen, insbesondere angesichts der vorangehenden Lehren. Dementsprechend
beabsichtigen wir, alle derartigen Abwandlungen, Auslassungen und
Hinzufügungen
abzudecken, die in dem Geist und dem Schutzumfang der Erfindung
enthalten sind, wie er durch die folgenden Patentansprüche definiert
wird.
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Es
wird ein System zur Verfügung
gestellt, das den Wirkungsgrad eines Kraftwerks durch die Rückgewinnung
der Abwärme
erhöht,
die durch ein Zusatzkühlsystem
erzeugt wird. Das System kann eine Kondensatschleife 177 und
eine Wärmerückgewinnungsschleife 230 umfassen.
Diese Schleifen 177, 230 können die Zusatzkühlsysteme
einer Gasturbine 100 mit dem Abhitzedampferzeuger 165 des Kraftwerks
integrieren. Die Integration ermöglicht eventuell
einen kleineren Economizer-Abschnitt, was den Wirkungsgrad des Kraftwerks
erhöhen
kann.
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- 100
- Gasturbine
- 105
- Einlassluft
- 110
- Verdichter
- 120
- Welle
- 130
- Verbrennungssystem
- 135
- Brennstoff
- 140
- Verbrennungsgase
- 145
- Turbinenabschnitt
- 150
- Abgas
- 155
- Generator
- 160
- Transformator
- 165
- AHDE
- 170
- Dampfturbine
- 175
- Kondensator
- 177
- Kondensatschleife
- 180
- Verdichter-Zwischenkühlskid (CIS)
- 181
- CIS-Heißleitung
- 183
- CIS-Kaltleitung
- 185
- Schmieröl-Kühlskid (LOCS)
- 187,
189, 191
- LOCS-Leitungen
- 193
- Kühlwasserskid
(CWS)
- 195
- CWS-Heißleitung
- 197
- CWS-Kaltleitung
- 200
- Transformator-Kühlskid (TCS)
- 201
- TCS-Heißleitung
- 203
- TCS-Kaltleitung
- 210
- Luftabscheider
- 212
- CIS-Kondensatversorgung
- 214
- CIS-Kondensatrücklauf
- 216
- LOCS-Kondensatversorgung
- 218
- LOCS-Kondensatrücklauf
- 220
- CWS-Kondensatversorgung
- 222
- CWS-Kondensatrücklauf
- 224
- TCS-Kondensatversorgung
- 226
- TCS-Kondensatrücklauf
- 230
- Wärmerückgewinnungschleife