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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischen Strom und Hochdruckdampf mit einer Brennkammer zur Erzeugung von Heißgasen, deren thermische Energie über einen Gas/Gas-Wärmetauscher nutzbar ist, um einen mittels einer Gasturbine betriebenen, elektrischen Generator zu treiben, wobei der Ausgang der Primärseite des Gas/Gas-Wärmetauschers zumindest indirekt mit dem Eingang der Primärseite eines Speisewasser-Wärmetauschers verbunden ist, um die thermische Energie der am Ausgang des Gas/Gas-Wärmetauschers vorliegenden Rauchgase für ein Vorwärmen der Flüssigkeit eines Dampf/Flüssigkeits-Kreislaufes zu nutzen, wobei der Ausgang der Sekundärseite des Speisewasser-Wärmetauschers mit dem Eingang der Sekundärseite eines als Verdampfer wirkenden Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschers verbunden ist, um die thermische Energie der am Ausgang der Gasturbine vorliegenden und in die Primärseite Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschers eingeleiteten Heißluft für ein Verdampfen der am Ausgang des Speisewasser-Wärmetauschers vorgewärmt vorliegenden Flüssigkeit des Dampf/Flüssigkeits-Kreislaufes zu nutzen.
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Generell werden Vorrichtungen der eingangs genannten Art im Stand der Technik verwendet, um mittels der thermischen Energie der entstehenden Heißgase über Generatoren einerseits elektrische Energie zu erzeugen und die im Anschluss daran verbleibende thermische Restenergie in Form von Hochdruckdampf zu nutzen. Die bekannten Vorrichtungen weisen jedoch den Nachteil auf, dass der Wirkungsgrad immer noch vergleichsweise gering ist.
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EP 2 167 794 B1 offenbart eine Vorrichtung zur Kraft-Wärmeerzeugung mit einer Heißgase erzeugenden Feuerungseinheit, wobei die thermische Energie der Heißgase über einen Gas/Gas-Wärmetauscher nutzbar ist, um mittels eines Kompressors komprimierte Luft für den Betrieb einer mit einem elektrischen Generator gekoppelten Turbine zu erhitzen, wobei die thermische Energie der am Ausgang der Turbine vorliegenden Heißluft über wenigstens einen Gas/Flüssigkeit-Wärmetauscher nutzbar ist, um die Flüssigkeit eines ORC-Kreislaufes (ORC) für den Betrieb einer weiteren, mit einem elektrischen Generator gekoppelten ORC-Turbine zu verdampfen, wobei am Ausgang der ORC-Turbine vorliegende ORC-Gas in einem Nutzwärme liefernden Kondensator kondensiert und die dabei wiedergewonnene ORC-Flüssigkeit über eine Pumpe in den Gas/Flüssigkeit-Wärmetauscher zurückleitbar ist, und dass das am Ausgang der ORC-Turbine vorliegende ORC-Gas über eine erste Seite eines Regenerator in den Kondensator einströmt und ein Teil wiedergewonnene ORC-Flüssigkeit über eine zweite Seite des Regenerators in den Gas/Flüssigkeit-Wärmetauscher zurückleitbar ist und ein anderer Teil der am Ausgang des Kondensators vorliegenden ORC-Flüssigkeit über einen stromabwärts des Gas/Gas-Wärmetauschers angeordneten Vorwärm-Wärmetauscher mindestens indirekt in den Gas/Flüssigkeit-Wärmetauscher zurückleitbar ist.
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Aus
DE 42 24 958 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb eines Kombikraftwerkes mit Verbrennung fester Brennstoffe, insbesondere von Braunkohle bekannt, wobei die verdichtete Heißluft in einem von den Rauchgasen eines Kessels beaufschlagten Wärmetauscher erhitzt, durch einen separaten Verbrennungsprozess zu einem Heißluft-Rauchgas-Gemisch hoch erhitzt und einer Gasturbine zugeführt wird, wobei die erhitzte Heißluft in einer separaten mit Festbrennstoff betriebenen Vorschalt-Brennkammer mit flüssigem Ascheabzug indirekt hoch erhitzt und die Rauchgase der Vorschalt-Brennkammer separat oder gemeinsam mit der Abluft der Gasturbine im Kombiprozess oder in separate Prozesse energetisch genutzt werden, um den Kombiprozess bei Nutzung fester Brennstoffe, insbesondere Rohbraunkohle, effektiv und technisch sicher zu betreiben.
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DE 21 48 856 A offenbart eine kombinierte Gas-Dampf-Kraftanlage mit einer Gasturbine, einer Dampfturbine und einem Dampfkessel, insbesondere Druckkessel, und mit Aufheizung des Kesselspeisewassers durch Abgas der Gasturbine, wobei dem Kompressor der Gas-Dampf-Kraftanlage ein Wärmetauscher nachgeschaltet ist, und dass eine zusätzliche Brennkammer zwischen dem Gasturbinenauslass und dem abgasbeheizten Speisewasser-Vorwärmer vorgesehen ist um eine vollständige Verwertung der Abgaswärme zu ermöglichen.
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Aus
CH 621 187 A5 ist ein Speisewasser-Mischvorwärmer mit Regeleinrichtung, insbesondere für kombinierte Gas-/Dampfturbinenkraftwerke, bei denen die Abgase einer Gasturbine zur Dampferzeugung für eine Dampfturbine ausgenützt werden, mit einem Speisewasserbehälter mit einem Entgasungsdom, mit Leitungen für die Zuführung von Dampf aus einer ND-Dampftrommel in den Speisewasserbehälter zwecks Vorwärmung und Entgasung des Speisewassers bzw. für die Zuführung von Speisewasser aus dem Speisewasserbehälter in die ND-Dampftrommel mit Pumpen für die Zuführung von Speisewasser aus dem Speisewasserbehälter in die ND-Dampftrommel bzw. für die Förderung von Speisewasser durch einen ND-Verdampfer sowie mit Mitteln zur Regelung des Wasserstandes in der ND-Dampftrommel, wobei zwischen Speisewasserbehälter und ND-Dampftrommel eine Verbindungsleitung für Dampf vorgesehen ist, die ein vom Druck im Speisewasserbehälter beaufschlagtes Druckregelventil aufweist, das die Aufgabe hat, den Druck und damit die Sattdampftemperatur im Speisewasserbehälter auf eine bestimmte, einstellbare Größe zu begrenzen, um bei geringem baulichem Aufwand eine einwandfreie Regelung der Speisewassereintrittstemperatur ermöglicht.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine zur Verbrennung von Festbrennstoffen ausgelegte Vorrichtung zur Erzeugung von Strom und Hochdruckdampf zu schaffen, die einen im Vergleich zum Stand der Technik verbesserten Wirkungsgrad aufweist, verschleiß- und wartungsarm ist und eine Versorgung von Prozesswärmenutzungseinheiten mit sehr schwankendem Dampfbedarf ermöglicht.
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Für eine Vorrichtung der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zwischen dem Ausgang der Sekundärseite des Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschers und dem Eingang einer Prozesswärme-Nutzungseinheit ist ein als Puffer wirkender Vorrats-Dampfspeicher zur Zwischenspeicherung von Hochdruckdampf vorgesehen, wobei der Ausgang der Sekundärseite des Speisewasser-Wärmetauschers mit dem Eingang der Sekundärseite eines zweiten Gas/Gas-Wärmetauschers verbunden ist, um die thermische Energie der am Ausgang des elektrischen Generators vorliegenden und in die Primärseite des Wärmetauschers eingeleiteten Heißluft für ein Verdampfen der am Ausgang des Speisewasser-Wärmetauschers vorgewärmt vorliegenden Flüssigkeit des Dampf/Flüssigkeits-Kreislaufes zu nutzen.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist Dampfdruck mit 15–30 bar relativ hoch gewählt. Die sich dabei ergebenden Verdampfungstemperaturen von 198–234°C erfordern ein erhebliches Maß an Vorwärmung im Gas-Gas-Wärmetauscher und im Gegenzug können hierdurch die Rauchgase besser ausgekühlt werden, was wiederum den thermischen Gesamtwirkungsgrad der Vorrichtung erhöht. Zu dem ermöglicht der hohe Dampfdruck vielfältige Nutzungsmöglichkeiten, wovon im Folgenden nur 3 exemplarisch dargestellt werden:
- a) Versorgung von Prozesswärmenutzungseinheiten mit hohem Druckbedarf
- b) Versorgung von Prozesswärmenutzungseinheiten mit sehr schwankendem Dampfbedarf, durch Zwischenschaltung eines Dampfspeichers. Der Dampfspeicher arbeitet hierbei mit der Differenz aus Eingangsdruck und -temperatur und Ausgangsdruck und -temperatur.
- c) Expansion des Hochdruckdampfes auf das gewünschte niedrigere Druckniveau durch eine Dampfturbine oder auch Dampfkolbenmotor oder auch Dampfschraubenmotor, und somit zusätzliche Erzeugung elektrischer Energie und damit Steigerung des elektrischen Gesamtwirkungsgrades der Anlage.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird erreicht, dass eine kaskadisierte mehrstufige Nutzung der bei einem Verbrennungsprozess entstehenden thermischen Energie realisiert ist, wobei für jeweils unterschiedliche Temperaturbereiche ein jeweils temperaturangepasstes und insofern temperaturoptimiertes, teilweise als Gas und teilsweise als Flüssigkeit vorliegendes Fluidmedium für eine Wandlung von thermischer in mechanische/elektrische Energie eingesetzt wird. Der Wirkungsgrad einer erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt dementsprechend erheblich oberhalb des Wirkungsgrades der Vorrichtungen gemäß Stand der Technik.
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Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass der Ausgang der Sekundärseite des Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschers über einen Ventilator mit einem Sekundärlufteingang der Brennkammer verbunden ist.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Brennkammer neben dem Sekundärlufteingang mit einem Primärlufteingang zur Zufuhr von an dem Ausgang des Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschers vorliegender Luft ausgerüstet ist und zur Verbrennung von Pyrolysegasen ausgelegt ist, die an dem Ausgang eines Vergasers vorliegen und über einen Ventilator in die Brennkammer einleitbar sind. Der Vergaser ist im Rahmen der erfindungsgemäßen Verwendung insbesondere zum Vergasen von in Form von Festbrennstoffen vorliegender Biomasse ausgelegt.
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Der Speisewasser-Wärmetauscher ist vorzugsweise ausgelegt, um die Rauchgastemperatur um einen Betrag von etwa 25% zu senken.
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Zwischen einem Gasausgang eines Kompressors und dem Eingang der Sekundärseite des Gas/Gas-Wärmetauschers ist vorzugsweise eine als Einspritzkühler wirkende Wassereindüseinrichtung vorgesehen. Die Wassereindüseinrichtung ist vorzugsweise ausgelegt, um das Ausmaß eines Volumenstroms von Gasen durch die Sekundärseite des Gas/Gas-Wärmetauschers und damit die Effektivität einer Kühlung der Heißgase auf der Primärseite des Gas/Gas-Wärmetauschers sowie die Leistung der Gasturbine und des Generators zu erhöhen.
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Dies bedeutet, dass die Wassereindüseinrichtung in der Regel ausgelegt ist, um eine Temperatur der Austrittsgase der Primärseite des Wärmetauschers um etwa 10% bis 40% der in Grad Celsius gemessenen Eigentemperatur zu senken.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass an der Sekundärseite des Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschers Hochdruckdampf im Bereich von 15 bar bis 30 bar erzeugbar ist, um einen erheblichen Anteil der gesamten Wärmezufuhr über den Speisewasser-Wärmetauscher in den Wasserdampfkreislauf einzubringen, um ein effektives Einbringen der thermischen Energie des Rauchgases in den Wasserdampfkreislauf zu bewirken. Der erhebliche Anteil der gesamten Wärmezufuhr ist dabei typischerweise auf 17% bis 24% bemessen.
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Gemäß einer wichtigen bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass zwischen einem Gasausgang der Gasturbine und dem Eingang der Primärseite des Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschers eine Umlenkklappe vorgesehen ist, mittels derer ein Teil der Heißgase an dem Eingang des Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschers vorbei direkt in den Eingang der Brennkammer umlenkbar ist, um den Wärmeeintrag in die Primärseite des Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschers zu steuern.
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Die Umlenkklappe ist dabei insbesondere nutzbar, um über eine Reduktion des Wärmeeintrags in die Primärseite des Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschers eine Erhöhung der Temperatur der Brennkammer und damit eine Reduzierung der Brennstoffmenge zu bewirken.
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Gemäß einer weiteren wichtigen bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist zwischen dem Ausgang des Gas/Gas-Wärmetauschers und der Gasturbine eine weitere Zufeuerungseinheit vorgesehen.
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Die Zufeuerungseinheit ist dabei nutzbar, um die Temperatur am Eintritt der Gasturbine weiter zu erhöhen und hiermit die Turbinen- und Generatorleistung zu steigern sowie durch eine sich dadurch ergebende höhere Austrittstemperatur aus der Turbine auch die Prozessdampferzeugung zu erhöhen. Insgesamt erhöht sich dadurch auch der thermische und elektrische Wirkungsgrad der Gesamtanlage.
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Der am Ausgang der Sekundärseite des Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschers vorliegende Hochdruckdampf ist zur Verbesserung der Effektivität der erfindungsgemäßen Vorrichtung an den Eingang einer Prozesswärme-Nutzungseinheit geführt, in der der Hochdruckdampf kondensiert und an deren Ausgang in flüssiger Form vorliegt, und ist dabei über eine Fluidleitung mit dem Eingang des Speisewasser-Wärmetauschers verbunden, um den Dampf/Flüssigkeits-Kreislauf zu schließen.
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Des Weiteren ist zwischen dem Ausgang der Sekundärseite des Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschers und dem Eingang einer Prozesswärme-Nutzungseinheit vorzugsweise ein als Puffer wirkender Vorrats-Dampfspeicher zur Zwischenspeicherung von Hochdruckdampf vorgesehen.
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Die Prozesswärme-Nutzungseinheit arbeitet vorzugsweise im Bereich eines Dampfdruckes von etwa 5 bar. Zur Erhöhung der Stromproduktion ist in der Regel ein von einer Dampfturbine getriebener zweiter Generator vorgesehen, wobei anstelle der Dampfturbine insbesondere ein Dampfkolbenexpander oder ein Dampfschraubenexpander einsetzbar ist.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird im Folgenden anhand einer bevorzugten Ausführungsform erläutert, die in der Figur der Zeichnung dargestellt ist. Darin zeigt:
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1 eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung von Hochdruckdampf, dargestellt in einem schematischen Blockdiagramm.
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Die in 1 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung (100) zur Erzeugung von Strom und Hochdruckdampf enthält eine Brennkammer (110) zur Erzeugung von Heißgasen, deren thermische Energie über einen Gas/Gas-Wärmetauscher (120) nutzbar ist, um einen mittels einer Gasturbine (130) betriebenen elektrischen Generator (131) zu treiben.
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Der Ausgang der Primärseite des Gas/Gas-Wärmetauschers (120) ist zumindest indirekt mit dem Eingang der Primärseite eines Speisewasser-Wärmetauschers (140) verbunden, um die thermische Energie der am Ausgang des Gas/Gas-Wärmetauschers (120) vorliegenden Rauchgas für ein Vorwärmen der Flüssigkeit eines Dampf/Flüssigkeits-Kreislaufes zu nutzen, in den eine Prozesswärme-Nutzungseinheit (200) einbezogen ist. Dabei liegt am Ausgang der Prozesswärme-Nutzungseinheit (200) ein Fluidmedium als Flüssigkeit vor, das in zwei Stufen erhitzt wird, wobei die Erwärmung an dem ersten Gas/Gas-Wärmetauscher (120) die erste Stufe darstellt.
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Der Dampfdruck ist dabei mit 25 bar relativ hoch gewählt um einerseits den Wärmeeintrag in die Vorwärmstufe hoch zu gestalten (hier 22% des Gesamtwärmeeintrages) und im Gegenzug das Rauchgas im Speisewasser-Wärmetauschers (140) bestmöglich auszukühlen. Der Dampfdruck ist im vorliegenden Fall so gewählt um die Temperatur der Rauchgase im Speisewasser-Wärmetauscher (140) um 20% der in Grad Celsius gemessenen Eigentemperatur zu senken.
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Der Ausgang der Sekundärseite des Speisewasser-Wärmetauschers (140) ist dabei mit dem Eingang der Sekundärseite eines als Verdampfer wirkenden Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschers (150) verbunden, um die thermische Energie der am Ausgang der Gasturbine (130) vorliegenden Heißluft für ein Verdampfen der am Ausgang des Speisewasser-Wärmetauschers (140) vorliegenden vorgewärmten Flüssigkeit des Dampf/Flüssigkeits-Kreislaufes zu nutzen. Das Verdampfen des an dieser Stelle noch in flüssiger Form vorliegenden Fluidmediums an dem Gas/Flüssigkeits-Wärmetauscher (150) stellt die zweite Stufe des Aufheizens des Fluidmediums der Prozesswärme-Nutzungseinheit (200) dar.
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Der Ausgang der Sekundärseite des Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschers (150) ist über einen Ventilator (151) mit einem Sekundärlufteingang (152) der Brennkammer (110) verbunden, wobei die Brennkammer (110) neben dem Sekundärlufteingang (152) mit einem Primärlufteingang (153) zur Zufuhr von an dem Ausgang des Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschers (150) vorliegender Luft ausgerüstet ist und zur Verbrennung von Pyrolysegasen ausgelegt ist, die an dem Ausgang eines Vergasers vorliegen. Der Vergaser ist dabei zum Vergasen von in Form von Festbrennstoffen vorliegender Biomasse ausgelegt.
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Zwischen einem Gasausgang (134) eines Kompressors (132) und dem Eingang der Sekundärseite des Gas/Gas-Wärmetauschers (120) ist eine als Einspritzkühler wirkende Wassereindüseinrichtung vorgesehen. Die Wassereindüseinrichtung ist dabei ausgelegt, um das Ausmaß eines Volumenstroms von Gasen durch die Sekundärseite des Gas/Gas-Wärmetauschers (120) und damit die Effektivität einer Kühlung der Heißgase auf der Primärseite des Gas/Gas-Wärmetauschers (120) sowie die Leistung der Gasturbine (130) und des Generators (131) zu erhöhen.
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Die Wassereindüseinrichtung ist im vorliegenden Fall ausgelegt, um eine Temperatur der Austrittsgase der Primärseite des Gas/Gas-Wärmetauschers (120) um etwa 25% der in Grad Celsius gemessenen Eigentemperatur zu senken.
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Zwischen einem Gasausgang (133) der Gasturbine (130) und dem Eingang der Primärseite des Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschers (150) ist eine Umlenkklappe (160) vorgesehen, mittels derer ein Teil der Heißgase an dem Eingang des Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschers (150) vorbei direkt in den Eingang der Brennkammer (110) umlenkbar ist, um den Wärmeeintrag in die Primärseite des Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschers (150) zu steuern.
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Die Umlenkklappe (160) ist dabei nutzbar, um über eine Reduktion des Wärmeeintrags in die Primärseite des Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschers (150) eine Erhöhung der Temperatur der Brennkammer (110) und damit eine Reduzierung der Brennstoffmenge zu bewirken.
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Des Weiteren ist zwischen dem Ausgang des Gas/Gas-Wärmetauschers (120) und der Gasturbine (130) eine weitere Zufeuerungseinheit (170) vorgesehen.
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Die Zufeuerungseinheit (170) ist dabei nutzbar, um die Temperatur am Eintritt der Gasturbine (130) weiter zu erhöhen und hiermit die Turbinen- und Generatorleistung zu steigern sowie durch eine sich dadurch ergebende höhere Austrittstemperatur aus der Turbine auch die Prozessdampferzeugung zu erhöhen. Insgesamt erhöht sich dadurch auch der thermische und elektrische Wirkungsgrad der Gesamtanlage.
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Der am Ausgang der Sekundärseite des Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschers (150) vorliegende Hochdruckdampf ist an den Eingang einer Prozesswärme-Nutzungseinheit (200) geführt, in der der Hochdruckdampf kondensiert und an deren Ausgang in flüssiger Form vorliegt und über eine Fluidleitung mit dem Eingang des Speisewasser-Wärmetauschers (140) verbunden ist, um den Dampf/Flüssigkeits-Kreislauf zu schließen.
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Zwischen dem Ausgang der Sekundärseite des Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschers (150) und dem Eingang einer Prozesswärme-Nutzungseinheit (200) ist ein als Puffer wirkender Vorrats-Dampfspeicher (180) zur Zwischenspeicherung von Hochdruckdampf vorgesehen.
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Zur Erhöhung der Stromproduktion ist ein von einem Dampfschraubenexpander getriebener zweiter Generator vorgesehen. Die Prozesswärme-Nutzungseinheit (200) ist für einen Betrieb bei einem Dampfdruck von etwa 5 bar ausgelegt.
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Das oben erläuterte Ausführungsbeispiel der Erfindung dient lediglich dem Zweck eines besseren Verständnisses der durch die Ansprüche definierten erfindungsgemäßen Lehre, die als solche durch die Ausführungsbeispiele nicht eingeschränkt sind.
