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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Einschränken des Sauerstoffausstoßes einer Gasturbine. Insbesondere sehen verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Einschränken des Sauerstoffausstoßes einer Gasturbine in einem Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk vor.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Ein Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk beinhaltet oft eine oder mehrere Gasturbinen zur Stromerzeugung. Eine typische Gasturbine beinhaltet einen Verdichter am vorderen Ende, eine oder mehrere Brennkammern um die Mitte und eine Turbine am hinteren Ende. Der Verdichter teilt dem Arbeitsfluid (z. B. Luft) kinetische Energie mit, um es in einen hoch energiegeladenen Zustand zu bringen. Ein verdichtetes Arbeitsfluid verlässt den Verdichter und strömt zu den Brennkammern, wo es sich mit Brennstoff vermischt und verbrannt wird, um Verbrennungsgase mit einer hohen Temperatur und hohem Druck zu erzeugen. Die Verbrennungsgase strömen zur Turbine, wo sie sich ausdehnen und Arbeit erzeugen. Der Verbrennungsprozess entfernt eine beträchtliche Menge des im verdichteten Arbeitsfluid vorhandenen Sauerstoffs. Infolgedessen haben die Abgase, die die Turbine verlassen, gewöhnlich einen niedrigen Sauerstoffgehalt.
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Der thermodynamische Wirkungsgrad der Gasturbine steigt mit zunehmender Betriebstemperatur, nämlich Verbrennungsgastemperatur. Speziell enthalten Verbrennungsgase höherer Temperaturen mehr Energie und erzeugen bei der Entspannung der Verbrennungsgase in der Turbine mehr Arbeit. Verbrennungsgase höherer Temperatur können aber in der Turbine überhöhte Temperaturen erzeugen, die sich der Schmelztemperatur verschiedener Turbinenbauteile nähern oder sie übersteigen können. Um die Temperaturen in der Turbine zu senken, kann dem Verdichter Luft abgezapft, um die Brennkammern herum umgeleitet und in die Turbine eingeblasen werden. Die abgezapfte Luft kann direkt in den Strom der Verbrennungsgase eingeblasen werden und/oder im Kreislauf durch das Innere der Turbinenbauteile geführt werden, um die Turbinenstufen konduktiv und/oder konvektiv zu kühlen.
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Die abgezapfte Luft, die die Brennkammern umgeht, um die Turbinenbauteile zu kühlen, verringert das Volumen der von den Brennkammern erzeugten Verbrennungsgase und verringert so die allgemeine Leistung und den Wirkungsgrad der Gasturbine. Außerdem vermischt sich die abgezapfte Luft schließlich mit den durch die Turbine strömenden Verbrennungsgasen, was den Sauerstoffgehalt der aus der Turbine austretenden Abgase erhöht. Der höhere Sauerstoffgehalt in den die Turbine verlassenden Abgasen kann für Zusatzsysteme, die die Abgase aufnehmen, ein Problem entstehen lassen. Das Verringern des Sauerstoffgehalts im Abgasstrom kann für abströmseitige Abgasreinigungseinrichtungen vorteilhaft sein sowie dort, wo die Abgase in anderen Industrieverfahren, die reduzierten Sauerstoff erfordern, verwendet werden. Infolgedessen wäre ein Kühlsystem, das Wärme von den Turbinenbauteilen abziehen kann, ohne den Sauerstoffanteil der die Turbine verlassenden Abgase zu vergrößern, nützlich.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Aspekte und Vorteile der Erfindung werden unten in der nachstehenden Beschreibung dargelegt oder sind aus der Beschreibung offensichtlich oder können durch Ausüben der Erfindung gelernt werden.
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Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk, das einen ersten Verdichter, der ein verdichtetes Arbeitsfluid erzeugt, und eine Turbine abströmseitig des ersten Verdichters aufweist. Die Turbine beinhaltet feststehende Bauteile und rotierende Bauteile und erzeugt einen Abgasstrom. Ein Wärmetauscher abströmseitig der Turbine erhält den Abgasstrom von der Turbine und ein zweiter Verdichter abströmseitig des Wärmetauschers und zuströmseitig der Turbine erhält den Abgasstrom von dem Wärmetauscher und stellt einen Strom von Abgasen zur Turbine bereit.
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Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk, das einen ersten Verdichter, der ein verdichtetes Arbeitsfluid erzeugt, und eine Turbine abströmseitig des ersten Verdichters aufweist. Die Turbine beinhaltet eine Vielzahl von Ständern und erzeugt einen Abgasstrom. Ein Läufer ist mit der Turbine verbunden und der Läufer weist eine Vielzahl von Hohlräumen auf. Ein Wärmetauscher abströmseitig der Turbine erhält den Abgasstrom von der Turbine und ein zweiter Verdichter abströmseitig des Wärmetauschers und zuströmseitig der Turbine erhält den Abgasstrom von dem Wärmetauscher und stellt einen Strom von Abgasen zur Turbine bereit.
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Die vorliegende Erfindung beinhaltet auch ein Verfahren zum Reduzieren des Sauerstoffausstoßes einer Gasturbine. Das Verfahren beinhaltet das Strömenlassen eines Abgasstroms aus einer Turbine zu einem Wärmetauscher und das Entfernen von Wärme aus dem Abgasstrom. Das Verfahren beinhaltet ferner das Erhöhen des Drucks des Abgasstroms, um einen druckbeaufschlagten Abgasstrom zu erzeugen, und das Zurückströmenlassen des druckbeaufschlagten Abgasstroms zur Turbine, um Wärme aus der Turbine abzuziehen.
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Der Durchschnittsfachmann kann die Merkmale und Aspekte derartiger Ausführungsformen und anderer bei Durchsicht der Beschreibung besser erkennen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Eine vollständige und genügende Offenbarung der vorliegenden Erfindung einschließlich ihrer besten Ausführung für den Fachmann wird im Rest der Beschreibung, einschließlich Bezugnahme auf die Begleitzeichnungen, eingehender dargelegt. Dabei zeigt:
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1 ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Gas-und-Dampf-Kombikraftwerks nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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2 einen vereinfachten Querschnitt einer Turbine nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
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3 einen vereinfachten Querschnitt einer Turbine nach einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Im Folgenden wird nun detailliert Bezug genommen auf vorliegende Ausführungsformen der Erfindung, für die in den Begleitzeichnungen ein oder mehrere Beispiele illustriert werden. Die ausführliche Beschreibung verwendet Zahlen- und Buchstabenbezeichnungen zur Bezugnahme auf Merkmale in den Zeichnungen. Gleiche oder ähnliche Bezeichnungen in den Zeichnungen und der Beschreibung werden zur Bezugnahme auf gleiche oder ähnliche Teile der Erfindung verwendet.
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Jedes Beispiel ist zur Veranschaulichung der Erfindung bereitgestellt, nicht zur Begrenzung der Erfindung. Für fachkundige Personen wird es auch offensichtlich sein, dass Modifikationen und Veränderungen an der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne von ihrem Umfang oder Sinn abzuweichen. Zum Beispiel können als Teil einer Ausführungsform verwendete oder beschriebene Merkmale in einer anderen Ausführungsform verwendet werden, um noch eine weitere Ausführungsform zu ergeben. Es ist also vorgesehen, dass die vorliegende Erfindung die Modifikationen und Veränderungen abdeckt, die in den Umfang der angehängten Ansprüche und ihrer Äquivalenten fallen.
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Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sehen ein Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk und ein Verfahren zum Verringern des Sauerstoffausstoßes einer Gasturbine vor. Zum Beispiel zeigt 1 ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Gas-und-Dampf-Kombikraftwerks 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk 10 beinhaltet allgemein eine Gasturbine 12, die mit einem Wärmerückgewinnungssystem 14 verbunden ist, wie in der Technik bekannt ist. Zum Beispiel, wie in 1 gezeigt, beinhaltet die Gasturbine 12 einen ersten Verdichter 16, wenigstens eine Brennkammer 18 abströmseitig des ersten Verdichters 16 und eine Turbine 20 abströmseitig der Bremmkammer 18. Die hierin verwendeten Begriffe „zuströmseitig” und „abströmseitig” beziehen sich auf die relative Lage von Bauteilen in einem Fluidweg. Zum Beispiel ist Bauteil A zuströmseitig von Bauteil B, wenn ein Fluid von Bauteil A zu Bauteil B strömt. Umgekehrt ist Bauteil B abströmseitig des Bauteils A, wenn Bauteil B einen Fluidstrom von Bauteil A aufnimmt. Der erste Verdichter 16 produziert ein verdichtetes Arbeitsfluid 22, das zur Brennkammer 18 strömt. Die Brennkammer 18 kombiniert im Allgemeinen das verdichtete Arbeitsfluid 22 mit einer Zufuhr von Kraftstoff 24 und/oder Verdünnungsmittel und entzündet das Gemisch zum Erzeugen von Verbrennungsgasen 26. Der zugeführte Brennstoff 24 kann jeder beliebige geeignete Brennstoff sein, der von gewerblichen Verbrennungsmaschinen verwendet wird, wie z. B. Hochofengas, Kokereigas, Erdgas, verdampftes Flüssigerdgas (LNG) und jede beliebige Form von flüssigem Brennstoff. Das Verdünnungsmittel kann jedes beliebige Fluid sein, das zum Verdünnen oder Kühlen des Brennstoffs geeignet ist, wie z. B. Druckluft, Dampf, Stickstoff oder ein anderes Inertgas. Die Verbrennungsgase 26 strömen zur Turbine 20, wo sie sich entspannen, um Arbeit zu erzeugen. Zum Beispiel kann das Entspannen der Verbrennungsgase 26 in der Turbine 20 eine Welle drehen, die zur Elektrizitätserzeugung mit einem Generator 30 verbunden ist.
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Das Wärmerückgewinnungssystem 14 kann nachträglich in vorhandene Gasturbinen eingebaut oder hinzugefügt werden, um den thermodynamischen Wirkungsgrad der Gasturbine insgesamt zu steigern und gleichzeitig den Sauerstoffausstoß zu reduzieren. Das Wärmerückgewinnungssystem 14 kann z. B. einen Wärmetauscher 32, wie z. B. einen Dampferzeuger, eine Dampfturbine 34 und einen Kondensator 36 aufweisen. Der Wärmetauscher oder Dampferzeuger 32 kann abströmseitig der Turbine 20 angeordnet sein und Abgase 38 von der Turbine 20 können durch den Dampferzeuger 32 strömen, um Dampf 40 zu erzeugen. Die Dampfturbine 34 kann sich abströmseitig des Dampferzeugers 32 befinden und der Dampf 40 aus dem Dampferzeuger 32 entspannt sich in der Dampfturbine 34, um Arbeit zu erzeugen. Der Kondensator 36 kann sich abströmseitig der Dampfturbine 34 und zuströmseitig des Dampferzeugers 32 befinden, um den aus der Dampfturbine 34 austretenden Dampf 40 zu Kondensat 42 zu kondensieren, das zum Dampferzeuger 32 zurückgeführt wird. Eine oder mehrere Kondensatpumpen 44 zwischen dem Kondensator 36 und dem Dampferzeuger 32 sind in Fluidkommunikation mit dem Dampferzeuger 32, um das Kondensat 42 vom Kondensator 36 dem Dampferzeuger 32 zuzuführen.
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Wie in 1 gezeigt, kann ein Teil des den Dampferzeuger 32 verlassenden Abgasstroms 46 durch die Turbine 20 zurückgeführt werden, um die Turbinenbauteile zu kühlen. Der zurückgeführte Abgasstrom 46 kann durch einen zweiten Verdichter 48 und einen Wärmetauscher 50 strömen, um den Druck und die Temperatur des zurückgeführten Abgasstroms anzupassen, bevor er durch die Turbine 20 strömt. Der Sauerstoffgehalt im zurückgeführten Abgasstrom 46 ist beträchtlich kleiner als der Sauerstoffgehalt in dem aus dem Verdichter 16 austretenden verdichteten Arbeitsfluid 22. In einigen Ausführungsformen kann der Sauerstoffgehalt des zurückgeführten Abgasstroms 46 etwa 50%, 75% oder 90% kleiner als der Sauerstoffanteil des aus dem Verdichter 16 austretenden verdichteten Arbeitsfluids 22 sein. So kann ein reduzierter Sauerstoffausstoß erzielt werden, indem der Sauerstoffanteil in der zum Kühlen der Turbine 20 verwendeten Luft verringert wird.
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2 stellt einen vereinfachten Querschnitt einer bespielhaften Turbine 60 nach einer der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bereit. Wie in 2 gezeigt, kann die Turbine 60 feststehende und rotierende Bauteile beinhalten, die von einem Gehäuse 62 umgeben sind. Zu den feststehenden Bauteilen können z. B. am Gehäuse 62 angebrachte feststehende Düsen oder Ständer 64 zählen. Zu den rotierenden Bauteilen können z. B. rotierende Schaufelblätter 66 und/oder rotierende Zwischenstücke 68 zählen, die mit einem Bolzen 70 an einem Läufer 72 angebracht sind. Der Läufer 72 kann verschiedene Hohlräume aufweisen, die als Läufer-Läufer-Hohlräume 74 bzw. als Läufer-Ständer-Hohlräume 76 bezeichnet werden. Eine Membrandichtung 78 zwischen den Ständern 64 und den rotierenden Zwischenstücken 68 kann eine Grenze für die Läufer-Ständer-Hohlräume 76 bilden, die den Durchfluss zwischen benachbarten Läufer-Ständer-Hohlräumen 76 verhindert oder drosselt. Desgleichen verhindert oder drosselt eine Sperre 80 am Inneren des Läufers 72 den Durchfluss zwischen benachbarten Läufer-Läufer-Hohlräumen 74 innerhalb des Läufers 72. Die Verbrennungsgase 26 aus den Brennkammern 18 strömen an einem Heißgasweg durch die Turbine 20 entlang, wie in 2 gezeigt, von links nach rechts. Wenn die Verbrennungsgase 26 über die erste Stufe von Schaufelblättern 66 strömen, entspannen sich die Verbrennungsgase 26, was zum Drehen der Schaufelblätter 66, Zwischenstücke 68, Bolzen 70 und Läufer 72 führt. Die Verbrennungsgase 26 strömen dann über die Ständer 64, die die Verbrennungsgase 26 zur nächsten Reihe von rotierenden Schaufelblättern 66 umlenken, und der Prozess wiederholt sich für die folgenden Stufen.
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Wie in 2 gezeigt, kann an eine oder beide Seiten des Läufers 72 ein Plenum 82 zur Fluidkommunikation anschließen, damit der zurückgeführte Abgasstrom 46 in und/oder durch den Läufer 72 und andere rotierende Bauteile geführt wird. Ein Steuergerät 84 kann die Positionierung der Steuerventile 86 in dem Plenum 82 steuern, um den Strom der zurückgeführten Abgase 46 in und/oder durch die Läufer-Läufer-Hohlräume 74 zu regulieren. Der zurückgeführte Abgasstrom 46 kann jedwede heißen Verbrennungsgase 26 aus den Läufer-Läufer-Hohlräumen 74 spülen und für die Kühlung der Läufer-Läufer-Hohlräume 74 und anderer rotierender Bauteile, wie z. B. der rotierenden Schaufelblätter 66, sorgen, wodurch die rotierenden Bauteile der Turbine 20 gekühlt werden. Außerdem erhöhen zurückgeführte Abgase 46, die in den Heißgasweg entweichen, den Sauerstoffanteil der Turbinenabgase 38 nicht.
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Das Steuergerät 84 kann Signale von mehreren Quellen empfangen, um die geeigneten Stellungen der Steuerventile 86 zum Erreichen der gewünschten Kühlung der rotierenden Bauteile zu ermitteln. Zum Beispiel kann der Läufer 72 Sensoren 88 in den Läufer-Läufer-Hohlräumen 74 beinhalten. Die Sensoren 88 können ein Signal an das Steuergerät 84 senden, die einen Druck oder eine Temperatur in den Läufer-Läufer-Hohlräumen 74 reflektieren, und das Steuergerät 84 kann dann die Stellung der Steuerventile 86 verstellen, um einen gewünschten Druck oder eine gewünschte Temperatur in den Läufer-Läufer-Hohlräumen 74 zu erzielen. In noch weiteren Ausführungsformen kann das Steuergerät 84 ein Signal empfangen, das den Betriebspegel des Verdichters 16, der Brennkammern 18 oder der Turbine 20 reflektiert, und die Steuerventile 86 entsprechend einem vorprogrammierten Programm verstellen, um die gewünschte Kühlung für die Turbine 20 für ein bestimmtes Leistungsniveau zu erzielen.
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3 stellt einen vereinfachten Querschnitt der in 2 gezeigten beispielhaften Turbine 60 nach einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Die Bauteile der Turbine 60 sind wie in Bezug auf 2 bereits beschrieben. In dieser Ausführungsform strömt der zurückgeführte Abgasstrom 46 durch das Gehäuse 62 und die Ständer 64, um den zurückgeführten Abgasstrom 46 den feststehenden Bauteilen der Turbine 20 wie den Ständern 64 und/oder Läufer-Ständer-Hohlräumen 76 zuzuführen. Das Steuergerät 84 lenkt wieder die Positionierung der Steuerventile 86 in jedem Plenum 82, um den Strom der zurückgeführten Abgase 46 zu regulieren. Der zurückgeführte Abgasstrom 46 spült sämtliche heißen Verbrennungsgase 26 aus den Läufer-Ständer-Hohlräumen, verhindert, dass Verbrennungsgase 26 hoher Temperatur während des Betriebs in die Läufer-Ständer-Hohlräume 76 eindringen und bewirkt die Kühlung der Ständer 64 und/oder Läufer-Ständer-Hohlräume 76, wodurch die feststehenden Bauteile der Turbine 20 gekühlt werden.
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Wie bereits in Bezug auf die in 2 gezeigte Ausführungsform besprochen, kann das Steuergerät 84 Signale von einer beliebigen vieler Quellen empfangen, wie z. B. der Betriebsebene des Verdichters 16, der Brennkammern 18 oder der Turbine 20, um die jeweilige Stellung der Steuerventile zu ermitteln, die zum Erzielen der Kühlung für die Turbine 20 geeignet ist.
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Die in den 1 bis 3 beschriebenen und veranschaulichten Ausführungsformen können auch ein Verfahren zum Reduzieren des Sauerstoffausstoßes aus der Gasturbine 12 vorsehen. Das Verfahren kann das Strömenlassen des Abgasstroms 38 aus der Turbine 20 zum Wärmetauscher 32 und das Entfernen von Wärme aus dem Abgasstrom 38 beinhalten. Das Verfahren kann ferner das Erhöhen des Drucks der Abgase 38 beinhalten, um den zurückgeführten oder druckbeaufschlagten Abgasstrom 46 zu erzeugen, und das Zurückströmenlassen des druckbeaufschlagten Abgasstroms 46 zur Turbine 20, um Wärme aus der Turbine 20 abzuziehen. In besonderen Ausführungsformen kann das Verfahren den Strom der druckbeaufschlagten Abgase 46 zu rotierenden oder feststehenden Bauteilen in der Turbine 20 entsprechend einer Temperatur, eines Drucks oder eines Leistungspegels der Gasturbine 12 regeln.
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Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele zur Offenbarung der verschiedenen Ausführungsformen, einschließlich der besten Art der Ausführung der Erfindung, und auch, um einer Fachperson die Ausübung der verschiedenen Ausführungsformen zu ermöglichen, einschließlich der Herstellung und Benutzung jedweder Vorrichtungen oder Systeme und der Durchführung eingebundener Verfahren. Der patentfähige Umfang der verschiedenen Ausführungsformen wird durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele beinhalten, die der Fachperson einfallen werden. Es ist vorgesehen, dass derartige weitere Beispiele in den Umfang der Ansprüche fallen, wenn sie strukturelle Elemente haben, die sich nicht von der wörtlichen Sprache der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden von den wörtlichen Sprachen der Ansprüche beinhalten.
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Ein Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk 10 weist einen ersten Verdichter 16, der ein verdichtetes Arbeitsfluid 22 erzeugt, und eine Turbine 20 abströmseitig des ersten Verdichters 16 auf. Die Turbine 20 beinhaltet feststehende Bauteile 64 und rotierende Bauteile 66, 68 und erzeugt einen Abgasstrom 38. Ein Wärmetauscher 32 abströmseitig der Turbine 20 erhält den Abgasstrom 38 von der Turbine 20 und ein zweiter Verdichter 48 abströmseitig des Wärmetauschers 32 und zuströmseitig der Turbine 20 erhält den Abgasstrom 38 von dem Wärmetauscher 32 und stellt einen Strom von Abgasen 38 zur Turbine 20 bereit. Ein Verfahren zum Reduzieren des Sauerstoffausstoßes einer Gasturbine 12 beinhaltet das Strömenlassen eines Abgasstroms 38 aus einer Turbine 20 zu einem Wärmetauscher 32 und das Entfernen von Wärme aus dem Abgasstrom 38. Das Verfahren beinhaltet ferner das Erhöhen des Drucks des Abgasstroms 38, um einen druckbeaufschlagten Abgasstrom 38 zu erzeugen, und das Zurückströmenlassen des druckbeaufschlagten Abgasstroms 38 zur Turbine 20, um Wärme aus der Turbine 20 abzuziehen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk
- 12
- Gasturbine
- 14
- Wärmerückgewinnungssystem
- 16
- Erster Verdichter
- 18
- Brennkammer
- 20
- Turbine
- 22
- Verdichtetes Arbeitsfluid
- 24
- Brennstoff
- 26
- Verbrennungsgase
- 28
- Welle
- 30
- Generator
- 32
- Wärmetauscher
- 34
- Dampfturbine
- 36
- Kondensator
- 38
- Abgase aus der Turbine
- 40
- Dampf
- 42
- Kondensat
- 44
- Kondensatpumpe
- 46
- Teil der Abgase aus dem Wärmetauscher
- 48
- Zweiter Verdichter
- 50
- Wärmetauscher
- 52
-
- 54
-
- 56
-
- 58
-
- 60
- Turbine
- 62
- Gehäuse
- 64
- Ständer
- 66
- Schaufelblätter
- 68
- Zwischenstück
- 70
- Bolzen
- 72
- Läufer
- 74
- Läufer-Läufer-Hohlraum
- 76
- Läufer-Ständer-Hohlraum
- 78
- Membrandichtung
- 80
- Sperre
- 82
- Plenum
- 84
- Steuergerät
- 86
- Steuerventil
- 88
- Sensor
