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Die vorliegende Erfindung betrifft ein System aus einer Turbine, insbesondere einer Dampfturbine, und einer damit mechanisch gekoppelten Elektromaschine sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Systems.
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In einer Dampfturbine wird die Totalenthalpie von Prozessdampf, insbesondere Wasserdampf, genutzt, um eine mit der Dampfturbine mechanisch gekoppelte Arbeitsmaschine, beispielsweise einen Generator, anzutreiben. Mittels des Generators wird elektrische Energie erzeugt, die in ein an diesen angeschlossenes Netz eingespeist werden kann. Dazu wird erhitzter Prozessdampf in die Dampfturbine eingebracht, der dann ein zwischen einem Gehäuse und einem Rotor der Dampfturbine ausgebildeten Strömungskanal durchströmt und dabei in der Regel mehrere sogenannte Turbinenstufen überwindet. Jede der Turbinenstufen wird dabei von einem Satz Laufschaufeln des Rotors und einem Satz Leitschaufeln des Gehäuses gebildet. Der Prozessdampf wird i.d.R. nach dem Durchströmen der Stufen aus der Dampfturbine abgeführt und einem Kondensator zugeführt, wo dieser kondensiert.
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Derartige Kondensatoren sind regelmäßig mit sogenannten Vakuumbrechern ausgestattet, die ein Brechen des im Kondensator herrschenden Unterdrucks, d.h. eine Erhöhung des dortigen Drucks, ermöglichen. Insbesondere bei einem Abschalten des Systems ist eine durch einen Vakuumbrecher bewirkte Erhöhung des Drucks im Kondensator und damit in der mit dem Kondensator fluidleitend verbundenen Dampfturbine vorgesehen, um die Zeit des Auslaufens der Dampfturbine und des damit verbundenen Generators zu verringern. Das System wird somit durch eine sogenannte „Ventilation“ des Rotors gezielt abgebremst. Insbesondere im Brandfall spielt diese Ventilation eine große Rolle, da dann ein schnellstmögliches Abschalten der gesamten Anlage erfolgen sollte. Weiterhin kann die Druckerhöhung auch dazu dienen, im Stillstand der Anlage ein Eindringen von Luft in die Dampfturbine, beispielsweise über deren Lager, zu vermeiden oder zu vermindern.
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Bekannt ist auch, eine Dampfturbine mit einer Vorrichtung zu versehen, die eine Entnahme von Prozessdampf zur Fremdnutzung in einem oder mehreren angeschlossenen Systemen ermöglicht. Eine solche Dampfentnahme, die in Abhängigkeit des für das angeschlossene System benötigten Dampfdrucks auch vor der letzten Stufe der Dampfturbine erfolgen kann, birgt die Gefahr einer Dampfrückströmung aus dem angeschlossenen System in die Dampfturbine. Dies gilt insbesondere, wenn die Hauptzudampfventile der Dampfturbine im Stillstand der Anlage geschlossen sind. Eine solche Dampfrückströmung könnte zu einem ungewollten Antrieb der Dampfturbine und damit auch des Generators führen. Um eine solche Dampfrückströmung zu vermeiden, werden Rückschlagventile in die Leitungen der Dampfentnahme integriert.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit anzugeben, ein System aus einer Turbine, insbesondere Dampfturbine, und einem damit gekoppelten Generator auf möglichst einfache Weise zu bremsen. Dadurch soll insbesondere ein schnelleres Auslaufen des Systems nach einem Abschalten erreicht und/oder ein ungewolltes Wiederanlaufen im Stillstand des Systems vermieden werden.
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Diese Aufgabe wird durch ein System mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 7 gelöst. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen System beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, ein Beschleunigen oder Abbremsen einer Turbine, insbesondere Dampfturbine, mit einem damit mechanisch gekoppelten Generator zu erreichen, indem der Generator für das Beschleunigen oder Abbremsen als Elektromotor genutzt wird, der ein entsprechendes, die Beschleunigung oder das Abbremsen bewirkendes Drehmoment erzeugt.
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Ein gattungsgemäßes System aus einer Turbine, insbesondere Dampfturbine, und einer damit mechanisch gekoppelten Elektromaschine, bei dem die Elektromaschine bei einem Antrieb durch die Turbine in einer Betriebsdrehrichtung elektrische Energie erzeugt (und somit als Generator arbeitet), die über eine dann in einer ersten Schaltstellung befindliche Schaltvorrichtung in ein elektrisches Netz eingespeist werden kann, und bei dem die Schaltvorrichtung in eine zweite Schaltstellung bringbar ist, ist demnach erfindungsgemäß dadurch weitergebildet, dass der Elektromaschine in der zweiten Schaltstellung der Schaltvorrichtung elektrische Energie derart zuführbar ist, dass diese ein definiertes Drehmoment erzeugt (und somit als Elektromotor arbeitet). Sofern dabei das erzeugte Drehmoment der Betriebsdrehrichtung entgegengesetzt ist, wird das rotierende System durch die Wirkung der Elektromaschine abgebremst. Dies kann insbesondere für ein Auslaufen oder im Stillstand des Systems vorgesehen sein, um das Auslaufen zu beschleunigen oder ein ungewolltes Wiederanlaufen des stillstehenden Systems zu vermeiden. Bei einem in Betriebsdrehrichtung gerichteten Drehmoment kann mittels der Elektromaschine eine Beschleunigung (der Drehung) des Systems erreicht werden. Dies kann beispielsweise während der Inbetriebsetzung sinnvoll sein, wenn noch kein oder nur wenig Prozessfluid zur Verfügung steht.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines Systems aus einer Turbine, insbesondere Dampfturbine, und einer damit mechanisch gekoppelten Elektromaschine, wobei die Elektromaschine bei einem Antrieb durch die Turbine in einer Betriebsdrehrichtung elektrische Energie in ein elektrisches Netz einspeisen kann, ist entsprechend dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromaschine zum Beschleunigen oder Abbremsen derart mit elektrischer Energie beaufschlagt wird, dass diese ein Drehmoment erzeugt.
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Unter „Abbremsen“ wird sowohl ein Verringern der Drehzahl des Systems bei einer Rotation in Betriebsdrehrichtung, insbesondere während des Auslaufens nach einem Abschalten des Systems, als auch ein Verringern der Drehzahl des Systems bei einer Rotation entgegen der Betriebsdrehrichtung sowie auch ein Festhalten des nicht mehr rotierenden Systems verstanden. Grundsätzlich kann der Elektromaschine die für den Betrieb als Elektromotor vorgesehene elektrische Energie aus einem beliebigen Netz, insbesondere einem Wechselstromnetz, zugeführt werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des Systems kann vorgesehen sein, das Netz, in das das System im Normalbetrieb elektrische Energie einspeist, zu nutzen, um die für das Erzeugen des Drehmoments durch die Elektromaschine erforderliche elektrische Energie bereit zu stellen. Hierzu kann erforderlich sein, die Form der von dem Netz bereit gestellten elektrischen Energie zu wandeln beziehungsweise umzurichten, um diese der Elektromaschine derart zuzuführen, dass das vorgesehene Drehmoment erzeugt werden kann.
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Sofern das Netz, aus dem die Elektromaschine für den Betrieb als Elektromotor mit elektrischer Energie versorgt wird, mit einem konkret ausgebildeten Wechselstrom und insbesondere Dreiphasenwechselstrom betrieben wird und dementsprechend das System im Betrieb auch entsprechend ausgebildeten Wechselstrom über die Schaltvorrichtung in das Netz einspeist, kann vorgesehen sein, dass dieser konkret ausgebildete Wechselstrom mittels eines gesteuerten Wechselrichters derart umgerichtet wird, dass dieser in der Elektromaschine die Erzeugung des Bremsdrehmoments bewirkt. In der zweiten Schaltstellung der Schaltvorrichtung wäre die Elektromaschine somit über einen solchen Wechselrichter mit dem elektrischen Netz verbindbar beziehungsweise zumindest immer dann verbunden, wenn tatsächlich ein Abbremsen des Systems vorgesehen ist. Über diesen Wechselrichter wird dem System dann zum Abbremsen ein Bremswechselstrom zugeführt.
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Es besteht aber auch die Möglichkeit, ein Abbremsen des Systems mittels eines Bremsgleichstroms zu bewirken. Hierzu kann die Elektromaschine mittels der Schaltvorrichtung in der zweiten Schaltstellung mit einer Gleichspannungsquelle verbunden sein. Dabei kann es sich um eine beliebige Gleichspannungsquelle und insbesondere ein Gleichspannungsnetz handeln, das beispielsweise neben dem Netz betrieben werden kann, in das das System im Betrieb elektrische Energie, insbesondere in Form von (Dreiphasen-)Wechselstrom, einspeist. Als Gleichspannungsquelle kommt aber auch eine Kombination des mit Wechselstrom betriebenen Netzes mit einem Gleichrichter in Frage, wobei die Elektromaschine in der zweiten Schaltstellung über den Gleichrichter mit dem Netz verbunden ist.
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Da die Höhe des von der Elektromaschine erzeugten Drehmoments vorzugsweise regelbar ist, kann vorgesehen sein, den Wechselrichter oder Gleichrichter derart auszugestalten, dass mittels diesen auch eine Regelung der Höhe des über die Schaltvorrichtung der Elektromaschine zugeführten Stroms regelbar ist.
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Um das Abbremsen des kontrollieren und gegebenenfalls anpassen zu können, kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass der Wechselrichter oder Gleichrichter über einen Sensor am Rotor die Information über die aktuelle Drehzahl des Rotors erhält.
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Durch die Erzeugung eines der Betriebsdrehrichtung entgegengesetzten Drehmoments mittels der Elektromaschine kann ein besonders schnelles Auslaufen des Systems nach einem Abschalten erreicht werden. Sofern dies in Kombination mit dem bekannten Vakuumbrechen erfolgt, kann die Auslaufphase gegebenenfalls noch zusätzlich verkürzt werden. Vorzugsweise kann daher vorgesehen sein, dass das erfindungsgemäße System noch über ein Ventil mit der Atmosphäre verbindbar ist, um die Turbine bedarfsweise durch eine Druckerhöhung zu ventilieren. Dabei kann die Druckerhöhung besonders bevorzugt auch in einem der Dampfturbine nachgeschalteten Kondensators erfolgen, wozu vorgesehen sein kann, dass das Ventil den Kondensator mit der Atmosphäre verbindet.
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Ein schnellstmögliches Auslaufen kann insbesondere im Brandfall notwendig oder sinnvoll sein. Andererseits kann durch das erfindungsgemäße Abbremsen mittels der Elektromaschine ein schnelles Auslaufen auch ohne eine Ventilation erfolgen. Dies kann insbesondere bei einem nur kurzzeitig vorgesehenen Stillstand des Systems vorteilhaft sein, da sich die Anfahrphase nach dem Stillstand verkürzen kann, weil der für die Ventilation erhöhte Druck in der Turbine und gegebenenfalls im Kondensator nicht oder nur in verringertem Maße wieder verringert werden muss. In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann daher vorgesehen sein, dass in Abhängigkeit von einer vorgesehenen Stillstandzeit für das System ein Abbremsen durch die Erzeugung eines insbesondere der Betriebsdrehrichtung entgegengesetzten Drehmoments mittels der Elektromaschine entweder in Kombination mit einer Ventilation der Turbine oder ohne eine solche Ventilation erfolgt.
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Durch die Erzeugung eines insbesondere der Betriebsdrehrichtung entgegengesetzten Drehmoments mittels der Elektromaschine kann weiterhin ein ungewolltes Wiederanlaufen des Systems während des Stillstands verhindert werden. Dadurch kann bei einem erfindungsgemäßen System, das zudem noch eine Vorrichtung zur Entnahme von durch die Turbine strömenden Prozessfluids, insbesondere Dampf, aufweist, auf ein das Rückströmen des Prozessfluids in die Turbine verhinderndes Rückschlagventil ganz verzichtet werden oder zumindest nur noch ein einzelnes Rückschlagventil eingesetzt werden, während entsprechende konventionelle Systeme regelmäßig mindestens zwei Rückschlagventile aufweisen.
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Weitere Vorteile, Merkmale oder Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in welcher unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen schematisch:
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1 ein Einspeisen von Dreiphasenwechselstrom in ein angeschlossenes Netz mittels eines erfindungsgemäßen Systems;
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2 ein Abbremsen des Systems mittels eines Bremswechselstroms; und
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3 ein Abbremsen des Systems mittels eines Bremsgleichstroms.
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Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1 bis 3 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Das in den Zeichnungen dargestellte System umfasst eine Dampfturbine 1, die in bekannter Weise über eine Welle 2 mit einer als Generator nutzbaren Elektromaschine 3 mechanisch verbunden ist. Dabei kann zwischen der Dampfturbine 1 und der Elektromaschine 3 ein Getriebe (nicht dargestellt) vorgesehen sein. In einem Normalbetrieb des Systems wird der Dampfturbine 1 über eine Zuleitung 4 erhitzter Dampf zugeleitet, der in der Dampfturbine 1 mehrere Turbinenstufen durchströmt, dabei entspannt wird und zu einem rotierenden Antrieb eines mit der Welle 2 drehfest verbundenen Rotors der Dampfturbine 1 führt. Diese Drehbewegung wird auf einen Rotor der Elektromaschine 3 übertragen, der sich dadurch relativ zu einem Stator der Elektromaschine 3 dreht, wodurch Strom induziert wird. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird Dreiphasenwechselstrom erzeugt, der über eine Schaltvorrichtung 5 in Form eines Leistungsschalters in ein daran angeschlossenes Netz 10 eingespeist wird, wobei sich die Schaltvorrichtung 5 dazu in einer ersten Schaltstellung befindet (vgl. 1).
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Über eine Ableitung 6 wird der entspannte Dampf aus der Dampfturbine 1 abgeführt und einem nachgeschalteten Kondensator 7 zugeführt, in dem der Dampf kondensiert. Dabei kann im Kondensator 7 ein Druck unterhalb des Atmosphärendrucks herrschen.
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Der Kondensator 7 ist mit einem sogenannten Vakuumbrecher 8 ausgestattet. Bei diesem handelt es sich um ein regelbares Ventil, über das der Kondensator 7 mit der Atmosphäre verbindbar ist, um durch ein Einströmen von Luft mit Atmosphärendruck eine Druckerhöhung im Kondensator 7 und über die Ableitung 6 auch in der Dampfturbine 1 zu erreichen. Bei geschlossenen Hauptzudampfventilen kann diese Druckerhöhung dazu genutzt werden, ein durch die Trägheit bedingtes Auslaufen nach einem Abschalten des Systems zu beschleunigen, indem der Rotor durch sogenannte Ventilation abgebremst wird. Weiterhin kann die Druckerhöhung im Kondensator 7 und in der Dampfturbine 1 ein ungewolltes Eindringen von Umgebungsluft über beispielsweise Lager für den Rotor der Dampfturbine 1 vermeiden werden.
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Das System weist weiterhin eine Vorrichtung zur Dampfentnahme 9 aus der Dampfturbine auf. Der darüber entnommene Dampf kann in bekannter Weise zum Betrieb eines nicht dargestellten Fremdsystems genutzt werden. In die Vorrichtung zur Dampfentnahme 9 können zwei Rückschlagventile in Form von Rückschlagklappen 11 integriert sein. Diese sollen ein Rückströmen von zuvor entnommenem Dampf in die Dampfturbine 1 vermeiden. Ein solches Rückströmen wäre insbesondere bei geschlossenen Hauptzudampfventilen aufgrund eines dann verringerten Druckniveaus in der Dampfturbine 1 möglich und ist insbesondere aus Sicherheitsgründen zu vermeiden, da rückströmender Dampf zu einer ungewollten Drehbewegung der Rotoren der Dampfturbine 1 und der Elektromaschine 3 führen könnte, die wiederum zu einer Beschädigung des Systems und/oder zu einer Gefährdung von Personen führen könnte.
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Beim Abschalten des Systems wird die Elektromaschine 3 von dem Pfad, über den diese im Normalbetrieb die elektrische Energie in das Netz 10 eingespeist hat, getrennt. Dies erfolgt durch ein Schalten der Schaltvorrichtung 5 von der ersten in eine zweite Schaltvorrichtung. Dabei erfolgt das Schalten der Schaltvorrichtung bereits zu Beginn des Abschaltprozesses, da die Rotationsfrequenz der beim Auslaufen stetig langsamer drehenden Elektromaschine nicht mehr der vorgesehenen Netzfrequenz entspricht.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, die Elektromaschine 3 des Systems im abgeschalteten Zustand zumindest temporär mit einem Bremsstrom zu beaufschlagen. Dieser ist so gerichtet, dass die im Normalbetrieb des Systems als Generator genutzte Elektromaschine 3 dann als Elektromotor genutzt wird und dabei ein der Betriebsdrehrichtung entgegengesetztes Drehmoment erzeugt. Dieses durch die Höhe des Bremsstroms beeinflussbare Drehmoment kann dazu genutzt werden, direkt nach dem Abschalten des Systems dessen Auslaufen zu verkürzen (Nutzung des Drehmoments als Bremsdrehmoment). Weiterhin kann nach einem Stillstand des Systems ein ungewolltes Wiederanlaufen verhindert werden, indem einem Drehmoment, das ein Wiederanlaufen bewirken würde, ein entsprechend großes Drehmoment mittels der Elektromaschine 3 entgegengesetzt wird (Nutzung des Drehmoments als Haltemoment).
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Die elektrische Energie für die Nutzung der Elektromaschine 3 als Elektromotor kann in der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dem Netz 10 entnommen werden. Dazu ist dieses auch in der zweiten Schaltstellung der Schaltvorrichtung 5 mit der Elektromaschine 3 verbunden, jedoch unter Zwischenschaltung eines Wandlers, der die von dem Netz 10 bereitgestellte elektrische Energie derart wandelt beziehungsweise richtet, dass die Elektromaschine 3 als Elektromotor wirken und ein entsprechend gerichtetes Drehmoment erzeugen kann.
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Bei der in der 2 dargestellten Ausführungsform ist vorgesehen, die Elektromaschine mit einem Bremswechselstrom (Dreiphasenwechselstrom) zu beaufschlagen. Der Wandler ist dort somit als Wechselrichter 12 ausgebildet.
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Bei der in der 3 dargestellten Ausführungsform wird der Elektromaschine 3 ein Bremsgleichstrom zugeführt. Hierzu kann in der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Gleichrichter 13 verwendet werden, der den Dreiphasenwechselstrom des Netzes 10 in den Bremsgleichstrom wandelt.
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Durch die Erzeugung eines der Betriebsdrehrichtung entgegengesetzten Drehmoments mittels der Elektromaschine 3 kann ein besonders schnelles Auslaufen des Systems nach einem Abschalten erreicht werden. Sofern dies in Kombination mit dem bekannten Vakuumbrechen erfolgt, kann die Auslaufphase gegebenenfalls noch zusätzlich verkürzt werden. Ein solches schnellstmögliches Auslaufen kann insbesondere im Brandfall notwendig oder sinnvoll sein. Andererseits kann durch das erfindungsgemäße Abbremsen mittels der Elektromaschine 3 ein schnelles Auslaufen auch ohne den Einsatz des Vakuumbrechers 8 erfolgen. Dies kann insbesondere bei einem nur kurzzeitig vorgesehenen Stillstand des Systems vorteilhaft sein, da sich die Anfahrphase nach dem Stillstand verkürzen kann, weil der durch das Vakuumbrechen erhöhte Druck in der Dampfturbine 1 und dem Kondensator 7 nicht oder nur in verringertem Maße wieder erhöht werden muss.
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Dadurch, dass mittels der Elektromaschine 3 ein ungewolltes Wiederanlaufen des Systems sicher verhindert werden kann, bietet die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Systems zudem die Möglichkeit, auf die Rückschlagklappen 11 in der Vorrichtung zur Dampfentnahme 9 vollständig zu verzichten oder zumindest die Anzahl der bei konventionellen Systemen regelmäßig redundant vorhandenen Rückschlagklappen 11 zu reduzieren.
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Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
