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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Diese Anmeldung ist mit den parallel anhängigen US-Anmeldungen mit den folgenden Nummern verwandt:
GE-Aktenzeichen 280356-1 , US-Anmeldungsaktenzeichen 14/662,814, 280357-1, US-Anmeldungsaktenzeichen 14/662,822, 280358-1, US-Anmeldungsaktenzeichen 14/662,828, 280360-1, US-Anmeldungsaktenzeichen 14/662,847, 280361-1, US-Anmeldungsaktenzeichen 14/662,851, 280362-1, US-Anmeldungsaktenzeichen 14/662,858, und 281470-1, US-Anmeldungsaktenzeichen 14/662,751, alle am 19. März 2015 eingereicht.
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HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
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Die Offenbarung betrifft Energieerzeugungssysteme und insbesondere ein Energieerzeugungssystem, das ein Gasturbinensystem mit einem Verdichter enthält, der einen überschüssigen Luftstrom zur Verwendung bei einem ergänzenden Gasturbinensystem erzeugt.
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Energieerzeugungssysteme verwenden häufig ein oder mehrere Gasturbinensysteme, die mit einem oder mehreren Dampfturbinensystemen gekoppelt sein können, um Energie zu erzeugen. Ein Gasturbinensystem kann einen mehrstufigen Axialverdichter mit einer rotierenden Welle enthalten. Luft tritt in den Einlass des Verdichters ein und wird durch die Verdichterlaufschaufelstufen komprimiert und anschließend zu einer Brennkammer ausgegeben, in der Brennstoff, wie beispielsweise Erdgas, verbrannt wird, um eine hochenergetische Verbrennungsgasströmung zu liefern, um eine Turbinenkomponente anzutreiben. In der Turbinenkomponente wird die Energie der Heißgase in Arbeit umgesetzt, von der ein Teil dazu verwendet werden kann, den integralen Verdichter über eine rotierende Welle anzutreiben, wobei der Rest für eine Nutzarbeit zur Verfügung steht, um eine Last, wie beispielsweise einen Generator, über eine rotierende Welle (z.B. eine Verlängerung der rotierenden Welle) anzutreiben, um Elektrizität zu erzeugen. Innerhalb eines Energieerzeugungssystems kann eine Anzahl von Gasturbinensystemen parallel eingesetzt werden. In einem Kombikraftwerkssystem kann auch ein oder können auch mehrere Dampfturbinensysteme gemeinsam mit dem (den) Gasturbinensystem(en) eingesetzt werden. In dieser Einrichtung wird ein heißes Abgas aus dem (den) Gasturbinensystem(en) einem oder mehreren Abhitzedampferzeugern (HRSG) zugeführt, um Dampf zu erzeugen, der anschließend einer Dampfturbinenkomponente zugeführt wird, die eine von dem (den) Gasturbinensystem(en) gesonderte oder damit integrale rotierende Welle aufweist. In jedem Fall wird die Energie des Dampfes in Arbeit umgesetzt, die verwendet werden kann, um eine Last, wie beispielsweise einen Generator zur Erzeugung von Elektrizität, anzutreiben.
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Wenn ein Energieerzeugungssystem geschaffen wird, werden seine Teile dazu eingerichtet, gemeinsam zu arbeiten, um ein System zu schaffen, das eine gewünschte Leistungsabgabe aufweist. Die Fähigkeit, die Leistungsabgabe bei Bedarf zu erhöhen und/oder die Leistungsabgabe unter anspruchsvollen Umfeldbedingungen aufrechtzuerhalten, stellt in der Industrie eine ständige Herausforderung dar. Zum Beispiel ist der Stromverbrauch an heißen Tagen erhöht, womit der Bedarf an Energieerzeugung steigt. Eine weitere Herausforderung von heißen Tagen ist es, dass, wenn die Temperatur steigt, der Verdichterdurchfluss sinkt, was eine verringerte Generatorleistung zur Folge hat. Ein Ansatz, die Leistungsabgabe zu steigern (oder die Leistungsabgabe z.B. an heißen Tagen aufrechtzuerhalten), besteht darin, Komponenten zu dem Energieerzeugungssystem hinzuzufügen, die die Luftströmung zu der Brennkammer des Gasturbinensystems (der Gasturbinensysteme) erhöhen kann. Eine Methode, die Luftströmung zu erhöhen, besteht darin, einen Vorratsbehälter hinzuzufügen, um die Gasturbinenbrennkammer zu speisen. Diese spezielle Methode erfordert jedoch gewöhnlich eine gesonderte Energiequelle für den Vorratsbehälter, was nicht effizient ist.
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Eine weitere Methode zur Erhöhung der Luftströmung besteht darin, den Verdichter aufzurüsten. Gegenwärtig werden Verdichter verbessert, so dass ihre Durchflusskapazität höher ist als bei ihren Verdichtervorgängern. Diese neuen Verdichter höherer Leistung werden gewöhnlich hergestellt, um entweder neue, ähnlich konfigurierte Brennkammern oder ältere Brennkammern aufzunehmen, die in der Lage sind, die vergrößerte Leistung zu bewältigen. Eine Herausforderung bei der Aufrüstung älterer Gasturbinensysteme, um die neueren Verdichter höherer Leistung zu verwenden, besteht darin, dass derzeit kein Mechanismus zur Verfügung steht, um die Verdichter höherer Leistung bei Systemen einzusetzen, die die vergrößerte Leistung ohne ein Aufrüsten anderer kostspieliger Teile des Systems nicht bewältigen können. Andere Teile, die häufig gleichzeitig mit einer Verdichteraufrüstung aufgerüstet werden müssen, umfassen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, die Brennkammer, eine Gasturbinenkomponente, einen Generator, einen Transformator, eine Schaltanlage, einen HRSG, eine Dampfturbinenkomponente, Steuerungsventile einer Dampfturbine, etc. Selbst wenn eine Verdichteraufrüstung theoretisch ratsam sein kann, führen die zusätzlichen Kosten der Aufrüstung anderer Teile dazu, dass man aufgrund der höheren Ausgaben mit dem Aufrüsten schlecht beraten ist.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Ein erster Aspekt der Offenbarung ergibt ein Energieerzeugungssystem, das aufweist: einen Generator; ein Gasturbinensystem zum Antreiben des Generators, wobei das Gasturbinensystem eine Turbinenkomponente, einen integralen Verdichter und eine Brennkammer enthält, zu der Luft aus dem integralen Verdichter und Brennstoff geliefert werden, wobei die Brennkammer eingerichtet ist, um heiße Verbrennungsgase zu der Turbinenkomponente zu liefern, und der integrale Verdichter eine Durchflusskapazität aufweist, die größer ist als eine Aufnahmekapazität von wenigstens einer von der Brennkammer und der Turbinenkomponente, so dass eine überschüssige Luftströmung erzeugt wird; ein ergänzendes Gasturbinensystem, das eine ergänzende Brennkammer enthält, die eingerichtet ist, um heiße Verbrennungsgase zu einer ergänzenden Turbinenkomponente von ihr zu liefern, wobei die ergänzende Turbinenkomponente mit einem ergänzenden Generator betriebsmäßig verbunden ist; und ein erstes Steuerventilsystem, das einen Durchfluss der überschüssigen Luftströmung entlang eines Pfades für überschüssige Luftströmung steuert, wobei der Pfad für überschüssige Luftströmung die überschüssige Luftströmung einem Einlass der ergänzenden Brennkammer zuführt und die ergänzende Brennkammer die überschüssige Luftströmung gemeinsam mit einem Brennstoff verbrennt, um die heißen Verbrennungsgase für die ergänzende Turbinenkomponente zu erzeugen.
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In dem zuvor erwähnten Energieerzeugungssystem kann ein Abgas der Turbinenkomponente einen Abhitzedampferzeuger (HRSG) zur Erzeugung von Dampf für ein Dampfturbinensystem speisen.
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Zusätzlich kann der HRSG ferner Dampf einer Kraft-Wärme-Kopplungs-Dampflast zuführen.
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In dem Energieerzeugungssystem einer beliebigen vorstehend erwähnten Art kann das erste Steuerventilsystem ein Verdichterauslasssteuerventil, das einen ersten Teil der überschüssigen Luftströmung steuert, die aus einem Auslass des integralen Verdichters entnommen wird, und ein stromaufwärtiges Steuerventil enthalten, das einen zweiten Teil der überschüssigen Luftströmung steuert, die aus einer Stufe des integralen Verdichters stromaufwärts von dem Auslass entnommen wird.
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Das zuletzt erwähnte Energieerzeugungssystem kann ferner wenigstens einen Sensor zur Messung einer Durchflussrate jedes Teils der überschüssigen Luftströmung aufweisen, wobei jeder Sensor mit einem jeweiligen Steuerventil betriebsmäßig verbunden ist.
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Zusätzlich oder als eine Alternative kann das Energieerzeugungssystem in einer bevorzugten Ausführungsform ferner eine Strahlpumpe aufweisen, die in dem Pfad für überschüssige Luftströmung positioniert ist, um die überschüssige Luftströmung mit einem zusätzlichen Gas zu ergänzen, wobei die Strahlpumpe eine verstärkte überschüssige Gasströmung erzeugt, wobei der Pfad für überschüssige Luftströmung die verstärkte überschüssige Gasströmung dem Einlass der ergänzenden Brennkammer zuführen kann und die ergänzende Brennkammer die verstärkte überschüssige Gasströmung gemeinsam mit dem Brennstoff verbrennen kann, um die heißen Verbrennungsgase für die ergänzende Turbinenkomponente zu erzeugen.
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In der zuletzt erwähnten bevorzugten Ausführungsform kann die Strahlpumpe einen saugseitigen Strömungspfad enthalten, und das Energieerzeugungssystem kann ferner ein zweites Steuerventilsystem in dem saugseitigen Strömungspfad aufweisen, das einen Zufluss des zusätzlichen Gases zu der Strahlpumpe steuert.
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Zusätzlich kann das Energieerzeugungssystem ferner einen Sensor zur Messung einer Durchflussrate des zusätzlichen Gases in dem saugseitigen Strömungspfad aufweisen, wobei der Sensor mit dem zweiten Steuerventilsystem betriebsmäßig verbunden ist.
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Weiter zusätzlich oder als eine Alternative kann der saugseitige Strömungspfad mit einem Einlassfilter des integralen Verdichters strömungsmäßig verbunden sein.
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In jedem beliebigen vorstehend erwähnten Energieerzeugungssystem kann der Generator sich von dem ergänzenden Generator unterscheiden.
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In jedem beliebigen vorstehend erwähnten Energieerzeugungssystem kann der saugseitige Strömungspfad mit einem Einlassfilter des integralen Verdichters strömungsmäßig verbunden sein.
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In jedem beliebigen vorstehend erwähnten Energieerzeugungssystem kann das zusätzliche Gas Umgebungsluft enthalten.
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Als eine Alternative kann das zusätzliche Gas ein Prozessgas enthalten.
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Als eine weitere Alternative kann das zusätzliche Gas ein Synthesegas enthalten.
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Als eine noch weitere Alternative kann das zusätzliche Gas ein Abgas aus einer Maschine enthalten.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann das Energieerzeugungssystem ferner eine Strahlpumpe aufweisen, die in dem Pfad für überschüssige Luftströmung positioniert ist, um die überschüssige Luftströmung als eine Antriebskraft zur Verstärkung der überschüssigen Luftströmung mit zusätzlichem Gas zu verwenden, wobei die Strahlpumpe eine verstärkte überschüssige Gasströmung erzeugt, wobei der Pfad für überschüssige Luftströmung die verstärkte überschüssige Gasströmung dem Einlass der ergänzenden Brennkammer zuführen kann und die ergänzende Brennkammer die verstärkte überschüssige Gasströmung gemeinsam mit dem Brennstoff verbrennen kann, um die heißen Verbrennungsgase für die ergänzende Turbinenkomponente zu erzeugen.
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Ein zweiter Aspekt der Offenbarung ergibt ein Verfahren, das aufweist: Antreiben eines Generators unter Verwendung eines Gasturbinensystems, das eine Turbinenkomponente, einen integralen Verdichter und eine Brennkammer enthält, zu der Luft aus dem integralen Verdichter und Brennstoff geliefert werden, wobei die Brennkammer eingerichtet ist, um heiße Verbrennungsgase zu der Turbinenkomponente zu liefern, und der integrale Verdichter eine Durchflusskapazität aufweist, die größer ist als die Aufnahmekapazität von wenigstens einer von der Brennkammer und der Turbinenkomponente, womit eine überschüssige Luftströmung erzeugt wird; Antreiben eines ergänzenden Generators unter Verwendung eines ergänzenden Gasturbinensystems, das eine ergänzende Brennkammer enthält, die eingerichtet ist, um heiße Verbrennungsgase zu einer ergänzenden Turbinenkomponente von dieser zu liefern, wobei die ergänzende Turbinenkomponente mit dem ergänzenden Generator betriebsmäßig verbunden ist; und Entnehmen der überschüssigen Luftströmung aus dem Gasturbinensystem und Leiten der überschüssigen Luftströmung zu einem Einlass der ergänzenden Brennkammer, wobei die ergänzende Brennkammer die überschüssige Luftströmung gemeinsam mit einem Brennstoff verbrennt, um die heißen Verbrennungsgase für die ergänzende Turbinenkomponente zu erzeugen.
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Das zuvor erwähnte Verfahren kann ferner aufweisen: Verstärken der überschüssigen Luftströmung mit zusätzlichem Gas unter Verwendung einer Strahlpumpe, die in dem Pfad für überschüssige Luftströmung positioniert ist, wobei die Strahlpumpe die überschüssige Luftströmung als eine Antriebskraft zur Erzeugung einer verstärkten überschüssigen Gasströmung verwendet; und Leiten der verstärkten überschüssigen Gasströmung in dem Pfad für überschüssige Luftströmung zu dem Einlass der ergänzenden Brennkammer, wobei die ergänzende Brennkammer die verstärkte überschüssige Gasströmung gemeinsam mit dem Brennstoff verbrennt, um die heißen Verbrennungsgase für die ergänzende Turbinenkomponente zu erzeugen.
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Zusätzlich oder als eine Alternative kann das Verfahren ferner ein Leiten eines Abgases aus der ergänzenden Gasturbinenkomponente und eines Abgases aus der Turbinenkomponente zu einem Abhitzedampferzeuger (HRSG) zur Erzeugung von Dampf für ein Dampfturbinensystem aufweisen.
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In jedem beliebigen vorstehend erwähnten Verfahren kann das zusätzliche Gas Umgebungsluft enthalten.
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Die veranschaulichenden Aspekte der vorliegenden Offenbarung sind dazu bestimmt, die hierin beschriebenen und/oder andere Probleme, die nicht erläutert sind, zu lösen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Diese und weitere Merkmale dieser Offenbarung werden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung der verschiedenen Aspekte der Offenbarung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen leichter verstanden, die verschiedene Ausführungsformen der Offenbarung zeigen, in denen:
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Energieerzeugungssystems gemäß Ausführungsformen der Erfindung.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Energieerzeugungssystems, das eine Strahlpumpe gemäß Ausführungsformen der Erfindung enthält.
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Es sei bemerkt, dass die Zeichnung der Offenbarung nicht maßstabsgetreu ist. Die Zeichnung ist dazu bestimmt, lediglich typische Aspekte der Offenbarung darzustellen, und sollte folglich nicht in einem den Umfang der Offenbarung beschränkenden Sinne betrachtet werden. In der Zeichnung repräsentiert gleiche Nummerierung gleiche Elemente unter den Zeichnungen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Wie oben erwähnt, stellt die Offenbarung ein Energieerzeugungssystem bereit, das ein Gasturbinensystem enthält, das einen Verdichter enthält, der eine überschüssige Luftströmung erzeugt. Ausführungsformen der Erfindung bieten Möglichkeiten, um die überschüssige Luftströmung zu nutzen, um die Leistungsabgabe und den Wert des Energieerzeugungssystems zu verbessern.
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Bezugnehmend auf 1 ist eine schematische Darstellung eines Energieerzeugungssystems 100 gemäß Ausführungsformen der Erfindung bereitgestellt. Das System 100 enthält ein Gasturbinensystem 102. Das Gasturbinensystem 102 kann unter anderen Komponenten eine Turbinenkomponente 104, einen integralen Verdichter 106 und eine Brennkammer 108 enthalten. In dem hierin verwendeten Sinne wird der „integrale“ Verdichter 106 so bezeichnet, da der Verdichter 106 und die Turbinenkomponente 104 unter anderem über eine gemeinsame rotierende Verdichter/Turbinen-Welle 110 (die manchmal als ein Rotor 110 bezeichnet wird) miteinander integral verbunden sein können. Dieser Aufbau steht im Gegensatz zu vielen Verdichtern, die gesondert angetrieben und mit der Turbinenkomponente 104 nicht integral sind.
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Die Brennkammer 108 kann ein beliebiges heutzutage bekanntes oder künftig entwickeltes Brennkammersystem enthalten, das allgemein eine Verbrennungsregion und eine Brennstoffdüsenanordnung enthält. Die Brennkammer 108 kann die Form eines kreisringförmigen Verbrennungssystems oder eines ringrohrförmigen Verbrennungssystems (wie in den Figuren veranschaulicht ist) einnehmen. Im Betrieb werden Luft aus dem integralen Verdichter 106 und ein Brennstoff, wie beispielsweise Erdgas, zu der Brennkammer 108 geliefert. Optional können auch Verdünnungsmittel zu der Brennkammer 108 in einer beliebigen heutzutage bekannten oder künftig entwickelten Weise geliefert werden. Durch den integralen Verdichter 106 eingezogene Luft kann durch ein beliebiges heutzutage bekanntes oder künftig entwickeltes Einlassfiltergehäuse 120 hindurchgeleitet werden. Es ist zu verstehen, dass die Brennkammer 108 dazu eingerichtet ist, durch Verbrennung des Brennstoff- und Luft-Gemisches heiße Verbrennungsgase zu der Turbinenkomponente 104 zu liefern. In der Turbinenkomponente 104 wird die Energie der heißen Verbrennungsgase in Arbeit umgesetzt, von der ein Teil dazu verwendet werden kann, den Verdichter 106 über die rotierende Welle 110 anzutreiben, wobei der Rest für eine Nutzarbeit zur Verfügung steht, um eine Last, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, einen Generator 122 zur Erzeugung von Elektrizität und/oder eine andere Turbine über die rotierende Welle 110 (eine Verlängerung der rotierenden Welle 110) anzutreiben. Ein Anlassermotor 112, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, ein herkömmlicher Anlassermotor oder ein lastkommutierter Umrichter(LCI)-Motor (veranschaulicht), kann auch mit der rotierenden Welle 110 zum Starten des Gasturbinensystems 102 in einer beliebigen herkömmlichen Weise verbunden sein. Die Turbinenkomponente 104 kann eine beliebige heutzutage bekannte oder künftig entwickelte Turbine zur Umsetzung einer heißen Verbrennungsgaseströmung in Arbeit mittels der rotierenden Welle 110 enthalten.
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In einer Ausführungsform kann das Gasturbinensystem 102 ein Modell MS7001FB enthalten, das manchmal als eine 7FB-Maschine bezeichnet wird, die kommerziell von der General Electric Company, Greenville, S.C., erhältlich ist. Die vorliegende Erfindung ist jedoch auf kein spezielles Gasturbinensystem beschränkt und kann in Verbindung mit anderen Systemen, einschließlich z.B. der Modelle MS7001FA (7FA) und MS9001FA (9FA) der General Electric Company implementiert werden.
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Im Unterschied zu herkömmlichen Gasturbinensystemmodellen weist der integrale Verdichter 106 eine Durchflusskapazität auf, die größer ist als eine Aufnahmekapazität der Turbinenkomponente 104 und/oder der ersten Brennkammer 108. Das heißt, der Verdichter 106 ist ein aufgerüsteter Verdichter im Vergleich zu einem Verdichter, der eingerichtet ist, um auf die Brennkammer 108 und die Turbinenkomponente 104 abgestimmt zu sein. In dem hierin verwendeten Sinne kennzeichnet „Kapazität“ eine Durchflusskapazität bzw. -leistung. Zum Beispiel kann ein anfänglicher Verdichter des Gasturbinensystems 102 eine maximale Durchflusskapazität von etwa 487 Kilogramm/Sekunden (kg/s) (1075 Pfund/Sekunde (lbm/s) aufweisen), und die Turbinenkomponente 104 kann eine im Wesentlichen gleiche maximale Durchflusskapazität, d.h. von ungefähr 487 kg/s, aufweisen. Hier hat der Verdichter 106 jedoch den anfänglichen Verdichter ersetzt, und er kann eine erhöhte maximale Durchflusskapazität von z.B. etwa 544 kg/s (1200 lbm/s) haben, während die Turbinenkomponente 104 weiterhin eine maximale Durchflusskapazität von z.B. ungefähr 487 kg/s aufweist (Wenn es erforderlich ist, kann der Anlassermotor 112 ebenfalls aufgerüstet worden sein, z.B. zu einem LCI-Motor, wie veranschaulicht, um erhöhten Leistungsanforderungen für einen Start des integralen Verdichters 106 gerecht zu werden. Demgemäß kann die Turbinenkomponente 104 nicht die gesamte Kapazität des Verdichters 106 nutzen, und es wird eine überschüssige Luftströmung 200 über einer maximalen Kapazität von z.B. der Turbinenkomponente 104 durch den Verdichter 106 erzeugt. Ebenso kann die Durchflusskapazität des integralen Verdichters 106 die maximale Aufnahmekapazität der Brennkammer 108 übersteigen. In ähnlicher Weise könnte die Leistungsabgabe der Turbinenkomponente 104, wenn diese der vollen Durchflussleistung des integralen Verdichters 106 ausgesetzt wird, eine maximal zulässige Einspeisung für den Generator 122 überschreiten. Während besonders veranschaulichende Durchflusswerte hierin beschrieben worden sind, sei betont, dass die Durchflusskapazitäten in Abhängigkeit von dem Gasturbinensystem und dem eingesetzten neuen, integralen Verdichter 106 mit höherer Kapazität stark variieren können. Wie hierin nachstehend beschrieben ist, stellt die vorliegende Erfindung verschiedene Ausführungsformen für das Energieerzeugungssystem 100 zur Verwendung der überschüssigen Luftströmung in anderen Teilen des Energieerzeugungssystems 100 bereit.
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Wie ferner in 1 veranschaulicht, kann das Energieerzeugungssystem 100 in einer Ausführungsform optional die Form eines Kombikraftwerks einnehmen, das ein Dampfturbinensystem 160 enthält. Das Dampfturbinensystem 160 kann eine beliebige heutzutage bekannte oder künftig entwickelte Dampfturbinenanordnung enthalten. In dem veranschaulichten Beispiel sind Hochdruck(HD)-, Mitteldruck(MD)- und Niederdruck(ND)-Abschnitte veranschaulicht; jedoch sind nicht alle in allen Fällen erforderlich. Wie in der Technik bekannt ist, tritt Dampf im Betrieb in einen Einlass des Dampfturbinenabschnitts (der Dampfturbinenabschnitte) ein und wird durch stationäre Leitschaufeln geleitet, die den Dampf stromabwärts gegen Laufschaufeln richten, die mit einer rotierenden Welle 162 (einem Rotor) verbunden sind. Der Dampf kann durch die verbleibenden Stufen hindurchströmen und dabei eine Kraft auf die Laufschaufeln übertragen, wodurch die rotierende Welle 162 veranlasst wird zu rotieren. Wenigstens ein Ende der rotierenden Welle 162 kann an einer Last oder Maschine, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, einem Generator 166 und/oder einer anderen Turbine, z.B. einem Gasturbinensystem 102 oder einem anderen Gasturbinensystem, angeschlossen sein. Der Dampf für das Dampfturbinensystem 160 kann durch einen oder mehrere Dampferzeuger 168, d.h. Abhitzedampferzeuger (HRSGs), erzeugt werden. Der HRSG 168 kann z.B. mit einem Auslass 172 des Gasturbinensystems 102 gekoppelt sein. Nachdem sie den HRSG 168 durchströmt hat, kann die Verbrennungsgasströmung, der nun Wärme entnommen worden ist, über ein beliebiges heutzutage bekanntes oder künftig entwickeltes Emissionssteuerungssystem 178, z.B. über Schäfte, Einheiten zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR), Stickoxidfilter, etc., ausgegeben werden. Während 1 eine Kombikraftwerksausführungsform veranschaulicht, sei betont, dass das Dampfturbinensystem 160, einschließlich des HRSGs 168, weggelassen werden kann. In diesem letzten Fall würde das Abgas 172 direkt zu dem Emissionssteuerungssystem 178 weitergeführt oder in anderen Prozessen verwendet werden.
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Das Energieerzeugungssystem 100 kann ferner ein beliebiges heutzutage bekanntes oder künftig entwickeltes Steuersystem 180 zur Steuerung dessen verschiedener Komponenten aufweisen. Obwohl es von den Komponenten gesondert veranschaulicht ist, wird verstanden, dass das Steuersystem 180 mit all den Komponenten und ihren jeweiligen steuerbaren Einrichtungen, z.B. Ventilen, Pumpen, Motoren, Sensoren, Getriebe, Generatorsteuerungen, etc., elektrisch verbunden ist.
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Zurückkehrend zu den Details des Gasturbinensystems 102 weist der integrale Verdichter 106, wie hierin erwähnt, eine Durchflusskapazität auf, die größer ist als eine Aufnahmekapazität der Turbinenkomponente 104 und/oder der Brennkammer 108, was eine überschüssige Luftströmung 200 schafft. Wie veranschaulicht, kann die überschüssige Luftströmung 200 durch Entnahme von Luft aus dem Verdichter 106 gebildet werden. In einer Ausführungsform steuert ein erstes Steuerventilsystem 202 einen Durchfluss der überschüssigen Luftströmung 200 entlang eines Überschussgasströmungspfades 250 zu einem ergänzenden Gasturbinensystem 272. Das erste Steuerventilsystem 202 kann eine beliebige Anzahl von Ventilen, die zur Lieferung der gewünschten überschüssigen Luftströmung 200 erforderlich ist, z.B. ein, zwei, wie veranschaulicht oder mehr als zwei, enthalten. In einer Ausführungsform kann die überschüssige Luftströmung 200 aus dem integralen Verdichter 106 an einem Auslass 204 von diesem unter Verwendung eines Verdichterauslasssteuerventils 206 entnommen werden. Das heißt, das Verdichterauslasssteuerventil 206 steuert einen ersten Anteil der überschüssigen Luftströmung 200, der aus dem Auslass 204 des integralen Verdichters 106 entnommen wird. In diesem Fall kann ein weiteres stromaufwärtiges Ventil 210 weggelassen werden. In einer anderen Ausführungsform kann jedoch die überschüssige Luftströmung 200 an einer oder mehreren Stufen des Verdichters 106, wo es gewünscht ist, z.B. an einer oder mehreren Stellen stromaufwärts von dem Auslass 204, an dem Auslass 204 und an einer oder mehreren Stellen stromaufwärts von dem Auslass, etc., unter Verwendung geeigneter Ventile und zugehöriger Steuersysteme entnommen werden. In diesem Fall kann das erste Steuerventilsystem 202 ferner ein oder mehrere stromaufwärtige Steuerventile 210 enthalten, die einen zweiten Anteil der überschüssigen Luftströmung 200 steuern, der aus einer Stufe (Stufen) des integralen Verdichters 106 stromaufwärts von dem Auslass 204 entnommen wird. Es kann eine beliebige Anzahl von einem oder mehreren stromaufwärtigen Steuerventilen 210 in dem ersten Steuerventilsystem 202 verwendet werden, um eine beliebige gewünschte überschüssige Luftströmung 200 aus dem integrierten Verdichter 106, d.h. mit einem gewünschten Druck, Durchfluss, Volumen, etc., zu liefern. Das Verdichterauslassventil 210 kann dort vermieden werden, wo ein oder mehrere andere stromaufwärtige Steuerventile 210 die gewünschte überschüssige Luftströmung 200 liefern. Das erste Steuerventilsystem 202 kann ferner wenigstens einen Sensor 220 zur Messung eines Durchflusses jedes Anteils der überschüssigen Luftströmung enthalten, wobei jeder Sensor 220 mit einem jeweiligen Steuerventil oder einem gesamten Steuersystem 180 betriebsmäßig verbunden sein kann. Das Steuerventilsystem 202 kann eine beliebige heutzutage bekannte oder künftig entwickelte industrielle Steuerung für einen automatisierten Betrieb der verschiedenen veranschaulichten Steuerventile enthalten.
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Die überschüssige Luftströmung 200 strömt schließlich entlang eines Überschussgasströmungspfades 250, der ein oder mehrere Rohre enthalten kann, zu einem ergänzenden Gasturbinensystem 272. Obwohl es veranschaulicht ist, als ob die überschüssige Luftströmung 200 zu dem ergänzenden Gasturbinensystem 272 in einer einzigen Leitung geleitet wird, wird verstanden, dass die überschüssige Luftströmung zu einer oder mehreren Stellen des Systems 272 geleitet werden kann. Das ergänzende Gasturbinensystem 272 kann eine ergänzende Brennkammer 274 enthalten, die eingerichtet ist, um heiße Verbrennungsgase zu einer ergänzenden Turbinenkomponente 276 zu liefern. Die ergänzende Brennkammer 274 kann eine beliebige Form einer Brennkammer enthalten, wie sie in Bezug auf die Brennkammer 108 beschrieben ist, die in der Lage ist, die überschüssige Luftströmung 200 (oder eine (hierin beschriebene) verstärkte überschüssige Gasströmung 270 (2)) zu erzeugen und heiße Verbrennungsgase für die ergänzende Turbinenkomponente 276 zu liefern. In ähnlicher Weise kann die ergänzende Turbinenkomponente 276 eine beliebige Form einer Turbinenkomponente enthalten, wie sie in Bezug auf die Turbinenkomponente 104 beschrieben ist. Wie veranschaulicht, ist die ergänzende Turbinenkomponente 276 mit einem ergänzenden Generator 278 betriebsmäßig verbunden, der hierin als ein „ergänzender Generator“ bezeichnet werden kann, da er sich von dem mit dem Gasturbinensystem 102 gekoppelten Generator 122 unterscheiden kann. Der ergänzende Generator 278 kann sich auch von dem Generator 166 des Dampfturbinensystems 160 unterscheiden. In alternativen Ausführungsformen kann der Generator 274 der gleiche wie der Generator 122 oder der Generator 166 sein. In jedem Fall kann die überschüssige Luftströmung 200 (oder die verstärkte überschüssige Gasströmung 270 (2)) verwendet werden, um mittels des ergänzenden Gasturbinensystems 272 Leistung zu erzeugen, womit die überschüssige Kapazität des integralen Verdichters 106 in einer effizienten Weise genutzt wird. Ein Abgas 280 des ergänzenden Gasturbinensystems 272 kann zu einem Abgas 172 der Turbinenkomponente 104 geliefert werden, um bei der Erzeugung von Dampf in dem HRSG 168 verwendet zu werden.
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Bezugnehmend auf 2 kann das Energieerzeugungssystem 100 ferner optional eine Strahlpumpe 252 enthalten, die in dem Überschussgasströmungspfad 250 positioniert ist, um die überschüssige Luftströmung 200 als eine Antriebskraft zur Verstärkung der überschüssigen Luftströmung mit zusätzlichem Gas 254 zu verwenden. Das zusätzliche Gas 254 mit der überschüssigen Luftströmung 200 bilden eine verstärkte überschüssige Gasströmung 270, die zu dem ergänzenden Gasturbinensystem 272 geliefert wird. Das heißt, die verstärkte überschüssige Gasströmung 270 wird zu dem ergänzenden Gasturbinensystem 272 geliefert. Die verstärkte überschüssige Gasströmung 270 stellt eine erhöhte gesamte Luft/Gas-Masse für die ergänzende Brennkammer 274 bereit und kann die Erzeugung zusätzlicher Leistung unter Verwendung des Generators 278 ermöglichen. Der zusätzliche Massenstrom zu dem HRSG 168 über das Abgas 280 kann ebenfalls anerkannt werden, was die Dampferzeugung des HRSGs 168 vergrößert.
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Die Strahlpumpe 252 kann die Form einer beliebigen Pumpe einnehmen, die eine Antriebsfluidströmung nutzt, um ein Saugfluid, d.h. das zusätzliche Gas 254, zu pumpen. Hier nutzt die Strahlpumpe 252 die überschüssige Luftströmung 200 als ein Antriebsfluid, um das zusätzliche Gas 254 zu der überschüssigen Luftströmung 200 zuzugeben, d.h. indem das zusätzliche Gas aus einer zusätzlichen Gasquelle 256 entlang eines saugseitigen Strömungspfades 258 eingesaugt wird. Die zusätzliche Gasquelle 256 kann vielfältige Formen einnehmen. In einer Ausführungsform kann die zusätzliche Gasquelle 256 die Form eines Einlassfiltergehäuses 120 des integralen Verdichters 106 einnehmen. In diesem Fall kann der saugseitige Strömungspfad 258 zu der Strahlpumpe 252 mit dem Einlassfiltergehäuse 120 des integralen Verdichters 106 verbunden sein (wie durch eine gestrichelte Linie veranschaulicht), so dass das zusätzliche Gas 254 Umgebungsluft enthält. Hier liegt das zusätzliche Gas 254 in Form von Umgebungsluft vor. In einer anderen Ausführungsform kann das zusätzliche Gas 254 Umgebungsluft aus einer anderen zusätzlichen Gasquelle 256 als dem Einlassfiltergehäuse 120, z.B. einem anderen Filtergehäuse, Luft direkt aus der Umgebung, die jedoch später innerhalb des Strömungspfades 258 gefiltert wird, etc., enthalten. In jeder der vorerwähnten Ausführungsformen enthält die verstärkte überschüssige Gasströmung 270 überwiegend Luft, d.h. sie ist eine verstärkte überschüssige Luftströmung. In einer anderen Ausführungsform kann das zusätzliche Gas 254 jedoch ein Prozessgas, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, ein Synthesegas („Syngas“) aus einer Raffinerie, Hochofengas, Methan aus einer Müllhalde/Deponie, etc., enthalten. Das zusätzliche Gas 254 kann in einer weiteren Ausführungsform ferner ein Abgas aus einer Maschine, z.B. aus einer Verbrennungsmaschine, einem Dieselmotor, einem anderen Gasturbinensystem, etc., enthalten. Ein zweites Steuerventilsystem 260 kann in dem saugseitigen Strömungspfad 258 zur Steuerung eines Flusses des zusätzlichen Gases 254 zu der Strahlpumpe 252 vorgesehen sein. Das zweite Steuerventilsystem 260 kann ein Steuerventil 262 enthalten, das arbeiten kann, um die Menge des zusätzlichen Gases 254 in die Strahlpumpe 252 hinein zu steuern. Das zweite Steuerventilsystem 260 kann ferner wenigstens einen Sensor 220 zur Messung eines Durchflusses des zusätzlichen Gases 254 in dem saugseitigen Strömungspfad 258 enthalten, wobei der Sensor mit dem zweiten Steuerventilsystem 260 betriebsmäßig verbunden ist, um einen Durchfluss des zusätzlichen Gases 254 zu messen.
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Wie ferner veranschaulicht ist, kann ein Abgas 152 aus der Turbinenkomponente 104 dem HRSG 168 zugeführt werden, um Dampf für das Dampfturbinensystem 160 zu erzeugen. Wenn das Abgas 280 des ergänzenden Gasturbinensystems 272 so heiß wie das Abgas 172 der Turbinenkomponente 104 oder heißer ist, kann es dem Abgas 172 zugegeben werden, um in effizienterer Weise Dampf in dem HRSG 168 zu erzeugen. Wenn das Abgas 280 des ergänzenden Gasturbinensystems 272 nicht heißer ist als das Abgas 172 der Turbinenkomponente 104, kann es verwendet werden, um den Massendurchfluss zu dem HRSG 168 oder zu einer sonstigen Stelle in dem Energieerzeugungssystem 100 zu erhöhen, oder unter Auslassung des HRSGs 168 durch das Emissionssteuersystem 178 ausgestoßen werden. Wie veranschaulicht, kann der HRSG 168 ferner Dampf einer Kraft-Wärme-Kopplungs-Dampflast 170 zuführen. Die Kraft-Wärme-Kopplungs-Dampflast 170 kann zum Beispiel Dampf für eine petrochemische Anlage, Dampf für Fernwärme, Dampf für die Ölgewinnung aus „bitumösem Sand“, etc. enthalten.
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Mit weiterem Blick auf jedes Steuerventilsystem 202, 260 kann jedes Steuerventil von diesem in einer beliebigen Stellung zwischen offen und geschlossen positioniert werden, um die gewünschten Teilströme zu den genannten Komponenten zu liefern. Während ein Durchgang zu jeder Komponente nach jedem Steuerventil veranschaulicht ist, sei ferner betont, dass weitere Rohrleitungen und Steuerventile vorgesehen sein können, um den jeweiligen Teil der überschüssigen Luftströmung 200 zu verschiedenen Unterteilen, z.B. zahlreichen Einlässen zu der Strahlpumpe 252, etc., weiter zu verteilen. Jeder Sensor 220 kann mit dem (den) Steuerventilsystem(en) 202, 260 und dem Steuersystem 180 für eine automatisierte Steuerung in einer bekannten Weise betriebsmäßig verbunden sein. Es können andere Sensoren 220 zur Messung des Durchflusses dort, wo es überall in dem Energieerzeugungssystem 100 erforderlich ist, vorgesehen sein. Die Steuerventilsysteme 202, 260 und somit der Fluss der überflüssigen Luftströmung 200 und der Betrieb der Strahlpumpe 252 können unter Verwendung einer beliebigen heutzutage bekannten oder künftig entwickelten industriellen Steuerung gesteuert sein, die ein Teil eines Steuersystems 180 des gesamten Energieerzeugungssystems 100 sein kann. Das Steuersystem 180 kann den Betrieb von all den verschiedenen Komponenten des Energieerzeugungssystems 100 in einer bekannten Weise steuern, wozu eine Steuerung der Steuerventilsysteme 202, 260 gehört.
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Das Energieerzeugungssystem 100, das das Gasturbinensystem 102 mit dem integralen Verdichter 106 enthält, der eine überschüssige Luftströmung 200 erzeugt, bietet eine Anzahl von Vorteilen im Vergleich zu herkömmlichen Systemen. Zum Beispiel kann der Verdichter 106 die Blockspitzen-, Basis- und Heißtags-Leistungsabgabe des Energieerzeugungssystems 100 bei geringeren Kosten im Verhältnis zu einer Aufrüstung aller Verdichter in dem System verbessern, was sehr kostspielig sein kann, wenn eine Mehrzahl von Gasturbinen eingesetzt wird. Zusätzlich reduzieren Ausführungsformen der Erfindung die relativen Kosten eines aufgerüsteten Verdichters, d.h. des Verdichters 106, und verbessern wiederum die Brauchbarkeit und Attraktivität eines aufgerüsteten Verdichters, indem sie eine Möglichkeit bieten, mehr von der überschüssigen Luftströmung effizient zu verbrauchen. Ferner erweitert das Energieerzeugungssystem 100, einschließlich des integralen Verdichters 106, den Betriebsbereich des Systems 100 durch Verbesserung der Tragfähigkeit von Projekten in den Fällen, in denen irgendeines oder irgendwelche mehreren der folgenden veranschaulichenden Subsysteme zu klein bemessen sind: die Turbinenkomponente 104, der Generator 122, ein (nicht veranschaulichter) Transformator, eine Schaltanlage, der HRSG 168, das Dampfturbinensystem 160, Dampfturbinensteuerventile, etc. Auf diese Weise bietet das System 100 einen verbesserten Fall zur Aufrüstung eines einzelnen Verdichters z.B. in einem Kombikraftwerkssystem mit einer einzigen Gasturbine und einer einzigen Dampfturbine (1x1 CC System) im Vergleich zu dem Fall, wenn nichts unternommen wird. Bei der Strahlpumpe 252 (2) können die vorerwähnten Vorteile der verstärkten überschüssigen Gasströmung 270 für das ergänzende Gasturbinensystem 272, wie beispielsweise ein zusätzlicher Massenstrom und eine zusätzliche Energieerzeugung, anerkannt werden. Es kann auch ein zusätzlicher Massenstrom zu dem HRSG 168 unter Verwendung der Strahlpumpe 252 erreicht werden.
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Die hierin verwendete Terminologie dient lediglich dem Zweck der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen und soll nicht für die Offenbarung beschränkend sein. In dem hierin verwendeten Sinne sollen die Singularformen „ein“, „eine“ und „der“, „die“ bzw. „das“ auch die Pluralformen umfassen, sofern aus dem Kontext nicht etwas anderes hervorgeht. Es wird ferner verstanden, dass die Ausdrücke „aufweist“ und/ oder „aufweisend“, wenn sie in dieser Beschreibung verwendet werden, die Gegenwart der angegebenen Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Komponenten spezifizieren, jedoch die Gegenwart oder Hinzunahme eines/einer oder mehrerer anderer Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Elemente, Komponenten und/oder deren Gruppen nicht ausschließen.
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Die entsprechenden Strukturen, Materialien, Handlungen und Äquivalente aller Mittel oder Schritt-plus-Funktion-Elemente in den nachstehenden Ansprüchen sollen eine beliebige Struktur, ein beliebiges Material oder eine beliebige Handlung zur Durchführung der Funktion in Kombination mit anderen beanspruchten Elementen, wie speziell beansprucht, umfassen. Die Beschreibung der vorliegenden Offenbarung wird für die Zwecke der Veranschaulichung und Beschreibung präsentiert, wobei sie jedoch nicht erschöpfend sein oder auf die Offenbarung in der offenbarten Form beschränkt werden soll. Viele Modifikationen und Veränderungen werden sich Fachleuten auf dem Gebiet erschließen, ohne dass von dem Umfang und Wesen der Offenbarung abgewichen wird. Die Ausführungsform wurde gewählt und beschrieben, um die Prinzipien der Offenbarung und die praktische Anwendung bestmöglich zu erläutern und Fachleute auf dem Gebiet zu befähigen, die Offenbarung für verschiedene Ausführungsformen mit verschiedenen Modifikationen, wie sie für den vorgesehenen speziellen Gebrauch geeignet sind, zu verstehen.
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Ein Energieerzeugungssystem 100 kann einen Generator 122, 166 und ein Gasturbinensystem 102 zum Antreiben des Generators 122, 166 enthalten, wobei das Gasturbinensystem 102 eine Turbinenkomponente 104, einen integralen Verdichter 106 und eine Brennkammer 108 enthält, zu der Luft aus dem integralen Verdichter 106 und Brennstoff geliefert werden, wobei die Brennkammer 108 angeordnet ist, um heiße Verbrennungsgase zu der Turbinenkomponente 104 zu liefern, und der integrale Verdichter 106 eine Durchflusskapazität aufweist, die größer ist als eine Aufnahmekapazität von wenigstens einer von der Brennkammer 108 und der Turbinenkomponente 104, so dass eine überschüssige Luftströmung 200 erzeugt wird. Ein erstes Steuerventilsystem 202 steuert den Fluss der überschüssigen Luftströmung 200 entlang eines Pfades für die überschüssige Luftströmung 200 zu einem ergänzenden Gasturbinensystem 102. Die überschüssige Luftströmung 200 kann gemeinsam mit einem Brennstoff verbrannt und zu dem ergänzenden Gasturbinensystem 102 geliefert werden. Eine Strahlpumpe 252 kann in dem Pfad für die überschüssige Luftströmung 200 positioniert sein, um die überschüssige Luftströmung 200 als eine Antriebskraft zur Verstärkung der überschüssigen Luftströmung 200 mit zusätzlichem Gas 254 zu verwenden.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Energieerzeugungssystem
- 102
- Gasturbinensystem
- 104
- Turbinenkomponente
- 106
- Integraler Verdichter
- 108
- Brennkammer
- 110
- Rotierende Welle
- 112
- Anlassermotor
- 120
- Einlassfiltergehäuse
- 122, 166
- Generator
- 160
- Dampfturbinensystem
- 162
- Rotierende Welle
- 168
- Dampferzeuger
- 170
- Dampflast
- 172, 280
- Abgas
- 178
- Emissionssteuersystem
- 180
- Steuersystem
- 200
- Luftströmung
- 202
- Steuerventilsystem
- 204
- Stromaufwärts des Auslasses
- 206
- Auslasssteuerventil
- 210
- Stromaufwärtige Steuerventile
- 220
- Sensor
- 250
- Pfad für überschüssige Gasströmung
- 252
- Strahlpumpe
- 254
- Zusätzliches Gas
- 256
- Zusätzliche Gasquelle
- 258
- Saugseitiger Strömungspfad
- 260
- Zweites Steuerventilsystem
- 262
- Steuerventil
- 270
- Verstärkte überschüssige Gasströmung
- 272
- Gasturbinensystem
- 274
- Ergänzende Brennkammer
- 276
- Ergänzende Turbinenkomponente
- 278
- Ergänzender Generator
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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