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Gasturbirrenanlage mit Regeleinrichtung Es sind Regulierungen von
Gasturbinenanlagen bekannt, bei welchen die Leistungsregulierung durch direkte Regulierung
der Brennstoffzufuhr erfolgt. Diese Regulierungen haben den Nachteil, daß die zeitliche
Brennstoffzufuhr den raschen Leistungsschwankungen, wie sie z. 13. elektrische Netze
verlangen, in direkter Abhängigkeit nachfolgen muß, was an die Brennstoffregulierorgane
und Brennstofförderapparate hohe Anforderungen stellt, welchen diese in vielen Fällen,
besonders bei Verbrennen von festen Brennstoffen, nicht mehr genügen können.
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Die vorliegende Erfindung bezweckt, den beschriebenen Nachteil zu
beheben dadurch, daß die ,lnpassung der Turbinenleistung an den äußeren Leistungsbedarf
durch strömungstechnische Maßnahmen erfolgt, während eine Anpassung des Brennstoffverbrauchs
wenigstens angenähert in Abhängigkeit einer Leistungsmittelwertkurve erfolgt, welche
mindestens die raschen Lastschwankungen nicht mitmacht.
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Die dadurch bedingte Differenz zwischen momentan notwendiger und momentan
wirklich vorhandener Brennstoff- und damit Wärmezufuhr kann Temperaturschwankungen
im Kreislauf bedingen, welche unerwünscht und insbesondere an der Turbine schädlich
sein können, und zwar sowohl in Bezug auf die Materialbeanspruchungen als auch auf
die Regulierung selber, welche dadurch zum Pendeln gebracht werden kann. Diese Temperaturschwankungen
können durch Einbau eines Wärmespeichers an irgendeiner Stelle des den Temperaturschwankungen
unterworfenen Kreislaufs, vorzugsweise an einer Stelle zwischen Brennraum und
Austauscher
oder Brennraum und Turbine, auf ein erwünscht kleines Maß vermindert werden; zugleich
können diese Anl-ageteile als Auffangvorrichtung und Ablenkvorrichtung für Flugasche
ausgebildet sein. Durch diese Regulierungsart in Verbindung mit dem Einbau eines
Wärmespeichers und der Ausbildung desselben als Flugaschenfänger ermöglicht die
Erfindung den Betrieb einer Luft- oder Gasturbinenanlage mit festen Brennstoffen,
z. B. Kohle; sie kann aber auch bei flüssigen Brennstoffen Anwendung finden.
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Unter strömungstechnischen Maßnahmen werden dabei Drosselungen, Stufen-
oder Turbinenumführungen, Änderungen von Beaufschlagungsquerschnitten an Turbinen
oder Verdichtern, Drehzahländerungen, Zu- und Wegfuhr von Arbeitsmittelteilen aus
allfällig vorhandenen, geschlossenen Kreislaufteilen, Winkelveränderungen an Leit-oder
Laufschaufelapparaten verstanden. Alle diese Maßnahmen haben zunächst nichts mit
der Feuerung zu tun; sie bewirken z. B., daß die Turbinenaustrittstemperatur sich
ändert, und als Folge davon auch die Brennluft-, Brenngas-, Austauscher-und schließlich
auch die Turbineneintrittstemperaturen. Sie steigt bei der Entlastung bis zum Leerlaufbetrieb,
beispielsweise durch Umführung der Nutzleistungsturbine, die Turbinenaustrittstemperatur
ungefähr um das Temperaturgefälle der Nutzleistung, und es steigt daher, allerdings
mit einer gewissen Phasenverschiebung, die Eintrittstemperatur in die Turbine, und
damit steigt die Austrittstemperatur aufs neue. Das Spiel würde sich wiederholen,
wenn nicht durch eine brennseitige Nachregulierung der Brennstoffverbrauch den neuen
Verhältnissen angepaßt und ein unzulässiger Temperaturanstieg verhindert würde.
Es kann dies z. B. dadurch geschehen, daß das Verhältnis von Brennluft zu Mischluft
geändert wird, daß beispielsweise weniger Brennluft über die Kohle geführt wird,
oder auch dadurch, daß in der von Dampfkesseln her bekannten Weise ein Teil des
Rostes abgeschaltet wird oder bei flüssigem Brennstoff durch Drosselung des Brennstoffventils.
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Da die Schnellregulierung erfindungsgemäß durch rein strömungstechnische
Maßnahmen, wie Drosselung oder Umführung usw. von Stufen, erfolgt, hat sie zur Folge,
daß meist nur bei einer Last" vorzugsweise bei Nennlast, optimale Strömungsverhältnisse
vorliegen. Es wird daher zweckmäßigerweise eine Rückführung der strömungstechnischen
Regulierorgane in die optimale Stellung vorgesehen werden, z. B. durch mindestens
teilweises Wiederöffnen des gedrosselten Ventils.
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Da infolge der getrennten Regulierung der Leistungsabgabe an der Turbine
und des Brennstoffes fast dauernd eine Differenz zwischen der für die momentan abgegebene
Leistung notwendigen und der momentan wirklich zugeführten Brennstoffmenge besteht,
besteht die Gefahr von zu großen und zu raschen Temperaturschwankungen. Diese sind
jedoch schädlich, da beispielsweise zu hohe Temperaturen vor der Turbine für die
Festigkeit von Nachteil sind, während umgekehrt mit zu tiefen Temperaturen rasch
ein Verschwinden der Nutzleistung eintritt, was wiederum die Regulierung erschweren
würde. Zu rasche Temperaturschwankungen dagegen würden sich für die an sich träge
Brenn.stoffverbrauchbeeinflussung ebensowenig eignen wie die raschen Schwankungen
des elektrischen Netzes. Es wird daher zweckmäßigerweise irgendwo im Kreislauf zwischen
Turbinenaustritt und Turbineneintritt ein Wärmespeicher eingelegt, welcher diese
Nachteile behebt und insbesondere die Regulierung auf konstante Temperatur erleichtert.
Vorzugsweise wird dieser in den Brennraum oder zwischen Brennraum und Austauscher
gelegt. Dieser Speicher kann zudem, sofern er zwischen Flamme und Austauscher, d.
h. im Brennraum oder zwischen Brennraum und Austauscher liegt, gleichzeitig als
Flugaschenfänger und Flugaschenablagerer ausgebildet werden.
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Die Zeichnung zeigt schematisch zwei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes.
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In Fig. i stellt i den Verdichter, 2 den Wärmeaustauscher, 3 und 4
je eine Turbine, 5 den Brennraum mit dem Rost 6, auf welchem beispielsweise Kohle
verbrannt wird, der Brennluftleitung 7, der Mischluftleitung 8 und dem Speicherkörper
9 dar. Letzterer wirkt zugleich als Flugaschenfänger. Die Turbine 3 ist mit einem
Generator io gekuppelt, während die Turbine 4 den Verdichter i antreibt. i9 ist
ein Anlaßmotor. Die Ventile 17, 15', 16' sowie der Brennraum 5' sind zunächst wegzudenken.
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Als strömungstechnisches Schnellregulierorgan ist eine die Nutzleistungsturbine
umführende Leitung i i mit dem Ventil 12 vorgesehen. Das Ventil 12 ist abhängig
vom Fliehkraftregler 13 der Nutzleistungsturbine 3. Als Impulsgeber für die Nachregulierung
des Brennstoffes dient ein Thermostat 14, welcher auf ein oder beide Ventile 15
und 16 wirkt und das Verhältnis der Brennluft (Leitung 7) zur Mischluft (Leitung
8) reguliert. Es können auch Teile des Rostes 6 in Funktion der Temperatur am Turbineneintritt
zu- und abgeschaltet werden.
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Der Reguliervorgang ist im wesentlichen der folgende: Die Lastkurve
der vom Generator 1o abgegebenen Leistung möge beispielsweise nach Kurve d (Fig.
2) schwanken, und ebenso die abgegebene Nutzleistung an der Welle zwischen Turbine
3 und Generator io. Mit Hilfe des Fliehkräftreglers 13 wird die Nutzleistung reguliert,
und zwar ganz unabhängig von der Brennstoffregelung. Infolge dieser Leistungsregelung
an der Turbine wird die Temperatur am Austritt und als Folge davon auch am Eintritt
in die Turbine 3 schwanken; jedoch wird diese Schwankung infolge der Wärmeträgheit
gedämpft sein, und es werden weniger Spitzen und langsamere Schwankungen in dieser
Kurve vorkommen als in der Leistungskurve. Mit Hilfe des Thermostaten 14 werden
nun die Ventile 15 oder 16 oder beide so reguliert, daß die Brennstoffmenge, welche
auf dem Rost 6 verbrannt wird, sich der Kurve h (Fig. 2) und damit den Mittelwerten
der abgegebenen Leistung anpaßt.
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Wenn man sich beispielsweise im Zeitpunkt Z_1 befindet, da die Kurve
a, d. h. die abgegebene Lei-
| stung, in ihren Mittelwerten abzunehmen beginnt, |
| wird zunächst das Uniführungsventil12, welches |
| im übrigen die raschen Leistungsschwankungen |
| gemäß a mitzumachen hat, d. h. bei jeder Last- |
| senkung öffnen und bei jeder Laststeigerung schlie- |
| ßen muß, im Mittel allmählich mehr öffnen als vor |
| der Zeit h. Die von der Turbine abgegebene Lei- |
| stung wird im Mittel abnehmen, und daher wird |
| die Atistrittstemperatnr der Turbine und auch die |
| Lufttemperatur in den Leitungen 7 und 8 ansteigen. |
| Je nach der Größe der Speicherfähigkeit, insbeson- |
| dere der Größe des allfällig eingebauten Speicher- |
| körpers <o, wird auch die Temperatur der Gase vor |
| (lern _lustausclier 2 und damit die Aufheiztempe- |
| ratur der Luft, d. li. die Temperatur am Turbinen- |
| eintritt, rascher oder langsamer ansteigen, und es |
| wird der Thermostat das Brennluftventil 15 schlie- |
| ßen oder das Umführungsventil 16 öffnen oder so- |
| wohl 1,5 schließen als 16 öffnen, um die Brennluft- |
| menge, die durch den Rost 6 strömt, zu vermindern |
| und damit -,weniger Kohle zii verbrennen und der |
| mittleren abgegebenen Leistung, z. B. gemäß |
| Kurve b, anzupassen. |
| 1-)a die Temperatur nuf einer die raschen Last- |
| schwankungen nicht mitmachenden Kurve b folgt, |
| wird die nur von der Temperatur abhängige Brenn- |
| stoffregulierung selbsttätig dieser Leistungmittel- |
| wertkurve folgen. Im Grenzfall eines unendlich |
| großen Speicher: braucht die Brennstoffmenge |
| überhaupt nicht reguliert zu -,verden, sondern es |
| müßte die Brennstoffzufuhr einfach auf einen |
| Mittelwert, z.li. entsprechend dem Jahresmittel |
| des l.cistungsverbrauches, eingestellt werden. Bei |
| gewissen Anlagen dürfte ein solcher Wegfall der |
| ßrennstoffregulierting und völliges Auffangen der |
| Schwankungen ini \\':irniespeicher möglich sein; bei |
| anderenAtilagen jedoch wird der wärmespeichernde |
| Körper o gerade so groß gemacht werden müssen, |
| als es die zulässigen Temperaturschwankungen, |
| insbesondere am "Curbineneintritt, verlangen. |
| Bei mittlerer Lastzunahme wird umgekehrt das |
| Ventil 12 im Mittel schließen, die Temperaturen |
| werden infolge der gesteigerten Expansionskühlung |
| in' den Turbinen sinken, und es wird infolge Öffnens |
| des Ventils 15 oder Scliliel.letls des Ventils 16
bzw. |
| bei gleichzeitigem Offnen des Ventils 15 und Schlie- |
| ßen des Ventils 16 mehr Brennluft über den Rost |
| geschickt und daher mehr Brennstoff verbrannt. |
| Statt oder neben der Brennluftregulierung kann |
| auch eilte Rostab- und -zuschaltung in Abhängig- |
| keit von der Temperatur erfolgen, oder es kann beim |
| Verbrennen von flüssigen oder gasförmigen Brenn- |
| stoffen die Zuströmung des Brennstoffes direkt be- |
| einflußt werden. |
| Dadurch, daß (lern momentanen Leistungsbedarf |
| unmittelbar durch die strömungstechnische Maß- |
| nahme der Turbinentiniführung entsprochen wird, |
| indem das Turbinenumführungsventil 12 die Last- |
| schwankungen nach Kurve a unmittelbar mitmacht, |
| und (faß die Brennstoffregulierung nicht direkt von |
| der Leistungskurve, sondern nur von der Tempe- |
| ratur abhängig erfolgt, die Ventilbewegung 15 und |
| 16 also zeitlich in .M)li:ingigkeit entsprechend einer |
,v#enigstens die raschen Schwankungen der Kurve a nicht mitmachenden Kurve, z. B.
nach Kurve b, erfolgt, wird es möglich, bei der Brennstoffregulierung mit viel langsameren
Bewegungen auszukommen als bei direktem Zusammenhang zwischen Brennstoff- und Leistungsregulierung.
Dadurch wird eine der Hauptschwierigkeiten des Verbrennens von Brennstoffen bei
Gas- und Luftturbinenanlagen beseitigt.
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Durch Einbau eines Speicherorgans von entsprechender Größe wird die
Stärke der Abweichung der Kurve b von der Kurve a festgelegt. Bei unendlich großem
Speicher verschwindet die Abhängigkeit von a vollständig; beim#Wegfallen des Speicherorgans
wird dagegen die Kurve b der Kurve a ähnlicher als mit Speicherorgan. Würde die
Anlage überhaupt keine Wärmespeicherfähigkeit aufweisen, so ergäbe sich Übereinstimmung
von b und a. Je größer die Betriebsdauer der Anlage und je besser vorbekannt der
mittlere Leistungsbedarf ist, um so größer darf die Speicherfähigkeit gemacht werden
und um so unabhängiger wird die Brennstoffregulierung von der Leistungsregulierung.
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Es wurde bis jetzt angenommen, daß die Brennstoffregulierung nur abhängig
von der Temperatur am Turbineneintritt erfolge. Es kann jedoch Fälle geben, wo die
aus anderen Gründen gewünschten maximalen Schwankungen der Turbineneintrittstemperatur
nicht mit den für die Brennstoffregulierung gewünschten Schwankungen der Kurve b
übereinstimmt. In diesem Falle kann auch irgendein anderer Impulsgeber für die Brennstoffregulierung
herangezogen werden, welcher die Leistungskurve a bis auf die gerade noch gewünschten
Schwankungen dämpft.
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Es kann auch ein eigens hierfür gebauter Leistungskurvenschwankungsdämpfer
vorgesehen werden, z. B. in Form eines Kolbens, welcher die Bewegungen von Ventil
12, welche z. B. identisch mit Kurve a erfolgen, in durch eine Feder gedämpfter
Form mitmacht.
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An Stelle der in Fig. 1 gezeigten Turbinenumführung könnten auch nur
einzelne Stufen umführt werden, oder es kann statt einer Umführung eine Drosselung
an irgendeiner Stelle des Kreislaufes z. B. durch das Ventil 17 vorgenommen werden.
Ein solches Drosselventil würde bei Lastabnahme schließen und bei Lastzunahme öffnen,
im Gegensatz zu Ventil 12, welches bei Lastabnahme öffnet und bei Lastzunahme schließt.
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In Fig. 1 sind zwei Turbinen 3 und 4 eingezeichnet,wovon die eine,
3, die Nutzleistung an,denGenerator 1 o abgibt, d ie andere, 4, den Kompressor 1
antreibt. Es ist auch möglich, die gesamte Expansion nur in einer Turbine zu vollziehen,
welche alsdann sowohl die Kompressorleistung als auch die Nutzleistung liefert.
Sofern die beiden Turbinen auf verschiedenen Wellen laufen, steht es frei, die Drehzahlen
der beiden verschieden zu wählen und beispielsweise eine davon lastabhängig zu machen,
indem z. B. die Nutzleistungswelle mit konstanter, durch die Netzfrequenz bestimmter
Drehzahl.läuft,
während die Kornpressorwelle mit variabler Drehzahl
dreht, und zwar bei kleinerer Last mit kleinerer Drehzahl, bei größeren Lasten mit
größerer Drehzahl. In diesem Falle ist es möglich, die ströinungstechnischen Reguliermittel
der Drosselung oder Umführung als Einleitung der Leistungsregulierung zu wählen,
indem jene die Änderung der Drehzahl der Kompressorwelle einleiten, während bei
mindestens angenäherter Erreichung der für die abgegebene Leistung passenden Drehzahl
die strömungstechnischen Maßnahmen mindestens teilweise wieder rückgeführt werden,
so daß sie z. B. im stationären Betrieb mindestens angenähert stets die optimalen
Lagen einnehmen. Die Brennstoffanpassung an die mittlere Lastkurve b kann dabei
in gleicher Weise erfolgen wie oben beschrieben.
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Eine derartige Regulierung geht dann beispielsweise wie folgt vor
sich: Bei abnehmender Last öffnet beispielsweise Ventil 12' der Umführungsleitung
i i', welche mindestens einzelne Stufen der Kompressorantriebsturbine 4 umführt.
Die Tourenzahl des Kompressoraggregates sinkt alsdann und damit der vom Kompressor
erzeugte Druck und damit auch die Nutzleistung. Statt desVentils 12' kann auch Ventil
12 oder gleichzeitig 12' und 12 betätigt werden. Nach Erreichung des tieferen Druckes
können die Umführungsventile wenigstens teilweise wieder in die ursprüngliche Lage
zurückgeführt werden. Die Leistungsregulierung geschieht also hier durch die strömungstechnischen
Maßnahmen der Umführung und Tourensenkung. Die Umführung kann die Drehzahlsenkung
auch nur einleiten. An Stelle der Umführung kann auch wieder eine Drosselung treten.
Diese Leistungsregulierung mit Drehzahlsenkung macht beispielsweise wiederum die
Schwankungen der Kurve a mit, während die Brennstoffregulierung beispielsw=eise
durch die Ventile i5 und 16 wiederum nach einer mittleren'Schwankungskurve b, z.
B. abhängig von der Turbinenaustrittstemperatur, erfolgt.
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Bei Belastungszunahme wird das umgekehrte Verfahren eingeschlagen,
wobei jedoch im Falle der rückgeführten Ventile 12 und 12' ein Belastungsimpuls
notwendig ist, beispielsweise durch eine aus einem Speicher entnommene oder durch
einen Zusatzkompressor gelieferte Zusatzdruckluft oder durch einen Zusatzbrenner
oder durch Öffnung eines Zusatzsektors an einer Turbine oder durch Kombination zweier
oder mehrerer der genannten M ittel.
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Die Erfindung kann auch angewandt werden für den Fall, daß die Verbrennung
vor Eintritt in die Turbine erfolgt (Brennraum in Lage 5' mit den Ventilen 15' und
16'), so daß die Abluft der Turbine 4 direkt oder über den Speicherkörper 9 dem
fN`ärmeaustausclier 2 zuströmt. Der Speicherkörper 9 kann auch bei g oder an einer
anderen Stelle der Leitung untergebracht werden.
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Die Trennung der Regulierung des Brennstoffes von der raschen Lastregelung
kann auch bei flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen Anwendung finden. Sie bringt
aber für feste Brennstoffe, welche sich schwieriger den raschen Leistungswechseln
anpassen, spezielle Vorteile. Sie kann bei allen Gas-und Luftturbinenanlagen Verwendung
finden, z. B. auch bei den bekannten, Schaltungen mit gänz oder mindestens teilweise
geschlossenem Kreislauf.
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Fig.3 zeigt den bekannten geschlossenen Kreislauf mit Kompressor i,
Wärmeaustauscherniedertemperaturstufe 2, Wärmeatistauscherhochtemperaturstufe 18,
welche mit dem Brennraum 5 zusaminengebaut werden kann, Kühler 2o und' Turbinen
3 und 4. Im Brennraum 5 mit dem Rost f> und den Leitungen 7 für die Brennluft und
8 für die Zusatzluft wird gleichfalls ein fester Brennstoff verbrannt. Die Abgase
wärmen im Vorwärmer i9 die Luft vor. 9 bedeutet wiederum einen Wärmespeicher, welcher
gleichzeitig Auffangvorrichtung für die Flugasche sei. Die Ventile 12, 12', 15,
16; 17 können die gleichen Funktionen ausüben wie oben dargestellt.
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Die rasche Leistungsregelung kann im Falle der. Anwendung eines geschlossenen
Kreislaufes durch Umführen mindestens eines Teils mindestens einer Turbine oder
durch Drosselung oder durch Drehzahlvariation des allfällig getrennten Kompressoraggregates
oder auch durch Entnahme von Arbeitsmittel aus dem und Zufuhr von solchem in den
geschlossenen Kreislauf oder durch eine beliebige Kombination aus diesen Verfahren
erfolgen. ' Die Brennstoffregulierung kann auch bei diesem Beispiel einer Mittelwertkurve
aus der Leistungskurve folgen, z. B. in Abhängigkeit von der Turbineneintrittstemperatur.
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Zusammenfassend ergibt sich, claß die Trennung der Leistungs- und
Brennstoffregulierung es ermöglicht, feste Brennstoffe zu verwenden und dabei beliebigen
Netzlastkurven genügen zu können. Das Maß des Zusammenhanges zwischen Leistungs-
und Brennstoffregulierkurve ist durch die Größe. des zu diesem Zweck eingebauten
Speichers gegeben. Der Speicher kann zugleich als Auffangvorrichtung für die Flugasche
dienen, so daß ein Betrieb mit festem Brennstoff ebensogut möglich ist wie bei Dampfanlagen.
Die Mittelwertkurve, welcher die Brennstoffregulierung folgt, kann nur die ganz
raschen SÜhwankungenderLeistungskurve nicht mitmachen, oder sie kann Mittelwerte
der Leistungskurve über eine längere Zeitperiode darstellen. Als einfachste Mittelwertkurve
kann der Schwankungsverlauf einer Temperatur, z. B. der Turbineneintrittstemperatur,
zur Impulsgebung für die Brennstoffregulierung herangezogen werden, so daß in diesem
Falle die Brennstoffregulierung nur von dieser Temperatur allein abhängig erfolgt.
Die Regulierung eignet sich insbesondere für Anlagen, welche mit festen Brennstoffen
betrieben werden, hat aber auch bei flüssigen und gasförmigen Brennstoffen ihre
Vorteile.
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Als Arbeitsmittel kann Luft oder ein beliebiges anderes Gas verwendet
werden.