EP2848771A1 - Verfahren zum Prüfen einer Überdrehzahlschutzeinrichtung einer Einwellenanlage - Google Patents

Verfahren zum Prüfen einer Überdrehzahlschutzeinrichtung einer Einwellenanlage Download PDF

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EP2848771A1
EP2848771A1 EP13184814.5A EP13184814A EP2848771A1 EP 2848771 A1 EP2848771 A1 EP 2848771A1 EP 13184814 A EP13184814 A EP 13184814A EP 2848771 A1 EP2848771 A1 EP 2848771A1
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EP
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steam turbine
speed
overspeed protection
shaft system
gas turbine
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Withdrawn
Application number
EP13184814.5A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Ophey
Thorsten Engler
Susanne Haas
Andreas Pahl
Marian-Peter Pieczyk
Martin Stapper
David Veltmann
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D21/00—Shutting-down of machines or engines, e.g. in emergency; Regulating, controlling, or safety means not otherwise provided for
    • F01D21/02—Shutting-down responsive to overspeed
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D21/00—Shutting-down of machines or engines, e.g. in emergency; Regulating, controlling, or safety means not otherwise provided for
    • F01D21/003—Arrangements for testing or measuring

Definitions

  • the invention relates to a method for testing an overspeed protection device of a single-shaft system.
  • a gas turbine, a steam turbine and a generator are arranged on a common strand.
  • the electrical energy is fed into an electrical network and the strand rotates at a speed corresponding to the rated speed of the single-shaft system, such as 50 Hz or 60 Hz.
  • the speed may increase to levels above the rated speed.
  • the single-shaft system is mechanically and thermally loaded excessively, resulting in a shortening of the life of the single-shaft system.
  • an overspeed protection device prevents further increase in the speed of the train, the limit speed being conventionally selected to be between the rated speed and the critical speed.
  • the overspeed protection device is checked by operating the single-shaft system in a test mode in which the threshold speed is lowered from the threshold speed during normal operation to thereby avoid excessive load on the single-shaft system during test operation.
  • test mode it would be desirable in test mode to use the same limit speed as in normal operation. Such a test is also compulsory in some countries, such as South Korea.
  • the object of the invention is to provide a method for testing an overspeed protection device of a single-shaft system, wherein the method does not lead to an excessive load on the single-shaft system.
  • the method according to the invention for testing an overspeed protection device of a single-shaft turbine having a gas turbine and a steam turbine comprises the steps of: b) operating the single-shaft system such that no steam is conducted into the steam turbine and the gas turbine drives the steam turbine; c) increasing the mass flow of the fuel introduced into the gas turbine such that the speed of the single-shaft system reaches a steam turbine limit speed, wherein the overspeed protection device is arranged such that a first overspeed protection is triggered as soon as the speed of the single-shaft system reaches the steam turbine limit speed; d) Check if the first overspeed protection is triggered.
  • the thermal load on the steam turbine during testing of the overspeed protection device is low, which gives the single-shaft system a long service life.
  • the method is easy to carry out because only the mass flow of the fuel introduced into the gas turbine is controlled in order to reach the steam turbine limit value speed.
  • the method is performed with the steps of: e) increasing the mass flow of the fuel introduced into the gas turbine such that the speed of the single-shaft system reaches a gas turbine limit speed higher than the steam turbine limit speed, the overspeed protection device being arranged to initiate a second overspeed protection when the speed of the single-shaft system reaches the gas turbine limit speed; f) Check if the second overspeed protection is triggered.
  • the gas turbine limit speed higher than the steam turbine limit speed checking the second overspeed protection after the first overspeed protection has been tested and carried out independently of this test.
  • the method preferably comprises the step of: a) evacuating the steam turbine. If there is a gas in the steam turbine during testing of the overspeed protection device, this is set in motion by the rotor of the steam turbine, which results in a release of so-called ventilation heat.
  • the ventilation heat can lead to a strong thermal load of the steam turbine, the strong thermal load leads to a shortening of the life of the steam turbine.
  • the single-shaft system preferably has a generator to which no electrical load is connected.
  • the steam turbine limit speed and the gas turbine limit speed may advantageously be slowed down and a critical speed of the single shaft system advantageously avoided.
  • excessive mechanical and thermal loading of the single-shaft system during testing of the overspeed protection device can be avoided, whereby the life of the single-shaft system is long.
  • the excessive load can be avoided with the method according to the invention even if the gas engine limit value speed and the steam turbine limit value speed the same limit speeds are used as in normal operation of the single-shaft system.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a single-shaft system.
  • a single-shaft system 1 has a gas turbine 2, a steam turbine 3 and an electric generator 4.
  • the gas turbine 2 and the steam turbine 4 serve to generate rotational energy, wherein the rotational energy is converted in the generator 4 into electrical energy.
  • the generator 4 is arranged between the gas turbine 2 and the steam turbine 3.
  • the gas turbine 2 has a gas turbine shaft 5 and the steam turbine 3 has a steam turbine shaft 6.
  • the generator 4 and the gas turbine 2 are arranged together on the steam turbine shaft 6.
  • a separate generator shaft is provided for the generator 4, which is coupled by means of a coupling to the gas turbine shaft 5.
  • the figure shows that the steam turbine shaft 6 is connected to the gas turbine shaft 5 by means of a clutch 7.
  • the clutch 7 is set up such that the clutch 7 engages as soon as the steam turbine 3 overhauls the gas turbine 2, and disengages when the speed of the steam turbine 3 is smaller than that of the gas turbine 2.
  • the clutch 7 may be, for example, an SSS clutch.
  • the clutch 7 is changed so that the gas turbine 2 can drive the steam turbine 3, so that the gas turbine 2 and the steam turbine 3 rotate at the same speed. This can be done, for example, that the clutch 7 is mechanically blocked.
  • the clutch 7 is removed and replaced by an intermediate shaft, by means of which the gas turbine shaft 5 and the steam turbine shaft 6 are firmly connected to each other.
  • the single-shaft system 1 has an overspeed protection device.
  • the overspeed protection device is configured such that a first overspeed protection is triggered when the speed of the steam turbine 3 reaches a steam turbine limit speed, and a second overspeed protection is triggered when the speed of the gas turbine 2 reaches a Gasurbinengrenzwertfitiere.
  • a first overspeed protection is triggered when the speed of the steam turbine 3 reaches a steam turbine limit speed
  • a second overspeed protection is triggered when the speed of the gas turbine 2 reaches a Gasurbinengrenzwertfitiere.
  • the method for testing an overspeed protection device of a single-shaft plant 1 having a gas turbine 2, a steam turbine 3 and a generator 4 to which no electric load is connected is carried out with the steps of: a) evacuating the steam turbine 3; a1) engaging the clutch; b) Operating the single-shaft system 1 such that no steam is conducted into the steam turbine 3 and the vacuum in the steam turbine 3 is maintained and the gas turbine 2 drives the steam turbine 3, so that the gas turbine 2 and the steam turbine 3 rotate at the same speed ; c) increasing the mass flow of the introduced into the gas turbine 2 fuel such that the speed of the single-shaft system 1 is a steam turbine limit speed achieved, wherein the overspeed protection device is arranged such that a first overspeed protection is triggered when the speed of the single-shaft system 1 reaches the steam turbine limit speed; d) Check if the first overspeed protection is triggered.
  • the steam turbine limit speed may be 106 to 108% of the rated speed and the gas turbine limit speed may be 0.1 to 0.5% greater than the steam turbine limit speed.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prüfen einer Überdrehzahlschutzeinrichtung einer eine Gasturbine (2) und eine Dampfturbine (3) aufweisenden Einwellenanlage (1) mit den Schritten: b) Betreiben der Einwellenanlage (1) derart, dass kein Dampf in die Dampfturbine (3) geleitet wird und die Gasturbine (2) die Dampfturbine (3) antreibt; c) Erhöhen des Massenstroms des in die Gasturbine (2) eingeleiteten Brennstoffs derart, dass die Drehzahl der Einwellenanlage (1) eine Dampfturbinengrenzwertdrehzahl erreicht, wobei die Überdrehzahlschutzeinrichtung derart eingerichtet ist, dass ein erster Überdrehzahlschutz ausgelöst wird, sobald die Drehzahl der Einwellenanlage (1) die Dampfturbinengrenzwertdrehzahl erreicht; d) Prüfen, ob der erste Überdrehzahlschutz ausgelöst wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prüfen einer Überdrehzahlschutzeinrichtung einer Einwellenanlage.
  • Bei einer Einwellenanlage zur Erzeugung von elektrischer Energie sind eine Gasturbine, eine Dampfturbine und ein Generator auf einem gemeinsamen Strang angeordnet. Im Normalbetrieb der Einwellenanlage wird die elektrische Energie in ein elektrisches Netz eingespeist und der Strang rotiert mit einer Drehzahl, die der Nenndrehzahl der Einwellenanlage entspricht, wie beispielsweise 50 Hz oder 60 Hz. Bei einem Störfall, insbesondere bei einem Abfall der an dem Generator angeschlossenen elektrischen Last, kann die Drehzahl auf Werte oberhalb der Nenndrehzahl ansteigen. Wenn die Drehzahl eine kritische Drehzahl erreicht, wird die Einwellenanlage mechanisch und thermisch übermäßig belastet, was in einer Verkürzung der Lebensdauer der Einwellenanlage resultiert.
  • Bei Erreichen einer Grenzwertdrehzahl greift eine Überdrehzahlschutzeinrichtung, die ein weiteres Ansteigen der Drehzahl des Strangs unterbindet, wobei die Grenzwertdrehzahl herkömmlich derart gewählt wird, dass sie zwischen der Nenndrehzahl und der kritischen Drehzahl liegt. Herkömmlich wird die Überdrehzahlschutzeinrichtung überprüft, indem die Einwellenanlage in einem Testbetrieb betrieben wird, bei dem die Grenzwertdrehzahl gegenüber der Grenzwertdrehzahl im Normalbetrieb abgesenkt wird, um dadurch während des Testbetriebs eine übermäßige Belastung der Einwellenanlage zu vermeiden.
  • Wünschenswert wäre es jedoch im Testbetrieb die gleiche Grenzwertdrehzahl wie im Normalbetrieb zu verwenden. Ein solcher Test ist zudem in einigen Ländern, wie beispielsweise in Südkorea, zwingend vorgeschrieben.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Prüfen einer Überdrehzahlschutzeinrichtung einer Einwellenanlage zu schaffen, wobei das Verfahren nicht zu einer übermäßigen Belastung der Einwellenanlage führt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Prüfen einer Überdrehzahlschutzeinrichtung einer eine Gasturbine und eine Dampfturbine aufweisenden Einwellenanlage weist die Schritte auf: b) Betreiben der Einwellenanlage derart, dass kein Dampf in die Dampfturbine geleitet wird und die Gasturbine die Dampfturbine antreibt; c) Erhöhen des Massenstroms des in die Gasturbine eingeleiteten Brennstoffs derart, dass die Drehzahl der Einwellenanlage eine Dampfturbinengrenzwertdrehzahl erreicht, wobei die Überdrehzahlschutzeinrichtung derart eingerichtet ist, dass ein erster Überdrehzahlschutz ausgelöst wird, sobald die Drehzahl der Einwellenanlage die Dampfturbinengrenzwertdrehzahl erreicht; d) Prüfen, ob der erste Überdrehzahlschutz ausgelöst wird. Indem kein Dampf in die Dampfturbine geleitet wird, ist die thermische Belastung der Dampfturbine während des Prüfens der Überdrehzahlschutzeinrichtung gering, wodurch die Einwellenanlage eine lange Lebensdauer hat. Zudem ist das Verfahren einfach durchführbar, weil zum Erreichen der Dampfturbinengrenzwertdrehzahl lediglich der Massenstrom des in die Gasturbine eingeleiteten Brennstoffs geregelt wird.
  • Bevorzugt wird das Verfahren mit den Schritten durchgeführt: e) Erhöhen des Massenstroms des in die Gasturbine eingeleiteten Brennstoffs derart, dass die Drehzahl der Einwellenanlage eine Gasturbinengrenzwertdrehzahl erreicht, die höher als die Dampfturbinengrenzwertdrehzahl ist, wobei die Überdrehzahlschutzeinrichtung derart eingerichtet ist, dass ein zweiter Überdrehzahlschutz ausgelöst wird, sobald die Drehzahl der Einwellenanlage die Gasturbinengrenzwertdrehzahl erreicht; f) Prüfen, ob der zweite Überdrehzahlschutz ausgelöst wird. Indem die Gasturbinengrenzwertdrehzahl höher als die Dampfturbinengrenzwertdrehzahl ist, kann somit das Prüfen des zweiten Überdrehzahlschutzes nach erfolgter Prüfung des ersten Überdrehzahlschutzes und unabhängig von dieser Prüfung durchgeführt werden.
  • Das Verfahren weist bevorzugt den Schritt auf: a) Evakuieren der Dampfturbine. Befindet sich während des Prüfens der Überdrehzahlschutzeinrichtung ein Gas in Dampfturbine, so wird dieses von dem Rotor der Dampfturbine in Bewegung gesetzt, was in einer Freisetzung einer sogenannten Ventilationswärme resultiert. Die Ventilationswärme kann zu einer starken thermischen Belastung der Dampfturbine führen, wobei die starke thermische Belastung zu einer Verkürzung der Lebensdauer der Dampfturbine führt. Indem die Dampfturbine evakuiert wird, wird die Bildung der Ventilationswärme vorteilhaft unterbunden, wodurch die Lebensdauer der Dampfturbine der Einwellenanlage lang ist.
  • Die Einwellenanlage weist bevorzugt einen Generator auf, an dem keine elektrische Last angeschlossen ist. Indem die Dampfturbinengrenzwertdrehzahl und die Gasturbinengrenzwertdrehzahl durch Erhöhen des Massenstroms des Brennstoffs und/oder des Dampfs erreicht wird und nicht etwa durch ein Abwerfen der elektrischen Last, können die Dampfturbinengrenzwertdrehzahl und die Gasturbinengrenzwertdrehzahl vorteilhaft langsam angefahren werden und eine kritische Drehzahl der Einwellenanlage vorteilhaft vermieden werden. Dadurch kann eine übermäßige mechanische und thermische Belastung der Einwellenanlage während des Prüfens der Überdrehzahlschutzeinrichtung vermieden werden, wodurch die Lebensdauer der Einwellenanlage lang ist. Die übermäßige Belastung kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren selbst dann vermieden werden, wenn für die Gasturbinengrenzwertdrehzahl und die Dampfturbinengrenzwertdrehzahl die gleichen Grenzwertdrehzahlen wie im Normalbetrieb der Einwellenanlage eingesetzt werden.
  • Im Folgenden wird anhand der beigefügten schematischen Zeichnung das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert. Die Figur zeigt eine schematische Ansicht einer Einwellenanlage.
  • Wie es aus der Figur ersichtlich ist, weist eine Einwellenanlage 1 eine Gasturbine 2, eine Dampfturbine 3 und einen elektrischen Generator 4 auf. Die Gasturbine 2 und die Dampfturbine 4 dienen zur Erzeugung von Rotationsenergie, wobei die Rotationsenergie in dem Generator 4 in elektrische Energie umgewandelt wird. Der Generator 4 ist zwischen der Gasturbine 2 und der Dampfturbine 3 angeordnet. Die Gasturbine 2 weist eine Gasturbinenwelle 5 und die Dampfturbine 3 weist eine Dampfturbinenwelle 6 auf. In der Figur ist dargestellt, dass der Generator 4 und die Gasturbine 2 zusammen auf der Dampfturbinenwelle 6 angeordnet sind. Es ist jedoch ebenfalls denkbar, dass für den Generator 4 eine separate Generatorwelle vorgesehen wird, die mittels einer Kupplung an die Gasturbinenwelle 5 gekuppelt ist.
  • Die Figur zeigt, dass die Dampfturbinenwelle 6 mittels einer Kupplung 7 mit der Gasturbinenwelle 5 verbunden. Für den Normalbetrieb ist die Kupplung 7 derart eingerichtet, dass die Kupplung 7 einkuppelt, sobald die Dampfturbine 3 die Gasturbine 2 überholt, und auskuppelt, wenn die Drehzahl der Dampfturbine 3 kleiner als die der Gasturbine 2 ist. Die Kupplung 7 kann beispielsweise eine SSS-Kupplung sein. Ausgehend davon wird in einem Testbetrieb zum Prüfen der Überdrehzahleinrichtung die Kupplung 7 derart verändert, dass die Gasturbine 2 die Dampfturbine 3 antreiben kann, so dass die Gasturbine 2 und die Dampfturbine 3 mit der gleichen Drehzahl drehen. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Kupplung 7 mechanisch blockiert wird. Alternativ ist denkbar, dass für den Testbetrieb die Kupplung 7 ausgebaut wird und durch eine Zwischenwelle ersetzt wird, mittels der die Gasturbinenwelle 5 und die Dampfturbinenwelle 6 fest miteinander verbunden werden.
  • Um ein Ansteigen der Drehzahl der Einwellenanlage 1 auf einen kritischen Wert zu vermeiden, weist die Einwellenanlage 1 eine Überdrehzahlschutzeinrichtung auf. Die Überdrehzahlschutzeinrichtung ist dabei derart eingerichtet, dass ein erster Überdrehzahlschutz ausgelöst wird, sobald die Drehzahl der Dampfturbine 3 eine Dampfturbinengrenzwertdrehzahl erreicht, und ein zweiter Überdrehzahlschutz ausgelöst wird, sobald die Drehzahl der Gasturbine 2 eine Gasturbinengrenzwertdrehzahl erreicht. Bei einem Auslösen des zweiten Überdrehzahlschutzes kann der Massenstrom des Brennstoffs und/oder der Massenstrom des Dampfs unterbrochen werden.
  • Wenn die Gasturbine 2 und die Dampfturbine 3 bei ihrer Nenndrehzahl rotieren, kann durch Schließen eines Schalters 9 ein elektrischer Verbraucher 10 an einen elektrischen Anschluss 8 des Generators 4 angeschlossen werden. Der Stromverbrauch des Verbrauchers 10 entspricht einer an den Generator 4 angeschlossenen elektrischen Last. Durch Öffnen des Schalters 9 wird sichergestellt, dass während des Prüfens der Überdrehzahlschutzeinrichtung keine elektrische Last an dem Generator 4 angeschlossen ist.
  • Anhand eines Beispiels wird im Folgenden das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert.
  • Beispielhaft wird das Verfahren zum Prüfen einer Überdrehzahlschutzeinrichtung einer eine Gasturbine 2, eine Dampfturbine 3 und einen Generator 4, an dem keine elektrische Last angeschlossen ist, aufweisenden Einwellenanlage 1 mit den Schritten durchgeführt: a) Evakuieren der Dampfturbine 3; a1) Einrücken der Kupplung; b) Betreiben der Einwellenanlage 1 derart, dass kein Dampf in die Dampfturbine 3 geleitet wird und das Vakuum in der Dampfturbine 3 aufrecht erhalten wird sowie die Gasturbine 2 die Dampfturbine 3 antreibt, so dass die Gasturbine 2 und die Dampfturbine 3 mit der gleichen Drehzahl rotieren; c) Erhöhen des Massenstroms des in die Gasturbine 2 eingeleiteten Brennstoffs derart, dass die Drehzahl der Einwellenanlage 1 eine Dampfturbinengrenzwertdrehzahl erreicht, wobei die Überdrehzahlschutzeinrichtung derart eingerichtet ist, dass ein erster Überdrehzahlschutz ausgelöst wird, sobald die Drehzahl der Einwellenanlage 1 die Dampfturbinengrenzwertdrehzahl erreicht; d) Prüfen, ob der erste Überdrehzahlschutz ausgelöst wird. e) Erhöhen des Massenstroms des in die Gasturbine 2 eingeleiteten Brennstoffs derart, dass die Drehzahl der Einwellenanlage 1 eine Gasturbinengrenzwertdrehzahl erreicht, die höher als die Dampfturbinengrenzwertdrehzahl ist, wobei die Überdrehzahlschutzeinrichtung derart eingerichtet ist, dass ein zweiter Überdrehzahlschutz ausgelöst wird, sobald die Drehzahl der Einwellenanlage 1 die Gasturbinengrenzwertdrehzahl erreicht; f) Prüfen, ob der zweite Überdrehzahlschutz ausgelöst wird.
  • Dabei kann die Dampfturbinengrenzwertdrehzahl 106 bis 108 % der Nenndrehzahl betragen und die Gasturbinengrenzwertdrehzahl 0,1 bis 0,5 % größer als die Dampfturbinengrenzwertdrehzahl sein.
  • Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims (4)

  1. Verfahren zum Prüfen einer Überdrehzahlschutzeinrichtung einer eine Gasturbine (2) und eine Dampfturbine (3) aufweisenden Einwellenanlage (1) mit den Schritten:
    b) Betreiben der Einwellenanlage (1) derart, dass kein Dampf in die Dampfturbine (3) geleitet wird und die Gasturbine (2) die Dampfturbine (3) antreibt;
    c) Erhöhen des Massenstroms des in die Gasturbine (2) eingeleiteten Brennstoffs derart, dass die Drehzahl der Einwellenanlage (1) eine Dampfturbinengrenzwertdrehzahl erreicht, wobei die Überdrehzahlschutzeinrichtung derart eingerichtet ist, dass ein erster Überdrehzahlschutz ausgelöst wird, sobald die Drehzahl der Einwellenanlage (1) die Dampfturbinengrenzwertdrehzahl erreicht;
    d) Prüfen, ob der erste Überdrehzahlschutz ausgelöst wird.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1,
    mit den Schritten:
    e) Erhöhen des Massenstroms des in die Gasturbine (2) eingeleiteten Brennstoffs derart, dass die Drehzahl der Einwellenanlage (1) eine Gasturbinengrenzwertdrehzahl erreicht, die höher als die Dampfturbinengrenzwertdrehzahl ist, wobei die Überdrehzahlschutzeinrichtung derart eingerichtet ist, dass ein zweiter Überdrehzahlschutz ausgelöst wird, sobald die Drehzahl der Einwellenanlage (1) die Gasturbinengrenzwertdrehzahl erreicht;
    f) Prüfen, ob der zweite Überdrehzahlschutz ausgelöst wird.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2,
    mit dem Schritt:
    a) Evakuieren der Dampfturbine (3).
  4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3,
    wobei die Einwellenanlage (1) einen Generator (4) aufweist, an dem keine elektrische Last angeschlossen ist.
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