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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer Gas- und Dampfturbinenanlage, bei dem das aus einer Gasturbine austretende Rauchgas über einen Abhitzedampferzeuger geführt wird, dessen Heizflächen in den Wasser-Dampf-Kreislauf einer Dampfturbine geschaltet sind. Sie bezieht sich weiter auf eine nach diesem Verfahren arbeitende Gas- und Dampfturbinenanlage.
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Aus der
DE 196 27 425 ist eine Hybrid-Solar Kombinationsanlage bekannt sowie ein Verfahren zu deren Betrieb. Die Hybrid-Solar-Kombianlage besteht aus einer Gasturbogruppe, einer Dampfturbogruppe, einem Abhitzedampferzeuger und einem Solardampferzeuger und wird zum Betrieb entweder in einem Hybrid-Solar-Kombibetrieb, oder einem Solarbetrieb oder einem Kombibetrieb ausgelegt. Im Hybrid-Solar-Kombibetrieb wird über eine solare Speisewasserleitung vorgewärmtes Wasser aus dem Abhitzedampferzeuger in den Solar-Dampferzeuger eingeleitet, der solar erzeugte Dampf wird dem im Abhitzedampferzeuger erzeugten Dampf zugemischt und das erzeugte Gemisch überhitzt und der so erzeugte Dampf wird zum Betrieb der Dampfturbine verwendet. Im Solarbetrieb wird Dampf nur mittels des Solar-Dampferzeugers erzeugt, indem das Speisewasser in mindestens einem Speisewasservorwärmer mit Abdampf aus der Dampfturbine vorgewärmt und dem Solar-Dampferzeuger zugeführt wird. Der solar erzeugte Dampf wird anschließend der Dampfturbine zugestellt. Im Kombibetrieb wird Dampf nur mittels des Abhitzedampferzeugers erzeugt, indem das Speisewasser durch den Abhitzedampferzeuger geleitet wird und der erzeugte Dampf der Dampfturbine zugeführt wird. Im Kombibetrieb wird die Hybrid-Solar-Kombianlage somit als reine Gas- und Dampfturbinenanlage betrieben.
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Bei einer Gas- und Dampfturbinenanlage wird die im entspannten Arbeitsmittel oder Rauchgas aus der Gasturbine enthaltene Wärme zur Erzeugung von Dampf für die in einen Wasser-Dampf-Kreislauf geschaltete Dampfturbine genutzt. Die Wärmeübertragung erfolgt dabei in einem der Gasturbine nachgeschalteten Abhitzedampferzeuger oder -kessel, in dem Heizflächen in Form von Rohren oder Rohrbündeln angeordnet sind. Diese wiederum sind in den Wasser-Dampf-Kreislauf der Dampfturbine geschaltet. Der Wasser-Dampf-Kreislauf umfaßt dabei üblicherweise mehrere, beispielsweise drei, Druckstufen, wobei in jeder Druckstufe als Heizflächen ein Vorwärmer und ein Verdampfer sowie ein Überhitzer vorgesehen sind. Um einen möglichst hohen Anteil der im Rauchgas enthaltenen Wärmemenge umzusetzen, ist im Abhitzedampferzeuger zusätzlich ein Kondensatvorwärmer zum Aufwärmen von kondensiertem Wasser aus der Dampfturbine vorgesehen.
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Die Temperatur des der Dampfturbine zugeführten Frischdampfes hängt im Wesentlichen von der Temperatur des aus der Gasturbine abströmenden Rauchgases ab. Bei einer Temperatur des in den Abhitzedampferzeuger eintretenden Rauchgases von etwa 570°C wird eine Frischdampftemperatur von etwa 540°C bei einem Frischdampfdruck von z. B. 120 bar erreicht. Die im Wasser-Dampf-Kreislauf geführte Gesamtwassermenge ist dabei derart bemessen, dass das den Abhitzedampferzeuger verlassende Rauchgas infolge der Wärmeübertragung auf eine Temperatur von ca. 70°C bis 100°C abgekühlt wird. Dies bedeutet insbesondere, dass die dem heißen Rauchgas ausgesetzten Heizflächen und für eine Wasser-Dampf-Trennung vorgesehene Wasser-Dampf-Trommeln für Volllast- oder Nennbetrieb ausgelegt sind, bei dem ein Anlagenwirkungsgrad von derzeit etwa 55% bis 60% erreicht wird.
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Um den Betrieb der Gasturbine und des dieser rauchgasseitig nachgeschalteten Abhitzedampferzeugers auch dann zu ermöglichen, wenn die Turbine z. B. aufgrund von An- und Abfahrvorgängen oder bei einem Dampfturbinenschnellschluss außer Betrieb ist, verfügen die verschiedenen Druckstufen im Dampfsystem einer derartigen Gas- und Dampfturbinenanlage jeweils über eine Umleitstation. Problematisch bei einem entsprechenden Umleitbetrieb ist es, den erzeugten Niederdruckdampf, der bei Normal- oder Teillastbetrieb der Dampfturbine in dieser entspannt und im nachgeschalteten Kondensator kondensiert wird, auch ohne Dampfturbine abzukühlen und zu entspannen. Um den Dampf in den vorhandenen Kondensator einleiten zu können, wird daher dessen Dampfdruck und Dampftemperatur in der Niederdruck-Umleitstation mit Hilfe von Einspritzwasser aus einer Kondensatleitung auf die erforderlichen Werte reduziert. Auch wird in manchen Fällen der produzierte Dampf über Dach in die Atmosphäre geblasen. Dieselbe Problematik ergibt sich analog bei einem Drei-Druck-System mit oder ohne Zwischenüberhitzung hinsichtlich des erzeugten Mitteldruckdampfes.
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Nachteilig bei diesem Umleitkonzept sind insbesondere der zu einer unerwünschten Reduzierung der Anlagenverfügbarkeit führende Anlagenteile- und Regelaufwand. So erfordern sowohl die Niederdruck-Umleitung als auch die Mitteldruck-Umleitung eine Wassereinspritzung, Rohrleitungen, Sensoren zur Mengenmessung, zusätzliche Armaturen, Regelventile und dgl.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Gas- und Dampfturbinenanlage anzugeben, bei dem während eines Umleitbetriebs die genannten Nachteile vermieden sind. Des Weiteren soll eine zur Durchführung des Verfahrens besonders geeignete Gas- und Dampfturbinenanlage angegeben werden.
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Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Dazu wird im Betriebszustand ohne Dampfeinleitung in die Dampfturbine, insbesondere bei deren An- oder Abfahren und bei einem Dampfturbinenschnellschluss, zusätzlich zu lediglich einer Hochdruck-Umleitung der Kondensatvorwärmer zumindest teilweise umströmt. Bei einem Drei-Druck-System wird außerdem der erste von zwei hintereinander geschalteten Hochdruck-Economizern zumindest teilweise umströmt. Dadurch können die üblicherweise vorgesehenen aufwendigen Nieder- und Mitteldruck-Umleitstationen eingespart werden.
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Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass eine Gas- und Dampfturbinenanlage bei sich außer Betrieb befindlicher Dampfturbine auch ohne Niederdruck-Umleitung – und im Fall eines Drei-Druck-Systems auch ohne Mitteldruck-Umleitung – betrieben werden kann, wenn bei diesem Betriebszustand kein Niederdruck- bzw. Mitteldruckdampf produziert oder erzeugt wird. Die Stilllegung der Niederdruck-Dampfproduktion kann durch Erhöhung des Drucks in der Niederdruckstufe, z. B. auf ca. 10 bar bis 15 bar, erfolgen, da dadurch die Siedetemperatur des Kondensats über der zur Verfügung stehenden Rauchgastemperatur liegt und folglich eine Verdampfung ausbleibt.
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Zusätzlich kann eine Temperaturregelung der Kondensatvorwärmung derart umgestellt werden, dass die Kondensattemperatur am Austritt des Kondensatvorwärmers ca. 120°C bis 130°C beträgt. Dadurch wird den Hoch- und Mitteldrucksystemen vergleichsweise kaltes Speisewasser zugeführt mit der Folge, dass dem Rauchgas im Vergleich zum Betrieb mit Dampfturbine mehr Wärme entnommen wird. Dies wiederum führt infolge einer Wärmeverschiebung dazu, dass dem Niederdruck-System weniger Wärme zur Verfügung steht.
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Analoges gilt auch im Mitteldruck-Bereich oder -system, wenn auch dort infolge einer entsprechenden Wärmeverschiebung die Dampfproduktion praktisch stillgelegt werden kann. Eine Stilllegung der Dampfproduktion im Niederdruck-Bereich kann in einfacher Weise dadurch erreicht werden, dass der Kondensatvorwärmer zumindest teilweise mittels eines Bypasses umführt oder umströmt wird. Wird bei einem Drei-Druck-System zusätzlich der erste Hochdruck-Economizer von üblicherweise zwei speisewasserseitig hintereinander geschalteten Hochdruck-Economizern mittels eines Bypasses umströmt, wird zusätzlich die Eintrittstemperatur des Speisewassers in den zweiten Hochdruck-Economizer abgesenkt. Dadurch entnimmt dieser wiederum vergleichsweise mehr Wärme aus dem Rauchgas, so dass dem Mitteldruck-System entsprechend weniger Wärme zur Verfügung steht. Auf diese Weise kann nicht nur die Niederdruck-Dampfproduktion, sondern auch die Mitteldruck-Dampfproduktion in effektiver Weise praktisch bis auf Null herabgesetzt werden.
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Durch Einleiten des erzeugten Hochdruck-Dampfes in den Kondensator unter Umführung der Dampfturbine wird auch der bei einem Mehrdrucksystem üblicherweise vorgesehene Zwischenüberhitzer nicht mehr durchströmt. Bei Außerbetriebsetzung der Dampfturbine kann somit ein derartiges Mehrdruck-Zwischenüberhitzer-System während des Betriebs der Gasturbinenanlage durch gezielte Wärmeverschiebungen innerhalb des Abhitzedampferzeugers unter Vermeidung des Einsatzes von Niederdruck- und Mitteldruck-Umleitstationen in ein Eindruck-System umgewandelt werden.
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Bezüglich der Turbinenanlage wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 3. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der auf diesen rückbezogenen Unteransprüche.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch den Entfall einer Niederdruck-Umleitstation sowie durch den Entfall einer Mitteldruck-Umleitstation in einem Drei-Druck-System der dadurch bedingte verringerte Einspritzwasserbedarf bei Umleitbetrieb die Kapazität der üblicherweise vorgesehenen Kondensat- und Speisewasserpumpe sowie die Wärmebelastung des Kondensators um ca. 10% reduziert wird. Insgesamt ergibt sich dadurch eine erhebliche Verringerung der Investitions- und Anlagenkosten infolge der Einsparung der Umleitsysteme, auch wenn das Niederdruck- bzw. Mitteldruck-System, insbesondere deren Wasser-Dampf-Trommeln für einen höheren Druck auszulegen sind. Da die Anzahl der aktiven Komponenten gegenüber einer herkömmlichen Anlage mit Umleitstationen sinkt, steigt die Anlagenverfügbarkeit und der Wartungsaufwand sowie eine Ersatzteilvorhaltung wird reduziert.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt die einzige Figur schematisch eine Gas- und Dampfturbinenanlage mit lediglich einer Hochdruck-Umleiteinrichtung.
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Die Gas- und Dampfturbinenanlage 1 gemäß 1 umfasst eine Gasturbinenanlage 1a und eine Dampfturbinenanlage 1b. Die Gasturbinenanlage 1a umfasst eine Gasturbine 2 mit angekoppeltem Luftverdichter 4 und eine der Gasturbine 2 vorgeschaltete Brennkammer 6, in der Brennstoff B unter Zufuhr verdichteter Luft L aus dem Luftverdichter 4 zum Arbeitsmittel oder Brenngas A für die Gasturbine 2 verbrannt wird. Die Gasturbine 2 und der Luftverdichter 4 sowie ein Generator 8 sitzen auf einer gemeinsamen Turbinenwelle 10.
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Die Dampfturbinenanlage 1b umfasst eine Dampfturbine 12 mit angekoppeltem Generator 14 und in einem Wasser-Dampf-Kreislauf 16 einen der Dampfturbine 12 nachgeschalteten Kondensator 18 sowie einen Abhitzedampferzeuger 20. Die Dampfturbine 12 weist eine erste Druckstufe oder einen Hochdruckteil 12a und eine zweite Druckstufe oder einen Mitteldruckteil 12b sowie eine dritte Druckstufe oder einen Niederdruckteil 12c auf, die über eine gemeinsame Turbinenwelle 22 den Generator 14 antreiben.
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Zum Zuführen von in der Gasturbine 2 entspanntem Arbeitsmittel oder Rauchgas R in den Abhitzedampferzeuger 20 ist eine Abgasleitung 24 an den Abhitzedampferzeuger 20 eingangsseitig angeschlossen. Das entspannte Rauchgas R aus der Gasturbine 2 verlässt den Abhitzedampferzeuger 20 ausgangsseitig in Richtung auf einen nicht dargestellten Kamin.
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Der Abhitzedampferzeuger 20 umfasst als Heizflächen einen Kondensatvorwärmer 26, der eingangsseitig über eine Kondensatleitung 28, in die eine Kondensatpumpe 30 geschaltet ist, mit Kondensat K aus dem Kondensator 18 gespeist wird. Der Kondensatvorwärmer 26 ist ausgangsseitig an die Saugseite einer Speisewasserpumpe 34 geführt. Zur bedarfsweisen Umführung des Kondensatvorwärmers 26 ist dieser mit einer Bypassleitung 36, in die ein motorisch betätigbares Ventil 38 geschalten ist, überbrückt.
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Die Speisewasserpumpe 34 ist im Ausführungsbeispiel als Hochdruckspeisepumpe mit Mitteldruckentnahme ausgebildet. Sie bringt das Kondensat K auf ein für eine dem Hochdruckteil 12a der Dampfturbine 12 zugeordnete Hochdruckstufe 40 des Wasser-Dampf-Kreislaufs 16 geeignetes Druckniveau. Das über die Speisewasserpumpe 34 geführte Kondensat K, das auf der Druckseite der Speisewasserpumpe 34 als Speisewasser S bezeichnet wird, wird mit mittlerem Druck einem Speisewasservorwärmer 42 zugeführt. Dieser ist ausgangsseitig an eine Mitteldrucktrommel 44 angeschlossen. Analog ist der Kondensatvorwärmer 26 ausgangsseitig über ein motorisch betätigbares Ventil 46 an eine Niederdrucktrommel 48 angeschlossen.
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Die Mitteldrucktrommel 44 ist mit einem im Abhitzedampferzeuger 20 angeordneten Mitteldruckverdampfer 50 zur Bildung eines Wasser-Dampf-Umlaufs 52 verbunden. Dampfseitig ist an die Mitteldrucktrommel 44 ein Mitteldrucküberhitzer 54 angeschlossen, der ausgangsseitig an eine den Hochdruckteil 12a ausgangsseitig mit einem Zwischenüberhitzer 56 verbindende Abdampfleitung 58 angeschlossen ist. Der Zwischenüberhitzer 56 wiederum ist ausgangsseitig über eine Dampfleitung 60, in die ein motorisch betätigbares Ventil 62 geschaltet ist, an den Mitteldruckteil 12b der Dampfturbine 12 angeschlossen.
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Hochdruckseitig ist die Speisewasserpumpe 34 über einen ersten Hochdruck-Economizer 64 und einen diesem speisewasserseitig nachgeschalteten und innerhalb des Abhitzedampferzeugers 20 rauchgasseitig vorgeordneten zweiten Hochdruck-Economizer 66 an eine Hochdrucktrommel 68 geführt. Die Hochdrucktrommel 68 ist wiederum mit einem im Abhitzedampferzeuger 20 angeordneten Hochdruckverdampfer 70 zur Bildung eines Wasser-Dampf-Umlaufs 72 verbunden. Zum Abführen von Frischdampf F ist die Hochdrucktrommel 68 an einen im Abhitzedampferzeuger 20 angeordneten Hochdrucküberhitzer 74 angeschlossen, der ausgangsseitig mit dem Hochdruckteil 12a der Dampfturbine 12 über ein motorisch betätigbares Ventil 76 verbunden ist. Der erste Hochdruck-Economizer 64 ist ebenfalls mit einer Bypassleitung 78 überbrückt, in die wiederum ein motorisch betätigbares Ventil 80 geschaltet ist.
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Der Speisewasservorwärmer 42 und der Mitteldruckverdampfer 50 sowie der Mitteldrucküberhitzer 54 bildet zusammen mit dem Zwischenüberhitzer 56 und dem Mitteldruckteil 12b die Mitteldruckstufe 82 des Wasser-Dampf-Kreislaufs 16. Analog bildet ein im Abhitzedampferzeuger 20 angeordneter und zur Bildung eines Wasser-Dampf-Umlaufs 84 mit der Niederdrucktrommel 48 verbundener Niederdruckverdampfer 86 zusammen mit einem an die Niederdrucktrommel 48 dampfseitig angeschlossenen Niederdrucküberhitzer 88 und dem Niederdruckteil 12c der Dampfturbine 12 die Niederdruckstufe 90 des Wasser-Dampf-Kreislaufs 16. Dazu ist der Niederdrucküberhitzer 88 ausgangsseitig über eine Dampfleitung 92, in die ein motorisch betätigbares Ventil 94 geschaltet ist, mit dem Eintritt des Niederdruckteils 12c der Dampfturbine 12 verbunden.
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Zur bedarfsweisen Umführung oder Umleitung des Hochdruckteils 12a der Dampfturbine 12 ist eine den Hochdrucküberhitzer 74 mit dem Hochdruckteil 12a verbindende Frischdampfleitung 96 über eine Dampfleitung 98, in die ein motorisch betätigbares Ventil 100 geschaltet ist, direkt mit dem Kondensator 18 verbunden. Dabei ist die als Hochdruckumleitung dienende Dampfleitung 98 in Strömungsrichtung des Frischdampfes F vor dem Ventil 76 an die Frischdampfleitung 96 angeschlossen.
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Ein derartiger Umleitbetrieb, der insbesondere beim An- oder Abfahren der Dampfturbine 12 sowie bei einem Dampfturbinenschnellschluss vorgesehen ist, führt zu einer Umleitung des erzeugten Frischdampfes F unter Umgehung der Dampfturbine 12 direkt in den Kondensator 18. Dazu werden das Ventil 76 geschlossen und das Ventil 100 geöffnet. Parallel hierzu wird der Kondensatvorwärmer 26 zumindest teilweise umströmt, indem das in der Bypassleitung 36 liegende Ventil 38 geöffnet wird. Diese führt dazu, dass das Kondensat K auf der Saugseite der Speisewasserpumpe 34 eine Mischtemperatur TM aufweist, die sich aufgrund des zumindest teilweisen Umströmens des Kondensatvorwärmers 26 einstellt. Diese Mischtemperatur TM ist kleiner als die Kondensattemperatur TK bei vollständig durchströmtem, d. h. nicht umströmtem Kondensatvorwärmer 26. Auch bei Vorwärmung eines Teilstroms K' des Kondensats K im Kondensatvorwärmer 26 stellt sich eine Mischtemperatur TM ein, die kleiner ist als die Temperatur des beim Betrieb der Dampfturbine 12 den Kondensatvorwärmer 26 verlassenden Kondensats K.
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Auf diese Weise gelangt sowohl in den Speisewasservorwärmer 42 als auch in den ersten Hochdruck-Economizer 64 vergleichsweise kaltes Speisewasser S mit der Folge, dass das Rauchgas R in Strömungsrichtung vor der Niederdruckstufe 90 vergleichsweise stark abgekühlt wird. Dadurch erhält die Niederdruckstufe 90, d. h. insbesondere der Niederdruckverdampfer 86 vergleichsweise wenig Wärme, so dass in der Niederdruckstufe 90 zumindest dann kein Niederdruckdampf mehr produziert wird, wenn die Siedetemperatur des Wassers innerhalb der Niederdrucktrommel 48 der Ab- oder Rauchgastemperatur in diesem Bereich des Abhitzedampferzeugers 20 entspricht. Auch für den Fall, dass die Abgastemperatur geringfügig oberhalb der Siedetemperatur des Wassers innerhalb der Niederdrucktrommel 48 liegt, stellt sich dort ein Druck ein, bei dem die Siedetemperatur innerhalb der Niederdrucktrommel 48 größer oder gleich der Rauchgastemperatur ist.
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Eine entsprechende Wärmeverschiebung innerhalb des Abhitzedampferzeugers 20 im Bereich der Niederdruck-Heizflächen, d. h. des Niederdruckverdampfers 86 und des Niederdrucküberhitzers 88, erfolgt dadurch, dass sowohl dem Speisewasservorwärmer 42 als auch dem ersten Hochdruck-Economizer 64 vergleichsweise kühles Speisewasser S zugeführt wird. Dieses entnimmt somit dem Rauchgas R vergleichsweise viel Wärme, so dass den Niederdruck-Heizflächen 86, 88 vergleichsweise wenig Wärme zur Verfügung steht.
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Dadurch, dass auch der erste Hochdruck-Economizer 64 über die Bypassleitung 78 zumindest teilweise umströmt oder umführt wird, erfolgt eine entsprechende Wärmeverschiebung auch im Bereich der Heizflächen der Mitteldruckstufe 82, d. h. im Bereich des Mitteldruckverdampfers 50 und des Mitteldruckverdampfers 54. Grund hierfür ist wiederum, dass dem zweiten Hochdruck-Economizer 66 vergleichsweise kühles Speisewasser S mit wiederum einer Mischtemperatur TM' zugeführt wird. Der zweite Hochdruck-Economizer 66 entnimmt dem in diesem Bereich des Abhitzedampferzeugers 20 strömenden Rauchgas R gegenüber dem Betrieb mit Dampfturbine wiederum zusätzlich Wärme, die den Mitteldruck-Heizflächen 50 und 54 somit nicht mehr zur Verfügung steht. Analog zur Reduzierung der Niederdruck-Dampfproduktion wird somit auch die Mitteldruck-Dampfproduktion praktisch vollständig eingestellt. Somit wird lediglich Hochdruck-Dampf oder Frischdampf F erzeugt, der jedoch über die die Dampfturbine 12 umführende Dampfleitung 98 direkt in den Kondensator 18 eingeleitet wird.
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Mittels dieses Verfahrens wird somit bei Stillsetzung der Dampfturbine 12, z. B. infolge von Anfahr- oder Abfahrvorgängen oder im Falle eines Dampfturbinenschnellschlusses, durch gezielte Wärmeverschiebung innerhalb des Abhitzedampferzeugers 20 in einfacher Art und Weise das beschriebene Mehrdruck-System mit Zwischenüberhitzung in ein Eindrucksystem überführt. Dieses Verfahren ermöglicht somit den Betrieb der Gasturbine 2 und des Abhitzedampferzeugers 20 ohne Nieder- und Mitteldruck-Umleitstation, wenn die Dampfturbine 12 außer Betrieb ist.