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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Kombikraftwerk (GuD-Kraftwerk),
das kombinierte Gas- und Dampfturbinenanlagen umfasst.
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Hintergrund
der Technik
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Das
Kombikraftwerk (GuD-Kraftwerk) ist ein System zur Energieerzeugung,
das kombinierte Gas- und Dampfturbinen aufweist. Bei diesem System übernimmt
die Gasturbine einen Bereich höherer Temperatur
der thermischen Energie, während
die Dampfturbine den verbleibenden Bereich niedrigerer Temperatur übernimmt,
dadurch wird die thermische Energie effizient wiedergewonnen und
verwendet. Dies ist gegenwärtig
das am weitesten verbreitete System zur Energieerzeugung.
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Um
die Effizienz zu verbessern, hat man sich bei der Entwicklung des
Kombikraftwerks (GuD-Kraftwerks) darauf konzentriert, wie hoch der Bereich
höherer
Temperatur festgelegt werden kann.
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Um
einen Bereich höherer
Temperatur zu realisieren, muss ein Kühlsystem vorhanden sein, das
die Hitzebeständigkeit
der Turbinenstruktur berücksichtigt.
Herkömmlicherweise
wird in solch einem Kühlsystem
Luft als ein Kühlmedium
verwendet.
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Solange
jedoch Luft als das Kühlmedium verwendet
wird, leidet, selbst wenn ein wünschenswerter
Bereich höherer
Temperatur erzielt werden kann, das Kraftwerk unvermeidlich an (i)
Verlust von Energie, die notwendig ist, den Druck der Luft (die zum
Kühlen
verwendet wurde) unter Verwendung eines internen Luftkompressors
bis auf einen vorgeschriebenen Druck zu erhöhen, und (ii) Verringerung der
durchschnittlichen Gastemperatur und folglich der Energie des Gases,
weil man die zum Kühlen
von Sollteilen verwendete Luft schließlich zusammen mit dem heißen Gas
durch den Durchfluss (in der Turbine) fließen lässt. Als eine Folge der oben
erwähnten Effekte
(i) und (ii) ist es sehr schwierig, die thermische Effizienz weiter
zu verbessern.
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Um
das obige Problem zu lösen
und ferner die Effizienz zu verbessern, wurde ein anderer Typ von
Kombikraftwerk (GuD-Kraftwerk) vorgeschlagen, bei welchem statt
Luft, wie oben erwähnt,
der Dampf als das Kühlmedium
der Gasturbine verwendet wird.
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Jede
der Patentanmeldungen JP-A-9 004 417 (Tomlinson), JP-A-9 280 010
(Nomoto) und JP-A-9 112 214 (Nakamura) beschreibt ein kombiniertes
System, das eine Gasturbinenanlage, eine Dampfturbinenanlage und
einen Dampferzeuger zur Wärmerückgewinnung
umfasst.
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In
Patentanmeldung JP-A-9 004 417 (Tomlinson) und in Patentanmeldung
JP-A-9 112 214 (Nakamura) wird das Abgas von der Gasturbine in einem Dampferzeuger
zur Wärmerückgewinnung
zum Erhitzen von Dampf für
die Dampfturbinenanlage verwendet. Der vom Dampferzeuger zur Wärmerückgewinnung
kommende erhitzte Dampf wird darauf in der Dampfturbinenanlage verwendet.
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Patentanmeldung
JP-A-9 280 010 (Nomoto) legt eine Einrichtung (siehe 1)
zum Kühlen
eines Hochdruckteils in der Gasturbine durch zwei Systeme von der
Speisewasser-Seite und von der Dampf-Seite der Dampfturbinenanlage
offen, wobei wahlweise eines der zwei Systeme verwendet wird.
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Die
japanische ungeprüfte
Patentanmeldung, erste Veröffentlichung
Nr. Hei 5-163 960, legt ein anderes Beispiel davon offen. Die allgemeine Struktur
des offen gelegten Kraftwerks wird in 2 gezeigt.
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Das
heißt,
das Kombikraftwerk (GuD-Kraftwerk) 10 umfasst (i) Gasturbinenanlage 11,
die hauptsächlich
Gasturbine 13, Luftkompressor 18, und Brennkammer 19 enthält, (ii)
Abgaswärme-Rückgewinnungskessel 14,
der hauptsächlich Hochdrucktrommel 20,
Mitteldrucktrommel 21 und Niederdrucktrommel 22 enthält, und
der das Abgas von der Gasturbinenanlage 11 als eine Wärmequelle nutzt,
und (iii) Dampfturbinenanlage 12, die hauptsächlich Hochdruckturbine 15a,
Mitteldruckturbine 15b und Niederdruckturbine 15c enthält, und
welcher der Dampf vom Abgaswärme-Rückgewinnungskessel 14 zugeführt wird.
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Das
hier verwendete Kühlsystem
ist ein Dampfkühlsystem 50,
in dem der Mitteldruckdampf von der Mitteldrucktrommel 21 des
Abgaswärme-Rückgewinnungskessels 14 als
der Kühldampf über Dampfeinspeisweg 51 in
Dampfkühlabschnitt 52 eingeführt wird,
der in einem zu kühlenden
Teil höherer
Temperatur in Gasturbine 13 vorhanden ist. Das heißt, der
oben erwähnte
Teil höherer
Temperatur wird gekühlt,
und folglich wird der oben erwähnte Kühldampf
erhitzt und erhält
Energie. Der Kühldampf wird
darauf über
Dampfrückgewinnungssystem 53 in die
Mitteldruckturbine 15b der Dampfturbinenanlage 12 eingespeist.
Das heißt,
der Dampf kann effizient verwertet werden.
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Hier
ist Dampfabschnitt 60 ein Rückstauabschnitt und der gestaute
Dampf kann von der Hochdrucktrommel 20 des Abgaswärme-Rückgewinnungskessels 14 über Hochdruckdampfleitung 42 eingespeist
werden. Dieser Rückstauabschnitt
wird unverzüglich
nach der Aktivierung der Gasturbine 13 benutzt.
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Wie
oben erläutert,
verwendet das herkömmliche
System den von der Mitteldrucktrommel 21 erhaltenen Mitteldruckdampf
als den Kühldampf; folglich
wird die Temperatur am Einlauf der Gasturbine weiter erhöht oder
der Soll-Hochtemperaturteil oder der zu kühlende Bereich in der Gasturbine
wird erweitert. Das heißt,
der zu kühlende
erweiterte Hochtemperaturteil kann bewegliche Schaufeln, starre
Schaufeln, und ferner den kreisförmigen
Teil der Turbine umfassen. Während
sich der zu kühlende Bereich
erweitert, nimmt die Wärmebelastung
des Bereichs zu und das Kühlvermögen des
Mitteldruckdampfes nimmt ab und wird unzureichend, da die Menge
des vom Abgaswärme-Rückgewinnungskessels erzeugten
Dampfes begrenzt ist. Dementsprechend kann das ursprüngliche
Ziel, den Soll-Hochtemperaturteil ausreichend und zuverlässig zu
kühlen,
nicht erreicht werden.
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die obigen Probleme beim
herkömmlichen
System zu lösen,
und ein Kombikraftwerk (GuD-Kraftwerk) zur Verfügung zu stellen, dessen Soll-Hochtemperaturteil
in der Gasturbine zuverlässig
und ausreichend gekühlt
werden kann, und in dem die über
die Kühlung
erzeugte Hitze zuverlässig
wiederverwertet werden kann, und dadurch die Effizienz verbessert
wird.
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Offenlegung
der Erfindung
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Um
das oben erwähnte
Ziel zu erreichen, stellt die vorliegende Erfindung nach Anspruch
1 ein Kombikraftwerk (GuD-Kraftwerk) zur Verfügung, das eine Gasturbinenanlage
und eine Dampfturbinenanlage hat, die miteinander kombiniert sind.
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Dementsprechend
wird das Abgas von der Hochdruckturbine als in das Dampfkühlsystem
eingeführter
kühler
Dampf verwendet, um den Soll-Hochtemperaturteil in der Gasturbine
und die Brennkammer zu kühlen.
Dieser zu kühlende
Hochtemperaturteil wird effizient und in geeigneter Weise durch
Nutzung der Eigenschaft des Hochdruckabgases bezüglich Menge, Druck oder Temperatur,
gekühlt.
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Der
Abgaswärme-Rückgewinnungskessel kann
ein Drucksystem von wenigstens drei Stufen, wie zum Beispiel Hochdruck,
Mitteldruck und Niederdruck, einsetzen. In diesem Fall wird der
Soll-Hochtemperaturteil in der Gasturbine durch Verwendung des Hochdruckabgases
von der Hochdruckturbine gekühlt,
und das Abgas wird darauf in die Mitteldruckturbine eingeführt. Folglich
kann, selbst wenn der Abgaswärme-Rückgewinnungskessel das Drei-Stufen-Drucksystem
(hoch, mittel und niedrig) einsetzt, auf einen Zwischenüberhitzer
verzichtet werden.
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Es
ist möglich,
das Abgas von der Hochdruckturbine in parallele Ströme entlang
einer Vielzahl von zu kühlenden
Elementen der Soll-Hochtemperaturteile abzuzweigen. Das heißt, das
Hochdruckabgas von der Hochdruckturbine wird so abgezweigt, dass
es entlang parallel angeordneter Elemente des zu kühlenden
Hochdruckteils fließt.
Folglich bezieht sich der einen Sollweg betreffende Druckverlust
nur auf eine Stromabzweigung, die entlang des Sollweges fließt.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
ein Systemdiagramm des Kombikraftwerks (GuD-Kraftwerks) als eine
Ausführungsform
nach der vorliegenden Erfindung.
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2 ist
ein Systemdiagramm eines herkömmlichen
Kombikraftwerks (GuD-Kraftwerks).
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Verfahren
zum Umsetzen der Erfindung
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Nachstehend
wird eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung im Detail unter Bezugnahme auf 1 erläutert.
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In
der Zeichnung bezeichnet Bezugszeichen 101 eine Gasturbine,
Bezugszeichen 102 bezeichnet einen von der Gasturbine 101 angetriebenen
Luftkompressor, und Bezugszeichen 103 bezeichnet eine Brennkammer,
die die komprimierte Luft (vom Luftkompressor 102 zugeführt) unter
Verwendung eines Brennstoffs brennen lässt, damit so die Gasturbine 101 angetrieben
wird. Bezugszeichen 104 bezeichnet einen (Strom-) Generator,
der zusammen mit dem Luftkompressor 102 angetrieben wird.
Die oben erwähnten
Bestandteile Gasturbine 101, Luftkompressor 102,
Brennkammer 103 und Generator 104 bilden Gasturbinenanlage 100.
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Das
Abgas von der Gasturbine 101 wird über Abgasrohr 105 in
Abgaswärme-Rückgewinnungskessel 200 eingeführt. Dieser
Wärmerückgewinnungskessel 200 umfasst
Hochdrucküberhitzer 204, Hochdruckverdampfer 205,
Hochdruck-Abgasvorwärmer 206,
Mitteldrucküberhitzer 207,
Niederdrucküberhitzer 208,
Mitteldruckverdampfer 209, Mitteldruck-Abgasvorwärmer 210,
Niederdruckverdampfer 211, Niederdruck-Abgasvorwärmer 212, Hochdrucktrommel 201,
Mitteldrucktrommel 202, und Niederdrucktrommel 203,
wobei die drei Trommeln jeweils an Hochdruckverdampfer 205,
Mitteldruckverdampfer 209, und Niederdruckverdampfer 211 anschließen. Hier
wird das oben erwähnte
Abgas als eine Wärmequelle
verwendet, um so drei Arten von Dampf mit hohen, mittleren und niedrigen
Druckwerten zu erzeugen.
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Bezugszeichen 301, 302 und 303 bezeichnen
jeweils Hoch-, Mittel- und Niederdruckturbinen. Die Hochdruckturbine 301 wird
unter Verwendung von Hochdruckdampf angetrieben, der vom Hochdrucküberhitzer 204 des
Abgaswärme-Rückgewinnungskessels 200 über Hochdruckdampfzuleitung 306 zugeführt wird,
während
die Niederdruckturbine 303 unter Verwendung von Mischdampf
angetrieben wird, der (i) vom Niederdrucküberhitzer 208 des
Abgaswärme-Rückgewinnungskessels 200 über Niederdruckzuleitung 307 zugeführten Niederdruckdampf
und (ii) das Abgas von der Mitteldruckturbine 302, die
unten erläutert
wird, beinhaltet.
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Die
Mitteldruckturbine 302 wird nicht nur vom Mitteldruckdampf,
der vom Abgaswärme-Rückgewinnungskessel 200 über Mitteldruckdampfzuleitung 311 zugeführt wird,
sondern wird auch unter Verwendung des Hochdruckdampfes, dessen
Hauptbestandteil von der Hochdruckturbine 301 über den Dampfrückgewinnungsteil 405 zugeführt wird,
angetrieben. Das letztere, das heißt, das Hochdruckabgas, wird
hauptsächlich
hier verwendet.
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Diese
Hochdruck-, Mitteldruck- und Niederdruckturbinen 301, 302 und 303 sind
direkt über
eine Welle mit Generator 304 verbunden. Dieses verbundene
Teilstück
und Kondensator 305, der mit der Niederdruckturbine 303 verbunden
ist, bilden die Dampfturbinenanlage 300.
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Bezugszeichen 401 bezeichnet
ein Kühldampfzuführsystem
(d. h. zur Kühlung
verwendet), das mit Ausblasöffnung 310 der
Hochdruckturbine 301 so verbunden ist, dass es das Abgas
von der Turbine 301 aufnimmt. Bezugszeichen 402 bezeichnet
den ersten Dampfkühlabschnitt,
der vom Kühldampfzuführsystem 401 abzweigt,
um die Brennkammer 103 zu kühlen. Bezugszeichen 403 und 404 bezeichnen
jeweils den zweiten und dritten Dampfkühlabschnitt, die parallel mit
dem ersten Dampfkühlabschnitt 402 angeordnet
sind. Sie zweigen ebenfalls vom Kühldampfzuführsystem 401 ab und
kühlen
den Soll-Hochtemperaturteil der Gasturbine 101.
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Diese
parallel angeordneten ersten, zweiten und dritten Dampfkühlabschnitte
bilden Dampfkühlsystem 400.
Das jedem Kühlabschnitt
zugeführte Hochdruckabgas
wird als Kühlmedium
zum Kühlen des
Soll-Hochtemperaturteils verwendet. Diese Kühlmittel werden dann wieder
vermischt und in die Mitteldruckturbine 302 über Dampfrückgewinnungsteil 405 eingeführt.
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In 1 bezeichnet
Bezugszeichen 106 ein Luftzuführsystem zum Zuführen von
Luft an den Luftkompressor 102, Bezugszeichen 308 bezeichnet
ein Kühlwasser-Zuführsystem
zum Zuführen
von Kühlwasser
an den Kondensator 305, und Bezugszeichen 309 bezeichnet
ein Wasserzuführsystem,
durch das das von Kondensator 305 erhaltene Kondensat (d.
h. kondensierte Wasser) dem Abgaswärme-Rückgewinnungskessel 200 zugeführt wird.
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Das
heißt,
dass nach der vorliegenden Ausführungsform
dann, wenn der Soll-Hochtemperaturteil
in der Gasturbinenanlage 100 gekühlt wird, im Wesentlichen das
gesamte Hochdruckabgas der Hochdruckturbine als das am besten geeignete
Kühlmedium
aus dem Hochdruckabgas, Mitteldruckabgas und Niederdruckabgas in
der Dampfturbinenanlage 300 ausgewählt wird, und der Hochdruckdampf, der
Mitteldruckdampf und der Niederdruckdampf im Abgaswärme-Rückgewinnungskessel 200 werden
im Hinblick auf notwendige Menge, Druck oder Temperatur ausgewählt. Infolgedessen
wird über
die Kühlung
des (zu kühlenden)
Hochtemperaturteils in der Gasturbinenanlage 100 eine Wärmemenge
erzeugt, und die Wärme
wird der Mitteldruckturbine 302 so zugeführt, dass
die Wärme
nicht zur Außenseite
des Systems abgeleitet, sondern wiederverwertet wird, dadurch wird
die thermische Effizienz verbessert.
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Weiter
unten werden die oben erwähnten
Arten von Dampf, die man vom Abgaswärme-Rückgewinnungskessel 200 erhält, nacheinander
analysiert. Der Hochdruckdampf weist einen perfekten Dampfstrom
auf (das heißt,
die Menge ist ausreichend), hat jedoch einen hohen Druck; folglich
muss der zu kühlende
Hochtemperaturteil in der Gasturbinenanlage 100 eine feste
Struktur aufweisen. Dementsprechend muss das relevante Teilstück eine
größere Wanddicke
aufweisen, was nicht nur eine Zunahme der thermischen Beanspruchung
verursacht, sondern auch die Baukonstruktion viel komplizierter
und teurer macht.
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Der
Mitteldruckdampf weist im Hinblick auf die zum Kühlen des Soll-Hochdruckteils
notwendige Menge einen ungenügenden
Dampfstrom auf. Folglich kann eine Änderung der Bauweise auf Seite
des Kessels eine Vergrößerung der
Menge des Mitteldruckdampfes bewirken, in diesem Fall jedoch wird die
Effizienz der Abgaswärmerückgewinnung
auf Seite des Kessels verringert.
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Als
Nächstes
hat im Allgemeinen der Niederdruckdampf einen Druck, der niedriger
als der in der Umgebung des Soll-Hochtemperaturteils der Gasturbinenanlage 100 herrschende
Druck ist. Folglich ist es in diesem Fall unmöglich, den sich auf die Stabilität der Konstruktion
beziehenden Grundsatz, der lautet, dass das Hochtemperaturgas der
Gasturbine daran gehindert werden muss, auf die Seite des Dampfsystems
auszutreten, aufrecht zu erhalten.
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Entsprechend
der obigen Analyse ist offensichtlich, dass alle Arten von Dampf
mit Ausnahme des Hochdruckabgases ungenügend sind; darüber hinaus
war es eine bedeutsame Entdeckung, dass das Hochdruckabgas tatsächlich zum
Kühlen
des Hochtemperaturteils der Gasturbinenanlage geeignet ist.
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Nahezu
der gesamte Betriebsdampf in der Mitteldruckturbine 302 wird
vom Dampfkühlsystem 400 in
der Gasturbinenanlage 100 zugeführt; folglich ist im Abgaswärme-Rückgewinnungskessel 200 kein Zwischenüberhitzer
notwendig. Im Allgemeinen ist für
diese Art von Anlage der Zwischenüberhitzer unerlässlich;
folglich können
die Kosten für
Planung und Bau der Anlage deutlich reduziert werden.
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Falls
das Hochdruckabgas der Hochdruckturbine direkt verwendet wird, ist
es vorzuziehen, dass der Druckverlust im zu kühlenden Teilstück der Gasturbinenanlage
so weit wie möglich
unterbunden wird, so dass eine wünschenswerte
Effizienz der Anlage aufrechterhalten werden kann. Folglich sind
im zu kühlenden
Abschnitt nicht nur die ersten, zweiten und dritten Dampfkühlabschnitte 402, 403 und 404 parallel
verzweigt, sondern auch die Dampfströme an jedem Element des zu
kühlenden
Sollteils können
so parallel wie möglich
geführt
werden. Dementsprechend kann der Druckverlust unterbunden werden, und
es ist möglich,
die Gefahr von Überhitzung
auf Grund partieller Blockierung zu verringern.
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Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben erläuterte Ausführungsform beschränkt, sondern
jedes Element in der Ausführungsform
kann innerhalb des Umfangs der beanspruchten Erfindung auf verschiedene
Weise modifiziert werden.
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Industrielle
Anwendbarkeit
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Nach
der oben erläuterten
vorliegenden Erfindung wird das Hochdruckabgas zum Kühlen des Soll-Hochtemperaturteils
der Gasturbinenanlage verwendet, weil das Hochdruckabgas aus jedem
der Gesichtspunkten Menge, Druck und Temperatur am besten geeignet
ist. Dementsprechend kann, selbst wenn die Temperatur des zu kühlenden
Hochdruckteils weiter erhöht
wird, oder selbst wenn der Soll-Hochtemperaturbereich erweitert
wird, der notwendige Kühlprozess
durchgeführt
werden. Zusätzlich
kann der zu kühlende
Hochtemperaturteil als ein Zwischenüberhitzer arbeiten, so dass
im Abgaswärme-Rückgewinnungskessel
kein Zwischenüberhitzer notwendig
ist. Folglich können
die Kosten für
Planung und Bau der Anlage deutlich reduziert werden.
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Ebenso
wird nach der vorliegenden Erfindung, nachdem das Abgas in der Hochdruckturbine eine
vorgeschriebene Funktion ausgeübt
hat, das Gas direkt der folgenden Dampfturbine, wie zum Beispiel
der Mitteldruckturbine, zugeführt,
ohne in eine andere Vorrichtung, wie zum Beispiel einen Zwischenüberhitzer
des Kessels, zu fließen.
Folglich ist offensichtlich, dass beim oben beschriebenen Abgaswärme-Rückgewinnungskessel
kein Zwischenüberhitzer
notwendig ist.
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Das
heißt,
die vorliegende Erfindung kann den Abgaswärme-Rückgewinnungskessel des Dreistufen-Drucksystems
(hoch, mittel und niedrig) einsetzen, was im Allgemeinen einen Zwischenüberhitzer
erfordert. Folglich hat Verzicht auf den Zwischenüberhitzer
einen erheblichen und bemerkenswerten Kosten reduzierenden Effekt.
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Außerdem kann
nach der vorliegenden Erfindung auf eine Vielzahl von zu kühlenden
Hochtemperaturteilen abgezielt werden, dadurch reduziert sich der
Druckverlust bei sol chen Teilen, und direktes und effizientes Verwenden
des Hochdruckabgases der Hochdruckturbine ist möglich.