JPH09125910A - 発電プラントの運転法 - Google Patents
発電プラントの運転法Info
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Abstract
から成る蒸気発生段IIと、蒸気循環路とから構成され
た発電プラントの運転法において、排熱蒸気発生器15
の下方の温度範囲内で機能する熱交換段15a内で10
0%を越えて増大した液量が循環する。この液量の10
0%を越えた部分が熱交換段15aの端部のところで分
流されて少なくとも1つの圧力段26内で蒸発する。圧
力段内で生成された蒸気37が次いで蒸気タービン17
に適合箇所で供給される。圧力段から到来した依然とし
て熱い液量36が脱ガス機内へ供給され、かつこれらの
内部で生成された蒸気38が別の蒸気タービン18へ適
合箇所で供給される。 【効果】 構成的な設計が簡単であるにもかかわらず、
最後のタービンから到来する排ガスが100℃及びそれ
以下になるまで良好に利用される。
Description
ボ群と、該ガスターボ群の下流に接続された排熱蒸気発
生器と、さらに該排熱蒸気発生器の下流に接続された蒸
気循環路とから構成され、しかもガスターボ群が少なく
とも1つの圧縮機ユニットと、少なくとも1つの燃焼器
と、少なくとも1つのタービンと、少なくとも1つの発
電機とから成り、さらに、最後のタービンから到来した
排ガスが排熱蒸気発生器を通流し、この排熱蒸気発生器
内で少なくとも、蒸気循環路の少なくとも1つの蒸気タ
ービンを運転するための蒸気が発生させられる形式の発
電プラントを運転する方法に関する。
た排熱蒸気発生器と、これに接続された蒸気循環路とか
ら成る発電プラントでは、最大効率を得るために、有利
には蒸気循環路内に超臨界的な蒸気プロセスが設けられ
る。
5号明細書により公知である。この種の回路内では、排
熱蒸気発生器の下方の温度範囲内でのガスターボ群の最
適な排熱利用の目的で、ガスタービン循環媒体の質量流
れが分流されて、ガスタービン内で熱回収的に利用され
る。ガスタービン並びに蒸気プロセスはシーケンシャル
燃焼方式で運転される。しかし、この構成は現代的な、
有利には1軸式に設計されたガスタービンでは構造上の
不所望な複雑さを招く。
ころは、冒頭に記載した形式の発電プラントを運転する
方法を改良して、排熱蒸気発生器の低い温度範囲内での
蒸気循環路側の熱吸収能力が1軸式のガスタービンに関
連して最大となるような方法を提供することである。
に本発明の構成では、排熱蒸気発生器の下方の温度範囲
内で作動する熱交換段内で100%を越えて高められた
液量を循環せしめ、この液量の100%を越えた部分を
この熱交換段の端部のところで分流させて、少なくとも
1つの圧力段内で蒸発させ、この圧力段内で発生した蒸
気を蒸気タービンに適合箇所で供給し、この圧力段から
到来した依然として熱い液量を供給水容器および脱ガス
器に供給し、該脱ガス器で発生した蒸気を別の蒸気ター
ビンに適合箇所で供給するようにした。
1の熱交換段の領域内で蒸気循環路側の熱吸収能力が、
多く場合エコノマイザとして公知の排熱蒸気発生器の下
方の温度範囲内で高められることにより、構成的な設計
が簡単であるにもかかわらず、最後のタービンから到来
する排ガスが100℃及びそれ以下になるまで良好に利
用されることにある。
の他の請求項に記載されている。
き説明する。図面には本発明の理解にとって不必要なエ
レメントは排除されている。媒体の流れ方向は矢印によ
り示されている。
続された排熱蒸気発生器IIと、さらにこれの下流に配
置された蒸気循環路IIIとから構成された発電プラン
トを示す。
ーケンシャル燃焼方式で形成されている。種々の燃焼器
の運転のために必要な燃料の調整は図1では示されてい
ない。この燃料調整は例えばガスターボ群との協働によ
る炭素ガス化により行われる。使用燃料を1次網から引
き出すことも可能であるのは勿論である。ガスターボ群
の運転のためのガス燃料の供給をパイプラインを介して
行う場合には、1次網と消費網との間の圧力差及び/又
は温度差に由来するポテンシャルがガスターボ群の要求
又は一般には回路の要求のために回収される。オートノ
マスユニットとしても作用できるこのガスターボ群は圧
縮機1と、これの下流に接続された第1の燃焼器2と、
さらにこれの下流に接続された第1のタービン3と、さ
らにこれの下流に接続された第2の燃焼器4と、さらに
これの下流に接続された第2のタービン5とから構成さ
れている。圧縮機1、第1タービン3及び第2のタービ
ン5から成る流体機械は共通の1つのロータ軸39を有
している。このロータ軸39は有利には圧縮機1のヘッ
ド側と第2のタービン5の下流とに位置する図示されて
いない2つの軸受に支承されている。圧縮機1はその設
計に応じて例えば比出力を高めるために図示されていな
い2つ又はそれ以上の部分圧縮機に分割されることがで
きる。この種の構成では、第1の部分圧縮機の下流で第
2の部分圧縮機の上流に中間冷却器が配置され、この中
間冷却器内で部分圧縮空気が冷却される。同様に図示さ
れていないこの中間冷却器内で回収された熱は最適に、
要するに有効にプロセス内に戻し案内される。圧縮機1
の吸込空気6は圧縮空気7となって、圧縮機出口と第1
のタービン3とを囲む詳細には図示されていないケーシ
ング内に流入する。このケーシング内には第1の燃焼器
2も設けられており、この第1の燃焼器は有利には組み
合わされた環状燃焼器として構成されている。当然なが
ら、圧縮空気7は図示されていないエアアキュムレータ
から第1の燃焼器2へ供給されてもよい。環状燃焼器は
ヘッド側でその周方向に分配された多数の詳細には図示
されていないバーナを備えており、これらのバーナは有
利には予混合バーナとして形成されている。この場合、
拡散バーナが使用されることができる。この燃焼に由来
する有害物質放出の削減、特にNOx放出の削減のため
に、本発明と同じ内容のヨーロッパ特許第032180
9号明細書に基づく予混合バーナが設けられると有利で
あり、かつさらに同ヨーロッパ特許明細書に記載された
燃料12の供給形式が有利である。環状燃焼器として形
成された第1の燃焼器の周方向に予混合バーナを配置す
ることが望まれる場合、必要ならば同一バーナの一般的
な構成を廃し、その代わりに種々異なる大きさの予混合
バーナを使用することができる。このことは、例えばそ
れぞれ2つの大きな予混合バーナの間に、同一構造の小
さな予混合バーナを配置することにより実現される。主
バーナの機能を満たす大きな予混合バーナは、この燃焼
器のパイロットバーナを形成する小さい予混合バーナに
対して、この燃焼器を通流する燃焼空気、要するに圧縮
機1から到来した圧縮空気に関連して、場合により固定
することのできる寸法比を有することができる。燃焼器
の全負荷運転範囲内でパイロットバーナは自発的な予混
合バーナとして作動し、その際、空気過剰率はほぼコン
スタントに保たれる。主バーナの接続又は遮断はプラン
トに特有の所定の条件に基づいて行われる。パイロット
バーナが全負荷運転範囲内で理想的な混合気で運転され
ることができるので、部分負荷運転の場合でもNOx放
出は極めてわずかである。このような状況では、環状燃
焼器としての第1の燃焼器2のフロント領域内の循環す
る流線がパイロットバーナの渦中心の極めて近くに位置
し、その結果、これらのパイロットバーナにより点火が
可能である。高負荷運転時には、パイロットバーナを介
して供給される燃料量は、パイロットバーナがフル稼働
されるまで、換言すれば全燃料量が供給されるまで増大
される。このポイントがガスターボ群の負荷切り離し条
件に対応するように設計が行われる。それ以上の出力増
大は主バーナにより行われる。ガスターボ群のピーク負
荷時には主バーナもフル稼働される。パイロットバーナ
により誘発される「小さな」熱い渦中心の形成が、主バ
ーナにより誘発される「大きな」冷えた渦中心の間で極
めて不安定となるために、主バーナが貧で運転される場
合ですら部分負荷運転範囲内では、NOx放出に対して
付加的に低いCO放出及びUHC放出を伴う極めて良好
な燃焼が生じ、換言すればパイロットバーナの熱い渦が
直ちに主バーナの小さい渦内へ侵入する。第1の燃焼器
2は個々の管状の多数の燃焼器から構成されることがで
きるのは勿論であるが、その場合には、これらの燃焼器
は同様に斜め環状、場合により螺旋状にロータ軸を中心
として配置される。第1の燃焼器はその設計に無関係に
ロータの長さに実際になんの影響を及ぼさないようなジ
オメトリで配置される。この環状燃焼器から到来した熱
ガス8は、環状燃焼器の直後に配置された第1のタービ
ンに供給される。その熱量的に膨張する作用は意識的に
最小に保たれ、換言すればこのタービン3は2列より多
くない羽根列しか備えていない。この種のタービンで
は、軸方向スラストの安定化を目的とした端面における
圧力補償が必要とされる。第1のタービン3内で部分膨
張して第2の燃焼器4内へ流入する熱ガス9は前述した
理由で著しく高い温度を有しており、有利にはこの熱ガ
スは確実に1000℃となるように運転技術的に設計さ
れる。この第2の燃焼器4はほぼ組み合わされた環状の
軸方向又はある程度軸方向に延びる環状円筒の形状を有
している。この燃焼器4は勿論軸方向又はある程度軸方
向又は螺旋状に配置された自体閉鎖された多数の燃焼器
から成ることもできる。1つの燃焼器から成る環状の燃
焼器4のこの構成に関連して、この環状の円筒体には、
周方向及び半径方向に、詳細には図示されていない多数
の燃料ノズル管が配置されている。この燃焼器4はバー
ナを備えていない。第1のタービン3から到来した部分
膨張した熱ガス9内に噴入された燃料13の燃焼はこの
箇所では自己着火で、温度レベルがこの種の運転形式を
許容する限りにおいて行われる。燃焼器4がガス燃料、
例えば天然ガスで運転されることを前提とすれば、部分
膨張した熱ガス9の、第1のタービン3からの流出温度
は依然として著しく高く、例えばすでに説明したように
1000℃程度でなければならず、このことは部分負荷
運転においても同じであり、このことはタービン2の設
計上根本的な役割を果たす。自己着火が行われるように
設計された燃焼器での運転確実性及び高い効率を保証す
るためには、火炎フロントが局部的に安定を保つことが
極めて重要である。この目的のために、この燃焼器4内
には、有利には内壁又は外壁のところに、詳細に図示さ
れていない1列のエレメントが周方向に配置されてお
り、このエレメントは軸方向で有利には燃料ノズル管の
上流に配置されている。このエレメントの役割は、すで
に述べた予混合バーナ内の逆流区域と同様な逆流区域を
形成する渦を発生させることにある。この燃焼器4はそ
の軸方向の配置及び全長に基づき高速燃焼器を形成して
いる。この高速燃焼器では作動ガスの速度は大きくほぼ
60m/sであるので、渦を発生するエレメントは流れ
と同形に形成されなければならない。このエレメントは
向流側で有利には流れに向かった斜面を備えた四面体形
状に形成されなければならない。渦を発生するこのエレ
メントは外面及び/又は内面に配置されることができ
る。勿論、渦を発生するこのエレメントは軸方向で互い
にずれていてもよい。渦を発生するこのエレメント(以
下渦発生エレメント)の流出側の面はほぼ半径方向に形
成されており、その結果、そこより下流に逆流区域が形
成される。燃焼器4内での自己着火はガスターボ群の遷
移的な負荷運転範囲並びに部分負荷運転範囲では確実性
を保たねばならず、換言すれば燃料の噴入領域内でガス
温度の変化が生じた場合でも燃焼器4内の自己着火を保
証する補助手段が設けられなければならない。燃焼器4
内へ噴入されたガス燃料の確実な自己着火を保証するた
めに、この燃料に、比較的低い着火温度を有する別の燃
料が少量だけ添加される。この「補助燃料」としては例
えば燃料オイルが最適である。液体補助燃料は適当に噴
入すれば、いわば火縄としての役目を果たし、かつ第1
のタービン3から到来した部分膨張した熱ガス9の温度
が、目標とする最適な1000℃のレベルを下回った場
合でも、燃焼器4内での自己着火を可能ならしめる。自
己着火の保証のために燃料オイルを添加するこの措置
は、ガスターボ群が著しく減少した負荷で運転される場
合にはいつでも特別に取り入れられる。この措置はさら
に、燃焼器4が最小の軸方向長さを有することができる
ための決定的な役割を果たす。燃焼器4の短い全長、火
炎安定化のための渦発生エレメントの作用及び自己着火
の継続的な確実性は、迅速な燃焼と、熱い火炎フロント
の領域内での燃料の最小の滞留時間とを得るための要因
である。このことから結果する燃焼技術的に測定可能な
直接的な作用は、NOx放出がもはや問題を残さないほ
どに削減されることである。この前提条件はさらに、燃
焼の場所を規定することを可能にし、このことにより、
この燃焼器4の構造体を最適に冷却することができる。
燃焼器4内で生成された熱ガス10は次いで下流の第2
のタービン5に供給される。ガスターボ群の熱力学的な
特性値は、第2のタービン5から到来した排ガスが、排
熱蒸気発生器15により代表される蒸気発生段II及び
蒸気循環路IIIを運転することができるような熱的な
ポテンシャルを有するように設計されることができる。
環状燃焼器として形成された第1の燃焼器2についてす
でに説明したように、この燃焼器は実際上ガスターボ群
のロータ長さになんら影響を及ぼさないようなジオメト
リで配置される。さらに、第1のタービン3の流出平面
と第2のタービン5の向流平面との間に延びる第2の燃
焼器4は最小の長さを有するように決定されることがで
きる。第1のタービン3内での熱ガスの膨張が上述の理
由でわずかな数の回転羽根列を介して行われるので、ガ
スターボ群のロータ軸39がその短い長さに基づき技術
的に2つの軸受で充分支持可能となるようにガスターボ
群を構成することができる。流体機械の出力引き渡し
は、圧縮機側に連結された、起動モータとしても役立つ
ことのできる発電機14を介して行われる。第2のター
ビン5内での膨張後でも依然として高い熱量的なポテン
シャルを有する排ガス11は排熱蒸気発生器15内へ流
入し、この排熱蒸気発生器内で熱交換法により蒸気が生
成される。この蒸気は下流に接続された蒸気循環路の作
動媒体を形成する。熱量的に利用し尽くされた排ガスは
次いで煙道ガス38として大気中に放出される。
発生器15内へ達した排ガス11がほぼ620℃の温度
を有すると仮定した場合(この排熱蒸気発生器の機能に
ついては後で説明する。その際、良好な理解のために搬
送ポンプ23により搬送されて排熱蒸気発生器15内へ
流入する供給水34の経路についても説明する)、熱伝
達のために20℃の最小の温度ジャンプが存在するとい
う条件では、この排ガスは200℃までしか効果的に冷
却されない。この欠点を排除すべく、ポイントAとポイ
ントBとの間、要するに排熱蒸気発生器15内への供給
水の入口と、エコノマイザ段要するに低温範囲の熱交換
段15aの領域内での処理の終りのところの分流点との
間では、排ガスの冷却度(図2の符号11/38参照)
がポイントHの直前、要するに分流点Bの直前において
合成曲線(resultat)として屈曲して100℃
に達するように、供給水34の量が例えば180%に増
大される。この場合、供給水量のパーセントは、排ガス
11により提供されるエネルギに依存した定格水量を1
00%として表されている。
度を有する供給水はポイントAにおいて排熱蒸気発生器
15内へ導入され、この排熱蒸気発生器内で熱量的に高
められてほぼ540℃の蒸気にされる。エコノマイザ1
5a内でほぼ300℃に過熱された供給水はポイントB
のところで2つの部分流に分割される。一方の、この場
合大きい方の100%の部分流は、続いて設けられた管
群15b内で熱的に高められて超臨界的な高圧蒸気27
にされる。これにより、上記管群15bの作用距離を表
す、ポイントGとHとの間で熱エネルギの大部分が排ガ
ス11から奪われる。この蒸気27は高圧蒸気タービン
16内での第1回目の膨張の後に蒸気28となって、排
熱蒸気発生器15内の別の管群15cの作用距離を表
す、ポイントDとホイントEとの間で排ガスの残りのエ
ネルギで中間過熱されて、中間圧力蒸気29として中間
圧蒸気タービン17に供給される。次いで、中間圧蒸気
タービン17から到来した排出蒸気30の残りの膨張
が、別の発電機19に連結された低圧蒸気タービン18
内で行われる。軸39への連結により出力を発電機14
にも伝達することも可能である。
ントBの領域内で分流されて、絞り機構25を介して膨
張チェスト26に供給される。この膨張チェストの圧力
レベルは150〜200℃の飽和蒸気圧に相応してい
る。この膨張チェスト内で発生した蒸気37は中間圧蒸
気タービン17に適当箇所で供給される。蒸発のための
熱伝達媒体としてのみ役立つ依然として熱い残りの水3
6は別の調節機構24を介して供給水容器および脱ガス
器22内へ誘導され、その内部で復水を予熱する他に別
の蒸気33を生成する。この蒸気が低圧蒸気タービン1
8へ適当箇所で供給される。
に膨張した蒸気31a,31bは水冷式又は空冷式の復
水器20内で復水される。この復水器20の下流で作動
する復水ポンプ21により、復水32はすでに説明した
供給水容器および脱ガス器22内へ搬送され、ここから
さらに、すでに説明した回路に改めて供給される。
の良好なエネルギ利用のために、エネルギ利用は2つよ
り多い段内で行われる。
気発生器15内に、別個の蒸気発生装置を組み込むこと
ができるのは勿論である。その場合、その蒸気は蒸気循
環路III内に案内されるか、又は別個の膨張機械内で
仕事に変換させられる。さらにまた、排ガスの1つの部
分流が分割されて、別個の排熱ボイラで利用されること
ができる。この場合には、水の代わりに有利にはアンモ
ニア・水混合物が使用される。さらにまた、別の流体、
例えばフロン、プロパンなどを使用することも可能であ
る。タービンから到来する排ガスを低いレベルまでさら
に良好に利用するために、詳細には図示されていない付
加燃焼装置を排熱蒸気発生器内に設け、その入口におけ
る温度レベルを増大させることができる。しかし、この
手段は達成可能な効率に関してなんらの改善をもたらさ
ない。
蒸気タービンプロセスの供給水予熱及び蒸気発生並びに
蒸気中間過熱の経緯と、図1ですでに説明したポイント
とを示すグラフである。後で掲載する符号リストに、図
2のそれぞれの符号が詳細に再度記載されている。この
グラフの掲載事項に関連している図1の実施例に対して
補完的に、次ぎのことを補足しておく。供給水はポイン
トAのところで例えば300バール60℃で導入され、
かつポイントFまでにガスタービン排熱により540℃
の蒸気に再過熱される。高圧蒸気タービン内の300℃
までの温度で行われる第1の膨張段の後に、ポイントD
からポイントEまでの中間過熱がやはり540℃まで行
われる。太い実線40は熱吸収と温度との合成された曲
線を示す。最後のタービンから到来した排ガスが620
℃の温度を有することを前提とすれば、熱遷移のために
20℃の最小の温度ジャンプを条件にして、この排ガス
はポイントJまで、図示の例では200℃にまでしか有
効に冷却されない。この欠点を排除するために、ポイン
トAとBとの間で、供給水量が例えば180%まで高め
られる。この結果、排ガスの冷却曲線11/38はポイ
ントHのところで屈曲して合成曲線41で示すように経
緯してポイントIに、要するに100℃に達する。この
付加的な供給水量はポイントBで受け取られて、図1か
ら判るように、発生した蒸気が蒸気タービンの中間圧力
部分と低圧力部分とに供給されることができるように蒸
発段列(図1参照)に供給される。その他のポイントも
同様に図1の記載から明らかである。
を示す図である。
る。
気循環路、 1 圧縮機、 2 第1の燃焼器、 3
第1のタービン、 4 第2の燃焼器、 5第2のター
ビン、 6 吸込空気、 7 圧縮空気、 8 熱ガ
ス、 9 部分膨張した熱ガス、 10 熱ガス、 1
1 排ガス、 12,13 燃料、 14 発電機、
15 排熱蒸気発生器、 15a 低温度範囲内での熱
交換段(エコノマイザ)、 15b 超臨界的な高圧蒸
気のための管群、 15c 中間過熱された中間圧力蒸
気のための管群、 16 高圧蒸気タービン、 17
中間圧蒸気タービン、 18 低圧蒸気タービン、 1
9 発電機、 20 復水器、 21 復水ポンプ、
22 脱ガス器、 23 搬送ポンプ、 24,25
調節機構、 26 蒸発チェスト、 27 超臨界的な
高圧蒸気、 28高圧蒸気タービンから到来した膨張し
た蒸気、 29 中間過熱された中間圧力蒸気、 30
中間圧蒸気タービンから低圧蒸気タービンへの排出蒸
気、 31a,31b 低圧蒸気タービンから到来する
膨張した蒸気、 32 復水、 33 脱ガス器から低
圧蒸気タービンへの蒸気、 34 供給水、 35 液
量の小さい方の分流、 36 蒸発チェストから脱ガス
器への残りの熱水、 37蒸発チェストから到来した蒸
気、 38 煙道ガス、 39 ロータ軸、 40超臨
界的な蒸気発生曲線、 41 合成曲線、 11/38
冷却曲線 A脱ガス器の後で供給水を供給するポイン
ト、 B 蒸発チェストへの圧力水の取出しポイント、
B−C B−F+D−Eの和;過熱及び中間過熱が行
われる区間、 D−E 中間過熱された中間圧力蒸気の
ための管群内での中間過熱が行われる区間、 F 超臨
界的な高圧蒸気のポイント、 G 排熱蒸気発生器内へ
の蒸気の入口を示すポイント、 H 取出しポイントB
における煙道ガス温度、I 排熱蒸気発生器から到来し
た排ガスの出口(煙道ガス)、J 取出しポイントBで
の取出しのない場合に予想される煙道ガス値、 A−B
一般には100%、実施例では180%水量の区間、
B−F 100%水量の区間
Claims (6)
- 【請求項1】 主としてガスターボ群と、該ガスターボ
群の下流に接続された排熱蒸気発生器と、さらに該排熱
蒸気発生器の下流に接続された蒸気循環路とから構成さ
れ、しかもガスターボ群が少なくとも1つの圧縮機ユニ
ットと、少なくとも1つの燃焼器と、少なくとも1つの
タービンと、少なくとも1つの発電機とから成り、さら
に、最後のタービンから到来した排ガスが排熱蒸気発生
器を通流し、この排熱蒸気発生器内で少なくとも、蒸気
循環路の少なくとも1つの蒸気タービンを運転するため
の蒸気が発生させられる形式の発電プラントを運転する
方法において、排熱蒸気発生器(15)の下方の温度範
囲内で作動する熱交換段(15a)内で100%を越え
て高められた液量を循環せしめ、この液量の100%を
越えた部分をこの熱交換段(15a)の端部のところで
分流させて、少なくとも1つの圧力段(26)内で蒸発
させ、この圧力段内で発生した蒸気(37)を蒸気ター
ビン(17)に適合箇所で供給し、この圧力段(26)
から到来した依然として熱い液量(36)を供給水容器
および脱ガス器(22)に供給し、該脱ガス器で発生し
た蒸気(33)を別の蒸気タービン(18)に適合箇所
で供給することを特徴とする、発電プラントの運転法。 - 【請求項2】 ガスターボ群(I)をシーケンシャル燃
焼で運転する、請求項1記載の運転法。 - 【請求項3】 熱交換段(15a)の直後に続く別の熱
交換段(15b)内の100%の液量を処理して超臨界
蒸気(27)を形成し、この超臨界蒸気を別の蒸気ター
ビン(16)へ供給し、この蒸気タービン(16)内で
膨張した蒸気(28)を排熱蒸気発生器(15)内へ戻
し案内し、これにより、この蒸気をさらに別の熱交換段
(15c)内で処理して中間過熱蒸気(29)と成し、
次いでこの中間過熱蒸気を、さらに下流に接続された蒸
気タービン(17)の適当な圧力段に供給する、請求項
1記載の運転法。 - 【請求項4】 供給水容器および脱ガス器(22)を蒸
気循環路(III)の単独の蒸発段として運転する、請
求項1記載の運転法。 - 【請求項5】 液量の100%を越えた部分を、別個の
熱交換エレメント内で下方の温度範囲内の熱交換段(1
5a)に対して並列及び/又は直列に案内する、請求項
1記載の運転法。 - 【請求項6】 液量の100%を越えた部分を、蒸気循
環路(III)内で膨張する流体から分離し、熱交換に
より生じたその熱エネルギを、別個の作動機械内で利用
する、請求項5記載の運転法。
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