DE10008721A1 - Gas- und Dampfturbinenantrieb für ein Schiff - Google Patents
Gas- und Dampfturbinenantrieb für ein SchiffInfo
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Abstract
Betriebsverfahren eines Schiffs-Gas- und Dampfturbinenantriebs, insbesondere für in allen Fahrtgebieten einsetzbare Kreuzfahrtschiffe, mit zumindest einer Gasturbine und einer Dampfturbine, wobei der Dampf für die Dampfturbine und weitere Verbraucher in zumindest einem, vorzugsweise zwei, Abhitzekesseln der vorzugsweise zwei Gasturbinen erzeugt wird, wobei die Gasturbinen (2, 3, 10, 11) und die Dampfturbine (1, 12) aufeinander abgestimmt verbrauchsoptimiert werden, und wobei die Abhitzekessel (4, 5, 13, 14) abhängig vom Leistungsbedarf der Dampfturbine (1, 12) und der weiteren Verbraucher mit variabler Dampferzeugung betrieben werden.
Description
Die Erfindung betrifft ein Betriebsverfahren eines Schiffs-
Gas- und Dampfturbinenantriebs, insbesondere für in allen
Fahrtgebieten einsetzbare Kreuzfahrtschiffe, mit zumindest
einer Gasturbine und einer Dampfturbine, wobei der Dampf für
die Dampfturbine und weitere Verbraucher in zumindest einem,
vorzugsweise zwei, Abhitzekesseln der vorzugsweise zwei Gas
turbinen erzeugt wird sowie eine entsprechende Gas- und
Dampfturbinenanlage.
Bei Schiffen mit Dampfturbinenantrieb ist es bekannt, Gastur
binen als Booster einzusetzen, z. B. bei Kriegsschiffen, um
die an die Propellerwellen abgegebene Antriebsleistung im Be
darfsfall schnell und erheblich zu erhöhen. Bei der Handels
schifffahrt werden derartige Antriebe jedoch nicht einge
setzt, da ihr Brennstoffverbrauch hoch ist.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Betriebsverfahren eines
Schiffs-Gas- und Dampfturbinenantriebs und eine entsprechende
Gas- und Dampfturbinenanlage anzugeben, bei der der Nachteil
des hohen Energieverbrauchs vermieden wird und bei dem insbe
sondere den Anforderungen für den Bordbetrieb eines Kreuz
fahrtschiffes Rechnung getragen wird. Darüber hinaus soll
sich eine Installation des Antriebs mit besonders geringem
Raumbedarf ermöglichen lassen und die Antriebsanlage soll
vibrationsarm laufen.
Ein geringer Raumbedarf erhöht die Zahl der an Bord eines
Kreuzfahrtschiffes installierbaren Kabinen und die Vibra
tionsarmut lässt einen höheren Anteil von teuren Kabinen zu.
Der Komfort der an Bord des Kreuzfahrtschiffes vorhandenen
Kabinen nimmt dabei verglichen mit einem Dieselantrieb insge
samt zu, da der Komfort nach Größe, Lage und Vibrationsarmut
bemessen wird.
Die Aufgabe der Erfindung wird insbesondere dadurch gelöst,
dass die Gasturbine und die Dampfturbine aufeinander abge
stimmt verbrauchsoptimiert werden, wobei die Abhitzekessel,
abhängig vom Leistungsbedarf der Dampfturbine und der weite
ren Verbraucher mit variabler Dampferzeugung betrieben wer
den. So ergibt sich eine Anlage, die der Hauptaufgabe in bis
her unerreicht günstiger Weise nachkommen kann. Sie ist ver
brauchsoptimiert betreibbar und dies in sehr weiten Grenzen.
In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die
Dampferzeugung in den Abhitzekesseln zwischen der Höchst
dampfmenge und der Dampfmenge Null eingestellt wird. So ist
es insbesondere möglich, dass beim Vorhandensein von zwei
Gasturbinen eine Gasturbine im günstigsten Leistungspunkt ge
fahren wird und die andere Gasturbine nach Bedarf bis zu ei
nem Standby-Betrieb heruntergefahren werden kann, so dass die
Gasturbinenleistung der Bedarfsanforderung verbrauchsgünstig
optimal anpassbar ist.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
beim Vorhandensein von zwei Gasturbinen, deren Abhitzekessel
als Dampferzeuger für nur eine Dampfturbine, mit variabler,
jeweils unterschiedlich großer, Durchsatzmenge betrieben wer
den. So wird das bisherige Prinzip, dass jeder Gasturbine
eine Dampfturbine nachgeschaltet wird, verlassen. Der Platz
bedarf der Gesamtanlage sinkt und der Wirkungsgrad der größer
ausführbaren Dampfturbine steigt. Gleichwohl kann die Anlage
so gefahren werden, als Weise jede Gasturbine eine Dampftur
bine auf, mit der sie im Verbund arbeitet.
Es ist dabei vorgesehen, dass bei geringem Leistungsbedarf
des Schiffsantriebs, z. B. in Hafennähe, eine Gasturbine im
schnellstartfähigen Nullleistungs(Standby)-Betrieb gefahren
wird. Dabei ist vorgesehen, dass diese Gasturbine im Null
leistungs(Standby)-Betrieb derart betrieben wird, dass ein
Hochfahren auf volle Leistung in maximal 1 min. erfolgen
kann. So ergibt sich bei Einhaltung der Sicherheitsanforderungen
an den Schiffsbetrieb - wie er von den Klassifika
tionsgesellschaften gefordert wird - ein Betrieb der Anlage,
der der jeweiligen Leistungsanforderung in besonders günsti
ger Weise Rechnung trägt. In Küstennähe, beim Anfahren eines
Hafens und auch im Hafenbetrieb muss mit geringerer Geschwin
digkeit gefahren werden, als bei den freien Seestrecken zwi
schen den einzelnen Zielen eines Schiffes. Der dann geringe
ren Leistungsanforderung trägt das erfindungsgemäße Betriebs
verfahren in besonders günstiger Weise unter Einhaltung aller
Sicherheitsaspekte Rechnung.
Bei der Verwendung eines elektrischen Ruderpropellerantriebs,
der durch die mit den Gasturbinen und der Dampfturbine ver
bundenen Generatoren gespeist wird, ist beim Ansteuern von
Häfen und bei Hafenmanövern keine Schlepperassistenz mehr nö
tig. Der Leistungsbedarf eines selbstanlegenden Schiffes kann
dann in weiten Grenzen schwanken. Diesen plötzlichen Leis
tungsanforderungen kann durch die Erfindung entsprochen wer
den. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens
machen sich also in Verbindung mit einem elektrischen Ruder
propeller besonders bemerkbar. Eine erfindungsgemäße Gas- und
Dampfturbinenanlage ergibt also für ein Schiff in Verbindung
mit einer elektrischen Ruderpropelleranlage ein besonders
vorteilhaftes, betriebskostensparendes Arbeiten.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Schiffs-Gas- und
Dampfturbinenbetriebsverfahrens ist ein Schiffs-Gas- und
Dampfturbinenantrieb vorgesehen, insbesondere für in allen
Fahrtgebieten einsetzbare Kreuzfahrtschiffe, der zumindest
eine Gas- und eine Dampfturbine aufweist, wobei zur Dampfer
zeugung zumindest ein Abhitzekessel für Gasturbinenabgase
vorhanden ist, der derart ausgebildet ist, dass er zwischen
der Dampf-Höchstmenge und der Dampfmenge Null betreibbar ist.
So ergibt sich die erfindungsgemäße, vorteilhafte Flexibili
tät der Dampferzeugung bei einer unbeschränkten, vorteilhaft
schnellen Leistungsregelung der Gasturbine.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
der Schiffs-Gas- und Dampfturbinenantrieb bei Ausbildung mit
zwei Gasturbinen zumindest eine Gasturbine aufweist, die im
Nullleistungs(Standby)-Betrieb in Hafennähe o. ä. in maximal
1 min. auf volle Leistung hochfahrbar ausgebildet ist. So ist
die Einhaltung der von den Klassifikationsgesellschaften ge
forderten Sicherheitsanforderungen gewährleistet.
Es ist weiterhin vorgesehen, dass der erfindungsgemäße An
trieb variabel Zusatzdampf erzeugend ausgebildet ist, wobei
aus dem Zusatzdampf über ein Dampfbordnetz, z. B. die Trink
wasseraufbereitungsanlage, die Klimaanlage, die Heizungsan
lage, etc. mit Dampf versorgbar ist. Insbesondere ein Kreuz
fahrtschiff hat einen erheblichen Bedarf an Dampf und so ist
eine kostengünstige Dampferzeugung zur Deckung des Dampfbe
darfs an Bord möglich.
Es ist dabei vorgesehen, dass das Schiff einen zusätzlichen
Dampferzeuger mit Befeuerung durch Brenner aufweist, aus dem
Dampf in das Dampfbordnetz einspeisbar ist. So ist gewähr
leistet, dass auch während Hafenliegezeiten, etc. der Dampf
bedarf an Bord gedeckt werden kann.
Als Gasturbinen werden besonders vorteilhaft für stationären
Betrieb modifizierte Flugzeugturbinen eingesetzt, so ist eine
kostengünstige Ausbildung des Antriebs bei geringem Raumbe
darf möglich. Flugzeugturbinen sind kompakte, langzeiterprob
te Aggregate. Sie weisen eine hohe Lebensdauer auf und sind
für automatisierten Betrieb eingerichtet. Für die erfindungs
gemäßen Zwecke stellen sie daher eine optimale Lösung dar.
Es ist weiterhin vorgesehen, dass der Antrieb als Dampfturbi
ne eine Gegendruckturbine aufweist. So kann das Dampfbordnetz
besonders günstig ausgestaltet werden.
In weiterer Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der
erfindungsgemäße Antrieb ein Leitsystem aufweist, das als automatisch
arbeitendes Leitsystem ausgebildet ist. Insbesonde
re soll es so ausgebildet sein, dass es einen automatisier
ten, mannlosen Betrieb mit Zustandsanzeigen und Kontrollen
auf der Brücke des Schiffes erlaubt. So ergibt sich ein be
sonders geringer Personalbedarf für den Betrieb des erfin
dungsgemäßen Antriebs, der vorteilhaft die Betriebskosten ei
nes Schiffes senkt. So wird in besonders vorteilhafter Weise
von der guten Automatisierbarkeit von Gas- und Dampfturbinen
sowie der ihnen zugeordneten Generatoren und dem bis zum
"trockenen" Zustand fahrbaren Abhitzekessel Gebrauch gemacht.
Zur Erhöhung der Betriebssicherheit des erfindungsgemäßen An
triebs ist vorgesehen, dass er ein Zustandsmelde- und Analy
sesystem aufweist, insbesondere ein über Satellitenfunk ar
beitendes Zustandsmelde- und Analysesystem, das Signale an
eine stationäre Station überträgt. So ist vorteilhaft jeder
zeit eine fachmännische Überwachung und Kontrolle des automa
tischen Betriebs des Antriebs möglich. Eigentliches Maschi
nenpersonal ist nicht mehr notwendig. Das Schiff benötigt nur
noch Personal für die Wartung und Reparatur der allgemeinen
Bordtechnik. Die stationäre Station kann anhand der übertra
genen Daten erkennen, wann fachmännisch geschultes Personal
für die Gas- und Dampfturbinen, für den Abhitzekessel, die
Brenner, etc. notwendig ist. Dieses kann dann fallweise zur
Verfügung gestellt werden und braucht nicht ständig an Bord
vorhanden zu sein. So ist eine weitere Senkung der Betriebs
kosten eines Schiffes möglich.
Die Erfindung wird anhand von Abbildungen, aus denen ebenso
wie aus den Unteransprüchen, weitere erfinderische Einzelhei
ten entnehmbar sind, näher erläutert.
Im einzelnen zeigen:
Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Anlage,
Fig. 2 die erfindungsgemäße Anlage mit den Hauptkomponenten
des Dampf-Bordnetzes,
Fig. 3 einen Abhitzekessel mit Wasserbehältern und waagerech
tem Gasdurchtritt,
Fig. 4 einen Abhitzekessel ohne Wasserbehälter mit senkrech
tem Gasdurchtritt,
Fig. 5 eine modifizierte Flugzeuggasturbine in erfindungs
gemäßer Verwendungsform,
Fig. 6 ein Start-Leistungsdiagramm der Gasturbinen und
Fig. 7 das Automatisierungskonzept der Gasturbinen.
In Fig. 1 bezeichnet 1 eine Dampfturbine, insbesondere eine
Gegendruckturbine, und 2 und 3 Gasturbinen. Mit 4 und 5 sind
den Gasturbinen 2 und 3 nachgeschaltete Wärmetauscher in Form
von Abhitzekesseln bezeichnet, in denen Dampf für die Dampf
turbine 1 erzeugt wird. Der Dampfturbine 1 ist ein Wärmetau
scher 6 nachgeschaltet, in dem Dampf für ein Dampfbordnetz
erzeugt werden kann. 7, 8 und 9 schließlich bezeichnen die
Generatoren, die vorteilhaft ein Mittelspannungsnetz mit
elektrischer Energie versorgen. Aus dem Mittelspannungsnetz
wird der elektrische Antrieb des Schiffes mit Energie ver
sorgt, z. B. zwei oder drei elektrische Ruderpropeller, die
dem Schiff eine bisher unerreichte Wendigkeit sowie einen
kurzen Stoppweg verleihen.
In Fig. 2 bezeichnen 10 und 11 die Gasturbinen und 12 die
Dampfturbine. Mit 13 und 14 sind die Abhitzekessel der Gas
turbinen bezeichnet und 15 bezeichnet einen unabhängigen
Dampferzeuger, z. B. für Hafenliegezeiten oder zur Erzeugung
von zusätzlichem Dampf, wenn der Antrieb längere Zeit mit ge
ringer Leistung betrieben wird, z. B. bei Fjordfahrten. 16 be
zeichnet den Wärmetauscher für das Dampfbordnetz, das teil
weise als unabhängiges Netz 18 für einen Teil der Bordver
braucher 19 ausgebildet ist. 17 bezeichnet den Kondensator
und 20 Bordverbraucher, die direkt an die Abdampfleitung der
Dampfturbine angeschlossen sind. Die einzelnen Verbraucher
sind mit ihren international gebräuchlichen englischen Be
zeichnungen versehen. Das gleiche gilt für die Hilfsaggre
gate, Stellglieder, etc.
In Fig. 3 bezeichnet 21 einen oberen Wasserkessel und 22 einen
unteren Wasserkessel in einem konventionell ausgeführten Wär
metauscher. Ein solcher ist natürlich auch einsetzbar, die
weiten Regelgrenzen des erfindungsgemäß verwendeten Wärmetau
schers sind hiermit aber nicht erreichbar. 23 bezeichnen die
Dampfleitungen im Abgaswärmetauscher. Der Abgasstrom ist
durch Pfeile angedeutet. Diese Ausführung ist eine herkömm
liche Ausführung und wie sich aus der Zeichnung ergibt, weist
sie einen größeren Platzbedarf als die in Fig. 4 gezeigte so
genannte "Trockenkessel"-Ausführung mit den wasserdurchström
ten Rohren 24 auf. Diese Ausführung, bei der die Dampferzeu
gung zwischen Null und der Höchstmenge regulierbar ist, ist
derart ausgestaltet, dass die wasserführenden Rohre trocken
gefahren werden können, ohne dass der Abgasstrom der Gastur
bine entsprechend heruntergefahren werden muss. In Bezug auf
den Platzbedarf und die Regelbarkeit ist diese Ausführung be
sonders vorteilhaft und erfindungsgemäß besonders geeignet.
Sie erfordert eine besondere Ausgestaltung bezüglich des Ma
terials und der Konstruktion.
In Fig. 5 bezeichnet 26 den Flansch, an dem die Generatorwelle
angeflanscht wird. 27 den Lufteintritt der Gasturbine und 28
die Abgasleitungen. Insbesondere die Abgasleitungen sind mit
Schalldämpfern versehen, diese werden vorteilhaft zwischen
der Gasturbine und dem Abgaswärmetauscher angeordnet. Eine
derartige Turbine arbeitet ebenso wie eine Dampfturbine deut
lich vibrationsärmer als jeder Dieselmotor, so dass das
Schiff insgesamt wesentlich vibrationsärmer betrieben werden
kann. Dies ist ein insbesondere für Kreuzfahrtschiffe erheb
licher Vorteil. Dazu kommt der geringe Platzbedarf derartiger
Aggregate, so dass die Zahl der Kabinen und insbesondere der
Komfortkabinen auf einem Kreuzfahrtschiff nicht unerheblich
erhöht werden kann. Dabei kann durch die Kombination von Gas-
und Dampfturbine ein einem Dieselmotor durchaus vergleichba
rer Gesamtwirkungsgrad erreicht werden.
Fig. 6 zeigt typische Leistungs-/Zeitdiagramme der verwendeten
erfindungsgemäßen Gasturbinen. Wie es sich zeigt, kann eine
derartige Gasturbine z. B. auf einem Leistungsniveau betrieben
werden, wie es einer Startzeit von 8 min. entspricht. Dann
ist ein Hochfahren der Turbine innerhalb von 1 min. möglich,
so dass den Sicherheitsanforderungen beim Annähern an eine
Küste, beim Einfahren in einen Hafen, etc. Rechnung getragen
werden kann.
In Fig. 7 entsprechen die Bezeichnungen und die verwendeten
Symbole für die einzelnen Komponenten den üblichen Angaben in
Kontrollsystemen. Wie sich ergibt, handelt es sich um ein
Gasturbinen-Kontrollsystem, das einen vollautomatischen Be
trieb erlaubt. Zusammen mit einer Kontrolle auf der Brücke
können die Gasturbinen ebenso wie die Dampfturbine und die
Wärmetauscher, die Brenner, etc. vollautomatisch gefahren
werden. Dabei ist eine Fernkontrolle ebenso möglich wie eine
Kontrolle z. B. auf einem Monitor auf der Brücke.
Claims (15)
1. Betriebsverfahren eines Schiffs-Gas- und Dampfturbinenan
triebs, insbesondere für in allen Fahrtgebieten einsetzbare
Kreuzfahrtschiffe, mit zumindest einer Gasturbine und einer
Dampfturbine, wobei der Dampf für die Dampfturbine und weite
re Verbraucher in zumindest einem, vorzugsweise zwei, Abhit
zekesseln der vorzugsweise zwei Gasturbinen erzeugt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass die Gasturbinen
(2, 3, 10, 11) und die Dampfturbine (1, 12) aufeinander abge
stimmt verbrauchsoptimiert werden, wobei die Abhitzekessel
(4, 5, 13, 14) abhängig vom Leistungsbedarf der Dampfturbine
(1, 12) und der weiteren Verbraucher mit variabler Dampferzeu
gung betrieben werden.
2. Betriebsverfahren nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, dass die Dampferzeugung in den Abhitze
kesseln (4, 5, 13, 14) zwischen der Höchstdampfmenge und der
Dampfmenge Null eingestellt wird.
3. Betriebsverfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass beim Vorhandensein
von zwei Gasturbinen (2, 3, 10, 11), deren Abhitzekessel als
Dampferzeuger für nur eine Dampfturbine, mit variabler, je
weils unterschiedlich großer Durchsatzmenge betrieben werden.
4. Betriebsverfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass bei geringem Lei
stungsbedarf des Schiffsantriebs, z. B. in Hafennähe, eine
Gasturbine im schnellstartfähigen Nullleistungs(Standby)-
Betrieb gefahren wird.
5. Betriebsverfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass diese Gasturbine im
Nullleistungs(Standby)-Betrieb derart betrieben wird, dass
ein Hochfahren auf volle Leistung in maximal einer Minute
erfolgen kann.
6. Schiffs-Gas- und Dampfturbinenantrieb, insbesondere für in
allen Fahrtgebieten einsetzbare Kreuzfahrtschiffe, vorzugs
weise zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehre
ren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, dass er zumindest eine Gas- (2, 3, 10, 11) und
eine Dampfturbine (1, 12) aufweist, wobei zur Dampferzeugung
zumindest ein Abhitzekessel (4, 5, 14) für Gasturbinenabgase
vorhanden ist, der derart ausgebildet ist, dass er zwischen
der Dampf-Höchstmenge und der Dampfmenge Null betreibbar ist.
7. Schiffs-Gas- und Dampfturbinenantrieb nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass er bei der Ausbil
dung mit zwei Gasturbinen (2, 3, 10, 11) zumindest eine Gastur
bine aufweist, die im Nullleistungs(Standby)-Betrieb in Ha
fennähe o. ä. in maximal einer Minute auf volle Leistung hoch
fahrbar ausgebildet ist.
8. Schiffs-Gas- und Dampfturbinenantrieb nach Anspruch 6 oder
7, dadurch gekennzeichnet, dass er variabel
Dampf für den Bordverbrauch erzeugend ausgebildet ist, wobei
aus dem Zusatzdampf über ein Dampfbordnetz (18), z. B. die
Trinkwasseraufbereitungsanlage, die Klimaanlage, die Hei
zungsanlage, etc. mit Dampf versorgbar ist.
9. Schiffs-Gas- und Dampfturbinenantrieb nach einem der An
sprüche 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet,
dass er einen zusätzlichen Dampferzeuger (15) mit Befeuerung
durch Brenner aufweist, aus dem Dampf in das Dampf-Bordnetz
(18) einspeisbar ist.
10. Schiffs-Gas- und Dampfturbinenantrieb nach einem oder
mehreren der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekenn
zeichnet, dass er als Gasturbinen (2, 3, 10, 11) für sta
tionären Betrieb modifizierte Flugzeugturbinen aufweist.
11. Schiffs-Gas- und Dampfturbinenantrieb nach einem oder
mehreren der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet,
dass er als Dampfturbine (1, 12) eine Gegen
druckturbine aufweist.
12. Schiffs-Gas- und Dampfturbinenantrieb, insbesondere für
Kreuzfahrtschiffe, vorzugsweise nach einem oder mehreren der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, dass er ein Leitsystem aufweist, das als automatisch
arbeitendes Leitsystem ausgebildet ist.
13. Schiffs-Gas- und Dampfturbinenantrieb nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, dass er für einen auto
matisierten mannlosen Betrieb mit Zustandsanzeigen und Kon
trollen auf der Brücke des Schiffes ausgebildet ist.
14. Schiffs-Gas- und Dampfturbinenantrieb nach Anspruch 12
oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass er eine
Zustands-melde- und Analysesystem aufweist, insbesondere ein
über Satellitenfunk arbeitendes Zustands-melde- und Analyse
system, das Signale an eine stationäre Station überträgt.
15. Schiffs-Gas- und Dampfturbinenantrieb nach einem oder
mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, dass er Energie für ein Schiff mit zu
mindest einem elektrischen Ruderpropeller erzeugt.
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