DE10008721A1 - Gas- und Dampfturbinenantrieb für ein Schiff - Google Patents

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.