DE2148326B2

DE2148326B2 - Verfahren und vorrichtung zum fuellen und entleeren von sauerstoffarmem schutzgas in bzw. aus schiffsraeume(n)

Info

Publication number: DE2148326B2
Application number: DE19712148326
Authority: DE
Inventors: Thorbjörn Kongsberg Westrum (Norwegen)
Original assignee: Kongsberg Vapenfabrikk AS
Current assignee: Kongsberg Gruppen ASA
Priority date: 1970-10-03
Filing date: 1971-09-28
Publication date: 1976-12-09
Also published as: US3776164A; JPS5436398B1; DE2148326C3; SE377090B; NO127908B; SU618022A3; DE2148326A1; GB1302678A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß Ober-

begriff des Anspruchs 1 und des weiteren eine Vorrichtung zur Durchführung.

Aus »The Motor Ship«, März 1969, Seite 35 ist bereits die Verwendung von Abgasen nach entsprechender Zuführung zu Ladetanks bekannt. Hierzu

werden dem Schornstein des Schiffes Gase entnommen, die zu Schutzgas weiterverarbeitet werden. Bei den Abgasen handelt es sich um diejenigen der Antriebemaschine des Schiffes.

Des weiteren ist aus »Handbuch der Werften«, 1960, Band 6, Seiten 282 bis 304 die Verwendung von Gasturbinen als Antrieb z. B. für Generatoren auf Schiffen bekannt. Wegen des normalerweise hohen Luftüberschusses der Abgase von Gasturbinen ist es in dieser Verbindung bekannt, einen Nachbrenner zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit nachzuschalten, wodurch sich eine Verringerung des Luftüberschusses ergibt. Die dabei gewonnenen heißeren Abgase werden anschließend für andere Zwecke, z.B. zur Dampferzeugung usw. verwendet. Eine derartige Er-

höhung der Wirtschaftlichkeit ist zwar eine wichtige Voraussetzung für die wirtschaftliche Verwendbarkeit einer Gasturbine als Antriebsaggregat im Sinne eines Hauptmotors. Stellt die Gasturbine jedoch lediglich das Antriebsaggregat beispielsweise für eine Notstromversorgung dar, so besteht keinerlei Veranlassung für eine entsprechende Erhöhung der Wirtschaftlichkeit der Gasturbine, da in derartigen Verwendungsfällen die Betriebszeit der Gasturbine so kurz ist, daß nicht ihr Wirkungsgrad, sondern die Gestehungskosten der Gasturbinenanlage ausschlaggebend sind.

Schließlich ist es im übrigen auch bereits bekannt, den Gasinhalt von Schiffstanks zu steuern, damit die Gasmischung explosionssicher ist. Hierzu werden bereits Abgase der zur Dampferzeugung für die Dampfmaschine und/oder die Hilfsmaschinen des Schiffes dienenden Brenner in die Tanks bei der Entladung von Öl eingeführt. In vorteilhafter Weise ist dies zwar mit geringen Kosten und einem verhältnismäßig geringen Energiebedarf verbunden, jedoch schwankt der Sauerstoffgehalt der Abgase beträchtlich. Des weiteren ist eine Abhängigkeit vom Betrieb des Dampfkessels und dessen Betriebsbedingungen gegeben, so daß alle Teile der zugehörigen Einrichtung durch die in den Abgasen enthaltenen Verunreinigungen einer Korosionsgefahr ausgesetzt sind.

Schließlich ist auch bereits die Verwendung von separaten Gasgeneratoren, d.h. von Brennern, die für die Erzeugung eines sauerstoffarmen Schutzgases zur Verwendung in Schiffstanks besonders geeignet sind, entwickelt worden. Die Nachteile einer solchen Vorrichtung bestehen jedoch in ihren extrem hohen Kosten, ihrem sehr hohen Energiebedarf und ihrem

Kraftstoffverbrauch.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der Eingangs beschriebenen Gattung und eine zugehörige Vorrichtung zu schaffen, das bzw. die weder von Brennern für einen Dampfkessel abhängig ist, noch irgendein Gebläse zur Erzielung des notwendigen Druckes des Schutzgases benötigt, aber auch wesentlich billiger als eine Vorrichtung mit einem separaten Gasgenerator ist.

Das Schutzgas, das in erster Linie zur Erzielung der Explov.onssicherheit ihrer Tanks bestimmt ist, kann beispielsweise aber auch zum Löschen von Feuer in Maschinenräumen'verwendet werden.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens erfindungsgemäß durch die im Kennzeichenteil des An- ^5 spruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Die Erfindung geht von der Tatsache aus, daß auf Schiffen bereits Gasturbinen für eine Anzahl verschiedener anderweitiger Einsatzz^-ecke, mit Ausnahme des eigentlichen Schiffsantriebs vorhanden sind. Somit lassen sich die Kosten für das erfindungsgemäße Verfahren verhältnismäßig niedrig halten; denn die Kosten für die notwendige Gasturbine sind Kostender bereits vorhandenen Zusatzaggregate, wie beispielsweise Notstrom- bzw. Zusatzstromaggregat. ^a5 An sich steht der Verwendung einer Gasturbine im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens die Tatsache entgegen, daß Abgase von Gasturbinen in der Regel einen sehr hohen Sauerstoffgehalt von bis zu 16% besitzen. Bereits aus diesem Grunde scheidet an sich die Verwendung einer Gasturbine zur Erreichung des der Erfindung zugrunde liegenden Zieles aus, insbesondere, da andere abgasliefernde Einrichtungen bekannt sind, bei denen der Sauerstoffgehalt der Abgase geringer ist, beispielsweise Kolben-Verbrennungsmaschinen mit einem Sauerstoffgehalt von 8 bis 12%. Aber auch Abgase mit einem Sauerstoffgehalt in dieser Größenordnung eignen sich nicht als Schutzgas, dessen Sauerstoffgehalt 6% nicht überschreiten sollte. Die Erfindung geht daher von den Gedanken aus, daß eine Weiterverarbeitung der Abgase zur Erreichung der Schutzgase notwendig ist, und verwendet deshalb eine Gasturbine, weil sich deren Abgase gerade wegen des hohen Sauerstoffgehalts unter Zuhilfenahme eines Nachbrenners leicht zu Schutzgas weiterverarbeiten lassen.

Zweckmäßigere und vorteilhaftere Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind aus den Unteransprüchen 2 bis 4 zu ersehen.

Eine ebenfalls zweckmäßige und vorteilhafte Ausbildung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ihrerseits erfindungsgemäß durch die im Kennzeichenteil des Anspruchs 5 angegebenen Maßnahmen definiert.

Zugehörige Weiterbildungen der Vorrichtung sind aus den Unteransprüchen 6 und 7 zu ersehen.

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung unter Bezugnahme auf ein in der Zeichnung dargestelltes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung weiter ins einzelne gehend erläutert.

In der Zeichnung sind die zu einem üblichen, von einer Gasturbine getriebenen Hilfs- und/oder Notaggregat gehörigen Elemente innerhalb eines strichpunktierten Rahmens G angegeben. Diese Elemente bestehen aus der Gasturbine selbst, die in der Zeichnungin ihre drei Funktionseinheiten aufgeteilt ist, d.h. einen Kompressor 1, eine Verbrennungskammer 2 und eine Turbine 3. Mit 4 ist der Generator und mit S ein Öltank für den Betrieb der Gasturbine bezeichnet, wobei das Öl zur Verbrennungskammer 2 des Gastuibinenaggregats mittels einer Pumpe 6 geförde-t wird. Die Abgase der Gasturbine werden normalerweise in die Atmosphäre durch eine Abgasleitung 7 und ein Auslaßrohr 8 im Schiffsschornstein abgeführt.

Die erfindungsgemäße Schutzgasvorrichtung basiert auf dem Vorhandensein eines solchen Gasturbinenaggregats und ist mit diesem in der nachfolgend beschriebenen Weise verbunden:

Eine Abgasleitung 9 ist mit der Abgasleitung 7 verbunden. Die Verteilung der Abgase auf das Auslaßrohr 8 und die Abgasleitung 9 wird von einem in dem Auslaßrohr 8 angeordneten Ventil 10 in einer Weise gesteuert, die später weiter ins einzelne gehend beschrieben wird. Sofern die Schutzgasvorrichtung nicht in Betrieb steht, ist die Auslaßleitung 9 mittels eines Ventils 11 geschlossen.

Die Abgase werden von der Auslaßleitung 9 zu einem Nachbrenner 12 mit einer Kraftstoffdüse 13 geführt, die vom Kiaftstofftank 5 durch eine Leitung 14 hindurch mittels einer Pumpe 15 mit Kraftstoff versorgt wird. Die Kraftstoffmenge wird in einer später noch weiter ins einzelne gehenden Weise gesteuert.

Der Nachbrenner wird in erster Linie zur Verringerung des Sauerstoffgehalts der Abgase der Gasturbine benötigt. Solche typischen Abgase der Gasturbine können wie folgt zusammengesetzt sein:

CO₂
H₂O
SO₂

3,25 Volumprozent

2,32 Volumprozent

0,0056 Volumprozent

16,1 Volumprozent

77,8 Volumprozent

Hinter dem Nachbrenner können die Abgase dann wie folgt zusammengesetzt sein:
CO₂ - 15 Volumprozent
CO - 0,1 Volumprozent
H₂ - 0,1 Volumprozent

O₂ - etwa 1 Volumprozent

N₂ - 83,8 Volumprozent

Die Abgase werden hinter dem Nachbrenner 12 durch einen Kühler 16 hindurchgeführt, in welchem sie durch Besprühen mit Seewasser gekühlt werden, das durch eine Leitung 17 mittels einer Kühlwasserpumpe 18 herbeigeführt wird. Das Kühlwasser sammelt sich am Boden des Kühlers 16 und wird durch eine Leitung 19 in die See zurückgeführt.

Die gekühlten Gase werden durch einen Wasser-Separator 20 hindurchgeführt und weiter durch eine Auslaßleitung 21, die zu einem nicht dargestellten Verteilersystem führt.

Ein Druck-Meß- und -Anzeigegerät 22 mißt den Druck in der Auslaßleitung 21, und eine Rückkopplung 23, die das Drosselventil 10 in der Auslaßleitung 8 betätigt, steuert den Druck in der Auslaßleitung 21 zur Erhaltung eines konstanten Drucks bei einem gewünschten Wert, der beispielsweise bei etwa 1,15 atm (16,4 psia) liegen kann.

An die Auslaßleitung 21 ist weiterhin ein Sauerstoffanalysator 24 angeschlossen. Dieser Analysator betätigt ein Ventil 25 in einer Rückflußleitung 26 für den von der Pumpe 15 geförderten Kraftstoff. Wenn der Sauerstoffgehalt in der Auslaßleitung 21 zu hoch ist, wird der Kraftstofffluß durch das Ventil 25 weiter gedrosselt, wodurch mehr Kraftstoff dem Nachbren-

ner 12 durch die Kraftstoffdüse 13 zugeführt wird. Liegt dagegen der Sauerstoffgehalt in den Abgasen unterhalb einer bestimmten Grenze, muß dies als Anzeichen für eine unvollständige Verbrennung im Nachbrenner 12 und für einen möglicherweise zu hohen Kohlenmonoxydgehalt der Abgase gewertet werden. Der Durchfluß durch das Ventil 25 wird in diesem Fall gesteigert, so daß die Kraftstoffzuführung zu der Kraftstoffdüse 13 reduziert wird.

Der Sauerstoffanalysator 24 betätigt auch ein Ventil 27 in der Auslaßleitung 21 und ein Ventil 28 in einer Abzweig-Leitung 29, die von der Auslaßleitung 21 abzweigt und in der freien Atmosphäre mündet. Die Ventile 27 und 28 werden so gesteuert, daß die Abgase zu den Schiffsräumen durch das nicht dargestellte Verteilersystem hindurch zugeführt werden, und zwar nur dann, wenn der Sauerstoffgehalt innerhalb der vorbestimmten Grenzen liegt; wohingegen die Gase durch die Abzweig-Leitung 29 in die Atmosphäre geführt werden, wenn der Sauerstoffgehalt zu hoch oder zu niedrig ist, wobei ein niedriger Sauerstoffgehalt, wie bereits erwähnt, als ein Anzeichen eines zu hohen Kohlenmonoxydgehalts verstanden wird. Mit 34 ist ein Sicherheitsventil bezeichnet.

Wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet wird zur Entfernung des Schutzgases aus den Schiffsräumen mittels Frischluft mit dem erforderlichen Druck, wird das Ventil 11 geschlossen und werden der Nachbrenner 12 und die beschriebenen Steuereinrichtungen außer Betrieb gesetzt. Ein Teil der von der Kompressoreinheit 1 verdichteten Luft wird durch eine Leitung 30 abgezweigt. Dies hat selbstverständlich eine Reduzierung der Leistung der Gasturbine 3 zur Folge, und es muß erwartet werden, daß der Generator 4 während dieser Periode einer Last nicht unterworfen werden kann. Die verdichtete Luft wird von der Luft-Leitung 30 zu einem Ejektor 31 geführt, der den Druck der Luft reduziert und gleichzeitig zusätzlich Luft durch einen Lufteinlaß 32 anzieht. Von einem Gasturbinenaggregat mit der obenerwähnten Leistung können etwa 9000 Norm-m³ Luft/Stunde bei einem Druck von etwa 2,6 atm (37 psia) abgezapft werden. Eine entsprechende Luftmenge kann in den Ejektor eingezogen werden, so daß in der Luft-Leitung 33 vom Ejektor 31 dann etwa 1X000 Norm-m¹ Luft pro Stunde bei einem Druck von etwa 1,3 atm (18,5 psia) fließen. Die Temperatur

ίο der vom Kompressor abgezapften Luft beträgt etwa 170° C. Diese Temperatur wird im Ejektor gesenkt, teils wegen der Expansion und teils wegen der Mischung der durch den Lufteinlaß 32 eingezogenen Luft. Die Luft in der Leitung 33 wird deshalb eine Temperatur von etwa 100° C aufweisen. Zur weiteren Kühlung wird diese Luft in den Kühler 16 geführt und dann durch die Auslaßleitung 21 zu dem nicht dargestellten Verteilersystem für Frischluft.

Ein Gasturbinenaggregat mit der obenerwähnten Leistung wird etwa 31000 Norm-m³ Abgas pro Stunde erzeugen, und bei einem Druck in der Abgasleitung hinter der Turbine von 1,3 atm (18,5 psia) wird die Temperatur der Abgase etwa 550° C betragen. Die Abgastemperatur wird natürlich im Nachts bre nner weiter steigen; und bei Verwendung der Vorrichtung zur Lieferung von Schutzgas werden vergleichsweise große Kühlwassermengen (etwa 15000 m³ pro Stunde) in dem Kühler 16 benötigt. Wie oben bereits angegeben ist, kann die Pumpe 18 zur Umwälzung dieser Kühlwassermenge mit einer Eingangsleistungvon etwa 300 kW betrieben werden, die von dem Gasturbinenaggregat erbracht werden kann. Wenn das Aggregat Luft zur Entfernung des Schutzgases aus den Tanks liefert, wird nur eine wesentlich kleinere Kühlwassermenge benötigt, da in diesem Fall nur etwa 18 000 Norm-m³ Luft pro Stunde gekühlt werden müssen, von einer Temperatur von etwa 100° C.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Füllen und Entleeren von sauerstoffarmem Schutzgas in oder aus Schiffsräume(n), wobei in einer Verbrennungsvorrichtung Verbrennungsgase erzeugt werden, die gekühlt und gereinigt in die zu füllenden Räume eingespeist werden, dadurch gekennzeichnet, daß als Verbrennungsvorrichtung eine Hilfs-Gasturbinenanlage, die sonst anderen Zwecken dient, verwendet wird, und die Abgase mit einem Druck zu liefern vermag, der hinreichend hoch ist, sie einem Nachbrenner zur Verringerung ihres Sauerstoffgehalts und anschließend den gewünschten Räumen ohne die Zuhilfenahme von Gebläsen zuzuführen, und daß zum Entleeren des Schutzgases aus den Räumen verdichtete Luft aus der Kompressoreinheit der Hilfs-Gasturbinenanlage verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffzufuhr zum Nachbrenner in Abhängigkeit vom Sauerstoffgehalt der Gase stromab hinter dem Nachbrenner gesteuert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des gelieferten Schutzgases mittels eines Ventils in das Auslaßrohr von der Turbine zur Atmosphäre gesteuert wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die aus der Kompressoreinheit zum Entleeren der Räume entnommene Luft durch einen Ejektor hindurchgeführt wird, in dem der Druck reduziert und Umgebungsluft eingezogen wird, worauf die dabei gebildete Gasmischung zur Verdrängung des Schutzgases aus den Räumen in diese eingeführt wird.

5. Vorrichtung zum Füllen und Entleeren von sauerstoffarmem Schutzgas in oder aus Schiffsräume^) zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer Verbrennungsvorrichtung zur Erzeugung von Verbrennungsgasen, einem Nachbrenner zur Verringerung des Sauerstoffgehalts der Abgase, einem Kühler zur Senkung der Temperatur der Gase und einer Auslaßleitung für die nachverbrannten und gekühlten Gase, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsvorrichtung einen Teil (2) eines Gas-Turbinen/Generator-Aggregates (G) dargestellt, deren Abgasleitung (7) teils durch ein Auslaßrohr (8) mit der Atmosphäre und teils durch eine weitere Abgasleitung (9) mit dem Nachbrenner (12) in Verbindung steht, daß die Vorrichtung ein Ventil (10) zum Steuern der Verteilung der Abgase auf das Auslaßrohr (8) und die weitere Abgasleitung (9) aufweist, um den Druck des Schutzgases in der Auslaßleitung (21) innerhalb gewünschter Grenzen zu halten, und daß eine Luftleitung (30, 33) von der Kompressoreinheit (1) der Gasturbinenanlage (1,2,3) durch einen Ejektor (31) und den Kühler (16) hindurch zur Auslaßleitung (21) führt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen Sauerstoffanalysator (24) zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts des gelieferten Schutzgases und ein Ventil (25) zur Steuerung der

Kraftstoffzufuhr zum Nachbrenner (12).

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Abzweigungsleitung (29), die von der Auslaßleitung (21) iür das Schutzgas in die Atmosphäre führt, und durch ein oder mehrere vom Sauerstoffanalysator (24) gesteuerte Ventile (28) und (27) für die Zuführung des Gases zur Abzweigungsleitung (29).