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DE3113524A1 - Antriebsmaschinenanlage fuer lng-schiffe - Google Patents

Antriebsmaschinenanlage fuer lng-schiffe

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DE3113524A1
DE3113524A1 DE19813113524 DE3113524A DE3113524A1 DE 3113524 A1 DE3113524 A1 DE 3113524A1 DE 19813113524 DE19813113524 DE 19813113524 DE 3113524 A DE3113524 A DE 3113524A DE 3113524 A1 DE3113524 A1 DE 3113524A1
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DE
Germany
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gas
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turbine
steam
energy
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DE19813113524
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English (en)
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Stein 1500 Moss Koren
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Moss Rosenberg Verft AS
Original Assignee
Moss Rosenberg Verft AS
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Publication date
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Description

Antriebsmaschinenanlage für LNG-Schiffe
Die Erfindung bezieht sich auf LNG-Schiffe, im allgemeinen, und auf eine Antriebsmaschine für diese Schiffe, die auf der Verbrennung von Bunkeröl und Boil-Off-Gas aus der Ladung basiert, im besonderen.
Beim Transport von LNG auf Schiffen, die auf dem bekannten Moss-Rosenberg-Konzept mit selbsttragenden ^ isolierten sphärischen Tanks basieren, stellt die Verdampfung des Naturgases einen kostbaren Verlust dar, auch wenn dies nicht mehr als wenige Prozent der gesamten Ladung ausmacht. Das Gas, das aussiedet (Boil-off-Gas) kann im Prinzip auf folgende Weisen behandelt werden:
Austretenlassen in die Atmosphäre, Verbrennen (d.h. in der Atmosphäre), Verbrennen (Nutzung) in der Antriebsmaschine, Gesamtkondenstion ("Null-Verlust"), praktische Kondensation kombiniert mit Teilverbrennung und Nutzung in der Antriebsmaschine.
Von diesen Möglichkeiten ist die Boil-off-Verbrennung in der Antriebsmaschine das einfachste und wirtschaftlichste Verfahren und es sind mehrere unterschiedliche Systeme zur Nutzung dieses Gases in Antriebsmaschinen bekannt (Zwei-Stoff-Dieselmotore, Zwei-Stoff-Dampfmaschinenanlagen und Zwei-Stoff-Gasturbinenanlagen).
Der Energiegehalt von Boil-Off-Gas als Brennstoff enthält eine Hälfte oder weniger der Energie, die zum An-
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trieb eines größeren LNG-Schiffs (etwa 13O 000 m^) bei 18 bis I9 Knoten benötigt wird. Deshalb haben Zwei-Stoff-Lösungen die Basis für die Systeme gebildet, die hierfür benutzt werden, d.h. möglichst das Verwenden von Dieselmotoren, die mit öl und Boil-off-Gas arbeiten, oder Turbinenanlagen, bei denen beide Arten von Brennstoff zusammen benutzt werden.
Ein Zweistoff-Dieselmotor kann mit demselben Wirkungsgrad wie ein gewöhnlicher Dieselmotor angetrieben werden, aber es ist eine zusätzliche Gerätschaft erforderlich. Wenn der Zwei-Stoff-Motor direkt an die Schraubenwelle gekuppelt ist, kann er nicht zum Entfernen des Boil-off-Gases verwendet werden, wenn das Schiff sich im Hafen befindet oder wenn der Motor einen Schaden erlitten hat. Deshalb erfordert ein Zwei-Stoff-Motor, beispielsweise eine Ausbrenneinrichtung (Fackel als Hilfsgerät zusätzlich zu anderem besonderem Gerät, das für den Motor selbst notwendig ist.
Die Verbrennung von Boil-off-Gas in der Verbrennungskammer ist ein einfaches und problemloses Verfahren. Naturgas ist ein Idealer Brennstoff für Gasturbinen. Wenn das LNG-Schiff sich im Hafen befindet, kann das Gas in der Turbine nicht ohne zusätzliches Gerät verbrennen. Wenn somit das Gas über die Gasturbine geleitet werden soll, muß die elktrische Energie, die von der Schiffsanlage nicht verbraucht wird, durch Hilfsanlagen und durch eine etwa Kondensationsanlage für das etwa vorhandere Gas in einer Wasserbremse vernichtet werden. Das Ausbrennen des Gases in einer Fackel, die zur Gasturbine parallel geschaltet ist, stellt eine einfache Lösung dieses Problems dar-*·
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Die Verbrennung einer Dampfturbine besitzt den Vorteil, daß der Boiler stets zum Verbrennen von Boil-off-Gas benutzt werden kann. Nachteilig ist, daß der Boiler auch dann in Betrieb gehalten werden muß, wenn das Schiff im Hafen liegt, weil ein besonderer Kondensator notwendig wird. Ein anderer Nachteil ist ein verhältnismäßig hoher spezifischer Brennstoffverbrauch.
Mann kann aber auc h eine kombinierte Gas- und Dampfturbine verwenden, wobei die Dampfturbinen vom Dampf eines Ablaßboilers angetrieben werden, der mit der Gasturbine verbunden ist. Wenn das Schiff im Hafen liegt kann man beispielsweise den Rotor der Gasturbine blockieren und das Verbrennungserzeugnis zur Atmosphäre und/oder zum Ablaßboiler austreten lass. Dies gilt beispielsweise auch, wenn die Gasturbine außer Betrieb gesetzt wird, indem man den Rotor blockieren und die heißen Gase zum Boiler gelangen lassen kann, so daß man eine Volldampferzeugung für die Dampfturbine erhält.
Bei der Verwendung von Bunkeröl geringerer Qualität in Gasturbinen ergeben sich mehrere Probleme und, wie bereits erwähnt, besitzt ein Zwei-Stoff-Dieselmotor auch bestimmte Beschränkungen. Idealerweise würde man Bunkeröl geringer Qualität benutzen und die Menge des notwendigen Bunkeröls (gekauftes Bunkeröl) herabsetzen können, während gleichzeitig, wie erwähnt, das Boil-Off-Gas unter allen Bedingungen (einschließlich der Belastung und von Ballast, sowie im Hafen) ohne eine Rekondensationsanlage benutzt werden kann, die teuer und energieverbrauchend und somit nicht in einer Situation gerechtfertigt ist, in der der Wert des Bunkeröls und LNG sich nicht wesentlich unterscheiden. Aufgabe der Erfindung ist es eine Ant'riebsma-
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schine für LNG-Schiffe anzugeben, die den oben angeführten Bedingungen genügt. Dies wird nach der Erfindung dadurch erreicht, daß die Antriebsmaschine aus einem oder mehreren Dieselmotoren der bzw. die Bunkeröle verarbeiten, und einer kombinierten Gasturbine- Dampfturbinen-Elektroanlage (GS-Anlage) besteht, die Boil-off-Gas verbrennt.
Das heißt, die Erfindung kombiniert Dieselmotore und eine GS-Anlage, wobei die Energie der letzteren in bekannter Weise elektrisch übertragen wird. Sowohl die GS-Anlage als auch der Dieselmotor stellen unabhängig voneinander Energieerzeugungsmaschinen mit optimalen Wirkungsgraden dar. Die Vorteile, die man mit der neuen Anordnung nach der Erfindung erhält, sind:
Eine Ersparnis beim Bunkeröl (etwa 20 Tonnen pro 24-Stunden bei einem LNG-Schiff von 130.000 m^) wird, verglichen mit dem Brennstoffverbrauch der heute vorherrschenden Maschinenanlage, der Dampfmaschinenanlage erreicht (und letztere wird, so weit es der wirtschaftliche Verbrauch von Brennstoff betrifft als "fortgeschritten" angesehen). Bei neunen Schiffen könnte man auch weitere Vergünstigungen durch Optimierung der Bezielung von Schiffskörperform und Antrieb erzielen.
Das Boil-Off-Gas kann unter allen Umständen in der GS-Anlage verbrannt werden, die mit einer gegebenen Überkapazität bemessen wird, um gedrücktes Aussieden beispielsweise in Verbindung mit dem Kühlen der Tanks aufzunehmen. Im Hafen wird der arbeitende Eotor der Gasturbine blockiert und die aus der Heizung des Gases erzeugte Energie wird wahlweise über den Dampfboiler Schornstein geführt.
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Der Überschußdampf wird abgelassen. Gasturbinen sind besonders zum Verbrennen von Boil-off-Gas mit hohem Stickstoffgehalt geeignet.
Die GS-Anlage verbrennt im Prinzip nur Gas und man vermeidet dadurch Frobleme mit flüssigen Brennstoffen unterschiedlicher Qualitäten. Die elektrische übertragung ermöglicht die Verwendung der GS-Anlage, wenn dies gewünscht wird. Eine vorteilhafte Austeilung erfolgt in der Nähe des Schornsteins, wodurch Probleme in Verbindung mit dem Leiten von Gas in den Motorraum verringert oder beseitigt werden.
Der Dieselmotor kann für maximalen Wirkungsgrad ausgelegt werden,,ohne Kompromisse machen zu müssen, die bei einem Zwei-Stoff (öl-Gas)-Motor notwendig sind.
Das Abgas des Dieselmotors kann ausreichend Energie zum Antrieb eines elektrischen Generators für das auf See befindliche Schiff enthalten. Im Hafen, oder an anderer Stelle kann der ganze Dampf oder der notwendigte Überdampf aus der GS-Anlage entnommen werden. Die neue Anordnung ist bestens zum automatischen Regeln des Ausgleichs der Energie zwischen der GS-Anlage und dem Diesel je nach der verfügbaren Gasmenge und der gewünschten Gesamtausgangsleistung geeignet.
Große aber sporadische Energieverbraucher, wie das Seitenruder und die Stoßzeitkompressoren (zur Gasrückführung während der Belastung/Kühlung) kann aus demselben Netz elektrisch angetrieben werden, das die Kraft von der GS-Anlage zur Schraubenwelle überträgt.
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Wenn die GS-Anlage nicht in Betrieb ist, wird vom Elektromotor Energie geliefert, der ohne Abänderung als Generator laufen kann. Dies ist über die Verwendung von Schrauben mit veränderbarer Steigung möglich, die zusätzlich einen optimalen Antrieb bei schwankender Kraft erhalten kann und deshalb die vorteilhafteste Lösung darstellt. Auch kann eire Kupplung zwischen der Schraube und diesem elektrischen Motor-Generator liegen. Wenn maximale Antriebskraft gefordert wird, werden die erwähnten sporadischen Verbraucher keine Energie entnehmen und dadurch wird die Notwendigkeit der Errichtung von Hilfsmaschinen zur Aufnahme solcher großen Verbraucher vermieden. Auch können Gaskompressoren beispiels weise mit Dampf aus der GS-Anlage betrieben werden.
Das Übertragungsnetz für die GS-Schraubenwelle ist vorzugsweise auf beispielsweise 6 KV ausgelegt, wodurch das Kabelgebiet klein gehalten wird. Durch Benutzung einer Schraube mit veränderbarer Steigung kann die Frequenz konstant gehalten werden, jedoch kann auf Wunsch die Umdrehungsgeschwindigkeit durch Verändern der Frequenz geregelt werden, was zulässig ist, da das Netz begrenzt ist.
Bei einem Fehlverhalten des Dieselmotors oder wenn das Schiff nur auf Boil-Off-Gas laufen soll, kann der Dieselmotor abgeschaltet werden. Weitere Möglichkeiten für Bereitschaftsantrieb können durch Aufstellen des Dampfboilers in der GS-Anlage mit zusätzlicher Speisung erzielt werden. Auf diese Weise wird ausreichende Eigenenergie für den Fall vorgesehen, daß sowohl die Gasturbine als auch der Dieselmotor ausfallen sollte. Die Gasturbine könnte auch zum Verbrennen von Destilaten (Dieselöl) eingerichtet sein, das für die Dieselanlage etc. an Bord verfügbar ist.
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Auf diese Weise kann auch dann die Reisegeschwindigkeit erhöht werden, wenn sich kein Gas mehr an Bord befindet. Die Leitung des Dieselmotors soll so gewählt sein, daß er zusammen mit der GS-Anlage ausreichend Energie (mit normalen Reserven) für die gewünschte Reisegeschwindigkeit liefert. Wenn sich kein Gas in den Tanks befindet und somit für die Verwendung kein Gas verfügbar ist, wird eine etwas geringere Reisegeschwindigkeit gewählt. Es muß dann nicht verhindert werden, daß ein größerer Dieselmotor verwendet werden muß, aber der Diesel würde dann mit geringerer Geschwindigkeit laufen (und mit geringerem Wirkungsgrad), wenn Gas verbrannt wird. Dann können zwei Dieselmotore vorgesehen werden, die zusammen mit dem Elektromotor auf eine gemeinsame Schraubenwelle arbeiten. Der Elektromotor kann dann ein Schnelläufer und folglich von billiger Ausführung sein. Während des Gasbetriebes kann einer der Dieselmotoren abgeschaltet werden. Dies bedeutet, daß einer von ihnen, der läuft, in der Nähe seiner optimalen Arbeitsgeschwindigkeit hinsichtlich des spezifischen Verbrauchs von Bunkeröl betrieben wird. Es könnte auch eine Zwei-Schrauben-Lösung verwendet und die (dieselelektrische) Ausgangsleistung der Antriebsmaschine zwischen den beiden verwendet werden. Diese Lösung könnte für beide Alternativen benutzt werden, d.h. für Dieselmotore hoher oder mittlerer Leistung.
Zur Erläuterung der Erfindung dienen die Zeichnungen. In diesen ist:
Figur 1 ein Blockdiagramm für eine Anlage mit einem Dieselmotor und einer Gas-Dampf-Turbinenanlage, und
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Figur 2 ein Blockdiagramm für eine entsprechende Antriebsmaschinenanlage mit zwei Dieselmotoren.
In die Figuren 1 und 2 bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche !Teile der Antriebsmaschine.
Die Schraube 16 ist steigungsveränderbar und wird direkt vom Elektromotor 15 angetrieben. Zwischen diesem Motor und einem Dieselmotor 11 befindet sich eine Kupplung, die ausgeklinkt werden kann, wenn der Dieselmotor nicht läuft. Der Dieselmotor 11 läuft mit Schweröl (RestÖl). Der Elektromotor 15 erhält seine Energie aus einer kombinierten Gasturbinen-Dampfturbinenanlage (GS-Anlage), die mit Boil-off-Gas gespeist wird, die vorzugsweise hoch über dem Motorraum liegt. Die Gasturbine 1 ist mit einem Auslaßboiler 3 versehen, der Dampf an eine Dampfturbine 4 liefert, die eine Generator 5 antreibt.
Rückgewinnbare Energie aus dem Abgas des Dieselmotors kann in diesem Fall in einem durch eine Dampfturbine angetriebenen Generator genutzt werden, der das elektrische Schiffsnetz speist. Das Abgas vom Dieselmotor geht an einen Ablaßboiler 12, der elektrische Energie an ein normales Schiffsnetz liefert. Die Dampfturbine 6 kann auch aus dem Ablaßboiler 3 betrieben werden und, wie das Strömungsdiagramm zeigt, ist auch die Dampfturbine 4 an dieselbe Dampfanlage gekuppelt. Ferner sind ein Kondensator 8 und ein Druckreduzierventil 9 mit Wassereinspritzung sowie ein Vorheizer 10 vorgesehen.
Die sporadischen Verbraucher sind eine Querschraube 14 und ein Gaskompressor 13, die aus demselben elektrischen
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Netz angetrieben werden, das Energie von der GS-Anlage auf die Schraubenwelle überträgt. Das Diagramm nach Figur 2 besitzt denselben prinzipiellen Aufbau wie der nach -Figur 1. Der einzige Unterschied besteht darin, daß dort zwei Dieselmotore 11 vorgesehen sind, die mit Boilern 12 versehen sind, und daß diese Dieselmotore die Schraube 16 mit veränderbarer Steigung über ein Getriebe I7 antreiben. Der Elektromotor 12, der seine Energie aus den Generatoren 2 und 5 erhält, ist mit dem Getriebe I7 verbunden. Anders als Figur 1, wo der Zustand besteht, daß ein langanlaufender Langhub-Dieselmotor verwendet wird, sind die beiden Dieselmotore in der Anordnung nach Figur 2 hier Hochgeschwindigkeitsmotore und somit von billiger Version. Einer dieser Dieselmotore kann abgekuppelt werden, wenn die Maschinenanlage Boiloff-Gas (aus der GS-Anlage) verwendet und der andere Dieselmotor, der läuft, arbeitet dann an oder nahe seiner optimalen Betriebsgeschwindigkeit hinsichtlich des spezifischen Verbrauchs von Bunkeröl.
Die Erfindung liefert eine flexible Anlage einer Antriebsmaschine, bei der ein Teil der Antriebsmaschinenanlage (die GS-Anlage) für die Verbrennung nur Boil-off-Gas aus der Ladung bestimmt ist, während der zweite Teil (der Dieselmotor) nur Schweröl verbrennt. Man erhält somit die erwähnten Vorteile.
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Claims (7)

Patentansprüche
1. Antriebsmaschine für LNG-Schiffe mit Verbrennung von öl und Boils-Off-Gas aus der Ladung, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Dieselmotore (11) vorgesehen sind, die Bunkeröl verbrennen, und eine kombinierte elektrische Anlage (2) mit einer Gasturbine (1) und eine Dampfturbine (4) (GS-Anlage vorgesehen ist, die Boil-Off-Öl verbrennt.
2. Maschine nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor (15) für die GS-Anlage ein direkt angetriebener Motor ist.
3. Maschine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung eine Schraube (16) mit veränderbarer Steigung ist.
1-65644 kivend
TELEGRAMM:
INVENTK)N
BERLIN
130063/0 753
TELEFON: BERUN
030/8816037 030/8813026
BANKKONTO: BERLINERBANKAa BERUN 31 36β671«000
— 2 —
POSTSCHECKKONTa P MEISSNER BLN-W 404737-103
4. Maschine nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ablaß-Boiler (12) das Abgas aus dem Dieselmotor zum Erzeugen von Dampf für die Turbine (4) benutzt.
5. Maschine nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Dampfturbinen-Elektrogenerator (15) die Energie für das normale Schiffsnetz liefert.
6. Maschine nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß große sporadische Energie-Verbraucher, wie Seitenruder (14) und Gasladungskompressoren (13) elektrisch an das elektrische Netz zwischen der GS-Anlage und der Antriebseinrichtung (Schraubenwelle) angeschlossen sind.
7. Maschine nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der Ablaß-Boiler (Dampfboiler) für die GS-Anlage mit einem zusätzlichen Verbrennungsgerät zum Herstellen von Eigenenergie beim Ausfall von sowohl der Gasturbine als auch des Dieselmotors versehen ist.
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