DE2148326C3

DE2148326C3 - Verfahren und Vorrichtung zum Füllen und Entleeren von sauerstoffarmem Schutzgas in bzw. aus Schiffsräume(n)

Info

Publication number: DE2148326C3
Application number: DE2148326A
Authority: DE
Inventors: T Westrum
Original assignee: Kongsberg Vapenfabrikk AS
Current assignee: Kongsberg Gruppen ASA
Priority date: 1970-10-03
Filing date: 1971-09-28
Publication date: 1985-12-05
Also published as: DE2148326B2; JPS5436398B1; SU618022A3; NO127908B; GB1302678A; DE2148326A1; US3776164A; SE377090B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 und des weiteren eine Vorrichtung

ία zur Durchführung.

Aus »The Motor Ship«, Mär/. 1969, Seite 35 ist bereits die Verwendung von Abgasen nach entsprechender Zuführung zu Ladetanks bekannt. Hierau werden dem Schornstein des Schiffes Gase entnommen, die zu Schutzgas weiterverarbeitet werden. Bei den Abgasen hajidelt es sich um diejenigen der Antriebsmaschine 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. Ein» derartige Erhöhung der Wirtschaftlichkeit ist zwar eine wichtige Voraussetzung für die wirtschaftli-

Hi ehe Verwendbarkeit einer Gasturbine als Antriebsaggregat im Sinne eines llauptmotors. Stellt die Gasturbine jedoch lediglich das Antriebsaggregat beispielsweise für eine Notstromversorgung dar, so besteht keinerlei Veranlassung für eine entsprechende Erhöhung der

r. Wirtschaftlichkeit der Gasturbine, da in derartigen Verwendungsfällcn die Betriebszeil der Gasturbine so kurz ist, daß nicht ihr Wirkungsgrad, sondern die Gestehungskosten der Gasturbinenanlage ausschlaggebend sind.

Aus der DE-PS 9 04 637 ist zwar die Verwendung eines Inertgases, das aus Ofenabgas durch Verbrennung der Reste brennbarer Bestandteile unter entsprechender Zugabe von Luft bzw. der Sauerstoffreste unter entsprechender Zugabe von brennbaren Stoffen hergestellt wird, als Schutzgas bei der Lagerung von feuergefährlichen Flüssigkeiten bekannt. Der erfindungsgemäß in Betracht gezogene Einsatz einer Hüfs-Gasturbinenanlage ist an keiner Stelle der Entgegenhaltung angedeutet.

so Der wesentliche Gedanke bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist aber dagegen nicht die Verwendung einer Wärmekraftmaschine als Incrtgas-Quclle, sondern die Auswahl sowie der Einsatz einer Gasturbine als Wärmekraftmaschine.

t> Schließlich ist es im übrigen auch bereits bekannt, den Gasinhall 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

bo 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 vorn Betrieb des Dampfkessels und dessen Betriebsbedingungen gegeben, so daß alle Teile der zugehörigen Einrichtung durch die in den Abgasen enthaltenen Verunreinigungen einer Korrosionsgefahr ausge-

setzt sind.

Schließlich ist auch bereits die Verwendung von separaten Gasgeneratoren, d. h. von Brennern, die für die Erzeugung eines sauerstoffarmen Schutzgasen 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 F.xplosionssicherhcil 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 Kennzeichenieil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Die Erfindung geht von der Tatsache aus, daß auf Schiffen bereits Gasturbinen für eine Anzahl verschiedener anderweitiger Einsatzzwecke, 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 Kosten der bereits vorhandenen Zusatzaggregate, wie beispielsweise Notstrom- bzw. Zusatzstromaggregat. 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 abgaslicfcrnde Einrichtungen bekannt sind, bei denen der Sauerstoffgehalt der Abgase geringer ist, beispielsweise KoI-ben-Verbrennungsmaschincn mit einem Sauerstoffgehalt von ö 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 HiIFs- und/oder Notaggregat gehörigen Elemente innerhalb eints strichpunktierten Rahmens G angegeben. Diese Elemente bestchen aus der Gasturbine selbst, die in der Zeichnung in ihre drei Funktionseinheiten aufgeteilt ist, d. h. einen Kompressor 1, eine Verbrennungskammer 2 und eine Turbine 3. Mit 4 ist der Generator und mit 5 ein öltank für den Betrieb der Gasturbine bezeichnet, wobei das öl zur Verbrennungskammer 2 des Gasturbinenaggregats mittels einer Pumpe 6 gefördert wird. Die Abgase de." 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 G asturbinenaggrcgals und ist mit diesem in der nachfolgend beschriebenen Weise verbunden:

Eine Abgasleitung 9 ist mil der Abgasleitung 7 verbanden. 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 Kraftstofftank 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 - 3,25 Volumprozent

H₂O — 2,32 Volumprozent

SOi - 0,005b Volumprozent

O₂ — 16,1 Volumprozent

N₂ — 77,8 Volumprozent

Hinter dem Nachbrenner können die Abgase dann wie folgt zusammengesetzt sein:

CO₂ — 15 Volumpro/.ent

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 Aus-Jaßleilung 21, die zu einem nicht dargestellten Verteiler system führt.

Ein Druck-Mcß- und -Anzeigegerät 22 mißt den

h5 Druck in der Auslaßleitung 21, und eine Rückkopplung 23, die das Drosselventil 10 in der AuslaQicitung 8 betätigt, steuert den Druck in der Auslaßleitiing 21 zur Erhaltung eines konstanten Drucks bei einem gewünsch-

ten Wert, der beispielsweise bei etwa 1,15 atm (16,4 psia) liegen kann.

An die AuslaQleitung 21 ist weiterhin ein Sauerstoffanalysalor 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 Nachbrenner 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 uuch ein Ventil 27 in der Auslaßlcilung 21 und ein Ventil 28 in einer Abzweig-Leitung 29, die von der AuslaUlcitung 21 abzweigt und in der freien Atmosphäre mündet. Die Ventile 27 und 28 werden so gcslcucrt, daß die Abgase zu den Schiffsräumen durch das nicht dargestellte Vcrtcilcrsyslem 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 Sicherheitsventilbezeichnet.

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 Kompressorcinheit 1 verdichteten Luft wird durch eine Leitung 30 abgezweigt. Dies hai 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 Lufleinlaß 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 Lunmenge kann in den Ejektor eingezogen, werden, so daß in der Luft-Leitung 33 vom Ejektor 31 dann etwa 18 000 Norm-m³ Luft pro Stunde bei einem Druck von etwa U atm (184 psia) fließen. Die Temperatur der vom Kompressor abgezapften Luft beträgt etwa 170⁰C 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 IOO"C aufweisen. Zur weiteren Kühlung wird diese Luft in den Kühler 16 geführt und dann durch die Auslaßleilung 21 zu dem nicht dargestellten Vcrteilcrsystem für Frischluft.

Ein Gasturbinenaggregat mit der obenerwähnten Leistung wird etwa 31 000 Norm-m³ Abgas pro Stunde erzeugen, und bei einem Druck in der Abgasleitung hinter der Turbine von 13 atm (183 psia) wird die Tempe-

ratur der Abgase etwa 550⁰C betragen. Die Abgastemperatur wird natürlich im Nachbrenner weiter steigen; und bei Verwendung der Vorrichtung zur Lieferung von Schutzgas werden vergleichsweise große Kühlwassermengen (etwa 15 000 m³ pro Stunde) in dem Kühler 16 benötigt. Wie oben bereits angegeben ist, kann die Pumpe 18 zur Umwälzung dieser Kühlwassermenge mit einer Eingangsleistung von 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 lullenden Räume eingespeist werden, d a durch gekennzeichnet, daß ais Verbrennungsvorrichtung eine Hilfs-Gaslurbincnanlagc, die sonsl anderen Zwecken dient, verwendet wird, und die Abgase mit einem Druck zu liefern vermag, der hinreichend hoch ist. sie in an sich bekannter Weise 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 Küinne entnommene Luft durch einen Ejektor hindurchgeführt wird, in dem der Druck reduziert und Umgebungslufl 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 Schiffsräumen) 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) darstellt, 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) /imi Steuern der Verteilung der Abgase auf das Ausliißrohr (8) und die weitere Abgasleitung (9) aufweist, um den Druck des Schutzgases in der Auslaßleitung (21) innerhalb gewünschter Grenzen zu hallen, und daß eine Luftleitung (30,33) von der Komprcssoreinheil (1) der Gasturbinenanlage (1, 2, 3) durch einen Ejektor (31) und den Kühler (16) hindurch zur Auslaßleitung (21) führt.

b. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen Sauerstoffanalysator (24) zur Bestimmung des Saucrstoffgehalts 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) für 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).