Andrzej ADAMKIEWICZ, Ryszard MICHALSKI ZASTOSOWANIE CIEPLNYCH MASZYN WIRNIKOWYCH W NOWYCH TECHNOLOGIACH ENERGETYCZNYCH ŚRODKÓW TRANSPORTU MORSKIEGO Streszczenie W artykule omówiono syntezę tradycyjnych zastosowań cieplnych maszyn wirnikowych w zespołach napędowych turbinowych i motorowych siłowni okrętowych. Wskazano na ich zróżnicowanie wynikające ze specyfiki współpracy z odbiornikami energii w układzie energetycznym jednostki pływającej. Na tym tle przedstawiono nowe układy konwersji energii odpadowej z zastosowaniem cieplnych maszyn wirnikowych. WPROWADZENIE Współczesny stan zastosowania cieplnych maszyn wirnikowych w układach energetycznych morskich środków transportu uwarunkowało wiele znaczących dla powstania i rozwoju turbin okrętowych wynalazków [1, 7, 8, 13]: 1791: pierwszy, niezwykle śmiały patent na silnik turbinowy zasilany mieszaniną spalin i odparowanej niewielkiej ilości wody, uzyskał anglik John Barber. 1883: De Laval (Szwecja) zbudował pierwszą turbinę akcyjną. 1884: Charles Algemon Parsons, opatentował śrubę okrętową oraz wielostopniową, reakcyjną turbinę parową, które stosowane są do dziś. 1894: Parsons Marine rozpoczął próby napędu promieniową turbiną reakcyjną jachtu Turbinia o wyporności 44,5 t. 1896: w Stanach Zjednoczonych Charles Gordon Curtis opatentował tzw. koło Curtisa służące do stopniowania prędkości czynnika roboczego (pary) w turbinie. 1911: niemiecki konstruktor Hans Holtzwarth zbudował i uruchomił turbinowy silnik spalinowy o spalaniu nieciągłym. Turbina o mocy 735 kw przy 2000-3000 obr/min, napędzała pionowo ustawioną prądnicę. 1918: firma General Electric w USA rozpoczęła produkcję na wydziale turbin gazowych. 1939: szwajcarska firma Brown-Boveri zademonstrowała na wystawie w Zurychu pełnowartościowy turbozespół spalinowy typu przemysłowego, który w rok później zainstalowano w elektrowni Neuchatel [13]. Kolejne badania wykazały celowość spalania paliwa przy stałym ciśnieniu oraz stosowania wysokich temperatur początkowych czynnika roboczego, przy równoczesnym zapewnie- AUTOBUSY 1
niu wysokich sprawności turbiny gazowej i napędzanej przez nią sprężarki wirnikowej. Realizacja tych założeń projektowych przebiegała i nadal przebiega w dwóch kierunkach: budowy turbinowych silników spalinowych o małej masie i gabarytach, pracujących przy wysokich temperaturach spalin, a tym samym o uwarunkowanej żywotności, co doprowadziło do powstania spalinowych silników turbinowych typu lekkiego (lotniczego - silniki turboodrzutowe lub silniki turbośmigłowe) wymagających stosowania paliw najwyższej jakości, budowy turbozespołów cięższych i o większych gabarytach, typu przemysłowego, pracujących przy niższych temperaturach spalin, (ang. Heavy Duty), ale za to o większej żywotności, dopuszczających możliwość stosowania gorszych gatunków paliw. W zależności od przeznaczenia funkcjonalnego, w okrętowych układach energetycznych znalazły zastosowanie spalinowe silniki turbinowe zarówno typu lekkiego jak i przemysłowego [1, 7, 8, 13]. 1. CIEPLNE MASZYNY WIRNIKOWE W OKRĘTOWNICTWIE XX WIEKU Pierwszym statkiem towarowym, na którym zastosowano napęd turboparowy był rzeczny statek pasażerski King Edward, zbudowany w 1901 roku, natomiast pierwszymi liniowcami turbinowymi były oddane do eksploatacji w 1904 roku Virginian i Victoria. Na każdej z tych bliźniaczych jednostek, rozwijających na próbach prędkość 20 węzłów, zastosowano turbiny o łącznej mocy 8800 kw. Największymi jednostkami komercyjnymi wyposażonymi w bezpośredni napęd turbinami parowymi były dwa statki pasażerskie Lusitania i Mauretania o wyporności 43000 t i prędkości 26 węzłów. Układ napędowy każdego z tych statków składał się z dwóch dwukadłubowych turbin o łącznej mocy 54000 kw. Obydwa liniowce wielokrotnie zdobywały w latach 1907-1909 Błękitną Wstęgę Atlantyku, rozwijając prędkości od 23,6 do 26,2 węzła. Ostatnim statkiem z bezpośrednim napędem turbinowym był zbudowany w 1913 roku statek pasażerski Aquitania o łącznej mocy głównych turbin napędowych 44100 kw [7, 14]. Istotną wadą bezpośredniego napędu turbinowego była konieczność stosowania układów wielowałowych oraz bardzo duże wymiary i masy poszczególnych kadłubów turbin, wynikające z niskich prędkości obrotowych. Jedyną drogą do rozwiązania tego problemu było zastosowanie przekładni redukcyjnej. Pierwszym, który zastosował takie rozwiązanie był de Laval, a następnie w roku 1897 Parsons. Początkowo przekładnie zębate stosowane w napędach okrętowych były jednostopniowe. Po raz pierwszy przekładnię dwustustopniową zastosowano w roku 1918 na statku handlowym Somerst. Przekładnie takie stosowano przez wiele lat na statkach, na których prędkości obrotowe śruby wynosiły około 80 obr/min. Sporadycznie, ze względu na wyższe prędkości obrotowe śrub, przekładnie dwustopniowe stosowano na okrętach wojennych. W Stanach Zjednoczonych problem redukcji prędkości obrotowej został rozwiązany poprzez zastosowanie przekładni elektrycznych, zapoczątkowując tzw. napęd turbinowo-elektryczny. Pierwszymi jednostkami z takim napędem były zbudowane w 1908 r. dwuśrubowe statki przeznaczone dla służb pożarniczych w Nowym Jorku. W Europie po raz pierwszy napęd turbinowo-elektryczny zastosowano w roku 1914 na szwedzkim statku towarowym o nośności 1000 t w roku 1914. Prądnice na tym statku były napędzane przeciwbieżnymi parowymi turbinami promieniowymi, opatentowanymi w 1906 roku, zbudowanymi w 1912 roku przez braci Ljungström [7, 13]. Na początku XX w zastosowano w Niemczech dla statków napędzanych turbinami parowymi przekładnię hydrokinetyczną. Jej twórcą był Hermann Föttinger, który w 1906 r., opatentował układ pozwalający na pięcio-, sześciokrotne zredukowanie prędkości obrotowej, umożliwiając równocześnie zmianę kierunku obrotów śruby. 2 AUTOBUSY
Zastosowanie przekładni mechanicznych i elektrycznych znacznie zwiększyło możliwości użycia turbin parowych w napędach okrętowych. Już w czasie pierwszej wojny światowej zaczęto stosować ten typ silnika również na statkach o mocach napędu głównego rzędu kilku tysięcy kilowatów, zwłaszcza w Stanach Zjednoczonych, które nie rozwijały produkcji dużych, wolnoobrotowych tłokowych silników spalinowych o zapłonie samoczynnym. W Europie napęd turbinowy stosowany był w tym okresie głównie na zbiornikowcach i dużych szybkich statkach pasażerskich oraz okrętach wojennych, wymagających dużych mocy napędowych. Renesans napędu turbinowego we flocie handlowej, który nastąpił w latach pięćdziesiątych XX stulecia, był wynikiem znacznego postępu uzyskanego w budowie turbin parowych, kotłów i stosowanych obiegów cieplnych oraz pojawienia się superzbiornikowców, w tym gazowców do przewozu LPG i LNG, wymagających mocy napędowych, których nie rozwijały wówczas budowane tłokowe silniki spalinowe [3, 4, 7]. Mimo dalszego postępu w budowie okrętowych siłowni turbinowych, czego wyrazem było osiągnięcie na początku lat 80. jednostkowego zużycia paliwa w granicach 0,22 kg/kwh, napęd turbinowy nie wytrzymał konkurencji ze spalinowymi silnikami tłokowymi. Dominacja turbiny parowej, jako okrętowego silnika napędowego dużej mocy zakończyła się pod koniec lat 70. XX w. i była bezpośrednim następstwem kryzysu paliwowego i żeglugowego. Obecnie ten typ głównego silnika napędowego w układzie z przekładnią mechaniczną stosowany jest na zbiornikowcach służących do transportu skroplonego gazu ziemnego. Natomiast w układzie z przekładnią elektryczną turbiny parowe stanowią wyłączny typ silnika napędowego na jednostkach militarnych i lodołamaczach wykorzystujących paliwo jądrowe [2, 6, 7]. Turbinowy silnik spalinowy w okrętownictwie po raz pierwszy zastosowano w 1947 roku jako silnik mocy szczytowej na trzyśrubowym ścigaczu torpedowym Royal Navy MGB 2009. Zastosowany na tej jednostce dwuwirnikowy turbinowy silnik spalinowy o mocy 1840 kw i oznaczony symbolem Gl był morską wersją lotniczego silnika odrzutowego Metropolitan- Vickers, w którym dyszę odrzutową zastąpiono turbiną napędową, przekazującą wytworzony moment obrotowy przez mechaniczną przekładnię redukcyjną na środkową śrubę okrętu. Przełomowym momentem, który zadecydował o powszechnym stosowaniu turbinowych silników spalinowych na jednostkach wojennych, było zainstalowanie w 1959 roku na szybkich okrętach patrolowych klasy Brave trzech silników pochodzenia lotniczego typu Proteus, każdy o mocy użytecznej 2570 kw [1, 7, 8, 13]. Turbinowe silniki spalinowe instalowane są na okrętach wojennych w kombinowanych układach napędowych, jako silniki mocy szczytowej. Ich podstawowym zadaniem jest zapewnienie maksymalnych prędkości jednostce w krótkim okresie. Pływanie z mniejszymi, ekonomicznymi prędkościami, zapewniają w tych układach tłokowe silniki spalinowe o zapłonie samoczynnym, turbiny parowe jak również turbinowe silniki spalinowe o mniejszej mocy, stanowiące około trzeciej części mocy silników mocy szczytowych. Doskonalenie konstrukcji i materiałów stosowanych w okrętowych turbinowych silnikach spalinowych typu lekkiego doprowadziło do znacznego zwiększenia ich sprawności efektywnej oraz pozostałych cech technicznych. W rezultacie, w wielu flotach powszechnym stało się stosowanie turbinowych silników spalinowych do napędu okrętów wojennych. Pierwszym statkiem towarowym z głównym turbinowym silnikiem spalinowym był zbiornikowiec Auris, wyposażony w 1951 r. pierwotnie w układ spalinowo-elektryczny, składający się z jednego turbinowego silnika spalinowego i trzech spalinowych silników tłokowych o zapłonie samoczynnym napędzających prądnice, zamieniony w roku 1956 na jeden turbinowy silnik spalinowy o mocy 4044 kw, napędzający śrubę o stałym skoku przez przekładnię zębatą. Kryzys paliwowy drugiej połowy lat siedemdziesiątych XX w. spowodował wycofanie z eksploatacji, bądź też przebudowę siłowni większości statków handlowych na- AUTOBUSY 3
pędzanych turbinowymi silnikami spalinowymi na napęd motorowy z tłokowymi silnikami spalinowymi. Turbinowe silniki spalinowe zastosowano również jako silniki mocy szczytowej na lodołamaczach. Największą jednostką tego typu był oddany do eksploatacji w 1974 roku trzyśrubowy lodołamacz Polar Star, na którym zastosowano kombinowany układ napędowy typu CODEOG (Combined Diesel-Electric Or Gas turbine). Dążenie do zbudowania układu łączącego zalety silników tłokowych i turbinowych oraz eliminującego częściowo ich wady doprowadziło do koncepcji zasilania turbiny gazowej spalinami o podwyższonym ciśnieniu i temperaturze, wytwarzanymi nie w komorze spalania, ale w cylindrze silnika tłokowego. Układ z tzw. bezkorbową silniko-sprężarką, znany jest pod nazwą układu Pescara [7, 13]. Połączenie elementów (podzespołów) spalinowego silnika turbinowego: sprężarki i turbiny gazowej z silnikiem tłokowym jest realizowane powszechnie w okrętowych układach napędowych. Klasycznym przypadkiem jest układ doładowania silnika tłokowego, w którym wykorzystuje się energię spalin wylotowych z silnika. Jeżeli moc uzyskiwana z turbiny spalinowej przewyższa moc potrzebną do napędu sprężarki, wówczas jej nadwyżka może być przekazana poprzez przekładnię na wał silnika tłokowego, zwiększając w ten sposób moc użyteczną całego układu. Obecnie wzrostu sprawności ogólnej głównych układów napędowych statków z tłokowymi silnikami spalinowymi poszukuje się m.in. poprzez rozwój technologii odzysku energii odpadowej określanej w okrętownictwie jako utylizacja tej energii. 2. WSPÓŁCZESNE BUDOWNICTWO TURBIN OKRĘTOWYCH Współcześnie zamówienia na produkcję głównych turbin parowych realizowane są w takich wytwórniach jak Kawasaki Heavy Industries, Ltd. budującej dla stoczni w Korei Południowej i dla stoczni Japońskich oraz Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. dostarczającej główne turbiny parowe dla stoczni w Korei Południowej. Wytwórnie te od drugiej połowy XX w. należą do głównych producentów turbin parowych dużej mocy. Z uwagi na rozwój globalnego handlu skroplonym gazem ziemnym obserwowany jest także rozwój w budowie gazowców LNG typu Q-Flex i Q-Max o pojemnościach powyżej 200 000 m3. Stymuluje to zarówno postęp w rozwoju napędów spalinowo-elektrycznych, jak i budowę turbin parowych o coraz większych mocach pracujących w wysokosprawnych obiegach parowych, charakteryzujących się wysokimi parametrami pary, tj. temperaturą i ciśnieniem [3, 5, 14]. Równolegle budowane są turbiny pomocnicze napędzające prądnice na statkach do przewozu LNG, dużych zbiornikowcach i kontenerowcach oraz turbiny do napędu pomp ładunkowych. Okrętowe turbozespoły spalinowe posiadają, oprócz wymienionych wcześniej, szereg dodatkowych zalet, takich jak duża koncentracja mocy, niskie drgania, zadowalająca niezawodność działania oraz niski poziom emisji NOx. Istotną cechą tego rodzaju napędu jest ich szybki rozruch i możliwość osiągania pełnych mocy w bardzo krótkim czasie, co w połączeniu z wymienionymi wyżej walorami sprawia, że są one w coraz większym stopniu stosowane na okrętach wojennych. Spotyka się je także na dużych morskich platformach wiertniczych, dużych wodolotach i poduszkowcach oraz na statkach wycieczkowych, czego przykładem może być jeden z najnowszych i największych statków tego typu, jakim jest Queen Mary 2 [7, 15]. 4 AUTOBUSY
3. SPRAWNOŚĆ ENERGETYCZNA OKRĘTOWYCH CIEPLNYCH MASZYN WIRNIKOWYCH W głównych układach napędowych oraz elektrowniach współczesnych statków stosowane są tłokowe silniki spalinowe, turbiny parowe, turbinowe silniki spalinowe oraz zespoły kombinowane. Wybór rodzaju układu energetycznego uwarunkowany jest rodzajem i przeznaczeniem statku i urzeczywistniany w procesie wielokryterialnej oceny technicznoekonomicznej tak układu energetycznego jak i całego statku. Ze względu na jednostkowe zużycie paliwa wynoszące 230 320 g/kwh turbozespoły parowe ustępują tłokowym silnikom spalinowym charakteryzującym się jednostkowym zużyciem paliwa rzędu 170 230 g/kwh. Parowa siłownia turbinowa jest mniej wymagająca pod względem jakości zużywanego paliwa i przy mocach powyżej 20 tys. kw modułu napędowego może być konkurencyjna pod względem nakładów inwestycyjnych w stosunku do siłowni z tłokowymi silnikami spalinowymi. W dzisiejszej dobie turbina parowa jest silnikiem cieplnym powszechnie stosowanym w siłowniach jądrowych. Turbinowe silniki spalinowe stosowane są na jednostkach, gdzie szczególnie ważne są ich specyficzne zalety: mała masa właściwa, zwartość budowy, podatność do automatyzacji, możliwość szybkiej wymiany modułowej. Póki co, ustępują pod względem sprawności, zwłaszcza wolnoobrotowym dwusuwowym tłokowym silnikom spalinowym o zapłonie samoczynnym. Należy jednak zauważyć, że turbinowe okrętowe silniki spalinowe typu lekkiego dużych mocy, np. LM 6000 firmy General Electric, osiągają sprawność 42% [15], zaś sprawność najnowszej generacji morskich, turbinowych zespołów spalinowych typu ciężkiego z regeneracją, Super Marine Gas Turbine japońskiej produkcji, przekracza 39% i przewiduje się dalszy jej wzrost do 50% [4]. 4. EFEKTYWNOŚĆ UŻYTKOWANIA ENERGII W OKRĘTOWYCH UKŁADACH ENERGETYCZNYCH Sprawność siłowni statku określa stopień wykorzystania ciepła uzyskiwanego ze spalania paliwa w głównych elementach układu energetycznego. Współczesne rozwiązania siłowni okrętowych zapewniają technologicznie najwyższą efektywność konwersji energii chemicznej paliwa w inne postacie. Jedną z możliwości poprawy efektywności okrętowego układu energetycznego jest maksymalizacja odzysku energii odpadowej silników spalinowych i zastosowanie jej w innych instalacjach do wytwarzania energii elektrycznej, mechanicznej i ciepła lub kombinacji tych form energii łącznie. Nadmiar ciepła spalin wylotowych z silników niezbędnego do wytwarzania w pierwszej kolejności pary grzewczej w kotłach utylizacyjnych jest konsekwencją postępującego wzrostu mocy napędu głównego współczesnych statków wskutek m.in. zwiększania ich nośności i prędkości [5, 6]. Pozwala on na realizację bardziej zaawansowanych sposobów użytecznego wykorzystania energii odpadowej. Istnieje wiele możliwych rozwiązań systemów utylizacji tej energii na statkach motorowych. Ich konfiguracja zależy od typu statku, jego wielkości, prędkości eksploatacyjnych, rodzaju oraz mocy spalinowych silników cieplnych [9]. Wybór rozwiązania takiego układu na konkretnym statku powinien być wynikiem szeroko rozumianej, wnikliwej analizy techniczno-ekonomicznej, opartej przede wszystkim na analizie termodynamicznej i niezawodnościowej [12]. AUTOBUSY 5
5. ZASTOSOWANIE TURBIN W NOWYCH TECHNOLOGIACH ENERGETYCZNYCH NA STATKACH Z NAPĘDEM MOTOROWYM Obecnie oferowanych jest wiele rozwiązań układów odzysku energii odpadowej z wykorzystaniem turbin, tak spalinowych jak i parowych [9, 16, 17]. Charakteryzują się one różną efektywność energetyczną. Na rys. 3 przedstawiono porównanie dysponowanych spadków entalpii w turbinach uzyskiwanych w obiegu z zastosowaniem spalinowej (obieg Braytona) bądź parowej (obieg Clausiusa-Rankine a) turbiny mocy zwrotnej, a także dysponowanego spadku entalpii uzyskanego w obiegu Clausiusa-Rankine a zrealizowanego w przypadku wykorzystania spalin wylotowych turbiny mocy zwrotnej (na rys. 1. oznaczonej jako dop.ob.rankine a dopełnienie obiegu Rankine a) oraz łącznego spadku entalpii w obiegu Braytona i sprzężonego z nim obiegu Clausiusa-Rankine a. W obliczeniach obiegu parowego przyjęto stałe ciśnienie pary w skraplaczu, równe 0,007 MPa, przyjęto także stałą wartość różnicy temperatur spalin i pary w przegrzewaczu pary, równą 15K oraz temperaturę spalin za kotłem utylizacyjnym, równą 443 K. Obliczenia przeprowadzano dla Δt min. = 15 K. Zmianie ulegało w tej sytuacji m.in. ciśnienie produkowanej pary. Obliczenia obiegu Braytona przeprowadzono przy założeniu ciśnienia spalin na wlocie do turbiny równym 0,33 MPa (rozpręż w turbinie π T = 3,3). Należy zauważyć, że dysponowany spadek entalpii w przypadku realizacji obiegu Braytona jest większy niż w przypadku realizacji obiegu Clausiusa-Rankine a [10]. 350,00 Spadek entalpii, kj/kg 300,00 250,00 200,00 150,00 100,00 50,00 obieg Braytona obieg Rankine'a dop.ob.rankine'a ob.b+ob.r. 0,00 523 573 623 673 723 773 Temperatura spalin, K Rys. 1. Możliwe do uzyskania dysponowane spadki entalpii w turbinach pracujących w obiegu Braytona i Clausiusa-Rankine a Powyższe rozważania miały charakter teoretyczny, obliczeniowy. W dalszej części artykułu, jako rozwiązanie referencyjne dla innych układów utylizacji ciepła, przyjęto układ z turbiną spalinową mocy zwrotnej, pracujący według schematu przedstawionego na rys. 4. Układ ten składa się z silnika głównego, turbosprężarek wysokiej wydajności oraz turbiny spalinowej mocy zwrotnej napędzającej poprzez przekładnię i sprzęgło prądnicę prądu przemiennego. Energia niesiona przez strumień spalin opuszczających silnik główny jest częściowo odzyskiwana w turbosprężarkach do sprężania powietrza doładowującego oraz do zasilania tzw. turbiny spalinowej mocy zwrotnej, napędzającej prądnicę prądu przemiennego. Do jej napędu wykorzystywane jest około 10% strumienia masy spalin opuszczających silnik [16]. Spaliny wylotowe odprowadzane są z układu poprzez kolektor zbiorczy. Rozwiązanie to stanowi dodatkowe źródło energii elektrycznej i jest coraz częściej oferowane dla nowobudowanych jednostek. 6 AUTOBUSY
Rys. 2. Schemat układu odzysku energii z turbiny spalinową mocy zwrotnej [16] Turbina spalinowa mocy zwrotnej może pracować w zakresie 50 100% obciążenia nominalnego silnika głównego. Przepływ spalin wylotowych z kolektora jest regulowany przez kryzę na wylocie z kolektora zbiorczego spalin. Przy mocy silnika poniżej 50% następuje odcięcie przepływu spalin zasilających turbinę mocy zwrotnej m.in. ze względu na ich zbyt mały strumień. Uniemożliwiłoby to bowiem właściwą pracę turbosprężarki doładowującej silnik. Stopień rozprężania oraz wielkość możliwych do przyjęcia strumieni masy spalin turbiny mocy zwrotnej są porównywalne z odpowiednimi parametrami turbosprężarek. Temperatura spalin opuszczających turbinę jest zbliżona do temperatury spalin za turbosprężarką. Przedstawiony na rys. 2 układ odzysku energii jest często porównywany z układem z kotłem i utylizacyjną turbiną parową napędzającą prądnicę (rys. 3). Układy te różnią się jednak konfiguracją i wielkościami generowanych przez nie mocy. Rys. 3. Schemat układu odzysku energii z kotłem utylizacyjnym i turbiną parową [16] Na rysunku 4 przedstawiono schemat układu odzysku energii z kotłem utylizacyjnym, turbiną spalinową mocy zwrotnej i prądnicą wałową [16]. Układ ten składa się z silnika głównego, turbosprężarek, turbiny spalinowej mocy zwrotnej połączonej mechanicznie z prądnicą, kotła utylizacyjnego, prądnicy wałowej oraz niezależnych zespołów prądotwórczych pracujących na wspólną sieć elektroenergetyczną statku. Podczas pracy silnika spaliny wylotowe z silnika zasilają turbosprężarki doładowujące oraz turbinę mocy zwrotnej. Spaliny opuszczające turbiny kierowane są do kotła utylizacyjnego. Sprawność całego układu zwiększa zastosowanie prądnicy wałowej. Prądnica ta ma możliwość pracy w dwóch wariantach. Może oddawać energię elektryczną na wspólną sieć elektroenergetyczną statku lub wspomagać, jako silnik, główny układ napędowy. Praca silnikowa AUTOBUSY 7
może być zastosowana w celu redukcji ilości spalanego paliwa przy obniżonej mocy silnika głównego. Poza zaopatrzeniem statku w energię elektryczną, układ ten, pozwala zaoszczędzić nawet do 5% paliwa w skali roku oraz istotnie zredukować emisję szkodliwych produktów spalania paliwa [16]. Rys. 4. Schemat układu odzysku energii odpadowej z kotłem utylizacyjnym, turbiną mocy zwrotnej i prądnicą wałową [16] Zaawansowany układ odzysku energii przedstawiony na rys. 5 składa się z kotła utylizacyjnego, turbiny parowej, turbiny spalinowej mocy zwrotnej, prądnicy synchronicznej napędzanej przez te turbiny oraz prądnicy wałowej pracującej na wspólną sieć elektroenergetyczną statku z niezależnymi zespołami prądotwórczymi. Wirnik spalinowej turbiny mocy zwrotnej sprzęgnięty z wirnikiem turbiny parowej, poprzez układ przeniesienia napędu (przekładnię i sprzęgło) napędza prądnicę synchroniczną. Turbina parowa zasilana jest parą przegrzaną z kotła utylizacyjnego. Zastosowanie prądnicy wałowej zwiększa sprawność systemu energetycznego statku. Po raz pierwszy takie rozwiązanie zostało zastosowane na kontenerowcu m/v Gudrun Maersk [16]. Rys. 5. Zaawansowany układ odzysku energii [16] Zastosowanie układu kombinowanego z turbiną spalinową i parową znacznie podwyższa jego efektywność i niezawodność. Dzięki zwiększeniu ilości wytworzonej energii elektrycznej przy obciążeniach silnika głównego powyżej 50% mocy nominalnej, sprawność układu wzrasta nawet o 10%. Jedną z możliwości dalszej poprawy efektywności odzysku większej ilości ciepła może być zastosowanie kotła fluidalnego, zapewniającego znacznie mniejsze powierzchnie wymia- 8 AUTOBUSY
ny ciepła w porównaniu z kotłami konwencjonalnymi [3], przyjęcie wielociśnieniowych układów parowych oraz zastosowanie obiegów parowych z organicznymi czynnikami niskowrzącymi ORC [11]. PODSUMOWANIE Istnieje wiele możliwych rozwiązań układów napędowych statków, w których występują turbiny parowe lub turbinowe silniki spalinowe jako napęd podstawowy. Obecnie dominujący udział stanowią jednak układy, w których turbiny wykorzystywane są do napędu sprężarek doładowujących tłokowe silniki spalinowe. Rośnie też zainteresowanie rozwiązaniami napędów okrętowych, w których wykorzystywane są zarówno gazowe jak i parowe utylizacyjne turbiny mocy zwrotnej, wykorzystujące energię odpadową tłokowych silników spalinowych, wspomagające napęd główny. Dzięki nim możliwa jest dalsza poprawa efektywności ekonomicznej siłowni okrętowych. Po ponad stu latach obecności na morzu, turbiny są nadal atrakcyjną, wiarygodną i konkurencyjną alternatywą dla innych rodzajów napędu głównego i elementów układu energetycznego statku. BIBLIOGRAFIA 1. Adamkiewicz A.: Podręcznik maszynisty okrętowych turbinowych silników spalinowych. Dowództwo Marynarki Wojennej, Gdynia 1986. 2. Adamkiewicz A., Wietrzyk B.: The efficiency of exhaust power gas turbine application in marine power plant systems. Journal of POLISH CIMAC. Energetic Aspects. Vol. 4, No.1. Gdańsk University of Technology, Gdańsk, 2009, pp. 7-16. 3. Adamkiewicz A., Zeńczak W.: Układ energetyczny z kotłem fluidalnym jako alternatywa dla współczesnych rozwiązań siłowni gazowców. Rynek Energii nr 4 (83), Wydawca KA- PRINT, Lublin, sierpień 2009, s. 32-38. 4. Arai M., Sugimoto T., Imai K., Miyaji H., Nakanishi K., Hamachi Y.: Research and Development of Gas Turbine for Next-Generation Marine Propulsion System (Super Marine Gas Turbine). Proceedings of the International Gas Turbine Congress 2003 Tokyo November 2-7, 2003. 5. Behrendt C., Adamkiewicz A., Krause P.: Turboprądnica utylizacyjna na parę nasyconą jako alternatywne źródło energii elektrycznej w systemie odzyskiwania energii wtórnej statku. XXVII Sympozjum Siłowni Okrętowych. Wybrane Problemy Projektowania i Eksploatacji Siłowni Okrętowych. Politechnika Szczecińska. Szczecin 2006, s. 19-30. 6. Behrendt C., Adamkiewicz A., Krause P.: Dostępność energii odpadowej w układach energetycznych statków morskich z utylizacyjnymi kotłami parowymi. Prace Naukowe. Monografie. Konferencje. Zeszyt 16. Politechnika Śląska, Instytut Maszyn i Urządzeń Energetycznych. Gliwice 2006, s. 29-48. 7. Kosowski K.: Ship Turbine Power Plants. Fundation for the Promotion of Maritime Industry. Gdańsk University of Technology, Gdańsk 2005. 8. Kowalski A.: Okrętowe turbozespoły spalinowe. Wydawnictwo Morskie, Gdańsk 1986. 9. Michalski R.: Ocena termodynamiczna okrętowych systemów utylizacji energii odpadowej spalin. Zeszyty Naukowe nr 66 Wyższej Szkoły Morskiej w Szczecinie. Szczecin 2002. 10. Michalski R.: Porównawcza analiza termodynamiczna obiegu Braytona i Clausiusa- Rankine a w okrętowych systemach utylizacji energii odpadowej spalin. Materiały XXII Sympozjum Siłowni Okrętowych. Politechnika Szczecińska. Szczecin 2002. 11. Michalski R.: Procesy ORC w okrętowych systemach utylizacji energii odpadowej. Materiały XXVI Sympozjum Siłowni Okrętowych. Akademia Morska Gdynia 2005. AUTOBUSY 9
12. Michalski R.: Wybrane aspekty oceny efektywności ekonomicznej rozwiązań systemów utylizacyjnych energii odpadowej w siłowniach motorowych. XXVII Sympozjum Siłowni Okrętowych. Wybrane Problemy Projektowania i Eksploatacji Siłowni Okrętowych. Politechnika Szczecińska. Szczecin 2006, s.103-111. 13. Urbański P.: Dwa wieki napędu mechanicznego statków. Marpress, Gdańsk 1997, str.76-92, 148-157. 14. Strona internetowa ABB: www.abb.com 15. Strona internetowa www.geae.com/engines/marine 16. Strona internetowa MAN: www.man.com 17. Strona internetowa WARTSILA: www.wartsila.com APPLICATION OF HEAT TURBO MACHINES IN NEW ENERGY TECHNOLOGIES ON MARITIME MEANS OF TRANSPORT Abstract This paper presents an overview of traditional applications of heat turbo machines in ship propeller and motor power units. Differences between them, resulting from their specific cooperation with energy receivers in a ship power unit, have been pointed out. With these as a background, new units for residual energy conversion containing heat turbo machines have been presented. Praca naukowa finansowana ze środków na naukę w latach 2009-2012 jako projekt badawczy własny nr N N509 404536. Recenzent: dr hab. inż. Grzegorz Koralewski, prof. WSEI Autorzy: dr hab. inż. Andrzej ADAMKIEWICZ - Akademia Morska w Szczecinie dr inż. Ryszard MICHALSKI - Akademia Morska w Szczecinie 10 AUTOBUSY