Stoomturbine Technologie: Drijfveer van Efficiënte Energieopwekking

Een stoomturbine is een mechanisch apparaat dat thermische energie van persstoom omzet in nuttig mechanisch werk. Het is het hart van een elektriciteitscentrale. Het heeft een hogere thermodynamische efficiëntie en een lager vermogen-gewichtsverhouding. De hoge thermodynamische efficiëntie komt door het gebruik van meerdere treppen in de expansie van de stoem, wat resulteert in een nadering aan het ideale omkeerbare proces. Stoomturbines zijn een van de meest veelzijdige en oudste primemover-technologieën om een generator aan te drijven. Energieopwekking met stoomturbines is al meer dan 100 jaar in gebruik. Een turbo-generator is de combinatie van een turbine direct gekoppeld aan een generator voor elektriciteitsopwekking. Grote stoomstroomgeneratoren leveren de meerderheid van de elektriciteit.

Figuur 1: Schematisch diagram voor stoomturbine-gebaseerde energieopwekking

Het Energieomzettingsproces

Stoom heeft drie energiecomponenten:

• Kinetische energie – door snelheid
• Drukenergie – door druk
• Interne energie – door temperatuur

De laatste twee samen heten enthalpie. Totale energie van stoom = som van kinetische energie en enthalpie.

Energieopwekking met stoomturbine omvat drie energietransformaties:

1. Thermische energie uit brandstof extraheren en gebruiken om stoom op te wekken
2. Thermische energie van stoom omzetten in kinetische energie in de turbine
3. Rotatiegenerator omzet turbine's mechanische energie in elektrische energie

Hoge-druk stoom wordt in de turbine gevoerd en passeert langs de machine-as door meerdere rijen afwisselvast vaststaande en bewegende schaufels. Van stoominlaat naar uitlaat zijn schaufels en turbinholte progressief groter voor expansie van de stoom.

De vaste schaufels fungeren als duizen waarin de stoom expandeert en met verhoogde snelheid maar lagere druk uitkomt (Bernoulli's energiewet: kinetische energie stijgt als drukenergie daalt). Als de stoom de bewegende schaufels trifft, overdraagt het een deel van zijn kinetische energie aan de schaufels.

Turbines kunnen zijn: condenserend, niet-condenserend, herverhit, onttrekking, of inductie type.

• Condenserende turbines: algemeen in elektriciteitscentrales. Blazen stoom in deels gecondenseerde toestand (kwaliteit ~90%), bij druk ver onder atmosferisch, naar een condenser.
• Niet-condenserende turbines (backpressure turbines): wijd gebruikt voor processtoom. Uitlaatdruk geregeerd door klep voor procesdrukbehoefte. Algemeen in industrieën met grote hoeveelheden lage-druk processtoom.
• Herverhitte turbines: bijna uitsluitend in elektriciteitscentrales. Stoomstroom verlaat hoge-druk sectie, keert terug naar ketel voor additionele oververhitting, gaat dan naar intermediaire druk sectie voor verdere expansie.
• Onttrekkingsturbines (bleeder turbines): Stoom onttrokken aan een of meer trappen, bij een of meer drukken, voor verwarming, proces, voedwaterverhitters. Onttrekingsstromen met klep geregeld of ongeregeld.
• Inductieturbines: Lagedruk stoom geïntroduceerd op intermediaire trap voor additioneel vermogen.

Twee basistypen: impulsturbines en reactieturbines. Schaufels ontworpen om snelheid, richting en druk van stoom te controleren tijdens passage.

• Impulsontwerp: Rotor draait door kracht van stoom op schaufels.
• Reactieontwerp: Rotor verkrijgt rotatiekracht van stoom bij het verlaten van de schaufels.

Om turbine-efficiëntie te maximaliseren wordt stoom geëxpandeerd in meerdere trappen, werk genererend. Trappen gekenmerkt door hoe energie onttrokken wordt: impuls of reactie. Meeste turbines gebruiken mengsel van beide. Elke trap gedraagt zich als één van beide, maar de turbine gebruikt beide. Typisch: hogere druk secties = impuls type; lagere druk trappen = reactie type.

Impulsturbine

Vaste duizen richten stoomstroom in hoge-snelheid straalen. Deze straalen bevatten significante kinetische energie → asrotatie door emmer-vormige rotor schaufels, door richtingsverandering van stoomstraal. Drukval alleen over vaste schaufels, met netto toename stoomsnelheid over de trap. Stoomstroom door duis: druk daalt van inlaatdruk naar uitlaatdruk (atmosferisch, of condenser vacuüm). Door hoge expansieverhouding verlaat stoom duis met zeer hoge snelheid. Stoom verlatend bewegende schaufels heeft groot deel van max snelheid bij duisuitgang. Energieverlies door deze hogere uitlaatsnelheid = draagover snelheid (carry-over velocity) of verlaatverlies (leaving loss).

Reactieturbine

Rotor schaufels zelf gerangschikt om convergente duizen te vormen. Gebruikt reactiekracht geproduceerd door stoomversnelling door door rotor gevormde duizen. Stoom gericht op rotor door vaste schoven van stator. Verlaat stator als straal die de volledige omtrek van de rotor vult. Stoom verandert richting en verhoogt snelheid relatief aan schaufelsnelheid. Drukval over zowel stator als rotor, met stoomversnelling door stator en vertraging door rotor, geen netto verandering in stoomsnelheid over de trap, maar daling in zowel druk als temperatuur, weerspiegeld werk uitgevoerd in aandrijving rotor.

De twee typen turbines in Figuur 2.

Figuur 2: Typen van turbines

Diagram in Figuur 3 vat een ketel-stoomturbine cyclus samen.

Figuur 3: Eenvoudige ketel-stoomturbine cyclus

De stoomturbine werkt op basis van thermodynamica met de Rankine-cyclus (Figuur 4). Na verlaten ketel treedt oververhitte damp in turbine bij hoge temperatuur/druk. Hoge warmte/druk stoom → kinetische energie via duis (vaste duis in impuls type of vaste schaufels in reactie type). Na duis: hoge snelheid → turbinenschaufels. Kracht op schaufels door dampdruk → beweging. Generator op as → energie opgeslagen/gebruikt. Gas verlaat turbine als verzadigde damp bij lagere temperatuur/druk → condenser voor afkoeling.

Figuur 4: T-s diagram van een Rankine cyclus

Uitlaatstoom uit turbine gecondenseerd tot water in condenser → latente warmte van verdamping onttrokken. Volume stoom → nabij nul, druk dramatisch verminderd tot nabij vacuüm → drukval over turbine vergroot → maximale energie onttrokken. Condensaat teruggepompt naar ketel als voedwater voor hergebruik.

Regelaar (Governor)

Apparaat dat toersnelheid van turbine regelt. Snelheidscontrole met regelaar noodzakelijk: turbine moet langzaam opgestart worden om schade te voorkomen; AC-opwekking vereist nauwkeurige snelheidscontrole. Ongecontroleerde versnelling → oversnelheidstoer → afsluiting duizen die stoomstroom regelen. Mislukt dit → turbine versnelt tot uiteenvallen, vaak catastrofaal. Moderne turbines hebben elektronische regelaar met sensor die toer monitort via 'kijken' naar rotortanden.

De stoomturbine drijft een generator aan om mechanische energie om te zetten in elektrische energie. Generator = roterend veld synchroon machine. Stoomturbines direct gekoppeld aan generators. Generators moeten draaien op constante synchrone snelheden volgens frequentie van elektriciteitsnet. Meest voorkomende snelheid: 3000 RPM voor 50 Hz net. Energieomzettingsefficiëntie van deze hoge capaciteit generators kan 98–99% zijn voor zeer grote machines.