Stoomturbine en stroomopwekking

Stoomturbine en stroomopwekking

Een stoomturbine is een mechanisch apparaat dat thermische energie van de stoom onder druk omzet in nuttig mechanisch werk. Het is het hart van een elektriciteitscentrale. Het heeft een hogere thermodynamische efficiëntie en een lagere vermogen-gewichtsverhouding. Het ontleent het grootste deel van zijn thermodynamische efficiëntie aan het gebruik van meerdere fasen bij de expansie van de stoom, wat resulteert in een dichtere benadering van het ideale omkeerbare proces. Stoomturbines zijn een van de meest veelzijdige en oudste aandrijftechnologieën die worden gebruikt om een ​​generator aan te drijven. Stroomopwekking met stoomturbines wordt al meer dan 100 jaar gebruikt. Een turbogenerator is de combinatie van een turbine die direct is aangesloten op een generator voor het opwekken van elektrisch vermogen. Grote stoomgeneratoren leveren het grootste deel van de elektrische stroom.

Stoomturbines zijn ideaal voor zeer grote vermogensconfiguraties die worden gebruikt in energiecentrales vanwege hun hogere efficiëntie en lagere kosten. In een elektriciteitscentrale is de stoomturbine bevestigd aan een generator om elektrische stroom op te wekken. De turbine fungeert als de meer mechanische kant van het systeem door de roterende beweging voor de generator te leveren, terwijl de generator als de elektrische kant fungeert door de wetten van elektriciteit en magnetisme te gebruiken om elektrisch vermogen te produceren.

In een stoomturbine is de rotor het draaiende onderdeel waaraan wielen en bladen zijn bevestigd. Het mes is het onderdeel dat energie uit de stoom haalt. Een typisch schematisch diagram van een op fossiele brandstof gebaseerde elektriciteitscentrale op basis van stoomturbines voor elektriciteitsopwekking wordt gegeven in figuur 1

 Fig 1 Schematisch diagram voor stroomopwekking op basis van stoomturbines

Het energieconversieproces

Stoom heeft de volgende drie componenten van energiecomponenten

• Kinetische energie –  vanwege zijn snelheid
• Drukenergie – vanwege de druk
• Interne energie – dankzij de temperatuur

De laatste twee componenten van energie samen staan ​​​​bekend als enthalpie. De totale energie van stoom kan worden weergegeven als de som van kinetische energie en enthalpie.

Energieopwekking met stoomturbine omvat drie energieomzettingen, het extraheren van thermische energie uit de brandstof en gebruiken om stoom te verhogen, het omzetten van de thermische energie van de stoom in kinetische energie in de turbine en het gebruik van een roterende generator om de mechanische energie van de turbine om te zetten in elektrische energie .

Stoom onder hoge druk wordt naar de turbine gevoerd en gaat langs de machine-as door meerdere rijen afwisselend vaste en bewegende bladen. Vanaf de stoominlaatpoort van de turbine naar het uitlaatpunt worden de schoepen en de turbineholte steeds groter om de uitzetting van de stoom mogelijk te maken.

De stationaire bladen fungeren als mondstukken waarin de stoom uitzet en naar buiten komt met een hogere snelheid maar met een lagere druk (Bernoulli's principe van behoud van energie, namelijk dat kinetische energie toeneemt naarmate de drukenergie daalt). Als de stoom inslaat op de bewegende bladen, geeft het een deel van zijn kinetische energie af aan de bewegende bladen.

Turbines kunnen van het condenserende, niet-condenserende, opwarm-, extractie- of inductietype zijn. Condensatieturbines worden vaak gebruikt in elektriciteitscentrales. Deze turbines voeren stoom af in gedeeltelijk gecondenseerde toestand, typisch van een kwaliteit van bijna 90%, bij een druk die ver onder de atmosferische druk ligt naar een condensor. Niet-condenserende turbines zijn ook bekend als tegendrukturbines en worden het meest gebruikt voor processtoomtoepassingen. De uitlaatdruk wordt geregeld door een regelklep om te voldoen aan de behoeften van de processtoomdruk. Deze worden vaak gebruikt in industrieën waar grote hoeveelheden lagedrukprocesstoom nodig zijn. Naverwarmingsturbines worden ook bijna uitsluitend gebruikt in elektriciteitscentrales. In een heropwarmturbine verlaat de stoomstroom een ​​hogedrukgedeelte van de turbine en wordt teruggevoerd naar de ketel waar extra oververhitting wordt toegevoegd. De stoom gaat dan terug naar een middendrukgedeelte van de turbine en zet zijn expansie voort. In een extractieturbine wordt stoom onttrokken aan een of meer trappen, bij een of meer drukken, voor verwarmings-, installatieproces- of voedingswaterverwarmingsbehoeften. Deze turbines worden ook wel ontluchtingsturbines genoemd. Extractiestromen kunnen worden geregeld met een klep of ongecontroleerd worden gelaten. Inductieturbines introduceren lagedrukstoom in een tussenfase om extra vermogen te produceren.
Er zijn twee basistypen stoomturbines, namelijk impulsturbines en reactieturbines. De bladen zijn ontworpen om de snelheid, richting en druk van de stoom te regelen terwijl deze door de turbine gaat.

In het impulsontwerp draait de rotor door de kracht van de stoom op de bladen, terwijl het reactieontwerp werkt volgens het principe dat de rotor zijn rotatiekracht ontleent aan de stoom die de bladen verlaat.

Om de efficiëntie van de turbine te maximaliseren, wordt de stoom in een aantal fasen geëxpandeerd, waarbij werk wordt gegenereerd. Deze fasen worden gekenmerkt door hoe de energie eruit wordt gehaald en staan ​​bekend als impuls- of reactieturbines. De meeste stoomturbines gebruiken een mengsel van de reactie- en impulsontwerpen. Elke trap gedraagt ​​zich als de een of de ander, maar de totale turbine gebruikt beide. Meestal zijn secties met hogere druk van het impulstype en zijn fasen met lagere druk van het reactietype.
Een impulsturbine heeft vaste mondstukken die de stoomstroom in hogesnelheidsstralen oriënteren. Deze jets bevatten aanzienlijke kinetische energie, die wordt omgezet in asrotatie door de emmervormige rotorbladen, wanneer de stoomstraal van richting verandert. Een drukval treedt alleen op over de stationaire bladen, met een netto toename van de stoomsnelheid over het podium. Terwijl de stoom door het mondstuk stroomt, daalt de druk van de inlaatdruk naar de uitlaatdruk (atmosferische druk, of meer gebruikelijk, het condensorvacuüm). Door deze hoge expansieverhouding van stoom verlaat de stoom het mondstuk met een zeer hoge snelheid. De stoom die de bewegende bladen verlaat, heeft een groot deel van de maximale snelheid van de stoom bij het verlaten van het mondstuk. Het energieverlies als gevolg van deze hogere uitgangssnelheid wordt gewoonlijk de overdrachtssnelheid of uittredingsverlies genoemd.

In de reactieturbine zijn de rotorbladen zelf gerangschikt om convergerende mondstukken te vormen. Dit type turbine maakt gebruik van de reactiekracht die wordt geproduceerd wanneer de stoom versnelt door de mondstukken die door de rotor worden gevormd. Stoom wordt op de rotor geleid door de vaste schoepen van de stator. Het verlaat de stator als een straal die de hele omtrek van de rotor vult. De stoom verandert dan van richting en verhoogt zijn snelheid ten opzichte van de snelheid van de bladen. Er treedt een drukval op over zowel de stator als de rotor, waarbij stoom versnelt door de stator en vertraagt ​​door de rotor, zonder netto verandering in stoomsnelheid over de trap maar met een afname van zowel druk als temperatuur, als gevolg van het werk dat in de aandrijving van de rotor.

De twee soorten turbines worden getoond in figuur 2.

 Fig 2 Typen turbine

Het diagram in figuur 3 vat een stoomturbinecyclus van een ketel samen.

Fig 3 Een eenvoudige stoomturbinecyclus van een ketel

De stoomturbine werkt volgens basisprincipes van thermodynamica met behulp van de Rankine-cyclus zoals weergegeven in figuur 4. Na het verlaten van de ketel komt oververhitte damp de turbine binnen bij hoge temperatuur en hoge druk. De stoom met hoge warmte/druk wordt omgezet in kinetische energie met behulp van een mondstuk (een vast mondstuk in een turbine van het impulstype of de vaste bladen in een turbine van het reactietype). Zodra de stoom het mondstuk heeft verlaten, beweegt het met hoge snelheid en wordt het naar de bladen van de turbine gestuurd. Door de druk van de damp op de bladen ontstaat er een kracht op de bladen waardoor ze gaan bewegen. Een generator of ander dergelijk apparaat kan op de as worden geplaatst en de energie die in de damp zat, kan nu worden opgeslagen en gebruikt. Het gas verlaat de turbine als een verzadigde damp met een lagere temperatuur en druk dan waarmee het binnenkwam en wordt naar de condensor gestuurd om te worden gekoeld.

Fig 4 T-s-diagram van een Rankine-cyclus

De uitlaatstoom van de turbine wordt gecondenseerd tot water in de condensor die de latente verdampingswarmte uit de stoom haalt. Dit zorgt ervoor dat het volume van de stoom naar nul gaat, waardoor de druk drastisch wordt verlaagd tot bijna vacuümomstandigheden, waardoor de drukval over de turbine toeneemt, waardoor de maximale hoeveelheid energie uit de stoom kan worden gehaald. Het condensaat wordt vervolgens als voedingswater terug in de ketel gepompt om opnieuw te worden gebruikt.

De gouverneur is een apparaat dat de snelheid van de turbine regelt. De snelheidsregeling van een turbine met een regelaar is noodzakelijk, aangezien de turbine langzaam moet worden opgestart om schade te voorkomen en de opwekking van elektrische wisselstroom een ​​nauwkeurige snelheidsregeling vereist. Ongecontroleerde versnelling van de turbinerotor kan leiden tot een te hoge snelheid, waardoor de mondstukkleppen die de stoomstroom naar de turbine regelen, sluiten. Als dit niet lukt, kan de turbine blijven versnellen totdat hij uit elkaar valt, vaak catastrofaal. Moderne turbines hebben een elektronische regelaar die een sensor gebruikt om de turbinesnelheid te monitoren door naar de rotortanden te 'kijken'.

De stoomturbine drijft een generator aan, die de mechanische energie omzet in elektrische energie. De generator is een roterende veldsynchrone machine. De stoomturbines zijn direct gekoppeld aan hun generatoren. De generatoren moeten draaien met constante synchrone snelheden in overeenstemming met de frequentie van het elektrische energiesysteem. De meest gebruikelijke snelheid is 3.000 RPM voor een voedingssysteem met een frequentie van 50 Hz. De energieconversie-efficiëntie van deze generatoren met hoge capaciteit kan oplopen tot 98% of 99% voor een zeer grote machine.