Wat is een aftapstoomturbine en waar wordt deze gebruikt?

Een aftapstoomturbine produceert mechanisch vermogen of elektriciteit en leidt tegelijkertijd een deel van de stoomstroom af bij een of meer tussenliggende trappen. De afgetapte stoom kan warmte leveren voor een industrieel proces, een stadsverwarmingsnet of apparatuur in de elektriciteitscentrale zelf. De stoom die in de turbine blijft, zet verder uit en produceert extra vermogen.

Het belangrijkste onderscheid is dat er bij aftapstoom een stoomuitlaat vóór de laatste uitlaat van de turbine is. Zo kan naast vermogen ook bruikbare warmte worden geleverd, maar verandert ook de hoeveelheid stoom die verderop nog vermogen kan opwekken. Of deze configuratie voordelen biedt, hangt vooral af van de stoombehoefte op de locatie en van hoe die behoefte in de tijd varieert.

Hoe werkt een aftapstoomturbine?

Stoom komt de turbine binnen met een relatief hoge druk en temperatuur. Terwijl de stoom achtereenvolgens door de schoepenrijen stroomt, zet deze uit en draagt energie over aan de roterende as. De as kan een generator of mechanische apparatuur, zoals een compressor of pomp, aandrijven.

Bij een gekozen tussenliggende trap verlaat een deel van de stoom de turbine via een aftapaansluiting. De druk en temperatuur zijn afhankelijk van het aftappunt en de bedrijfsomstandigheden. De resterende stoom stroomt verder door de volgende trappen totdat deze de turbine-uitlaat bereikt.

Neem een installatie die elektriciteit en stoom van gemiddelde druk nodig heeft voor een productieproces. In plaats van alle ketelstoom door de turbine tot de laagste druk te leiden, kan de installatie een deel ervan aftappen bij een tussenliggende druk die geschikt is voor het proces. De afgetapte stoom geeft warmte af in procesapparatuur, waarna het condensaat kan worden opgevangen en, waar de omstandigheden dat toelaten, naar het ketelsysteem kan worden teruggevoerd.

Aftappen creëert geen extra energie. Stoom die vóór de laatste turbinetrappen wordt afgetapt, kan daar niet het vermogen opwekken dat deze anders zou hebben geproduceerd. Het potentiële voordeel ontstaat doordat de resterende thermische energie van de afgetapte stoom wordt benut in plaats van als afvalwarmte te worden behandeld.

Geregelde en ongeregelde aftap

Niet elk aftappunt werkt op dezelfde manier. Bij eengeregelde aftap regelen kleppen en turbinebesturingen de omstandigheden rond het aftappunt, zodat een bepaalde stoomdruk behouden blijft wanneer de vraag verandert. Dit kan nuttig zijn wanneer een proces een relatief stabiele toevoerdruk vereist. Het haalbare aftapdebiet en de aftapdruk blijven afhankelijk van het turbineontwerp en de bedrijfsgrenzen ervan.

Bij eenongeregelde aftap wordt stoom uit een tussenliggende trap afgetapt zonder dat de aftapdruk specifiek wordt geregeld. Die druk verandert met de turbinebelasting en de stoomstroom. Ongeregelde aftap kan geschikt zijn wanneer de aangesloten apparatuur deze veranderingen aankan, zoals bij sommige configuraties voor voedingswatervoorverwarming.

Een turbine kan meer dan één aftappunt hebben, waarmee stoom op verschillende drukniveaus wordt geleverd. Elke extra aansluiting moet echter passen binnen de totale stoombalans en het regelsysteem. Er mag niet van worden uitgegaan dat elk aftappunt een onafhankelijk geregelde druk kan leveren.

Aftap-condensatie- en aftap-tegendrukturbines

Aftappen beschrijft waar stoom uit de turbine wordt afgevoerd; op zichzelf zegt het niets over wat er gebeurt met de resterende stoom. Twee veelvoorkomende configuraties verschillen in de omstandigheden bij de uiteindelijke uitlaat.

Eenaftap-condensatieturbine leidt de resterende stoom door lagedruktrappen en vervolgens naar een condensor. Onder normale condensatieomstandigheden werkt de condensor onder de atmosferische druk, waardoor verdere expansie mogelijk is en de niet-afgetapte stoom dus meer vermogen kan opwekken. Een koelsysteem is nodig om warmte uit de condensor af te voeren.

Eenaftap-tegendrukturbine voert de resterende stoom af bij een druk boven de atmosferische druk voor verwarmings- of procesdoeleinden, in plaats van deze naar een vacuümcondensor af te voeren. De turbine kan dus stoom leveren via een tussenliggend aftappunt en via de turbine-uitlaat. De vermogensproductie hangt nauw samen met de hoeveelheid stoom die de aangesloten warmteverbruikers kunnen afnemen, tenzij het bredere systeem een andere geschikte stoomafvoer biedt.

Deze categorieën zijn handig bij het beoordelen van apparatuur­beschrijvingen. Het assortimentStoomturbines omvat bijvoorbeeld zowel aftap-condensatie- als aftap-tegendrukconfiguraties. Dit onderscheid is van belang omdat een installatie met een lagedrukprocesuitlaat een andere stoomsysteemconfiguratie nodig heeft dan een installatie die op een condensor is gebaseerd.

Waarvoor wordt afgetapte stoom gebruikt?

De bekendste toepassing iswarmtekrachtkoppeling, waarbij hetzelfde stoomsysteem zowel elektriciteitsopwekking als nuttige verwarming ondersteunt. Aftappen wordt ook binnen elektriciteitscentrales toegepast, zelfs wanneer er geen stoom aan een extern industrieel proces wordt geleverd.

• Pulp en papier: Stoom kan worden gebruikt voor toepassingen zoals drogen en andere procesverwarming, terwijl de turbine vermogen levert. De vereiste aftapdruk hangt af van het stoomnetwerk en de bedrijfsomstandigheden van de papierfabriek.
• Chemische en raffinage-installaties: Stoom op gemiddelde druk kan worden gebruikt voor verwarming en andere procesbehoeften. Mogelijk zijn meerdere drukniveaus nodig, waardoor de stoombalans van de locatie van belang is voor het turbineontwerp.
• Voedingsmiddelen- en drankenproductie: Afgetapte stoom kan worden gebruikt voor verwarming, koken, drogen of reinigen wanneer een geschikt stoomsysteem beschikbaar is. Voor elke toepassing moet rekening worden gehouden met de eisen aan de stoomkwaliteit en de scheiding van het product.
• Stadsverwarming: Afgetapte stoom kan in warmtewisselaars water verwarmen voor distributie naar gebouwen. De warmtevraag varieert met het weer en de seizoenen, wat zowel het aftapdebiet als de elektriciteitsproductie beïnvloedt.
• Elektriciteitscentrales: Stoom die uit tussenliggende trappen wordt afgetapt, kan ketelvoedingswater verwarmen voordat het naar de stoomgenerator wordt teruggevoerd. Deze regeneratieve verwarming verbetert het thermodynamische rendement van de stoomcyclus, hoewel er daardoor minder stoom beschikbaar is voor de verdere turbinetrappen.
• Biomassa-, afvalenergie- en restwarmtesystemen: Wanneer deze bronnen geschikte stoom produceren, kan aftapstoom zowel een warmteverbruiker als de elektriciteitsopwekking ondersteunen. De waarde van deze configuratie hangt af van de betrouwbaarheid en timing van zowel de stoombron als de warmtevraag.

Voor deze toepassingen is aftap niet voor elke installatie nodig. Een installatie zonder praktisch gebruik voor stoom op gemiddelde druk heeft mogelijk weinig reden om stoom uit de turbine af te tappen. Een locatie met een aanzienlijke warmtevraag kan daarentegen baat hebben bij het overwegen van aftap als onderdeel van het totale stoom- en elektriciteitssysteem.

Welke factoren bepalen of aftap geschikt is?

Stoomdruk en -temperatuur zijn bepalend voor de turbineconfiguratie. De beoogde warmteverbruiker moet stoom ontvangen onder omstandigheden die geschikt zijn voor het gebruik, rekening houdend met drukverliezen in leidingen en regelapparatuur. Een aftappunt kiezen alleen omdat het op een turbine beschikbaar is, kan ertoe leiden dat het proces onvoldoende druk of onnodig hoogwaardige stoom krijgt.

Warmtevraag en elektriciteitsvraag moeten samen worden beoordeeld. Als de vraag naar processtoom stijgt, kan er meer stoom worden afgetapt en blijft er minder over om in de stroomafwaartse trappen vermogen op te wekken. Als de warmtevraag daalt, moet het systeem de veranderde stroom kunnen verwerken. Een aftap-condensatie-eenheid kan binnen de ontwerpgrenzen geschikte stoom naar de condensor blijven leiden; een tegendrukconfiguratie vereist een geschikt gebruik of een andere voorziening voor de uitlaatstoom.

Variaties in bedrijf zijn net zo belangrijk als het ontwerppunt. Productieschema's, seizoensgebonden verwarmingsbelastingen, ketelvermogen en de vraag naar elektriciteit kunnen allemaal veranderen. De minimale en maximale aftapdebieten, het bereik van de drukregeling, de belastingsgrenzen van de turbine en de startomstandigheden helpen bepalen of de configuratie de locatie onder al deze omstandigheden kan bedienen.

Condensaat- en koelvoorzieningen beïnvloeden het hele systeem. Het terugwinnen van schoon condensaat kan de behoefte aan suppletiewater verminderen en warmte besparen, maar de retourvoorzieningen zijn afhankelijk van de procesomstandigheden en het risico op verontreiniging. Een condensatieturbine vereist ook een geschikt koel- en condensaatverwerkingssysteem. Met deze vereisten moet rekening worden gehouden naast het potentieel voor een hogere elektriciteitsproductie.

Een aftapturbine kan daarom het best worden gezien als een manier om stoomenergie te verdelen over elektriciteitsopwekking en een of meer nuttige warmtetoepassingen. De geschiktheid hangt niet alleen af van de turbine, maar ook van de druk, debieten, bedrijfsschema's en aangesloten apparatuur van het volledige stoomsysteem.