Waarom een impulstoomturbine vermogen verliest wanneer de stoomdruk daalt

Een impulstoomturbine verliest vermogen wanneer een dalende inlaatdruk de stoomstroom, de beschikbare energie voor expansie of beide vermindert. Hierdoor neemt het koppel op de as af. Het toerental kan aanvankelijk gelijk blijven doordat de regelaar de regelklep verder opent, een generator die op het elektriciteitsnet is aangesloten op synchrone snelheid blijft draaien, of de roterende delen tijdelijk energie leveren terwijl ze vertragen.

Een drukdaling verdient daarom aandacht, ook voordat het toerental verandert. Het effect hangt af van de plaats waar de druk wordt gemeten, de stoomtemperatuur, de uitlaatdruk en de resterende capaciteit van de regelklep. De eerste operationele vraag is of de turbine de vereiste belasting nog binnen de goedgekeurde bedrijfsgrenzen kan leveren.

Hoe een lagere druk het asvermogen vermindert

In een impulstrap expandeert stoom voornamelijk in stationaire straalpijpen, waar een deel van de beschikbare energie wordt omgezet in snelheid. De bewegende schoepen onttrekken arbeid door de richting en impuls van die stoom te veranderen. Een lagere druk kan dit proces via twee afzonderlijke mechanismen verzwakken: er stroomt minder stoom door de straalpijpen en per kilogram kan er minder energie beschikbaar zijn om in arbeid om te zetten.

Er bereikt minder stoom de schoepen

Bij een vaste straalpijpdoorsnede onder kritische stromingsomstandigheden is de massastroom van stoom sterk afhankelijk van de absolute druk direct vóór de straalpijpen, evenals van de temperatuur en de eigenschappen van de stoom. Kritische stroming houdt in dat veranderingen in de benedenstroomse druk de massastroom niet langer op dezelfde manier regelen; de stroming wordt daardoor niet onafhankelijk van de bovenstroomse druk.

Als de inlaatdruk van de straalpijpen daalt terwijl de temperatuur ongeveer gelijk blijft, neemt de massastroom doorgaans af. Zelfs als de stoomstraal relatief snel blijft, bereikt er per seconde minder massa de schoepen, waardoor de impulsoverdracht die het koppel opwekt afneemt. Een regelaar kan dit compenseren door de toelatingsklep verder te openen, maar alleen zolang er voldoende klepcapaciteit en stoomtoevoer beschikbaar zijn.

Er kan minder expansie-energie beschikbaar zijn

De beschikbare expansie-energie hangt af van zowel de inlaatcondities als de uitlaatdruk. Wanneer de inlaatdruk daalt terwijl de uitlaatdruk gelijk blijft, neemt het beschikbare isentrope enthalpieverschil doorgaans af. De straalpijpen kunnen dan een lagere straalsnelheid produceren en de schoepen kunnen minder energie aan elke kilogram stoom onttrekken.

De drukverhouding helpt de richting van de verandering te verklaren, maar kan op zichzelf het vermogensverlies niet vaststellen. De stoomtemperatuur is van belang en alleen drukmetingen bepalen de thermodynamische toestand bij de inlaat niet. Voor drukberekeningen zijn bovendien absolute waarden nodig; het delen van manometerdrukken kan een misleidende verhouding opleveren.

Een bruikbare relatie voor de bedrijfsvoering is dat het asvermogen afhankelijk is van de massastroom van stoom vermenigvuldigd met de nuttig onttrokken energie per massa-eenheid. Als beide afnemen, versterken de effecten elkaar. Er bestaat geen betrouwbare universele regel waarbij een bepaald percentage daling van de inlaatdruk leidt tot hetzelfde percentage vermogensverlies.

Ook het rendement van de schoepen kan veranderen. Bij een constant rotortoerental verandert een lagere straalpijpsnelheid de verhouding tussen de schoepensnelheid en de stoomsnelheid. Hierdoor wijkt de trap af van de ontwerpverhouding tussen die snelheden, wat het rendement verder kan verlagen. De omvang hiervan hangt af van het turbineontwerp en het bedrijfspunt.

Waarom een constant toerental een dalende opbrengst kan verhullen

Bij een generator die op een stabiel elektriciteitsnet is aangesloten, blijft het turbinetoerental gekoppeld aan de netfrequentie. Een lager stoomkoppel uit zich normaal gesproken in een lager elektrisch vermogen terwijl het toerental vrijwel constant blijft. Operators moeten daarom het actieve vermogen volgen naast de inlaatdruk en de klepstand. Een constante toerentalindicatie bewijst niet dat de turbine haar opbrengst handhaaft.

Bij een turbine die een pomp of compressor aandrijft, kan de regelaar aanvankelijk het toerental handhaven door de stoomtoevoer te verhogen. Een nuttig waarschuwingssignaal is vaak een toenemende klepstand zonder noemenswaardige verbetering van de geleverde belasting. Zodra de klep haar effectieve toevoerlimiet bereikt, kan de turbine bij verder drukverlies hetzelfde bedrijfspunt niet langer handhaven.

Een verder geopende klep bewijst op zichzelf niet dat er voldoende stoom de straalpijpen bereikt. Het regelsysteem kan een grotere klepopening aansturen terwijl een actuatorstoring, een verstopte zeef, een beperking in de toevoer of een gedeeltelijk gesloten bovenstroomse klep de verwachte toename van de stroming verhindert. Vergelijk, indien de instrumentatie dit toelaat, de aangestuurde positie, de werkelijke positie en de drukken over het toevoertraject.

Ook het gedrag van de aangedreven apparatuur is van belang. Een lagere belasting kan het toerental constant houden ondanks een afgenomen turbinevermogen. Omgekeerd kan een stijgende vraag van een compressor of pomp tegelijkertijd met een stoomdrukverstoring een daling van het toerental veroorzaken. Volg het aangedreven proces samen met de turbine om deze effecten van elkaar te onderscheiden.

Lokaliseer het drukverlies voordat u instellingen wijzigt

Begin met een tijdgesynchroniseerde registratie van de druk in de toevoerheader, de turbinetoevoerdruk, de stoomtemperatuur, de uitlaatdruk, de stoomstroom, de klepstand, het toerental en de geleverde belasting. Gebruik bestaande instrumenten en goedgekeurde bedrijfsprocedures. Controleer de locaties van de sensoren en of de aangegeven druk vóór of na de regelklep wordt gemeten; die metingen beantwoorden verschillende vragen.

• De druk in de header en aan de turbine-inlaat daalt gelijktijdig: onderzoek de capaciteit voor stoomopwekking, concurrerende stoomvraag, drukreduceerapparatuur en veranderingen in het toevoersysteem. Een verstoring in de gemeenschappelijke toevoer wordt waarschijnlijker.
• De headerdruk blijft stabiel, maar de turbine-inlaatdruk daalt: onderzoek het toevoertraject. Controleer de stand van afsluiters, zeven, de werking van de regelklep en drukverliezen in leidingen. Vergelijk de omstandigheden bij vergelijkbare stoomstromen, omdat het drukverlies over een vernauwing verandert met de stroming.
• De inlaatdruk blijft stabiel terwijl de uitlaatdruk stijgt: minder expansie-energie kan het opbrengstverlies verklaren. Onderzoek bij een condensing-turbine de condensorcondities en de werking van het vacuümsysteem. Onderzoek bij een tegendrukturbine de ontvangende stoomheader en de vraag aan de benedenstroomse zijde.
• Druk en temperatuur lijken stabiel terwijl de opbrengst daalt: breid het onderzoek uit naar de werkelijke stoomstroom, de terugkoppeling van de klep, de belasting van de aangedreven apparatuur en de toestand van de turbine. Stabiele meetwaarden op één locatie sluiten een beperking in de toevoer of inwendig niet uit.

De volgorde van gebeurtenissen helpt de oorzaak te achterhalen. Een daling van de headerdruk, gevolgd door een grotere klepopening en een lagere opbrengst, wijst op een beperking in de toevoer. Een verandering van het klepcommando die voorafgaat aan de drukdaling kan wijzen op een regelreactie of een belastingsverandering. Houd rekening met de responstijden van instrumenten voordat u een klein tijdsverschil als doorslaggevend beschouwt.

Als de verstoring volgde op onderhoud of een wijziging van de opstelling, controleer dan eerst de betrokken apparatuur. Bevestig de klepstanden en de beschikbaarheid van instrumenten volgens de procedures van de locatie. Open geen aftappen, bypasses of aansluitingen onder druk alleen om een veronderstelling te testen.

Controleer de temperatuur, de uitlaatcondities en de bedrijfsgrenzen

Een drukdaling die gepaard gaat met een temperatuurdaling kan het turbinevermogen sterker verminderen dan op basis van alleen de druk wordt verwacht. Beoordeel beide meetwaarden aan de hand van de gespecificeerde stoomcondities aan de inlaat. De inlaatdruk en -temperatuur samen kunnen aangeven of de oververhittingsmarge afneemt, maar bepalen op zichzelf niet de toestand van de stoom in het volledige expansietraject.

Vermoedelijke watermeesleuring, abnormale trillingen, ongebruikelijke geluiden of instabiele werking vereisen aandacht volgens de bedrijfsinstructies van de turbine. Herstel van de headerdruk lost een probleem met de stoomkwaliteit niet op. Controleer de relevante afscheiders, afvoerconfiguraties en ketel- of stoomconditioneringscondities volgens de vastgestelde procedures.

Ook de uitlaatdruk verdient aandacht. Herstel van de inlaatdruk kan weinig verbetering opleveren als het vacuüm in de condensor slecht blijft of de tegendruk in de header hoog blijft. Vergelijk de huidige inlaat- en uitlaatcondities met de prestatiecurves of bedrijfskaart van de fabrikant. Deze bieden een betere basis om de terug te winnen opbrengst te beoordelen dan een veronderstelde omzetting van druk naar vermogen.

Wanneer de toevoercapaciteit uitgeput is, verlaagt u de belasting voor zover de turbine en het aangedreven proces dit toestaan en pakt u de vastgestelde beperking in de toevoer of uitlaat aan. De toerental- of belastingvraag steeds verder verhogen kan geen extra stoomenergie creëren. De toevoerdruk boven de grenzen van de apparatuur verhogen is geen aanvaardbare herstelmaatregel.

Vergelijk de opbrengst nadat de omstandigheden stabiel zijn geworden bij vergelijkbare inlaattemperatuur, uitlaatdruk, toerental en belasting. Als de prestaties terugkeren, ondersteunt dit de conclusie dat de bedrijfsomstandigheden beperkend waren. Blijft er een tekort bestaan, bewaar dan de trendregistratie voor een gericht onderzoek van de instrumentatie, klepbeweging, vernauwingen en inwendige toestand. Die vergelijking bepaalt of de volgende stap betrekking heeft op de stoomsysteemvoering, het onderhoud van de regeling of de inspectie van de turbine.