Vad är en avtappningsångturbin och var används den?

En avtappningsturbin för ånga producerar mekanisk kraft eller elektricitet samtidigt som en del av ångflödet leds bort vid ett eller flera mellansteg. Den avtappade ångan kan leverera värme till en industriell process, ett fjärrvärmenät eller utrustning i själva kraftverket. Ångan som blir kvar i turbinen fortsätter att expandera och producerar ytterligare kraft.

Den viktigaste skillnaden är att ångan tappas av före turbinens slutliga utlopp. Det gör det möjligt att ta till vara på värme samtidigt som kraft produceras, men påverkar också hur mycket ånga som återstår för att generera kraft i de nedströms stegen. Om lösningen är fördelaktig beror till stor del på anläggningens ångbehov och hur detta varierar över tid.

Hur fungerar en avtappningsturbin för ånga?

Ånga kommer in i turbinen vid relativt högt tryck och hög temperatur. När den passerar genom flera rader av skovlar expanderar den och överför energi till den roterande axeln. Axeln kan driva en generator eller mekanisk utrustning, till exempel en kompressor eller pump.

Vid ett valt mellansteg lämnar en del av ångan turbinen genom en avtappningsanslutning. Trycket och temperaturen beror på avtappningspunkten och driftförhållandena. Den återstående ångan fortsätter genom de efterföljande stegen tills den når turbinens utlopp.

Tänk på en anläggning som behöver elektricitet och ånga vid medelhögt tryck för en produktionsprocess. I stället för att leda all pannånga genom turbinen till dess lägsta tryck kan anläggningen leda bort en del av ångan vid ett mellantryck som passar processen. Den avtappade ångan avger värme i processutrustningen, och kondensatet som bildas kan samlas upp och återföras till pannsystemet när förhållandena tillåter det.

Avtappning skapar ingen extra energi. Ånga som tas ut före turbinens sista steg kan inte producera den kraft som den annars skulle ha genererat där. Den möjliga nyttan kommer av att använda den avtappade ångans återstående värmeenergi i stället för att behandla den som spillvärme.

Reglerad och oreglerad avtappning

Alla avtappningspunkter fungerar inte på samma sätt. I enreglerad avtappning reglerar ventiler och turbinens styrsystem förhållandena kring avtappningspunkten för att bidra till att hålla ett angivet ångtryck när efterfrågan förändras. Det kan vara användbart när en process kräver en relativt stabil matningstrycksnivå. Det möjliga avtappningsflödet och trycket beror fortfarande på turbinens konstruktion och driftgränser.

I enoreglerad avtappning tas ånga från ett mellansteg utan särskild reglering av avtappningstrycket. Trycket förändras med turbinlasten och ångflödet. Oreglerad avtappning kan vara lämplig när den anslutna utrustningen klarar av dessa variationer, som i vissa arrangemang för matarvattenuppvärmning.

En turbin kan ha mer än en avtappningspunkt som levererar ånga vid olika trycknivåer. Varje ytterligare anslutning måste dock passa in i den övergripande ångbalansen och styrsystemet. Man bör inte utgå från att varje avtappningspunkt kan leverera ett tryck som regleras oberoende av de andra.

Avtappnings- och kondensturbiner samt avtappnings- och mottrycksturbiner

Avtappning beskriver var ångan tas ut ur turbinen; i sig beskriver det inte vad som händer med den återstående ångan. Två vanliga utföranden skiljer sig åt i fråga om de slutliga utloppförhållandena.

Enavtappnings- och kondensturbin leder den återstående ångan genom lågtryckssteg och därefter till en kondensor. Under normala kondensationsförhållanden arbetar kondensorn under atmosfärstryck, vilket möjliggör ytterligare expansion och därmed högre kraftproduktion från den ånga som inte tappas av. Ett kylsystem behövs för att avleda värme från kondensorn.

Enavtappnings- och mottrycksturbin släpper ut den återstående ångan vid ett tryck över atmosfärstrycket för uppvärmning eller processändamål, i stället för att leda den till en vakuumkondensor. Den kan därför leverera ånga både vid en mellanliggande avtappningspunkt och vid turbinens utlopp. Kraftproduktionen är nära kopplad till mängden ånga som de anslutna värmeanvändarna kan ta emot, såvida inte det övergripande systemet har ett annat lämpligt ångutlopp.

Dessa kategorier är användbara vid granskning av utrustningsbeskrivningar. Till exempel omfattar sortimentetÅngturbiner både avtappnings- och kondensturbiner samt avtappnings- och mottrycksturbiner. Skillnaden är viktig eftersom en anläggning som behöver processånga vid lågt tryck har ett annat ångsystem än en anläggning som är utformad kring en kondensor.

Var används avtappad ånga?

Det mest välkända användningsområdet ärkraftvärme, där samma ångsystem används för både elproduktion och nyttig uppvärmning. Avtappning används också i kraftverk, även när ingen ånga levereras till en extern industriprocess.

• Massa- och pappersindustrin: Ånga kan användas för exempelvis torkning och annan processuppvärmning samtidigt som turbinen levererar kraft. Det erforderliga avtappningstrycket beror på brukets ångnät och driftförhållanden.
• Kemiska anläggningar och raffinaderier: Ånga vid mellantryck kan tillgodose behov av uppvärmning och andra processer. Det kan behövas flera trycknivåer, vilket gör anläggningens ångbalans viktig vid konstruktionen av turbinen.
• Livsmedels- och dryckesproduktion: Avtappad ånga kan användas för uppvärmning, kokning, torkning eller rengöring där ett lämpligt ångsystem finns. Krav på ångkvalitet och separation från produkten måste beaktas för varje användningsområde.
• Fjärrvärme: Avtappad ånga kan värma vatten i värmeväxlare för distribution till byggnader. Värmebehovet varierar med väder och årstid, vilket påverkar både avtappningsflödet och elproduktionen.
• Kraftverk: Ånga som tappas av från mellansteg kan värma pannans matarvatten innan det återförs till ånggeneratorn. Denna regenerativa uppvärmning förbättrar ångcykelns termodynamiska prestanda, men minskar mängden ånga som är tillgänglig för turbinens senare steg.
• System för biomassa, avfall till energi och spillvärme: När dessa energikällor producerar lämplig ånga kan avtappning användas för att försörja en värmeanvändare samtidigt som kraft produceras. Lösningens värde beror på tillförlitligheten och tidpunkten för både ångkällan och värmebehovet.

Dessa användningsområden innebär inte att alla anläggningar behöver använda avtappning. En anläggning som inte har någon praktisk användning för ånga vid mellantryck kan ha liten anledning att leda bort ånga från turbinen. En anläggning med ett betydande värmebehov kan däremot ha nytta av att överväga avtappning som en del av det övergripande ång- och kraftsystemet.

Vad avgör om avtappning är lämpligt?

Ångtryck och temperatur måste bedömas före turbinutförandet. Den avsedda värmeanvändaren måste få ånga vid användbara förhållanden, med hänsyn till tryckfall i rör och reglerutrustning. Om man väljer en avtappningspunkt enbart för att den finns på en turbin kan processen få otillräckligt tryck eller ånga med onödigt hög energikvalitet.

Värmebehov och kraftbehov måste beaktas tillsammans. Om processens ångbehov ökar kan mer ånga tappas av, vilket innebär att mindre återstår för kraftproduktion i nedströms steg. Om värmebehovet minskar måste systemet kunna hantera det förändrade flödet. En avtappnings- och kondensturbin kan fortsätta att leda lämplig ånga mot kondensorn inom sina konstruktionsgränser; en mottryckslösning behöver ett lämpligt användningsområde eller någon annan lösning för sin utloppsånga.

Variationer i driften är lika viktiga som dimensioneringspunkten. Produktionsscheman, säsongsvariationer i uppvärmningsbehovet, pannans effekt och generatorns belastning kan alla förändras. Minsta och högsta avtappningsflöde, tryckregleringsområde, turbinens belastningsgränser och startförhållanden bidrar till att avgöra om lösningen kan betjäna anläggningen vid dessa variationer.

Kondensat- och kylarrangemang påverkar hela systemet. Återvinning av rent kondensat kan minska behovet av ersättningsvatten och spara värme, men möjligheterna till återföring beror på processförhållanden och risk för föroreningar. En kondensturbin kräver också ett lämpligt kyl- och kondensathanteringssystem; dessa krav bör bedömas tillsammans med potentialen för högre kraftproduktion.

En avtappningsturbin bör därför förstås som ett sätt att fördela ångans energi mellan kraftproduktion och ett eller flera nyttiga värmebehov. Lämpligheten beror inte bara på turbinen, utan också på tryck, flöden, driftsscheman och ansluten utrustning i det kompletta ångsystemet.