STOOMKETELS
Adviesbureau de Koster v.o.f.
Voorwoord
De informatie in dit boek is deels algemeen, voor een deel wordt een willekeurige installatie beschreven. Er wordt van uit gegaan dat de gebruiker van het boek bekend is met het gebruik van stoomtabellen en bekend is met de theorie van de stoomtechniek
Het eerste hoofdstuk in dit boek geeft een korte ionleiding weer betreffende de verschillende brandstoffen en verschillende manieren van energieopwekking, terwijl hoofdstuk 2 speciaal bedoeld is voor allen die nog nooit met stoomketels te maken hebben gehad, kortom puur als inleiding.
De andere hoofdstukken beginnen allemaal met een inleidend gedeelte waarna vervolgens, voor zover mogelijk, overgestapt wordt op de installatie zelf.
Ook zijn vele berekeningen en rekenvoorbeelden opgenomen in de daartoe bestemde hoofdstukken. Voor de liefhebbers zijn er ook wat diepgaande rekenvoorbeelden opgenomen.
Tevens is er een gedeelte warmteleer met daarin het verbranding diagram van Professor A.J. Terlinde, met een praktische toepassing.
Verder is een beschrijving toegevoegd van een afvalverbranding, een slibverbranding, een houtverbranding en een pluimveemest
verbranding. In de tweede druk is het hoofdstuk EDI toegevoegd.
Ondergetekende ontvangt gaarne opbouwende kritiek die de bruikbaarheid van het boek kan vergroten. In de derde druk is hoofdstuk 5 uitgebreid met meer informatie betreffende opgeloste stoffen in het water en hoofdstuk 15 is uitgebreid met informatie over de gebruikte chemicaliën.
Ing. A.J. de Koster
Hoofdplaat, augustus 2018
Stoomketels
Adviesbureau de Koster v.o.f.
Dorpsstraat 5 4513 AL Hoofdplaat Tel. 0117-348223
Illustraties: J.A.M. de Koster : A.J. de Koster jr
ISBN 978-90-78142-54-6 info@martechopleidingen.nl www.martechopleidingen.nl
Eerste druk augustus 2012 Tweede druk augustus 2016 Derde druk augustus 2018
© Adviesbureau de Koster, Dorpsstraat 5, 4513 AL Hoofdplaat. Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd, opgeslagen in een geautomatiseerd gegevensbestand, of openbaar gemaakt, in enige vorm of op enige wijze, hetzij elektronisch, mechanisch, door fotokopieën, opnamen, of enig andere manier, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de uitgever. Dit is tevens van toepassing op gehele of gedeeltelijke bewerking van deze uitgave.
Hoewel dit boek met veel zorg is samengesteld, aanvaarden wij geen aansprakelijkheid voor schade ontstaan door eventuele fouten en / of onvolkomenheden in dit boek.
Inhoud
1.0 Inleiding 8
1.1 Energiebronnen 8
1.1.1 Fossiele brandstoffen 8
1.1.2 Biobrandstof 9
1.1.3 Windenergie 9
1.1.4 Waterkrachtenergie 9
1.1.5 Zonne-energie 9
1.1.6 Kernenergie 10
1.1.7 Geothermische energie 10
1.1.8 Getijdenenergie 10
1.2 Opwekking in Nederland en Europa 11
1.3 Elektriciteitsproductie 12
2.0 Soorten ketels 13
2.1 Vlampijpketels 13
2.2 Waterpijpketels 14
2.2.1 Ketels met natuurlijke circulatie 14
2.2.2 Ketels met gedwongen circulatie 16
2.2.3 Doorpompketels 19
2.3 Onderdelen van de ketel 22
2.3.1 De drum 22
2.3.2 Verdampergedeelte 28
2.3.3 Oververhitters 29
2.3.4 Voorbeeld stoomkoeler berekening 31
2.3.5 Economizer 33
2.3.6 De manometer 34
2.3.7 Het peilglas 34
2.4 Branders 37
3.0 De werking van een centrale 39
3.1 De werking van het systeem 40
3.2 Warmteoverdracht in de ketel 41
3.3 De rookgas en stoomflow 42
3.4 Rookgasrecirculatie 47
3.4.1 Rookgasrecirculatie met terugvoer beneden in de vuurhaard 47
3.4.2 Rookgastempering 49
4.0 De natuurlijke circulatie in de ketel 53
4.1 Inleiding 53
4.2 Het ontstaan van natuurlijke circulatie 53
4.3 Enige algemene opmerkingen 55
4.4 Zelfverdamping 56
4.5 Verdampingsverhindering of verdampingsvertraging 56 4.6 Enige algemene beschouwingen betreffende circulatie 56 4.7 Het verloop van de circulatie van opstoken ketel tot werkdruk56
4.8 Voorbeeld circulatieberekening 58
5.0 De ontgasser 59
5.1 De werking van de ontgasser, algemeen 60
5.2 De Stork voedingwaterontgasser 63
5.3 Gegevens van een willekeurige ontgasser 66 5.4 Wettelijke bepalingen van toepassing op de ontgasser 66 5.5 Theoretische beschouwing van de ontgasser 68
5.6 Rekenvoorbeeld Ontgasser 70
5.7 Relatie tussen opgelost gas en temperatuur 73
6.0 De benodigde luchthoeveelheden 77
7.0 Verbrandingswaarde en stookwaarde 80
7.1 Verbrandingswaarde 80
7.2 De Stookwaarde 81
8.0 Corrosie 86
8.1 Lage temperatuur corrosie en de beperking van de
voedingwater intredetemperatuur bij de eco 86
8.2 Hoge Temperatuurcorrosie, HTC 90
8.2.1 Corrosie aan de oververhitterpijpen 91
8.2.2 Corrosie van 1e schachtpijpen 92
8.2.3 Maatregelen tegen hoge temperatuur corrosie 92
8.2.4 Verdamperbundels 92
8.2.5 Oververhitters 92
8.2.6 Het toevoegen van componenten aan de brandstof 94
8.2.7 Resultaten van de toevoegingen 94
8.2.8 Beschermlagen in hoge temperatuurgebieden 95 8.2.9 Corrosievoorkomende effecten van de beschermlagen 95
8.3 Loogcorrosie 96
8.4 Chloorcorrosie, specifiek bij AVI 97
8.5 Enkele algemene opmerkingen 99
9.0 Het Ketelrendement 102
9.1 Historie 102
9.2 De verbetering van het rendement 102
9.3 Rendement verbetering 103
9.4 Theoretische beschouwing van het ketelrendement 103 10.0 Inleiding in de warmteoverdracht 112
10.1 Geleiding 112
10.2 Geleiding door een dikwandige pijp 115
10.3 Stroming (Convectie) 117
10.3.1 Afleiding formule convectie 120
10.4 De warmtewisselaar 122
10.5 Berekeningen warmteoverdracht 125
10.6 Straling 127
11.0 Stikstofoxiden 129
11.1 Vlamtemperatuurverlaging 135
11.2 Koolmonoxide 136
12.0 Vuurvaste steen 137
13.0 Het verbrandingsdiagram van Prof. A.J. Terlinde 147 13.1 Verandering van de belasting met constante luchtfactor 149 13.2 Vergroting van de luchtfactor bij 70 % belasting 150 13.3 Verhoging van de luchtfactor bij volle belasting 151
14.0 Demineralisatie 152
14.1 Inleiding 152
14.1.1 Kation 154
14.1.2 CO2 uitdrijftoren 155
14.1.3 Anionwisselaar 156
14.1.4 Regenereren 157
14.2 Elektro De Ionisatie 158
14.2.1 Inleiding 158
14.2.2 Opbouw en werking van een EDI 158
14.2.3 Reacties aan de anode en kathode 162
14.2.4 Overzicht EDI installatie 163
14.2.5 Voor en nadelen van een EDI 163
14.2.6 CO2 als belangrijke en limiterende factor 164
14.2.7 De pH van het EDI water 165
15.0 Ketelwaterbehandeling 167
15.1 De kwaliteit van het ketelwater en het belang hiervan voor de
stoominstallatie 167
15.2 Afzettingen aan de waterzijde 167
15.2.1 Voorkoming van ketelsteen 169
15.3 Corrosie aan de water- en stoomzijde 170
15.3.1 Zuurstofcorrosie 171
15.3.2 Zuurcorrosie 172
15.3.3 Alkalische corrosie 172
15.3.5 Invloed pH op corrosie 174
15.4 Het begrip “carry-over” 178
15.5 Condensaatsysteem 179
15.6 Suppletiewater 179
15.7 Waterbehandeling 180
15.7.1 Suppletiewater 180
15.7.2 Condensaat 180
15.7.3 Ketelwater 180
15.8 Controle op de waterkwaliteit 181
15.8.1 Suppletiewater controle 181
15.8.2 Controle condensaat 182
15.8.3 Ketelwater controle 182
15.8.4 Maatregelen bij afwijkingen 182
15.8.5 Stoomkwaliteit 183
15.9 Theoretische achtergrond chemicaliën 184
15.9.1 Silicaat 187
15.9.2 Geleidbaarheid, pH en gebruikte chemicaliën 188
15.9.3 Lage druk ketels 190
16.0 Inconel 625 192
16.1 Algemeen, veel toegepast bij biomassa centrales 192
16.2 Gebruik en eigenschappen 193
17.0 Veel gebruikte termen en definities 196
18.0 De bedrijfsvoering 200
18.1 Inleiding rookgas en lucht 200
18.1.1 De samenstelling van de brandstof 200
18.1.2 De samenstelling van de lucht 200
18.1.3 De molmassa 201
18.1.4 De hoeveelheid lucht per kilogram brandstof 201 18.1.5 De hoeveelheid rookgas per kilogram brandstof 203
18.1.6 Conclusie 206
18.2 De verbranding 207
18.2.1 Inleiding volledige en onvolledige verbranding 207
18.2.2 Volledige verbranding 207
18.2.3 Onvolledige verbranding 208
18.2.4 Het evenwicht 209
18.3 Stoomsnelheid 210
18.4 Rookgassnelheid in het convectiedeel 212
18.4.1 Erosiesnelheid 213
18.5 Gebruik van luchtverhitters 214
18.6 Roetblazen 214
18.7 Rookgasrecirculatie 215
18.8 Rookgastemperatuur en stoomtemperatuur 216
18.9 Uitgewerkt voorbeeld 218
19.0 De Afvalgestookte Ketel, algemeen 220
19.1 Opbouw ketel 220
19.2 Het ontwerp van de ketel 221
19.3 De stoomdruk en stoom temperatuur 224
19.4 Chloor slecht voor het energetisch rendement 224
19.4.1 Minder rendement 224
19.5 Ontwikkelingen verbrandingsproces 225
20.0 Slibverbranding 226
20.1 Inleiding 226
20.2 Algemeen 227
20.3 De samenstelling van het slib 228
20.4 Opslag van het slib 229
20.5 Droging van het slib 230
20.6 SNCR bij slibverbranding 230
20.7 Verwijdering van SOx in de oven 231
20.8 Rekenvoorbeeld NOx 231
21.0 Houtverbranding 233
21.1 Inleiding 233
21.2 Algemeen 233
21.3 De samenstelling van het B-Hout 235
21.4 Opslag van het hout 236
21.5 De stookwaarde van het hout 236
21.6 NOx en zure componenten bij houtverbrandingen 237
22.0 Pluimveemestverbranding 238
22.1 Inleiding 238
22.2 De samenstelling en stookwaarde van de kippenmest 239
22.3 Het proces 239
22.4 Lage Temperatuur Corrosie 240
22.5 DeNOx bij pluimveemestverbranding 240
23.0 Formuleblad 241
23.1 Grootheden en eenheden 245
1.0 Inleiding
Bijna alle centrales leveren elektriciteit aan het net. Tegenwoordig is elektriciteit in onze samenleving niet meer weg te denken. Elektriciteit wordt gebruikt in:
- De huishouding - De industrie - De transportsector
- Verder op alle plaatsen waar we leven en werken
De meeste elektriciteit wordt nog steeds opgewekt met behulp van fossiele energiebronnen zoals kolen, olie en gas. Omdat deze
energiebronnen tevens verantwoordelijk zijn voor grote CO2 emissies naar de lucht, wordt steeds vaker gezocht naar alternatieve
energiebronnen in de vorm van wind, water en zonne-energie.
De industrie zorgt voor het grootste energieverbruik, dit is weergegeven op afbeelding 1.
Afbeelding 1. Energieverbruik in Nederland. Bron CBS.
Toelichting:
1 Peta Joule is 1015 Joule ofwel 1.000.000.000.000.000 Joule.
1.1 Energiebronnen
We kennen een heleboel energiebronnen, we noemen er een aantal:
- Fossiele brandstoffen - Biobrandstoffen - Windenergie - Waterenergie - Zonne-energie - Kernenergie
- Geothermische energie - Getijdenenergie
1.1.1 Fossiele brandstoffen
CO2 en NOx Hieronder vallen de brandstoffen zoals stookolie, dieselolie, aardgas en kolen. Deze energiebronnen zullen op den duur uitgeput raken en omdat deze bronnen van energie belastend zijn voor het milieu in de vorm van CO2 en NOx zijn we aan het zoeken naar andere
energiebronnen.
Buiten deze brandstoffen om maken we gebruik van duurzame energie.
Duurzame energie heet zo omdat de bronnen, zoals zonlicht of windkracht, niet kunnen opraken. Bovendien drukt de productie van duurzame energie in vergelijking met conventionele bronnen veel minder zwaar op het milieu, doordat er veel minder van het broeikasgas CO bij vrijkomt.
850 gram CO2 Bij de productie van 1 kWh elektriciteit uit kolen ontstaat minstens 850 gram CO2, 1 kWh stroom uit zonlicht levert maar 50 CO2 gram op. De bekendste duurzame energiebronnen zijn windkracht, waterkracht en zonlicht. Andere bronnen zijn biomassa, aardwarmte en warmte uit onze omgeving, zoals in lucht en bodem.
1.1.2 Biobrandstof
Biobrandstof wordt gewonnen uit landbouwgewassen zoals:
- Palmolie - Sojaolie
- Zonnebloemolie - Koolzaadolie
Voordeel van deze brandstof is dat het geen bijdrage levert aan het broeikaseffect, omdat deze brandstof CO2 neutraal is. Tijdens zijn kleven neemt de plant CO2 op, tijdens het verbranden komt de CO2
weer vrij.
Het nadeel van het verbouwen van deze gewassen voor biobrandstof kan zijn dat het ten koste gaat van de voedselvoorziening en kan leiden tot schade aan de natuur.
Sinds 2010 moet in Nederland 5,75 % van de benzine en diesel voor het verkeer “groen” zijn.
1.1.3 Windenergie
30% In de zogenaamde groene stroom in Nederland heeft windenergie momenteel een aandeel van 30%.
Het grote voordeel van windenergie is dat het een schone en onuitputtelijke energiebron is. De nadelen ervan zijn:
- Levering, productie is afhankelijk van de wind - Horizonvervuiling, landschapsvervuiling - Lawaai en slagschaduw
- Vogels worden slachtoffer van wieken
1.1.4 Waterkrachtenergie
Witte steenkool Dit is energie die opgewekt wordt met vallend of stromend water. Deze vorm van energieopwekking komt veel voor in Noorwegen. Vroeger werd dit ook wel witte steenkool genoemd. In de maas is ook een waterkrachtcentrale geplaatst.
Het voordeel van deze vorm van energieopwekking is dat het onuitputtelijk is. Het nadeel is dat stuwdammen het ecosysteem ernstig kunnen aantasten.
1.1.5 Zonne-energie
Bij het gebruik van zonne-energie kennen we de zogenaamde passieve en actieve technieken. Bij passieve technieken wordt het zonlicht in elektriciteit omgezet en gebruikt voor warmte en of verlichting. Bij actieve zonne-energie wordt het zonlicht gebruikt om in een zonneboiler warm tapwater en dergelijke te maken.
De voordelen van zonne-energie is dat het schoon en stil is, en dat het nu steeds goedkoper wordt.
1.1.6 Kernenergie
Hoewel kernenergie geen bijdrage levert aan het versterkte
broeikaseffect, bij het gebruik van kernenergie komt namelijk geen CO2 vrij, is het omstreden in verband met het kleine beetje nucleair afval dat overblijft.
Geen CO2 Het voordeel van kernenergie is dat er geen CO2 vrijkomt en dat er maar een heel klein beetje grondstof nodig is om een hoeveelheid elektriciteit te maken gelijk aan die met olie of kolen wordt geproduceerd.
Als nadeel wordt het nucleaire, radioactieve afval genoemd en eventueel de dreiging van aanslagen op kerncentrales.
1.1.7 Geothermische energie
Dit wordt ook wel aardwarmte genoemd. Hoe verder we bij het binnenste van de aarde komen hoe warmer het wordt.
In sommige delen van de wereld, Italië bijvoorbeeld, is de temperatuur op 3 kilometer diepte zo hoog dat er stoom aan onttrokken kan
worden.
51.000 De hoeveelheid energie die in de aarde als aardwarmte zit, wordt geschat op 51.000 keer de totale hoeveelheid van die van alle olie en gasvoorraden.
Het grote voordeel van deze energie is dat het schoon is en bijna onuitputtelijk.
Het nadeel is dat de installatie die de aardwarmte wint vlak bij het proces moet staan dat warmte vraagt, dit om het verlies aan warmte te beperken. De winning van aardwarmte vergt grote investeringen.
1.1.8 Getijdenenergie
Bij deze vorm wordt gebruik gemaakt van het verschil tussen eb en vloed. Meestal stroomt het water door een dam, in deze dam is dan een sluis aangebracht waarin een waterturbine geplaatst is. Op deze manier kan de waterturbine gebruik maken van de stroming bij eb en bij vloed.
Het voordeel van deze vorm van energie is dat ze schoon en onuitputtelijk is.
Het nadeel is dat er veel verval moet zijn, veel verschil, tussen eb en vloed, dit is ongeveer 6 meter.
1.2 Opwekking in Nederland en Europa
Als we kijken naar de soorten brandstof die in Nederland en in Europa wordt gebruikt voor de elektriciteitsopwekking vinden we de
procentuele verdeling zoals weergegeven in afbeelding 2 en 3.
Afbeelding 2. Overzicht Nederland. Bron CBS.
Afbeelding 3. Overzicht Europa. Bron CBS.
24%
4%
10%
2%
60%
0%
Verdeling Brandstoffen
Elektriciteitsproductie in Nederland
Kolen Nucleair Duurzaam Olie Gas Anders
29%
29%
1%4%
15%
21%
1%
Verdeling Brandstoffen Elektriciteitsproductie in Europa
Kolen Nucleair Olie Water Duurzaam Gas Anders
1.3 Elektriciteitsproductie
Als we tot slot naar de brandstoffen kijken die in Nederland gebruikt worden voor de opwekking van elektriciteit, vinden we de tabel zoals weergegeven in afbeelding 4.
Afbeelding 4. Opwekking elektriciteit met verschillende brandstoffen.
Bron CBS.
Afbeelding 5. Elektriciteitsproductie in Europa. Bron CBS.
3400 TWh In Europa wordt ongeveer 3400 TWh aan elektriciteit gebruikt, het aandeel van Nederland hierin is ongeveer 100 TWh.
1 Tera Wh = 1∙1012 = 1.000.000.000.000 Wh.
91%
2% 0%
7%
Percentage opwekking elektriciteit in Nederland
Conventioneel Nucleair Water Wind
3%
17%
9%
12%
19% 9%
5%
26%
Elektriciteitsproductie in Europa
Nederland Frankrijk Spanje Engeland Italie Duitsland Polen Overige
2.0 Soorten ketels
In een stoomketel wordt water met behulp van warme rookgassen verwarmd tot de kooktemperatuur. Daarna verdampt het water tot verzadigde stoom en wordt eventueel oververhit. Stoom wordt gebruikt als energiedrager omdat het per kilogram veel warmte op kan slaan.
In principe kennen we twee soorten ketels, namelijk:
-
Vlampijpketels-
Waterpijpketels2.1 Vlampijpketels
Bij vlampijpketels gaan de rookgassen door de pijpen en staat het water aan de buitenkant van de pijpen. Op afbeelding 1 is een doorsnede weergegeven van een vlampijpketel, dit is nog een oude Schotse ketel met twee vuurgangen. Op afbeelding 2 is een moderne vlampijpketel weergegeven.
Afbeelding 1. Doorsnede van een oude Schotse ketel.
Afbeelding 2. Tekening van een moderne vlampijpketel.
Legenda behorende bij afbeelding 2.
1. Luchtventilator 6. Voorfront
2. Brander 7. Keerschot
3. Vuurgang 8. Achterfront
4. Waterpijpen 9. Rookgasafvoer
5. Vlampijpen
Op beide tekeningen is te zien dat de vuurgang omgeven is door water.
Verder is op afbeelding 2 te zien dat er achterin de ketel een aantal waterpijpen geplaatst zijn, ondanks het feit dat dit een vlampijpketel genoemd wordt. De waterpijpen zijn geplaatst om een snelle circulatie in de ketel te verkrijgen. Hierdoor is de ketel tevens sneller op te stoken dan wanneer deze geen waterpijpen zou hebben.
Vlampijpketels zijn geschikt tot circa 30 bar.
Vlampijpketels worden veel toegepast voor relatief kleine vermogens, we zien ze veel in de tuinbouw, de kassen en als hulpketels voor verwarmingsdoeleinden. Voor grote vermogens en met name voor grootschalige elektriciteitsopwekking zijn deze ketels ongeschikt en daar stappen we dan over naar de waterpijpketels.
2.2 Waterpijpketels
Bij de waterpijpketels stroomt het water door de binnenzijde van de pijp, de rookgassen stromen aan de buitenzijde van de pijpen. De warmteoverdracht van de rookgassen naar het water in de pijpen gaat dan van buiten naar binnen. Bij de waterpijpketels onderscheiden we vier typen ketels:
- Ketels met natuurlijke circulatie
- Ketels met gedwongen circulatie, wordt ook wel gecontroleerd circulatie genoemd.
- Doorpompketels zoals de Sulzer ketel - Doorpompketels zoals de Benson ketel
2.2.1 Ketels met natuurlijke circulatie
Op afbeelding 3 is een schematische weergave van een ketel weergegeven die met natuurlijke circulatie werkt.
Valpijp Water stoomdrum
Stralingsovo Convectieovo Stoomkoeler
Regelklep
Regelklep Hoofdstoom
Verdamperdeel Vuurhaard
Economizer
Voedingwaterpomp Van voorwarmer
Brander(s)
Afbeelding 3. Ketel met natuurlijke circulatie.
Bij de natuurlijke circulatieketels stijgt het water stoommengsel dat zich in het verdamperdeel bevindt op, het water stoommengsel wordt in de water stoomdrum van elkaar gescheiden en het water wordt daarna met behulp van meerdere onverwarmde valpijpen weer terug naar beneden gevoerd. Onderin de ketel wordt dit water weer aan het verdamperdeel toegevoerd. In het verdampergedeelte vindt
warmteoverdracht plaats van de hete rookgassen naar het
verdampende water. Het verdampende water bestaat dus uit een deel water en een klein gedeelte stoom, hierdoor is de dichtheid van het water stoommengsel dat zich in het verdampergedeelte bevind kleiner dan de dichtheid van het water in de valpijpen.
Dit verschil in dichtheid is nu de drijvende kracht achter de natuurlijke circulatie in de ketel.
221,2 bara In theorie is de natuurlijke circulatie toe te passen tot een druk van 221,2 bara (22,12 MPa) en een bijbehorende kooktemperatuur (verzadigingstemperatuur) van 374,15 °C. Bij deze druk en temperatuur vinden we in de stoomtabel voor de enthalpie van het kokende water en de verzadigde stoom 2107,4 kJ/kg, voor de entropie van het kokende water en de verzadigde stoom 4,4429 kJ/(kg·K) en voor het specifiek volume van het kokende water en de verzadigde stoom 0,00317 m3/kg. Vooral het specifiek volume is hier een
belangrijk gegeven want hieruit volgt dat ook de dichtheid (soortelijke massa) van de stoom en het kokende water aan elkaar gelijk zijn. Met andere woorden er is nu geen verschil in dichtheid meer tussen het water in de valpijpen en het water stoommengsel in het
verdampergedeelte.
Uit de stoomtechniek is bekend dat het verband tussen de dichtheid ρ en het specifiek volume υ gelijk is aan:
3
1
1 315, 45 /
0,00317 kg m
=
= =
Aangezien dit voor zowel het water als de stoom is en nu geen verschil meer bestaat in dichtheid is natuurlijke circulatie niet meer mogelijk. In de praktijk wordt natuurlijke circulatie toegepast bij ketels met een drumdruk tot ongeveer 185 bar absoluut. Boven deze druk worden ketels toegepast met gedwongen circulatie.
Voorbeeld:
Gegeven:
Een ketel met een drumdruk van 160 bara (16 MPa).
Het circulatievoud van de ketel bedraagt 14, dat wil zeggen dat er in de verdamperpijpen onder in de ketel enkel water stroomt, 100%
water of 14/14 delen, terwijl bovenin de pijp een water stoommengsel aanwezig is dat bestaat uit 13/14 delen (93%) water en 1/14 deel (7%) stoom.
We kunnen dan stellen dat bovenin de verdamperpijp het water stoommengsel uit 13 massadelen kokend water en 1 massadeel verzadigde stoom bestaat, samen 14 massadelen.
Gevraagd:
Hoe groot is de dichtheid van het kokende water in de valpijpen en de dichtheid van het water stoommengsel in het verdampergedeelte?
Oplossing:
Voor de dichtheid van het kokende water vinden we in de stoomtabel bij een druk van 160 bara een specifiek volume van 0,0017103 m3/kg en voor de verzadigde stoom vinden we een specifiek volume van 0,009308 m3/kg.
Voor de dichtheid van het kokende water in de valpijpen volgt dan:
3
1
1 584,69 /
0,0017103
w w
w kg m
=
= =
Voor de dichtheid van de verzadigde stoom geldt nu:
3
1
1 107, 43 /
0,009308
vs vs
vs kg m
=
= =
Voor de dichtheid van het water stoommengsel in het verdampergedeelte vinden we nu:
13 1 13 584,69 1 107,43 550,5 / 3
14 14
w vs
mengsel kg m
= + = + =
Uit deze berekening volgt dat er een verschil is tussen de dichtheid van het water stoommengsel in de verdamperpijpen en de dichtheid van het water in de valpijpen. Dit is de drijvende kracht achter de circulatie.
2.2.2 Ketels met gedwongen circulatie
Op afbeelding 4 is een schematische weergave van een ketel
weergegeven die met gedwongen circulatie werkt. Dit wordt ook wel geforceerde circulatie of gecontroleerde circulatie genoemd.
Valpijp Water stoomdrum
Stralingsovo Convectieovo Stoomkoeler
Regelklep
Regelklep Hoofdstoom
Verdamperdeel Vuurhaard
Economizer
Voedingwaterpomp Van voorwarmer
Brander(s) Circulatiepomp
Afbeelding 4. Ketel met gedwongen circulatie.
In de onverwarmde valpijp(en) is nu een circulatiepomp opgenomen die het water vanuit de drum naar en door het verdamper gedeelte pompt. Het grote voordeel hiervan is dat de ketel nu met hogere drukken kan werken en dat de circulatie altijd gewaarborgd is. Omdat het verdampergedeelte nu altijd doorstroomd wordt, dus gekoeld wordt, kan deze ketel ook sneller opgestookt worden. Verder kunnen we in dit soort ketels dunnere verdamperpijpen toepassen dan in ketels met natuurlijke circulatie. Dunnere verdamperpijpen maken de totale ketel lichter in gewicht, omdat tevens de wanddikte dan dunner kan zijn. Een dunnere verdamperpijp heeft normaal meer
stromingsweerstand, bij natuurlijke circulatie kan dit problemen opleveren, een circulatiepomp zoals hier wordt toegepast heft dit probleem op.
Op afbeelding 5 is een stuk pijp weergegeven.
Afbeelding 5. Schematische voorstelling van een pijp.
Waarin:
Di = Inwendige diameter in meter t = Wanddikte materiaal in meter ℓ = Pijplengte in meter
σ = Materiaalspanning in N/m2
pw = Werkdruk (overdruk of manometrische druk) in N/m2
De kracht (F) die op de pijp in langsrichting naar boven en naar
beneden werkt is gelijk aan de werkdruk (pw) vermenigvuldigd met het geprojecteerd oppervlak, ofwel:
w i [ ] F =p D N
t
Di
ℓ
Deze kracht wordt in evenwicht gehouden door de spanning in het wandmateriaal. De doorsnede (A) van het wandmateriaal die weerstand biedt is gelijk aan twee maal de wanddikte (t) maal de lengte, ofwel:
2 [ 2]
A= t m
De spanning (σ) die loodrecht op deze materiaaldoorsnede werkt is gelijk aan:
[ / 2] 2w i 2w i
p D p D
F N m
A t t
= = =
Voorbeeld:
Gegeven:
Een membraanwand bestaat uit pijpen die een inwendige diameter hebben van 50 mm en een wanddikte van 4,8 mm. De werkdruk van de ketel bedraagt 80 bara.
pw = 80∙105 N/m2 Di = 0,05 m t = 0,0048 m Gevraagd:
- Bereken de optredende materiaalspanning in de wand van deze pijp.
- Hoe groot wordt de wanddikte als de pijpdiameter 40 mm wordt en de materiaalspanning gelijk moet blijven.
Oplossing:
Voor de materiaalspanning geldt:
2
5 2
2
[ / ] 2
80 10 0,05
41.666.666 [ / ] 2 0,0048
41,6 /
w i
p D N m
t
N m MN m
=
= =
=
Als de pijpdiameter 40 mm wordt en de materiaalspanning gelijk blijft, dan geldt voor de wanddikte:
2
5 2
5
[ / ] 2
80 10 0,04
41.666.666 [ / ]
2 80 10 0,04
0,00384 [3,84 ] 2 41.666.666
w i
p D N m
t
t N m
t m mm
=
= =
= =
We zien dat bij kleinere pijpdiameters en bij gelijkblijvende materiaalspanning de wanddikte kleiner kan worden.
2.2.3 Doorpompketels
Op afbeelding 6 is een tekening weergegeven van een Sulzer doorpompketel. Op afbeelding 7 is een zogenaamde Benson ketel weergegeven.
Water stoom scheiding
Stralingsovo Convectieovo Stoomkoeler
Regelklep
Regelklep Hoofdstoom
Verdamperdeel Vuurhaard
Economizer
Voedingwaterpomp Van voorwarmer
Brander(s)
Restverdamper
Afbeelding 6. Sulzer doorpompketel.
Bij beide ketels valt op dat er geen stoom waterhouder meer in is opgenomen. Bij dit soort ketels is de stoomdruk in principe
“onbeperkt”, er zijn inmiddels ketels die met een druk van 280 bara en een temperatuur van 640 °C werken. Dit noemen we superkritische ketels. De druk ligt namelijk boven de kritische druk van 221,2 bara (22,12 MPa).
Bij deze ketels wordt het voedingwater dat via de economizer binnenkomt rechtreeks in het verdampergedeelte gepompt. Bij de kritische druk en daarboven bestaat het zogenaamde koken niet meer, het water gaat bij een druk van 221,2 bara en een temperatuur van 374,15 °C spontaan over in stoom. Bij de Benson ketel ligt dit eindpunt ergens op het einde van de verdamperpijpen, bij de Sulzer ketel is er op het eind van de verdamper een waterafscheider in het systeem opgenomen, hier valt dan het verdampereindpunt samen met de plaats van de waterafscheider.
Stralingsovo Convectieovo Stoomkoeler
Regelklep
Regelklep Hoofdstoom
Verdamperdeel Vuurhaard
Economizer
Voedingwaterpomp Van voorwarmer
Brander(s)
Restverdamper
Afbeelding 7. Benson doorpompketel.
Bij onderkritische ketels, subkritisch, een druk lager dan 221,2 bara bereikt het water op een bepaald punt in de ketel zijn kookpunt en begint te verdampen. Als al het water verdampt is, wordt het in een oververhitter verder opgewarmd tot oververhitte stoom. Bij de
onderkritische ketels is er niet direct sprake van een begin en eindpunt van het verdampen. Het eindpunt ligt in ieder geval in de stoom waterhouder waar het water van de stoom wordt gescheiden.
Deze ketels worden bij subkritische drukken en bij superkritische drukken gebruikt.
Superkritische druk
Bij de superkritische ketels wordt het voedingwater via de economizer rechtstreeks de verdamper ingepompt. Op het einde van de verdamper is al het water verdampt en verdwijnt als stoom naar de oververhitter waar het verder wordt opgewarmd tot oververhitte stoom.
Bij de superkritische doorpompketel gaat het water dus slechts één maal door de verdamper, terwijl dit bij natuurlijke circulatieketels, subkritisch, meerdere keren is. Dit geldt voor vollastbedrijf.
Bensonfles Om de ketel ook geschikt te maken om lagere belastingen te draaien is de ketel voorzien van een zogenaamde Bensonfles, hier vindt scheiding van water en stoom plaats. De stoom verlaat de ketel via de
oververhitters als oververhitte stoom.
Op afbeelding 8 is een schema weergegeven van economizer, verdamper, bensonfles en oververhitter.
Ovo 2
Ovo 1
Benson fles Verdamper
Economizer
Voedingwater klep
Voedingwater pomp
Circulatiepomp Inspuit
koeler
Afbeelding 8. De Bensonfles bij een doorpomp ketel.
Bij belastingen lager dan ongeveer 30% van vollast wordt de hoeveelheid water die door de verdamper stroomt te laag voor een goede koeling, dan bestaat nu de mogelijkheid om water vanuit de Bensonfles door de economizer en verdamper te pompen, nu wordt de hoeveelheid water die door de verdamperpijpen stroomt groter dan de stoomproductie. Bij belastingen van 60% en hoger werken deze ketels volledig als doorpompketel.
2.3 Onderdelen van de ketel
Een ketel bestaat uit de volgende onderdelen:
- Drum met inhoud - Verdampergedeelte - Economizer
- Oververhitter en eventueel herverhitter - Branders
2.3.1 De drum
Bij natuurlijke circulatieketels en gedwongen circulatieketels is er een water stoomdrum aanwezig, hierin zijn een aantal componenten opgenomen, dit kunnen zijn:
- Binnenstoompijp - Binnenvoedingpijp
- Binnenspuipijp (enkel bij vlampijpketels) - Chemicaliënleiding
- Stoomtrog
- Cyclonen met chevrons
- Belemmeringsplaten (geperforeerde platen)
Het is de bedoeling dat in de stoomdrum, ook wel water stoomhouder genoemd, de verzadigde stoom van het water gescheiden wordt. Op de drum zitten leidingen die de verzadigde stoom naar de oververhitter voeren, de stoom die naar de oververhitter gaat moet droog zijn, met andere woorden, deze mag geen water meer bevatten. Reden temeer om in de drum een voorziening te treffen waar een goede scheiding van water en stoom plaatsvindt.
Trog Het water stoommengsel dat via de membraanwanden en
verdamperbundels naar de drum gevoerd wordt, komt uit op de trog.
Op de trog staan in de regel cyclonen gemonteerd, deze dienen voor de eerste stoom waterscheiding. Daarna is hetzij een binnenstoompijp of een stoomzeef gemonteerd, deze dienen als tweede stoom
waterscheiding.
Cyclonen Op afbeelding 9 is een dergelijke uitvoering te zien van een stoomdrum met trog, cyclonen en binnenstoompijp.
Afbeelding 9. Stoomhouder met trog, cyclonen en binnenstoompijp.
De dunne pijpen dienen voor de aanvoer van het water stoommengsel, de dikke pijpen aan de voorzijde zijn de zogenaamde valpijpen. De valpijpen zorgen ervoor dat het water naar beneden wordt gevoerd om zo de membraanwanden weer van water te voorzien en dat de
circulatie in de ketel gewaarborgd blijft.
Binnenstoompijp:
De binnenstoompijp is over de gehele lengte van de drum aangebracht, zie afbeelding 10.
Afbeelding 10. Binnenstoompijp.
In de pijp zijn gaatjes of zaagsneden aangebracht. De bedoeling is dat er over de gehele lengte van de drum stoom afgenomen wordt. Als dit namelijk slechts op één plaats zou zijn, zou er op deze plaats een lokale drukval kunnen optreden. De keteldrum is namelijk erg lang en als er dan op slechts één plaats stoom afgenomen wordt, dan wordt de druk daar ter plaatste lager dan op een andere plaats in de drum. Bij deze lagere druk hoort een lagere kooktemperatuur en daardoor gaat het water hier ter plaatse heftig koken waardoor plaatselijk ook het niveau stijgt, zie de schets op afbeelding 11.
Afbeelding 11. Drum zonder binnenstoompijp.
In plaats van een binnenstoompijp wordt ook wel een stoomzeef toegepast, dit is weergegeven op afbeelding 12.
Afbeelding 12. Schematische voorstelling van een stoomzeef.
Stoomafname
Niveaustijging a.g.v.
drukdaling
Stoomafname via binnenstoompijp
Toevoer voedingwater
Binnenvoedingpijp:
De binnenvoedingpijp lijkt erg op de binnenstoompijp, ook dit is een geperforeerde pijp die over de gehele drum ligt, dit is weergegeven op afbeelding 13.
Afbeelding 13. Binnenvoedingpijp.
Als er geen gebruik wordt gemaakt van een dergelijke voorziening, dan wordt het voedingwater, dat altijd kouder is dan het water in de ketel zelf, aan één kant de drum in gevoerd. Het gevolg is dan, dat
plaatselijk het water in de drum niet meer op kooktemperatuur is, hierdoor zal het niveau van het water ter plaatse van de
voedingwatertoevoer lager staan dan elders in de ketel. Omdat het water kouder is, bevinden zich in het water geen dampbellen meer, dit is de reden dat het niveau dan lager staat dan elders in de drum.
Tevens krijgen we in dit geval warmtespanningen in de drum. Dus de binnenvoedingpijp voorkomt warmtespanningen in de drum.
Binnenspuipijp: enkel bij vlampijpketels.
Bij vlampijpketels, tankketels, komt de binnenspuipijp nog voor, dit is niets anders dan een leiding die op ongeveer de halve hoogte
binnenkomt en via de binnenzijde van de ketel naar onderen loopt.
Dit is schematisch weergegeven op afbeelding 14. In vlampijpketels is een slechte circulatie van het water, hierdoor kunnen vuildelen zich ophopen onderin de ketel, de binnenspuipijp kan nu het vuil
wegspuien.
Afbeelding 14. Binnenspuipijp.
Stoomtrog met cyclonen en chevrons:
Op afbeelding 15 is een stoomtrog weergegeven met daarop een cycloon gebouwd. Bovenop de cycloon zit een chevron gemonteerd.
Op de afbeelding is een vertikale cycloon weergegeven, deze zijn er ook in horizontale uitvoeringen.
Stoomafname via binnenstoompijp
Toevoer voedingwater
Binnenvoedingpijp
Afbeelding 15. Een trog met cycloon en opgebouwde chevrons.
De stijgpijpen, dit zijn de pijpen waarin het water stoommengsel uit het verdampergedeelte van de ketel naar boven wordt gevoerd, zitten op de trog aangesloten. Vanuit de trog wordt het waterstoommengsel door de cycloon gedrukt. In de cycloon krijgt het water stoommengsel een draaiende beweging. Als gevolg van de centrifugaalkracht wordt het water naar de buitenzijde geslingerd en zakt naar beneden. De stoom verlaat dan via de chevrons de cyclonen.
Chevrons Op afbeelding 16 is apart een cycloon te zien, de gegolfde plaatjes boven op de cycloon zijn de chevrons.
Afbeelding 16. Cycloon met chevron.
De stoom die door de chevrons stroomt, wisselt constant van richting, water wordt hier nogmaals van de stoom gescheiden en zakt naar beneden.
Belemmeringsplaten:
Een andere manier van stoom waterscheiding bij ketels die met lage belastingen werken en vooral afvalgestookte ketels is met behulp van zogenaamde belemmeringsplaten in plaats van een trog met cyclonen.
Afbeelding 17. Belemmeringsplaten.
De platen beletten een sterke beweging van het wateroppervlak. In de afbeelding is aangegeven dat de zijstukken omhooggeklapt kunnen worden ten behoeve van het reinigen van de ketel etc. Op de plaats waar de valpijpen gemonteerd zijn is een apart geperforeerd scherm geplaatst, dit om te voorkomen dat er stoombellen in de valpijpen getrokken worden.
Op afbeelding 18 en 19 zijn twee verschillende uitvoeringen van een drum weergegeven. Bij de drum van de ketel van afbeelding 19, zien we een dubbele wand in de drum, dit is een plaatstalen wand, hierdoor ontstaat een tussenruimte, de drum kan hierdoor bij opstarten
enzovoorts, beter gelijkmatig verwarmd worden.
Afbeelding 18. Drum van een ketel met trog.
Legenda bij afbeelding 18.
1. Continu spui 6. Naar oververhitters 2. Eerste stoomscheiding 7. Voedingwatertoevoer 3. Stijgpijpen 8. Schoepen in cycloon 4. Tweede stoomscheiding 9. Normaal waterpeil 5. Stoomzeef 10. Valpijp
Afbeelding 19. Drum van een ketel met trog en dubbele wand.
Legenda bij afbeelding 19.
1. Continu spui 8. Schoep in cycloon 2. Eerste stoomscheiding 9. Normaal water peil 3. Tweede stoomscheiding 10. Aftap
4. Scherm 11. Geperforeerde waterkast 5. Naar oververhitter 12. Valpijp
6. Stijgpijpen 13. Voedingwaterleiding 7. Stoomzeef of droger
2.3.2 Verdampergedeelte
In het verdampergedeelte van de ketel wordt warmte aan het water toegevoerd met het doel het water te verdampen. Het
verdampergedeelte bestaat uit de membraanwanden en bij bepaalde typen ketels zijn er ook nog verdamperbundels in het convectiedeel van de ketel geplaatst. Verdamperbundels zijn losse pijpen al of niet van isolatiemateriaal voorzien. Vanuit de drum wordt het water via de onverwarmde valpijpen aan de waterkasten onderin de ketel
toegevoerd. Vanuit de waterkasten, ook wel headers genoemd, wordt het water over alle verdamperpijpen verdeeld.
Verdamperdeel Vuurhaard Drum
Valpijp(en)
Verzamelkast Header
Afbeelding 20. Verdampergedeelte van de ketel.
In de drum wordt voedingwater toegevoerd, het voedingwater is altijd kouder dan de kooktemperatuur in de ketel, dat wil dus zeggen dat er in het verdampergedeelte eerst een hoeveelheid warmte aan het water wordt toegevoerd om het op kooktemperatuur te brengen en daarna wordt het water voor een deel verdampt.
De bovenzijde van het verdamperdeel komt ook uit op een
verzamelkast of header. Van hieruit lopen er meerdere leidingen naar de stoomdrum. Via deze leidingen wordt het water stoommengsel naar de drum gevoerd. In de drum wordt de stoom van het water
gescheiden.
Approach point Het verschil tussen de voedingwatertemperatuur bij intrede drum en de verzadigingstemperatuur van het ketelwater wordt het approach point van de ketel genoemd.
Vanuit de drum gaat de verzadigde stoom richting oververhitter.
Voorbeeld approach point:
De drumdruk van een ketel bedraagt 160 bara (16 MPa) en de temperatuur en druk van het voedingwater na de laatste economizer bank, dus bij intrede drum, bedraagt 320 °C en 185 bara (18,5 MPa).
Hoe groot is nu het approach point?
Bij een drumdruk van 160 bara bedraagt de verzadigingstemperatuur 347,33 °C. Het voedingwater komt binnen met een temperatuur van 320 °C.
Het approach point wordt hiermee:
347,33 – 320 = 27,33 °C.
2.3.3 Oververhitters
Op afbeelding 21 is een schematische weergave van een stoomketel weergegeven. In de oververhitters wordt de verzadigde stoom verder opgewarmd.
Rookgasstroom Naar MD turbine
Van HD turbine Herovo
Voedingwater pomp
Naar HD turbine Verzadigde stoom
Drum
Verdamper deel
Naar stoomkoeler Stoomkoeler
Stralings ovo Convectie ovo
Economizer Valpijp(en)
Afbeelding 21. Loop van het water en de stoom.
Bij de tegenwoordig toegepaste installaties wordt de stoom al opgewarmd tot boven de 640 °C. Drukken die bij doorpompketels worden toegepast zijn inmiddels 280 bara. Ook wordt er inmiddels geëxperimenteerd met installaties die met temperaturen werken van 740 °C. Hoe hoger de stoomdruk en temperatuur, hoe hoger het rendement van de installatie.
Bij de grotere elektriciteitscentrales worden stralings en
convectieoververhitters toegepast, bij de afvalgestookte en biomassa centrales worden enkel convectieoververhitters toegepast. Dit laatste in verband met corrosie.
Herverhitters werden vroeger enkel bij elektriciteitscentrales toegepast, tegenwoordig zien we de herverhitters tevens bij de afvalgestookte centrales en biomassa centrales toegepast. Wel is het zo dat de herverhitters bij de elektriciteitscentrales in het convectiedeel geplaatst zijn en dus met behulp van rookgas worden opgewarmd, bij de andere centrales, afval, biomassa etc., wordt dit met behulp van verzadigde of oververhitte stoom gedaan. Herverhitting wordt toegepast in verband met rendementsverbetering.
Vlamstraling De stralingsoververhitter zit in het stralingsdeel van de ketel en krijgt zijn energie toegevoerd uit directe vlamstraling. Hoe hoger de
belasting van de ketel wordt hoe lager de stoomtemperatuur wordt in de stralingsovo, de karakteristiek van een stralingsovo is weergegeven op afbeelding 22, die van een convectieoververhitter op afbeelding 23 en een combinatie van beiden op afbeelding 24.
We zien dat bij een gecombineerde toepassing de oververhitte
stoomtemperatuur over een groot belastingsgebied, van ongeveer 35%
tot en met 100% redelijk constant blijft. De convectielijn is in de karakteristiek voor de eenvoud als een rechte lijn voorgesteld, in werkelijkheid loopt deze lijn wat krommer, omdat de specifieke warmte van het rookgas niet constant is, maar varieert met de
rookgastemperatuur.
Afbeelding 22. Karakteristiek stralingsovo.
Afbeelding 23. Karakteristiek convectieoververhitter, vereenvoudigd.
Afbeelding 24. Karakteristiek van een combinatie van een stralingsovo met een convectieovo, groene lijn.
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Temp Oververhitte stoom
Belasting (1 = 100%)
q straling
q straling
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Temp Oververhitte stoom
Belasting (1 = 100%)
q convectie
q convectie
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Temp Oververhitte stoom
Belasting (1 = 100%)
q straling q convectie Combinatie
Bij oververhitters wordt er tussen de ovo’s een stoomkoeler geplaatst.
De stoomkoeler werkt met inspuitwater om de stoomtemperatuur omlaag te brengen. Door het verdampende water wordt veel warmte aan de stoom onttrokken waardoor de stoomtemperatuur snel te regelen is. Op afbeelding 25 is een voorbeeld van een stoomkoeler weergegeven, deze is van het merk Combustion Engineering. Alle stoomkoelers hebben een binnenmantel die de buitenmantel tegen waterdruppels moet beschermen. De binnenmantel is aan een kant vastgelast zodat hij in de lengte vrij kan uitzetten.
Afbeelding 25. Stoomkoeler, Combustion Engineering.
2.3.4 Voorbeeld stoomkoeler berekening
Gegeven:
Voor de eenvoud is een grote drukval over de oververhitter genomen, dit i.v.m. aflezing stoomtabel. De in de opgave gegeven drukval is in werkelijkheid te groot.
Van een ketel is het volgende gegeven:
Stoomproductie verzadigde stoom : 200 Ton/uur
Drumdruk : 180 bara
Stoomdruk na de stralingsovo : 175 bara Stoomtemperatuur na de stralingsovo : 440 °C Stoomdruk na de stoomkoeler : 175 bara Stoomtemperatuur na de stoomkoeler : 400 °C Stoomdruk na de convectieovo : 170 bara Stoomtemperatuur na de convectieovo : 520 °C
Druk injectiewater : 185 bara
Temperatuur injectiewater : 210 °C Op afbeelding 26 is een overzicht weergegeven.
Rookgasstroom
Naar HD turbine Verzadigde stoom
Stoomkoeler
Stralings ovo Convectie ovo
p = 180 bara t = 356,96 oC
m = 200 ton/uur p = 175 bara
t = 440 oC p = 175 bara
t = 400 oC p = 170 bara t = 520 oC Water
p = 185 bara t = 210 oC
Afbeelding 26. Overzicht ovo’s met koeler.
Gevraagd:
- Bereken de hoeveelheid benodigd injectiewater om de stoom af te koelen van 500 °C naar 400 °C.
- Wat doet het specifiek volume van de stoom in elk component?
Oplossing:
Uit de stoomtabel volgt:
Drumdruk : 180 bara
Enthalpie : 2513,9 kJ/kg
Specifiek volume : 0,007498 m3/kg
Stoomdruk na de stralingsovo : 175 bara Stoomtemperatuur na de stralingsovo : 440 °C
Enthalpie : 3077,2 kJ/kg
Specifiek volume : 0,01736 m3/kg
Stoomdruk na de stoomkoeler : 175 bara Stoomtemperatuur na de stoomkoeler : 400 °C
Enthalpie : 2906,3 kJ/kg
Specifiek volume : 0,01246 m3/kg
Stoomdruk na de convectieovo : 170 bara Stoomtemperatuur na de convectieovo : 520 °C
Enthalpie : 3342,3 kJ/kg
Specifiek volume : 0,01877 m3/kg
Druk injectiewater : 185 bara
Temperatuur injectiewater : 210 °C
Enthalpie : 904,0 kJ/kg
We stellen de stoomkoeler voor als een adiabatisch proces, dat wil zeggen dat de toegevoerde warmte gelijk is aan de afgevoerde warmte en dat er geen warmtewisseling met de omgeving plaats vind.
Water p = 185 bara t = 210 oC hw = 904,0 kJ/kg mw = kg/s
p = 175 bara t = 440 oC h1 = 3077,2 kJ/kg m1 = 200 ton/uur
p = 175 bara t = 400 oC h2 = 2906,3 kJ/kg m2 =
Afbeelding 27. Stoomkoeler.
Voor de stoomkoeler moet gelden:
1 1 2 2
2 1
Toe Af
w w
w
Q Q
m h m h m h
m m m
=
+ =
= +
( )
( ) ( )
1 1 1 2
1 1 2 1 2
200.000 3077,2 904,0 2906,3 200.000 2906,3
3600 3600
200.000
3077,2 2906,3 2906,3 904,0
3600 4,74 /
w w w
w w w
w w
w w
m h m h m m h
m h m h h m h m
m m
m
m kg s
+ = +
+ = +
+ = +
− = −
=
We zien dat in de oververhitters het specifiek volume van de stoom toeneemt, in de stoomkoeler neemt het specifiek volume van de stoom juist af.
2.3.5 Economizer
De economizer zit in het convectiegedeelte en is soms de laatste warmtewisselaar voordat de rookgassen de ketel verlaten, bij andere ketels is het laatste component de luchtverhitter.
De economizer dient ervoor om het voedingwater dat aan de ketel wordt toegevoerd op te warmen en tevens om de rookgassen voordat ze de ketel verlaten zo ver mogelijk af te koelen. Zo ver mogelijk is afhankelijk van het zwavelgehalte in de brandstof. Men moet voorkomen dat het zuurdauwpunt bereikt wordt, althans als we met conventionele materialen werken. Er zijn inmiddels installaties waarbij bewust het zuurdauwpunt onderschreden wordt, de pijpen van de economizer of luchtverhitter zijn in dat gedeelte dan soms van teflon of een ander zwavelzuur bestendig materiaal gemaakt. Het zuurdauwpunt wordt later in dit boek omschreven. Economizers zijn meestal in kruis tegenstroom geschakeld, dit in verband met betere warmteoverdracht, dit wordt later beschreven. De waterstroom gaat tegen de
rookgasstroom in en staat hier ook nog eens haaks bovenop. Zie hiertoe afbeelding 28.
Waterrichting Rookgasrichting
Afbeelding 28. Economizer in kruis tegenstroom, ook wel dwars tegenstroom genoemd.
Bij kolengestookte, afvalgestookte en de meeste biomassa centrales zijn de pijpen van de economizer glad, bij oliestook en gas zien we vaak economizer pijpen met daarop extra vinnen voor
oppervlaktevergroting.
Bij kolengestookte en afvalgestookte centrales komt er teveel stof, vliegas, vrij, daardoor kunnen de pijpen te snel verstopt geraken.
2.3.6 De manometer
De manometer dient ervoor om de overdruk die in de ketel heerst juist aan te wijzen. De manometer zoals aangegeven op afbeelding 29 is een zogenaamde manometer van Bourdon. De elliptische doorsnede van deze buis van Bourdon zorgt ervoor dat de minste kracht die op de buis wordt uitgeoefend ervoor zorgt dat de buis buigt. Als de druk in de buis toeneemt dan wordt de buis gestrekt. De manometer mag nooit warmer worden dan circa 50 °C, anders wordt de miswijzing te groot.
Om deze reden plaatst men tussen de manometer en de aansluiting aan de ketel een waterhoudende buis, dit is met C aangemerkt in de afbeelding. In de “buisveer” bevindt zich nu altijd gecondenseerde stoom, water, waardoor de meter beschermd wordt tegen te hoge temperaturen. Er blijft dus altijd water in het syphonbuisje staan.
Verder zit er bij de manometer tevens een aansluiting waarop een controlemanometer aangesloten kan worden.
Afbeelding 29. Manometer met waterslot C.
2.3.7 Het peilglas
Bij waterpijpketels wordt het laagst toegestane waterpeil bepaald door de plaats van de valpijpen. Via de valpijpen vindt namelijk de
watervoorziening plaats naar de verdamperpijpen. De
vergunningverlener stelt de veilige hoogte vast ten opzichte van de hoogst aangesloten valpijp. Het laagst toegestane waterpeil moet aangegeven zijn met behulp van een corrosievrije metalen plaat vlak naast het peiltoestel.
Bij vlampijpketels moet het peilglas zodanig zijn gemonteerd dat de laagst zichtbare waterstand slechts 50 mm onder de “waterlijn” ligt.
Dit is weergegeven op afbeelding 30.
Afbeelding 30. Positie peilglas bij een vlampijpketel.
Voor drukken tot 20 bar wordt het reflex peilglas gebruikt, zie afbeelding 31.
Afbeelding 31. Reflex peilglas.
Afsluiters worden bij voorkeur gebruikt, omdat kranen erg gevoelig voor warmte zijn en door de warmte vast gaan zitten.
Voor drukken hoger dan 20 bar wordt het transparant peilglas gebruikt, zie afbeelding 32.
Afbeelding 32. Transparant peilglas.
Voor hoge keteldrukken wordt het zogenaamde prismatisch peiltoestel gebruikt. Dit peiltoestel bestaat uit glazen schijven. Door de glazen waartussen zich water een stoom bevindt ten opzichte van elkaar onder een bepaalde hoek te plaatsen, kan men een zodanige breking van het licht krijgen dat het water een groene kleur en de stoom een rode kleur vertoont. Bij dit peilglas is geen kolom water zichtbaar maar een aantal verlichte vensters. Groen geeft water aan en rood geeft stoom aan. Voor hoge drukken worden als afsluitingen bij peilglazen nooit kogelkranen gebruikt, dit in verband met vast gaan zitten van de kranen bij toenemende temperatuur. Tevens wordt de kans op lekkage groter omdat deze moeilijk af te dichten zijn. Afgezien van de “oude” peilglazen worden er tevens veel elektrische gebruikt.
Op afbeelding 32 is tevens te zien dat er onderin het peilglas een kogeltje is aangebracht. Dit kogeltje is om, in het geval dat het peilglas breekt, rondspattend water te voorkomen. In bedrijf ligt het kogeltje gewoon in rust, als het glas barst wordt het kogeltje omhoog gedrukt en dicht het lekkende peilglas af.
2.4 Branders
In deze paragraaf gaan we kort in op de branders. Omdat er vele soorten zijn, volstaan we met één brander: de dubbel registerbrander van Stork.
Afbeelding 33. Dubbel registerbrander van Stork.
Bron: Stork Thermeq BV onderdeel van Stork Technical Services.
Door Stork is in samenwerking met Babcock & Wilcox een brander ontwikkeld waarbij erg weinig NOx gevormd wordt, de zogenaamde low NOx brander. Deze brander wordt ook wel een dubbelregister brander genoemd, dit omdat de primaire lucht, de secundaire en de tertiaire, op twee verschillende plaatsen en in twee verschillende kanalen wordt toegevoerd. De brander op afbeelding 33 is tevens geschikt voor het stoken van olie. De olie wordt via de impeller 1 toegevoerd. De poederkool komt met behulp van de primaire lucht via kanaal 2. De poederkool wordt met behulp van aansteekbrander 3 ontstoken. De secundaire lucht wordt toegevoerd via de luchtschuif 4 en het daar achter liggende luchtregister. Via kanaal 5 wordt de tertiaire lucht toegevoerd. Ook hier zit achter het kanaal 5 weer een luchtregister met bijbehorende verstelschoepen.
Door toevoeren van enkel secundaire lucht aan de brandstof ontstaat een zeer rijk mengsel, met een gebrek aan lucht. Hierdoor wordt de vorming van NOx sterk gereduceerd. Door de hoge rotatie van de lucht ontstaat een zeer stabiele vlam. De verderop toegevoerde tertiaire lucht heeft een lage rotatie snelheid maar een hoge axiale snelheid.
Hierdoor wordt een goede uitbrand bewerkstelligt. Door de hoge axiale sneheid wordt de vlam als het ware “afgeschermd”, hierdoor wordt de vlamweg langer en de vlamtemperatuur laag. Een lagere gemiddelde vlamtemperatuur heeft tot gevolg dat er minder NOx gevormd wordt.
1
2 3
4 5
Afbeelding 34. Dubbel registerbrander van Stork.
Bron: Stork Thermeq BV onderdeel van Stork Technical Services.
Op afbeelding 34 is een soortgelijke brander als afbeelding 33 weergegeven met het verschil dat deze bestemd is voor gasstook en poederkool.
3.0 De werking van een centrale
De werking van een centrale is heel schematisch weergegeven op afbeelding 1. In het voorbeeld is een biomassacentrale genomen, werkende met een druk van 50 bara en de oververhitters zijn convectieovo’s. De chemische energie in de brandstof wordt met behulp van lucht in de vuurhaard van de ketel verbrand, hierdoor ontstaan rookgassen die in de ketel hun warmte afgeven aan het verdampende water. Het water wordt in stoom omgezet dat vervolgens aan de stoomturbine wordt toegevoerd. In de stoomturbine wordt de energie die in de stoom zit omgezet in mechanische arbeid. De mechanische energie wordt in de generator omgezet in elektrische energie dat weer aan het net wordt geleverd.
Aanvoer brandstof Opslag
Brandstof Toevoer Ketel Stoom
Ketel Turbine
As
Generator
Net
Rookgas naar reiniging
Chemische energie in de
brandstof
Thermische energie in de
stoom
Mechanische energie
Elektrische energie
Afbeelding 1. Werking centrale.
Op afbeelding 2 is een sterk vereenvoudigde water stoom kringloop weergegeven.
Afbeelding 2. Water stoom kringloop van een lage druk ketel, 50 bara.
De water stoom kringloop die op afbeelding 2 weergegeven is, bestaat uit de volgende componenten.
- Stoomketel met attemperator in de drum (= voedingwatervoorwarmer in de drum)
- Oververhitters, deze zijn in het convectiegedeelte van de ketel geplaatst
- Hoge Druk stoomturbine met bypass - Reheater of herverhitter
- Lage Druk turbine met bypass - Condensor, lucht of water gekoeld - Onderdruk voorwarmer
- Lage druk voorwarmer - Ontgasser
- Voedingwaterpomp - Economizer
- HD/LD reduceer naar de 4 bar balk met stoomkoeler
3.1 De werking van het systeem
De hete verbrandingsgassen die ontstaan tijdens de verbranding van de brandstof met de lucht aan het water dat in de ketel circuleert en daardoor verdampt.
Het water wordt omgezet in verzadigde stoom. Zie hiertoe het schema op afbeelding 2.
Verzadigde Stoom
Onder verzadigde stoom wordt verstaan: stoom met dezelfde temperatuur als het kookpunt van het water, bij de heersende druk, waarbij deze stoom totaal geen water of waterdruppeltjes bevat.
Als de verzadigde stoom de ketel, verlaat wordt het eerst door een aantal oververhitters geleid, hierin wordt de verzadigde stoom verder verhit tot oververhitte stoom.
Oververhitte stoom
Onder oververhitte stoom wordt verstaan: stoom die een hogere temperatuur heeft dan verzadigde stoom van dezelfde druk.
Deze stoom is volledig droog. Omdat deze stoom een hogere
temperatuur heeft dan verzadigde stoom bij dezelfde druk, heeft deze stoom tevens een hogere enthalpie dan verzadigde stoom.
De stoomkoeler die tussen de oververhitters gemonteerd zit, zorgt ervoor dat de stoom die de oververhitters verlaat en aan de HD turbine wordt toegevoerd, exact de juiste temperatuur heeft. De
stoomtemperatuur bepaald in hoge mate het vermogen dat de turbine levert.
We nemen aan dat de stoomdruk van de ketel 50 bar absoluut bedraagt, een lage druk voor een ketel en dat de oververhitte stoom een temperatuur heeft van 440 °C. De verzadigde stoom heeft dan een temperatuur van 293,91 °C, ga dit na.Elektriciteitscentrales werken met drukken tussen de 180 en 280 bar.
De druk na de HD turbine bedraagt bijvoorbeeld 6 bar absoluut. De stoom expandeert in de HD turbine van 50 bar absoluut naar 6 bar absoluut. De warmte die in de stoom aanwezig was, wordt voor een groot gedeelte omgezet in mechanische arbeid. De stoom met een druk van 6 bar absoluut wordt door de reheater, ook wel herverhitter genoemd, geleid en wordt weer opgewarmd tot de gewenste
temperatuur. De temperatuur van de stoom na de herverhitter hangt af van het feit met welke installatie we te maken hebben.
Na de herverhitter wordt de stoom door de LD turbine geleid. De stoom expandeert nu tot condensordruk. Ook hier zet de stoom een deel van zijn warmte om in mechanische energie. De condensordruk is
afhankelijk van het type condensor. Als we met watergekoelde condensors te maken hebben is de condensordruk tegenwoordig vaak 0,03 bar absoluut. Bij luchtgekoelde condensors is de druk meestal hoger.
In de condensor wordt de stoom verdicht tot water. We zeggen ook wel, de stoom condenseert en verlaat de condensor als condensaat.
De temperatuur waarbij het condensaat de condensor verlaat, is gelijk aan de verzadigingstemperatuur behorende bij de heersende druk. Bij 0,03 bara is dit 24,1 °C.
Het condensaat wordt met behulp van een condensaatpomp door een onderdruk voorwarmer en een lage druk voorwarmer geleid, waarna het aan de ontgasser wordt toegevoerd.
In de onderdruk voorwarmer, de lage druk voorwarmer en de ontgasser wordt het condensaat verwarmd met behulp van stoom.
Deze stoom wordt aan de turbine onttrokken, ook wel aftappen genoemd. Om deze reden wordt deze stoom ook wel aftapstoom genoemd.
In de onderdrukvoorwarmer en de lagedrukvoorwarmer geeft de aftapstoom zijn condensatiewarmte af en het condensaat van de verwarmingsstoom wordt daarna naar de ontgasser gepompt. In de ontgasser wordt het condensaat in de regel opgewarmd tot
temperaturen hoger dan 135 °C.
In de ontgasser wordt het water ontdaan van de zogenaamde niet condenseerbare gassen. Voor een ketel geldt dat deze belangrijke niet condenseerbare gassen zuurstof en kooldioxide zijn. Zuurstof en kooldioxide kunnen in de ketel, ernstige corrosie veroorzaken.
Na de ontgasser wordt het water, nu voedingwater genoemd, met behulp van een voedingwaterpomp via de economizer weer terug in de ketel gepompt. In de economizer, ook wel voedingwater voorwarmer genoemd, wordt het voedingwater, voordat het water aan de drum wordt gedoseerd, met behulp van rookgassen uit de ketel opgewarmd.
3.2 Warmteoverdracht in de ketel
Bij stoomopwekking vindt in de ketel verwarming van het
voedingwater, verdamping van het water en (eventueel) oververhitting van de gevormde stoom plaats. Wanneer de opgewekte stoom wordt benut om warmte om te zetten in arbeid, wordt het hoogste rendement verkregen bij een zo hoog mogelijke druk en temperatuur. De toe te passen stoomdruk en -temperatuur zijn aan grenzen gebonden, onder andere om corrosie te beperken.
Warmteoverdracht in de ketel:
Warmteoverdracht vindt plaats door middel van straling, convectie en geleiding. Straling bewerkstelligt de overdracht van warmte zonder direct contact tussen de rookgassen en de ketel en is evenredig met de vierde macht van de absolute rookgastemperatuur. Voor de convectie is direct contact tussen rookgassen en ketel noodzakelijk. Het
temperatuurverschil tussen de media speelt hierbij een rol. Gedurende het rookgastraject door de ketel neemt het aandeel van de
stralingswarmteoverdracht af en het aandeel van de convectie
overdracht toe. De convectie warmteoverdracht is sterk afhankelijk van de rookgassnelheid.
5 m/s Voor afvalverbrandingketels wordt een lage rookgassnelheid aangehouden van maximaal 5 m/sec, ter voorkoming van erosie en corrosie.
De uitvoering van de ketel kan zodanig zijn dat de rookgassen de pijpbundels in zogenaamde dwars- of langsstroming passeren.
Dwarsstroming vindt plaats in horizontaal liggende bundels (met verticaal stromend rookgas) of in verticaal hangende bundels waarbij de rookgassen horizontaal stromen.
Langsstroming komt alleen voor bij zogenaamde twee drum ketels. De bundels bevinden zich dan tussen een bovenliggende en een
onderliggende drum en zijn dus verticaal opgesteld. Doorlopende pijpen, tot net boven het rooster, kunnen over een hoogte van twee meter liggend worden uitgevoerd. Indien hier corrosieproblemen zouden optreden, kunnen de desbetreffende pijpen worden vervangen.
3.3 De rookgas en stoomflow
Op afbeelding 3 is een vereenvoudigde tekening te zien van een circulatiekletel met zijn stoomflow, rookgasflow en voedingwater.
Rookgasstroom
Naar MD turbine Van HD turbine Herovo in mee of
tegen stroom
Voedingwater pomp Verzadigde stoom
Verdamper deel
Naar stoomkoeler Stoomkoeler
Stralings ovo Convectie ovo Convectie ovo
HD turbine Stoomkoeler
Economizer
Luchtverhitter Lucht naar branders
en registers
Afbeelding 3. Stroming van rookgas, stoom en water bij een circulatieketel.
In de afbeeldingen 3 en 4 is slechts één herovo getekend, dit kunnen er ook meerdere zijn. Verder zijn er slechts twee inspuitkoelers getekend, ook dit kunnen er in werkelijkheid meerdere zijn.
Tevens zitten er bij meerdere herovo’s ook hier ter plaatse inspuitkoelers gemonteerd.
Op afbeelding 4 is hetzelfde weergegeven maar nu voor een doorpompketel.
Rookgasstroom
Naar MD turbine Van HD turbine Herovo in mee of
tegen stroom
Voedingwater pomp Verzadigde stoom
Verdamper deel
Naar stoomkoeler Stoomkoeler
Stralings ovo Convectie ovo Convectie ovo
HD turbine Stoomkoeler
Economizer
Luchtverhitter Lucht naar branders
en registers
Circulatie pomp
Afbeelding 4. Stroming van rookgas, stoom en water bij een doorpompketel.
Op de afbeeldingen 5, 6 en 7 zijn een aantal 3D tekeningen
weergegeven van centrales. Afbeelding 5 laat een wervelbedketel zien.
