Onderdelen van elektriciteitscentrales

Belangrijke onderdelen van elektriciteitscentrales zijn de verbrandingsoven, de overdracht van warmte van rookgassen naar de water/stoomcyclus, pompen, compressoren en ventilatoren, turbines en generatoren.

Verbrandingsoven

In een verbrandingsoven of ketel wordt een brandstof verbrand en worden de ontstane hete rookgassen gebruikt om heet water of stoom te produceren. Het rendement van een verbrandingsoven is gedefinieerd als de warmte die wordt opgenomen door het water gedeeld door de hoeveelheid verbrandingswarmte die vrijkomt. Dit wordt het waterzijdig rendement genoemd. In formulevorm:

$$ η_{\stoomproductie} = {H_{\uit,\water\/\stoom} - H_{\in,\water\/\stoom}} / {Q_\verbranding} $$
Om zeker te zijn van volledige verbranding van de brandstof wordt ervoor gezorgd dat er meer zuurstof aanwezig is dan nodig voor stoechiometrische verbranding. Er zijn verschillende indicatoren om deze overmaat in uit te drukken, een daarvan is de air factor. De air factor is gedefinieerd als de werkelijke oxidant-brandstofverhouding gedeeld door de stoechiometrische oxidant-brandstofverhouding (TU Delft (n.d.)). Volgens Woudstra (2012) wordt bij gasvormige brandstoffen gewoonlijk een air factor van lager dan 1,1 aangehouden en bij vaste brandstoffen gewoonlijk een air factor die hoger is dan 1,1. De air factor is van invloed op het netto elektriciteitsrendement, zie hiervoor de werkcolleges.

Verbrandingsovens zijn er in verschillende uitvoeringsvormen, zoals de verbranding op roosters en in wervelbedden. De warmteoverdracht van rookgassen naar water/stoom wordt hierna beschreven.

Warmteoverdracht

Bij elektriciteitscentrales vindt op een aantal plaatsen warmteoverdracht plaats. Een daarvan is de overdracht van de warmte van de hete rookgassen naar een stoomcyclus. Op verschillende plaatsen in de verbrandingsoven bevinden zich buizen met water en/of stoom dat opgewarmd wordt door de hete gassen daaromheen. De buizen zijn zo in de verbrandingsoven geplaatst dat de hete rookgassen achtereenvolgens worden gebruikt om water te verdampen tot stoom, geproduceerde stoom te oververhitten en het water voor te verwarmen. Een andere manier om warmte op water/stoom over te dragen is niet het water maar de rookgassen door buizen te laten stromen, waarbij de buizen zich in een ketel met het te verwarmen water bevinden. Dit wordt bijvoorbeeld toegepast in de afgasketel die gebruikt wordt bij gasturbines.

Aangezien de stoomcyclus in een elektriciteitscentrale een kringproces is, is er een condensor nodig om ervoor te zorgen dat er weer alleen vloeibaar water wordt teruggevoerd naar de verbrandingsoven. De condensatiewarmte kan afgevoerd worden met koelwater uit bijvoorbeeld een rivier of de zee of met koelwater dat door een koeltoren geleid wordt.

Er bestaan verschillende uitvoeringsvormen van warmtewisselaars voor het uitwisselen van warmte tussen twee vloeistofstromen, zie bijvoorbeeld het webdictaat van TB241E^w en Perry and Green (2008). Een daarvan is de zogenaamde ‘double-tube’-warmtewisselaar, waarbij de ene vloeistof door een buis stroomt die omgeven wordt door een wijdere buis waardoor de andere vloeistof stroomt.

Voor het rendement van warmteoverdracht wordt verwezen naar de informatie over universele en functionele exergierendementen.

Stoom- en gasturbines

In een stoomturbine wordt de energie die de stoom heeft ten gevolge van zijn hoge druk en temperatuur omgezet in bewegingsenergie van de as van de turbine. Een stoomturbine bestaat uit straalbuizen en loop- en leischoepen. In de straalbuizen expandeert de stoom waardoor de stoom een hoge snelheid krijgt. Deze stoom wordt vervolgens tussen loopschoepen door geleid waardoor het loopwiel en daarmee ook de as van de turbine gaat draaien. Aan de as zijn verschillende rijen met loopschoepen gemonteerd. Tussen deze rijen met loopschoepen bevindt zich telkens een rij leischoepen waarin de stoom verder expandeert en waarmee richting wordt gegeven aan de stoom (richting de volgende rij loopschoepen).

Voor een turbine geldt dat de kinetische en potentiële energietermen evenals de uitwisseling van warmte met de omgeving verwaarloosd kunnen worden. De eerste hoofdwet vereenvoudigt hiermee tot:

$$ \ΔH = - W $$
Oftewel:

$$ W = H_{\in} - H_{\uit} $$
In werkelijkheid zal de enthalpie van de stroom die de turbine verlaat hoger zijn dan de enthalpiewaarde die in het ideale (= isentropische) geval gehaald zou worden. Het rendement van een stoomturbine is gedefinieerd als:

$$ η_{\turbine} = W_{\actual}/ W_{\isentropic} $$
ofwel:

$$ η_{\turbine} = (H_{\in} - H_{\uit,\actual})/(H_{\in} - H_{\uit,\isentropic}) $$
Voor het bepalen van het rendement van een stoomturbine en/of de condities van een van de stromen kan het Mollier-diagram gebruikt worden. Het geheel van stoomturbine, condensor, voedingwaterpomp en verbrandingsoven/warmtetoevoer wordt een stoomturbine-installatie genoemd. De cyclus die een stoomturbine-installatie doorloopt is de Rankine-cyclus.

De werking van een gasturbine is analoog aan die van een stoomturbine met het verschil dat in een gasturbine verbrandingsgassen met een hoge druk en temperatuur expanderen. De gasturbine vormt samen met een compressor en een verbrandingskamer de gasturbine-installatie, zie de linker afbeelding in onderstaande figuur. De compressor zit op dezelfde as als de gasturbine en zorgt voor compressie van de verbrandingslucht. De verbranding vindt plaats bij deze hogere druk. De thermodynamische cyclus die doorlopen wordt in een gasturbine-installatie is de open Brayton-cyclus met lucht als medium.

Evenals voor een stoomturbine geldt bij een gasturbine:

$$ W = H_{\in} - H_{\uit} $$
Voor het rendement van een ideaal opererende gasturbine-installatie, waarbij onder andere is aangenomen dat de lucht en de verbrandingsgassen dezelfde stofconstantes hebben, geldt:

$$ η = W / Q = {(T_{\verbr} - T_{\uit}) - (T_{\compr} - T_{\in})} / {T_{\verbr} - T_{\compr}} $$
met:
T_verbr = temperatuur van de rookgassen na de verbranding
T_compr = temperatuur van de lucht na compressie

Pompen, compressoren en ventilatoren

Een pomp wordt gebruikt om een vloeistof te verplaatsen (snelheid te geven) of in druk te verhogen. Bij gassen wordt onderscheid gemaakt tussen compressoren, die gebruikt worden om de druk van een gas te verhogen, en ventilatoren, die gebruikt worden om een gas te laten stromen. Een ventilator wordt bijvoorbeeld gebruikt in een elektriciteitscentrale om de lucht voor de verbranding aan te zuigen.

Bij pompen, compressoren en ventilatoren kan een onderverdeling gemaakt worden in apparaten die centrifugaalkrachten gebruiken, apparaten die gebruik maken van verdringing en overige apparaten. Apparaten die centrifugaalkrachten gebruiken behoren tot de turbomachines: een schoepensysteem maakt een roterende beweging en wisselt energie uit met een gas- of vloeistofstroom. Een veelgebruikte (turbo)pomp in de industrie is de centrifugaalpomp, zie onderstaande figuur. Ook de circulatiepomp van de huishoudelijke CV-installatie behoort tot de centrifugaalpompen.


Bij de apparaten die gebruik maken van verdringing, ook wel volumetrische machines genoemd, wordt er per omwenteling een bepaald volume vloeistof of gas verplaatst. Een voorbeeld van een verdringingspomp is de zuigerpomp. Onderstaande figuur laat een voorbeeld zien van een zuigerpomp met twee uitwendige kleppen.


Bij de definitie van het rendement van een pomp of compressor wordt dezelfde gedachtengang gebruikt als bij de definitie van het rendement van een stoomturbine. Namelijk, in werkelijkheid is er meer arbeid nodig dan in het ideale geval en dus geldt er:

$$ η_{\pomp\/\compressor} = W_{\isentropic} / W_{\actual} $$
ofwel:

$$ η_{\pomp\/\compressor}= (H_{\in} - H_{\uit,\isentropic}) / (H_{\in} - H_{\uit,\actual}) $$

Generatoren

Aan de as van een gas- of stoomturbine bevindt zich generator die ervoor zorgt dat de bewegingsenergie van de as wordt omgezet in elektrische energie. Generatoren maken gebruik van het feit dat er een stroom gaat lopen wanneer een geleider (spoel) zich in een veranderend magnetisch veld bevindt. Generatoren bestaan dus uit een geleider en magneten. De rendementen van generatoren gebruikt in elektriciteitscentrales zijn hoog, zo’n 98 à 99 procent.

De gegenereerde elektriciteit wordt vervolgens getransporteerd naar de afnemers en in beperkte mate ook wel opgeslagen^w voor later gebruik.

Achtergrondinformatie

• elektriciteitscentrales^w (veel informatie over elektriciteitscentrales en onderdelen daarvan)

Bronnen

Perry and Green (2008), Perry, R.H. and D.W. Green (2008). Perry's Chemical Engineers' Handbook, McGraw-Hill
TU Delft (n.d.), TU Delft (n.d.) Reference guide Cycle-Tempo
Woudstra (2012), Woudstra, N. (2012) Sustainable energy systems: limitations and challenges based on exergy analysis. proefschrift, TU Delft