Stoomdistributie

Inleiding

Zoals vermeld in de algemene introductie pagina van stoom, wordt stoom typisch opgewekt in een centrale locatie om vervolgens getransporteerd te worden naar de individuele verbruikers.

Om een zo goed mogelijke distributie te krijgen van stoom is het belangrijk dat het design en engineering correct gebeurt en in latere fase de installatie en onderhoud.

Er wordt onderscheid gemaakt tussen stoom en condensaat distributie. Wanneer stoom verbruikt wordt in de eindgebruiker zal er typisch condensaat gevormd worden. Deze condensaat moet terug naar de stoomketel gebracht worden om opnieuw tot stoom omgezet te worden.

Leidingwerk

Standaard

Als leidingwerk wordt er voor het distributienetwerk vaak gekozen voor schedule piping waar de meest gebruikte schedule 40 en schedule 80 leidingen zijn.

Bij leidingsgroottes tot een diameter van 150mm wordt er typisch gekozen voor schedule 40, bij leidingwerk tot 600mm in diameter is dit schedule 80.

Sizing

Stoom

Bij het kiezen van de leidingdiameter is het kritisch dat de stoom op de juiste druk en temperatuur tot aan de eindgebruiker kan geleverd worden. De meest bepalende factor hierin is drukverlies onder invloed van wrijving. Dit drukverlies kan bepaald worden aan de hand van de Darcy-Weisbach vergelijking

$h_f = \frac{f L u^2}{2 g D}$

Met

hf: Drukverlies (m)
f: Frictie factor (/)
L: lengte (m)
u: Stroomsnelheid (m/s)
g: Valversnelling (m/s²)
D: Hydraulische leidingdiameter (m)

De frictiefactor kan afgeleid worden aan de hand van de Moody chart. Of kan benaderd worden met onderstaande formule indien Reynolds-getal tussen 4000 en 100 000 ligt:

$f \approx \frac{0.08}{\sqrt[4]{Re}}$

Met

Re: Reynoldsgetal (/)

Het Reynoldsgetal is een maat voor de turbulentie van een stroming. Indien Re > 3500 spreekt men van turbulente stroming, < 3500 is laminair.

$Re =\frac{u\; D}{\nu }$

Met

v: Kinematische viscositeit vloeistof (m²/s)

De hydraulische diameter is de verhouding van het doorstroomoppervlak met de natte omtrek en wordt gegeven door:

$D = \frac{4 A}{S}$

Met

A: Doorstroomde oppervlak (m²)
S: Bevochtigde omtrek (m)

Merk op dat voor een cirkelvormige leiding de hydraulische diameter gelijk is aan de binnendiameter van de buis.

Algemeen wordt er gebruik gemaakt van twee methodes voor het bepalen van de diameter:

• Drukverlies
• Stroomsnelheid

Drukverlies

Aan de hand van een pressure drop factor tabel kan voor verschillende verzadigde stoomdrukken een drukfactor F bepaald worden. Deze kan gebruikt worden om een drukvalfactor PDF te berekenen:

$PDF\hspace{0.17em}= \frac{F_1 – F_2}{L}$

Met

F1: Drukfactor bij inlaat
F2: Drukfactor op lengte L
PDF: Drukvalfactor

Aan de hand van de drukvalfactor PDF kan vervolgens de leidingdiameter bepaald worden via Pipeline capacity from pressure drop factor tabel.

Dit kan ook grafisch bepaald worden met behulp van onderstaande diagrammen:

Het is aangeraden om de drukval over 100m te beperken tot maximaal 0,9 bar.

Stroomsnelheid

Een eenvoudigere methode is om naar de stroomsnelheid van de stoom in de buis te kijken. De stroomsnelheid moet algemeen genomen tussen 25 m/s en 40 m/s liggen. Wanneer een snelheid hoger dan 40m/s genomen wordt treedt er typisch geluid en erosie van de buis op.

Wanneer het stoom -debiet en -druk gekend zijn kan de leidingdiameter makkelijk afgeleid worden aan de hand van onderstaande tabel:

Analoog aan de methode van drukval kan deze ook grafisch bepaald worden:

Condensaat

Zoals vermeld in de inleiding is er naast de distributie van stoom naar de eindverbruikers ook nood aan de retour van gecondenseerde stoom naar de stoomketel. Voor de bepaling van de leidingdiameter van het condensaat gelden er andere regels dan voor stoom.

Via condensaatpotten en andere componenten zal condensaat afgevoerd worden van een hogere naar een lagere druk. Doordat de condensaat in een omgeving komt met lagere druk kan “flash stoom” gevormd worden. De hoeveelheid flash stoom ligt typisch tussen 10 tot 15% van de massa, de volumetrische verandering zal echter veel hoger zijn. Dit is van groot belang bij de dimensionering van condensaatleidingen aangezien de toename in volume wel 200x kan zijn.

De massaverhouding flash stoom ten opzichte van condensaat kan afgeleid worden uit onderstaande grafiek:

Deze kan ook numeriek bepaald worden:

$Hoeveelheid flash stoom = \frac{h_{f,P_1} – h_{f,P_2}}{h_{fg,P_2}}$

Met

P1: Initiële druk
P2: Eind druk
hf: Vloeistof enthalpie (kJ/kg)
hfg: Verdampingsenthalpie (kJ/kg)

Er wordt onderscheid gemaakt tussen volgende types condensaatleidingen:

• Van verbruiker naar condenspot
• Van condenspot naar afvoerlijn
• Gemeenschappelijke afvoerlijn
• Verpompte afvoerlijn

De diameter wordt bepaald in functie van:

• Druk
• Hoeveelheid
• Fase

Verbruiker naar condenspot

Vaak wordt de uitgaande diameter hetzelfde genomen als deze van de procesaansluiting. Dit is niet altijd een goed uitgangspunt en moet bekeken worden in functie van het debiet van condensaat bij start en tijdens full-load. In principe zal de diameter van de leiding dezelfde zijn als deze bepaald voor de condenspot.

Bij de start van het proces kan het debiet van de condensaat tot drie maal groter zijn dan deze onder normale steady state condities omdat in deze situatie het temperatuurverschil het grootste is doordat ook het leidingwerk, warmtewisselaar, … opgewarmd moeten worden. Er kan eventueel ook lucht aanwezig zijn in het leidingwerk dat verplaatst dient te worden.

Als uitgangspunt mag de condenspot berekend worden op twee maal de steady-state lading bij werkdruk. Als het leidingwerk na de verbruiker korter is dan 10 meter tot de condenspot moet er uitgegaan worden van volgende parameters: Bij maximaal debiet mag het drukverlies niet groter zijn dan 200 Pa per lengtemeter en de stroomsnelheid mag niet hoger liggen dan 1,5 m/s, indien langer 10m wordt dit 100 Pa/m en 1 m/s. Onderstaande tabel kan gebruikt worden voor bepaling van de diameter:

Afvoerleiding van de condenspot

Condens na de condenspot komt in een andere omgeving terecht dan voor de condenspot, namelijk in een omgeving waar er een lagere druk heerst. Uit de verzadigde stoomcurve kan er afgeleid worden dat bij lagere druk de kooktemperatuur van water ook lager ligt waardoor er terug stoom gevormd kan worden na de condenspot. Deze stoom noemt men “flash stoom”. Na de condenspot zullen er dus twee fasen aanwezig zijn, namelijk vloeistof en damp.

Deze twee-fasige stroom zal meer eigenschappen gemeenschappelijk hebben met stoom dan met water. Daarom is het verstandiger om de afvoerleiding van de condenspot te dimensioneren op basis van de stoomeigenschappen dan op deze van condensaat. Een te kleine leiding zal immers zorgen dat de flash stoom snelheid en tegendruk verhogen die kunnen zorgen voor waterslagen, verminderde capaciteit van de condenspot en overflooding van het proces.

Er moet wel rekening gehouden worden dat er hier condities van droge verzadigde stoom niet meer van toepassing zijn aangezien er een aanzienlijke hoeveelheid water aanwezig is. De stroom moet beschouwd worden als natte stoom en moet berekend worden op een stroomsnelheid van maximaal 15 m/s tot 20 m/s.

Om de diameter te bepalen kan er gebruik gemaakt worden van condensaatleiding sizing diagram:

Gemeenschappelijke afvoerlijn

De grootte van de gemeenschappelijke afvoerlijn kan bepaald worden aan de hand van onderstaande tabel:

Installatierichtlijnen

Stoom

Doorheen het transport van de stoom van de centrale locatie naar de eindverbruikers zal er warmte-afgifte zijn naar de omgeving. Deze warmte-afgifte zorgt voor gedeeltelijke condensatie van de stoom.

Het is belangrijk dat deze condens verwijderd wordt uit de stoom aangezien ze kan leiden tot waterslagen, corrosie en erosie van het leidingwerk. Wanneer er water aanwezig is, is de beschikbare doorstroomoppervlakte voor stoom gereduceerd waardoor er hogere stroomsnelheden zullen optreden.

Leidingwerk lay-out

Het is algemeen aangeraden dat er een dalingsgradiënt van 1m per 100m leiding aangehouden wordt, hierdoor kan condensaat naar het laagste punt stromen waar het verzameld en verwijderd kan worden.

In intervallen van 30 tot 50m wordt er aangeraden om condensafvoerpost te plaatsen. Voor dimensionering van de grootte van deze condenspot wordt er best uitgegaan van 1% van de totale stoom capaciteit. Alternatief kunnen onderstaande tabellen gebruikt worden:

Belangrijk is dat de condensafvoerleiding niet meteen op de hoofdbuis pikeert maar er een pocket gemaakt wordt en er een hoogte aangehouden wordt minstens 30mm van de bodem van de pocket bij leidingen tot 100mm en 50mm voor grotere leidingen. Dit zorgt ervoor dat eventueel vuil kan verzamelen onderaan, er wordt dan best een valve of flens geplaatst zodat het vuil verwijderd kan worden. De grootte van de pocket kan bepaald worden via onderstaande tabel:

Waterslagen

Om waterslagen te vermijden kunnen best volgende principes gehanteerd worden:

• Vermijden van zakken in de leiding, drain punten plaatsen op regelmatige intervallen
• Excentricsche reduceerstukken gebruiken
• Strainers moeten met de mand zijwaarts geïnstalleerd worden
• Kleppen mogen niet te snel open gaan.
• Terugslagkleppen plaatsen na condenspotten om terugvloei te vermijden

Aftakkingen

Aftakkingen worden best bovenaan de buis geplaatst waar de “droge stoom” zich zal verzamelen, wanneer de aftakking onderaan geplaatst zal worden kan er condens of vervuiling meekomen met de stoom. Daarnaast is het ook een goede praktijk om bij dalende leidingen een condensafvoer te plaatsen voor de afsluitkraan.

Expansie

Leidingen die opwarmen onder invloed van stoom zullen uitzetten in de lengterichting. Dit is een belangrijk gegeven om rekening mee te houden bij het plaatsen van stoomleidingen doordat er spanningen kunnen ontstaan met scheuren tot gevolg. De uitzetting van leidingen kan berekend worden volgens volgende formule:

$Expansie = L ∆T \alpha$

Met

L: Totale lengte van de buis (m)
ΔT: Temperatuurverschil (°C)
α: Thermische uitzettingscoëfficient (mm/m °C * 10^-3)

Deze uitzetting kan ook grafisch afgeleid worden aan de hand van de volgende grafiek:

Om de expansie op te vangen is het belangrijk dat er wordt gedacht om flexibiliteit in te bouwen. Dit kan door expansiestukken in te bouwen tussen 2 vaste punten:

Er kan gekozen worden voor verschillende types van expansiestukken:

• Loops inbouwen
  

• Expansie elbows
  

• Sliding joints
  

• Expansie compensatoren
  

Bij het inbouwen van compensatoren moet er wel voldoende rekening gehouden worden met de rest van de installatie: