Handleiding van Jaap van Raaij
Inleiding
Door de Noordelijke hogeschool Leeuwarden afdeling Communicatie en Media Design is indertijd in opdracht van de Stichting Ir.D.F.Woudagemaal een animatiefilm gemaakt. Deze animatiefilm is bedoeld om bezoekers van het Ir. D.F. Woudagemaal uit te leggen hoe het stoomgemaal werkt. De aanvankelijke voice over van deze animatiefilm was minder geschikt voor de presentatie in het bezoekerscentrum en moest worden aangepast. Na overleg is door de werkgroep “Stoom” een voorstel gemaakt voor de nieuwe gesproken tekst. Aan dit voorstel ligt de hierna volgende tekst ten grondslag.
Functie van het gemaal
Ongeveer 60 a 70 % van Nederland ligt op of onder de zeespiegel en moet bemalen worden om er te kunnen wonen. Zo ook in de provincie Friesland, het beheersgebied van het Wetterskip Fryslân. Dat bemalen gebeurt in de meeste gevallen getrapt. Dat wil zeggen: eerst wordt het water uit de polder naar een boezem gepompt, waarna het boezemwater vervolgens onder vrij verval of opnieuw met een pomp naar zee of een ander groot open water wordt afgevoerd. Een boezem is een stelsel van rivieren, kanalen en soms meren waar het polderwater tijdelijk in wordt opgeslagen voordat het definitief wordt afgevoerd. Het Ir. D.F. Woudagemaal is een van een aantal lozingspunten van de Friese boezem op het IJsselmeer. Op deze locatie wordt het teveel aan water sinds 1920 op mechanische wijze afgevoerd. Voordien gebeurde dat op deze locatie onder vrijverval met het Tacozijl. Een zijl is de oude benaming voor een keersluis te weten: een waterbouwkundig kunstwerk dat er voor zorgt dat er geen water ongecontroleerd het beheersgebied binnenstroomt. Het Ir. D.F. Woudagemaal heette tot in 1947 Tacozijl, pas toen is de naam van de stichter aan het gemaal verbonden. In 1998 is het gemaal op de UNESCO werelderfgoed lijst geplaatst met het kenmerk: ‘s Werelds grootste en nog werkend stoomgemaal.
Bij het Ir. D.F. Woudagemaal wordt bij stagnatie van de lozing bij een of meerdere lozingspunten van de Friese boezem met behulp van door stoommachines aangedreven pompen een deel van het waterbezwaar in de provincie op het IJsselmeer afgevoerd. Het Ir.D.F.Woudagemaal heeft nog steeds een volwaardige functie in de waterbeheersing van Friesland.
Het ketelhuis
In het ketelhuis staan de stoomketels opgesteld en vindt het stoken plaats. Verder staan in deze ruimte de voor het opwekken van stoom benodigde hulpwerktuigen en installaties opgesteld. Deze ruimte is gescheiden van de machinekamer om de daarin opgestelde machines te beschermen tegen koolstof, roet, asresten en andere schadelijke stoffen. Deze ruimte is ruim bemeten. Ten eerste om de grote toestellen onder te kunnen brengen maar ook voor de tijdelijke opslag (stookvoorraad) en transport van steenkool. Verder moest de as en eventuele sintels uit de vuurhaard getrokken kunnen worden. Dit gebeurde met een asriek, een lange steel met haaks daarop een blad bevestigd, zodat je om die redenen al een groot oppervlak voor de stoomketels nodig had. Verder bezit het gebouw een zogenoemde rookkap een soort vide die aan de zijkant boven open is en die de gelekte rookgassen op natuurlijke wijze afvoert, maar ook voor de toevoer van de grote hoeveelheden verbrandingslucht zorg draagt.
In het ketelhuis staan de stoomketels en de bijbehoren toestellen en apparaten opgesteld. Het ketelhuis is ingericht voor het stoken met steenkool en streng gescheiden van de machine kamer. Sinds midden jaren zestig van de vorige eeuw wordt met olie gestookt en is deze scheiding om hygiënische redenen minder relevant.
De stookolievoorwarmer
Tot in de jaren zestig van de vorige eeuw werden de stoomketels met steenkolen gestookt. De tweede generatie stoomketels van het Ir. D.F. Woudagemaal is toen omgebouwd en geschikt gemaakt voor oliestook. Voor het oliestoken wordt gebruik gemaakt van twee soorten brandstof: te weten de lichtere en dun vloeibare dieselolie en de dik vloeibare stookolie ook wel als zware olie aangeduid.
Om de stoperige stookolie te kunnen verpompen, ook wel trimmen genoemd, wordt deze in de opslagtanks met behulp van een stoomspiraal verwarmd tot ongeveer 80 °C. Voordat de stookolie naar de branders wordt gevoerd wordt deze verder verwarmd tot een temperatuur tussen de 100 en 110 °C, meestal 10 °C lager dan het vlampunt van de olie. De aldus verkregen hete en dun vloeibare stookolie wordt in de brander fijn verdeeld en gemengd met lucht waardoor een optimale verbranding kan plaatsvinden. De brander bestaat uit een venturibuis waar de olie wordt ingespoten en door de aldaar heersende temperatuur gedeeltelijk vergast. Om de venturibuis is een zogenoemde retarder aangebracht waarmee de lucht een draaiende beweging wordt gegeven. De draaiende beweging zorgt voor de menging van de brandstof en de lucht maar zorgt er tevens voor dat de uitbrandtijd van de koolstofverbindingen zolang is, dat een nagenoeg volledige verbranding plaatsvindt. Ook zorgt de inrichting van de brander ervoor, dat de brandstofdeeltjes de relatief koude wanden van de vuurgang niet raken en daardoor niet ontsteken of worden gedoofd. Bij een goed verlopend verbrandingsproces zijn de afvoergassen kleurloos (waterdamp en koolstofdioxide).
Tegenwoordig wordt er niet meer op zware stookolie gestookt maar alleen nog op diesel. Bovendien is er voor een niet fossiele diesel gekozen (HVO100). Deze brandstof hoeft niet voorverwarmd te worden.
De stoomketel
In een stoomketel wordt door middel van verbranding van vaste vloeibare of gasvormige brandstof stoom opgewekt. De stoom die wordt opgewekt moet de kwaliteit bezitten die vereist is voor het aan te drijven werktuig of installatie. Men onderscheidt drie soorten stoom te weten.
- Natte stoom
- stoom waarin waterdruppeltjes voorkomen.
- Verzadigde stoom
- stoom die verzadigd is met waterdamp en waarin geen waterdruppels voorkomen soms spreekt men dan van droge stoom.
- Oververhitte stoom
- stoom die vanuit de verzadigingstoestand extra wordt verwarmd. Men spreekt ook wel van droge stoom.
Men past oververhitte stoom toe omdat dit het rendement van de installatie verbeterd. In eenvoudige mensentaal betekent dit dat je meer water kunt verpompen met dezelfde hoeveelheid brandstof.
Bij het Ir.D.F.Woudagemaal wordt stoom opgewekt met een druk van 12 bar en een temperatuur van 310 ºC De verzadigde stoomtemperatuur is 195 ºC. De stoom die naar de stoommachine wordt geleid is dus 115 ºC oververhit.
De machinehal
In de machinehal staan de aandrijfwerktuigen (stoommachines), de opvoerwerktuigen (centrifugaal pompen) en in de kelder de hulpwerktuigen, die voor het stoombedrijf nodig zijn, opgesteld. Het soort opvoerwerktuig, het aandrijfwerktuig en de manier hoe deze werktuigen moeten worden opgesteld, zijn bepalend voor de afmetingen van deze ruimte. Ook de wijze waarop onderhoud moet kunnen worden uitgevoerd speelt een rol bij de te kiezen fysieke afmetingen van de machinekamer. De breedte van de onderbouw wordt bepaald door de waterdiepte voor het gemaal en de maximale watersnelheid over het krooshek. De pompen staan vanwege de uitvoering van het onderhoud maar ook vanwege het kunnen keren van het IJsselmeerwater, droog opgesteld. De stoommachines zijn liggend uitgevoerd om de bouwhoogte te beperken. Voor het horizontale en verticale transport van machine onderdelen tijdens reparaties en revisies is het gebouw uitgerust met een zogenoemde bovenloop hijsinrichting.
Op de begane grond vindt men de pompen de stoommachines. In de kelder van de machinekamer staan de condensors, condensor koelwaterpompen en de natte luchtpompen opgesteld. Ook zijn hier de smeeroliepompen voor de machines, suppletiepomp en condensaatpompen die het condensaat naar het ketelhuis pompen en de smeerolieafscheiders te vinden.
Het vliegwiel van de stoommachine
Bij een stoommachine wordt beurtelings aan beide zijden van de zuiger een kracht uitgeoefend. Deze kracht is niet altijd even groot en gelijk gericht aan de bewegingsrichting van de zuiger en de daarmee verbonden zuigerstang. Verder zijn er situaties dat de kracht precies in het verlengde ligt van de kruk en niet kan worden ontbonden. Dit zijn de zogenoemde dode punten van de machine. Als men hieraan niets doet dan draait een stoommachine schokkerig, kan niet aangezet worden of zal vanuit een draaiende situatie tot stilstand kunnen komen. Bij stoommachines maar ook verbrandingsmotoren worden daarom vliegwielen toegepast. In een vliegwiel wordt het sterk wisselende krachtenspel gemiddeld. In andere bewoording: het energieoverschot wordt tijdelijk opgeslagen in het vliegwiel voor het moment dat er een tekort is en wordt dan weer afgestaan. Op deze wijze wordt een nagenoeg eenparige beweging van de krukas verkregen. Verder wordt het vliegwiel gebruikt om de installatie te kunnen tornen.
Stoommachine
In een stoommachine wordt thermische energie omgezet in kinetische energie. In eenvoudige bewoordingen betekent dit dat de hoge druk en de temperatuur van de stoom wordt omgezet in een draaiende beweging. Deze omzetting vindt plaats met behulp van op een zuigerstang gemonteerde zuigers en een krukdrijfstang mechanisme.
Voor het Ir.D.F.Woudagemaal is indertijd gekozen voor een tandemcompound stoommachine. Een dergelijke stoommachine heeft twee zuigers die op één zuigerstang zijn gemonteerd achter elkaar zoals bij een echte tandem. Verder laat men de stoom in de machine expanderen om meer energie uit de stoom te kunnen halen. Als stoom expandeert krijgt het een groter volume en zijn er zuigers met een verschillende diameter nodig. Stoom kun je laten expanderen in meerdere cilinders van een stoommachine. Gebeurt dit in twee cilinders dan spreekt men in de techniek over een compound machine.
De stoom bij deze stoommachine wordt aan één zijde van de kleine cilinder, Hoge Druk (HD) cilinder, genoemd toegelaten. De stoom drukt de zuiger naar bodemzijde waarna vervolgens de gedeeltelijk geëxpandeerde stoom door de zuiger in deze cilinder naar een reciever ( een buis met grote afmeting) wordt gedreven. De zuiger in deze cilinder is enkelwerkend. Het moment en de tijd van stoomtoe- en afvoer wordt geregeld met behulp van zogenoemde zuigerschuiven, één voor toevoer en één voor afvoer.
Tijdens de toe- en afvoer van stoom bij de HD cilinder wordt de stoom uit de reciever beurtelings naar voor en achterkant van de grote cilinder (Lage Druk (LD) cilinder) gevoerd. De zuiger in deze cilinder is dus dubbelwerkend. De toevoer bij deze cilinder wordt ook met zuigerschuiven geregeld, de afvoer echter vindt in het midden van de cilinder plaats met behulp van stoompoorten. Deze poorten in de omtrek van de cilinder worden door de zuiger in deze cilinder op het juiste moment geopend. De poorten in deze cilinder wand staan rechtstreeks in verbinding met de condensor.
Opgemerkt wordt dat de stoom in de HD cilinder in één richting stroomt men spreekt dan over gelijkstroom. Bij de HD cilinder veranderd de stoom van stromingsrichting wat wordt aangeduid als omkeerstroom. Gelijkstroom wordt toegepast om te voorkómen dat afgekoelde vlakken van de cilinder in contact komen met verse stoom en deze laat condenseren.
De stoom expandeert in de twee cilinders van keteldruk naar condensordruk, waarbij de energie die in de stoomketel aan de stoom is toegevoegd in de stoommachine (gedeeltelijk) weer wordt afgegeven. De juiste volgorde en het tijdstip voor het toe en afvoeren van stoom gebeurt met behulp van door de stoommachine zelf gecommandeerde schuiven en bij de lage druk cilinder ten aanzien van de afvoer door de zuiger zelf.
Pomp
Een pomp voor polderwater verplaatst water en brengt het tevens naar een ander niveau.
Bij het Ir. D.F. Woudagemaal zijn zogenoemde centrifugaalpompen toegepast. Een centrifugaal pomp is een opvoerwerktuig met een waaier, waarbij het water haaks op de roterende as uittreedt. In de techniek spreekt men van een radiaalwaaier. Zo spreekt men over een axiaalwaaier of schroefwaaier als het water in lengte richting van de roterende as de waaier verlaat.
De werking van waaierpompen berust op het principe dat je met behulp van de waaier energie toevoegt aan de vloeistof. Die toegevoegde energie laat het water sneller stromen. Als het stromingskanaal groter wordt, hier gebeurd dat in een zogenoemd slakkenhuis, dan neemt de snelheid af en de statische druk toe.
Een simpele voorstelling van wat er in een centrifugaalwaaierpomp gebeurd kan gegeven worden met het snel roeren in een kopje thee. Je ziet aan de buitenzijde de vloeistof hoog tegen de rand staan in het midden ontstaat een dal in de vloeistof. Het verschil tussen de rand en het dal in het kopje is het statische drukverschil.
Een waaierpomp kan alleen werken als deze gevuld is met water dat wil zeggen onder het water niveau is opgesteld of doormiddel van evacueren (=vacuüm zuigen) wordt volgezogen met water. Bij het Ir. D.F. Woudagemaal waar de pomp boven de waterspiegel staat opgesteld zorgt een stoomejecteur ervoor dat de lucht uit de pomp wordt verwijderd. Dit noemt men in de techniek evacueren. Als de pomp eenmaal gevuld is met water en er treedt op geen enkele wijze opnieuw lucht toe blijft ze water verplaatsen. De pompen van het Ir.D.F.Woudagemaal zijn boven het hoogst mogelijke peil van de toenmalige Zuiderzee opgesteld. Het bijzondere van deze pompopstelling is dat als je het vacuüm verbreekt door lucht toe te laten treden er spontaan een kering ontstaat, dat wil zeggen dat er geen water uit het IJsselmeer de boezem kan instromen.
Een pomp brengt water van een laag niveau naar een hoog niveau en is het onderdeel waar het bij een gemaal om draait. Er bestaat een aantal verschillende soorten pompen, die elk op hun eigen wijze water verplaatsen. Bij het Ir.D.F.Woudagemaal wordt gebruik gemaakt van een zogenoemde centrifugaalwaaierpomp. Een centrifugaal waaierpomp maakt gebruik van de centrifugaalkracht om met behulp van de waaier aan het water snelheidsenergie toe te voegen. Deze energie wordt in het pompsysteem vervolgens om gezet in druk. Een waaierpomp is niet zelfaanzuigend daarom wordt met behulp van een ejecteur de pomp met water wordt gevuld. De pompen bij het Ir.D.F.Woudagemaal zijn dusdanig hoog opgesteld dat als de pompen niet in werking zijn er geen water uit het IJsselmeer naar de boezem kan stromen.
Zuig en persleiding
Om de pomp te kunnen laten werken heb je een toevoer- en een afvoerleiding nodig. Deze leidingen hebben een dusdanige vorm dat de snelheid van het water naar de pomp toe geleidelijk toeneemt en na het passeren hiervan weer geleidelijk afneemt. Zo voorkomt men dat er al te grote verliezen optreden in het pompsysteem. Ook voorziet de vormgeving van de leiding in de gewenste aan- en afstromingsrichting van de pomp. De toe- en afvoerleidingen zijn in beton uitgevoerd.
Voor het gemaal is een krooshek geplaatst. Een krooshek voorkomt verstopping van de pomp en het aanzuigen van harde voorwerpen die de waaier kunnen beschadigen. Aan afvoerzijde is achter elke pompunit van twee pompen een stel stormdeuren geplaatst. Deze deuren zijn geplaatst in de tijd dat het IJsselmeer nog Zuiderzee was, en een onderdeel vormden van de primaire waterkering. Ze konden worden gesloten wanneer het zeewater dermate hoog opgestuwd werd, dat er kans op overstroming via de balustrades was, en mogelijk via de pompen.
Condensor
In de stoomketel wordt water omgezet in stoom, we noemen dat verdampen. In een condensor vindt het omgekeerde plaats, dat noemen we condenseren. In de stoomketel voeren we, heel veel, energie toe en bij een condensor voeren we, een groot gedeelte van deze energie weer af. Het verschil in in de ketel toegevoerde energie en de in de condensor weer afgevoerde energie is de energie die beschikbaar is voor de stoommachine om in arbeid om te zetten. Dit gebeurt om de stoommachine optimaal te kunnen laten werken. Hoe groter namelijk het verschil in temperatuur is van de stoom die wordt toegevoerd ten opzichte van de stoom die wordt afgevoerd, hoe beter het rendement van de machine is.
Je kunt stoom op twee manieren condenseren.
De eerste manier is door water in de stoomwolk te spuiten, de stoom koelt dan zover af dat zij in vloeibare vorm over gaat. Men spreekt dan over injectiecondensatie.
Een tweede manier is om de stoom tegen een koud vlak te laten botsen. Deze methode noemt men oppervlaktecondensatie.
De omzetting van stoom in water vindt plaats in wat men noemt een condensor. Als gevolg van condensatie ontstaat een onderdruk in de condensor hetgeen wordt verklaard door het enorme verschil in volume van een 1 kg water en 1 kg. stoom.
De oppervlaktecondensor bij het ir.D.F.Woudagemaal bestaat uit een pijpenbundel waardoor oppervlaktewater wordt gepompt en aldus het koude oppervlak vertegenwoordigt. De pijpenbundel is in een gietijzeren omhulling opgenomen. Deze omhulling vormt gelijk de ruimte waarin de stoom overgaat in water. Het water dat in de condensor wordt gevormd noemt men condensaat. Dit condensaat wordt opnieuw naar de stoomketel gevoerd en omgezet in stoom.
Als gevolg van onderdruk en lekkage, bijvoorbeeld langs de zuigerstang van de stoommachine, wordt lucht met de stoom meegevoerd. Deze lucht verzamelt zich in de condensor en belemmert de condensatie van stoom. (De machinist van de stoom installatie zal dat merken aan het oplopen van de condensor druk. De natteluchtpomp voorkomt dit.
Smeerolie-afscheider
Om slijtage tegen te gaan en de loopeigenschappen te verbeteren worden de bewegende delen van de stoommachine gesmeerd. Met betrekking tot het toe te passen smeermiddel wordt onderscheid gemaakt tussen de onderdelen die met de hete stoom in aanraking komen en de onderdelen die aan normale temperaturen worden bloot gesteld.
De aan te wenden cilindersmeerolie moet bestand zijn tegen de hoge temperaturen van de verschillende onderdelen en de aanwezigheid van water. Dat betekent dat de toegepaste smeerolie niet verbrandt en zich vermengt met het water, kortom, de essentiële smeereigenschappen mogen niet verloren gaan. In het verleden maakte men gebruik van een mengsel van plantaardige en minerale oliën. Moderne smeermiddelen voor de cilinders van stoommachines zijn bijna zonder uitzondering uit minerale oliën samengesteld.
De relatief “koude” onderdelen worden met een goede kwaliteit olie gesmeerd. De lekolie bij deze onderdelen wordt gecontroleerd afgevoerd.
De cilindersmeerolie die met het condensaat wordt meegevoerd, wordt opgevangen en in een olie-afscheider afgescheiden en hergebruikt. De afscheiding vindt plaats met behulp van gravitatie. In simpele bewoordingen: er wordt gebruik gemaakt van de eigenschap dat olie op water drijft. De olie-afscheider bestaat uit een aantal na elkaar geschakelde bakken, waarin het oliewatermengsel tot rust komt en de olie zich afscheidt. De olie wordt opgevangen in een opslagtank of olie-voorraadtank. Niet alle olie wordt op deze wijze afgevangen. De laatste druppels worden in een filterpers of doekenfilter verwijderd. De afscheiding in de filterpers wordt bevorderd door in het laatste compartiment van de olie-afscheider aan het condensaat een vlokmiddel toe te voegen.
Het condensaat wordt met behulp van een aparte pomp naar de standpijpen in de machinehal en vervolgens naar de filterpers of het doekenfilter gevoerd voor een nabehandeling. Het condensaat dat wordt afgevoerd is melkachtig van kleur vanwege de geëmulgeerde olie. Het eventuele tekort aan ketelvoedingswater wordt in de olie-afscheider aangevuld en dus ook in het hierna volgende filter nabehandeld.
Filterpers of doekenfilter
Op de verwarmende vlakken van een stoomketel (verwarmend oppervlak) mag geen olie voorkomen omdat hierdoor de warmteoverdracht wordt belemmerd en dientengevolge tot oververhitting leidt en schade aan de ketel tot gevolg kan hebben. Het ketelvoedingwater mag dus geen oliebestanddelen bevatten. Het condensaat dat uit de olie-afscheider komt kan nog oliesporen bevatten en wordt daarom door een filter geleid om de laatste olieresten te verwijderen. Ook andere eventuele vaste bestanddelen in het ketelvoedingwater worden hier afgevangen.
Een filterpers of doekenfilter bestaat uit een groot aantal parallel geschakelde gietijzeren platen, ramen genoemd, die van holle ruimtes zijn voorzien. Tussen elke twee ramen is een filterdoek aangebracht. Aan één zijde van het doek wordt het met vlokmiddel aangelengde condensaat in de holle ruimte aangevoerd aan de andere zijde afgevoerd. Olieresten en verontreinigingen blijven op het filterdoek achter. Je kunt de werking enigszins vergelijken met een koffiefilter waarbij het koffiedik de verontreinigingen voorstelt. De filterdoeken worden na gebruik gewassen en opnieuw ingezet. Het water dat uit het filter komt is glashelder.
Warmwaterbak
Onder het doekenfilter is de zogenoemde warmwaterbak opgesteld. Warm omdat in deze bak het relatief warme condensaat wordt opgeslagen. Deze bak dient als buffer voor de ketelvoedingwaterpomp en om chemicaliën aan het water toe te voegen die het vormen van ketelsteen tegen moeten gaan. Ketelsteen heeft evenals olie de eigenschap warmte slecht over te dragen. De mate waarin ketelsteen gevormd kan worden is afhankelijk van de hardheid van het water. De chemicaliën ( onder andere soda) die worden toegepast zorgen er voor dat de calciumzouten coaguleren (vlokken) en niet in de vorm van ketelsteen neerslaan op de verwarmde oppervlakken.
Ketelvoedingwaterpomp
Het gereinigde condensaat wordt hergebruikt en met een pomp naar de desbetreffende stoomketel gevoerd. De ketelvoedingwaterpomp moet daarbij het ketelvoedingwater van omgevingsdruk op minimaal de keteldruk brengen. In het verleden werden hiervoor twee zogenoemde duplex-pompen gebruikt. Duplex-pompen ook wel met de fabrikantnaam Whortingtonpomp aangeduid zijn dubbel uitgevoerde zuigerpompen (verdringerpompen) die door middel van stoom worden aangedreven. De pomp- en stoomzuiger zijn op één as geplaatst waarbij de stoomschuiven van de ene pomphelft worden bediend door de andere en omgekeerd. De stoomschuifinrichting van dit pomptype is zodanig dat er een minimum aan druk schommelingen ontstaat. De onvermijdelijke drukwisselingen worden verder afgevlakt met behulp van een zogenoemde luchthelm.
Beide duplex-pompen zijn vervangen door elektrisch aangedreven voedingswater pompen. Eén duplexpomp is blijven staan. De voedingswaterpompen zijn zogenaamde meertraps centrifugaalpompen, te beschouwen als meerdere centrifigaalpompen achter elkaar. De pomp is meertraps doordat het niet mogelijk is in één trap de gewenste druk te krijgen, daarom meerdere trappen achter elkaar waarbij elke trap een gedeelte van de totale drukverhoging voor zijn rekening neemt. Doordat de pomp door een elektromotor wordt aangedreven is zij onafhankelijk van het stoombedrijf en dus ook inzetbaar bij het opstarten van de installatie als er nog geen stoom voorhanden is.