การออกแบบท่อ condenser of boiler

     ท่อคอนเดนเซอร์ของโรงไฟฟ้าพลังไอน้ำมักประสบปัญหามีการรั่วอยู่เสมอการรั่วส่วนใหญ่เกิดจากกการกัดกร่อนเนื่องจากสภาพของน้ำเป็นสำคัญ เช่น มีความเค็มสูง สวะ ขยะ หอย และเพียง ตลอดจนสิ่งมีชีวิตเล็กๆ ที่เติบโตน้ำเข้าไปอุดตัน และสะสมอยู่ในท่อ คอนเดนเซอร์ จนเป็นเหตุให้เกิดการกัดกร่อนภายในท่อขึ้น หรือน้ำหล่อเย็นที่มีสารแขวงลอยและ ทรายผสมอยู่ในอัตราส่วนที่สูง  ก็จะเกิดการกัดกร่อนที่สูงเช่นกัน จากปัญหาดังกล่าวนี้ จึงมีแนวทางแก้ไขโดยการใช้สารเคมี เพื่อให้เกิดฟิล์มป้องกันการกัดกร่อนเคลือบผิวท่อ และออกแบบเลือกใช้วัสดุท่อคอนเดนเซอร์ที่ทนต่อการกัดกร่อนสูง เหมาะสำหรับสภาพน้ำในภูมิภาคนั้นๆ แต่สิ่งหนึ่งที่ไม่ควรมองข้าม คือการกัดกร่อนที่เกิดจากการออกแบบโครงสร้างของคอนเดนเซอร์ไม่เหมาะสม แม้ว่าน้ำหล่อเย็นจะมีสภาพที่ดี แต่ก็อาจเกิดการกัดกร่อนได้เช่นกัน

    ปัญหาที่เกิดจากท่อคอนเดนเซอร์ มีความสำพันธ์กับรูปแบบการไหลของน้ำหล่อเย็น ลักษณะโครงสร้าง และรายละเอียดการติดตั้งคอนเดนเซอร์ เนื่องจากสิ่งเหล่านี้มีอิทธิพลต่อการเกิดและความรุนแรงของการกัดกร่อน

การกัดกร่อนแบบอิมพินจเม้นท์ (Impingement attack)

     การกัดกร่อนแบบนี้ มีความสัมพันธ์กับความเร็วของ cooling water ที่สูงเกินไป การเกิดกระแสน้ำปั่นป่วน (turbulence) อากาศที่ปนไปกับ cooling water ถ้าการกัดกร่อนแบบอิมพินจเม้นท์เกิดบริเวณใกล้ปากท่อ เรียกว่า Inlet-end attack ซึ่งมักเกิดในระยะ 2-6  นิ้วจากปากท่อ แต่การกัดกร่อนแบบอิมพินจเม้นท์เกิดได้ตลอดความยาวท่อ ดังนั้น การออกแบบ water box และ intake piping จึงมีผลโดยตรงต่อการเกิด และความรุนแรงของการกักกร่อนแบบอิมพินจเม้นท์

    ถ้า intake piping ออกแบบให้คดเคี้ยววกวน cooling water จะเกิดการไหลปั่นป่วนสูง เมื่อเข้าไปยัง water box และจะเกิดเป็นฟองอากาศ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อติดตั้งปั้มที่มีขนาดใหญ่ติดกันกับ water box และถ้าท่อทางดูดยาวมาก การปั่นป่วนของน้ำก็จะยิ่งมากขึ้น อากาศที่ปนไปกับ cooling water ซึ่งอาจเกิดขึ้นจากซีลปั้มรั่ว เพลาปั้มไม่ได้ศูนย์ ข้อต่อชำรุด ทำให้ให้เกิดกระแสน้ำหมุนวนที่ท่อทางดูดของปั้มซึ่งเกิดจากเมื่อหลายๆ หน่วยใช้ cooling water จากรางส่งน้ำเดี่ยวกัน

    ความรุนแรงของการกัดกร่อนแบบอิมพินจเม้นท์ เกิดขึ้นบ่อยๆ จากการที่มีวัตถุจากภายนอกเข้าไปอุดตันในท่อ กรณีนี้จะทำให้เกิดการไหลแบบปั่นป่วนที่ด้านท้ายของวัตถุนั้น

    จากภาพที่ 1 จะเกิดการกัดกร่อนท่ออย่างรวดเร็ว ปัญหาของสวะที่มากับน้ำ หอย และอื่นๆ สามารถลดให้น้อยลงได้ โดยการทำ back wash อย่างสม่ำเสมอ เพื่อล้างเอาสวะออกจากท่อคอนเดนเซอร์

     คอนเดนเซอร์และระบบ cooling water จะต้องออกแบบให้มีทุ่นขวางกันสวะ (floating booms) และแผ่นกรองชนิดหมุน (traveling screens) เพื่อป้องกันสวะเข้าไปยังท่อคอนเดนเซอร์ ดังนั้น การออกแบบที่ดีและระบบการทำงานของ water intake ที่ดี จะช่วยปรับปรุงสมรรถนะของคอนเดนเซอร์ได้มาก

     ความไวของการอิมพินจเม้นที่มีต่อท่อคอนเดนเซอร์ แปรเปลี่ยนตามขนาดท่อ ความเร็ว และความเค็มของน้ำ การเลือกวัสดุที่ใช้ทำท่อและ tube sheet มีความสำคัญมาก เมื่อเกิด inlet-end attack กับท่อคอนเดนเซอร์นั้น สามารถลดปัญหาลงได้ โดยการใช้วัสดุบางอย่าง เช่น พลาสติกโดยสอดเข้าทำเป็นปลอกท่อ ให้มีความยาวมากกว่าระยะที่เกิด inlet-end attack เล็กน้อย แต่โรงไฟฟ้าบางแห่ง ใช้สีทาในระยะดังกล่าวแทนปลอกพลาสติก ซึ่งก็ใช้ได้ผลดีเช่นกัน

ขนาดและรูปร่างของ water box

      ขนาดและรูปร่างของ water box มีผลต่อความคงทนของท่อคอนเดนเซอร์อย่างชัดเจน ความสำคัญอยู่ที่ว่า การไหลของ cooling water มีเส้นแนวการไหล (stream line) สม่ำเสมอ ตลอดหน้าตัดของ tube sheet หรือไม่ ผิวภายในของ water box ต้องเรียบ และปราศจากสิ่งที่ยื่นออกมากีดขาวงการไหล เครื่องยึดเหี่ยวทั้งหลาย ต้องยึดภายนอก water box เท่านั้น ส่วนทางเข้าของ cooling water ต้องออกแบบให้น้ำไหลเข้าง่ายๆ และมีการไหลอย่างราบเรียบ

ความลึกของ water box ต่ำสุดอยู่ระหว่าง 10-15 เท่า ของขนาดท่อทางเข้า เพื่อให้ cooling water เกิดการไหลอย่างราบเรียบ ก่อนเข้าท่อคอนเดนเซอร์ และ water box ในปัจจุบันนี้ ส่วนมากมีความลึกเพียง 6 ฟุต ซึ่งปกติจะเพียงพอที่จะลดความเสียงหายจากการเกิดอิมพินจิเม้นท์ อย่างไรก็ตาม ราคาจะสูงขึ้นตามความลึก จึงเป็นเหตุให้การออกแบบ water box มีความลึกต่ำกว่าค่าที่ดีที่สุด เพื่อหลีกเลี่ยงการกัดกร่อน ปัญหาหนึ่งที่สัมพันธ์กับการออกแบบ คือ มีช่องว่างระหว่าง cooling water กับ tube sheet มากเกินไป ทำให้เกิดโซนความดันต่ำขึ้น ภาพที่ 2

     ระบบส่งน้ำเข้าคอนเดนเซอร์ที่เป็นลักษณะพ่วง ภาพที่ 3 จะต้องออกแบบระมัดระวังอย่างมากเพื่อให้ได้สมมรรถนะที่ดี ตัวอย่าง โรงไฟฟ้าแห่งหนึ่ง ขนาด 400 MW. มีคอนเดนเซอร์แบบพ่วงซึ่ง cooling water ไหลผ่าน water box ร่วมระหว่างคอนเดนเซอร์ 2 ชุด water box ร่วมมีความยาว 7 ฟุต ดังนั้น จึงมีความยาวเพียง 3.5 ฟุตต่อคอนเดนเซอร์ 1 ชุด ซึ่งระยะขนาดนี้สั้นมาก เป็นผลให้เกิดการไหลปั่นป่วนสูงและเป็นสาเหตุให้เกิด inlet-end attack ที่รุนแรง แต่สามารถแก้ปัญหาได้ โดยการติดตั้งแผ่นโลหะรูปโจมเจาะเป็นรู ภาพที่ 4 เพื่อรับทิศทางและทำให้การไหลราบเรียบใน condenser ทั้ง 2 ชุด

    ถ้า inlet-end attack มีความรุนแรงมากในคอนเดนเซอร์ชนิด single-pass แบบทั่วๆ ไป ปัญหานี้แก้ได้โดยการใส่แผ่นเจาะรูห่างจาก tube sheet ประมาณ 4 นิ้ว ภาพที่ 5 ที่โรงไฟฟ้าแห่งหนึ่ง การใส่ตะแกรงนั้น นอกจากจะลด inlet-end attack แล้ว ยังทำให้เกิด catbodic protection ขึ้นซึ่งเกิดอิออนที่จำเป็นในการก่อรูปของ protective coating ภายในท่ออีกด้วย แต่ถ้ามีปัญหาจากเปลือกหอยหรือวัตถุอื่นๆ เข้าไปอุดตันในท่อ อาจใช้ตะแกรงที่มีรูขนาดเหมาะสมติดตั้ง สำหรับตะแกรงที่เป็นเหล็กและน้ำมีความเค็มจะต้องเปลี่ยนตะแกรงใหม่ทุกๆ 10 เดือน

   

       ยกตัวอย่าง โรงไฟฟ้าแห่งหนึ่ง มี single-pass heat exchangers หลายหน่วยได้ทำการเปลี่ยนให้เป็น two-pass โดยถอด discharge water box แล้วใส่ฝาครอบแบบกึ่งทรงกลมที่ตื้นๆ แทน ภาพที่ 6 หลังจากเดินเครื่องไปได้ไม่นานนัก ท่อบริเวณทางเข้าของ second-pass ก็เกิดการกัดกร่อนอย่างรุนแรง ปัญหานี้ แก้ไขได้โดยการใส่ฝาครอบที่มีรูปร่างลึก เพื่อให้มีเส้นแนวการไหลมากพอ และมีการไหลแบบทิศทางเดียวกัน ภาพที่ 7

 

         วัสดุใช้ทำ tube sheet จะต้องมีความต้านทานต่อ cooling water และต้องเข้ากันได้กับวัสดุที่ใช้ทำท่อ tube sheet เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดการกัดกร่อนลักษณะ กัลป์วานิค (Galvanic corrosion) ส่วน tube sheet จะต้องหน้าเพียงพอ เพื่อเป็นโครงสร้างรับน้ำหนักท่อและให้ท่อกับ tube sheet ต่อกันได้ดี ส่วนมากแล้ว tube sheet มีความหนาประมาณ 1-1.5 นิ้ว ถ้าเป็นน้ำสะอาดมักใช้ muntz metal หรือ aluminum bronze แต่ถ้าเป็นน้ำเค็มหรือน้ำกร่อยมักใช้ aluminum bronze หรือ 90/10 copper/nickel

        บางครั้ง ก็ออกแบบใช้ cooling towers กับคอนเดนเซอร์ ดังนั้น น้ำที่สูบเข้าท่อจะอยู่ภายใต้ความดัน ปัญหาจากการกัดกร่อนแบบอิมพินจเม้นท์ก็สามารถลดได้ โดยใช้วิธียับยั้งการคายอากาศที่ละลายอยู่ในน้ำออกมา อย่างไรก็ตาม ในทางปฏิบัติคอนเดนเซอร์แบบonce-through ทั้งหมด และคอนเดนเซอร์แบบน้ำหมุนเวียนกลับบางระบบ ใช้ระบบไซฟอน (siphon system) ในคอนเดนเซอร์แบบ once-through น้ำมักจะไหลเข้าด้านล่างและไหลออกจากคอนเดนเซอร์ด้านบน แต่บางทีก็ออกแบบให้น้ำไหลเข้าด้านบนและไหลออกด้านล่าง วิธีนี้จะลดความยาวของไซฟอน และลดการแยกตัวของอากาศออกจากน้ำขณะไหลในท่อ สำหรับความสูงของไซฟอนคือระยะจากด้านบนของท่อตัวบนสุด ถึงระดับที่น้ำไหลออกจากคอนเดนเซอร์

       เมื่อไซฟอนมีความยาวมาก อาจเกิดสุญญากาศขึ้นในท่อ ทำให้อากาศแยกตัวออกจากน้ำได้ ซึ่งจะก่อให้เกิดอิมพินจเม้นท์ตลอดความยาวท่อ และที่ทางออกของท่อ กรณีที่น้ำไม่เต็มท่อก็จะมีอากาศอยู่ที่ด้านบน ถ้าเกิดกรณีเช่นนี้ จะต้องทำไซฟอนให้สั้นเข้า โดยใช้สุญญากาศจากภายนอกเข้าช่วย

       ตามทฤษฎี ความสูงของไซฟอนสูงสุดคือ 34 ฟุต ที่ 32 ⁰F จะไม่มีอากาศปนเข้าไปกับน้ำ โดยปกติ ความสูงของไซฟอนอยู่ระหว่าง 24-27 ฟุต ในระดับที่สูงขึ้นไปจนถึง 1,000 ฟุต เหนือระดับน้ำทะเล เมื่อติดตั้งไซฟอนขนานกัน ให้ต่อจุดระบายร่วมระหว่างแต่ละไซฟอนที่จุดที่สูงที่สุด เพื่อป้องกันไม่ให้แต่ละท่อมีรูปแบบไม่เหมือนกัน

จงให้ความระมัดระวังในการติดตั่งท่อ

      การต่อท่อเข้ากับ tube sheet เป็นเรื่องสำคัญมากสำหรับคอนเดนเซอร์ขนาดใหญ่ๆ ไม่เพียงแต่เพื่อป้องกันการรั่วอย่างเดียว แต่จะต้องแข็งแรงเพียงพอที่จะรองรับภาระทางกล (mechanical load) ด้วย การต่อท่อโดยใช้ลูกกลิ้งบานท่อก็ได้ผลเป็นที่น่าพอใจ ภายหลังจากการบานท่อแล้ว ขอบของท่อจะต้องให้มีรูปร่างเป็นปากแตรเล็กน้อย เพื่อให้การไหลของน้ำเข้าไปยังท่อราบเรียบขึ้น การบานท่อที่ไม่เหมาะสม จะเกิดความเสียหายจากการกัดกร่อนในรูปแบบของการกัดกร่อนร่วมกับความเค้น (stress corrosion) การบานท่อที่ใช้แรงมากเกินไป เป็นการทำลายท่อ เพราะว่าจะเป็นสาเหตุให้ท่อบางจนปริหรือแตก ซึ่งเป็นการต่อที่ไม่ดีพอ นอกจากนั้น การบานท่อยังทำให้เกิดความเค้นขึ้นกับ tube sheet ด้วย ในโลหะบางชนิด ความเค้นดังกล่าวอาจมีค่าสูงถึงจุดที่ก่อความเสียหายได้ จึงควรให้ความสำคัญต่อเรื่องนี้ให้มากด้วย

 สำหรับ inlet nozzle นั้น จะต้องมีขนาดหน้าตัดเท่ากับ inlet pipe ทั้งนี้ เพื่อป้องกันการเกิดเป็นคอคอด ซึ่งจะเกิดบริเวณความดันต่ำในบริเวณของ tube sheet อยู่ใกล้กับ nozzle ภาพที่ 8 โดยที่พื้นที่หน้าตัดบริเวณ A จะต้องเท่ากับพื้นที่หน้าตัดบริเวณ B ถ้าไม่เท่ากัน จะเกิดปัญหาเนื่องจากการคอดของท่อ ซึ่งมีผลคล้ายคลึงกับการเพิ่มความเร็วของน้ำ มีหลักอยู่ว่า ความเร็วของน้ำใน nozzle จะไม่สูงกว่า 2/3 เท่าของความเร็วน้ำผ่านท่อคอนเดนเซอร์

วัสดุใช้ทำ tube sheet จะต้องมีความต้านทานต่อ cooling water และต้องเข้ากันได้กับวัสดุที่ใช้ทำท่อ tube sheet เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดการกัดกร่อนลักษณะ กัลป์วานิค (Galvanic corrosion) ส่วน tube sheet จะต้องหน้าเพียงพอ เพื่อเป็นโครงสร้างรับน้ำหนักท่อและให้ท่อกับ tube sheet ต่อกันได้ดี ส่วนมากแล้ว tube sheet มีความหนาประมาณ 1-1.5 นิ้ว ถ้าเป็นน้ำสะอาดมักใช้ muntz metal หรือ aluminum bronze แต่ถ้าเป็นน้ำเค็มหรือน้ำกร่อยมักใช้ aluminum bronze หรือ 90/10 copper/nickel

บางครั้ง ก็ออกแบบใช้ cooling towers กับคอนเดนเซอร์ ดังนั้น น้ำที่สูบเข้าท่อจะอยู่ภายใต้ความดัน ปัญหาจากการกัดกร่อนแบบอิมพินจเม้นท์ก็สามารถลดได้ โดยใช้วิธียับยั้งการคายอากาศที่ละลายอยู่ในน้ำออกมา อย่างไรก็ตาม ในทางปฏิบัติคอนเดนเซอร์แบบonce-through ทั้งหมด และคอนเดนเซอร์แบบน้ำหมุนเวียนกลับบางระบบ ใช้ระบบไซฟอน (siphon system) ในคอนเดนเซอร์แบบ once-through น้ำมักจะไหลเข้าด้านล่างและไหลออกจากคอนเดนเซอร์ด้านบน แต่บางทีก็ออกแบบให้น้ำไหลเข้าด้านบนและไหลออกด้านล่าง วิธีนี้จะลดความยาวของไซฟอน และลดการแยกตัวของอากาศออกจากน้ำขณะไหลในท่อ สำหรับความสูงของไซฟอนคือระยะจากด้านบนของท่อตัวบนสุด ถึงระดับที่น้ำไหลออกจากคอนเดนเซอร์

เมื่อไซฟอนมีความยาวมาก อาจเกิดสุญญากาศขึ้นในท่อ ทำให้อากาศแยกตัวออกจากน้ำได้ ซึ่งจะก่อให้เกิดอิมพินจเม้นท์ตลอดความยาวท่อ และที่ทางออกของท่อ กรณีที่น้ำไม่เต็มท่อก็จะมีอากาศอยู่ที่ด้านบน ถ้าเกิดกรณีเช่นนี้ จะต้องทำไซฟอนให้สั้นเข้า โดยใช้สุญญากาศจากภายนอกเข้าช่วย

ตามทฤษฎี ความสูงของไซฟอนสูงสุดคือ 34 ฟุต ที่ 32 ⁰F จะไม่มีอากาศปนเข้าไปกับน้ำ โดยปกติ ความสูงของไซฟอนอยู่ระหว่าง 24-27 ฟุต ในระดับที่สูงขึ้นไปจนถึง 1,000 ฟุต เหนือระดับน้ำทะเล เมื่อติดตั้งไซฟอนขนานกัน ให้ต่อจุดระบายร่วมระหว่างแต่ละไซฟอนที่จุดที่สูงที่สุด เพื่อป้องกันไม่ให้แต่ละท่อมีรูปแบบไม่เหมือนกัน

จงให้ความระมัดระวังในการติดตั่งท่อ

การต่อท่อเข้ากับ tube sheet เป็นเรื่องสำคัญมากสำหรับคอนเดนเซอร์ขนาดใหญ่ๆ ไม่เพียงแต่เพื่อป้องกันการรั่วอย่างเดียว แต่จะต้องแข็งแรงเพียงพอที่จะรองรับภาระทางกล (mechanical load) ด้วย การต่อท่อโดยใช้ลูกกลิ้งบานท่อก็ได้ผลเป็นที่น่าพอใจ ภายหลังจากการบานท่อแล้ว ขอบของท่อจะต้องให้มีรูปร่างเป็นปากแตรเล็กน้อย เพื่อให้การไหลของน้ำเข้าไปยังท่อราบเรียบขึ้น การบานท่อที่ไม่เหมาะสม จะเกิดความเสียหายจากการกัดกร่อนในรูปแบบของการกัดกร่อนร่วมกับความเค้น (stress corrosion) การบานท่อที่ใช้แรงมากเกินไป เป็นการทำลายท่อ เพราะว่าจะเป็นสาเหตุให้ท่อบางจนปริหรือแตก ซึ่งเป็นการต่อที่ไม่ดีพอ นอกจากนั้น การบานท่อยังทำให้เกิดความเค้นขึ้นกับ tube sheet ด้วย ในโลหะบางชนิด ความเค้นดังกล่าวอาจมีค่าสูงถึงจุดที่ก่อความเสียหายได้ จึงควรให้ความสำคัญต่อเรื่องนี้ให้มากด้วย

ขอขอบคุณ คุณ บุญรินทร์ วงษ์ศิริ

กองวิศวกรรมบำรุงรักษาเครื่องกล

ฝ่ายบำรุงรักษาเครื่องกล

การไฟฟ้าฝ่ายผลิตแห่งประเทศไทย

สำหรับข้อมูล

ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับโรงไฟฟ้า ตอนจบ

จากตอนที่แล้ว ถ้าท่านสนใจเฉพาะหลักการของโรงไฟฟ้า ที่กล่าวมาทั้งหมดนั้น น่าจะเพียงพอที่จะสร้างภาพพจน์ได้ และหากสนใจจะเรียนรู้เรื่องอื่นๆ ให้ละเอียดลึกลงไปอีก สำหรับโรงไฟฟ้าที่ทันสมัยในปัจจุบัน ก็ขอให้ศึกษากันต่อไป

       เท่าที่ผ่านมาการเผาไหม้ใน boiler แทนด้วยตะกับโซ่สายพาน (chain-grate stroker) ซึ่งคนทั่วไปคุ้นเคย สำหรับโรงไฟฟ้าที่ทันสมัยที่ใช้ถ่านหินเป็นเชื้อเพลิงเขาจะบดถ่านหินให้ละเอียด เรียกว่า พาลเวอไรซ์ โคล (pulverized coal) เครื่องบดถ่านหินให้ละเอียดเรียกว่า พลาเวอไรเซอร์ (pulverizer) ซึ่งจะบดถ่านหิดให้ละเอียดเป็นผงแป้ง จากนั้นก็จะใช้พัดลม (fan) เป่าเอาผงถ่านหินเข้าเตาเผาไหม้ (furnace) ฉะนั้นการเผาไหม้จะคล้ายกับการเผาก๊าซ พิจารณาภาพที่ 18

    โรงไฟฟ้าที่ใช้ถ่านหินเป็นเชื้อเพลิงส่วนใหญ่ขณะนี้ใช้ระบบการเผาไหม้ แบบ pulverized coal เพราะสามารถควบคุมได้ง่ายกว่าแบบ chain grate stroker เพราะชนิด stroker นั้นจะมีถ่านหินลุกไหม้อยู่จำนวนหนึ่งบนตะกับโซ่สายพาน (chain grate) เสมอ แม้ว่าจะหยุดป้อนถ่านหินไปแล้วก็ตาม ถ่านหินที่เหลืออยู่บนตะกับโซ่สายพานก็ยังคงลุกไหม้ต่อไปอีกระยะหนึ่งส่วนการเผาไหม้แบบ pulverized coal นั้น ไม่มีลักษณะสะสมความร้อน ถ้าหยุดป้อนถ่านหินไฟจะดับทันที เหมือนกับการเผาไหม้โดยใช้น้ำมัน หรือก๊าซธรรมชาติเป็นเชื้อเพลิง

     อย่างไรก็ตามการเผาไหม้แบบ pulverized coal หรือ stroker ก็ไม่ได้แตกต่างกันในหลักการเผาไหม้เพียงแต่แตกต่างกันเฉพาะ อุปกรณ์เกี่ยวข้องที่นำมาใช้งานเท่านั้น

     ต่อไปนี้จะกล่าวถึง เรื่องความดันไอน้ำ (steam pressure) ตามที่เคยเขียนเอาไว้ว่าประสิทธิภาพของโรงไฟฟ้าขึ้นอยู่กับความดันไอน้ำ (steam pressure) นั้นเป็นความจริง เพราะถ้าความดันมากขึ้นอุณหภูมิก็จะเพิ่มขึ้นตาม เช่น ไอน้ำที่ความดันบรรยากาศ 15 Psi มีอุณหภูมิ 212 ⁰F แต่ไอน้ำที่ 500 Psi มีอุณหภูมิสูงถึง 449  ⁰F

    ประสิทธิภาพของกังหันไอน้ำ (steam turbine) หรือกังหันก๊าซ (gas turbine) มิได้ขึ้นอยู่กับ ธรรมชาติของไอน้ำหรือก๊าซ แต่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของไอน้ำหรือก๊าซต่างหาก ตัวอย่าง เช่น ไอน้ำอุณหภูมิ 400  ⁰F ผ่าน turbine แล้วปล่อยออกที่ 212  ⁰F จะมีประสิทธิภาพมากกว่า turbine ที่ใช้ไอน้ำอุณหภูมิ 300  ⁰F แล้วปล่อยออกที่ 212  ⁰F ซึ่งใน ขณะเดียวกัน turbine ที่ใช้ไอน้ำ 400  ⁰F แล้วปล่อยออกที่ 212  ⁰F จะมีประสิทธิภาพต่ำกว่า turbine ที่ใช้ไอน้ำ 400  ⁰F ปล่อยออก 100  ⁰F จากตัวอย่างนี้จะเห็นว่า condenser ซึ่งเป็นตัวทำ vacuum มีประโยชน์อย่างไร

หากไม่มี condenser อุณหภูมิปล่อยออกจาก turbine ต่ำสุดได้เพียง 212 ⁰F ที่ความดันบรรยากาศ (15 Psi) แต่ถ้าใช้ condenser สามารถสร้างสภาพ vacuum สมมุติว่าต่ำกว่าความดันบรรยากาศอีกสัก 10 Psi ฉะนั้นจะเหลือความดันไอน้ำเพียง 5 Psi ซึ่งอุณหภูมิของไอน้ำ ขณะนั้นเพียง 160 ⁰F ปัจจุบันโรงไฟฟ้าทั่วไปที่ทันสมัยมีความไอน้ำใน condenser เพียง 2 Psi หรือต่ำกว่านี้เสียอีก เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพให้ turbine และใช้ประโยชน์จากไอน้ำให้เต็มที่

         ในการเดิน turbine นั้น ประสิทธิภาพของการเดินเครื่องสำคัญอยู่ที่ช่วงความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างอุณหภูมิในไอน้ำที่เข้าและออกจาก turbine นั่นคือ ประสิทธิภาพทางความร้อน (thermal efficiency) ขึ้นอยู่กับช่วงอุณหภูมินี้ ในการอธิบายเรื่องนี้ จำเป็นต้องยกตัวอย่าง turbine ซึ่งไม่มีการสูญเสียพลังงานไปทางอื่นๆ เช่น สูญเสียไปในการเอาชนะแรงเสียดทานหรือสูญเสียความร้อนไปจากการถ่ายเท่ความร้อนเลย ซึ่งในทางปฏิบัติเป็นไปไม่ได้ สมมุติว่าสร้าง turbine ชนิดที่ว่ามานี้ได้ และนำมาใช้งานกับ steam อุณหภูมิเข้า turbine 400 ⁰F และจะออกจาก turbine ที่ความดันบรรยากาศ exhaust steam temperature 212 ⁰F ฉะนั้น thermal efficiency สามารถคำนวณได้ตามสมการง่ายๆ ดังนี้

   ถ้าในกรณีใช้ condenser อุณหภูมิของไอน้ำที่ออกมาที exhaust จะต่ำลงกว่า 212 ⁰F อีก เนื่องจากความดันไอน้ำลดจาก 1 ความดันบรรยากาศ เหลือเพียง 5 Psi ที่ความดันนี้ อุณหภูมิของไอน้ำจะเหลือเพียง 162 ⁰F ตามที่เคยกล่าวมาแล้ว ฉะนั้น 162 ⁰F คำนวณเป็นองศาสมบูรณ์ได้ 162 + 460 = 622 Absolute ถ้าคำนวณหาประสิทธิภาพใหม่จะได้

   จะเห็นว่าเมื่อใช้ condenser จะสามารถเพิ่มประสิทธิภาพของ turbine จาก 21.8 % เป็น 27.5 %

    ตามตัวอย่างนี้ วิศวกรโรงไฟฟ้า ยังได้พยายามเพิ่มอุณหภูมิขาเข้า turbine และพยายามลดอุณหภูมิ exhaust ของ turbine ให้ต่ำที่สุดเพราะช่วงแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างเข้า และออกจาก turbine นั้น ยิ่งมาก ประสิทธิภาพก็มากขึ้นด้วย แต่อย่าลืมว่าที่เรายกตัวอย่างมาทั้งหมดนั้นเป็นการสมมุติว่า turbine ไม่มีการสูญเสียพลังงานเลย ซึ่งเป็นกรณีที่เป็นไปไม่ได้ จริงๆ แล้วประสิทธิภาพของ turbine ต่ำกว่าที่ยกตัวอย่างมาแล้วมากนัก และนอกจากนั้นยังต้องมีการคิดว่าคุ้มค่าที่จะทำ หรือไม่ เช่น ในการใช้ condenser เรามีความรู้ว่า condenser สร้างสภาพ vacuum และลดอุณหภูมิ exhaust ของ turbine ได้ ฉะนั้นหากคิดง่ายๆ ก็คือสร้าง condenser ให้ใหญ่เข้าไว้ ย่อมมีประสิทธิภาพดี ซึ่งความจริงหาได้เป็นเช่นนั้น หาก condenser ใหญ่ ก็ต้องมีจำนวนน้ำหล่อเย็นหมุนเวียน (circulating water) มาก มีการกลั่นตัวของ condensate มากต้องปั้มออกให้ทัน ไม่เช่นนั้น condensate จะท่วม condenser นั้นคือ ต้องการ pump ขนาดใหญ่ซึ่งแน่นนอนว่าต้องใช้ pump ใหญ่ ซึ่งกินไฟฟ้ามากมาหมุน ดังนั้นในการคำนวณประสิทธิภาพของโรงไฟฟ้า เราคิดทั้งหมดไม่ใช่คิดเฉพาะตัว turbine เท่านั้น จึงจำเป็นต้องพิจารณาว่าการเพิ่มเติมอุปกรณ์ต่างๆ หรือออกแบบขนาดนั้นคุ้มค่าเพียงใด จงจำไว้ว่าไม่มีทางที่จะได้อะไรมาเปล่าๆ จากโลกนี้ โดยไม่เสียอะไรไปเลย

     ที่กล่าวนั้น ทำให้วิศวกรที่ทำงานเกี่ยวกับเรื่องพลังงาน แบ่งกันออกเป็นหลายสาขาวิชามีผู้เชี่ยวชาญสาขาต่างๆ เช่น ในการพยายามทำให้อุณหภูมิเข้า turbine สูงออกมาต่ำที่ exhaust จำเป็นต้องเกี่ยวข้องกับวิชาเคมี ฟิสิกส์ โลหะวิทยา เทคนิคในการผลิตวัสดุและติดตั้ง โดยจะต้องถูกต้องตามหลักเศรษฐศาสตร์ คือ ประหยัด และดีที่สุด เมื่อต้องการ steam อุณหภูมิและ ความดันสูง ก็ต้องการเหล็กอัลลอย ชนิดพิเศษที่สามารถ เหล็กอัลลอย ชนิดพิเศษที่สามารถทนสภาพได้ อัตราการผลิตไอน้ำของ boiler สูงก็จำเป็นต้องมีอัตราการปั้มน้ำเข้าสูงด้วย เพื่อให้ทันกัน รวมทั้งการควบคุมคุณภาพน้ำใน boiler การออกแบบระบบท่อ วาล์ว วิธีการหุ้มฉนวนกันความร้อน และอื่นๆ อีกมากมาย

    ในกรณี boiler ที่เดินเครื่องด้วยความดันไอน้ำและอุณหภูมิสูงนั้น การจะอุ่นน้ำ

   Feed water ด้วย exhaust จาก boiler feed pump จะได้อุณหภูมิไม่เพียงพอต่อการใช้งานในกรณี ต้องการ feed water ที่อุณหภูมิสูงเพื่อไม่ให้เกิดความเครียดในเนื้อโลหะของ boiler อันเนื่องมาจากน้ำ feed water เย็นเกินไปปั้มเข้า boiler ซึ่งร้อนจัด ฉะนั้นการใช้ heater จำนวนมากขึ้น และทำให้อุณหภูมิสูงขึ้น จึงเป็นการเพิ่มประสิทธิภาพของโรงไฟฟ้า

    ถ้าจะทำให้อุณหภูมิ feed water สูงขึ้น ก็ต้องหาแหล่ง steam ที่มีความดันและอุณหภูมิสูงมาอุ่นน้ำ ซึ่งจะเห็นว่าน่าจะเอามาจาก boiler drum หรือ header แต่การกระทำดังกล่าวจะต้องจัดหาออกแบบ feed water heater ชนิดที่ทนความร้อนและความดันไอน้ำสูงๆ ได้ซึ่งคงจะเป็นการสิ้นเปลืองเงินมิใช่น้อย steam ที่มาจาก boiler drum นั้นควรจะใช้ประโยชน์ให้มากที่สุดในการเอาไปหมุน turbine

    แต่การติดตั้งเตาอีกชุดหนึ่ง เพื่อต้มน้ำต่างหากก็คงจะสิ้นเปลืองไม่น้อยไปกว่าวิธีแรก สมมุติว่า ถ้าจะอุ่นน้ำ feed water ด้วย steam ที่ผ่าน turbine มาแล้ว บาง stage น่าจะเป็นวิธีการที่เหมาะสม เพราะ steam ดังกล่าวจะถ่ายทอดพลังงานให้กับ feed water และวิธีการนี้จะมีประสิทธิภาพสูงกว่าอีกด้วย

    ทำไมจึงเป็นเช่นนั้น ? ทำไม steam ที่แยกออกมาบางส่วนจาก turbine (extracted steam) จึงให้กำลังงานได้มากกว่าปล่อยผ่าน turbine ไปลง condenser เฉยๆ ?

คำตอบนั้นอธิบายยากเพราะเป็นศาสตร์ของ เทอร์โมไดนามิคส์ (thermodynamics) แต่สามารถอธิบายง่ายๆ ดังนี้ ใน turbine ทั่วไปถึงแม้จะเป็นแบบใหม่ล่าสุดก็ตามพลังงานความร้อนประมาณ 2/3 ของทั้งหมด จะเหลืออยู่ใน steam ที่ออกมาจาก turbine ก่อนลง condenser ปริมาณความร้อนนี้จะถูก circulating water ถ่ายเทเอาออกไปแล้วก็เอาไปทิ้งเสียเปล่าๆ

     นั่นย่อมหมายความว่า อย่างเก่งที่สุดเพียงแค่ 1/3 ของพลังงานความร้อนทั้งหมดเท่านั้นที่ใช้ในการหมุน turbine และ generator ฉะนั้น หากแยก extracted steam ออกมาจาก turbine บางส่วนก่อนที่จะลง condenser แล้วเอามาอุ่นน้ำ feed water ก็เท่ากับไม่ได้ เสียความร้อนไปโดยเปล่าประโยชน์ เพราะพลังงานความร้อนใน steam นั้น จะกลับมาอุ่น feed water ซึ่งจะปั้มกลับเข้า boiler อีกครั้ง

     หรืออาจกล่าวได้ว่า ปริมาณความร้อน 2/3 จะถูกทิ้งไปเฉยๆ ถ้าระหว่าง turbine inlet ไป condenser ไม่มีการแยก extracted steam ออกมา แต่ถ้ามีการแยกพลังงาน ความร้อนจากจุดเริ้มต้นถึงจุด extracted steam จะไม่มีการสูญหายไปไหน ย่อมเป็นการทำให้ประสิทธิภาพส่วนรวมเพิ่มขึ้น ฉะนั้นจำนวน extracted steam ที่ต้องการก็คือ จำนวนที่จะไปอุ่น feed water ให้มีอุณหภูมิสูงขึ้นเท่าที่ต้องการนั้นเอง

    โปรดดู diagram ในภาพ 19 ซึ่งแสดงให้เห็นถึง extraction line ซึ่งแยก steam ที่ผ่าน turbine มาแล้วบางส่วนออกไปอุ่น feed water      

กรณีที่จะอุ่น feed water ซึ่งมีอุณหภูมิค่อนข้างต่ำ ก็จะต้องใช้ steam ที่มีอุณหภูมิค่อนข้างต่ำ คือใกล้ๆ exhaust ซึ่งก็จะทำให้ประสิทธิภาพไม่ดีเท่าทีควร แต่หากว่าต้องการ feed water ที่อุณหภูมิสูงขึ้น เพื่อให้ใกล้เคียงกับอุณหภูมิ boiler ก็จะทำได้โดยการแยก steam จาก turbine มาอีกในจุดที่ห่างออกจาก exhaust เรื่อยๆ แล้วใช้ feed water heater หลายตัว  ต่ออนุกรมกัน ภาพที่ 20

ภาพ 20 แสดงให้เห็น heater 2 ตัว ตัวแรกอุณหภูมิต่ำ ความดันต่ำ อุ่นโดยใช้ extracted steam ใกล้ condenser ซึ่งมีอุณหภูมิสูงกว่า ส่วนน้ำ feed water จะถูกปั้มจาก heater H1  ซึ่งมีความดันและอุณหภูมิไปยัง heater H2 ซึ่งมีอุณหภูมิและความดันสูงกว่าและใกล้เคียงกับอุณหภูมิน้ำไป boiler โดยวิธีการนี้จะเรียกว่า heater 2 ตัว ดีกว่าตัวเดียวได้ประสิทธิภาพมากกว่า

     ถ้า 2 ดีกว่า 1, 3 ย่อมดีกว่า 2, 4 ย่อมดีกว่า 3 หรือพูดได้ว่ายิ่งแยก steam ออกมาจากหลาย stage ก็ยิ่งมีประสิทธิภาพสูงขึ้น จริงอยู่ แตกการแยกออกมามากย่อมต้องมี heater หลายตัวเกินไป ทำให้สิ้นเปลืองค่าใช้จ่าย ไม่คุ้มกับการลงทุนที่จะได้ประสิทธิภาพออกมาอีกเพียงเล็กน้อยในช่วงหลังๆ ฉะนั้นเมื่อคิดทั้งหมดแล้ว โดยทั่วไปมักจะมีประมาณ 4-5 heater แต่ plant ใหม่ๆ อาจมี 7-8 heaters

    การแยก extracted steam ออกมานี้เรียกว่า regenerative feed water heating cycles ซึ่งมีใช้งานในโรงไฟฟ้าทันสมัยทุกโรง คือ จะมี steam ประมาณ 20-30 % ของทั้งหมดแยกออกมาจาก turbine หลายๆ จดเพื่ออุ่น feed water

ภาพที่ 21 จะเห็นว่ามี heater อยู่ 4 stages แต่เนื่องจากแต่ละช่วง feed water จะมีความดันสูงขึ้นเรื่องๆ จึ่งจำเป็นต้องมี pump อัดน้ำเช้า heater ตัวต่อๆ ไปทุกๆ stages และตัวสุดท้ายจะปั้มด้วย boiler feed pump เข้า economizer ของ boiler ต่อไป จากภาพ 21 จะเห็นว่าอุปกรณ์ต่างๆ ในโรงไฟฟ้าเริ่มยุ่งเหยิง เพราะเราต้องการให้ประสิทธิภาพสูงขึ้นไปทุกๆ วิถีทาง อย่างไรก็ตาม diagram นั้นยังห่างจากความเป็นจริง ยังมีอุปกรณ์ต่างๆ อย่างอื่นอีกมากมาย เช่น พัดลม (forced dreft fans) ที่จะพัดเอาอากาศผ่าน air heater ก่อนอัดเข้าไปใน furnace ไม่ได้แสดงไว้เพื่อให้ diagram ดูง่าย มาลองดูภาพ 22  

      ลมเย็นจะถูกพัดพามาผ่าน air heater ซึ่งเมื่อรับความร้อนจาก flue gas แล้วจะผ่านมาในท่อส่งลม (air duct) ซึ่งของจริงหุ้มฉนวนกันความร้อนใต้ stroker เพื่อทำให้ถ่ายหินติดไฟ และต้มน้ำใน boiler ด้วย

      Air heater หรือเครื่องอุ่นอากาศ จะติดตั้งใกล้ปากทางออกจาก furnace เพื่อรับความร้อน โดยทั่วไปจะเป็นชนิดท่อ (tubular air heater) และชนิดรังผึ่ง (regenerative air heater ซึ่งจะทำให้ flue gas ไหลไม่สะดวก ทำให้ถ่ายเทความร้อนให้แก่อากาศได้ดีในกรณีที่ไม่มี air heater ปล่องสูงๆ ก็สามารถจะทำให้อากาศและ flue gas หมุนเวียนในเผาไหม้ทัน

แต่กรณี air heater การไหลเวียนของอากาศไม่สะดวก จึงต้องมีพัดลมดูดอากาศอีกตัวหนึ่งก่อนออกปล่อง เรียกว่า พัดลม อินดิวส์ ดราฟท์ (Induced draft fans) ลักษณะเช่นนี้จึงต้องมี motor ไปหมุนพัดลม ซึ่งอาจต้องการ motor ใหญ่ถึง 5,000 hp (แรงม้า) สำหรับโรงไฟฟ้าใหญ่ๆ บางโรงใช้ turbine มาเป็นต้นกำลังหมุน fans โรงไฟฟ้าตามที่กล่าวมาแล้วนั้น นับว่าใช้งานได้ดีทีเดียว แต่ยังขาดอุปกรณ์สำคัญอยู่หลายอย่าง เช่น ซูเปอร์ฮีทเตอร์ (superheater) จุดมุ่งหมายของ superheater เพื่อให้ความร้อนเพิ่มเติมแก่ไอน้ำที่ผลิตจาก boiler โดยทั่วไป superheater จะเป็นแผงท่อทำจากเหล็กอัลลอย (alloy steel) ติดตั้งที่บริเวณทางผ่านของ flue gas ใน boiler , superheater จะรับไอน้ำมาจาก steam drum และเมื่อรับความร้อนแล้วไอน้ำนี้จะมีอุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิปกติของไอน้ำอิ่มตัวที่ความดันนั้นๆ ตัวอย่างเช่น ไอน้ำอิ่มตัวที่ความดัน 1,000 psia มีอุณหภูมิ 556 ⁰F แต่ถ้าไอน้ำนี้ไปผ่าน superheater เพื่อรับความร้อน ความดันจะคงที่ แต่อุณหภูมิจะเพิ่มขึ้นอีก สมมุติว่าอีก 200 ⁰F เป็น 756 ⁰F เป็นต้น

    ไอดง (superheated steam) ได้เปรียบไอน้ำอิ่มตัว (saturater steam) อยู่ 2 ประการ คือ ประการที่หนึ่ง เพิ่มอุณหภูมิเข้า turbine เป็นการเพิ่มประสิทธิภาพตามที่ได้กล่าวมาแล้ว ประการที่สองคือ เป็นไอแห้งมาก ซึ่งกว่าจะเริ่มกลั่นตัวก็ผ่าน turbine มาจนเกือบจะออกที่ exhaust ทำให้การผุกร่อนเนื่องจากน้ำใน turbine น้อยลง เพราะใน turbine ใหญ่ๆ หยดน้ำที่เกิดจากการกลั่นตัวของไอน้ำ ทำความเสียหายอย่างมากให้กับใบพัด turbine การใช้ superheated steam ช่วยทำให้หยดน้ำนี้เกิดขึ้นน้อยลง จึงทำให้ความเสียหายน้อยลงด้วย

     ด้วยเหตุนี้โรงไฟฟ้าในปัจจุบันจึงใช้ superheated steam ทั้งนั้น และมีบางแห่งมีระบบ รีฮีท (reheat) ซึ่งเป็นการนำเอาไอน้ำที่ผ่าน turbine มาแล้วบางส่วนไปทำให้เป็น superheated steam อีกครั้ง แล้วกลับมาหมุน turbine ต่อ

     กล่าวโดยละเอียด คือ ไอน้ำจาก steam drum จะผ่าน primary superheater แล้วจะไปหมุน turbine สัก 2-3 stages จากนั้นก็จะมีท่อส่งกลับมา boiler เพื่อรับความร้อนใหม่เรียกว่า reheat superheater แล้วกลับมาที่ turbine stage ต่อๆ ไป จนถึง condenser ตามภาพ 23

     โดยกฎเกณฑ์แล้ว reheated steam จะมีอุณหภูมิใกล้เคียงกับ superheated steam จะต่ำกว่าเพียงเล็กน้อย แต่จะมีแรงดันต่ำกว่ามากทีเดียว ตัวอย่างเช่น primary superheated steam อาจมีความดัน 1,400 psia อุณหภูมิ 1,050 ⁰F หลังจากผ่าน turbine ไป 2-3 stages ความดันจะลดลงเหลือ 200 psia อุณหภูมิ 400 ⁰F ไอน้ำส่วนนี้จะถูกนำกลับไปรับความร้อนใหม่ใน boiler และกลายเป็น reheated steam ซึ่งอุณหภูมิประมาณ 1,000 ⁰F แต่ความดันจะไม่เพิ่ม คือจะคงอยู่ ประมาณ 200 psia เท่าที่ออกมาจาก turbine

     เห็นได้ว่า ขณะนี้มีทั้ง superheat, reheat และ regenerative feed water heating cycles ซึ่งทำให้ประสิทธิภาพของโรงไฟฟ้าสูงขึ้นมาก ประมาณ 32 % ซึ่งหมายความว่า 32 % ของพลังงานความร้อนอันได้จากเชื้อเพลิงเปลี่ยนไปเป็น พลังงานไฟฟ้า

    บางคนอาจตกใจว่า ทำมัยต่ำนัก เหตุผลได้กล่าวมาแล้วบ้างคือ ความร้อนสูญเสียไปกับ circulating water ใน condenser ซึ่งการสูญเสียนี้เป็นไปตามกฎข้อ 2 ของวิชาเทอโมไดนามิคส์ซึ่งวิศวกรไม่สามารถแก้ไขกฎเกณฑ์ธรรมชาติอันนี้ได้ เพราะถ้าแก้ไขแล้วจะเป็นการฝืนธรรมชาติ คือ ถ้าสามารถทำให้อุณหภูมิที่ turbine exhaust ลดต่ำลงเหลือ 0 ⁰ Absolute ได้ ก็จะสามารถป้องกันการสูญเสียความร้อนได้ แต่ความจริงคือเราอยู่ในโลกที่มีอุณหภูมิเฉลี่ยประมาณ 530 ⁰ Absolute (70 ⁰F)  หรือ ประมาณ 33 ⁰C เหนือ จุดศูนย์องศาสมบูรณ์ จึงไม่มีทางลดอุณหภูมิที่ exhaust ให้ตำไปกว่านี้ได้ ยกเว้นจะติดตั้งเครื่องทำความเย็นแทน condenser ซึ่งหมายถึงการลงทุนอย่างมหาศาล และไม่คุ้มค่า

     เท่าที่กล่าวมาได้ครอบคลุมวิธีการต่างๆ ที่จะเพิ่มประสิทธิภาพของโรงไฟฟ้าได้ชนิดที่มองเห็นได้ชัด นอกจากนี้ก็ยังมีวิธีการอื่นๆ อันเกี่ยวกันทำให้อุณหภูมิและความดันไอน้ำสูงขึ้น การทำให้ condenser ทำ vacuum ได้ดีขึ้น และลดความร้อนสูญเสีย (heat loss) โดยการแก้ไขเครื่องจักรอุปกรณ์ หุ้มฉนวนกันความร้อน ซึ่งรวมๆ กันแล้วได้ประสิทธิภาพมาอีกเล็กน้อยก็จริง แต่อย่าคิดว่าไม่สำคัญ เพราะสำหรับโรงไฟฟ้านั้น แม้เพียงจุดทศนิยมที่เพิ่มขึ้นมาของประสิทธิภาพเครื่องก็คุ้มค่าอย่างมหาศาล จงอย่าลืมว่าโรงไฟฟ้าใช้ถ่านหินเผาเป็นล้านตันต่อปี การได้ประสิทธิภาพสูงย่อมลดอัตราการใช้ถ่านหินลงได้มากทีเดียว จะเห็นได้จากที่กล่าวไว้ต้นๆ ว่า ปัจจุบันสามารถผลิตไฟฟ้าได้ปริมาณเดียวกันกับ 60 ปีที่แล้ว โดยใช้ถ่านหินน้อยกว่า 3 เท่า

     การเดินเครื่องโรงไฟฟ้าในปัจจุบัน มีความจำเป็นอย่างยิ่งที่จะทำให้อุณหภูมิ ความดันของไอน้ำและสภาพสุญญากาศใน condenser อยู่ที่จุดที่มีประสิทธิภาพสูงสุด หากมีการเปลี่ยนแปลงสภาวะย่อมไปกระทบกับระบบทั้งหมด เช่น ใน condenser ควรมีการรักษาสภาพสุญญากาศให้คงที่ที่สุดไว้โดยใช้น้ำที่เย็นที่สุดมาหล่อเย็น แต่เนื่องจาก circulating water นั้นมีอุณหภูมิเปลี่ยนไปตามฤดูกาล หน้าร้อน หน้าหนาว อุณหภูมิสูงต่ำต่างกัน อีกทั้งระบบ condenser เป็น vacuum มีโอกาสที่อากาศจะรั่วไหลเข้าไปได้ง่าย จึงจำเป็นต้องมีระบบมากำจัด หรือเอาอากาศเหล่านี้ออกเสียอย่างต่อเนื่องตลอดเวลา โดยการปั้มออก ในปัจจุบันการปั้มอากาศจาก condenser ใช้ สตีม แอร์ อีเจกเตอร์ (steam air ejector) ซึ่งจะต่อร่วมกับระบบอุ่นน้ำ เพื่อสามารถชดเชยความร้อนที่จะสูญเสียไปกลับมาใช้อีก

    มีอยู่อีกอย่างหนึ่งที่เป็นกรณีสำคัญมาก คือ คุณภาพน้ำที่จะเข้า boiler หรือ feed water, boiler ใหญ่ๆ มีอัตราการผลิตไอน้ำสูงถึงเป็นล้านปอนด์ต่อชั่วโมง ซึ่งผลิตตลอด 24 ชั่วโมง ปีละ 365 วัน ฉะนั้น น้ำที่เข้าหม้อน้ำหากแม้นมีความสกปรกเพียงน้อยนิด ย่อมทำให้เกิดคราบตะกรัน (scale-forming material) ผิวภายในของท่อน้ำก็จะเกรอะกรังด้วยคราบตะกรัน และทำให้ overheat ที่เนื้อท่อ boiler แตกฉีกเสียหายได้

    ฉะนั้น จึงมีการพัฒนาวิธีการทำน้ำให้บริสุทธิ์ ไม่ใช่เพื่อลดเฉพาะ scale เท่านั้น ยังลดปริมาณ O₂ ด้วย เพราะ O₂ ในน้ำร้อนเป็นตัวกัดกร่อนท่อที่ร้ายกาจมาก ระบบที่นิยมกันมากคือ การตกตะกอนโดยใช้ปฏิกิริยาทางเคมี และแลกเปลี่ยนประจุ เรียกว่า ดีโมเนอราลไลเซชั่น (demineralization) ก่อนจะป้อนน้ำเข้า boiler ในการนี้ย่อมมีการสูญเสียไปบ้าง จึงต้องเติมน้ำใหม่เข้าในระบบ ซึ่งน้ำใหม่นี้เรียกว่า mak up water จะต้องทำให้เป็นน้ำบริสุทธิ์ก่อนเช่นกัน

    ส่วนประกอบสำคัญอีกอันหนึ่งสำหรับโรงไฟฟ้าใหญ่ๆ คือ การกำจัดฝุ่นขี้เถ้า (fly ash) ใน flue gas ที่จะออกปล่อง เพราะการเผาถ่านหินเป็นพันตันต่อวัน แล้วปลอยควันออกปลองยอมรบกวนสภาพมลภาวะ ดังนั้น จึงต้องมีวิธีการมากำจัดฝุ่นเหล่านี้ ซึ่งไม่ใช่วิธีง่ายๆ ถูกๆ จำเป็นจะต้องใช้เงินเป็นล้านๆ บาท เพื่อซื้ออุปกรณ์เหล่านี้มาติดตั้ง

มีวิธีกำจัดฝุ่นอยู่หลายวิธีเช่น การให้ flue gas ผ่านสนามไฟฟ้าที่มีแรงเคลื่อนสูง ซึ่งทำให้ผงฝุ่นขี้เถ้าชาร์จให้มีประจุ ทำให้ไปเกาะที่แผ่นสะสมขี้เถ้าไว้จำนวนหนึ่งก่อนจะถูกเคาะออกไปเรียกว่า electrostatic precipitator อีกวิธีใช้ cyclone โดยอาศัยหลักของแรงหนีศูนย์กลางของวัตถุดักฝุ่นไว้ จากนั้นใช้น้ำพ่นใส่ ในกรณีใดก็ตามจำต้องมีการออกแบบที่ดีโดยอาศัยประสบการณ์สูงมาก

    อุปกรณ์ท้ายสุดก่อนจะออกมาเป็นไฟฟ้า ก็คือ electric generator ซึ่งดูเหมือนว่าจะไม่ต้องมีส่วนไปปรับปรุงประสิทธิภาพภาพมากนัก เพราะมีประสิทธิภาพสูงกว่า 99 % อยู่แล้ว

   ดังที่กล่าวมาตอนต้นๆ ว่า electric generator ประกอบด้วยแม่เหล็กหมุนอยาภายในอยู่ภายใน ขดลวดซึ่งจะทำให้ได้กระแสไฟฟ้าออกมา การหมุนของแม่เหล็กตัดขดลวดหลายชุด จะทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าไหลไปทุกชุด เมื่อนำมาต่อกันเข้าให้ถูกต้องสามารถจะทำให้แรงเคลื่อนออกมาได้ต่างๆ กัน โดยปกติของโรงไฟฟ้าประมาณ 11.5 -23 KV ในกรณีจะส่งกระแสไฟฟ้าไปทางไกลๆ เพื่อป้องกันการสูญเสีย จะมี step up transformer ช่วยอยู่ transformer มีหน้าที่เปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้า (voltage) ให้สูงขึ้นหรือต่ำลงก็ได้ สุดแต่จะต้องการ อีกทั้งเป็นอุปกรณ์ที่มีประสิทธิภาพการใช้งานสูง ถึง 99 %

    เมื่อนำทุกสิ่งเท่าที่กล่าวมาเขียนเป็น diagram จะเห็นว่ายุ่งและใหญ่โต (ภาพสุดท้ายของหนังสือนี้) ซึ่งความจริงแล้ว เป็น diagram ชนิดง่ายที่สุดแล้วสำหรับโรงไฟฟ้า ยังมี diagram ที่ยากต่อการทำความเข้าใจมากกว่านี้ เช่น diagram combustion control system (ระบบการควบคุมการเผาไหม้)

    อย่างไรก็ตาม ในสภาพสุดท้ายก็มีลักษณะเบื้องต้นของ combustion control system ปนอยู่ด้วยให้พอเห็นเป็นแนวทาง

    ใน diagram สุดท้าย จะเห็นว่ามีระบบ reheat, turbine มี 2 ตัวคือ high pressure turbine และ low-pressure turbine, steam จาก high pressure (H.P.) turbine จะกลับไป boiler รับความร้อนแล้วกลับมาอีกครั้งที่ low pressure (L.P.) turbine สำหรับ feed water heater จะแบ่งเป็น 2 ชุด low-pressure heaters 3 ตัว รับ extraction steam จาก low-pressure turbine และ high pressure heater 2 ตัว รับ extraction steam จาก high pressure turbing ระหว่าง heaters 2 ชุด คือ LP.และ HP.มีดีแอเรทติ้ง ฮัทเตอร์ (deaerating heater) เพื่อไล่ O₂ ใน feed water เพราะ O₂ ใน boiler เป็นตัวกัดกร่อนที่ร้ายกาจต้องพยายามกำจัดไปก่อนจะเข้า boiler หลักการของ  deaerating heater จะเป็นถังใหญ่ๆ ปล่อยให้น้ำเดือดในความดันบรรยากาศ

    Boiler feed pump ชนิดใช้ steam turbine ขับเคลื่อนเป็นอีกวิธีการหนึ่งที่จะลด power ของ motor ที่จะหมุน boiler feed pump, steam ที่ใช้หมุน turbine ของ boiler feed pump มาจาก superheater แต่ผ่าน valve ลดความดัน (reducing valve) และ ดีซูเปอร์ฮีท

(desuperheater) เหตุผลที่ไม่ใช้ steam จาก superheated header โดยตรงเพราะ วัสดุที่ทน superheated steam ที่ความดันและอุณหภูมิสูงนั้น ราดาแพง สำหรับ turbine ตัวเล็กๆ ประสิทธิภาพไมคอยสำคัญเท่าไรนัก ดังนั้น ขึ้นตอนคือ ลดความดันไอน้ำของ main steam โดยใช้ reducing valve จากนั้นก็สเปรย์น้ำใส่ใน desuperheater จะได้ saturated steam เข้า turbine ตัวเล็กนี้

     คอนตินิวอัส โบลว์ดาวน์ (continuous blowdown) คือ การปล่อยน้ำที่ไม่ค่อยดีออกจาก boiler ตลอดเวลา เพราะการเดินเครื่องโดยใช้น้ำหมุนเวียงเป็นเวลานานๆ ย่อมทำให้เกิดการสะสมตัวของตะกอน พวก scale หรือเกลือแร่ ฉะนั้นต้องทำให้ตะกอนเหลวนี้น้อยลง โดยการ blowdown boiler ซึ่งในกรณี boiler ลูกเล็กๆ เปิด blow off valve ที่ด้านล่างสุดของ boiler เป็นช่วงๆ ประมาณ 2-3 วินาที ก็ใช้ได้ แต่ถ้าเป็น boiler ลูกใหญ่ การเปิด valve blow off ดงกล่าวสูญเสียพลังงานความร้อนมาก จึงใช้ระบบ continuous blowdown ทิ้งน้ำจำนวนน้อยอยู่ตลอดเวลา และก่อนจะทิ้งไปอาจใส่ heat exchanger เพื่อแลกเปลี่ยนความร้อนกับน้ำ blowdown นี้อีกครั้งก็ย่อมทำได้

     โรงไฟฟ้าทันสมัย การทำงานของเครื่องจะสั่งการให้ดำเนินไปอย่างอัตโนมัติ เพราะไม่สามารถจะใช้ operator เฝ้าดูแล ควบคุม (control) แต่ละอย่างให้ทำงานสัมพันธ์กันได้ จึงมีการคิดค้นระบบที่เรียกว่า SARA (sequential automatic recording annunciator) ซึ่งเป็น electronic system ที่ใช้งานใน computer

     ระบบป้องกันความเสียหายต่างๆ (protection system) ก็ถูกคิดขึ้นมาใช้ เพื่อป้องกันความเสียหายต่ออุปกรณ์ต่างๆ เช่น ในกรณีจ่ายไฟอยู่ดีๆ เกิด load หายไป turbine จะ overspeed หากไม่มี protection system หรือ กรณี boiler feed pump หยุดไปโดย อุบัติเหตุ ทำให้น้ำไม่เข้า boiler กรณีที่ไม่มี protection น้ำจะแห้งหมด boiler ภายใน เวลา ประมาณเพียง 90 วินาที ดังนั้น จึงต้องมีการคิดค้นเครื่องมือวัดต่างๆ เช่น วัดความเร็วรอบของ turbine วัดการเยืองศูนย์ของ shaft ขณะหมุน (shaft eccentricity) วัดการสั่นสะเทือน (vibration) อีกทั้งวัดการขยายตัวของ turbine casing หรือ rotor (turbine expansion)

      ใน diagram ภาพสุดท้ายมีการใช้สัญลักษณ์แทน electric generator และมีสัญลักษณ์ของอุปกรณ์ที่ยังไม่ได้กล่าวถึงมาก่อนด้วย คือ เอกไซเตอร์ (exciter) ซึ่งมีหน้าที่ทำให้ generator rotor มีสภาพเป็นแม่เหล็ก

ในความเป็นจริง electric generator มิใช่มีแท่งแม่เหล็กถาวร (permanent magnet) หมุนอยู่ ดังที่แสดงเอาไว้ตอนต้น เพราะ permanent magnet ไม่สามารถสร้างสนามแม่เหล็ก (magnetic field) ได้มากพอ ดังนั้น จึงต้องใช้แม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnet) ซึ่งทำให้เป็นแม่เหล็กได้โดยการปล่อยกระแสไฟฟ้าผ่านเข้าไปในขดลวดซึ่งพันอยู่รอบๆ แท่งเหล็กที่ต้องการทำให้เป็นแม่เหล็กไฟฟ้า ใน generator ใหญ่ๆ กระแสไฟฟ้าที่ปล่อยเข้าเป็นชนิดกระแสตรง (ไฟ D.C.) ขดลวดที่พันอยู่รอบๆ แท่งเหล็ก เรียกว่า field coils การปล่อยไฟเข้า field coils ซึ่งหมุนอยู่ ต้องใช้วิธีสัมผัสแบบไถลอยู่ตลอดเวลา (sliding contact) โดยใช้แปรงถ่าน ดังภาพที่ 24 แสดงให้เห็นหลักการคือ จะมี collector ring 2 ชุดติดอยู่กับเพลาของ generator และต่อกับปลาย field coils มีแปรงถ่าน 2 ชุด จ่อติดอยู่กับ collector rings เมื่อป้อนไฟ D.C. เข้ามาผ่านแปรงถ่าน จะเหนี่ยวนำให้ generator กลายเป็นแม่เหล็กไฟฟ้าได้

     สำหรับไฟ D.C. ที่จ่ายป้อนเข้ามานั้น โดยมากมักจะจ่ายมาจาก D.C. generator ตัวเล็กๆ ติดอยู่เพลาเดียวกันกับ main generator D.C. generator นี้เรียกว่า excitor เพราะทำให้เกิดกระแสกระตุ้น (excitation current) ตัว main generator อีกที่หนึ่ง

     การออกแบบ excitor ยังสามารถควบคุมแรงดันไฟฟ้า (voltage) ของ main generator ได้ โดยการเปลี่ยนแปลง excitation current (เพิ่มหรือลดความต้านทานแปลงค่าได้) voltage ของ main generator ก็จะเพิ่มหรือลดตาม ความเร็วของ generator นั้นควบคุมโดยระบบควบคุม steam turbine ซึ่งเป็นการควบคุมที่ละเอียดอ่อนมาก

     อุปกรณ์ต่างๆ เกี่ยวกับ electric generator มีดังนี้

-          เครื่องบันทึกอุณหภูมิของขดลวด (temperature recorder) วัดว่า windings ของ generator มีอุณหภูมิสูงเกินไปหรือไม่

-          Differential relays เป็นอุปกรณ์ป้องกัน แสดงให้เห็นว่ามีความเสียหายเกิดขึ้นภายในหรือไม่

-          Hydrogen cooling system ระบบสำหรับพาความร้อนอันเกิดขึ้นภายใน generator ออกมาแล้วถ่ายให้กับน้ำ condensate หรือ feed water เป็นการลดการสูญเสียความร้อน

      จะเห็นว่าความร้อนที่เกิดขึ้นโดยไม่ได้ตั้งใจ ก็อาจนำมาใช้เป็นประโยชน์ได้ เช่น ความร้อนที่เกิดจากเพลาหมุนบน bearing จะถ่ายให้น้ำมันหล่อลื่นแล้วถ่ายต่อให้น้ำ condensate  ได้โดยใช้ oil cooler เป็นต้น

      ทั้งหมดนี้ต้องการชี้ให้เห็นว่างานโรงไฟฟ้านั้น สนุก น่าสนใจ และท้าทาย ซึ่งหากทำกัน จริงๆ จังๆ แล้วยังมีสิ่งอื่นๆ อีกมากมายหลายประการที่จะต้องศึกษา เพราะเท่าที่กล่าวมานั้นเป็นเพียงพื้นฐานเบื้องต้นเท่านั้น

ขอขอบคุณ คุณภาณุ คุณวัฒน์

โรงไฟฟ้าแม่เมาะ

การไฟฟ้าฝ่ายผลิตแห่งประเทศไทย
สำหรับข้อมูล

ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับโรงไฟฟ้า ตอนที่ 1

การผลิตกระแสไฟฟ้า คือ การเปลี่ยนพลังงานศักยภาพทางเคมีของเชื้อเพลิง (Potential Chemical Energy of Fuel) ไปเป็นพลังงานไฟฟ้า ส่วนประกอบสำคัญที่สุดมี 3 ส่วน คือ

-          หม้อน้ำ (Boiler)

-          กังหันไอน้ำ (Turbine)

-          เครื่องกำเนิดไฟฟ้า (Electric Generator)

      Boiler คือ อุปกรณ์ที่จะเปลี่ยนน้ำไปเป็น ไอน้ำ (Steam) ซึ่งจะถูกพ่นออกไปหมุนใบพัดของ Turbine และ Electric Generator ในภาพที่ 1  เป็นการแสดงอย่างง่ายที่สุด Boiler แทนด้วยกาต้มน้ำ ส่วน Turbine แทนด้วย ใบพัดลักษณะกังหันลม ซึ่งTurbine จริงๆ มีส่วนประกอบที่ยุ่งยากซับซ้อนกว่านี้หลายประการ แต่โดยหลักการเหมือนกัน       ส่วนคำว่า Generator นั้น หลายคนอ่านแล้วคงคิดว่าการผลิตไฟฟ้านั้น เป็นเรื่องลึกลับยากจะเข้าใจ แต่ความจริงแล้วง่ายมาก จากภาพที่ 1 Generator ประกอบด้วย แท่งแม่เหล็กเล็กๆ หมุนอยู่ภายในวงขดลวดซึ่งอยู่กับที่ ลักษณะเช่นนี้ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าไหลในขดลวด ดังนั้นหากมีขดลวดจำนวนหลายๆ เส้นมาพันเป็นวงตามภาพที่ 1 ก็จะได้กระแสไฟฟ้าออกมามากขึ้นถึงตอนนี้ให้จำหลักการเกี่ยวกับ Generator ไว้ดังนี้ “ถ้าหมุนแม่เหล็กซึ่งสอดอยู่ในวงขดลวดอย่างรวดเร็ว (หมุนไปทางเดียว) จะเกิดกระแสไฟฟ้า (Electric Current) ขึ้นในขดลวด” ซึ่งจะกลับมาอธิบายเรื่องนี้อีกครั้ง หลายคนอาจสงสัยว่า ถ้าผลิตไฟฟ้ากันง่ายๆ อย่างที่กล่าวมาแล้ว ทำไมจึงต้องมาสร้างโรงไฟฟ้าใหญ่โตดังที่เห็นกัน คำตอบก็คือ โรงไฟฟ้าตามภาพที่ 1 นั้น มีประสิทธิภาพต่ำมาก หรือไม่มีประสิทธิภาพเอาเลยก็ว่าได้ เพราะหากต้องการพลังงานไฟฟ้าให้มากที่สุดจากปริมาณเชื้อเพลิงอันหนึ่ง ควรจะสร้างโรงไฟฟ้าให้มีประสิทธิภาพมากที่สุดเท่าที่จะทำได้

      60 ปีมาแล้ว ถ้าจะผลิตไฟฟ้าให้ได้สัก 1 กิโลวัตต์/ชั่วโมง จะต้องใช้ถ่ายหินชั้นดีถึงประมาณ 1.5 กิโลกรัม

ปัจจุบันใช้ถ่านหินไม่ถึงครึ่งกิโลกรัม ก็ได้ไฟฟ้า 1 กิโลวัตต์/ชั่วโมง แล้ว หรือพูดง่ายๆ ว่า เมื่อ 60 ปีที่แล้ว ใช้ถ่านหินถึง 3 เท่าตัวของปัจจุบัน เพื่อจะผลิตไฟฟ้าได้จำนวนเท่ากัน นั่นคือ ถ้าหากไม่มีการพัฒนาการผลิตกระแสไฟฟ้ากัน แล้ว ย่อมจะต้องเปลืองถ่าน ถึง 3 เท่าตัว และทรัพยากรย่อมหมดไปอย่างรวดเร็วและน่าเสียดาย

             ที่กว่ามานั้น คือ เหตุว่าทำไมมนุษย์จึงต้องพัฒนาการใช้ทรัพยากรเชื้อเพลิง แต่มนุษย์มีวิธีการอย่างไรละที่นำมาพัฒนาการผลิตกระแสไฟฟ้า

             ย้อนกลับไปดูภาพที่ 1 อีกครั้ง จะแบ่งส่วน Boiler มาอธิบายกันก่อน แรกทีเดียวจะชี้ให้เห็นวิธีการเผาไหม้ใต้ Boiler ซึ่งหมายรวมถึงทั้ง ชนิดของเชื้อเพลิง, วิธีป้องกันเชื้อเพลิง และลักษณะการเผาไหม้ที่ถูกต้อง

จากภาพที่ 2 จะเห็นว่ามีสายพานลำเลียงถ่านหิน (coal conveyor) มายังเตา (furnace) ซึ่งเป็นชนิดตะกับเคลื่อนที่ช้าๆ (traveling grate stroker) ส่วนอากาศที่จะใช้ในการเผาไหม้นั้นใช้สูบลม อย่าลืมว่า การเผาถ่านเป็นขบวนการปฏิกิริยาเคมี (chemical reaction) ที่เรียกว่า “ปฏิกิริยาลูกโซ่” (chain reaction) เมื่อถ่านถูกเผาจนร้อนจัด ธาตุถ่าน (carbon) จะทำปฏิกิริยารวมตัวกับ ออกซิเจน (oxygen) กลายเป็นคาร์บอนไดออกไซด์ (co₂) หรือ คาร์บอนมอนนอกไซด์ (co) จะเกิดก๊าซตัวไหนขึ้นอยู่กับปริมาณ oxygen ถ้า oxygen น้อย สันดาปเผาไหม้ไม่สมบูรณ์จะเกิดก๊าซ co ซึ่งก๊าซ co นี้ หากมีปริมาณ oxygen เพียงพอก็จะรวมกันเป็นก๊าซ co₂

        ในการเผาถ่านหิน เราไม่ต้องการก๊าซ co เพราะนั้นแสดงว่า ถ่านหินยังไม่หมด ยังมีพลังงานอีกบางส่วนเหลืออยู่ในก๊าซ co ซึ่งถ้าเผาต่อไปอีก ก็จะได้พลังงานส่วนนี้มาอีก พร้อมทั้งก๊าซ co₂ ดังนั้น การเผาไหม้ในเตาควรจะได้ก๊าซ co₂ ให้มากที่สุด ซึ่งย่อมแสดงว่า ถ่านได้ถูกรีดพลังงานจนหมดตัวแล้ว

         มาถึงตรงนี้ อย่าเข้าใจว่า การสันดาปเผาไหม้ที่ดีที่สุด คือ พ่นอากาศเข้าไปมากๆ เ่นำมาพัฒนาการผลิตกระแสไฟฟ้าเพื่อให้เกิดก๊าซ co₂ มากๆ ความจริงแล้วเราต้องการ oxygen (o₂) จำนวนพอเหมาะกับถ่านหินที่เผาไหม้ และสันดาปได้อย่างสมบูรณ์ การพ่นอากาศเข้าไปมากเกินไป

นอกจากจะไม่ช่วยอะไรแล้วยังทำให้การเผาไหม้แย่ลงด้วย เพราะอากาศที่พ่นเข้าไปเป็นอากาศเย็น ย่อมจะต้องไปแย่งเอาความร้อนจากที่ควรจะให้น้ำในหม้อน้ำมาให้ตัวมันเอง อย่างไรก็ตามการพ่นอากาศให้พอดีต่อการสันดาปเผาไหม้นั้น เป็นสิ่งที่เกือบเป็นไปไม่ได้ จึงต้องพ่นอากาศเข้าให้เกินไว้ แต่จำนวนอากาศส่วนเกินนี้ควรน้อยที่สุด อากาศส่วนที่เกินนี้เรียกว่า เอกเซล แอร์ (excess air)

          ที่กล่าวมายืดยาวนี้ ก็เพื่อจะชี้ให้เห็นว่า การเผาไหม้นั้น เป็นขบวนการทางเคมี ซึ่งเกี่ยวข้องกับส่วนประกอบของถ่านหินที่ใช้และคุณสมบัติของถ่านหินด้านฟิสิกส์คุณสมบัติต่างๆ ของถ่านหินเปลี่ยนไปตามสภาพแวดล้อม เช่น อุณหภูมิ, ความชื้อ ฯลฯ ซึ่งความเป็นจริงแล้ว การเผาไหม้นั้นสลับซับซ้อนมาก ซึ่งต้องการความรู้ทางเคมี และฟิสิกส์มาอธิบายมากกว่านี้ สำหรับโรงไฟฟ้าใหญ่ๆ ยังมีปัญหามากมายเกี่ยวกับระบบขนส่งถ่านหิน, การเผาไหม้ และการขนส่งถ่านหิน แต่โดยทั่วไปขอให้จำไว้ว่า จะเผาถ่านหิน 1 ปอนด์จะต้องใช้อากาศประมาณ 17 ปอนด์

          ต่อไปจะขอกล่าวถึง ขี้เถ้า (ash) และก๊าซที่เผาไหม้แล้ว (flue gas) ทั้ง 2 อย่างนี้ต้องเอาออกอย่างต่อเนื่อง เพราะมันเกิดขึ้นตลอดเวลาของการเผาไหม้ สมัยก่อนหรือสมัยนี้ก็ตาม ถ้าเป็น boiler แบบง่ายๆ เช่น ตามโรงสี การเอาขี้เถ้าออกโดยการโกยออก แล้วเอาไปเท แต่ในกรณีโรงไฟฟ้าใหญ่ๆ ทำอย่างนั้นไม่ได้ จึงต้องมีระบบเอาขี้เถ้าออก และปล่อง (stack) เพื่อเอาก๊าซที่เผาแล้ว (flue gas) ออก

นอกจากนั้น ทราบกันว่า การเผาไหม้ ยังต้องใช้เชื้อเพลิงและอากาศแล้ว เรายังต้องการความร้อนที่จะทำให้ถ่านหินติดไฟด้วย การพ่นอากาศเย็นเข้าไปจะทำให้ถ่านหินติดไฟไม่ดี หรือติดๆ ดับๆ เพื่อเป็นการง่ายต่อการควบคุมการเผาไหม้ จึงมีการออกแบบให้มีระบบอุ่นอากาศเสียก่อนจะเอาไปใช้ในการเผาไหม้ในเตา ซึ่งนอกจากจะช่วยการเผาไหม้แล้ว ยังเป็นการเพิ่มประสิทธิภาพอีกด้วย

          ด้วยหลักการแล้วลองพิจารณาภาพที่ 3 ซึ่งมีการปรับปรุงระบบการเผาไหม้ใหม่ ซึ่งจะแตกต่างจากภาพที่ 2 คือระบบอุ่นอากาศ

จะเห็นว่า ยุ่งขึ้นมาอีกนิดหน่อย มีปล่อง (chimney หรือ stack) เพื่อระบายก๊าซที่เผาไหม้แล้ว (flue gas) มีตัวให้ความร้อนแก่อากาศที่พ่นมาจากสูบลมเพิ่ม (ในภาพ คือ เทียนไข) มีการขนขี้เถ้าออกโดยระบบสายพานขี้เถ้า (ash conveyor)

       ถ้ามองกันอย่างพินิจวิเคราะห์ ย่อมเห็นว่า มีการให้ความร้อนเพิ่มเติมแก่อากาศ คือ เทียนไข (candle) การใช้เทียนไขย่อมสิ้นเปลือง ถ้าจะให้ประหยัดต้องหาวิธีใหม่ คือ วิธีที่เอาความร้อนที่เราทิ้งไปเฉยๆ กับก๊าซร้อนที่เผาไหม้แล้ว มาอุ่นอากาศเย็นแทนเทียนไข ซึ่งหน้าจะประหยัดกว่า

        ดังนั้น จึงมีการต่อท่อดูดอากาศเย็นมาผ่านบริเวณเหนือกาน้ำ หรือเหนือเตาไฟ ก่อนจะมาถึงสูบลม อากาศที่เข้ามาเผาไหม้ ก็จะเป็นอากาศอุ่น ดังภาพ 4

     ทั้งหมดนี้ คนที่ไม่ได้เรียนมาด้านช่าง ก็ย่อมเข้าใจได้อย่างง่ายที่สุด การที่ต้องอธิบายเช่นนี้ เพราะเป็นวิธีที่ง่ายที่สุดที่แสดงให้เห็นว่า มีวิธีการอย่างไรบ้างที่นำมาใช้เพื่อประสิทธิภาพการเผาไหม้ เพิ่มตรงนั้นนิด ตัดตรงนั้นหน่อย ผสมผสานกัน ค่อยๆ พัฒนามาเป็นสิ่งที่มีประสิทธิภาพในบั้นปลาย เนื่องจากความสลับซับซ้อนในการออกแบบมีมากมายขอให้ลองมาพิจารณาคำถามง่ายๆ ดังนี้ “ถ้าต้องการให้อากาศร้อนขึ้นมาจนถึงอุณหภูมิหนึ่ง จะต้องออกแบบให้ท่อดูดอากาศมีพื้นที่รับความร้อนตรงบริเวณปล่องเท่าไร?” “อุณหภูมิเท่าไรที่เหมาะต่อการเผาไหม้ที่สุด?” “จะต้องใช้อากาศสักเท่าไรจึงจะเหมาะสม?” “จะต้องใช้กำลังงานเท่าไรดูดและสูบลม?” “ถ้าไปดักเอาความร้อนออกจาก flue gas มากๆ จะเป็นอย่างไรและจะเป็นอันตรายต่อปล่องไฟหรือไม่?” จะเห็นว่ามันไม่ใช่คำถามที่ตอบง่ายๆ เลย

       ยกตัวอย่างแนวคำตอบ จากคำถามข้อสุดท้าย ที่ถามว่า “ถ้าไปดักความร้อนของ flue gas ก่อนออกปล่องไปมากๆ จะเป็นอย่างไร?” คำตอบ ใน flue gas ย่อมมีไอน้ำผสมอยู่ด้วยซึ่งมาจากอากาศที่เอาเข้าไปใช้ในการเผาไหม้และจากก๊าซไฮโครเจนในถ่านหิน เมื่ออุณหภูมิของ flue gas ต่ำลง ไอน้ำก็จะกลั่นตัวเมื่อถึงจุดกลั่นตัวเป็นละอองน้ำ และในขณะเดียวกันมีกำมะถัน(ซันเฟอร์) ปนมาใน flue gas ด้วย (กำมะถัน โดยปกติปนอยู่ในเชื้อเพลิงเกือบทุก

ชนิดที่ขุดจากพื้นโลก) ย่อมจะเกิดการรวมตัวกับความชื้นของละอองน้ำ กลายเป็น กรดกำมะถัน ปัญหาที่จะตามมา คือ การกัดกร่อนของท่อดูดอากาศ และ ปล่อง

       นี้เพียงตัวอย่างเดียว ลองมาคิดว่าถ้ามีปัญหาเหล่านี้เป็นร้อยๆ ช่างรุ่นแรกๆ ย่อมไม่รู้ การแก้ไขหรือดัดแปลงอะไรไปอย่างหนึ่ง อาจก่อให้เกิดผลเสียขึ้นมาได้หลายอย่าง ขอให้ระมัดระวังเสียแต่บัดนี้ได้เลยว่า “การแก้ไขหรือดัดแปลงใดๆ ที่ตั้งใจทำให้ดีขึ้น มิได้มีแต่ผลดีเพียงอย่างเดียวเสมอไป ผลเสียที่ยังมองไม่เห็นยังมีอยู่มาก และบางครั้งอาจจะมากกว่าผลเสียด้วยซ้ำไป”

       กลับมาเรื่องโรงไฟฟ้าใหม่ ในเมื่อกาต้มน้ำธรรมดาไม่มีประสิทธิภาพลองมาดูว่า จะทำอย่างไรจึงได้ผล ดูภาพที่ 5 ในที่นี้ boiler ประกอบด้วย ดรัม (drum) 2 ลูก บน-ล่าง ต่อถึงกันด้วยท่อเหล็กเล็กๆ นับร้อยนับพัน ซึ่งภายในมีน้ำและไอน้ำอยู่ ความร้อนจากการเผาไหม้จะพ่นพัดผ่านท่อเหล็กเหล่านี้ ก่อนออกไปยังปล่อง หากพิจารณาจะเห็นว่าผิวท่อมีพื้นที่รับความร้อนมากขึ้น บรรดาฟองไอน้ำภายในท่อเหล็กจะลอยตัวขึ้นส่งดรัมอันบน ซึ่งโดยทั่วไปเรียกว่า สตีม ดรัม (steam drum) ซึ่งจะมีปริมาตรเก็บกักไอน้ำก่อนนำไปใช้งาน

นี้เป็นหลักการของ boiler ชนิดน้ำวิ่งในท่อ (water tube boiler) จะเห็นคำใหม่อีก คือ บอยเลอร์ ฟีด ปั๊ม (boiler feed pump) ซึ่งเอาไว้ปั๊มน้ำเข้า boiler เพื่อทดแทนส่วนที่กลายเป็นไอน้ำและนำไปใช้งาน boiler feed pump จะต้องมีความดันสูงกว่าความดันใน boiler มิฉะนั้นจะปั้มน้ำไม่เข้า boiler

        ในการต้มน้ำนั้น แม้แต่กาต้มน้ำธรรดา ก็ต้องมีน้ำจำนวนมากเพียงพอ หากต้มจนแห้งโลหะที่ทำ boiler ก็จะถูกหลอมจากความร้อนและละลาย หรือระเบิดเสียหายได้ แต่ในขณะเดียวกันก็ต้องมีจำนวนไอน้ำเหนือผิวน้ำพอสมควรด้วย ฉะนั้นจึงมีความจำเป็นต้องรู้ระดับนำใน steam drum โดยการใช้ที่ดูระดับน้ำ (water gage) ซึ่งจะเป็นตัวบอกระดับน้ำในsteam drum  ตลอดเวลา

      ตอนนี้จะเห็นได้ชัดว่า ถ้าปั้มน้ำเข้า  boiler จำนวนเท่ากับที่กลายเป็น steam ระดับน้ำย่อมคงที่ ฟังดูง่าย แต่ในทางปฏิบัติแล้วค่อนข้างยาก เพราะการเปลี่ยนโหลด (load) ย่อมทำให้ต้องเปลี่ยนปริมาณ steam เปลี่ยนปริมาณเชื้อเพลิงและอากาศ เปลี่ยนอัตราส่วนการเผาไหม้ ฯลฯ เป็นผลให้เปลี่ยนอัตราการผลิตไอน้ำ (evaporation rate) แล้วก็โยงมาทำให้ระดับน้ำใน steam drum เปลี่ยนแปลง จึงจำเป็นต้องมีช่างหม้อน้ำ (boiler operator) ควบคุมดูแลระดับน้ำนี้ตลอดเวลา ถ้าระดับต่ำก็ปั้มน้ำเข้า ถ้าปั้มเข้ามากไประดับน้ำสูง ก็หยุดปั้ม

 

    ต่อมาได้มีการคิดค้นเครื่องมือควบคุมระดับน้ำ ชนิดอัตโนมัติมาใช้งานแทน โอเปอร์เรเตอร์ (operator) เครื่องมือดังกล่าวมีประโยชน์มาก ใช้งานแม้กับ boiler เล็กๆ แต่สำหรับ boiler ใหญ่ที่ใช้งานผลิตกระแสไฟฟ้าแล้วเป็นสิ้งที่ขาดเสียไม่ได้เลย เช่น boiler ที่มีอัตราส่วนต้มน้ำประมาณ 500,000 กิโลกรัม ต่อ ชั่วโมง หากการปั้มน้ำมีปัญหาและหยุดไปชั่วขณะเพียง 90 วินาที boiler จะแตกระเบิดทันที ซึ่งเป็นความเสียหายร้ายแรงมาก

     ขอกลับมากล่าวเรื่องอุณหภูมิน้ำที่จะปั้มเข้า boiler (boiler feed pump) ใหม่ การปั้มน้ำเย็นเข้าไปผสมใน boiler น่าจะไม่ฉลาดนัก เพราะน้ำเย็นจะไปผสมกับน้ำร้อนเดิมใน boiler ทำให้อุณหภูมิต่ำลง เป็นการลดอัตราการผลิตไอน้ำอีก นอกจากนั้นอาจเป็นการเพิ่มความเครียดในเนื้อโลหะจากความแตกต่างของอุณหภูมิ (เดี๋ยวร้อนเดี๋ยวเย็น) ดังนั้นจึงควรอุ่นน้ำก่อนเข้า boiler ให้มีอุณหภูมิสูงสุดเท่าที่จะทำได้ ด้วยการให้น้ำผ่าน ฮีทเตอร์ (feed water heater)

      ในการอุ่นน้ำก่อนเข้า boiler โดยใช้ heater นั้น ทำได้หลายวิธี อาจแยกมาอีกส่วนหนึ่งก็ได้ แต่จากการเรียนรู้ในกรณีของ เครื่องอุ่นอากาศ (air heater) ว่าสามารถนำก๊าซที่เกิดจากการเผาไหม้มาอุ่นอากาศเย็นได้ ในกรณีของ feed water ก็เช่นกัน สมมุติว่า boiler feed pump ที่ใช้เป็นชนิดขับเคลื่อนด้วยไอน้ำ ก็ย่อมจะมีไอน้ำส่วนหนึ่งทิ้งไปอยู่แล้ว(exhaust steam) หากสามารถเอาไอน้ำทิ้งส่วนนี้มาอุ่นน้ำเย็น ย่อมไม่เสียอะไรเลย

      หลังจากไอน้ำผ่านการใช้งานเพื่อนเป็นต้นกำลังในการปั้มนำแล้ว ไอน้ำที่เหลือจะถูกส่งมาที่ feed water heater ซึ่งในภาพก็คือชนิดเปิด (open heater) หมายถึง heater ที่เหมือนกับถังใหญ่เปิดด้านบนสัมผัสอากาศ อีกชนิดปิด (closed heater) ซึ่งใช้งานที่ความดันสูงกว่าบรรยากาศ

       จะเห็นว่า ขณะนี้สามารถเก็บความร้อนที่ทิ้งไปโดยเปล่าประโยชน์ ตรงนั้นนิดตรงนี้หน่อยมาใช้งานได้ แต่ว่ายังมีจุดอื่นอีกหรือไม่? ลองมาพิจารณาความร้อนของ flue gas ที่จะไปอุ่นอากาศนั้น ยังมีเหลืออยู่ คำถามคือ จะเอาใช้ประโยชน์ได้อย่างไร?

       ลองมาพิจารณาตามภาพที่ 8 ซึ่งมีการดัดแปลงให้ความร้อนของ flue gas ส่วนนี้มาอุ่นน้ำในแผงท่อน้ำอีกส่วนหนึ่งก่อนที่จะไปเข้า boiler drum (อันล่าง) แผงท่อนี้วางตัวเพื่อ ดักความร้อนของ flue gas ที่จะต่อไปยัง air heater และปล่อง ถึงแม้ความร้อนส่วนใหญ่ที่ได้จากการเผาไหม้ถูกดูดซึมไปใน boiler แต่ flue gas ที่ออกมาจาก boiler นั้นยังมีอุณหภูมิสูงบางครั้งถึง 600 ⁰F (315 ⁰C) ฉะนั้น เมื่อ flue gas เคลื่อนที่ผ่านแผงท่อน้ำก็ย่อมจะถ่ายเทความร้อนให้แก่น้ำไปแผงท่อน้ำ ประสิทธิภาพของ boiler ก็จะมากขึ้น แผงท่อน้ำส่วนที่เพิ่มเติมไปนี้ เรียกว่า อีโคโนไมเซอร์ (economizer) ฉะนั้นสรุปหลักการในการอุ่นนี้ คือ พยายามอุ่นให้น้ำ feed water ให้มีอุณหภูมิประมาณ 212 ⁰F (100 ⁰C) โดยใช้ exhaust steam จาก boiler feed water pump หลังจากนั้น feed water จะไหลเข้าไปใน economizer ซึ่งจะรับความร้อนเพิ่มเติมจนได้ใกล้เคียงกับอุณหภูมิน้ำในหม้อน้ำ

       ในหม้อน้ำ (boiler) หรือปัจจุบันเรียกว่า เครื่องกำเนิดไอน้ำ (steam generator) ยังมีอุปกรณ์ต่างๆ มากมาย ซึ่งซับซ้อนมาก แตก่อนจะไปถึงจุดนั้นขอให้มาศึกษาเรื่อง กังหันไอน้ำ (turbine) ควบคู่กันไปด้วยเสียก่อน

ตามที่เคยกล่าวไว้แล้วในบทต้นๆ ว่า กังหันไอน้ำมีหลักการเหมือนกันกับกังหันลมแต่ ยากมากกว่าเพราะมีใบพัด (blades) เป็นร้อยๆ ใบพัดบางอันอยู่นิ่ง (stationary blades) บางอันหมุน (rotating blades) ใบพัดเหล่านี้ถูกจัดเป็น กรุ๊ป หรือ สเตจ (stage) บางอันหมุน (rotating blades) ใบพัดเหล่านี้ถูกจัดเป็น กรุ๊ป หรือ สเตจ (stage) เพื่อบังคับให้ไอน้ำวิ่งไปตามที่ต้องการอย่างมีระบบ ดังภาพ 9

ในภาพ จะเห็นใบพัด 3 ชุด ติดอยู่บนเพลาเดียวกัน แต่ละชุดแยกกันอยู่เป็นสัดส่วน ไอน้ำเข้ามาทาง หัวฉีด หรือ นอ-เซอร์ (nozzle) เข้ามายังใบพัด stage ที่ 1 ซึ่งจะทำให้เพลาทั้งสองอันหมุน ในการหมุนนี้ไอน้ำเสียพลังงานไปบางส่วนที่ stage แรก ซึ่งแสดงให้เห็นชัดโดย steam ที่ผ่าน stage แรกมา จะมีความดันต่ำลง เมื่อไอน้ำผ่าน stage ที่ 2 ก็จะถูกถ่ายพลังงานไปหมุน blade อีก และความดันไอน้ำก็ลดลงอีก เมื่อไอน้ำผ่าน stage ที่ 3  (ในตัวอย่างนี้) มันได้ถ่ายเทพลังงานในตัวทั้งหมดของมันไปเพื่อหมุน เพลา (shaft หรือ rotor) เหลือแต่ไอน้ำส่วนที่จะทิ้งไป จาก turbine หรือ เอกซอส สตีม (exhaust steam)

     จะเห็นชัดว่า วิธีการในภาพ 9 มีลักษณะการใช้ไอน้ำอย่างมีประสิทธิภาพกว่าใบพัดลมธรรมดาใน ภาพ 1 อย่างไรก็ตาม ภาพที่ 9 ก็เป็นเพียงภาพที่ต้องการให้เข้าใจอย่างง่ายๆ ไม่มีบริษัทผลิต turbine บริษัทไหนในโลกสร้าง turbine ลักษณะนี้ออกมาขายแน่นอน ดังนั้น การพัฒนาการด้าน turbine ก็คือสร้าง nozzle หลายตัวมาเรียงกันเป็นชุด เรียกว่า มาลติเพอร์นอเซอร์ (multiple nozzle) และขณะเดียวกันก็ปรับปรุงรูปร่าง blade จากชนิดที่ไม่มีประสิทธิภาพ มาเป็นชนิดโค้ง ทั้งด้านไอน้ำเข้าและออก ซึ่งมีประสิทธิภาพสูงขึ้น ภาพที่ 10 เป็นภาพแสดงให้เห็น nozzle และ blades ของ turbine ปัจจุบัน ส่วนภาพที่ 11 เป็นภาพตัดตามยาวแสดงถึงการเรียงตัวของ blades ซึ่งประกอบกันเป็น turbine

ตอนนี้ ถ้าจับเอาภาพ boiler กับ turbine มาต่อกันแล้วพ่วงเครื่องกำเนิดไฟฟ้า (electric generator) เข้าไปก็จะได้ภาพที่ 12

จากภาพที่ 12 steam จาก boiler จะลำเลียงมาโดยท่อผ่านเข้า turbine หลังจากผ่าน turbine blade หลายๆ stage แล้ว ก็จะปล่อยไอน้ำออกทิ้ง (exhaust steam) นั่นคือ ไอน้ำได้ถ่ายพลังงานของมันจนหมดสิ้น เพื่อหมุน turbine ซึ่งจะมาฉุดเครื่องกำเนิดไฟฟ้า (electric generator) ให้หมุนไปด้วย ซึ่งแทนด้วยรูปแม่เหล็กหมุนตัดขดลวดที่อยู่นิ่ง

       จะจัดการอย่างไรกับ exhaust steam ดี? Exhaust steam มีประโยชน์อีกหรือไม่ ถ้าลองวัดอุณหภูมิของ exhaust steam จะพบว่า มีอุณหภูมิสูงกว่า 212 ⁰F (100 ⁰C) บริเวณที่เพิ่งเริ่มพ้นจาก turbine

       เห็นได้ชัดว่าสามารถใช้ exhaust steam ส่วนนี้มาอุ่นน้ำใน feed water heater ได้เหมือนกับ exhaust steam จาก boiler feed pump อย่างไรก็ตามปริมาณ exhauster steam อันนี้มากเกินพอสำหรับการอุ่น feed water heater เพราะอย่างลืมว่าจำนวน exhaust steam นี้คือ steam ทั้งหมดที่มาจาก boiler ผ่าน turbine

       หากต้องการ exhaust steam ไปใช้งานอื่นๆ ก็ย่อมทำได้อีก เช่น เอาไปวิ่งในเครื่องทำความร้อนในตัวอาคารสำหรับประเทศหนาวๆ  ภาพที่ 13

       ปริมาณความร้อนจาก exhaust steam เพียงส่วนน้อยเท่านั้นที่จะไปอุ่น feed water heater ส่านใหญ่ใช้งานในการทำความร้อนเพื่อความอบอุ่นของตัวอาคารในประเทศหนาวๆ

       ถ้าในกรณีประเทศร้อนๆ เช่น บ้านเรา จะทำอย่างไร? โรงไฟฟ้าใหญ่ๆ มีนโยบายเพื่อการผลิตกระแสไฟฟ้าเป็นอันดับแรก เพื่อขายไฟอย่างเดียว ไม่ได้ใช้ exhaust steam เหล่านี้ไปทำอย่างอื่น ปล่อยทิ้งไปก็หน้าเสียดาย จึงมีการสร้างสภาพที่เป็นสุญญากาศขึ้นที่ปลาย turbine ด้านท้าย (exhaust end)

      แต่คำว่าสุญญากาศนั้น เราจะมาสร้างสภาพดังกล่าวเพื่ออะไร มีอะไรดีขึ้นหรือ คงพอจำได้ว่าที่ปลาย turbine นั้น ด้านท้ายจะเป็นอากาศ ซึ่งมีความดัน 1 บรรยากาศ

หรือ 15 ปอนด์/ตารางนิ้ว (1 bs/in² หรือ psi) การที่ไอน้ำจะดันออกมาที่ท้ายของ turbine ได้ จะต้องมีความดันชนะ  ความดันบรรยากาศนี้  ซึ่งต้องเพิ่มความดันไอที่เข้า turbine ให้มากขึ้น แต่หากว่าสามารถทำให้บริเวณท้าย turbine เป็นสุญญากาศ (vacuum) ได้ ก็ไม่มีความดัน 1 บรรยากาศ ที่ส่วนท้ายนี้มาต้านไอน้ำจาก turbine และไม่ต้องการความดันในไอน้ำที่เข้า turbine เพิ่มขึ้นด้วย

     เพื่อให้เข้าใจว่าจะสร้างสภาพสุญญากาศได้อย่างไร (กำจัดความดันบรรยากาศออกไป) จำเป็นต้องทราบหลักการสัก 2-3 ข้อ

      ไอน้ำ (steam) คือ น้ำส่วนที่เดือดเป็นไอ เช่น ที่ความดันบรรยากาศ ต้มน้ำจนอุณหภูมิสูงถึง 212 ⁰F (100 ⁰C) น้ำจะเดือดกลายเป็นไอ แต่ถ้าเราต้มน้ำที่บรรจุอยู่ในภาชนะเปิด (closed vessels) น้ำจะเดือดที่อุณหภูมิสูงกว่านี้ ในกรณีใดก็ตามปริมาณของ steam จะ ขยายตัวเป็นหลายเท่าของน้ำ เช่น ที่ความดันบรรยากาศน้ำ 1 ปอนด์ ต้มเดือดแล้ว กลายเป็นไอน้ำถึง 26 ลบ.ฟุต

      สมมุติว่าขณะนี้มีไอน้ำอยู่ 26 ลบ.ฟุต ที่ความดันบรรยากาศ จะต้องหาถังขนาก 3 ฟุต x 3 ฟุต x 3 ฟุต มาบรรจุไว้ ในถึงนี้จะมีแต่ไอน้ำ ไม่มีอากาศเลย เพราะไอน้ำจะไปไล่ที่อากาศในถังออกหมด ถ้าทำให้ถังนี้เย็นตัวลงอย่างรวดเร็ว อะไรจะเกิดขึ้น? ไอน้ำจะกลั่นตัวกลับเป็นหยดน้ำปริมาณเพียง 1 ปอนด์ หรือประมาณ 1 ส่วน 60 ลบ.ฟุต

ที่เหลือภายในถังจะไม่มีอะไรอยู่เลย ไม่ว่าจะเป็น น้ำ ไอน้ำ หรือ อากาศ ปริมาณอีก 99.93% ที่ว่างนี้เรียกว่าสุญญากาศ (vacuum)

     พื้นผิวภายนอกของถังลูกที่กล่าวมานี้มีพื้นที่รวมกัน 6 ด้าน บน-ล่าง-ซ้าย-ขวา-หน้า-หลัง คิดแล้ว 7,776 ตารางนิ้ว ภายนอกมีความดันบรรยากาศอยู่ 15 ปอนด์/ตารางนิ้ว ฉนั้นแรงดันรอบถังจะคำนวณออกมาได้เป็น 7,776x15 หรือ 116,640 ปอนด์ หากภายในถังเป็นสุญญากาศแรงกดดันภายนอกจะทำให้ถังยุบตัวได้

      หากไม่เชื่อทดลองได้ เอาปีบใส่น้ำภายในระดับประมาณครึ่งนิ้ว จากก้น แล้วเอาไปต้ม  ตอนต้มเอาฝาเกลียวด้านนอกออก เมื่อน้ำเดือดจนเห็นไอพุ่งออกจากรูด้านบนนานพอสมควรแล้ว รีบปิดฝาเกลียว จากนั้นรับยกไปราดน้ำใส่ ถังจะยุบตัว ดังภาพที่ 15 เหมือนขยำกระดาษทิ้ง

     การทดลองนี้ทุกคนสามารถทำได้เองที่บ้าน มันทำให้เห็นภาพเรื่องสุญญากาศ, ความกดอากาศ, การกลั่นตัวของไอน้ำเป็นหยดน้ำ ดีมากวิธีหนึ่ง

     ตอนนี้รู้หลักการทำให้เกิดสุญญากาศแล้ว จะมาประยุกต์ใช้ด้านท้ายของ turbine อย่างไร? ถ้าด้านท้าย turbine (exhaust end) เราต่อเป็นห้องปิดกว้างๆ ไว้ ภายในห้องมีท่อน้ำเย็นจำนวนนับร้อยนับพันวิ่งผ่าน (condenser) ดังภาพ 16

ด้วยการทำเช่นนี้ steam จาก turbine จะวิ่งมาสัมผัสภายนอกของท่อน้ำเย็น กลั่นตัวกลายเป็นน้ำและจะสร้างสภาพสุญญากาศ (vacuum) ขึ้นเหมือนกับที่สร้างในปีบ แต่เนื่องจากผิวห้องนั้นสร้างด้วยเหล็กอย่างหนา แข็งแรงพอที่จะทนความดัน 1 บรรยากาศภายนอกได้ ห้องจึงไม่พังลงมา

        ในลักษณะนี้ น้ำเย็นที่วิ่งในท่อจะต้องไหลตลอด จึงจะเกิดสภาพสุญญากาศ (vacuum) ตลอดภายในห้อง

        ศัพท์ทางเทคนิคสำหรับห้องนั้นเรียกว่า คอนเดนเซอร์ (condenser) ประโยชน์ของ condenser มี 2 อย่าง คือ 1. เพื่อทำ vacuum ที่ turbine exhaust และ 2. เพื่อรองรับไอน้ำที่กลั่นตัวแล้ว “คอนเดนเซต” (condensate) เอากลับไปใช้ใน boiler อีก เพราะ condensate เป็นน้ำกลั่นซึ่งบริสุทธิ์มาก จึงเหมาะสำหรับ feed water อัดเข้า boiler

       บริเวณส่วนกลาง condenser หากเราสร้างบ่อไว้สำหรับให้น้ำ condensate มาสะสมเพื่อปั้มกลับไปเข้า boiler ใหม่ บ่อนี้เรียกว่า ฮอทเวล (hotwell) อันสืบเนื่องมาจากน้ำในบ่อนี้ยังคงอุ่นหรือร้อนอยู่นั่นเองหลังจากกลั่นตัวมาจากไอน้ำแล้ว พิจารณาดังภาพ 17

         ไอน้ำ (steam) ที่ boiler ผลิตขึ้นจะผ่าน main steam drum มายัง turbine มันจะผ่าน turbine ไปอย่างมีระบบผ่านไปหลาย stage ลดความดันไปเรื่อยแต่ละ stage ขณะเดียวกันก็ถ่ายพลังงานให้ใบพัดของ turbine เพื่อหมุนเพลา turbine ซึ่งจะเป็นต้นกำลังไปหมุน generator และผลิตไฟฟ้าออกมาที่ปลายด้านท้ายของ turbine (exhaust  end) steam จะเข้า condenser ซึ่งไอน้ำจะกลั่นเป็นหยดน้ำรอบนอกของผิวท่อเล็กๆ เพราะมีน้ำเย็นวิ่งอยาภายในท่อเล็กๆ เหล่านี้ น้ำเหล่านี้เรียกว่า เซอคูเลตติ้ง วอเตอร์ (circulating water) หรือน้ำหล่อเย็นหมุนเวียน

        การกลั่นตัวของไอน้ำทำให้เกิด vacuum และน้ำ condensate ซึ่งจะมาสะสมกันอยู่ใน hotwell  ทางส่วนล่างของ condenser น้ำ condensate จะถูกปั๊มออกจาก hotwell ไปเช้า feedwater heater โดยใช้ คอนเดนเซทปั้ม (condensate pump) ที่ feedwater  heater น้ำจะร้อนขึ้นอีก เพราะมีการเอา exhaust steam จากนั้น boiler feed pump หรือ จากจุดอื่นๆ มาอุ่นน้ำ condensate นี้ จากนั้นน้ำ  condensate จะถูกปั้มโดย boiler feed pump กลับเข้าไปใน boiler อีกครั้ง เรียกน้ำใน boiler feed pump ปั้มไปว่า feedwater จะเห็นว่าที่อธิบายมาทั้งหมดครบวงจร 8nv น้ำที่ถูกต้มเป็นไอน้ำ แล้วหมุน turbine จะกลั่นตัวใน condenser กลายเป็นน้ำซึ่งจะปั้มกลับเข้าไป boiler อีกครั้ง แน่นอนว่าในระบบจริงๆ ย่อมมีการสูญเสียน้ำเล็กน้อยตามจุดต่างๆ ตลอดระบบ เช่น รั่วที่ pump bearing ก้านวาวล์ ฯลฯ จึงต้องเติมน้ำใหม่เข้าระบบด้วย น้ำที่เติมนี้เรียกว่า น้ำเมคอัพ (make-up) ในทางปฏิบัติ ถ้าน้ำ make up ยิ่งน้อยยิ่งดี แสดงว่าการรั่วไหลไปน้อย