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