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