ระบบบายพาสไอน้ำของ boiler

    ทุกวันนี้ เป็นที่ยอมรับความจริงว่าระบบบายพาสบางชนิด มีความคุ้มค่าที่จะติดตั้งในวัฏจักรของ drum boiler ปัญหาที่สำคัญของโรงไฟฟ้า มักพบว่าจะเลือกขนาดของระบบบายพาสที่ใช้เป็นกี่เปอร์เซ็นต์ของปริมาณไอน้ำที่ไหลเข้า turbine ขณะรับภาระเต็มที่ เรื่องนี้ เป็นสิ่งจำเป็นเพื่อต้องการให้โรงไฟฟ้า ทำงานยืดหยุ่นได้ โดยเสียค่าใช้จ่ายต่ำสุด

การบายพาสแบบต่างๆ

      ระบบบายพาสที่ง่ายที่สุด ประกอบด้วยท่อและวาล์ว ซึ่งระบายไอน้ำเพียงไม่กี่เปอร์เซ็นต์ของไอน้ำที่ full load จากหม้อน้ำไปยัง condenser โดยบายพาสผ่าน turbine ระบบบายพาสในหม้อน้ำมีการบายพาสไอน้ำจากตำแหน่งต่างๆ ต่อไปนี้

-         ระหว่าง drum และ primary superheater เรียกว่า ดรัมบายพาส

-         ระหว่าง primary และ secondary superheater เรียกว่า ซูปเปอร์ฮีตเตอร์บายพาส

-         ระหว่าง boiler outlet และ turbine inlet เรียกว่า small turbine bypass

ระบบบายพาสอื่นๆ ก็คือชนิดของ superheaters by pass โดยมีวาล์วลดความดันระหว่าง primary และ secondary superheaters ซึ่งวาล์วนี้รักษาความดันภายในดรัม ให้มีความดันสูงในระหว่างการหยุดเดินเครื่อง และลด throttle steam pressure ที่จะเข้าไปยัง turbine ในระหว่างการ start-up ข้อดีก็คือ throttle steam pressure น้อย ดังนั้นความดันและอุณหภูมิที่ตกคร่อม turbine inlet valves และ control stage จึงน้อยที่สุดทำให้ไอน้ำที่สัมผัสกับ turbine rotor มีอุณหภูมิสูง

     ในยุโรป ใช้ระบบ bypass ขนากใหญ่ กับ Once-through boilers มีขนาดบายพาส 40-100 % ของ full load steam ที่ผ่าน high pressure และ low pressure turbine สำหรับ high pressure bypass นั้น บายพาสไอน้ำจาก superheater outlet ตรงไปยัง reheater เป็นการบายพาส h-p turbine ส่วน low pressure turbine นั้น bypass ไอน้ำ จาก reheater ตรงไปยัง condenser เป็นการบายพาส I-P และ L-P turbine สิ่งเหล่านี้สำเร็จลงได้ด้วยวัตถุประสงค์หลัง 2 ประการคือ

1.     โดยการทำให้ไอน้ำไหลผ่าน reheater ดีเท่ากับใน superheater เพื่อรักษาอุณหภูมิของท่อให้อยู่ในขอบเขตที่ยอมรับได้ โดยหลีกเลี่ยงการจำกัดอุณหภูมิของ flue gas ซึ่งเป็นข้อควรระวังระหว่าง start-up เพื่อป้องกัน superheater และ heater tube จากความร้อนที่สูงเกินไป

 2. ระบบบายพาสขนาดใหญ่ สามารถจุดเตาได้จนถึง minimum stable load ก่อนเปิด turbine valves ดังนั้น สามารถจุดเตาจนกระทั่งไอน้ำในหม้อน้ำถึงจุดทำงานได้ที่ stable conditions และอุณหภูมิของไอน้ำที่ทางออกสามารถควบคุมได้

ประโยชน์ของการบายพาส

        ระบบบายพาส จะบายพาสไอน้ำจากบางจุดในหม้อน้ำ ตรงไปยัง condenser อาจบายพาสไอน้ำบางส่วนหรือทั้งหมดผ่าน turbine ก็ได้การบายพาสไอน้ำผ่าน turbine นี้จำเป็นสำหรับการ start-up ของหม้อน้ำแบบ once-through และในปัจจุบันนี้ กลายเป็นระบบมาตรฐานนิยมใช้อย่างกว้างขวางกับหม้อน้ำแบบ drum ซึ่งต้องการความรวดเร็วในการ start-up

        ผลกำไรขั้นตอนของการบายพาส คือ การเพิ่มความเร็วของการ hot และ warm start-up โดยช่วยให้อุณหภูมิของไอน้ำและ turbine-metal เข้ากันได้ ส่วนผลกำไรอื่นๆ ขึ้นอยู่กับวิธีการเดินเครื่องขนาด และความมั่นคงของข่ายงานทางไฟฟ้า เมื่อติดตั้งระบบ turbine bypass เข้ากับหม้อน้ำแบบดรัมแล้วจะเห็นได้ว่าลดค่าใช้จ่ายของการ start-up จากการ shut-down อย่างสมบูรณ์ในเวลากลางคืนและ start-up ได้อย่างรวดเร็วในเช้าวันรุ่งขึ้น (เรียกว่า tow-shift operation) ในหลายๆ กรณี ถ้าพิจารณาถึงการเดินเครื่องเป็น tow-shift operation แล้วการติดตั้งระบบบายพาส จะให้คุณค่าทางเศรษฐกิจมากกว่า โดยการหยุดเครื่องในแต่ละวัน แทนที่จะเดินเครื่องที่ภาระต่ำๆ ตลอดคืนกุญแจสำคัญที่จะลดเวลา และค่าใช้จ่ายของการ start-up ในแต่ละวัน คือ การทำให้อุณหภูมิของอน้ำใกล้เคียงกับอุณหภูมิของ turbine rotor และ casing ทั้งนี้ เพื่อหลีกเลี่ยงการเกิดความเค้นจากอุณหภูมิที่มีค่าความเค้นสูง ถ้าไอน้ำร้อนหรือเย็นกว่า turbine อุณหภูมิของไอน้ำสามารถทำให้ถูกต้องได้ โดยควบคุมให้ไอน้ำไหลผ่านระบบบายพาสไปยัง condenser ในระหว่างการ warm-up เครื่อง ถ้าโรเตอร์ยังเย็นอยู่ ขณะ turbine เริ่มหมุน อุณหภูมิไอน้ำที่เข้า turbine จะต้องเย็นด้วย ดังนั้น อาจเพิ่มอุณหภูมิให้สูงขึ้นได้ทีละน้อยๆ เท่านั้น นั้นคือ cold start อาจจะต้องใช้เวลาหลายชั่วโมง เพื่อเวลาในการ start-up นี้ โรเตอร์จะถูกรักษาให้ร้อนเท่าที่จะเป็นไปได้ระหว่างการหยุดเครื่องตลอดคืน ดังนั้น ควรลด throttle pressure ลงระหว่างลดภาระ และควร trip ที่ 10% - 20% load ในระหว่างการหยุดเครื่องตลอดคืน ปลายที่ร้อนของโรเตอร์จะค่อยๆ เย็นลง โดยการนำความร้อนจากปลายที่ร้อนสู่ปลายที่เย็น นอกจากนี้ยังสูญเสียความร้อนโดยการแผ่รังสีจากโรเตอร์ turbine casing จนถึงตอนเช้า อุณหภูมิโรเตอร์จะเหลือประมาณ 800 ⁰F (ประมาณ 427 ⁰C) เพื่อที่จะให้อุณหภูมิของไอน้ำที่ first-stage ใกล้เคียงกันกับอุณหภูมิของโรเตอร์ขณะ star-up นั้น throttle temperature จะต้องสูงกว่า เพื่อชดเชยค่าที่ลดลงเมื่อไอน้ำขยายตัวผ่าน inlet valve และ control stage เพิ่อให้อุณหภูมิที่ลดลงน้ำต่ำสุด ควรจะเลือกให้ throttle pressure ต่ำกว่า 800 psig ที่ความดันนี้ throttle temperature ประมาณ 850 ⁰F (454 ⁰C ) ซึ่งเป็นอุณหภูมิที่น่าพอใจ throttle temperature ที่สูงกว่านี้ มักใช้กับการเริ่มต้นให้ความร้อนกับโรเตอร์อย่างรวดเร็ว ส่วนอุณหภูมิต่ำกว่าจะเป็นสาเหตุไม่พึงปรารถนาดังต่อไปนี้ คือ

-         โรเตอร์เย็นลงซึ่งต้องใช้เวลาขึ้น เพื่อเพิ่มความร้อนให้สูงขึ้นอีก

-         เกิดความเค้นดึงสูงที่ผิวด้านนอกของโรเตอร์

อัตตาการจุดเตาเทียบกับความดันไอ

     ระบบบายพาส ยินยอมให้อัตราการจุดเตาสูงเพียงพอ จนสามารถทำ throttle tem perature ได้ถึง 850 ⁰F (454 ⁰C ) หรือสูงกว่า ในขณะที่ throttle pressure ต่ำกว่า 1,000 psig ก่อนที่จะหมุน turbine การที่อุณหภูมิถึง 850 ⁰F โดยที่ไอน้ำมีการไหลต่ำนั้น อุณหภูมิของแก๊สที่ทางออกเตา อย่างน้อยที่สุดจะต้องถึง 900 ⁰F ในหม้อน้ำแบบดรัมที่ไม่มีบายพาสอัตราการจุดเตาต้องพิจารณาจาก pressure rise และ furnace gas temperature

     การจุดเตาเพื่อต้องการทำอุณหภูมิของแก๊สที่ทางออกเตาให้ได้ 900 ⁰F เป็นสาเหตุให้ความดันในดรัมสูงขึ้นอย่างรวดเร็ว และจะเกิดความดันที่สูงเกินไปในช่วงที่ยังอุ่นท่อและหม้อน้ำอยู่ แต่ถ้ามีระบบบายพาสขนาดเล็กแล้ว ความดันในดรัมในดรัมจะค่อยๆ สูงขึ้น เพื่อรอเวลาให้อุณหภูมิของไอน้ำถึงจุดที่ต้องการก่อนหมุน turbine อย่างไรก็ตาม การทำงานของ turbine และ boiler จะต้องประสานกัน ดังนั้น turbine valve สามารถเปิดได้ทั้นทีเมื่อความดันในดรัมถึงจุดที่เหมาะสม ส่วนระบบบายพาสขนาดใหญ่ ความดันในดรัมที่กำลังเพิ่มขึ้นนั้นสามารถควบคุมการเพิ่มขึ้นได้ ทั้งความดันและอุณหภูมิจะถูกรักษาไว้จนกระทั้งเริ่มหมุน

     เมื่อไม่มี low pressure bypass อุณหภูมิของแก๊สที่ทางออกเตาจะต้องถูกจำกัด (ประมาณ 1000 ⁰F) ก่อนที่ไอน้ำจะถูกปล่อยเข้า turbine ทั้งนี้ เพื่อป้องกัน superheater และ reheater tube จากความร้อนที่สูงเกินไป ถ้ามี small high pressure bypass ขีดจำกัดดังกล่าวจะไม่เป็นอันตราย ซึ่งสามารถเปรียบเทียบกับขีดจำกัดที่กำหนดไว้ เพื่อป้องกันมิให้อัตราการเพิ่มความดันในดรัมสูงเกินไป อย่างไรก็ตาม กรณีที่ high pressure bypass เปิดสุด และเพื่อรักษาความดันมิให้ตกลง จำเป็นต้องจุดเตาในอัตราที่สูง เมื่ออัตราการจุดเตาสูง ก็จะแก๊สที่มีอุณหภูมิสูงตามไปด้วย จึงต้องใช้ low pressure bypass เพื่อป้องกัน reheater tubes ไว้

จะมีวิธีจัดรูปแบบระบบบายพาสอย่างไร

     1. ซุปเปอร์ฮีตเตอร์บายพาสอย่างง่าย (รูปที่ 1) ประกอบด้วยวาล์วซูปเปอร์ฮีตเตอร์ ติดตั้งที่ drum หรือทางเข้าหรือทางออกของ primary superheater อาจรวม reheater outlet steam attemperator valve อยู่ด้วย วาล์วซุปเปอร์ฮีตเตอร์ ทำหน้าที่ควบคุมความดันสูงสุดในดรัมโดยการปล่อยไอน้ำส่วนเกินไปยัง condenser ส่วนวาล์วของ steam attemperator ควบคุมอุณหภูมิไอน้ำทางออกของ hot reheater ให้อยู่ภายในขีดจำกัดของ turbine ในระหว่างการหมุน turbine เริ่มรับภาระ ซึ่งอาจต้องใช้ small turbine bypass ทำงานช่วยด้วย

2. ซุปเปอร์ฮีตเตอร์บายพาส (รูปที่ 2 ) เป็นการจัดรูปแบบโดยให้ไอน้ำจำนวน 3 % บายพาสที่ความดัน 800 psig มีเส้นทางจากด้านหน้าของ turbine ไปยัง condenser ทั้งนี้ เพื่อให้ความร้อนกับ superheater outlet headers และท่อ main steam ก่อนหมุน turbine สำหรับการบายพาสไอน้ำ 5 % นั้น มีเส้นทางจาก superheater ไปยัง condenser การบายพาส secondary superheater และ turbine กระทำพร้อมกับการจุดเตา เพื่อควบคุม throttle pressure และ throttle temperature ให้ถูกต้อง

3. ซุปเปอร์ฮีตเตอร์บายพาส (รูปที่ 3) ระบบนี้มีอัตราการบายพาสประมาณ 5 % ที่ 1,000 psi บายพาสจาก backpass ring header ไปยัง condenser ในบางครั้ง อาจมีการต่อวาล์วจากวงจรไอน้ำอิ่มตัว ไปยังทางออกของ reheater ทั้งนี้ ก็เพื่อให้มีการจุดเตาจนได้อุณหภูมิของแก๊สที่จำเป็น เพื่อให้ไอน้ำเป็น superheated

4. ซุปเปอร์ฮีตเตอร์บายพาสชนิดมีวาล์วลดความดัน (รูปที่ 4) ระบบนี้มีวาล์ว attemperator อยู่ด้านท้ายของ secondary superheater และ reheater รวมทั้งวาล์วลดความดันอยู่ระหว่าง superheaters สำหรับวาล์ว attemperator ควบคุมอุณหภูมิทางออกของ main steam ให้อยู่ในขีดจำกัดของ turbine ระหว่าง low load ส่วนวาล์วลดความดันควบคุม turbine throttle pressure โดยไม่ขึ้นกับความดันในดรัม

    Thermocouple probes ชนิดระบบความร้อนด้วยอากาศ ซึ่งติดตั้งในทิศทางการไหลของแก๊สในเตา ติดตั้งอยู่ระหว่าง secondary superheater และ reheater เพื่อควบคุมอัตราการจุดเตาระหว่างที่ไอน้ำมีอัตราการไหลต่ำ เพื่อป้องกันท่อ จากความร้อนที่สูงเกินไป ส่วนวาล์วซูปเปอร์ฮีตเตอร์บายพาสขนาดเล็ก (5-8 %) ติดตั้งอยู่ที่ดรัม หรือ primary superheater ทางด้าน inlet หรือ outlet อย่างใดอย่างหนึ่ง เพื่อบายพาสไอน้ำไปยัง condenser โดยการใช้บายพาสวาล์วนี้ความดันที่ throttle สามารถจำกัดและควบคุมได้ขณะที่ไอน้ำมีอุณหภูมิสูงเท่ากับอุณหภูมิของแก๊ส steam attemperators ติดตั้งที่ secondary superheater และ reheater outlet ทั้งนี้ เพื่อควบคุมอุณหภูมิของไอน้ำ ไม่ให้สูงเกินไปสำหรับ h-p และ I-p turbine

5. H-P turbine bypass ขนาดใหญ่ (รูปที่ 5) มีวาล์วควบคุมความดันของการบายพาสซึ่งจะบายพาสไอน้ำจากทางออกของ secondary superheater ไปยัง cold reheat line วาล์วบายพาสความดันสูงบางชนิดมี mode control 2 mode mode แรกสำหรับควบคุมความดันปกติระหว่าง start หรือการเปลี่ยน load และ mode ที่สอง สำหรับการตอบสนองอย่างรวดเร็วเมื่อเกิดเหตุการณ์ load rejection

    เมื่อ main steam ถูกบายพาสไปยัง cold reheat line ไอน้ำที่ร้อนเกินไปจะถูก desuperheated โดยการเปิดวาล์วของ temperature controlled desuperheated ซึ่งควบคุมอุณหภูมิของ cold reheat ให้อยู่ที่ภาวการณ์ทำงานปกติ line ของ desuperheated spray water ต่อมาจาก boiler feed pump ถูกควบคุมโดย desuperheating water valve

    เพื่อป้องกัน h-p turbine จากการไหลกลับของไอน้ำจาก cold reheat line จึงติดตั้ง positive closing check valve ใน cold reheat line ในบางครั้ง วาล์วนี้ยังใช้โดยไม่มีการติดตั้งระบบบายพาสก็ได้ เพื่อป้องกันมิให้น้ำที่เกิดจาก reheat spray valve ที่เกิดชำรุด ไหลกลับเข้า turbine เมื่อเกิด trip

      Low pressure bypass ขนาดใหญ่ (รูปที่ 5) หน้าที่ของระบบนี้ คือ การบายพาสไอน้ำจาก hot reheat ตรงไปยัง condenser ในครั้งใดก็ตามที่ reheat steam flow มากกว่าความต้องการของ I-p และ L-p turbine ส่วน condensate pump จะทำหน้าที่จ่ายน้ำให้กับ desuperheating spray water ซึ่งควบคุมโดย low pressure bypass desuperheating spray valves เพื่อป้องกัน condenser ในระหว่างเดินเครื่องปกติ อาจใช้ stop valve ซึ่งอยู่ในตำแหน่งปิด 2 ชั้น เมื่อระบบ low pressure bypass กำลังทำงานอยู่ stop valve นี้จะอยู่ในตำแหน่งเปิดสุด การปิดเปิดของบายพาสวาล์วจะอยู่ในความควบคุม และ stop valve นี้ยังมีประโยชน์ในการทดสอบการปิดเปิดของบายพาสวาล์วระหว่างเดินเครื่องปกติ โดยที่ไอน้ำไม่สามารถไหลไปยัง condenser ได้

ขอขอบคุณ คุณบุญรินทร์ วงษ์ศิริ

สำหรับข้อมูล