วิศวกรรมโรงไฟฟ า (powerplantengineering) ฉบับแก ·...

วศวกรรมโรงไฟฟา(Power Plant Engineering)

ฉบบแกไขและปรบปรง

ศาสตราจารย ดร. สมชาต ฉนทศรวรรณคณะวศวกรรมศาสตร

มหาวทยาลยธรรมศาสตร

ii

สงวนลขสทธ พ.ศ. 2558 โดย นายสมชาต ฉนทศรวรรณหามการลอกเลยนสวนหนงสวนใดของหนงสอเลมน นอกจากจะไดรบอนญาต

คำนำ

ภายหลงจากหนงสอเรอง วชาวศวกรรมโรงไฟฟา (Power Plant Engineering) ไดตพมพเผยแพรในรปแบบของ E-book เมอประมาณ 4 ปกอน ผมไดรบ e-mail แสดงความขอบคณจากผอานหลายทาน บางทานเปนนกศกษาทกำลงเรยนวชาวศวกรรมโรงไฟฟา บางทานเปนอาจารยทกำลงสอนวชาน และบางทานเปนวศวกรททำงานในโรงไฟฟา e-mail เหลานทำใหผมเปลยนความตงใจเดมทจะตพมพเผยแพรหนงสอเลมนเพยงครงเดยวเปนการแกไขและปรบปรงหนงสอเลมนใหดขน จนในทสดกทำสำเรจกอนสนป 2558 น

หนงสอเลมนมการปรบปรงและแกไขในสามเรอง ไดแก (1) แกไขขอมลเชงสถตใหทนสมยมากขน(2) แกไขคำผดทปรากฏในหนงสอเลมเดม และ (3) เพมบทท 13 ซงมเกยวกบการแกไขผลกระทบตอสงแวดลอมทเกดจากการดำเนนการของโรงไฟฟา เนอหาในบทท 13 บางสวนไดมาจากบทท 4 ในหนงสอเลมเดม ซงทำใหบทท 4 ในหนงสอเลมนมเนอหาสนลง

โรงไฟฟามการพฒนาอยางตอเนองเพอเพมประสทธภาพในการดำเนนงานและลดผลกระทบตอสงแวดลอม ดงนนเนอหาบางสวนในหนงสอเลมนคงลาสมยในเวลาอกไมกปขางหนา ผมจะพยายามแกไขและปรบปรงหนงสอเลมนตอไปเพอใหเนอหามความทนยคทนสมยเทาทจะกระทำได

สมชาต ฉนทศรวรรณe-mail: [email protected]

ธนวาคม 2558

iii

สารบญ

1 บทนำ 11.1 ระบบพลงงานไฟฟา . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 ประเภทของโรงไฟฟา . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.3 โรงไฟฟาในประเทศไทย . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.4 รายงานการวเคราะหผลกระทบสงแวดลอม . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2 เศรษฐศาสตรของการผลตไฟฟา 92.1 มลคาปจจบน . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.2 เสนโคงภาระ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.3 ตนทนการผลตไฟฟา . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3 เชอเพลง 273.1 เชอเพลงแขง . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.2 เชอเพลงเหลว . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333.3 เชอเพลงกาซ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353.4 การใชเชอเพลงเพอผลตไฟฟาของประเทศไทย . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

4 การเผาไหม 414.1 ปฏกรยาการเผาไหม . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414.2 อตราสวนอากาศตอเชอเพลงเชงทฤษฎ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434.3 คาความรอน . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464.4 อตราสวนอากาศตอเชอเพลงจรง . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494.5 อากาศสวนเกน . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 534.6 อณหภมจดนำคาง . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554.7 อปกรณเผาไหม . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

5 เทอรโมไดนามกสของโรงไฟฟาพลงความรอน 675.1 สมบตของไอนำ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 675.2 วฏจกรแรงคน . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 705.3 การปรบปรงประสทธภาพของวฏจกรแรงคน . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

v

vi สารบญ

5.4 ผลกระทบของความผวนกลบไมไดในวฏจกร . . . . . . . . . . . . . . . . . . 825.5 ประสทธภาพของโรงไฟฟาพลงความรอน . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 835.6 ประสทธภาพของหมอไอนำ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 855.7 ระบบผลตพลงงานรวม . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

6 เครองกำเนดไอนำ 956.1 ประเภทของหมอไอนำ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 956.2 หลกการทำงานของเครองกำเนดไอนำ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 966.3 เตาเผาและเครองระเหย . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 976.4 ถงพกไอนำ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 996.5 การถายนำออก . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1016.6 เครองทำไอนำยวดยงและเครองใหความรอนซำ . . . . . . . . . . . . . . . . . 1036.7 การควบคมอณหภมไอนำ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1056.8 เครองประหยดเชอเพลง . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1086.9 เครองอนอากาศ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1096.10 เครองเปาฝน . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1116.11 การไหลเวยนของอากาศและกาซเสย . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

7 เครองกงหนไอนำ 1217.1 หลกการทำงาน . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1217.2 ขนทำงาน . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1227.3 ประสทธภาพหวฉด . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1247.4 สามเหลยมความเรว . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1267.5 ความเรวทเหมาะสมทสด . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1317.6 ประสทธภาพขนทำงาน . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1367.7 เครองกงหนไอนำหลายขนทำงาน . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1397.8 แรงดนแนวแกน . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1427.9 การจำแนกเครองกงหนไอนำ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1437.10 การควบคมเครองกงหน . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

8 ระบบนำปอนและนำหลอเยน 1518.1 อปกรณหลกในระบบนำปอนและนำหลอเยน . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1518.2 เครองควบแนน . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1518.3 เครองอนนำปอน . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1558.4 หอหลอเยน . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1588.5 ระบบปรบสภาพนำ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162

9 อปกรณและระบบควบคม 1679.1 ระบบควบคมของโรงไฟฟาพลงความรอน . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1679.2 การวดสมบตของไหล . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169

สารบญ vii

9.3 ระบบควบคมภาระ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1849.4 ระบบควบคมการเผาไหม . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1869.5 ระบบควบคมความดนในเตาเผา . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1899.6 ระบบควบคมระดบนำในถงพกไอนำ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1899.7 ระบบควบคมอณหภมไอนำยวดยง . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192

10 โรงไฟฟาพลงความรอนรวม 19510.1 วฏจกรเบรยตน . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19510.2 วฏจกรผสม . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20110.3 เครองกงหนกาซ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20510.4 เครองกำเนดไอนำแบบกความรอน . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215

11 โรงไฟฟาพลงนำ 22111.1 ลกษณะทวไป . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22111.2 เขอน . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22211.3 ทอสงนำ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22411.4 กงหนไฮดรอลก . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22511.5 อโมงคทายนำ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23111.6 โรงไฟฟาพลงนำแบบสบกลบ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233

12 โรงไฟฟานวเคลยร 23712.1 สญลกษณนวเคลยรและไอโซโทป . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23712.2 ปฏกรยานวเคลยร . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23812.3 เสถยรภาพทางนวเคลยร . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23912.4 กมมนตภาพรงส . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24012.5 ฟชชน . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24312.6 ปฏกรยาลกโซ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24412.7 สวนประกอบของเตาปฏกรณนวเคลยร . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24612.8 ประเภทของเตาปฏกรณนวเคลยร . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24712.9 เชอเพลงนวเคลยร . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25112.10 การกำจดกากนวเคลยร . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25312.11 อนตรายของกมมนตภาพรงสตอมนษย . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25412.12 ความปลอดภยของโรงไฟฟานวเคลยร . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256

13 มลภาวะทเกดจากโรงไฟฟาและการควบคม 26113.1 มลภาวะทเกดจากโรงไฟฟา . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26113.2 การควบคมออกไซดของไนโตรเจน . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26513.3 การควบคมฝนละออง . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26913.4 ระบบจดการขเถา . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273

viii สารบญ

13.5 ระบบกำจดกาซซลเฟอรไดออกไซด . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27613.6 ระบบตรวจวดมลภาวะอยางตอเนอง . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278

บทท 1

บทนำ

1.1 ระบบพลงงานไฟฟาพลงงานไฟฟา เปนพลงงานท ปลอดภยตอการใช งาน สะดวกท การสงจากสถานท หนง ไปยงอก

สถานทหนง และสามารถผลตไดหลายวธ พลงงานไฟฟานบเปนปจจยพนฐานทสำคญประการหนงในการพฒนาประเทศ เปนทยอมรบกนอยางกวางขวางวาปรมาณการใชไฟฟาบงบอกถงอตราการเจรญเตบโตทางเศรษฐกจของประเทศได ตารางท 1.1 เปรยบเทยบอตราสวนการใชไฟฟาตอจำนวนประชากรระหวางป พ.ศ. 2555 ถง 2557 ของบางประเทศรวมทงประเทศไทย จะเหนวาประเทศทพฒนาแลวมอตราสวนการใชไฟฟาสงกวาประเทศกำลงพฒนา อตราสวนนจงบงบอกความเจรญของประเทศอยางคราว ๆ ได เนองจากประเทศไทยมแนวโนมทจะพฒนาอยางตอเนองจงมความเปนไปไดสงทอตราสวนการใชไฟฟาของประเทศไทยจะเพมขนอยางตอเนองดวย สงนแสดงใหเหนถงความสำคญของระบบพลงงานไฟฟาตอการพฒนาประเทศไทย

การนำพลงงานไฟฟามาใชนนเรมตนจากการสรางระบบผลตพลงงานไฟฟาหรอโรงไฟฟา จากนนจงสงพลงงานไฟฟาผานสายสงไฟฟาแรงสงไปยงระบบจำหนายเพอขายใหผใชไฟฟา รายละเอยดของระบบตาง ๆ มดงน

• ระบบผลต (power generation system) หมายถงระบบทแปลงพลงงานทอย ในรปอนเปนพลงงานไฟฟา ในปจจบนพลงงานไฟฟาปรมาณมากสามารถผลตไดโดยใชพลงงานกลขบเคลอนเครองกงหนทมแกนหมนรวมกบเครองกำเนดไฟฟา พลงงานกลไดจากการแปลงพลงงานรปอนเชนพลงงานความรอน พลงงานนำ และพลงงานนวเคลยร เปนตน

• ระบบสง (power transmission system) หมายถงระบบเสาสงและสายสงไฟฟาแรงสง ถาระบบผลตพลงงานไฟฟาเปรยบเสมอนหวใจ ระบบสงพลงงานไฟฟากเปรยบเสมอนเสนเลอดทนำเลอดไปหลอเลยงรางกาย ระบบสงพลงงานไฟฟาจะนำพลงงานไฟฟาไปสสถานไฟฟายอย(substation) เพอจายไฟฟาใหการไฟฟานครหลวงหรอการไฟฟาสวนภมภาค และจำหนายใหผใชรายใหญโดยตรงตอไป การใชสายสงไฟฟาแรงสงกเพอใหสามารถสงพลงงานไฟฟาไดไกลโดยมความสญเสยนอย ถงแมวาในทางทฤษฎแรงดนไฟฟายงมาก พลงไฟฟาสญเสยจะยงนอย แตในทางปฏบตมปจจยอนทจำกดคาแรงดนไฟฟาไมใหสงเกนไป โดยทวไประดบแรงดนของระบบ

2 บทท 1. บทนำ

ตารางท 1.1: อตราสวนการใชไฟฟาตอจำนวนประชากรเมอป พ.ศ. 2548

ประเทศ อตราสวนการใชไฟฟา (W/คน)สหรฐอเมรกา 1683ออสเตรเลย 1114ฝรงเศส 804ญปน 774สหราชอาณาจกร 622อตาล 581จน 458มาเลเซย 377อารเจนตนา 286ไทย 225อยปต 147เมกซโก 131ฟลปปนส 75ศรลงกา 52ลาว 39บงคลาเทศ 28

สายสงมขนาด 69 kW 115 kW 230 kW และ 500 kW แรงดนในสายสงจะลดลงตามระยะทางจากโรงไฟฟาจนถงระดบทจายใหผใชไฟฟา โดยทำการลดในสถานไฟฟายอยซงมกตงอยใกลแหลงใชไฟฟาขนาดใหญ ซงอาจเปนเมองหรอนคมอตสาหกรรม

• ระบบจำหนาย (power distribution system) หมายถงระบบทรบพลงงานไฟฟาจากระบบสงพลงงานไฟฟาเพอขายใหผใชไฟฟาทกระจายอยในบรเวณตาง ๆ โดยทวไประดบแรงดนในระบบจำหนายจะไมสงเทาในระบบสง ทงนเพราะระยะทางจากสถานไฟฟายอยไปสผใชไฟฟาไมมากนก จงไมจำเปนตองใชระดบแรงดนสงซงมราคาวสดและอปกรณสง โดยทวไปแรงดนของระบบจำหนายมหลายระดบ เชน 11 kW 12 kW 22 kW 24 kW และ 33 kW เมอเดนสายสงมาถงบรเวณทมผใชไฟฟามาก ๆ กลดระดบแรงดนของระบบจำหนายใหตำลงอยในระดบทใชงานกนคอ 380/220 V อปกรณทใชลดระดบแรงดนคอหมอแปลงไฟฟา

สำหรบประเทศไทย หนวยงานของรฐทรบผดชอบเรองการผลต การสงและการจำหนายไฟฟา 3หนวยงานคอ (1) การไฟฟาฝายผลตแหงประเทศไทย (กฟผ.) รบผดชอบงานเกยวกบการผลตพลงงานไฟฟาใหเพยงพอกบความตองการใชไฟฟาในประเทศซงรวมถงการสรางโรงไฟฟาและการเดนเครองโรงไฟฟา การรบซอไฟฟาจากผผลตไฟฟารายเลกและผผลตไฟฟาอสระ และการสงพลงงานไฟฟาผานระบบสายสงแรงสงไปสแหลงผใชไฟฟาและสถานยอยตางๆ (2) การไฟฟานครหลวง (กฟน.) รบผดชอบงานเกยวกบการรบพลงงานไฟฟาจาก กฟผ. เพอจำหนายใหแกผใชไฟฟาในเขตกรงเทพมหานคร นนทบร

1.2. ประเภทของโรงไฟฟา 3

และสมทรปราการ (3) การไฟฟาสวนภมภาค (กฟภ.) รบผดชอบงานเกยวกบการรบพลงงานไฟฟาจากกฟผ. เพอจำหนายใหแกผใชไฟฟาในจงหวดอนทวประเทศ นอกจากน กฟภ. ยงมโรงไฟฟาขนาดเลกของตวเองในบรเวณทสายสงแรงสงของ กฟผ. ไปไมถง

1.2 ประเภทของโรงไฟฟาโรงไฟฟาทำหนาทแปลงพลงงานรปตาง ๆ เชน พลงงานศกยของนำ พลงงานเคมในเชอเพลงฟอสซล

และพลงงานนวเคลยรในเชอเพลงนวเคลยรเปนพลงงานไฟฟา โรงไฟฟาสามารถแบงประเภทตามเชอเพลงทใชและกระบวนการผลตไฟฟา ดงน

• โรงไฟฟาพลงความรอน (thermal power plant) เผาไหมเชอเพลงฟอสซลหรอเชอเพลงชวมวลในการทำใหนำกลายเปนไอนำทมอณหภมสงและความดนสงเพอใชเดนเครองกงหนไอนำและเครองกำเนดไฟฟา โรงไฟฟาประเภทนใชเวลากอสรางนาน มคากอสรางสง แตมคาเชอเพลงคอนขางตำ

• โรงไฟฟากงหนกาซ (gas turbine power plant) เผาไหมกาซธรรมชาตในการผลตกาซเสยทมอณหภมสงและความดนสงเพอใชเดนเครองกงหนกาซและเครองกำเนดไฟฟา โรงไฟฟาประเภทนใชเวลากอสรางสน มคากอสรางตำ แตมคาเชอเพลงสง

• โรงไฟฟาพลงความรอนรวม (combined-cycle power plant) เผาไหมกาซธรรมชาตในการผลตกาซเสยท ไดมอณหภมสงและความดนสงโรงไฟฟากงหนกาซ กาซเสยท ได ใช เดนเครองกงหนกาซ กาซเสยทออกจากเครองกงหนกาซยงคงมอณหภมสง จงใชเดนเครองกงหนไอนำไดดวย โรงไฟฟาประเภทนมคากอสรางตำกวาโรงไฟฟาพลงความรอนแตคาเชอเพลงสงกวา

• โรงไฟฟานวเคลยร (nuclear power plant) ใชปฏกรยานวเคลยรในการผลตไอนำทมอณหภมสงและความดนสงเพอใชเดนเครองกงหนไอนำและเครองกำเนดไฟฟา โรงไฟฟาประเภทนมคากอสรางสงแตมคาเชอเพลงตำเนองจากใชเชอเพลงในปรมาณนอยเพอผลตไฟฟาในปรมาณมากได

• โรงไฟฟาพลงนำ (hydroelectric power plant) แปลงความพลงงานศกยจากนำในเขอนเปนพลงงานไฟฟาโดยใชเครองกงหนนำ โรงไฟฟาประเภทนจงตองตงอยใกลเขอนและขนาดของโรงไฟฟาขนกบขนาดของเขอน โรงไฟฟาประเภทนมคากอสรางสงและไมมคาเชอเพลงแตมผลกระทบทางลบตอสงแวดลอมคอนขางมาก

• โรงไฟฟาดเซล (diesel power plant) ประกอบดวยเครองยนตดเซลขนาดใหญซงใชนำมนดเซลเปนเชอเพลง โรงไฟฟาประเภทนใชเวลากอสรางสน มคากอสรางตำ แตมคาเชอเพลงสงมาก โรงไฟฟาประเภทนมกมขนาดเลกและเดนเครองเทาทจำเปน

• โรงไฟฟาท ใชพลงงานหมนเวยน (renewable energy) ผลตไฟฟาโดยใชพลงงานแสงอาทตยพลงงานลม พลงงานความรอนใตพภพ และพลงงานหมนเวยนอน ๆ ถงแมวาพลงงานเหลานจะ


ไมมคาใชจายและไมสงผลกระทบตอสงแวดลอมมากนก แตโรงไฟฟาประเภทนมตนทนการผลตไฟฟาสงกวาโรงไฟฟาประเภทอนมากและมขนาดเลกมาก จงยงไมทนยมมากนกในปจจบน

1.3 โรงไฟฟาในประเทศไทยประเทศไทยมโรงไฟฟาหลายโรงกระจายไปทวประเทศ ขนาดของโรงไฟฟามตงแตไมก MW ถง สอง

พนกวา MW ตารางท 1.2 แสดงใหเหนสดสวนการผลตไฟฟาของโรงไฟฟาในประเทศไทยในป พ.ศ.2558 จะเหนวาไฟฟาในประเทศไทยผลตโดยโรงไฟฟาพลงความรอนรวมในสดสวนทสงมาก สาเหตทเปนเชนนคอ ประเทศไทยมกาซธรรมชาตซงเปนเชอเพลงของโรงไฟฟาพลงความรอนรวม และโรงไฟฟาประเภทนทำใหเกดมลภาวะทางอากาศคอนขางนอย จงไดรบการยอมรบจากชมชนมากกวาโรงไฟฟาพลงความรอนทใชถานหนเปนเชอเพลง

ตารางท 1.2: สดสวนกำลงการผลตของโรงไฟฟาในประเทศไทยในป พ.ศ. 2558

โรงไฟฟา กำลงการผลต (MW) สดสวน (%)พลงความรอนรวม 23313 53.5พลงความรอน 8176 18.7พลงนำ 3406 7.8อน ๆ 8741 20.0

โรงไฟฟาอาจแบงตามหนวยงานทดแลหรอเปนเจาของอนไดแก (1) กฟผ. (2) ผผลตไฟฟาอสระ(independent power producer) หรอ IPP และ (3) ผผลตไฟฟารายยอย (small power producer)หรอ SPP

• กฟผ. เปนรฐวสาหกจทมโรงไฟฟาในความรบผดชอบหลายโรง สวนใหญจะเปนโรงไฟฟาขนาดใหญซงตองการการลงทนสง โรงไฟฟาพลงนำทงหมดอยในความดแลของ กฟผ. แตโรงไฟฟาทใชเชอเพลงฟอสซลและเชอเพลงชวมวลบางสวนอยในความดแลของภาคเอกชนซงกคอ IPP และSPP

• IPP คอ เอกชนทสรางโรงไฟฟาและผลตไฟฟาเอง แตตองขายไฟฟาใหแก กฟผ. โดย กฟผ.จะกำหนดปรมาณไฟฟาทรบซอเพอควบคมจำนวนของ IPP เงอนไขของการรบซอไฟฟาคอ (1)โรงไฟฟาจะตองใชเชอเพลงทสะอาดเปนทยอมรบของประชาชน (2) โรงไฟฟาจะตองตงอยในบรเวณท กฟผ. กำหนด (3) กฟผ. จะเปนผสงใหเดนเครองโรงไฟฟา และจายไฟฟาเขาระบบไฟฟา และ (4) โรงไฟฟาจะตองปฏบตตามมาตรฐานทางดานสงแวดลอมททางราชการกำหนด

• SPP คอ เอกชนทสรางโรงไฟฟาและผลตไฟฟาในปรมาณนอย โดยจะจำหนายให กฟผ. ไมเกน90 MW แตอาจขายไฟฟาใหผบรโภคทอยบรเวณใกลเคยงได SPP ผลตไฟฟาโดยใชพลงงานทดแทนเชน วสดเหลอทงทางการเกษตร กาซชวภาพจากมลสตว ขยะ หรอพลงงานลม แตถา

1.4. รายงานการวเคราะหผลกระทบสงแวดลอม 5

ใชเชอเพลงอนเชน กาซธรรมชาต นำมน หรอถานหน การผลตไฟฟาจะตองเปนระบบการผลตพลงงานไฟฟารวมกบพลงงานความรอน (cogeneration) ซงหมายถงระบบทพลงงานความรอนทผลตไดจะไมปลอยทงแตจะนำไปใชประโยชน พลงงานความรอนทนำไปใชประโยชนจะตองมปรมาณไมตำกวา 10% ของพลงงานทผลตไดทงหมด นอกจากนประสทธภาพรวมของโรงไฟฟาจะตองไมตำกวา 45%

ตารางท 1.3 แสดงใหเหนสดสวนกำลงการผลตไฟฟาของประเทศไทยโดยหนวยงานตางๆ ในป พ.ศ.2557 สดสวนการผลตไฟฟาโดย IPP มแนวโนมเพมขนตามนโยบายของรฐบาลทจะเพมบทบาทในการผลตไฟฟาโดยภาคเอกชนซงจะนำไปสการแขงขนโดยเสรและตนทนการผลตไฟฟาทตำ

ตารางท 1.3: สดสวนกำลงการผลตของประเทศไทยในป พ.ศ. 2557

ผผลต กำลงการผลต (MW) สดสวน (%)กฟผ. 15482 45ผผลตไฟฟาอสระ 13167 38ผผลตไฟฟารายยอย 3615 10นำเขา (จากลาวและมาเลเซย) 2404 7

1.4 รายงานการวเคราะหผลกระทบสงแวดลอมโรงไฟฟามคากอสรางสงมาก การลงทนกอสรางโรงไฟฟามกพจารณาปจจยทางเศรษฐศาสตรเปน

หลก ปจจยทสำคญคอ ทตงของโรงไฟฟา ซงควรอยใกลแหลงเชอเพลง แหลงนำ และสายสงไฟฟาแรงดนสง อยางไรกตาม โรงไฟฟาอาจสงผลกระทบตอสงแวดลอม ดงนนผลกระทบดานสงแวดลอมเปนสงทสำคญทควรพจารณาในการเลอกทตงของโรงไฟฟา ในชวงเวลาทประเทศไทยเรมมการกอสรางโรงไฟฟา สงคมไทยยงไมได ใหความสำคญกบผลกระทบดานสงแวดลอมของโรงไฟฟาเทาทควร แตเมอประเทศไทยเตบโตทางเศรษฐกจมากขนและประชาชนมความเปนอยทดขน สงคมเรมตองการใหโรงงานอตสาหกรรมตาง ๆ ควบคมกระบวนการผลตให เปนมตรตอสงแวดลอม โรงไฟฟาเปนโรงงานขนาดใหญทสงคมจบตามองเปนพเศษเนองจากมความเชอในประชาชนบางกลมวา โรงไฟฟาเปนแหลงปลอยมลภาวะทางอากาศและทางนำแหลงใหญ จงมความตองการใหรฐบาลควบคมการดำเนนการของโรงไฟฟาโรงงานอตสาหกรรมอน ๆ ใหเขมงวดขน ความตองการนนำไปสการกอตงหนวยงานภาครฐหลายหนวยงานททำหนาทกำกบดแลใหโรงงานอตสาหกรรมปฏบตตามกฎหมายสงแวดลอมอยางเครงครด

กฎหมายทสำคญฉบบหนงคอ ประกาศกระทรวงทรพยากรธรรมชาตและสงแวดลอม เรอง กำหนดหลกเกณฑ วธการ ระเบยบปฏบตและแนวทางในการจดทำรายงานการวเคราะหผลกระทบสงแวดลอมสำหรบ โครงการและกจการท อาจกอ ให เกดผลกระทบตอชมชนอยางรนแรงทงทางดานคณภาพสงแวดลอม ทรพยากรธรรมชาต และสขภาพกฎหมายทสำคญฉบบนกำหนดใหกจการหลายประเภทตอง


สงรายงานการวเคราะหผลกระทบสงแวดลอม (environmetal impact assessment หรอ EIA) ใหสำนกงานนโยบายและแผนทรพยากรธรรมชาตและสงแวดลอม (สผ.) กอนเรมดำเนนโครงการหรอกจการ โรงไฟฟาทเขาขายตองสงรายงาน EIA มลกษณะดงน

1. โรงไฟฟาพลงความรอนทใชถานหน และมกำลงการผลต 100 MW ขนไป

2. โรงไฟฟาพลงความรอนทใชเชอเพลงฃวมวล และมกำลงการผลต 150 MW ขนไป

3. โรงไฟฟาพลงความรอนรวมทใชกาซธรรมชาต และมกำลงการผลต 3000 MW ขนไป

4. โรงไฟฟานวเคลยรทกขนาด

ในกรณของโรงไฟฟาทไมมลกษณะขางตน แตมการรองเรยนตอคณะกรรมการสงแวดลอมแหงชาตวาโรงไฟฟาแหงนอาจสงผลกระทบตอชมชนอยางรนแรงทงทางดานคณภาพสงแวดลอม ทรพยากรธรรมชาตและสขภาพ คณะกรรมการสงแวดลอมแหงชาตจะแตงตงคณะอนกรรมการเพอทำหนาทวนจฉยขอรองเรยนดงกลาว ถาคณะอนกรรมการเหนดวยกบขอรองเรยน โรงไฟฟากจะตองสงรายงาน EIA ให สผ.

กฎหมายไดกำหนดรปแบบของรายงาน EIA สาระทสำคญทสดของรายงานคอ มาตรการปองกนและแกไขผลกระทบตอสงแวดลอม ในกรณทความเสยหายไมอาจหลกเลยงได รายงาน EIA ตองเสนอแผนการชดเชยความเสยหายดงกลาวดวย นอกจากน รายงานตองเสนอมาตรการและแผนการดำเนนการในการตดตามตรวจสอบผลกระทบตอสงแวดลอมทเหมาะสม รายงานทจะผานการประเมนจะตองมมาตรการเหลานทยอมรบไดโดยคณะกรรมการผชำนาญการ ประชาชนและผมสวนไดเสย องคการอสระและคณะกรรมการสงแวดลอมแหงชาต

1.4. รายงานการวเคราะหผลกระทบสงแวดลอม 7

คำถามทายบท1. ประเทศใดมอตราสวนการใชไฟฟาตอจำนวนประชากรมากทสดในโลก

2. ทำไมสายสงไฟฟาจงสงไฟฟาแรงดนสง

3. หนวยงานใดทำหนาทดแลสายสงไฟฟา

4. โรงไฟฟาประเภทใดใชถานหนเปนเชอเพลง

5. โรงไฟฟาพลงความรอนรวมใชเชอเพลงชนดใด

6. ระบขอไดเปรยบและเสยเปรยบระหวางโรงไฟฟาพลงความรอนกบโรงไฟฟากงหนกาซ

7. ทำไมโรงไฟฟาพลงานหมนเวยนจงไมไดรบความนยมมากนก

8. โรงไฟฟาสวนใหญในประเทศไทยเปนโรงไฟฟาประเภทใด

9. จงอธบายความแตกตางระหวางผผลตไฟฟาอสระ (IPP) กบผผลตไฟฟารายยอย (SPP)

10. ตามกฎหมาย โรงไฟฟาพลงความรอนรวมทมกำลงการผลตเทาไรตองสงรายงาน EIA

บทท 2

เศรษฐศาสตรของการผลตไฟฟา

2.1 มลคาปจจบนเปนททราบกนดวามลคาของเงนขนกบเวลา เงนจำนวนหนงในปจจบนมคามากเงนจำนวนเดยวกน

ในอนาคตเนองจากถานำเงนไปฝากธนาคารกจะไดดอกเบยหรอถานำเงนไปลงทนกไดผลตอบแทนซงสงผลใหมลคาของเงนสงขน ในทางธรกจอตราการเพมขนของมลคาเงนจงเรยกวาอตราสวนลด (discountrate) เพอการเปรยบเทยบเงนในเวลาทตางกน มลคาเงนในอนาคต (future value) จะตองแปลงเปนมลคาปจจบน (present value) โดยใชสตรตอไปน

PV = fPV FV (2.1)

โดยท PV คอ มลคาปจจบน, FV คอ มลคาเงนหลงจากเวลาผานไป n ปและ

fPV =1

(1 + i)n(2.2)

คอแฟกเตอรมลคาปจจบน (present worth factor) และ i คออตราสวนลด จะเหนวา fPV ลดลงตามเวลาทเพมขนและอตราสวนลดทเพมขน

ตวอยาง อปกรณแลกเปลยนความรอนเครองหนงมราคา 1 ลานบาทในปจจบน คาดวาอก 3 ปราคาจะเพมเปน 1.1 ลานบาท จงคำนวณหาอตราสวนลด

วธทำกำหนดให PV = 1000000 บาทและ FV = 1100000 บาท ดงนน

fPV =PV

FV

= 0.909

=1

(1 + i)3

10 บทท 2. เศรษฐศาสตรของการผลตไฟฟา

i = 0.0323

ในการดำเนนธรกจ รายรบและรายจายจะเกดขนเปนชวงๆ เรยกวาเงนชด (series payment) การหามลคาปจจบนของเงนชดสามารถใชสมการ (2.1) และ (2.2) ไดโดยแยกพจารณามลคาปจจบนของเงนในอนาคตแตละกอน มลคาปจจบนรวมของเงนชดจะเทากบมลคาปจจบนของเงนในอนาคตแตละกอนวธนอนญาตใหใชอตราสวนลดทตางกนสำหรบเงนในอนาคตแตละกอนได

ตวอยาง โรงไฟฟาแหงหนงตองการเปลยนเครองควบแนน การจายคาคอนเดนเซอรจะจายสามครง ครงแรกจายทนท 500000 บาท หลงจากนนหนงปจายอก 600000 บาทโดยใชอตราสวนลด 5%ครงสดทายจาย 700000 บาทเมอเวลาผานไปสองปโดยใชอตราสวนลด 4.5% จงหามลคาปจจบนของคอนเดนเซอร

วธทำ

PV = PV0 + PV1 + PV2

PV0 = 500000

PV1 =600000

(1 + 0.05)

= 471729

PV2 =700000

(1 + 0.045)2

= 641011

=⇒ PV = 1612740 บาท

ถาเงนชดเกดขนทกปรวม n ปนบจากปจจบนและในแตละปจำนวนเงนเพมขนหรอลดลงเปนสดสวนคงทเมอเทยบกบจำนวนเงนในปกอนหนาและอตราสวนลดมคาคงทตลอดชวงเวลาทพจารณาการคำนวณหามลคาปจจบนสามารถใชสตรคณตศาสตรแทนการแยกคำนวณหามลคาปจจบนของเงนในอนาคตแตละกอน กำหนดให FVk เปนจำนวนเงนทจะเกดขนเมอสนปท k และ

FVk+1 = (1 + r)FVk

โดยท 100r เปนเปอรเซนตการเพมขน (r > 0) หรอลดลง (r < 0) ของจำนวนเงน สตรคำนวณหามลคาปจจบนของเงนชดคอ

PV =FV1i− r

[1−

(1 + r

1 + i

)n](2.3)

มกรณพเศษท r = i การใชสมการ (2.3) อาจไมสะดวก สตรการคำนวณคา PV สำหรบกรณนคอ

PV =nFV11 + i

(2.4)

2.1. มลคาปจจบน 11

ตวอยาง คาจางของพนกงานของบรษทแหงหนงเทากบ 1000000 บาทเมอสนปแรก ถาอตราเงนเฟอทำใหบรษทตองเพมคาจาง 5% ทกป จงหามลคาปจจบนของคาจาง 5 ปถาอตราสวนลดเทากบ7%

วธทำเนองจาก FV1 = 1000000 บาท, r = 0.05 และ i = 0.07 ดงนน

PV =1000000

0.07− 0.05

[1−

(1.05

1.07

)5]

= 4501444 บาท

เงนชดเปนสงทหลกเลยงไมไดในการดำเนนโครงการธรกจ มลคาปจจบนของเงนชดจะใชในการประเมนความคมคาเชงเศรษฐศาสตรของโครงการ นอกจากนมลคาปจจบนของเงนชดยงใชเปรยบเทยบโครงการตางๆ และใชในกระบวนการดดแปลงแกไขโครงการใหมความเหมาะสมทสด (optimizationprocess) อยางไรกตามมลคาปจจบนของเงนชดมกเปนตวเลขจำนวนมหาศาลและไมไดบอกวากระแสการเงนในแตละปทดำเนนโครงการเปนเทาไร มลคาเฉลยตอป (levelized value) หมายถงจำนวนเงนท เกดขนเทา ๆ กนในแตละปซงมมลคาปจจบนรวมเทากบมลคาปจจบนของเงนชด มลคาเฉลยตอปสามารถใชประเมนโครงการไดเหมอนกบมลคาปจจบนของเงนชด บอยครงทการประเมนโครงการดวยมลคาเฉลยตอปจะมความสะดวกกวาเพราะทำใหทราบวาแตละปของโครงการจะมรายรบหรอรายจายเทาไร

มลคาเฉลยตอปอาจเรยกวามลคารายป (annual value) สามารถคำนวณไดถามขอมลทครบถวนของเงนชดซงไดแก มลคาเงนในอนาคตแตละกอนและอตราสวนลดซงสมมตวามคาคงท ถากำหนดใหจำนวนปของเงนชดคอ n การหามลคาเฉลยตอปเรมจากการหาแฟกเตอรมลคาปจจบนของเงนในอนาคตแตละกอน (fPV 1, fPV 2, ..., fPV n) จากสมการ (2.2) จากนนคำนวณมลคาปจจบนของเงนในอนาคตแตละกอน (PV1, PV2, ..., PVn) จากสมการ (2.1) สตรของมลคาเฉลยตอปหรอ AV คอ

AV =PV1 + PV2 + · · ·+ PVn

fPV 1 + fPV 2 + · · ·+ fPV n(2.5)

ตวอยาง ราคาเชอเพลงทใชในโรงไฟฟาแหงหนงเทากบ 50 บาท/GJ ในปแรก ราคาในปท 2-5เพมปละ 5% จากราคาในปกอนหนา จงหามลคาเฉลยตอปของเชอเพลงในชวงเวลา 5 ปถาอตราสวนลดเทากบ 4.5%

วธทำตารางขางลางแสดงการคำนวณแฟกเตอรมลคาปจจบนและมลคาปจจบนจากสมการ (2.1)


ปท FV fPV i PVi

1 50.00 0.9569 47.852 52.50 0.9157 48.073 55.13 0.8763 48.314 57.88 0.8386 48.545 60.78 0.8025 48.78

แทนคา PVi และ fPV i (i = 1, 2, 3, 4, 5) ในสมการ (2.5)

AV =47.85 + 48.07 + 48.31 + 48.54 + 48.78

0.9569 + 0.9157 + 0.8763 + 0.8386 + 0.8025

= 55.02 บาท/GJ

การประเมนความคมคาเชงเศรษฐศาสตรของโครงการมหลายวธ วธหนงทนยมใชคอ การหาอตราสวนลดททำใหผลตางระหวางมลคาปจจบนของรายรบและรายจายมคาเปนศนย ผลตางนเรยกวามลคาปจจบนสทธ (net present value) อตราสวนลดทคำนวณไดเรยกวาอตราผลตอบแทนภายใน (internalrate of return) เปนอตราสวนลดททำใหโครงการถงจดคมทน ถาอตราสวนลดจรงแตกตางจากอตราผลตอบแทนภายในโดยทำใหมลคาปจจบนสทธมคาเปนบวกโครงการนนถอวาคมคาแกการลงทน

ตวอยาง โรงไฟฟาแหงหนงใชเงนลงทนสรางโรงไฟฟา 1500 ลานบาท หลงจากเดนเครองแลวไดกำไรปละ 150 ลานบาท จงหาอตราผลตอบแทนภายในถาโรงไฟฟามอายการใชงาน 20 ป จงประเมนความคมคาของโรงไฟฟานถาอตราสวนลดเทากบ 8%

วธทำเนองจากรายจายเกดขนในปจจบนคอ 1500 ลานบาท มลคาปจจบนของรายจาย (PVout) จง

เทากบ 1500 ลานบาท รายรบเปนเงนชดทเกดขนทกปรวม 20 ป มลคาปจจบนของรายรบ (PVin) หาไดจากสมการ (2.3) โดย r = 0

PVin =150

i− 0

[1−

(1 + 0

1 + i

)20]

แกสมการหา i ไดเพราะ PVin = PVout = 1500

1

i

[1−

(1

1 + i

)20]= 10

=⇒ i = 0.078

ถา i = 0.08 มลคาปจจบนของรายรบจะมคานอยกวา 1500 ลานบาทซงทำใหมลคาปจจบนสทธตดลบและโรงไฟฟาไมคมคา

2.2. เสนโคงภาระ 13

2.2 เสนโคงภาระโรงไฟฟาแตละโรงตองใชเงนลงทนจำนวนมากในการสรางและเดนเครอง การสรางโรงไฟฟาเปน

กระบวนการทซบซอน ใชเงนลงทนมากและใชเวลานาน ดงนนการวางแผนลวงหนาจงเปนเรองสำคญถาความตองการใช ไฟฟาในประเทศเพมขนเกนความคาดหมาย โรงไฟฟาอาจถกสรางขนไมทนผลตไฟฟาเพอรองรบความตองการและทำใหเกดสภาวะขาดแคลนไฟฟาอนจะนำไปสความสญเสยทใหญหลวงตอระบบเศรษฐกจของประเทศได ในทางกลบกนการคาดหมายวาเศรษฐกจจะเตบโตเกนความเปนจรงจะนำไปสการสรางโรงไฟฟามากเกนไป ซงจะสงผลใหโรงไฟฟาหลายโรงไมสามารถเดนเครองเตมทและตองผลตไฟฟาทมตนทนสง

นกวางแผนจะพยายามคาดคะเนความตองการไฟฟาในอนาคตเพอวางแผนสรางโรงไฟฟาขนมารองรบความตองการไดทนทวงท ขอมลทใชในการคาดคะเนไดมาจากหลายแหลงขอมล แตขอมลทมอทธพลมากทสดคอ ขอมลความตองการใชไฟฟาในอดตและปจจบน เพราะขอมลนจะใชวเคราะหแนวโนมความตองการใชไฟฟาในอนาคตไดเปนอยางดเมอใชประกอบกบขอมลอนๆ ขอมลความตองการใชไฟฟามกจะถกนำเสนอในรปของ เสนโคงภาระ (load curve) สมมตวาพลงไฟฟาทเมองหนงตองการใชมคาคงทในแตละเดอนแตจะมคาเปลยนไปทกเดอน รปท 2.1 แสดงกราฟแทงซงความสงของแตละแทงแปรผนตามพลงไฟฟา ในความเปนจรงพลงไฟฟาทเมองนตองการใชจะมคาเปลยนไปตลอดเวลา กราฟระหวางความตองการไฟฟากบเวลาจงเปนเสนโคงในรปท 2.1 เนองจากพลงไฟฟาอาจไดจากโรงไฟฟาแหงใดแหงหนง พลงไฟฟานจงเปนภาระ (load) ของโรงไฟฟา เสนโคงในรปท 2.1 จงเรยกวา เสนโคงภาระ(load curve) โดยทวไปเสนโคงภาระเปนกราฟระหวางพลงไฟฟากบเวลาโดยชวงเวลาอาจเปน 1 ชวโมง1 วนหรอ 1 เดอนกไดแลวแตวตถประสงคของการเขยนเสนโคงภาระ

รปท 2.1: ตวอยางเสนโคงภาระในชวงเวลา 12 เดอน

สงทนาสงเกตเกยวกบเสนโคงภาระคอ ความไมคงทของความตองการไฟฟา ซงสงนเปนธรรมชาตของความตองการไฟฟา กลาวคอ ความตองการไฟฟาในชวงกลางวนยอมมากกวาชวงกลางคนเพราะการดำเนนกจกรรมตาง ๆ ทใชไฟฟาเกดขนในชวงกลางวนมากกวากลางคน และความตองการไฟฟาใน


ชวงหนารอนอาจมากกวาชวงหนาหนาวเพราะมการใชเครองปรบอากาศในหนารอนมากกวาหนาหนาวแฟกเตอรสองคาทใชวดความไมคงทของความตองการไฟฟาคอ ภาระสงสด (peak load) และแฟกเตอรภาระ (load factor)

ไฟฟาเปนพลงงานรปหนง ระบบพลงไฟฟาจงตองอยในสภาวะสมดลตามรปท 2.2 กลาวคอ พลงไฟฟาทผลตได ณ เวลาหนงลบดวยพลงงานไฟฟาทสญเสยไปจะตองเทากบพลงไฟฟาทถกใช ณ เวลานนบวกพลงไฟฟาทถกเกบสะสม ณ เวลาเดยวกน โดยทวไประบบสะสมพลงไฟฟาไมเปนทนยมเนองจากไมมความคมคาเชงเศรษฐศาสตร ดงนน พลงไฟฟาทผลตไดจะตองมากกวาพลงไฟฟาทตองการใชเสมอเมอใดกตามทความตองการใช ไฟฟามากกวาความสามารถในการผลตไฟฟา ระบบพลงไฟฟาจะเกดปญหาไฟฟาดบ (blackout) ซงอาจสงผลเสยตอเศรษฐกจของประเทศอยางรนแรง ดงนนในทางทฤษฎพลงไฟฟารวมของระบบจะตองมากกวาภาระสงสดซงกคอ คาสงสดของเสนโคงภาระ นอกจากนโรงไฟฟาอาจตองปดซอมเปนระยะๆ ดงนนในทางปฏบตพลงไฟฟารวมของระบบควรมากกวาภาระสงสด15-20% เพอความมนใจวาระบบพลงไฟฟาจะสามารถรองรบภาระสงสดไดตลอดเวลา อยางไรกตามพลงไฟฟารวมของระบบทมากเกนความจำเปนจะทำใหตนทนการผลตไฟฟาสงเกนไป

รปท 2.2: สมดลระบบพลงไฟฟา

ภาระสงสดในรปท 2.1 มคาประมาณ 93 MW และเกดขนในเดอนท 7 สำหรบประเทศไทย ภาระสงสดจะเกดขนในชวงทอากาศรอนทสดซงตามปกตจะอยระหวางมนาคมถงพฤษภาคม ตารางท 2.1เปรยบเทยบภาระสงสดของประเทศไทยกบกำลงการผลตไฟฟารวมของประเทศซงเปนผลรวมของกำลงการผลตไฟฟาของโรงไฟฟาทกโรงในประเทศระหวางป พ.ศ. 2548-2557 จะเหนวาภาระสงสดเพมขนอยางตอเนองทกปยกเวนบางปทเกดวกฤตเศรษฐกจ ดงนนจงมความจำเปนตองขยายกำลงการผลตไฟฟาของประเทศไทยดวยการสรางโรงไฟฟาเพมทกปซงทำใหการคาดการณภาระสงสดมความสำคญตอการวางแผนสรางโรงไฟฟาเพอใหมกำลงการผลตไฟฟาทพอเหมาะ

พนทภายใตเสนโคงภาระคอ พลงงานไฟฟาทถกใชไปในชวงเวลาทพจารณา ถาแกนตงมหนวยเปนkW แกนนอนมหนวยเปนชวโมงพนทภายใตเสนโคงภาระจะมหนวยเปน kW.h หรอ 1 หนวยไฟฟาภาระเฉลย (average load) คำนวณจากพนท ใต เสนโคงภาระหารดวยชวงเวลา อตราสวนของภาระเฉลย (Pave) ตอภาระสงสด (Pmax) คอ แฟกเตอรภาระ (LF)

LF =Pave

Pmax(2.6)

2.2. เสนโคงภาระ 15

ตารางท 2.1: ภาระสงสดและกำลงการผลตไฟฟารวมของประเทศไทยระหวางป พ.ศ. 2548-2557

ป พ.ศ. ภาระสงสด (MW) กำลงการผลตไฟฟารวม (MW)2548 20538 264502549 21064 271062550 22586 285302551 22568 298922552 22045 292122553 24010 309202554 23900 314472555 26121 326002556 26598 336812557 26942 34668

ถาแฟกเตอรภาระมคานอย ชวงเวลาทความตองการไฟฟาสงสดจะเปนชวงสน ๆ ในขณะทความตองการไฟฟาในชวงเวลาอนจะนอยกวาความตองการไฟฟาสงสดมาก ดงนนโรงไฟฟาทสรางขนมาเพอตอบสนองความตองการไฟฟาสงสดจะเดนเครองไม เตมท ในชวงเวลาสวนใหญ ในทางกลบกน แฟกเตอรภาระทมากหมายความวา โรงไฟฟาเดนเครองเกอบเตมทตลอดเวลา

ในกรณทความตองการไฟฟาทมเสนโคงภาระตามรปท 2.1 ไดรบพลงงานไฟฟาจากโรงไฟฟาเพยงหนงโรง เสนโคงภาระของโรงไฟฟานนกจะเปนเสนโคงเดยวกนกบในรปท 2.1 แตถามโรงไฟฟามากกวาหนงโรงจายไฟฟาใหอาณาเขตดงกลาว เสนโคงภาระของโรงไฟฟาแตละโรงจะมลกษณะแตกตางจากรปท 2.1 โดยขนกบการเลอกใชงานโรงไฟฟาแตละโรง โรงไฟฟาแตละโรงไดรบการออกแบบใหมกำลงการผลตไฟฟาสงสด (rated capacity) คาหนง อตราสวนระหวางพลงไฟฟาเฉลยทโรงไฟฟาผลตในชวงเวลาหนงกบกำลงการผลตไฟฟาสงสดเรยกวาแฟกเตอรความสามารถ (capacity factor)

CF =Pave

Prated(2.7)

เปนทนาสงเกตวา Pave ในสมการ (2.7) หมายถงพลงไฟฟาเฉลยของโรงไฟฟาซงอาจไมเทากบพลงไฟฟาเฉลยของความตองการไฟฟาในระบบนอกจากน Prated กไมจำเปนตองเทากบ Pmax ในสมการ (2.6)ดงนนแฟกเตอรภาระของทงระบบอาจไมเทากบแฟกเตอรความสามารถของโรงไฟฟาทจายไฟใหระบบในกรณทมโรงไฟฟาหลายแหงจายไฟใหระบบ อยางไรกตามในกรณทมโรงไฟฟาเพยงแหงเดยวจายไฟใหระบบ เสนโคงภาระของระบบและโรงไฟฟาจะเปนเสนโคงเดยวกน ดงนน Pave ในสมการ (2.6) และ(2.7) จงมคาเทากนซงทำให

CF =LF.Pmax

Prated(2.8)

ตวอยาง เมองหนงตองการไฟฟาภายในชวงเวลาหนงวนตามตารางขางลางน


เวลา (h) 0-6 6-10 10-12 12-16 16-20 20-22 22-24ภาระ (MW) 30 70 90 60 100 80 60

ก. จงวาดเสนโคงภาระของในชวงเวลาดงกลาวและหาแฟกเตอรภาระของระบบข. ถามโรงไฟฟาเพยงแหงเดยวจายไฟฟาใหระบบโดยทกำลงการผลตไฟฟาสงสดของโรงไฟฟา

เทากบ 100 MW จงหาแฟกเตอรความสามารถของโรงไฟฟาแหงนค. ถามโรงไฟฟาสองแหงทจายไฟใหระบบโดยโรงไฟฟาแหงแรกมกำลงการผลตไฟฟาสงสดของโรง

ไฟฟาเทากบ 70 MW และจายไฟใหระบบไมเกน 70 MW ตลอด 24 ชวโมงในขณะทโรงไฟฟาแหงทสองมกำลงการผลตไฟฟาสงสดเทากบ 30 MW และจายไฟใหระบบเมอความตองการไฟฟาเกน 70 MWจงหาแฟกเตอรความสามารถของโรงไฟฟาทงสองแหง

วธทำรปท 2.3 แสดงเสนโคงภาระของระบบ แฟกเตอรภาระของระบบคำนวณไดดงน

Pave =30× 6 + 70× 4 + 90× 2 + 60× 4 + 100× 4 + 80× 2 + 60× 2

24

= 65 MWLF =

65

100= 0.65

รปท 2.3: เสนโคงภาระในปญหาตวอยาง

ในกรณทมโรงไฟฟาแหงเดยวจายไฟใหระบบ CF = LF เนองจาก Pave ของโรงไฟฟาและของระบบมคาเทากนและ Prated = Pmax = 100 MW

ในกรณทมโรงไฟฟาสองแหงจายไฟใหระบบ เสนโคงภาระของระบบแบงเปนสองสวน สวนแรกอยใตเสนประในรปท 2.3 จายไฟโดยโรงไฟฟาแหงแรก สวนทสองอยเหนอเสนประจายไฟโดยโรงไฟฟาแหง

2.3. ตนทนการผลตไฟฟา 17

ทสอง แฟกเตอรความสามารถของโรงไฟฟาแหงแรกคำนวณไดดงน

Pave,1 =30× 6 + 70× 6 + 60× 4 + 70× 6 + 60× 2

24

= 57.5 MWCF1 =

57.5

70= 0.82

โรงไฟฟาแหงทสองเดนเครองเมอความตองการไฟฟาสงกวา 70 MW และนบเวลาเดนเครองเปน 24 hเชนกนแมวาบางชวงเวลาจะไมไดผลตไฟฟากตาม ดงนน

Pave,2 =20× 2 + 30× 4 + 10× 2

24

= 7.5 MWCF2 =

7.5

30= 0.25

2.3 ตนทนการผลตไฟฟาไฟฟากเหมอนกบสนคาทวไปทตองมตนทนการผลต ตนทนของคาไฟฟามาจากคาใชจายในการ

ผลตไฟฟาของโรงไฟฟา ตนทนท แปรผนตามพลงงานไฟฟาท โรงไฟฟาผลตได เรยกวาตนทนผนแปร(variable cost) สวนตนทนท ไม ขนอย กบพลงงานไฟฟาท ผลต ได เรยกวาตนทนคงท (fixed cost)ตนทนคงทตอหนวยไฟฟาทผลตโดยโรงไฟฟาจะมคาลดลงเมอโรงไฟฟาผลตไฟฟามากขน ในทางตรงขามตนทนผนแปรตอหนวยไฟฟาจะมคาคงท เนองจากพลงงานไฟฟาทผลตโดยโรงไฟฟาแปรผนตามแฟกเตอรความสามารถ ดงนนกราฟระหวางตนทนคงทตอหนวยไฟฟาและตนทนผนแปรตอหนวยไฟฟากบแฟกเตอรความสามารถจงมลกษณะตามรปท 2.4 โปรดสงเกตวาตนทนรวมตอหนวยไฟฟาซงเปนผลรวมของตนทนไมผนแปรตอหนวยไฟฟาและตนทนผนแปรตอหนวยไฟฟามคาลดลงเมอแฟกเตอรภาระเพมขน

กราฟระหวางตนทนตอหนวยไฟฟากบแฟกเตอรความสามารถของโรงไฟฟาแตละประเภทแตกตางกนเนองจากโครงสรางของตนทนการผลตไฟฟาทแตกตางกน โครงสรางของตนทนการผลตไฟฟาแบงเปน คาเชอเพลง (fuel cost) คาดำเนนการและบำรงรกษา (operation and maintenance cost)และคากอสราง (construction cost)

2.3.1 คาเชอเพลงคาเชอเพลงจดเปนคาใชจายผนแปร คาเชอเพลงเปนคาใชจายหลกของโรงไฟฟาดเซล โรงไฟฟาพลง

ความรอนและโรงไฟฟากงหนกาซเนองจากเชอเพลงฟอสซลของโรงไฟฟามราคาแพง โรงไฟฟานวเคลยรมคาเชอเพลงทถกกวา โรงไฟฟาพลงนำไมมคาเชอเพลงเลยเพราะนำจากเขอนเปนของฟร


รปท 2.4: ความสมพนธระหวางตนทนตอหนวยไฟฟากบแฟกเตอรความสามารถของโรงไฟฟา

คาเชอเพลงตอหนวยไฟฟา (cf ) คำนวณจากคาเชอเพลงทใชผลตไฟฟา (Cf ) หารดวยพลงงานไฟฟาทผลตได (E) ถาหนวยของ E คอ kJ แตหนวยของ cf คอ บาทตอหนวยไฟฟา (kW.h) สตรของ cf คอ

cf =3600Cf

E(2.9)

สมมตวาโรงไฟฟามประสทธภาพ η ปรมาณไฟฟาทผลตไดในหนงปคอ

E = η.Q (2.10)

โดยท Q คอปรมาณความรอนรวมทใชในการผลตไฟฟาซงมคาเทากบผลคณของคาความรอนของเชอเพลง (HHV) ซงมหนวยเปน kJ/kg และปรมาณเชอเพลงทใช (mf ) ซงมหนวยเปน บาท/kg

Q = mf .HHV (2.11)

ตามปกตราคาเชอเพลง (Ff ) มหนวยเปนบาทตอกโลกรม ดงนน

Cf = mf .Ff (2.12)

แทนคา E และ Cf ในสมการ (2.9)

cf =3600Ff

η.HHV(2.13)

ตวอยาง วศวกรออกแบบโรงไฟฟาแหงหนงพจารณาจดซอถานหนจาก 4 ประเทศคอ จน ออสเตร-เลย อนโดนเซยและไทยซงมราคา 1000, 1500, 1300 และ 1100 บาทตอตนตามลำดบ ถานหนจากทง4 ประเทศมคาความรอนเทากบ 20, 22, 18 และ 15 MJ/kg ตามลำดบ อยากทราบวาการผลตไฟฟาโดยใชถานหนจากประเทศใดมคาเชอเพลงถกทสด


วธทำสมมตวาประสทธภาพของโรงไฟฟาไมขนกบชนดของถานหน สมการ (2.12) แสดงใหเหนวา cf

แปรผนตาม Ff/HHV ตารางขางลางเปรยบเทยบ Ff/HHV ของถานหนจาก 4 ประเทศ

ประเทศ Ff (บาท/kg) HHV (MJ/kg) Ff/HHV (บาท/MJ)จน 1.0 20 0.050

ออสเตรเลย 1.5 22 0.068อนโดนเซย 1.3 18 0.072

ไทย 1.1 15 0.073

เพราะฉะนนการผลตไฟฟาโดยใชถานหนจากประเทศจนมคาเชอเพลงถกทสด

ตวอยาง โรงไฟฟาขนาด 800 MW แหงหนงมประสทธภาพ 38% และแฟกเตอรความสามารถ82% โรงไฟฟาแหงนใชถานหนทมคาความรอน 20000 kJ/kg ถาตองการใหคาเชอเพลงไมเกน 0.5 บาทตอหนวย อยากทราบวาถานหนตองมราคาไมเกนเทาไร

วธทำFf คำนวณจากสมการ (2.13)

Ff =cf .η.HHV

3600

=0.5× 0.38× 20000

3600

= 1.06 บาท/kg

เปนทนาสงเกตวาคาเชอเพลงไมขนกบขนาดของโรงไฟฟาและแฟกเตอรความสามารถ

2.3.2 คาดำเนนการและบำรงรกษาคาดำเนนการและบำรงรกษาประกอบดวยคาแรงงานในการเดนเครองและบำรงรกษาโรงไฟฟา

คาแรงงานสวนใหญเปนคาจางบคลากรของโรงไฟฟาซงไดแก ชางเทคนค วศวกร เจาหนาทสำนกงาน ผบรหาร เปนตน นอกจากนคาดำเนนการและบำรงรกษายงรวมถงคาอะไหล คาวสดซอมบำรง คานำ คาวสดในสำนกงานและคาใชจายอน ๆ คาดำเนนการและบำรงรกษามบางสวนเปนคาใชจายคงทและบางสวนเปนคาใชจายผนแปร โรงไฟฟาพลงความรอนมกคาดำเนนการและบำรงรกษาสงเมอเทยบกบโรงไฟฟาพลงนำและโรงไฟฟาดเซล

คาดำเนนการและบำรงรกษาตอหนวยไฟฟามคาเทากบ

com =Com

E(2.14)


โดยท Com คอ คาดำเนนการและบำรงรกษาของโรงไฟฟาตลอดชวงเวลาหนงปและ E ทจำนวนหนวยไฟฟาทโรงไฟฟาผลตไดในหนงป สมมตวาโรงไฟฟาเดนเครอง 8760 ชวโมงตอป ปรมาณไฟฟาทผลตไดในหนงปคอ

E = 8760Pave (2.15)

โดยท Pave คำนวณจากสมการ (2.7) ถาทราบแฟกเตอรความสามารถและกำลงการผลตไฟฟาสงสดของโรงไฟฟา ดงนนสมการ (2.14) กลายเปน

com =Com

8760.CF.Prated(2.16)

ตวอยาง โรงไฟฟาขนาด 600 MW มคาดำเนนการและบำรงรกษารวม 500 ลานบาทตอป ถาแฟกเตอรความสามารถของโรงไฟฟาเทากบ 35% จงหาคาดำเนนการและบำรงรกษาตอหนวยไฟฟา

วธทำ

com =500× 106

8760× 0.35× 600× 103

= 0.27 บาท/kW.h

2.3.3 คากอสรางคากอสรางหมายถง คาใชจายในการออกแบบและวางแผน คาทดน คาปรบปรงทดนเพอกอสราง

คาสงปลกสราง คาเครองจกร คาทดสอบเดนเครองโรงไฟฟาหลงสรางเสรจใหมๆ และคาควบคมงานกอสราง ในการวเคราะหเชงเศรษฐศาสตร คากอสรางประกอบดวย คาเสอมราคา (depreciation) คาตอกเบยในการกยมเงนเพอกอสรางโรงไฟฟา คาภาษ และคาประกนภย คาเสอมราคาหมายถงคาใชจายทสญเสยไปในแตละปกบการเสอมสภาพของโรงไฟฟา เมอครบอายการใชงานของโรงไฟฟาซงอาจกนเวลา 30-40 ป โรงไฟฟาจะมราคานอยกวาเมอเรมเดนเครองใหม ราคาทเหลออยของโรงไฟฟาเรยกวา มลคาซาก (salvage value) ซงมกระบเปนเปอรเซนตของมลคาเรมตนของโรงไฟฟา ผลตางระหวางมลคาเรมตน (A) และมลคาซาก (G) เปนคาเสอมราคารวมของโรงไฟฟา คาเสอมราคา (D) หมายถงเงนทตองเกบออมไวในแตละปเพอชดเชยมลคาทสญเสยไปของโรงไฟฟา ถาโรงไฟฟามอายการใชงาน N ปการคำนวณคาเสอมราคามสองวธคอ

• วธเสนตรง (staight-line method) กำหนดใหคำนวณคาเสอมราคาดงน

D =A−G

N(2.17)

คาเสอมราคาในวธ เสนตรงเปนเงนทนท เกบออมทกปแตไมมการนำเงนทนน ไปลงทนเพอหาดอกผล


• วธกองทนจม (sinking-fund method) กำหนดใหคำนวณคาเสอมราคาดงน

D =(A−G)i

(1 + i)N − 1(2.18)

โดยท i คออตราสวนลดหรออตราดอกเบย คาเสอมราคาในวธกองทนจมเปนเงนทนทเกบออมทกปและมการนำเงนทนนไปลงทนเพอหาดอกผล

ในแตละปคา เสอมราคา คาตอกเบย คาภาษ และคาประกนภยมกระบ เปน เปอรเซนต ของคากอสรางโรงไฟฟาเรยกวา อตราคาใชจายคงท (fixed-charge rate) ซงอาจจะเทากนหรอแตกตางกนในแตละปกได ถาคากอสรางโรงไฟฟาคอ Cc และอตราคาใชจายคงทคอ I คากอสรางตอหนวยไฟฟามคาดงน

cc =ICc

8760.CF.Prated(2.19)

โรงไฟฟาแตละประเภทจะมคากอสรางไมเทากน กลาวคอ โรงไฟฟานวเคลยรและโรงไฟฟาพลงนำมกมคากอสรางสง โรงไฟฟาพลงความรอนมคากอสรางนอยกวา ในขณะทโรงไฟฟากงหนกาซและโรงไฟฟาดเซลมคากอสรางตำ คากอสรางอาจคำนวณไดดงน

Cc = FcPrated (2.20)

โดยท Fc คอคากอสรางตอกำลงการผลตไฟฟา โดยทวไป Fc จะลดลงตามกำลงการผลตไฟฟาทเพมขนดงนนในแงของการลงทน โรงไฟฟาขนาดใหญคมคากวาโรงไฟฟาขนาดเลกถาสามารถใชงานโรงไฟฟาไดเตมท

ตวอยาง โรงไฟฟาแหงหนง ใช เงนลงทนกอสราง 65 ลานบาท โดยมอายการใชงาน 15 ป จงคำนวณหาจำนวนเงนทจะตองออมไวในแตละปเพอเปลยนอปกรณของโรงไฟฟาเมอสนสดอายการใชงาน กำหนดใหอตราดอกเบยเทากบ 5% และมลคาซากเทากบ 5 ลานบาท ใชวธเสนตรงในการคำนวณคาเสอมราคา

วธทำเนองจาก A = 65 ลานบาท G = 5 ลานบาทและ N = 15 ป ดงนน

D =65− 5

15

= 4 ลานบาทตอป

ตวอยาง จงคำนวณคากอสรางตอหนวยไฟฟาของโรงไฟฟาขนาด 150 MW ทมคาลงทนกอสราง20000 บาท/kW โดยกำหนดใหอตราดอกเบยและคาเสอมราคาเปน 10% ของเงนลงทน โรงไฟฟาแหงนเปนโรงไฟฟาแหงเดยวทจายไฟใหระบบทมภาระสงสด 120 MW และแฟกเตอรภาระ 50%


วธทำคากอสรางรวมเทากบ 20000× 150× 103 = 3000 ลานบาท I = 0.1 สมการ (2.8) สามารถใชหา

คาแฟกเตอรความสามารถของโรงไฟฟา

CF =0.5× 120

150

= 0.4

ดงนน

cc =0.1× 3000× 106

8760× 0.4× 150× 103

= 0.57 บาท/kW.h

2.3.4 การเปรยบเทยบตนทนการผลตไฟฟาโรงไฟฟาแตละประเภทมโครงสรางตนทนการผลตไฟฟาทแตกตางกน เสนกราฟแตละเสนในรป

ท 2.5 แทนตนทนการผลตไฟฟาตอหนวยของโรงไฟฟาสามประเภท โรงไฟฟาประเภทท 1 มตนทนไมผนแปรสงแตตนทนผนแปรตำ ตวอยางของโรงไฟฟาประเภทท 1 คอ โรงไฟฟานวเคลยร โรงไฟฟาพลงความรอน และโรงไฟฟาพลงนำ โรงไฟฟาประเภทท 2 มตนทนไมผนแปรและตนทนผนแปรตำปานกลางตวอยางของโรงไฟฟาประเภทท 2 คอ โรงไฟฟาพลงความรอนทใชงานมานานและไดรบการบำรงรกษาอยางดแตกยงมประสทธภาพตำกวาโรงไฟฟาใหม โรงไฟฟาประเภทท 3 มตนทนไมผนแปรตำแตตนทนผนแปรสง ตวอยางของโรงไฟฟาประเภทท 3 คอ โรงไฟฟากงหนกาซและโรงไฟฟาดเซล จะเหนวาโรงไฟฟาประเภทท 1 เหมาะกบการเดนเครองเตมทหรอตลอดเวลา (แฟกเตอรความสามารถสง) โรงไฟฟาประเภทท 2 เหมาะกบการเดนเครองไมเตมทหรอเดนเครองในชวงเวลาทไมนานนก (แฟกเตอรความสามารถปานกลาง) และโรงไฟฟาประเภทท 3 เหมาะกบการเดนเครองเลกนอยหรอในชวงเวลาสนๆ(แฟกเตอรความสามารถตำ)

ถานำรปท 2.1 มาวาดใหมโดยเปลยนแกนนอนเปน % ของชวงเวลาและเรยงลำดบคาความตองการใชไฟฟาจากมากไปหานอยจะได เสนโคงการกระจายภาระ (load distribution curve) ดงแสดงในรปท 2.6 เสนโคงนแสดงใหเหนวาภาระความตองการไฟฟาอาจแบงเปนสามสวน สวนแรกคอ ภาระหลก (base load) ซงมคาแฟกเตอรภาระสง สวนทสองคอ ภาระเสรม (intermediate load) ซงมคาแฟกเตอรภาระปานกลาง สวนทสามคอ ภาระสงสด (peak load) ซงมคาแฟกเตอรภาระตำ

ในกรณทมความตองการใชไฟฟาจากตามรปท 2.6 การเลอกใชโรงไฟฟาสามประเภทผลตไฟฟารวมกนจะสงผลใหตนทนรวมตอหนวยมคาตำสด กลาวคอ โรงไฟฟาประเภทท 1 เหมาะกบการผลตไฟฟาสำหรบภาระสวนฐานเนองจากรปท 2.5 แสดงใหเหนวาตนทนการผลตไฟฟาของโรงไฟฟาประเภทท 1มคาตำสดเมอแฟกเตอรภาระมคาสง ในทำนองเดยวกนโรงไฟฟาประเภทท 2 เหมาะกบการผลตไฟฟาสำหรบภาระสวนกลางและโรงไฟฟาประเภทท 3 เหมาะกบการผลตไฟฟาสำหรบภาระสวนยอด โรงไฟฟาประเภทท 1, 2 และ 3 จงเรยกวาโรงไฟฟาภาระหลก โรงไฟฟาภาระเสรมและโรงไฟฟาภาระสงสดตามลำดบ ซงทงหนวยผลตไฟฟาทงสามหนวยควรมลกษณะดงน


รปท 2.5: เปรยบเทยบตนทนการผลตไฟฟาของโรงไฟฟาสามประเภท

รปท 2.6: เสนโคงการกระจายภาระ

• โรงไฟฟาภาระหลกควรใชเชอเพลงราคาถก มคาใชจายตำ และมประสทธภาพสง อยางไรกตามคากอสรางอาจแพงและใชเวลากอสรางนาน โรงไฟฟาแบบนมกเปนใชพลงความรอนทไดจากจากถานหน หรอเชอเพลงนวเคลยร

• โรงไฟฟาภาระเสรมควรมขนาดเลกกวาโรงไฟฟาหลก อาจเปนโรงไฟฟาเกาทเคยเปนโรงไฟฟาหลก ประสทธภาพของโรงไฟฟาภาระเสรมจะตำกวาของโรงไฟฟาภาระหลก นอกจากนคาใชจายจะสงกวาเนองจากความตองการการบำรงรกษาทมากกวา

• โรงไฟฟาภาระสงสดควรมคากอสรางตำ สรางเสรจเรว แตมกมคาเชอเพลงและคาใชจายสงประสทธภาพของโรงไฟฟาภาระสงสดมกจะตำ แตมนสามารถตอบสนองความตองการไฟฟาไดเรว หนวยผลตไฟฟาแบบนมกทำงานดวยกงหนกาซโดยใชกาซธรรมชาต และเครองยนตดเซลโดยใชนำมนดเซล เปนทนาสงเกตวาเขอนมหนาทอนนอกเหนอจากผลตไฟฟา จงอาจไมเหมาะสมทจะใชโรงไฟฟาพลงนำเปนอาจใชเปนโรงไฟฟาภาระหลก แตอาจเหมาะสมทจะเปนใชโรงไฟฟาภาระสงสดมากกวาซงประเทศไทยกนยมใชโรงไฟฟาพลงนำเปนโรงไฟฟาภาระสงสด


2.3.5 อตราคาไฟฟาธรกจไฟฟาในประเทศไทยมลกษณะพเศษทเปนธรกจผกขาด แมวาการผลตไฟฟาโดยภาคเอกชนม

สดสวนเพมขนในปจจบนเมอเทยบกบอดต แตการจำหนายไฟฟายงคงเปนธรกจทจำกดใหรฐวสาหกจสองแหงคอ การไฟฟานครหลวงและการไฟฟาสวนภมภาค การตงอตราคาไฟฟาโดยรฐวสาหกจทงสองแหงนมการควบคมโดยรฐบาลเพอใหบรรลวตถประสงคตอไปน

• เพอใหอตราคาไฟฟาสะทอนถงตนทนทางเศรษฐศาสตรมากทสด และเพอสงเสรมใหมการใชไฟฟาอยางมประสทธภาพ โดยเฉพาะสงเสรมใหมการใชไฟฟานอยลง ในชวงทมการใชไฟฟาสงสดของระบบไฟฟาซงจะชวยลดการลงทนในการผลตและการจดจำหนายไฟฟาไดในระยะยาว

• เพอใหการไฟฟาฝายผลต การไฟฟานครหลวงและการไฟฟาสวนภมภาคมฐานะการเงนทมนคงและสามารถขยายการดำเนนงานในอนาคต ไดอยางเพยงพอ

• เพอใหความเปนธรรมแกผใชไฟประเภทตาง ๆ มากขน โดยการลดการอดหนนคาไฟฟาจากผใชไฟกลมหนง โดยผใชไฟฟาอกกลม

• เพอใหการปรบอตราคาไฟฟามความคลองตว และเปนไปโดยอตโนมตสอดคลองกบราคาเชอเพลงทเปลยนแปลงไปตามสภาวะตลาดทมการแขงขนมากขน

วตถประสงคทงสประการทำใหโครงสรางอตราคาไฟฟาทใชในประเทศไทยคอนขางซบซอน ผอานทสนใจสามารถดรายละเอยดไดทเวบไซตของการไฟฟานครหลวง (http://www.mea.or.th) และการไฟฟาสวนภมภาค (http://www.pea.or.th) แตจะไมกลาวในทน อยางไรกตามเปนทนาสนใจวาโครงสรางอตราคาไฟฟามลกษณะดงตอไปน

• ผใชไฟฟาถกแบงเปนเจดประเภทคอ (1) บานอยอาศย (2) กจการขนาดเลก (3) กจการขนาดกลาง (4) กจการขนาดใหญ (5) กจการเฉพาะอยาง (หมายถงโรงแรมและหอพก) (6) สวนราชการและองคกรทไมแสวงหากำไร และ (7) การสบนำเพอการเกษตร อตราคาไฟฟาของผใชไฟฟาแตละประเภทอาจแตกตางกนได

• อตราคาไฟฟาเปนอตรากาวหนา กลาวคอผใชไฟฟาในปรมาณนอยจะเสยคาไฟฟาในอตราทตำกวาผใชไฟฟาในปรมาณมาก

• อตราคาไฟฟาแบงเปนสามสวนคอ คาพลงงานไฟฟา (energy charge) ซงเปนอตราคาไฟฟาตอหนวย (kW.h) และคาพลงไฟฟา (demand charge) ซงเปนอตราคาไฟฟาตอคาภาระเฉลยสงสดในชวงเวลา 15 นาท และคาบรการรายเดอน คาพลงงานไฟฟาจะขนกบคาใชจายผนแปรของโรงไฟฟา ในขณะทคาพลงไฟฟาจะขนกบคาใชจายคงท

• เพอใหเปนไปตามกฎของอปสงคและอปทาน (supply and demand) คาพลงงานไฟฟาในชวงทมการใชไฟฟามาก (peak period) ถกกำหนดใหสงคาพลงงานไฟฟาในชวงทมการใชไฟฟานอย(off-peak period) ชวงเวลาทมการใชไฟฟามากอยระหวาง 9.00-22.00 น. ของวนจนทรถงวนศกร


• เพอสงเสรมใหใชไฟฟาอยางมประสทธภาพ ไดมการกำหนดอตราคาไฟฟาตามชวงเวลาการใช(time of use หรอ TOU) เปนทางเลอกสำหรบผใชไฟฟา อตราคาไฟฟาแบบบนจะชวยใหผใชไฟฟาทเปลยนเวลาใชไฟฟาจากชวงเวลาทมการใชไฟฟามากเปนชวงเวลาทมการใชไฟฟานอยโดยไมเปลยนปรมาณพลงงานไฟฟาทใช


คำถามทายบท1. ตนทนผลตไฟฟาอาจแบงเปน 3 สวน จงระบวามอะไรบาง

2. อธบายความหมายของตนทนคงท3. โรงไฟฟาภาระหลกควรมลกษณะอยางไร4. โรงไฟฟาประเภทใดในประเทศไทยทไมมตนทนดานเชอเพลงเลย5. ทำไมโรงไฟฟาพลงความรอนจงไมเหมาะกบการใชเปนโรงไฟฟาภาระสงสด

6. ทำไมแฟกเตอรภาระตำ ๆ จงเปนสงทไมด7. ทำไมโรงไฟฟาทวไปจงมหนวยผลต ไฟฟาขนาดยอยหลายหนวยแทนท จะมหนวยผลต ไฟฟา

ขนาดใหญเพยงหนวยเดยว8. อธบายอตราคาไฟฟาตามชวงเวลาการใชหรอ TOU9. คาเชอเพลงของโรงไฟฟาแหงหนงเทากบ 50 บาท/GJ ในปแรก คาเชอเพลงเพมขน 5% ทกปใน

ปท 2 ถง 5 ถาอตราสวนลดเทากบ 5% จงหามลคาปจจบนของคาเชอเพลงในชวง 5 ป

10. โรงไฟฟาแหงหนงมคากอสราง 6000 ลานบาท หลงจากสรางเสรจโรงไฟฟาแหงนจะมกำไร 500ลานบาทตอปเรมตงแตหนงปหลงจากสรางเสรจ ถาอายการใชงานของโรงไฟฟาคอ 30 ป จงหาอตราผลตอบแทนภายใน (internal return rate)

11. โรงไฟฟาแหงหนงมกำลงการผลต 800 MW และเปนโรงไฟฟาแหงเดยวทจายไฟฟาใหระบบทมภาระสงสด (peak load) เทากบ 750 MW ถาโรงไฟฟาเดนเครองปละ 8760 ชวโมงและผลตไฟฟาได 5 พนลานหนวย จงหาแฟกเตอรความสามารถ (capacity factor) ของโรงไฟฟา

12. โรงไฟฟาแหงหนงมประสทธภาพรวม 42% ใชเชอเพลงทมคาความรอน 22000 kJ/kg โดยเชอเพลงมราคา 1500 บาทตอตน จงหาตนทนคาเชอเพลงตอหนวยไฟฟา

13. ตนทนคาดำเนนการและบำรงรกษาของโรงไฟฟาแหงหนงเทากบ 0.31 บาทตอหนวย โรงไฟฟาแหงนกำลงการผลต 700 MW เดนเครอง 8600 ชวโมงตอปและมแฟกเตอรความสามารถ 45%อยากทราบวา โรงไฟฟาแหงนตองจายคาดำเนนการและบำรงรกษาเทาไรในหนงป

14. โรงไฟฟาแหงหนงใช เงนลงทนสราง 800 ลานบาทและมอายการใชงาน 20 ป จงคำนวณหาจำนวนเงนทตองออมในแตละปเพอเปลยนอปกรณเครองจกรของโรงไฟฟาเมอสนอายการใชงาน กำหนดใหอตราดอกเบยเทากบ 4% และมลคาซาก (salvage value) เทากบ 60 ลานบาทกำหนดใหใชวธคดคาเสอมราคาแบบกองทนจม (sinking-fund method)

15. โรงไฟฟาขนาด 450 MW แหงหนงมคากอสราง 18000 บาท/kW โรงไฟฟามกำหนดเดนเครอง24 ชวโมงตอวนและ 365 วนตอป กำหนดใหอตราคาใชจายคงทเทากบ 9% จงคำนวณตนทนคากอสรางตอหนวยไฟฟาถาแฟกเตอรความสามารถของโรงไฟฟาคอ 37%

บทท 3

เชอเพลง

3.1 เชอเพลงแขงเชอเพลงแขงเปนเชอเพลงหลกของโรงไฟฟาพลงความรอน เชอเพลงแขงมขอดคอ มราคาถกเมอ

เทยบกบเชอ เพลง เหลวและเชอ เพลงกาซ แตมขอ เสยคอ ตองการระบบเผาไหมท คอนขางซบซอนและกอใหเกดมลภาวะมากกวา เชอเพลงแขงเกอบทงหมดทใชในโรงไฟฟาพลงความรอนคอ ถานหน(coal) อยางไรกตามการเผาไหมถานหนทำใหเกดมลภาวะทางอากาศและสงผลเสยตอสภาวะโลกรอนในปจจบนจงมความพยายามนำเชอเพลงชวมวล (biomass) มาเปนเชอเพลง แต เชอเพลงชวมวลทเหมาะสมมปรมาณไมมากนก การใชเชอเพลงชวมวลจงมแนวโนมจะจำกดอยในโรงไฟฟาขนาดเลกและขนาดกลาง

3.1.1 ถานหนถานหนเปนเชอเพลงฟอสซลท เกดจากการเปลยนแปลงท ใช เวลาหลายลานปของซากพชภายใต

ภาวะความดนและอณหภมสง อายของถานหนเปนตวกำหนดสมบตของถานหน ถานหนตามแหลงตางๆ ในโลกจงมสมบตตางกนขนอยกบชนดของซากพช อาย และสภาพแวดลอมของแหลงทเกดถานหนถานหนแบงออกไดเปน 4 ประเภทตามอายจากมากไปนอยคอ แอนทราไซต (Anthracite) บทมนส(Bituminous) ซบบทมนส (Sub-bituminous) และลกไนต (Lignite) ถานหนทพบในประเทศไทยคอลกไนตซงเปนถานหนเกรดตำทสด

การวเคราะหถานหนคณภาพและราคาของถานหนถกกำหนดโดยสวนประกอบของถานหน การวเคราะหถานหนคอ

การหาสวนประกอบของถานหนและสดสวนของสวนประกอบเหลานน การวเคราะหมสองวธคอ การวเคราะหโดยประมาณ (proximate analysis) และการวเคราะหขนสดทาย (ultimate analysis)

การวเคราะหโดยประมาณคอ การหาสดสวนโดยมวลของสวนประกอบ 4 อยางของถานหนไดแกความชน (moisture) สารระเหย (volatile matter) เถา (ash) และคารบอนอสระ (free carbon) รปท 3.1 แสดงขนตอนวธการวเคราะหโดยประมาณ ขนตอนแรกคอ เลอกตวอยางถานหนในปรมาณทพอ

28 บทท 3. เชอเพลง

เหมาะกบการทดสอบ ถานหนนจะถกนำไปหามวลเรมตน (mi) หลงจากนนถานหนจะถกอบแหงแลวจงหามวลทเหลอของถานหนแหง มวลทหายไปคอ มวลของความชน (mM ) ถานหนแหงจะถกนำไปอบในสภาวะทมอณหภมสงและปราศจากอากาศเพอไลสาระเหยออกไป ผลทไดคอ ถานโคก (coke) ผลตางระหวางมวลของถานหนแหงกบถานโคกคอ มวลของสารระเหย (mVM ) เมอนำถานโคกไปเผาไหมโดยสมบรณกจะเหลอเพยงเถาซงมมวล mA ขนตอนสดทายคอ คำนวณมวลของคารบอนอสระ (mFC )จากผลตางระหวางมวลของถานหนเรมตนกบผลรวมของมวลของความชน สารระเหยและเถา สดสวนโดยมวลของสวนประกอบของถานหนคอ มวลของสวนประกอบหารดวยมวลของถานหน ดงน

xFC =mFC

mi; xVM =

mVM

mi; xM =

mM

mi; xA =

mA

mi(3.1)

ความชนเปนสงทบงบอกอายของถานหนไดดเพราะความชนลดลงตามอายถานหน ดงนนแอนทราไซตมความชนตำมากในขณะทลกไนตอาจมความชนสงถง 50% นอกจากความชนถานหนยงอาจมนำทมพนธะกบสารอน (bound water) ซงไมนบเปนความชนเพราะนำดงกลาวไมระเหยโดยงายเหมอนนำอสระ (free water) แตจะเหลอในถานหนแมวาถานหนจะอยในสภาพแหงสนท การกำจดนำทมพนธะกบสารอนตองใชความรอนทมากกวาการอบแหงถานหน ความชนเปนสาเหตหนงของการสญเสยพลงงานเนองจากเมอถานหนถกเผาไหม ความรอนบางสวนจะถกใชไปในการทำใหความชนกลายเปนไอนำอยางไรกตามความชนกมขอดทชวยทำใหการเผาไหมถานหนในปรมาณมาก เกดขนอยางทวถง(uniform burning) ในบางครงถาถานหนมความชนนอยเกนไป กอาจจะตองเพมความชนดวยกระบวนการเทมเพอรง (tempering process)

รปท 3.1 แสดงใหเหนวาสารระเหยคอ สารตาง ๆ ทถกกำจดออกจากถานหนแหงทไดรบความรอนทมอณหภมสงถง 954C สารเหลานไดแกกาซนานาชนดทแทรกตวอยในชองวางภายในถานหนซงมทงกาซทตดไฟไดเชน CH4 และทตดไฟไมไดเชน CO2 นอกจากนนำทมพนธะกบสารอนกนบวา

รปท 3.1: ขนตอนวธการวเคราะหโดยประมาณ

3.1. เชอเพลงแขง 29

เปนสารระเหยเชนกนเพราะมนกจะถกกำจดออกจากถานหนเชนเดยวกบสารระเหยอน ถานหนทมสารระเหยมากคอถานหนทมความพรนสงซงทำใหมชองวางมากทกกเกบกาซ การมสารระเหยมากนบวาเปนประโยชนถาสารระเหยตดไฟไดเนองจากมนจะชวยใหถานหนตดไฟงายขน อยางไรกตามสารระเหยทตดไฟไดเปนสาเหตสำคญของการเผาไหมขนมาเอง (spontaneous combustion) ซงอาจเกดขนกบถานหนทอยระหวางการเกบเพอรอการเผาไหมในเตาเผา ถาอากาศมากพอและอณหภมสงพอสารระเหยในถานหนจะเผาไหมกบออกซเจนในอากาศได ปจจยทมผลตอการเผาไหมขนมาเองไดแกประเภทของถานหน พนผวของกองถานหนทสมผสกบอากาศ อณหภมแวดลอมและลกษณะการกองถานหน

เถาเปนสารท ไม เผาไหมและจะเหลอตกคางจากการเผาไหมถานหน สวนประกอบของเถาไดแกAl2O3, Fe2O3, CaO, P2O5 เปนตน เถาจะเปนตวลดคณภาพของถานหนเชนเดยวกบความชนและยงมผลกระทบอน ๆ เถาทมอณหภมเถาหลอมเหลว (ash fusion temperature) ตำจะหลอมเหลวระหวางการเผาไหมกลายเปนสแลก (slag) ตกลงสดานลางของเตาเผาหรอไปเกาะตดพนผวของเตาเผา สวนเถาทมอณหภมเถาหลอมเหลวสงจะลอยไปกบกาซเสยทถกระบายสบรรยากาศ และกลายเปนมลภาวะทางอากาศ

คารบอนอสระหมายถงคารบอนทไมไดรวมกบธาตอนอยในรปของสารประกอบ คารบอนอสระจงอยในสภาพทพรอมเผาไหม คารบอนอสระเปนสวนประกอบสำคญของถานหนเพราะคาความรอนสวนใหญของถานหนมาจากคารบอนอสระ ถานหนทมอายมากมสดสวนของคารบอนอสระสงและจดเปนถานหนคณภาพด ในทางตรงขามถานหนคณภาพตำมสดสวนของคารบอนอสระนอย

ตารางท 3.1 เปรยบเทยบสวนประกอบของถานหนทง 4 ประเภททไดจากการวเคราะหโดยประมาณจะเหนวาสดสวนของความชนลดลงตามอายของถานหน ในขณะทสดสวนของคารบอนเพมขนตามอายของถานหน สดสวนของสารระเหยและเถาไมไดขนกบอายของถานหนเพยงอยางเดยว

ตารางท 3.1: สวนประกอบของถานหนจากการวเคราะหโดยประมาณ

ชนดของถานหน ความชน (%) เถา (%) สารระเหย (%) คารบอน (%)แอนทราไซต 4.3 9.6 5.1 81.0บทมนส 8.5 10.8 36.4 44.3ซบบทมนส 22.2 4.3 33.2 40.3ลกไนต 36.8 5.9 27.8 29.5

การวเคราะหขนสดทายใชหาสดสวนโดยมวลของคารบอน (C) ไฮโดรเจน (H) ออกซเจน (O) ไนโตร-เจน (N) กำมะถน (S) ในถานหน ขอมลทไดจะมประโยชนมากในการวเคราะหการเผาไหมของถานหนอยางไรกตามวธนนบวาซบซอนมากกวาวธการวเคราะห โดยประมาณ ถานหนทนำมาวเคราะห เปนถานหนในสภาพแหงและไมมเถา (dry ash-free coal) ดงนนมวลของถานหนทนำมาวเคราะหจงเปนมวลของคารบอนอสระรวมกบมวลของสารระเหย

m = mFC +mVM (3.2)


ผลการวเคราะหจะใหมวลของธาตทง 5 ธาตซงใชคำนวณสดสวนโดยมวลดงน

xC =mC

m; xH =

mH

m; xO =

mO

m; xN =

mN

m; xS =

mS

m(3.3)

ดงนนผลรวมของสดสวนโดยมวลของธาตทง 5 ธาตจงเทากบ 1 นอกจากนการรายงานผลการวเคราะหขนสดทายอาจระบสดสวนโดยมวลของความชนและเถาในสมการ (3.1) ซง mi ในสมการนนคอ มวลของถานหนในสภาพเดม (as-received coal) ทมทงความชนและเถา ผลตางระหวาง mi กบ m ซงเปนมวลถานหนในสภาพแหงและไมมเถาเทากบมวลของความชนและมวลของเถา

mi −m = mM +mA (3.4)

ซงทำให

m = mi(1− xM − xA) (3.5)

สดสวนโดยมวลของ C, H, O, N, S ในสมการ (3.3) ใชฐานทตางจากสดสวนโดยมวลของความชนและเถาในสมการ (3.1) อยางไรกตามสดสวนโดยมวลของ C, H, O, N, S สามารถแปลงใหอยในฐานเดยวกบสดสวนโดยมวลของความชนและเถาดงน

xC,ar = xC(1− xM − xA) (3.6)

โดยท

xC,ar =mC

mi(3.7)

สมการของ xH,ar , xO,ar , xN,ar และ xS,ar คลายกบสมการขางตน

ตวอยาง การวเคราะหถานหนลกไนตในสภาพเดมใหผลดงน C 39.58%, H 2.57%, O 9.70%, N0.67%, S 0.49%, ความชน 33.54% และเถา 13.46% จงหาสดสวนโดยมวลของ C, H, O, N, S ของถานหนในสภาพแหงและไมมเถา

วธทำโจทยกำหนด xH,ar , xO,ar , xN,ar และ xS,ar มาให สมการ (3.6) ใชสดสวนโดยมวลของถานหน

ในสภาพแหงและไมมเถา

xC =xC,ar

(1− xM − xA)

=0.3958

(1− 0.3354− 0.1346)

= 0.7468

นอกจากน xH = 0.0485, xO = 0.1830, xN = 0.0126 และ xS = 0.0092

3.1. เชอเพลงแขง 31

การทดสอบถานหนในการใชถานหน เปน เชอ เพลงสำหรบโรงไฟฟา ขอมล เกยวกบสมบตของถานหนมความจำเปน

สำหรบการเลอกใชอปกรณการเผาไหมอยางเหมาะสมกบ อปกรณทเหมาะสมกบถานหนประเภทหนงอาจจะเกดปญหาในการทำงานไดถาใชงานกบถานหนอกประเภทหนง การทดสอบถานหนจะกระทำตามมาตรฐานสากลเพอกำหนดสมบตทสำคญของถานหนซงไดแก

• คาความรอนการเผาไหมถานหนทำใหพลงงานเคมทสะสมในถานหนแปลงเปนพลงงานความรอน คาความรอนของถานหนหมายถง พลงงานความรอนทไดจากการเผาไหมถานหนหนงกโลกรม อปกรณวดคาความรอนคอ คาลอรมเตอร (calorimeter) คาความรอนเปนสมบตทสำคญของถานหนเพราะราคาถานหนขนกบคาความรอน สวนประกอบของถานหนททำใหถานหนมคาความรอนมากคอ คารบอน ไฮโดรเจนและกำมะถน

• ความสามารถในการถกบดถานหนทใชในโรงไฟฟาพลงความรอนมกอยในสภาพบดละเอยดเพอพนเขาเตาเผาเพอเผาไหมกบอากาศเนองจากการเผาไหมสมบรณของถานหนทบดละเอยดเกดขนงายกวาถานหนกอนใหญ แตถานหนท โรงไฟฟาไดรบเปนถานหนกอนใหญซงตองผานการบดละเอยดกอนนำไปเผาไหมได ดงนนจงมจำเปนตองทราบวาถานหนบดละเอยดงายเพยงใด และตองใชพลงงานเทาไรในการบดถานหนความสามารถในการถกบด (grindability) เปนดรรชนทบงบอกความยากงายของถานหนในการถกบดใหเปนผง อปกรณทดสอบความสามารถในการถกบดทนยมใชคอ เครองฮารดโกรฟ (Hardgrove machine) ซงเปนเครองบดถานหนขนาดเลก ผลการทดสอบคอ ดรรชนฮารดโกรฟ (Hardgrove index) ตวเลขดรรชนสงหมายถงถานหนทบดงาย ปรมาณความชนและเถามผลตอความสามารถในการถกบดของถานหน โดยถานหนทมความชนและเถามากจะบดยาก

• ความสามารถในการทำใหสกกรอนเครองบดถานหนอาจสกกรอนจากการขดขดของถานหนเมอใชงานไปไดระยะหนง ดรรชนฮารดโกรฟบงบอกความงายในการบดถานหนแต ไม ไดบอกวาถานหนจะทำให เครองบดสกกรอนไดยากหรองายเพยงใด วธการทดสอบความสามารถในการทำใหสกกรอน (abrasivity) ของถานหนคอ การใชเครองบดซงทำดวยเหลกกลาคารบอน (carbon steel) บดถานหนในชวงเวลาทกำหนด มวลของเครองบดหลงการทดสอบจะนอยกวากอนการทดสอบ มวลทลดลงเกดการสกกรอนโดยถานหนและมวลทลดลงนใชกำหนดดรรชนการทำใหสกกรอนของถานหน

• การพองตวถานหนบางชนดจะรวมตวกนเปนกอนขณะเผาไหม ซงเปนอปสรรคตอการเผาไหม ทำใหตองเขยาถานหนใหมนแตกตว ถานหนชนดนจะมดรรชนการพองตว (swelling index) สง ในทางตรงขามถานหนทมดรรชนการพองตวตำจะเผาไหมงายกวาเนองจากมนจะแตกตวขณะเผาไหมถานหนชนดนสามารถเผาไหมบนตะกรบนง (stationary grate) ได การหาดรรชนการพองตว


กระทำโดยใหความรอนในสภาวะไรอากาศแกตวอยางถานหนทตองการทดสอบจนมอณหภมประมาณ 800C จากนนจงปลอยใหเยนตวลง รปทรงของถานโคกทไดจะนำไปเปรยบเทยบกบรปทรงมาตรฐานของถานหนทมดรรชนการพองตวระหวาง 1 ถง 9 เพอกำหนดคาดรรชนการพองตวของถานหนททดสอบ ในกรณทถานโคกไมจบตวกนเปนกอนแตแตกตวเปนผง ดรรชนการพองตว เทากบ 0 สมบต การพองตวของถานหนมความสำคญในกรณท อปกรณ เผาไหมถานหนเปนแบบท เผาไหมถานหนบนตะกรบ อยางไรกตามในปจจบนอปกรณเผาไหมถานหนทใชในโรงไฟฟาสวนใหญเปนแบบทพนผงถานหนเขาในเตาเผา สมบตการพองตวของถานหนจงไมมความสำคญในโรงไฟฟาสวนใหญ

3.1.2 เชอเพลงชวมวลเชอ เพลงชวมวลหมายถงวสด เหลอทงทางการเกษตรหรอพชพลงงานทปลกขนมาเพอนำไปใช

เปนเชอเพลง ในประเทศไทยเชอเพลงชวมวลเกอบทงหมดเปนอยางแรก พชเศรษฐกจหลายชนดในประเทศไทยเชน ขาว ออย ขาวโพด และมนสำปะหลง มการเพาะปลกในปรมาณมากจงมเศษวสดเหลอทงเปน แกลบ ชานออย ซงขาวโพด และเหงามนสำปะหลง ในปรมาณมากเชนกน ในอดตวสดเหลานนยมนำไปผลตปยหรอนำไปแปรรปเพอเพมมลคา แตกมปรมาณไมนอยทถกกำจดโดยการเผาทง ในปจจบนไดมความตระหนกวาวสด เหลอทงทางการเกษตรเหลานมศกยภาพทจะเปนเชอเพลงชวมวลสำหรบการผลตไฟฟาไดถามลคาของวสดในฐานะเชอเพลงชวมวลมคาสงเมอเทยบการใชประโยชนในดานอน

เชอเพลงชวมวลมขอดเมอเทยบกบถานหนคอ ราคาถกและมกำมะถนนอย สมบตทสำคญของเชอเพลงชวมวลคอ คาความรอนซงตำกวาถานหนมาก สาเหตหนงททำใหเชอเพลงชวมวลมคาความรอนตำคอ ความชน ตารางท 3.2 เปรยบเทยบคณสมบตของเชอเพลงชวมวลทสำคญในประเทศไทย (ขอมลจากมลนธพลงงานเพอสงแวดลอม)

ตารางท 3.2: คณสมบตของเชอเพลงชวมวลทสำคญ

ความชน เถา สารระเหย คารบอน คาความรอน(%) (%) (%) (%) (kJ/kg)

แกลบ 12.00 12.65 56.46 18.88 14,755ฟางขาว 10.00 10.39 60.70 18.90 13,650ชานออย 50.73 1.43 41.98 5.86 9,243ซงขาวโพด 40.00 0.90 45.42 13.68 11,298เหงามนสมปะหลง 59.40 1.50 31.00 8.10 7,451

เนองจากเชอเพลงชวมวลมคาความรอนตำจงจำเปนตองใชเชอเพลงชวมวลปรมาณมากเพอผลตไฟฟา ความยงยากในการรวบรวมวสดเหลอทงทางการเกษตรเปนขอจำกดประการหนงของการใชเชอเพลงชวมวลสำหรบการผลตไฟฟา นเปนเหตผลสำคญทโรงไฟฟาชวมวลมกมขนาดเลกและตงอยใกล

3.2. เชอเพลงเหลว 33

โรงงานแปรรปผลตภณฑทางการเกษตร ตวอยางโรงไฟฟาทใชแกลบเปนเชอเพลงมกอยภายในโรงสขาวและโรงไฟฟาทใชชานออยเปนเชอเพลงมกอยภายในโรงงานนำตาล

3.2 เชอเพลงเหลวเชอเพลงเหลวทใชในโรงไฟฟามทมาจากนำมนดบซงเปนเชอเพลงฟอสซลทเกดจากซากสตวทะเล

โบราณ สวนประกอบโดยประมาณของนำมนดบคอ C 84-89%, H 12-14%, O 2-3% และ N 0-1%และ S 0-3% โดยสดสวนจะเปลยนแปลงไปตามแหลงทมาของนำมนดบ กระบวนการทใชกลนนำมนดบคอ กระบวนการกลนแบบแยกสวน (fractional distillation process) ซงเปนกระบวนการทอาศยจดเดอดทตางกนของสารประกอบไฮโดรคารบอนตาง ๆ ในนำมนดบ กระบวนการกลนดงกลาวและกระบวนการทางเคมหลงการกลนจะทำใหไดผลผลตเปนกาซปโตรเลยมเหลว (liquidified petroleumgas หรอ LPG) นำมนเบนซน (gasoline) นำมนกาด (kerosene) นำมนดเซล (diesel) และนำมนเตา(fuel oil) ตามลำดบจดเดอดทเพมขน เชอเพลงเหลวทสำคญตอโรงไฟฟาคอ นำมนเตาและนำมนดเซล

3.2.1 นำมนเตาในบรรดาผลผลตทไดจากการกลนนำมนดบ นำมนเตานบวาเปนเชอเพลงทเหมาะสมกบโรงไฟฟา

เนองจากมราคาถกกวานำมนชนดอน ๆ และคาความรอนของนำมนเตาอยระหวาง 40705 ถง 45520kJ/kg โดยประมาณซงนบวาไมตำเกนไปนก นำมนเตาแบงเปนนำมนเตาเบอร 1, เบอร 2, เบอร 4, เบอร5 และเบอร 6 (นำมนเตาเบอร 3 เลกใชแลว) โดยมจดเดอดและความหนดทเพมขนตามลำดบ

ถาเปรยบเทยบกบถานหน นำมนเตาเผาไหมงายกวา อปกรณเผาไหมนำมนเตาจงมความซบซอนนอยกวาอปกรณเผาไหมถานหน อยางไรกตามถาเปรยบเทยบราคาเชอเพลงตอหนงหนวยคาความรอนจะพบวานำมนเตามราคาแพงกวาถานหน

3.2.2 นำมนดเซลนำมนดเซลนอกจากจะเปนเชอเพลงหลกสำหรบยานยนตนานาชนดแลวยงเปนเชอเพลงสำหรบ

ผลตไฟฟาดวย เครองยนตดเซลสำหรบผลตไฟฟาเปนเครองยนตเผาไหมภายในทมขนาดใหญและอยกบท นำมนดเซลมคาความรอนสงกวาและมราคาแพงกวานำมนเตาจงไมนยมใชในโรงไฟฟาพลงความรอนซงเปนโรงไฟฟาภาระหลก นำมนดเซลเหมาะกบการใชงานในโรงไฟฟาดเซลซงมขนาดเลกและกำลงผลตตำ โรงไฟฟาดเซลเปนโรงไฟฟาภาระสงสดซงจะเดนเครองในกรณฉกเฉนหรอกรณทความตองการไฟฟาของระบบสงกวาความสามารถผลตไฟฟาของโรงไฟฟาภาระหลกและโรงไฟฟาภาระเสรม

นำมนดเซลทใชในโรงไฟฟากอใหเกดปญหาคลายกบนำมนดเซลทใชในยานยนตคอ มลภาวะทางอากาศจากกาซไนโตรเจนออกไซดและฝนละออง วธหนงทสามารถลดมลภาวะทางอากาศไดคอ การผสมนำมนดเซลกบนำโดยอตราสวนอยทนำมนดเซล 80% และนำ 20% โดยประมาณ ตามปกตนำจะแยกตวออกจากนำมน แตถามการเตมสารบางอยางเขาไปนำกบนำมนดเซลจะผสมเปนเนอเดยวกนเรยกวานำมนดเซลอมลชน (emulsified diesel) เนองจากนำมสดสวนนอยกวานำมนดเซล นำจะกระจายตวในนำมนดเซลในรปของหยดนำเลก ๆ สารทเตมเขาไปจะทำหนาทเคลอบหยดนำเหลานเพอปองกน


ไมใหหยดนำมารวมตวกนและแยกตวออกจากนำมนดเซล นำมนดเซลอมลชนใชเปนเชอเพลงสำหรบโรงไฟฟาพลงความรอนหรอโรงไฟฟากงหนกาซกได อปกรณเผาไหมคลายกบของนำมนดเซลซงจะตองพนนำมนดเซลอมลชนเปนละอองเขาไปในหองเผาไหม อยางไรกตามสงทตองคำนงถงเมอใชนำมนดเซลอมลชนคอ คาความรอนทตำกวาของนำมนดเซล

3.2.3 สมบตของเชอเพลงเหลวเชอเพลงเหลวมราคาแพงกวาเชอเพลงแขงเนองจากใชพนทเกบนอยกวา สะดวกตอการขนสงและ

มคาความรอนสงกวา อยางไรกตามราคาของเชอเพลงเหลวอาจไมไดขนกบคาความรอนเพยงอยางเดยวสมบตอนทสำคญของเชอเพลงเหลวทบงบอกถงคณภาพและสงผลตอราคาไดแก

• ความถวงจำเพาะความถวงจำเพาะ (specific gravity) ของเชอเพลงเหลวคำนวณไดจากอตราสวนระหวางความหนาแนนของเชอเพลงเหลวกบความหนาแนนของนำ

s =ความหนาแนนของเชอเพลงเหลวทอณหภม 15.6C

ความหนาแนนของนำทอณหภม 15.6C

การแสดงคาความถวงจำเพาะอาจแสดงไดโดยใชมาตรฐาน API (American Petroleum Insti-tute) ซงมหนวยเปน API ความสมพนธระหวาง s และ API เปนดงน

s =141.5

131.5 + API

• ความหนดความหนด (viscosity) เปนสมบตทสำคญของเชอเพลงเหลว ถาเชอเพลงเหลวมความหนดสงเกนไปมนจะแตกตวเปนละอองยากและจะไมสามารถเผาไหมอยางสมบรณ ในการวดความหนดตามมาตรฐาน ASTM Standard D445 ซงใชหนวยวดความหนดเปนเซนตสโตก (centis-toke) จะทำการจบเวลาทของไหลปรมาตรหนงไหลดวยนำหนกตวเองผานเครองมอวดความหนด (viscometer) ภายใตสภาวะทควบคมอณหภม ความหนดของเชอเพลงเหลวเปนปจจยหนงทกำหนดวาควรจะอนเชอเพลงเหลวจนมอณหภมเทาไรจงจะทำใหเชอเพลงเหลวไหลอยางสะดวก โดยทวไปเชอเพลงเหลวทมคาความถวงจำเพาะสงจะมความหนดสง สวนเชอเพลงเหลวทมคาความถวงจำเพาะตำจะมความหนดตำและจะเผาไหมงายกวา

• จดไหลจดไหล (pour point) คออณหภมตำสดท เชอเพลงเหลวจะไหลได ประเทศไทยมอากาศรอนจงไมมปญหาเรองเชอเพลงเหลวไหลยาก แตในประเทศทมอากาศหนาวจดไหลเปนสมบตของเชอเพลงเหลวทสำคญเพราะถาอณหภมของเชอเพลงเหลวตำกวาจดไหล เชอเพลงเหลวจะไหลยากซงอาจสงผลใหระบบสงเชอเพลงเหลวอดตน ในกรณนถงเกบเชอเพลงเหลวจงจำเปนตองมเครองอนตดตงอยดวยเพอรกษาอณหภมของเชอเพลงเหลวใหสงกวาจดไหล

3.3. เชอเพลงกาซ 35

• จดวาบไฟเชอเพลงเหลวระเหยอยตลอดเวลา การระเหยทอณหภมหองเกดขนอยางชา ๆ จงไมเปนปญหาแตถาเชอเพลงเหลวไดรบความรอนมากขนการระเหยกจะเพมขนตามไปดวย จนในทสดอตราสวนของไอระเหยจากเชอ เพลง เหลวและอากาศจะมคา เหมาะสมตอการเผาไหม จดวาบไฟ(flash point) คอ อณหภมตำสดทมไอระเหยจากจากผวเชอเพลงเหลวในปรมาณททำใหเกดการตดไฟเมอสมผสกบเปลวไฟ เชอเพลงเหลวทมจดวาบไฟตำตองไดรบการดแลเปนพเศษ การทราบคาจดวาบไฟทำใหทราบวาควรอนเชอเพลงเหลวใหรอนไดถงระดบใดเพอลดความหนดอณหภมของเชอเพลงเหลวทใชควรจะตำกวาจดวาบไฟประมาณ 4-5C เพอความปลอดภย

• กำมะถนปรมาณกำมะถนในเชอ เพลง เหลวขนอยกบทมาของเชอ เพลง เหลว นำมนเตาเบอร 6 อาจมกำมะถนนอยกวา 1% หรอมากถง 3-4% กได นำมนเตาทมกำมะถนมากเกน 2% จะตองผานกระบวนการลดกำมะถนกอนนำมาใชงาน เพราะการเผาไหมกำมะถนจะทำใหเกด SO3 ซงจะกลายเปนกรดซลฟรกเมอผสมกบนำ กรดชนดนมฤทธกดกรอนสง

• ตะกอนและนำตะกอนและนำเปนสงแปลกปลอมทอนตรายในระบบเผาไหมเชอเพลงเหลว สาเหตของการมตะกอนและนำปนในเชอเพลงเหลวไดแก การรวของถงเกบหรอทอสงเชอเพลงเหลว ปฏกรยาเคม การใหความรอนถงมากเกนไป การควบแนนของนำ การรวของขดไอนำ (steam coil) ทใชอนเชอเพลงเหลว การผสมนำมนตางเกรดกน และการตกตะกอนของสารแปลกปลอมในเชอเพลงเหลวเอง ผลกระทบเชงลบของตะกอนและนำคอ (1) การหยดทำงานของหมอไอนำอนเนองจากหวเผาอดตน (2) การเผาไหมทผดพลาดและไมมเสถยรภาพ และ (3) การสญเสยความรอนทไดจากการเผาไหม เพอปองกนปญหาเหลาน ควรมการเกบตวอยางเชอเพลงเหลวจากกนถงเกบเปนระยะ ๆ เพอตรวจดวามตะกอนและนำมากเกนไปหรอไมและแกไขใหเปนปกต

3.3 เชอเพลงกาซเมอเปรยบเทยบกบเชอเพลงประเภทอน เชอเพลงกาซมขอไดเปรยบคอมนอยในสภาพทพรอมเผา

ไหมแลว ไมตองผานกระบวนการบดละเอยดเหมอนถานหนหรอกระบวนการทำใหเปนละอองเหมอนเชอเพลงเหลว นอกจากนเชอเพลงกาซยงมสงเจอปนตำกวาเชอเพลงแขงและเชอเพลงเหลวจงทำใหเกดมลภาวะทางอากาศนอยกวา เชอเพลงกาซทใชในโรงไฟฟาแบงออกเปนสามประเภทคอ กาซธรรมชาต(natural gas) กาซสงเคราะห (synthetic gas) และกาซชวภาพ (biogas)

3.3.1 กาซธรรมชาตกาซธรรมชาต เปนเชอเพลงฟอสซลทมทมาจากซากพชดกดำบรรพและพบในบรเวณทมถานหน

หรอนำมนดบ สวนประกอบหลกของกาซธรรมชาตคอ กาซมเทน (CH4) และกาซไฮโดรคารบอนอน ๆนอกจากนอาจมกาซทไมเผาไหมเชน CO2 กาซธรรมชาตทพบในแหลงกาซมสดสวนของมเทนนอยเกน


ไปและอาจมสารทเปนพษเชน ปรอทและกาซไฮโดรเจนซลไฟด (H2S) จงตองมกระบวนการแยกกาซเพอผลตกาซธรรมชาตทมคณสมบตทเหมาะสมซงจะสงไปยงโรงไฟฟาพลงความรอนรวมทางทอสงกาซนอกจากนกระบวนการแยกกาซยงผลตผลพลอยไดอน ๆ ทนำไปเปนวตถดบในอตสาหกรรมปโตรเคม

กระบวนการแยกกาซเรมตนดวยการกำจดสารเจอปนทไมใชไฮโดรคารบอนออกจากกาซธรรมชาตหนวยกำจดสารเจอปนไดแก หนวยกำจด CO2 หนวยกำจดความชน และหนวยกำจดปรอท กาซธรรมชาตทไดจะถกสงเขาอปกรณลดความดนซงจะทำใหความดนและอณหภมของกาซธรรมชาตลดลงจนกลายเปนของเหลว การแยกสารไฮโดรคารบอนในของเหลวอาศยจดเดอดทตางกนของสารไฮโดรคาร-บอนแตละชนดซงคลายกบการกลนนำมนดบแบบแยกสวน ผลผลตทไดประกอบดวย

• กาซมเทนซงเปนสวนประกอบหลกของกาซธรรมชาตทใชในโรงไฟฟาพลงความรอนรวม โรงงานอตสาหกรรม และยานยนตทขบเคลอนดวยกาซธรรมชาต กาซมเทนอาจใชเปนวตถดบในการผลตปยเคมและเมทลแอลกอฮอล (methyl alcohol)

• กาซอ เทนซงจะสง ใหกบอตสาหกรรมปโตรเคม เพอผลต เอทลนท เปนวตถดบในการผลตเมดพลาสตกชนดตาง ๆ กาซอเทนอาจใชผลตเอทลแอลกอฮอล (ethyl alcohol)

• กาซโปรเพนเพอนำมาใชผลตโพรพลน (propylene) ในอตสาหกรรมปโตรเคมและเพอเปนสารตงตนในการผลตเมดพลาสตกทเรยกวา โพลโพรพลน (polypropylene) ซงใชกบอตสาหกรรมผลตยางสงเคราะห แผนฟลม ถงรอนใสอาหาร หรอกระสอบ เปนตน

• กาซปโตรเลยมเหลว (liquefied petroleum gas หรอ LPG) ประกอบดวย กาซโพรเพนและบวเทน LPG เปนกาซทถกนำมาใชเปนเชอเพลงหงตมในอตสาหกรรมและครวเรอน จงถกทำใหอยในสภาพของเหลวบรรจในถงเพอความปลอดภยในการใชและขนสง นอกจากน LPG ยงเปนกาซทมผนยมใชเปนเชอเพลงสำหรบรถยนตและโรงงานอตสาหกรรมดวย

• กาซโซลนธรรมชาต (natural gasoline หรอ NGL) ประกอบดวย กาซเพนเทนและสารไฮโดร-คารบอนตวอน ๆ ทมจำนวนอะตอมของคารบอนตงแต 5 ตวขนไป NGL สามารถนำไปกลนเปนนำมนเบนซน นอกขากนสวนประกอบบางอยางของ NGL เปนของเหลวทระเหยไดเรว จงใชในโรงงานอตสาหกรรมปโตรเคมเปนวตถดบสำหรบเปนตวทำละลายในการทดลองทางเคมอตสาหกรรมส แลกเกอร ทนเนอร และอตสาหกรรมยางเปนตน

ถงแมวากาซธรรมชาตทใชเปนเชอเพลงในโรงไฟฟาพลงความรอนรวมจะมสวนประกอบหลกเปนมเทน แตกระบวนการแยกกาซไมไดผลตกาซมเทน 100% และยงคงมกาซอน ๆ ปะปนในกาซธรรมชาตอย ดงนนจงตองการวเคราะหกาซธรรมชาตซงกคอ การหาสดสวนโดยโมลของกาซสวนประกอบ กาซสวนประกอบมสมบต ใกล เคยงกบกาซในอดมคต (ideal gas) สดสวนโดยโมลจง เทากบสดสวนโดยปรมาตร ดงนน

yi =Mi

M=

ViV

โดยท Mi และ Vi เปนจำนวนโมลและปรมาตรของกาซ i ในเชอเพลงกาซและ M และ V เปนจำนวนโมลและปรมาตรรวมของเชอเพลงกาซ สวนประกอบของกาซธรรมชาตขนกบแหลงทมา กาซธรรมชาต

3.3. เชอเพลงกาซ 37

จากแหลงตางกนจงอาจมราคาไมเทากน คาความรอนเปนสงทกำหนดราคาของกาซซงซอขายเปน ลานบาทตอ MBtu (1 Btu = 1.055 kJ)

สงทนาสงเกตเกยวกบกาซธรรมชาตคอ การทสวนประกอบหลกเปนกาซมเทนซงเบากวาอากาศทำใหกาซธรรมชาตเบากวาอากาศตามไปดวย กาซธรรมชาตทรวออกจากภาชนะบรรจหรอทอจงลอยขนฟา ในตรงขามกบกาซปโตรเลยมเหลวซงหนกกวาอากาศและจะกระจายไปตามพนในกรณทมการรวไหลออกจากภาชนะบรรจซงอาจกอใหเกดอนตรายไดถามประกายไฟจดระเบดกาซ

3.3.2 กาซสงเคราะหนอกเหนอจากกาซธรรมชาตแลว เชอ เพลงกาซท ใช ใน โรง ไฟฟาอาจไดมาจากการผลตกาซจาก

ถานหน (coal gasification) กาซทผลตขนไดแก กาซเตาถานโคก (coke-oven gas) กาซผลผลต (pro-ducer gas) กาซนำ (water gas) กาซธรรมชาตสงเคราะห (synthetic natural gas หรอ SNG) กระบวนการผลตกาซผลผลต เรมตนจากการใหความรอนถานหนเพอไลสารระเหยและความชนออกไปจนเหลอแตถานโคก (coke) ซงมเพยงคารบอนและเถาเปนองคประกอบ

ถานหน+ ความรอน −→ ถานโคก+ สารระเหย+ ความชน

โดยสารระเหยทไดประกอบดวย H2 และ CH4 เปนสวนใหญเรยกวากาซเตาถานโคก จากนนถานโคกจะทำปฏกรยาใหความรอน (exothermic) กบอากาศในภาวะทมอากาศนอยทำใหไดกาซผลผลตตามสมการ

ถานโคก+ อากาศ −→ CO+ N2 + ความรอน

ซงกาซผลผลตประกอบดวย CO และ N2 คาความรอนของกาซผลผลตมาจาก CO ซงเผาไหมกบอากาศได

ถาถานโคกทำปฏกรยากบไอนำจะไดกาซนำซงประกอบไปดวย CO และ H2 ปฏกรยาทเกดขนเปนปฏกรยารบความรอน (endothermic)

ถานโคก+ ไอนำ+ ความรอน −→ CO+ H2

การผลตกาซผลผลตและกาซนำสลบกนจะทำใหอณหภมของแผงถานหนไมสงเกนไปสำหรบการผลต SNG กระทำได โดยการกำจด N2 ออกจากกาซผลผลตและให CO ท เหลอทำ

ปฏกรยากบไอนำCO+ H2O −→ CO2 + H2

SNG มคาความรอนตำกวากาซธรรมชาต การเพมคาความรอนของ SNG สามารถกระทำไดโดยให H2

ทำปฏกรยากบ CO ซงจะทำใหได CH4 เปนผลผลตCO+ 3H2 −→ CH4 + H2O

ปฏกรยานตองมตวเรงปฏกรยา (catalyst) มาชวยนอกจากการผลตกาซจากถานหนแลว กาซเชอเพลงอาจไดมาจากแหลงอน ๆ เชนกาซเตาหลอม

(blast-furnace gas) ซงประกอบดวย CO2 เปนสวนใหญ ไดจากการผลตเหลกกลา และกาซทอระบายนำ (sewer gas) ซงประกอบดวย CH4 เปนสวนใหญ ไดจากการยอยสลายของขยะเปยก


3.3.3 กาซชวภาพกาซชวภาพ (biogas) ไดจากการยอยสลายสารอนทรยในสภาวะไรออกซเจน (anaerobic diges-

tion) ซงตองอาศยแบคทเรยและอณหภมทเหมาะสม สารอนทรยประกอบดวยธาต 5 ธาต ไดแก C, H,O, N และ S และมกพบในสภาพเปยก ปฏกรยาเคมทเกดขนในกระบวนการยอยสลายโมเลเกลของสารอนทรยทมสตรเคม CaHbOcNeSe เปนดงน

CaHbOcNdSe+(a− b

4− c

2+

3d

4+

e

2

)H2O −→(

a

2+

b

8− c

2− 3d

8− e

4

)CH4 +

(a

2− b

8+

c

4+

3d

8+

e

4

)CO2

+ dNH3 + eH2S

สมการเคมนแสดงใหเหนวา กาซชวภาพประกอบดวยมเทนและกาซอนทไมเผาไหมอกสามชนด สดสวนของมเทนทเพมขนจะทำใหคาความรอนของกาซชวภาพเพมขนตามไปดวย การเพมสดสวนของมเทนทำไดโดยเลอกสารอนทรยทมสดสวนของคารบอนสงและกำจด CO2, NH3 และ H2S ออกจากกาซชวภาพ

การผลตกาซชวภาพมกผลตจากวสดเหลอทงทมสดสวนของสารอนทรยมาก ตวอยางของวสดเหลอทงท มคณสมบตน ไดแก มลสตวจากฟารม เลยงสตว และนำ เสยจากโรงงานอตสาหกรรมการเกษตรนอกจากนขยะจากครวเรอนซงมสวนประกอบหลกเปนสารอนทรยกสามารถใชผลตกาซชวภาพไดเชนกน การประเมนความเหมาะสมในการผลตกาซชวภาพของวสดเหลอทงมกใชคา BOD (biochemicaloxygen demand) หรอ COD (chemical oxygen demand) ของวสดเหลอทงนน โดยทวไป BODประมาณ 80% ของ COD วสดเหลอทงทมคา BOD และ COD สงมศกยภาพในการผลตกาซชวภาพเนองจากมสดสวนสารอนทรยมาก

3.4 การใชเชอเพลงเพอผลตไฟฟาของประเทศไทยประเทศไทยมการสำรวจแหลงพลงงานตงแตสมยรชกาลท 7 โดยพบวามแหลงถานหนลกไนตขนาด

ใหญท อำเภอแมเมาะ จงหวดลำปาง ในชวง เวลาท ความตองการไฟฟาของประเทศสงขนตามความเจรญของประเทศ ไดมการสำรวจแหลงพลงงานอยางตอเนองและพบวาประเทศไทยมแหลงนำมนดบเพยงเลกนอย แตมแหลงกาซธรรมชาตปรมาณมากในอาวไทย แหลงพลงงานทสำรวจจำแนกเปนสามประเภทคอ แหลงพลงงานทพบแลว (proven reserve) แหลงพลงงานทคาดวาจะพบ (probablereserve) และแหลงพลงงานทนาจะพบ (possible reserve) โดยความนาจะเปนของการพบแหลงพลงงานประเภททสองมากกวาประเภททสาม ตารางท 3.3 แสดงปรมาณนำมนดบ กาซปโตรเลยมเหลวกาซธรรมชาต และถานหนในแหลงพลงงานทงสามประเภท (ขอมลจากสำนกนโยบายและแผนพลงงานกระทรวงพลงงาน)

เนองจากประเทศไทยมถานหนและกาซธรรมชาตปรมาณมากโรงไฟฟาสวนใหญในประเทศไทยจงควรใชถานหนและกาซธรรมชาต เปนเชอเพลง แต โรงไฟฟาถานหนในประเทศไทยมจำนวนนอยมากเมอเทยบกบสดสวนปรมาณถานหนทประเทศไทย สาเหตคอถานหนในประเทศไทยเปนถานหนลกไนตทมกำมะถนและเถาสงและกอใหเกดกาซซลเฟอรไดออกไซดและฝนละอองปรมาณมากจนกลายเปน

3.4. การใชเชอเพลงเพอผลตไฟฟาของประเทศไทย 39

ตารางท 3.3: แหลงเชอเพลงฟอสซลในประเทศไทย

เชอเพลง พลงงานสำรอง ระยะเวลาใชงาน (ป)P1 P1+P2 P1+P2+P3 P1 P1+P2 P1+P2+P3

นำมนดบ 223 553 741 4 11 15(ลานบารเรล)LPG 182 411 476 5 12 14(ลานบารเรล)กาซธรรมชาต 7752 15560 18885 6 13 16(พนลานลกบาศกฟต)ถานหน 1181 2007 2007 18 65 111(ลานตน)

หมายเหตP1 หมายถง แหลงพลงงานทพบแลวP2 หมายถง แหลงพลงงานทคาดวาจะพบP3 หมายถง แหลงพลงงานทนาจะพบ

มลภาวะทางอากาศ โรงไฟฟาสวนใหญในประเทศไทยจงใชกาซธรรมชาต เปนเชอเพลง ตารางท 3.4แสดงใหเหนวาสดสวนการใชกาซธรรมชาตเพมขนในชวง 20 ปทผานมาในขณะทสดสวนการใชถานหนกลบลดลง

ตารางท 3.4: สดสวนเชอเพลงทใชผลตไฟฟาในประเทศไทยในป พ.ศ. 2549 และ 2529

เชอเพลง พ.ศ. 2549 พ.ศ. 2529โรงไฟฟาพลงนำ 5.6% 21.8%นำมนเตา 5.5% 13.1%ถานหน 17.2% 21.8%กาซธรรมชาต 66.5% 40.3%อน ๆ 5.2% 3.0%

กาซธรรมชาตประมาณ 70% ในการผลตไฟฟาของประเทศไทยไมไดมาจากแหลงกาซธรรมชาตในประเทศทงหมด บางสวนไดจากการนำเขาจากประเทศอน ซงสวนใหญเปนการนำเขาจากประเทศพมาดงนนการทประเทศไทยพงพากาซธรรมชาตมากขนาดนอาจสงผลกระทบตอความมนคงดานพลงงานได ในความเปนจรงเชอเพลงทใชผลตไฟฟาควรมหลายชนดและสดสวนการใชเชอเพลงเหลานนควรใกลเคยงกนเพอทวา ถาเชอเพลงใดเชอเพลงใดขาดแคลน กจะไดม เชอเพลงอนมาทดแทนในระบบผลตพลงงานไฟฟา


คำถามทายบท1. เรยงลำดบถานหนจากเกรดดทสดไปแยทสด บทมนส แอนทราไซต ลกไนต ซบบทมนส

2. สวนประกอบ 4 อยางของถานหนทไดจากการวเคราะหโดยประมาณคออะไร

3. เชอเพลงหลกของโรงไฟฟาพลงความรอนรวมในประเทศไทยคออะไร

4. กาซใดเปนสวนประกอบหลกของกาซธรรมชาต

5. สวนประกอบใดในถานหนทำใหถานหนตดไฟงาย

6. ถานโคก (coke) มคณสมบตอยางไร

7. การวเคราะหขนสดทาย (ultimate analysis) คออะไร

8. นำมนชนดใดใชในโรงไฟฟาพลงความรอน

9. ประเทศไทยนำเขากาซธรรมชาตจากประเทศใดมากทสด

10. กาซนำ (water gas) ประกอบดวยกาซ

11. สวนประกอบหลกของกาซชวภาพ (biogas) คอกาซใด

12. ประเทศไทยมถานหนชนดใดมากทสด

13. ทำไมกาซธรรมชาตจงปลอดภยกวากาซเชอเพลงทใชในครวเรอน

14. อะไรเปนเชอเพลงหลกสำหรบการผลตไฟฟาในประเทศไทย และอะไรเปนเชอเพลงหลกสำหรบการผลตไฟฟาในโลก

15. ถานหนกอนหนงเมอนำไปวเคราะหโดยประมาณ (proximate analysis) พบวามความชน 15%และเถา 5% เมอนำถานหนในสภาพทปราศจากความชนและเถา (dry, ash-free basis) ไปวเคราะหขนสดทาย (ultimate analysis) พบวาม H 3% อยากทราบวาสดสวนโดยมวลของ Hในถานหนในสภาพเดม (as-received coal) เทากบเทาไร

บทท 4

การเผาไหม

4.1 ปฏกรยาการเผาไหมการเผาไหมคอ ปฏกรยาเคมทเกดขนอยางรวดเรวระหวางเชอเพลงกบออกซเจนซงทำใหเกดกาซ

เสย (flue gas) และการแปลงพลงงานเคมทสะสมอย ในเชอ เพลง เปนพลงงานความรอน มสารเคมจำนวนมากทเปนเชอเพลงตามนยามขางตนแตในทนจะพจารณาเฉพาะเชอเพลงทใชในโรงไฟฟาตามทกลาวถงในบทท 3 เทานน

ในกรณของ เชอ เพลงแขงองคประกอบท ทำปฏกรยากบออกซเจนคอ คารบอน ไฮโดรเจน และกำมะถน สมการการเผาไหมทเกดขนคอ

C+ O2 −→ CO2 (4.1)H2 +

1

2O2 −→ H2O (4.2)

S+ O2 −→ SO2 (4.3)

เชอเพลงเหลวและเชอเพลงกาซอาจประกอบดวยเชอเพลงหลายชนดผสมกนโดยเชอเพลงแตละชนดมปฏกรยาการเผาไหมของมนเอง ตวอยางเชน มเทน (CH4) ซงเปนสวนประกอบหลกของกาซธรรมชาตมสมการการเผาไหมดงน

CH4 + 2O2 −→ CO2 + 2H2O (4.4)

เปนทนาสงเกตวาสมการ (4.1) - (4.4) มสงหนงท เหมอนกนคอ จำนวนอะตอมของธาตทกธาต ไมเปลยนแปลงหลงปฏกรยา ซงหมายความวามวลรวมของสารตงตน (reactant) จะตองเทากบมวลรวมของสารผลผลต (product) ปฏกรยาการเผาไหมจะเกดขนกตอเมออณหภมของปฏกรยามคาไมนอยกวาอณหภมจดระเบด (ignition temperature) โดยทวไปอณหภมของเตาเผาสงกวาอณหภมจดระเบดเหลานมาก

เนองจากการใช O2 บรสทธในกระบวนการเผาไหมตองลงทนสง ในทางปฏบตจงนยมใชอากาศทำปฏกรยากบเชอเพลง อากาศแหงในธรรมชาตประกอบดวย N2, O2, Ar และ CO2 ซงมนำหนกโมเลกล

42 บทท 4. การเผาไหม

เทากบ 28.0134, 31.9988, 39.9480 และ 44.0095 ตามลำดบ ตารางท 4.2 แสดงสดสวนโดยโมลของกาซเหลาน ดงนนนำหนกโมเลกลของอากาศแหงในธรรมชาตจงเทากบ 28.97 แตเพอความสะดวกในการวเคราะหการเผาไหมอาจสมมตวาอากาศแหงเปนอากาศทฤษฎ (theoretical air) ซงประกอบดวยN2 79% และ O2 21% โดยโมลและมนำหนกโมเลกลเทากบ 28.84 ดงนนอากาศทฤษฎ 4.76 โมลจงประกอบดวย N2 3.76 โมลและ O2 1 โมล สดสวนโดยมวลของ N2 และ O2 เทากบ 0.767 และ0.233 ตามลำดบ เปนทนาสงเกตวาถงแมวาในความเปนจรงอากาศมกมความชนปะปนอยดวยเสมอการวเคราะหการเผาไหมโดยทวไปมกสมมตวาอากาศท ใช เผาไหมกบเชอเพลงเปนอากาศแหงเพราะความชนในอากาศมปรมาณนอยมากและไมสงผลมากนกตอการคำนวณ

ตารางท 4.1: สวนประกอบของอากาศแหงในธรรมชาตและอากาศทฤษฎ

กาซ สดสวนโดยโมล (%)อากาศแหงในธรรมชาต อากาศทฤษฎ

N2 78.084 79O2 20.946 21Ar 0.934 0CO2 0.036 0

ปฏกรยาทสำคญสองปฏกรยาคอการเผาไหมสมบรณ (complete combustion) และการเผาไหมพอด (stoichiometric combustion) การเผาไหมสมบรณคอการเผาไหมทไมมสารเชอเพลงเหลออยเลยกลาวคอไมม C, H, S หรอ CO เหลอ ในทางตรงขามการเผาไหมทใหกาซเสยทยงนำไปเผาไหมไดตอจดเปนการเผาไหมไมสมบรณ (incomplete combustion) สวนการเผาไหมพอดคอการเผาไหมสมบรณทไมม O2 เหลอซงหมายความวาปรมาณ O2 พอดกบปรมาณเชอเพลง ในกรณดงกลาวปรมาณอากาศทใชเรยกวาเปนปรมาณอากาศพอด (stoichiometric air) หรอปรมาณอากาศทฤษฎ (theoreti-cal air) การเผาไหมพอดระหวางสารไฮโดรคารบอนกบอากาศแหงจะใหผลผลตคอ H2O, CO2 และ N2

แตถามอากาศมากเกนไปกม O2 เหลอในผลผลตดวย การเผาไหมเชนนเปนการเผาไหมไมพอด สมการการเผาไหมพอดระหวางไฮโดรคารบอน (CmHn) กบอากาศคอ

CmHn + (m+n

4)(O2 + 3.76N2) −→ mCO2 +

n

2H2O+ 3.76(m+

n

4)N2 (4.5)

การเผาไหมไมสมบรณเปนสงท ไมพงปรารถนาเพราะผลผลตอาจประกอบ ไฮโดรคารบอน เขมาหรอ CO ซงทงหมดสามารถเผาไหมได CO เผาไหมในอากาศตามสมการตอไปน

CO+1

2(O2 + 3.76N2) −→ CO2 + 1.88N2 (4.6)

การมสารไฮโดรคารบอน เขมาหรอ CO เหลอจากการเผาไหมหมายความวาพลงงานเคมในเชอเพลงไม ไดแปลงเปนพลงงานความรอนทงหมด แตบางสวนถกปลอยทงไปกบกาซเสยโดยเปลาประโยชนนอกจากนสารไฮโดรคารบอน เขมาและ CO ยงเปนอนตรายตอสขภาพและทำใหเกดมลภาวะทางอากาศ

4.2. อตราสวนอากาศตอเชอเพลงเชงทฤษฎ 43

อกดวย ปจจยสำหรบการเผาไหมสมบรณม 4 ประการคอ (1) อากาศมปรมาณมากพอ (2) อณหภมการเผาไหมสงกวาอณหภมจดระเบด (3) การผสมกนของอากาศกบเชอเพลงอยางทวถง และ (4) เวลาทำปฏกรยาเผาไหมทมากพอ

ปรมาณอากาศพอดขนอยกบชนดของเชอเพลง อยางไรกตามเนองจากการผสมกนอยางทวถงของออกซเจนในอากาศกบเชอเพลงเปนไปไดยากในทางปฏบต ปรมาณอากาศท ใช ในการเผาไหมจงมกกำหนดใหมอากาศสวนเกน (excess air)

4.2 อตราสวนอากาศตอเชอเพลงเชงทฤษฎในการทำใหเกดการเผาไหมสมบรณ อากาศทใชจะตองมปรมาณไมนอยกวาปรมาณพอด อตรา

สวนระหวางปรมาณอากาศพอดและเชอเพลงเรยกวาอตราสวนอากาศตอเชอเพลงเชงทฤษฎ (theoret-ical air-fuel ratio) ซงมสญลกษณ AFRT อตราสวนอากาศตอเชอเพลงเชงทฤษฎอาจเปนอตราสวนเชงมวลหรออตราสวนเชงโมลกได การระบคา AFRT จงควรระบหนวยดวยวาเปน kgair/kgfuel หรอmolair/molfuel ความสมพนธระหวางอตราสวนเชงมวลและอตราสวนเชงโมลเปนดงน

อตราสวนเชงมวล =28.84× อตราสวนเชงโมล

Mfuel(4.7)

โดยท 28.84 คอ นำหนกโมเลกลของอากาศทฤษฎและ Mfuel คอนำหนกโมเลกลของเชอเพลงเชอเพลงประกอบดวย C, H หรอ S ซงเผาไหมในอากาศ ไดดงแสดงในสมการ (4.1)-(4.3) นอกจาก

น เชอเพลงอาจมสวนประกอบของ O และ N ดวย ดงนนโมเลกลของเชอเพลงอาจเขยนเปนสตรเคมCaHbScOdNe อยางไรกตามสตรเคมนไมไดหมายความวาธาตตาง ๆ สรางพนธะเคมตอกน ธาตบางธาตเชน C อยในรปของคารบอนอสระในเชอเพลงแขง สมการเผาไหมพอดของเชอเพลงเปนดงน

CaHbScOdNe +

(a+

b

4+ c− d

2

)(O2 + 3.76N2) −→

aCO2 +b

2H2O+ cSO2 +

[3.76

(a+

b

4+ c− d

2

)+

e

2

]N2 (4.8)

สมการ (4.8) แสดงใหเหนวาเชอเพลงนม

AFRT = 4.76

(a+

b

4+ c− d

2

)molair/molfuel (4.9)

ตารางท 4.2 แสดง AFRT ของเชอเพลงบางชนดทคำนวณจากสมการ (4.9) สำหรบธาตอนหรอกาซอนทไมใชเชอเพลงเชน N, O2 และ CO2 คา AFRT เทากบศนย

ในการหา AFRT ของเชอเพลงทมสวนประกอบหลายชนดจะตองทราบสดสวนโดยโมลของสวนประกอบแตละชนด สมมตวาเชอเพลงม k สวนประกอบโดยมสดสวนโดยโมลเปน y1, y2, ..., yk และสวนประกอบแตละชนดมคา AFRT เทากบ AFRT,1, AFRT,2, ..., AFRT,k ตามลำดบ คา AFRT

ของเชอเพลงสามารถคำนวณไดดงนAFRT = y1AFRT,1 + y2AFRT,2 + ...+ ykAFRT,k (4.10)


ตารางท 4.2: AFRT ของเชอเพลงบางชนด

เชอเพลง AFRT (molair/molfuel)C 4.76H 1.19S 4.76CH4 9.52C2H6 16.66C3H8 23.8CO 2.38

ตวอยาง คำนวณ AFRT ของเชอเพลงทประกอบดวย C3H8 40% และ C4H10 60%

วธทำกำหนดให C3H8 เปนสวนประกอบท 1 และ C4H10 เปนสวนประกอบท 2 ของเชอเพลง ดงนน y1

= 0.4, y2 = 0.6, AFRT,1 = 23.8, AFRT,2 = 30.94

AFRT = 0.4× 23.8 + 0.6× 30.94

= 28.1 molair/molfuel

ตวอยาง คำนวณ AFRT เชงโมลของเชอเพลงกาซทประกอบไปดวย CH4 70%, C2H6 10%,C3H8 10% และ CO2 10%

วธทำกำหนด CH4, C2H6, C3H8 และ CO2 เปนสวนประกอบท 1, 2, 3 และ 4 ตามลำดบ สดสวนโดย

โมลและอตราสวนอากาศตอเชอเพลงเชงทฤษฎของกาซแตละชนดเปนดงน y1 = 0.7, y2 = 0.1, y3 =0.1, y4 = 0.1, AFRT,1 = 9.52, AFRT,2 = 16.66, AFRT,3 = 23.8, AFRT,4 = 0 ดงนน

AFRT = 0.7× 9.52 + 0.1× 16.66 + 0.1× 23.8 + 0.1× 0

= 10.7 molair/molfuel

ปรมาณของเชอ เพลงแขงกบ เชอ เพลง เหลวมกวด เปนนำหนก ดงนนจงนยมระบ AFRT เปนอตราสวนเชงมวลซงหาไดจากการแทนคาอตราสวนอากาศตอเชอเพลงเชงโมลในสมการ (4.9) ในสมการ(4.7)

AFRT =28.84× 4.76

Mfuel

(a+

b

4+ c− d

2

)kgair/kgfuel (4.11)

4.2. อตราสวนอากาศตอเชอเพลงเชงทฤษฎ 45

เชอเพลงทมสตรเคม CaHbScOdNe มนำหนกโมเลกลดงน

Mfuel = 12a+ b+ 32c+ 16d+ 14e (4.12)

สดสวนโดยมวลของ C, H, S และ O ในเชอเพลงแขงในสภาพแหงและไมมเถาคอ

xC =12a

Mfuel(4.13)

xH =b

Mfuel(4.14)

xS =32c

Mfuel(4.15)

xO =16d

Mfuel(4.16)

ถาทราบ xC , xH , xS และ xO กสามารถหาคา a, b, c และ d ได สมการ (4.11) จะกลายเปน

AFRT = 11.44xC + 34.32xH + 4.29xS − 4.29xO kgair/kgfuel (4.17)

ในกรณทเชอเพลงมความชนและเถาและสดสวนโดยมวลของความชนคอ xM และสดสวนโดยมวลของเถาคอ xA อตราสวนอากาศตอเชอเพลงความชนและเถาจะเปนดงน

AFRT = (11.44xC + 34.32xH + 4.29xS − 4.29xO)(1− xM − xA) (4.18)

โดยท xC , xH , xS และ xO เปนสดสวนโดยมวลจากการวเคราะหขนสดทายของถานหนทแหงและไมมเถา สมการ (3.6) แสดงใหเหนวาสมการ (4.18) อาจเขยนใหมดงน

AFRT = 11.44xC,ar + 34.32xH,ar + 4.29xS,ar − 4.29xO,ar (4.19)

โดยท xC,ar , xH.ar , xS,ar และ xO,ar เปนสดสวนโดยมวลจากการวเคราะหขนสดทายของถานหนในสภาพเดมซงมความชนและเถา

ตวอยาง ผลการวเคราะหโดยประมาณของถานหนกอนหนงพบวามความชน 4% และเถา 5%เมอนำถานหนในสภาพทไมมความชนและเถามาวเคราะหขนสดทาย ไดผลดงน C 83.1%, H 5.5%, O7.4%, N 2.1% และ S 1.9% คำนวณ AFRT ของถานหน

วธทำแทนคาสดสวนโดยมวลในสมการ (4.18) เพอหา AFRT

AFRT = (11.44× 0.831 + 34.32× 0.055 + 4.29× 0.019− 4.29× 0.074)

× (1− 0.04− 0.05)

= 10.2 kgair/kgfuel


4.3 คาความรอนปฏกรยาเคมมกเกดขนพรอมกบการแปลงรปพลงงานระหวางพลงงานความรอนและพลงงานเคม

พลงงานเคมของสารตงตนและสารผลผลตคอ ผลรวมเอนทลปกอรป (formation enthalpy) ของสารตงตนและสารผลผลต ถาปฏกรยาเกดขนทอณหภมหองในระบบปดทไมแลกเปลยนความรอนกบสงแวดลอมอณหภมของสารผลผลตจะมคาเทากบอณหภม เปลวไฟแอเดยแบตก (adiabatic flametemperature) ในกรณทพลงงานเคมของสารตงตนนอยกวาพลงงานเคมของสารผลผลต อณหภมเปลวไฟแอเดยแบตกจะนอยกวาอณหภมหอง แตในกรณทพลงงานเคมของสารตงตนมากกวาพลงงานเคมของสารผลผลต อณหภมเปลวไฟแอเดยแบตกจะมากกวาอณหภมหอง ในกรณหลงถาปฏกรยาเกดขนทอณหภมหองในระบบเปดทถายเทความรอนสสงแวดลอมจนอณหภมของสารผลผลตลดลงเทากบอณหภมหอง ปรมาณความรอนนเรยกวา คาความรอน (heating value) โดยทวไปคาความรอนของเชอเพลงจะหมายถงปรมาณความรอนทไดจากการเผาไหมแบบพอดของเชอเพลงแขงหรอเชอเพลงเหลว1 kg หรอของเชอเพลงกาซ 1 m3 การหาคาความรอนโดยตรงอาจใชบอมบแคลอรมเตอร (bombcalorimeter) คาความรอนขนกบผลผลตทไดจากการเผาไหมซงอาจปนนำหรอไอนำกได การเผาไหมทใหผลผลตเปนนำใหคาความรอนสง (higher heating value) การเผาไหมทใหผลผลตเปนไอนำใหคาความรอนตำ (lower heating value) ดงนนผลตางระหวางคาความรอนสงกบคาความรอนตำจงเทากบคาความรอนแฝงในการกลายเปนไอของนำทเปนผลผลตจากการเผาไหม

คาความรอนเปนลกษณะเฉพาะของเชอเพลงแขงแตละชนด ถาทราบสดสวนโดยมวลของธาตตางๆ รวมถงความชนและเถาในเชอเพลงแขงจากการวเคราะหขนสดทายกสามารถคำนวณคาความรอนของเชอเพลงแขงได ตารางท 4.3 แสดงคาความรอนสงตอมวลของเผาไหมธาตทเผาไหมได ธาต C และ

ตารางท 4.3: คาความรอนสงของ C H และ S

ธาต ปฏกรยา HHV (kJ/kg)C C + O2 −→ CO2 33700H H + 0.25O2 −→ 0.5H2O 144200S S + O2 −→ SO2 9300

S ทอยในเชอเพลงทงหมดจะเผาไหมและใหคาความรอนตามตารางท 4.3 แตในกรณของ H มเพยงไฮโดรเจนอสระเทานนทเผาไหมในขณะทไฮโดรเจนไมอสระ 1 kg รวมตวกบ O 8 kg คาความรอนสงของเชอเพลงแขงจงเทากบ

HHV = 33700xC + 144200(xH − xO

8

)+ 9300xS (4.20)

สตรนมชอวา สตรของดลอง (Dulong’s formula) คาความรอนสงในสมการ (4.20) เปนของเชอเพลงแขงในสภาพทแหงและไมมเถา แตถาเชอเพลงมทงความชนและเถา สมการของคาความรอนสงเปนดงน

HHV = (33700xC + 144200(xH − xO

8

)+ 9300xS)(1− xM − xA) (4.21)

4.3. คาความรอน 47

หรอ

HHV = 33700xC,ar + 144200(xH,ar −

xO,ar

8

)+ 9300xS,ar (4.22)

ในคำนวณคาความรอนตำของเชอเพลงแขง จะตองทราบปรมาณนำทเกดจากการเผาไหมตอมวลของเชอเพลง ตารางท 4.3 แสดงใหเหนวาการเผาไหม C และ S ไมทำใหเกดนำ แตการเผาไหม Hจะทำใหไดนำ 9 kg ตอ 1 kg ของ H ซงนบเฉพาะไฮโดรเจนอสระ อยางไรกตามเมอรวมนำทเกดจากการเผาไหมไฮโดรเจนอสระกบนำทมพนธะกบสารอนซงจะกลายเปนไอนำจากการเผาไหมกจะพบวาไฮโดรเจนทงหมดในเชอเพลงทำใหเกดนำซงมมวลเปน 9 เทาของมวลไฮโดรเจน นอกจากนเชอเพลงแขงยงมความชนซงกจะกลายเปนไอหลงการเผาไหมเชนกน เนองจากคาความรอนแฝงในการกลายเปนไอของนำทอณหภม 25C เทากบ 2442 kJ/kg คาความรอนตำของเชอเพลงแขงจงเทากบ

LHV = HHV − 2442(9xH,ar + xM ) (4.23)

ในเชอเพลงเหลวและเขอเพลงกาซ ธาตท เผาไหมไดรวมตวเปนสารประกอบกบธาตอน โดยมกอยในรปของ CmHn ในกรณของเชอเพลงเหลวและ CmHn, CO และ H2 ในกรณของเชอเพลงกาซสารประกอบเหลานมปฏกรยาการเผาไหมและคาความรอนตามตารางท 4.4

ตารางท 4.4: คาความรอนสงของกาซบางชนด

สารประกอบ ปฏกรยา HHV (kJ/m3) HHV (kJ/kg)CH4 CH4 + 2O2 −→ CO2 + 2H2O 39700 55600C2H6 C2H6 + 7

2O2 −→ 2CO2 + 3H2O 69600 52000C3H8 C3H8 + 5O2 −→ 3CO2 + 4H2O 99100 50500H2 H2 + 1

2O2 −→ H2O 12700 142200CO CO + 1

2O2 −→ CO2 12600 10100

ถาเชอเพลงกาซประกอบดวยกาซ k ชนดทเผาไหมได สดสวนโดยปรมาตรคอ y1, y2, ..., yk และกาซแตละชนดมคาความรอนสงตอปรมาตรเทากบ HHV1, HHV2, ..., HHVk ตามลำดบ คาความรอนสงตอปรมาตรของเชอเพลงกาซสามารถคำนวณไดดงน

HHV = y1HHV1 + y2HHV2 + ...+ ykHHVk (4.24)

ถาเชอเพลงเหลวประกอบดวยของเหลว k ชนดทเผาไหมได สดสวนโดยมวลคอ x1, x2, ..., xk และกาซแตละชนดมคาความรอนสงตอมวลเทากบ HHV1, HHV2, ..., HHVk ตามลำดบ คาความรอนสงตอมวลของเชอเพลงเหลวสามารถคำนวณไดดงน

HHV = x1HHV1 + x2HHV2 + ...+ xkHHVk (4.25)


ตารางท 4.4 แสดงปรมาณนำทเกดจากการเผาไหมเชอเพลงแตละชนด จะเหนวาเชอเพลงทกชนดยกเวน CO ใหนำเปนผลผลต ถากำหนดให Vi เปนปรมาตรของนำทเกดจากการเผาไหมเชอเพลง i 1m3 ปรมาตรรวมของนำทเกดจากการเผาไหมเชอเพลงกาซ 1 m3 ทประกอบดวยกาซ k ชนดทเผาไหมไดมคาดงน

V = y1V1 + y2V2 + ...+ ykVk (4.26)

คาความรอนแฝงในการกลายเปนไอของนำทอณหภม 25C เทากบ 1962 kJ/m3 ดงนนคาความรอนตำของเชอเพลงกาซ

LHV = HHV − 1962V (4.27)

ในกรณของเชอเพลงเหลว คาความรอนตำหาไดจากสมการ (4.20) แต xM = 0 เนองจากเชอเพลงเหลวมนำปนอยนอยมาก

ตวอยาง เชอเพลงแขงประกอบดวย C 70%, H 5%, O 4%, S 1%, ความชน 10% และเถา 10%หาคาความรอนสงและความรอนตำของเชอเพลง

วธทำผลรวมของสดสวนโดยมวลของธาตทง 4 ธาต ความชนและเถาเทากบ 100% ดงนนขอมลทโจทยให

มาจงเปนสดสวนโดยมวลจากการวเคราะหขนสดทายของถานหนทมความชนและเถา กลาวคอ xC,ar

= 0.70, xH,ar = 0.05, xO,ar = 0.04, xS,ar = 0.01, xM = 0.10 และ xA = 0.10 คาความรอนสงคำนวณจากสมการ (4.22)

HHV = 33700(0.7) + 144200(0.05− 0.04/8) + 9300(0.01)

= 30172 kJ/kg

คาความรอนตำคำนวณจากสมการ (4.23)

LHV = 30172− 2440(9× 0.05 + 0.1)

= 28828 kJ/kg

ตวอยาง เชอเพลงกาซประกอบดวย CH4 80%, H2 15% และ CO 5% หาคาความรอนสงและความรอนตำของเชอเพลง

วธทำคาความรอนสงคำนวณจากสมการ (4.24) และตารางท 4.4

HHV = 39700(0.8) + 12700(0.15) + 12600(0.05)

4.4. อตราสวนอากาศตอเชอเพลงจรง 49

= 34295 kJ/m3

ปรมาณนำเกดจากการเผาไหมเชอเพลง 1 m3 ไดจากสมการ (4.26) และตารางท 4.4

V = 2× 0.8 + 1× 0.15

= 1.75 m3

คาความรอนตำคำนวณจากสมการ (4.27)

LHV = 34295− 1960× 1.75

= 30865 kJ/m3

4.4 อตราสวนอากาศตอเชอเพลงจรงการคำนวณปรมาณอากาศทใชในการเผาไหมจรงตองใชขอมลจากการวเคราะหกาซเสยซงม วธ

วเคราะห 2 วธ วธแรกใชเซนเซอรตรวจวดปรมาณกาซตาง ๆ ในกาซเสย โดยสามารถอานคาปรมาณกาซจากเซนเซอรไดทนทแตเซนเซอรแตละตวสามารถวดปรมาณกาซไดเพยงหนงหรอสองชนดเทานน วธทสองจะเกบตวอยางกาซเสยมาวเคราะหในหองปฏบตการ วธทสองไมใหคาปรมาณกาซสวนประกอบทนทเหมอนวธแรกแตสามารถหาปรมาณกาซหลายชนด อปกรณสำหรบวเคราะหกาซเสยดวยวธทสองทไดรบความนยมคอ อปกรณออรแสต (Orsat apparatus) เพราะมราคาไมแพง งายตอการใช และเคลอนยายงาย อปกรณนใชวดสดสวนโดยปรมาตรหรอโดยโมลของ CO2, CO และ O2 ในกาซเสยแหงถาสมมตวามกาซเพยงสชนดในกาซเสยแหง (CO2, CO, O2 และ N2) ขอมลทไดจากอปกรณออรแสตสามารถใชหาสดสวนโดยปรมาตรของ N2 ไดดงน

yN2= 1− yCO2

− yCO − yO2(4.28)

เมอทราบสดสวนโดยปรมาตรของกาซสวนประกอบในกาซเสยแลวกสามารถหาอตราสวนอากาศตอเชอเพลงจรง (AFRA) ไดโดยใชวธใดวธหนงในสองวธตอไปน

4.4.1 วธทหนงวธนใหคา AFRA ซงอตราสวนโดยมวลจงเหมาะกบเชอเพลงแขงและเชอเพลงเหลวเรมตนจาก

นยามของ AFRA

AFRA =มวลอากาศทใชในการเผาไหม

มวลเชอเพลง=

1

0.767

(มวลของ N2 ในอากาศทใชเผาไหม

มวลเชอเพลง

)


=1

0.767

(มวลของ N2 ในกาซเสย − มวลของ N2 ในเชอเพลง


)

=1

0.767

(28(จำนวนโมลของ N2 ในกาซเสย)

มวลเชอเพลง− xN,ar

)(4.29)

โดยท xN คอสดสวนโดยมวลของธาต N ในเชอเพลง C ทเผาไหมจะกลายเปน CO หรอ CO2 กำหนดให xcb เปนสดสวนโดยมวลของ C ทเผาไหมตอ 1 kg เชอเพลง ดงนน

xcb =มวลของ CO และ CO2 ในกาซเสย

มวลเชอเพลง=

12(จำนวนโมลของกาซเสย)(yCO + yCO2)

มวลเชอเพลง=⇒ มวลเชอเพลง = 12(yCO + yCO2

)(จำนวนโมลของกาซเสย)xcb

(4.30)

โดยท xcb คอสดสวนโดยมวลของ C ในเชอเพลงทเผาไหม แทนคามวลเชอเพลงจากสมการ (4.30) ในสมการ (4.29) ไดผลลพธดงน

AFRA =1

0.767

(28xcbyN2

12(yCO + yCO2)− xN,ar

)(4.31)

xcb มคานอยมากหรอเปนศนยถาเชอเพลงเปนนำมนเตาหรอกาซธรรมชาต แตการเผาไหมเชอเพลงแขงมกกอใหเกดคารบอนทไมเผาไหมซงอาจเปนเพราะคารบอนสวนนนไมไดสมผสกบอากาศหรอเวลาในการเผาไหมนอยเกนไป ในบางครงการหาคา xcb จะตองใชวธทางออมเพราะการวดโดยตรงคอนขางยาก โดยทวไปสงททราบเกยวกบเชอเพลงแขงคอสดสวนโดยมวลของเถา (xA) ผลผลตจากการเผาไหมทเปนของแขงเรยกวาขเถา (refuse) ซงจะประกอบดวยคารบอนผสมกบเถา ถานำขเถาไปวเคราะหกจะทราบสดสวนโดยมวลของคารบอน (xcr) ขอมลเหลานใชหาคา xcb

มวลเถาในขเถามวลขเถา

= 1− xcr

มวลเถาในเชอเพลงมวลเชอเพลง

= xA

มวลขเถามวลเชอเพลง

=xA

1− xcr

มวลคารบอนในขเถามวลเชอเพลง

=

(มวลคารบอนในขเถา

มวลขเถา

)×

(มวลขเถา


)=

xcrxA1− xcr

xcb =มวลคารบอนทเผาไหม


4.4. อตราสวนอากาศตอเชอเพลงจรง 51

=มวลคารบอนทงหมดในเชอเพลง

มวลเชอเพลง− มวลคารบอนในขเถา


ดงนน

xcb = xC,ar −xcrxA1− xcr

(4.32)

ตวอยาง ถานหนลกไนตมสดสวนโดยมวลของธาตตาง ๆ ดงน C 36%, H 3%, O 8%, S 0.64%,N 0.84%, ความชน 36% และเถา 15.52% เมอเผาไหมถานหนกบอากาศ พบวาไดกาซเสยแหงซงประกอบดวย CO2 18.57%, O2 5.84%, SO2 0.13% และ CO 0.66% นอกจากนพบวาขเถาประกอบดวยคารบอน 7.18% จงคำนวณหาอตราสวนอากาศตอเชอเพลงจรง

วธทำ

yN2= 1− yCO2

− yO2− ySO2

− yCO

= 0.748

xcb = 0.36− 0.0718× 0.1552

1− 0.0718

= 0.348

AFRA =1

0.767

(28× 0.348× 0.748

12(0.0066 + 0.1857)− 0.0084

)= 4.11 kgair/kgfuel

4.4.2 วธทสองวธนเหมาะกบเชอเพลงทไมมไนโตรเจนเปนสวนประกอบซงไดแกเชอเพลงเหลวและเชอเพลงกาซ

สมมตวาเชอเพลงมสตรเคม CaHbScOd สมการเผาไหมพอดของเชอเพลงนดดแปลงจากสมการ (4.8)

CaHbScOd +

(a+

b

4+ c− d

2

)(O2 + 3.76N2) −→

aCO2 +b

2H2O+ cSO2 + 3.76

(a+

b

4+ c− d

2

)N2 (4.33)

ในการเผาไหมจรงจะมปรมาณอากาศมากกวาปรมาณอากาศพอดซงทำใหม O2 ในกาซเสย นอกจากนการเผาไหมอาจไมสมบรณซงทำใหม CO ในกาซเสยดวย สมการเผาไหมจรงจงอาจเขยนไดดงน

CaHbScOd + α

(a+

b

4+ c− d

2

)(O2 + 3.76N2) −→ (a− β)CO2 + βCO +

b

2H2O+ cSO2 +

[(α− 1)

(a+

b

4+ c− d

2

)+

β

2

]O2 +


3.76α

(a+

b

4+ c− d

2

)N2 (4.34)

α คอ อตราสวนอากาศ (air ratio) ซงมคาเทากบอตราสวนระหวาง AFRA กบ AFRT สดสวนโดยโมลของ O2, CO และ N2 ในกาซเสยไดจากสมการ (4.29)

yO2=

(α− 1)(a+ b/4 + c− d/2) + β/2

Ntotal(4.35)

yCO =β

Ntotal(4.36)

yN2=

3.76α(a+ b/4 + c− d/2)

Ntotal(4.37)

โดย Ntotal เทากบจำนวนโมลของกาซเสย กำจด β และ ออกจากสมการ (4.30) โดยใชสมการ (4.31)

yO2− 1

2yCO =

(α− 1)(a+ b/4 + c− d/2)

Ntotal(4.38)

หารสมการ (4.32) ดวยสมการ (4.33)yN2

yO2− 0.5yCO

=3.76α

(α− 1)

แกสมการหา α

α =yN2

yN2− 3.76(yO2

− 0.5yCO)(4.39)

หลงจากไดคา α แลว AFRA คำนวณไดจากAFRA = αAFRT (4.40)

ตวอยาง C3H8 เผาไหมในอากาศแลวไดกาซเสยแหงซงมสดสวนโดยปรมาตรของ CO2, O2 และCO เทากบ 11.5%, 2.7% และ 0.7% ตามลำดบ จงหาอตราสวนอากาศตอเชอเพลงจรงในการเผาไหม

วธทำคา AFRT ของ C3H8 เทากบ 23.8 โมลอากาศ/โมลเชอเพลง ในการหาคา α จากสมการ (4.31)

ตองทราบสดสวนโดยปรมาตรของ N2 ซงคำนวณไดดงนyN2

= 1− yCO2− yO2

− yCO

= 0.851

และเนองจากเชอเพลงไมม N (e = 0) ดงนนα =

0.851/(0.027− 007/2)

0.851/(0.027− 007/2)− 3.76

= 1.116

=⇒ AFRA = 1.116× 23.8 = 26.56 molair/molfuel

4.5. อากาศสวนเกน 53

4.5 อากาศสวนเกนปรมาณอากาศเชงทฤษฎเปนเพยงความตองการขนตำสำหรบการเผาไหมสมบรณ แตในความเปน

จรงความตองการอากาศสำหรบการเผาไหมจะมากกวานเพราะอากาศกบจะไมผสมกนอยางทวถง จะมบางบรเวณทมอากาศมากเกนไป (lean mixture) และบางบรเวณทมเชอเพลงมากเกนไป (rich mix-ture) ซงอนหลงนจะเปนตนเหตของการเผาไหมไมสมบรณ เพอแกปญหาน อากาศทใหในการเผาไหมจะตองมสวนเกนจากปรมาณพอดตามทฤษฎ อากาศสวนเกนมกบงบอกเปนเปอรเซนตของปรมาณอากาศเชงทฤษฎ ตวอยางเชน อากาศสวนเกน 20% คอปรมาณอากาศทมากกวาปรมาณอากาศเชงทฤษฎ 20%สตรการคำนวณเปอรเซนตอากาศสวนเกน (e) คอ

e =

(AFRA −AFRT

AFRT

)× 100 (4.41)

ถงแมวาอากาศสวนเกนจะลดการเผาไหมไมสมบรณ แตอากาศสวนเกนจะทำใหเกดการสญเสยพลงงานความรอน เนองจากความรอนบางสวนจะตองถกใชไปกบการทำให N2 และ O2 บางสวนในอากาศสวนเกนรอนขนกอนทมนจะถกปลอยออกไปสสงแวดลอม ความตองการอากาศสวนเกนขนอยกบปจจยหลายอยาง เชน ชนดของเชอเพลง ลกษณะเตาเผา ลกษณะหวเผา (burner) และอตราการผลตไอนำ ตามปกตถานหนตองการอากาศสวนเกน 15-30% ในขณะทเชอเพลงกาซตองการ 5-10%และเชอเพลงเหลวตองการ 3-15% สำหรบอตราการผลตไอนำมผลตออากาศสวนเกนเพราะอตราการผลตไอนำแปรผนกบอตราการไหลของกาซเสยถากาซเสยไหลชาลง การผสมกนระหวางอากาศกบเชอเพลงอยางเหมาะสมจะเกดยากขน ดงนนปรมาณอากาศสวนจะตองเพมมากขนถาอตราการผลตไอนำลดลง ในกรณของการเผาไหมโดยใชถานหนปรมาณอากาศสวนเกนอาจตองเพมขนเทาตวถาอตราการผลตไอนำลดลงครงหนง

การวดอากาศสวนเกนอาจกระทำไดทางออมจากการวดสดสวนของ O2 และ CO2 ในกาซเสย ถาสมมตวาการเผาไหมเชอเพลง CmHn เปนการเผาไหมสมบรณโดยม O2 ในกาซเสย

CmHn + α(m+

n

4

)(O2 + 3.76N2) −→ mCO2 +

[(α− 1)

(m+

n

4

)]O2

+n

2H2O+ 3.76α

(m+

n

4

)N2 (4.42)

สดสวนโดยโมลของ O2, CO2 ในกาซเสยแหงและอากาศสวนเกนของปฏกรยาการเผาไหมนมคาเทากบ

yO2=

[(α− 1)(m+ n/4)

4.76α(m+ n/4)− n/4

yCO2=

m

4.76α(m+ n/4)− n/4

e = 100(α− 1)

ซงทำใหไดสมการระหวาง yO2และ yCO2

กบ e ดงน

yO2=

0.01e

4.76(1 + 0.01e)− n/(4m+ n)


yCO2=

4m/(4m+ n)

4.76(1 + 0.01e)− n/(4m+ n)

รปท 4.1 เปนกราฟระหวาง yO2และ yCO2

กบ e ในการเผาไหมเชอเพลง CmHn ทมคา m และn ตางกน จะเหนวาเสนโคงของ yO2

ในการเผาไหมทกเชอเพลงมลกษณะคลายกนมาก ในทางตรงขามเสนโคงของ yCO2

ขนกบชนดของเชอเพลงอยางชดเจน เหตผลคอ CO2 ขนกบสดสวนของคารบอนในเชอเพลง ถานหนมสดสวนของคารบอนมากกวากาซมเทน ปรมาณ CO2 ทไดจากการเผาไหมถานหนจงมากกวาทไดจากการเผาไหมกาซมเทน

รปท 4.1: ความสมพนธระหวาง yO2และ yCO2

กบ e ในการเผาไหมเชอเพลงไฮโดรคารบอน

ถงแมวาปรมาณอากาศสวนเกนจะหาไดจากการวด O2 หรอ CO2 แตการวด O2 เปนทนยมมากกวาเนองจาก

• เสนโคงการเปลยนแปลง O2 ตามเปอรเซนตอากาศสวนเกนจะคลายกนไมวาเชอเพลงจะเปนถานหน นำมนเตาหรอกาซธรรมชาต ในขณะทชนดของเชอเพลงมผลอยางมากตอเสนโคงของCO2

• เสนโคงของ CO2 มความชนนอยกวาเสนโคงของ O2 ซงทำใหการวด CO2 ตองมความแมนยำสงกวาการวด O2 เพอใหไดคาอากาศสวนเกนทมความคลาดเคลอนเทากน

• CO2 ละลายนำดกวา O2 การวดปรมาณอากาศสวนเกนดวยการวด CO2 จงอาจใหคาทผดพลาดมากกวา

รปท 4.2 แสดงการเปลยนแปลงของสดสวนของ CO2, O2 และ CO ตามปรมาณอากาศทใชเผาไหมเปนทนาสงเกตวาสดสวนของ CO2 ทมากเปนสงดเพราะหมายความวาการเผาไหมมประสทธภาพสง ในทางตรงขามสดสวนของ O2 ทมากเกนไปเปนสงทไมพงประสงคเพราะมนหมายถงความรอนปรมาณมากทสญเสยไปกบอากาศสวนเกน

ถงแมวาปรมาณ O2 ทเพมขนจะบงบอกถงอากาศสวนเกนทเพมขน แตถามอากาศรวไหลเขามาในระบบหลงจากการเผาไหมสนสดแลว ปรมาณ O2 จะไมสามารถใชหาปรมาณอากาศสวนเกนอยาง

4.6. อณหภมจดนำคาง 55

รปท 4.2: การเปลยนแปลงของสดสวนของ O2 CO2 และ CO ในกาซเสยตามอากาศสวนเกน

ถกตองเพราะ O2 บางสวนมาจากอากาศทรวไหลเขามาในระบบ ถาคดวาปรมาณ O2 ทวดไดมาจากการเผาไหมเพยงแหลงเดยวและไปลดปรมาณ O2 ผลทตามมาอาจเปนการเผาไหมไมสมบรณเพราะโดยแทจรงแลว กระบวนการเผาไหมกำลงขาดอากาศ

สดสวนของ CO ท เพมขนกบงบอกอยางชดเจนถงการเผาไหมไมสมบรณทรนแรงขน โดยไมขนกบการรวไหลของอากาศเขาสระบบ การวดทง O2 และ CO อาจกระทำควบคกนเพอผลการวเคราะหอากาศสวนเกนทแมนยำ ดงทไดกลาวไวขางตน อากาศสวนเกนทำใหเกดการสญเสยพลงงาน ดงนนปรมาณอากาศสวนเกนควรจะนอยทสดเทาทจะทำใหการเผาไหม เกดขนอยางสมบรณ วธหนงท ใชควบคมปรมาณอากาศสวนเกนไดคอการลดอากาศสวนเกนลงมาเรอย ๆ ถาพบวาสดสวนของ O2 มากไปพรอมกบตรวจวด CO เมอ CO เรมเพมขน กใหหยดลดอากาศสวนเกนแลวใหเพมมนขนมาตามเลกนอยสมควร ปรมาณอากาศสวนเกนทไดขณะนนาจะเปนคาทเหมาะสมทสดในแงของการสงเสรมการเผาไหมสมบรณและการประหยดพลงงาน

4.6 อณหภมจดนำคางเนองจากถานหนมกำมะถน เปนสวนประกอบ กาซ เสยจะประกอบไปดวย SO2 ซง เกดขนจาก

ปฏกรยาS+ O2 −→ SO2

SO2 จะทำปฏกรยากบ O2 กลายเปน SO3

SO2 +1

2O2 −→ SO3

ถาไอนำในกาซเสยควบแนน SO3 จะทำปฏกรยากบนำจะทำใหเกดกรดซลฟรก (sulfuric acid)SO3 + H2O −→ H2SO4


ซงมความสามารถในการกดกรอนโลหะสง จงเปนอนตรายตออปกรณททำดวยโลหะ ดงนนจงมความจำเปนตองปองกนการเกดกรดชนดนขนดวยการเลอกใชถานหนทมกำมะถนตำและตดตงระบบกำจดSO2 นอกจากนยงควรควบคมไมใหเกดการควบแนนของไอนำในกาซเสยทจะทำใหมนำมาทำปฏกรยากบกาซ SO2 ได

ไอนำในกาซเสยเกดจากปฏกรยาการเผาไหมทความดนบรรยากาศ (p) เทากบ 1 atm ความดนยอย(partial pressure) ของไอนำ (pH2O) มคาเทากบ

pH2O = yH2Op

โดยท yH2O คอสดสวนโดยโมลของไอนำ ถาอณหภมของกาซเสยลดลงเรอย ๆ โดยทความดนคงทท1 atm ในทสดไอนำจะควบแนน อณหภมทการควบแนนเรมเกดขนเรยกวาอณหภมจดนำคาง (dew-point temperature) ซงมคาเทากบอณหภมของไอนำอมตวทความดน pH2O ตราบใดทอณหภมของกาซเสยสงกวาอณหภมน จะไมมการควบแนนของนำ ดงนนอณหภมของกาซเสยจงถกควบคมใหสงกวาอณหภมจดนำคางของกาซเสย

4.7 อปกรณเผาไหมหวขอทผานมากลาวถงองคประกอบทางเคมของการเผาไหมซงประกอบดวยเชอเพลงและอากาศ

แตการเผาไหมจะเกดขนไดอยางสมบรณกตอเมอมองคประกอบทางกายภาพทเหมาะสมดวย ปจจยททำใหการเผาไหมเกดขนอยางสมบรณมสามประการคอ

1. อณหภมของเชอเพลงจะตองสงกวาอณหภมจดระเบด (ignition temperature) เชอเพลงทผสมกบอากาศจะไมทำปฏกรยาเผาไหมกนถาอณหภมของเชอเพลงตำเกนไป การเผาไหมจะเกดขนเมอเชอเพลงไดรบความรอนจนมอณหภมถงอณหภมจดระเบด ตารางท 4.5 แสดงอณหภมจดระเบดของเชอเพลงบางชนดทใชในโรงไฟฟา

ตารางท 4.5: อณหภมจดระเบดของเชอเพลงบางชนด

เชอเพลง อณหภมจดระเบด (C)C 700S 243H2 500CO 609CH4 580C2H6 515C3H8 480

4.7. อปกรณเผาไหม 57

2. เชอเพลงกบอากาศตองผสมกนอยางทวถง ถงแมวาจะมปรมาณอากาศมากเมอเทยบกบเชอเพลงแตการเผาไหมอยางไมสมบรณกอาจเกดขนถามบางจดทมอากาศไมเพยงพอกบเชอเพลงอนเปนผลจากการทอากาศกบเชอเพลงไมไดผสมกนอยางทวถง วธหนงทชวยทำใหเชอเพลงกบอากาศผสมกนคอการทำใหเกดการไหลปนปวนของอากาศผานเชอเพลง

3. มเวลาทมากพอสำหรบการเผาไหม การเผาไหมอาจไมสมบรณในชวงเวลาสน ๆ เนองจากการผสมกนระหวางอากาศกบเชอเพลงอาจไมเกดขนอยางทนททนใด แตถาใหเวลาการเผาไหมทมากพอ การผสมกนกมโอกาสเกดขนและในทสดการเผาไหมกจะเปนไปอยางสมบรณ

การเผาไหมของเชอเพลงเกดขนภายในเตาเผา (furnace) ซงถกออกแบบมาเพอการเผาไหมแบบสมบรณโดยคำนงถงปจจยทงสามประการดงกลาว ดงนนอปกรณเผาไหมในเตาเผาจะถกออกแบบใหม(1) มระบบใหความรอนแกเชอเพลงเพอเพมอณหภมใหสงกวาอณหภมจดระเบด (2) ควบคมปรมาณอากาศสำหรบการเผาไหม ไดและมระบบการผสมเชอเพลงกบอากาศ และ (3) มขนาดใหญพอท ใหอากาศกบเชอเพลงมเวลาเผาไหมทเพยงพอ

4.7.1 อปกรณเผาไหมเชอเพลงกาซและเชอเพลงเหลวอปกรณหลกคอ หวเผา (burner) ซงมหนาทสำคญประการแรกคอ จายเชอเพลงกบอากาศและผสม

กบเชอเพลงกบอากาศระหวางการเผาไหม รปท 4.3 แสดงการไหลของเชอเพลงและอากาศในหวเผา จะเหนวาเชอเพลงและอากาศไหลแยกกนภายในหวเผาและจะผสมกนนอกหวเผา การทเชอเพลงไมผสมกบอากาศภายในหวเผาทำใหการเผาไหมไมเกดขนภายในหวเผาและชวยปองกนอบตเหต อยางไรกตามหวเผาตองไดรบอาการออกแบบใหเชอเพลงตองผสมกบอากาศนอกหวเผา รปท 4.3 แสดงใหเหนวาอากาศมการไหลวนซงทำใหเกดการไหลแบบปนปวนของอากาศ นอกจากนอากาศบางสวนยงไหลยอนกลบเขาเปลวไฟซงทำใหมการผสมกนระหวางอากาศกบเชอเพลงอยางมประสทธภาพ

รปท 4.3: การไหลของเชอเพลงและอากาศในหวเผา

หนาทอกประการหนงของหวเผาคอ จดระเบดเชอเพลงให เกดการเผาไหม การใหความรอนแกเชอเพลงนยมใชประกายไฟจากความตางศกยไฟฟา 11 kV ซงทำใหเกดเปลวไฟนำรอง (pilot flame)


และนำไปสเปลวไฟหลก (main flame) ในทสด พลงงานททำใหเกดการจดระเบดขนกบหลายปจจยเชน ชนดของเชอเพลง ความเรวของเชอเพลง อตราสวนอากาศตอเชอเพลง เปนตน พลงงานมคาตำสดเมออตราสวนอากาศตอเชอเพลงเปนอตราสวนอากาศตอเชอเพลงเชงทฤษฎ หลงจากไดเปลวไฟหลกแลว หวเผาตองทำหนาทควบคมเปลวไฟใหมเสถยรภาพเพอใหการเผาไหมเกดขนอยางตอเนอง หวเผามกลไกการควบคมปรมาณอากาศและเชอเพลงเพอใหเปลวไฟมเสถยรภาพ อตราการไหลของเชอเพลงจะมคาตำสดคาหนงซงทำใหเปลวไฟมเสถยรภาพได ในขณะเดยวกนหวเผากถกออกแบบใหจายเชอเพลงไดไมเกนอตราการไหลสงสด อตราสวนระหวางอตราการไหลสงสดกบอตราการไหลตำสดของเชอเพลงในหวเผาเรยกวา อตราลดเปลวไฟ (turndown ratio) ในสภาวะทอตราลดเปลวไฟมคาตำ อตราการไหลของเชอเพลงและอากาศจะลดลงจากสภาวะปกต การผสมกนของอากาศกบเชอเพลงจะยากขนเนองจากความปนปวนของการไหลของอากาศลดลงตามอตราการไหล ดงนนอตราสวนอากาศตอเชอเพลงจงตองเพมขนเพอควบคมใหการเผาไหมสมบรณ

ในกรณของเชอเพลงเหลว การเผาไหมจะยากกวาการเผาไหมเชอเพลงกาซเนองจากเชอเพลงเหลวตองไดรบความรอนเพอเปลยนสถานะเปนไอกอนทจะเผาไหม ความเรวของการเปลยนสถานะขนกบพนผวของเชอเพลงเหลว ดงนนหวเผาสำหรบเชอเพลงเหลวจงประกอบดวยหวฉด (atomizer) ซงจะทำใหเชอเพลงแตกตวเปนละอองเลก ๆ จำนวนมาก ขนาดของละอองท เลกลงจะเพมพนผวสมผสระหวางเชอเพลงกบอากาศ ทำใหเชอเพลงกลายเปนไอเรวขนและเพมโอกาสของการเกดการเผาไหมสมบรณ มหลายวธททำใหเชอเพลงแตกตวเปนละอองไดเชน (1) การสงเชอเพลงภายใตความดนสงผานรเลก ๆ (2)การสงเชอเพลงทความดนปกตใหไหลมาบรรจบกบไอนำหรออากาศทมความดนสงตรงทางออกของหวฉดหรอ (3) การสงเชอเพลงผานทอกลวงทหมนรอบแกนดวยความเรวสง แรงหนศนยกลางจะทำใหเชอเพลงแตกตวเปนละอองทปลายหวฉด

4.7.2 อปกรณเผาไหมเชอเพลงแขงสวนประกอบของเชอเพลงแขงท เผาไหมไดคอสารระเหยและคารบอนอสระ สารระเหยคอ กาซ

หลายชนดทแทรกตวในเชอเพลงโดยมกาซบางชนดเชน H2, CH4 และ CO ทเผาไหมได เมอเชอเพลงแขงไดรบความรอน สารระเหยจะถกขบออกจากเชอเพลงและกาซท เผาไหมไดจะเผาไหมกบอากาศความรอนทเกดขนจะทำใหเชอเพลงแขงกลายเปนถานโคกซงกคอคารบอนอสระกบเถา จากนนถานโคกกจะเผาไหมกบอากาศจนกลายเปนขเถาในทสด การเผาไหมถานโคกเกดขนคอนขางชาและเปนสาเหตททำใหเชอเพลงแขงเผาไหมไดยากกวาเชอเพลงเหลวและเชอเพลงกาซ อปกรณเผาไหมเชอเพลงแขงจงมความซบซอนมากกวาอปกรณเผาไหมเชอเพลงเหลวและเชอเพลงกาซ อปกรณเผาไหมเชอเพลงแขงทใชในโรงไฟฟาแบงเปน เครองปอนเชอเพลง (mechanical stoker) เครองบดละเอยดกบหวเผา(pulverizer-burner system) และระบบเผาไหมแบบฐานไหล (fluidized bed combustion system)

เครองปอนเชอเพลงสวนประกอบสำคญของเครองปอนเชอเพลงแขงคอ ตะกรบ (grate) ซง เปนฐานสำหรบกองเชอ

เพลงขณะเผาไหม ตะกรบอาจถกออกแบบใหอยนงหรอเคลอนท ได เชอ เพลงทผานกระบวนการลดขนาดจนมขนาดเลกพอเหมาะจะถกปอนเขาตะกรบดวยวธตาง ๆ เชน ปอนจากดานลาง ปอนจากดาน


บน และปอนจากเครองกระจาย (spreader) ซงขบเคลอนดวยมอเตอร การปอนเชอเพลงดวยเครองกระจายนบวามประสทธภาพมากทสดเพราะทำให เชอเพลงกระจายไปทวตะกรบและไมกระจกตวทจดใดจดหนง การจดระเบดการเผาไหมอาจใชหวเผาทใชเชอเพลงเหลวหรอเชอเพลงกาซ หรออาจใชแหลงความรอนซงอาจเปนโคง (arch) ทแผรงสความรอนมายงกองเชอเพลงเพอใหมอณหภมสงพอทจะเรมการเผาไหมได นอกจากนจะตองมระบบการควบคมอากาศใหมปรมาณมากพอสำหรบการเผาไหมสมบรณ รปท 4.4 แสดงใหเหนแผนภาพของเครองปอนเชอเพลงแขงแบบทใชเครองกระจาย (spreaderstoker) จะเหนวามการจายอากาศเขาทางดานลางเพอเผาไหมเชอเพลงบนตะกรบและทางดานบนเพอเผาไหมอนภาคเชอเพลงทลอยขนไปในอากาศ

รปท 4.4: เครองปอนเชอเพลงแขงแบบทใชเครองกระจาย

เครองปอนเชอเพลงแขงแบบทใชเครองกระจายเหมาะกบโรงไฟฟาขนาดเลกเพราะใหอตราการเผาไหมทคอนขางตำซงเปนผลจากอตราการปอนเชอเพลงทจำกด ดงนนอปกรณเผาไหมประเภทนเกอบทงหมดจงพบในโรงไฟฟาชวมวล ขอไดเปรยบอกประการหนงซงทำใหอปกรณเผาไหมประเภทนไดรบความนยมในโรงไฟฟาชวมวลคอ เชอเพลงชวมวลบางชนดเชนแกลบและชานออยมขนาดเลกอยแลวและไมตองผานกระบวนการลดขนาดอก

เครองบดละเอยดกบหวเผากอนเชอเพลงแขงทมขนาดใหญเผาไหมยาก ถาเชอเพลงแขงสามารถถกทำใหละเอยดเปนผง การ

เผาไหมจะงายขนมาก ถานหนเปนเชอเพลงแขงทบดละเอยดไดดวยเครองบดถานหน (pulverizer) การออกแบบเครองบดถานหนตองพจารณาปจจยสำคญ 3 ประการคอความชนของถานหน ความสามารถในการถกบดและปรมาณสารระเหยในถานหน ความชนทำใหผงถานหนจบตวกนเปนกอน ดงนนในเครองบดถานหนตองมการเปาถานหนใหแหงโดยใชอากาศรอน ความสามารถในการถกบดวดไดจากดรรชนฮารดโกรฟซงมคาประมาณ 26 ถง 112 ตวเลขตำหมายถงถานหนทแขงและยากตอการบดสำหรบปรมาณสารระเหยเปนตวบอกวาถานหนควรตองถกบดละเอยดขนาดไหน ถานหนทมสารระเหย


มากอาจตองการการบดนอยกวาถานหนทมสารระเหยนอยเพราะสารระเหยชวยใหการเผาไหมงายขนเพราะฉะนนการบดจงควรทำให 85% ของถานหนแอนทราไซตผานชองตะแกรงเบอร 200 (200 mesh)หรอมขนาดเลกกวา 74 ไมครอน แตทำใหเพยง 60% ของถานหนลกไนตผานชองตะแกรงเบอร 200 การบดถานหนใหละเอยดเกนความจำเปนจะทำใหสญเสยพลงงานโดยใชเหต

ผงถานหนจะถกเกบในถงเกบซงอย ใกลเตาเผาจะทำหนาทปอนผงถานหนส เตาเผาเมอตองการเผาไหมถานหนโดยผงถานหนจะถกสงไปยงสหวเผาทมลกษณะคลายรปท 4.3 แตเชอเพลงจะไหลในทอพรอมกบอากาศดวยระบบนวแมตก หวเผาทำหนาท 4 อยางคอ (1) ผสมของผงถานหนกบอากาศในสดสวนท เหมาะสม (2) จดระเบดและควบคมความม เสถยรภาพของเปลวไฟ (3) ปองกนการไหลยอนของเปลวไฟ (flashback) กลบเขาไปในหวเผา ซงหมายความวาอตราการไหลของสวนผสมของผงถานหนกบอากาศออกจากหวเผาจะตองมากพอ และ (4) เพมเตมอากาศเพอใหการเผาไหมสมบรณ

เครองบดละเอยดกบหวเผาเหมาะกบโรงไฟฟาขนาดใหญเพราะสามารถใหอตราการเผาไหมทสงและตอบสนองตอความตองการพลงงานความรอนทรวดเรว ขอจำกดของอปกรณเผาไหมประเภทนคอเชอเพลงตองอยในสภาพทบดละเอยด เชอเพลงชวมวลสวนมากไมสามารถอยในสภาพบดละเอยดไดจงไมเหมาะทจะใชกบอปกรณเผาไหมประเภทน ดงนนโรงไฟฟาทใชเครองบดละเอยดกบหวเผาจงเปนโรงไฟฟาถานหน

ระบบเผาไหมแบบฐานไหล

รปท 4.5 แสดงอนภาคของแขงจำนวนมากทรวมตวกนเปนฐานอยบนแผนทมรพรน ถาไมมกาซไหลผานแผน อนภาคกจะเรยงตวทบกนตามปกต แตถามกาซทมความเรวมากพอไหลผาน อนภาคของแขงเหลานจะแปรสภาพเปนฐานไหลเพราะอนภาคจะถกพยงตวใหลอยอยในกาซ โดยอนภาคจะคลกเคลากบกาซเปนอยางด ลกษณะทางกายภาพของฐานไหลทมกาซพยงจะคลายกบของไหล

รปท 4.5: หลกการทำงานของฐานไหล

ถาอนภาคเปนกอนถานหนขนาดเลกกวา 32 mm และกาซดงกลาวขางตนเปนอากาศทมความเรว0.6-4.6 m/s ฐานไหลทเกดขนจะมการผสมกนระหวางถานหนกบอากาศอยางทวถง และถาอณหภม


ของฐานไหลสงกวาจดระเบดของการเผาไหม การเผาไหมกจะเกดขน ระบบเผาไหมแบบฐานไหลสามารถเผาไหมถานหนคณภาพตำทมความชน เถาและกำมะถนมากไดเปนอยางด ซงนอกจากถานหนแลว ระบบเผาไหมนยงสามารถใชเชอเพลงแขงอน ๆ เชนฟางขาว ชานออย เศษขยะไดอกดวย

นอกจากเชอเพลงแขงและขเถาจากการเผาไหมแลว ฐานไหลยงประกอบไปดวยทรายซงเปนวสดเฉอยทไมเผาไหมและปนขาว เมดของปนขาวประกอบดวยแคลเซยมคารบอเนต (CaCO3) เปนสวนใหญและม MgCO3 อยบาง CaCO3 จะทำแตกตวเปน CaO และ CO2 เมอไดรบความรอนทเหมาะสม

CaCO3 −→ CaO+ CO2

CaO จะทำปฏกรยากบ SO2 และ O2 ดงน

CaO+ SO2 + 0.5O2 −→ CaSO4

ซงเปนปฏกรยากำจด SO2 อณหภมททำใหเกดปฏกรยานดทสดประมาณ 815C ถง 870C ซงใกลเคยงกบอณหภมการเผาไหมภายในฐานไหล CaSO4 ทเกดขนและตกคางอยในฐานจะถกถายเทออกจากฐานเปนระยะ ๆ สวนทลอยไปกบกาซเสยกจะถกแยกออกจากกาซเสยกอนกาซเสยจะถกปลอยสบรรยากาศ

ระบบเผาไหมในฐานไหลมอณหภมการเผาไหมประมาณ 900C ซงนอยกวาอณหภมในระบบเผาไหมแบบอนมาก ขอดของอณหภมเผาไหมตำนอกจากจะชวยใหปฏกรยากำจดซลเฟอรไดออกไซดเกดขนไดดแลว ยงมขอดอกสองประการ ประการแรกคอ อณหภม เผาไหมตำชวยลดการเกดกาซ NOx

ซงเกดขนมากทอณหภมเผาไหมสง ถงแมวาอณหภมเผาไหมของระบบนจะตำกวาระบบอน แตปจจยสำหรบการเผาไหมสมบรณยงมอยครบครนรวมทงเวลาของการเผาไหมทมากจากการทถานหนสามารถลอยอยในอากาศไดนาน ๆ ประการทสองคอ อณหภมเผาไหมในฐานไหลตำกวาอณหภมเถาหลอมเหลวซงจะลดปญหาการเกดสแลกและฟาวลง

ระบบเผาไหมในฐานไหลทำงานไดทความดนบรรยากาศและทความดนสง ระบบเผาไหมในฐานไหลมสองแบบคอ แบบฟองอากาศ (bubbling fluidized bed combustion) และแบบไหลเวยน (bub-bling fluidized bed combustion) รปท 4.6 แสดงเตาเผาในระบบเผาไหมในฐานไหลแบบฟองอากาศอากาศทไหลเขาฐานไหลมความเรวพอเหมาะทจะทำใหเกดฐานไหลซงเปนพนทสเทาในรป การเผาไหมระหวางเชอเพลงแขงกบอากาศทำใหฐานไหลมอณหภมสง ดงนนจงมการฝงทอนำในฐานไหลเพอถายเทความรอนจากการเผาไหมสนำ นอกจากนผนงของเตาเผาอาจทำดวยผนงนำเพอเพมประสทธภาพการดดกลนความรอนในเตาเผา กาซเสยทลอยขนจากฐานไหลมอณหภมสงและสามารถถายเทความรอนใหเครองทำไอนำยวดยง เครองใหความรอนซำ และเครองประหยดเชอเพลง กาซเสยจะมอนภาคของเชอเพลง ปนขาวและทรายปะปนในปรมาณมาก จงตองใชอปกรณกำจดฝนดกอนภาคเหลานและสงกลบเขาฐานไหล กาซเสยทปราศจากอนภาคจะถกระบายออกจากระบบเผาไหม

รปท 4.7 แสดงระบบเผาไหมในฐานไหลแบบไหลเวยน อากาศทไหลเขาฐานไหลมความเรวสงมากจนทำใหอนภาคของเชอเพลงลอยไปกบอากาศ การกระจายตวของเชอเพลงคอนขางคงททวเตาเผาซงทำใหอณหภมเผาไหมคงทเชนกน ผนงของเตาเผาแบบนเปนผนงนำเพอดดกลนความรอนจากการเผาไหม กาซเสยและเชอเพลงทเหลอจากการเผาไหมจะไหลออกจากเตาเผาเขาสอปกรณกำจดฝนซง


รปท 4.6: ระบบเผาไหมในฐานไหลแบบฟองอากาศ

จะแยกอนภาคของเชอเพลงออกจากกาซเสย เชอเพลงจะถกสงกลบเขาเตาเผา กาซเสยทไหลออกมอณหภมสงและจะไหลผานเครองทำไอนำยวดยง (SH) เครองใหความรอนซำ (RH) เครองประหยดเชอเพลง (Eco) และเครองอนอากาศ (AH) ทอยนอกเตาเผากอนทจะระบายออกสบรรยากาศ

รปท 4.7: ระบบเผาไหมในฐานไหลแบบไหลเวยน

ถงแมวาระบบเผาไหมแบบฐานไหลมขอดมากมาย แตอปกรณเผาไหมมขนาดเลกและราคาแพงจงอาจไม เหมาะกบโรงไฟฟาขนาดใหญแต เหมาะกบโรงไฟฟาขนาดเลกท ใช เชอ เพลงท เผาไหมยากดวยอปกรณ เผาไหมแบบเครองปอนเชอ เพลงและอปกรณ เผาไหมแบบเครองบดละเอยดและหวเผานอกจากนเชอเพลงทมกำมะถนมากซงทำใหเกด SO2 ปรมาณมากและยากแกการกำจดมความเหมาะ


สมทจะเผาไหมดวยอปกรณประเภทน อยางไรกตามมแนวโนมทอปกรณเผาไหมแบบฐานไหลจะไดรบความนยมมากขนในการใชเผาไหมเชอเพลงทหลากหลายมากขน


คำถามทายบท1. ธาตสามตวทเผาไหมไดคออะไร

2. จงระบขอแตกตางระหวางการเผาไหมแบบพอด (stoichiometric combustion) และการเผาไหมแบบสมบรณ (complete combustion)

3. การเผาไหมแบบไมสมบรณมกทำใหเกดกาซใด

4. ในถานหนทมสดสวนโดยมวลของ H เทากบ xH และ สดสวนโดยมวลของ O เทากบ xO จะมสดสวนโดยมวลของไฮโดรเจนอสระ (free hydrogen) เทาไร

5. อตราสวนอากาศ (air ratio) หมายถงอะไร

6. การวเคราะหกาซเสยแหงโดยใช Orsat apparatus จะทำใหทราบสวนประกอบอะไรบางของกาซเสย

7. ทำไมการเผาไหมเชอเพลงในโรงไฟฟาจงตองการอากาศสวนเกนเสมอ

8. การใชอากาศสวนเกนมากเกนไปสงผลอยางไรตอประสทธภาพของโรงไฟฟา และทำไมถงเปนเชนนน

9. เชอเพลงชนดใดระหวาง ถานหน นำมนเตา กาซธรรมชาตตองการอากาศสวนเกนนอยทสด

10. ทำไมการวดปรมาณอากาศสวนเกนดวยเครองวด O2 เพยงอยางเดยวอาจใหคาทผดได

11. ถาเครองวด CO2 และเครองวด O2 มความแมนยำเทากน เครองไหนจะใหคาอากาศสวนเกนทคลาดเคลอนมากกวา เพราะอะไร

12. จงระบปจจยสามประการของการผาไหมแบบสมบรณ

13. ทำไมปรมาณอากาศสวนเกนจงเพมขนเมออตราลดเปลวไฟลดลง

14. เครองปอนเชอเพลงนยมใชเผาไหมเชอเพลงชนดใด

15. จงระบขอเสยของระบบเผาไหมแบบฐานไหลมาสองขอ

16. ปนขาวในระบบเผาไหมแบบฐานไหล (fluidized-bed combustion system) ทำหนาทอะไร

17. ทำไมระบบเผาไหมแบบฐานไหล (fluidized bed) จงกอใหกาซ SO2 นอยกวาระบบทใชถานหนบดละเอยด

18. ทำไมระบบเผาไหมแบบฐานไหลจงกอใหเกด NOx ปรมาณนอย

19. คาความรอนสง (HHV) ของ C4H10 เทากบ 128400 kJ/m3 และคาความรอนแฝงในการควบแนนของไอนำเทากบ 1960 kJ/m3 จงหาคาความรอนตำ (LHV) ของ C4H10


20. ถานหนกอนหนงเมอนำไปวเคราะหขนสดทายในสภาพเดม (as-received basis) พบวาม C70%, H 3%, O 4%, N 2%, S 1%, ความชน 15% และเถา 5% จงหา AFRT

21. เมอเผาไหมถานหนในขอทแลวโดยสมบรณแลวจะไดนำกกโลกรม

22. จงหาอตราสวนอากาศตอเชอเพลงเชงทฤษฎของ C5H12

23. กาซ C4H10 1 m3 เมอเผาไหมโดยสมบรณกบอากาศจะทำใหไดไอนำกลกบาศกเมตร

24. เชอเพลงกาซชนดหนงประกอบดวย CH4 74%, C2H6 17% และ CO 9% ถาคา HHV ของเชอเพลงเทากบ 41475 kJ/m3 และคาความรอนแฝงของการควบแนนไอนำเทากบ 1960 kJ/m3

จงหา LHV

25. ในการเผาไหมเชอเพลงชนดหนงพบวาปรมาณอากาศสวนเกนทใชคอ 30% ถาเชอเพลงนมคาAFRT = 10 kgair/kgfuel จงหา AFRA

บทท 5

เทอรโมไดนามกสของโรงไฟฟาพลงความรอน

5.1 สมบตของไอนำในสภาวะปกตสถานะของนำคอของเหลว ถานำไดรบความรอนทความดนคงท นำจะมอณหภมเพม

ขนจนถงจดเดอด จากนนอณหภมของนำจะไมเพมแตนำจะกลายเปนไอนำเพมขนเรอย ๆ ตราบใดทนำยงไดรบความรอน ในทสดนำจะกลายเปนไอนำทงหมดและไอนำกจะมอณหภมเพมขนถาไอนำยงคงไดรบความรอน รปท 5.1 แสดงใหเหนการเปลยนอณหภมของนำและไอนำเมอไดรบความรอนอยางตอเนองทความดนคงท นำทมอณหภมตำกวาจดเดอดเรยกวา ของเหลวอดตว (compressed liquid หรอsubcooled liquid) นำทมอณหภมเทากบจดเดอดแตยงคงมสถานะเปนของเหลวเรยกวา ของเหลวอมตว (saturated liquid) ไอนำทมอณหภมเทากบจดเดอดโดยไมมของเหลวปะปนเรยกวา ไอนำอมตว(saturated vapor) ไอนำทมอณหภมสงกวาจดเดอดเรยกวา ไอรอนยวดยง (superheated vapor)ชวงระหวางของเหลวอมตวกบไอนำอมตวเปนชวงของของผสมระหวางนำกบไอนำ

รปท 5.1: การเปลยนสถานะของนำเมอไดรบความรอน

68 บทท 5. เทอรโมไดนามกสของโรงไฟฟาพลงความรอน

รปท 5.1 เปนกราฟทความดนหนง ถาเขยนกราฟทความดนอน ๆ กจะไดกราฟคลายกบรปท 5.2จะเหนวาตำแหนงของของเหลวอมตวกอใหเกดเสนโคงทเรยกวา เสนของเหลวอมตว (saturated liquidline) และตำแหนงของไอนำอมตวกอใหเกดเสนโคงทเรยกวา เสนไอนำอมตว (saturated vapor line)เสนโคงสองเสนนบรรจบกนทจดวกฤตซงมอณหภม 374C และความดน 22 MPa กลายเปนโดมครอบพนทท เปนของผสมระหวางนำกบไอนำ พนทน เรยกวาโดมไอ (vapor dome) พนทเหนอโดมไอเปนบรเวณทนำอยในสถานะทไมใชของเหลวหรอไออยางชดเจน ในการเปลยนสถานะของนำจากของเหลวเปนทไมผานเขาไปในโดมไอตามเสนโคงบนสดของรปท 5.2 จะพบวามการเปลยนสถานะจากของเหลวเปนไออยางคอยเปนคอยไป

รปท 5.2: โดมไอ

ในการวเคราะหวฏจกรไอนำ มความจำเปนทจะตองทราบสมบตเชงปรมาณของนำและไอนำ สมบตทสำคญไดแก อณหภม (T ) ความดน (p) ปรมาตรจำเพาะ (v) เอนทลป (h) และเอนโทรป (s) ในบรรดาสมบตเหลาน ตวแปรอสระมกจะเปนอณหภมและความดนเนองจากทงสองตวแปรสะดวกตอการวด ในขณะทปรมาตรจำเพาะ เอนทลปและเอนโทรปจะหาจากอณหภมและความดนโดยใช สตร โปรแกรมคอมพวเตอร ตารางไอนำ (steam table) หรอแผนภมไอนำ (steam chart)

รปท 5.3 แสดงแผนภม h-p ของไอนำ แผนภมนแสดงใหเหนเสนนำอมตว เสนไอนำอมตว เสนเอนโทรปคงท เสนอณหภมคงท และเสนคณภาพไอนำ (steam quality) คงทภายในโดมไอ อยางไรกตามแผนภมนไมไดแสดงเสนปรมาตรจำเพาะคงทเนองจากจะทำใหมจำนวนเสนมากเกนไปและการคำนวณในบทนไมจำเปนตองทราบปรมาตรจำเพาะของไอนำ

ในพนทดานขวาของโดมไอเปนพนทของไอนำยวดยง การหาสมบตของไอนำยวดยงกระทำไดถาทราบสมบตของไอนำสองตว เชน ถาทราบความดนและอณหภม กจะหาเอนทลปและเอนโทรปได หรอถาทราบอณหภมและเอนโทรป กจะหาความดน และเอนทลปได แตภายในโดมไอ อณหภมและความดนไมเปนอสระตอกน อณหภมหรอความดนจงนบเปนหนงตวแปร การหาสมบตไอนำภายในโดมไอจงตองการสมบตอกหนงประการนอกเหนอจากอณหภมหรอความดน สมบตหนงซงนยมใชคอ คณภาพไอนำซงหมายถงอตราสวนโดยมวลของไอนำในของผสมระหวางนำกบไอนำ สญลกษณของคณภาพไอคอ

5.1. สมบตของไอนำ 69

รปท 5.3: แผนภม h-p ของไอนำ

x ดงนน x = 1 จงหมายถงไอนำอมตวและ x = 0 จงหมายถงของเหลวอมตวในพนทดานซายของโดมไอซงเปนพนทของของเหลวอดตว การหาสมบตของของเหลวใชวธการ

เดยวกบพนทดานขวาของโดมไอ อยางไรกตามการใชแผนภมหาคาสมบต ในบรเวณนอาจไมสะดวกเพราะรปท 5.3 ไมไดใหขอมลเพยงพอ อยางไรกตามสมบตของของเหลวอดตวขนกบอณหภมมากกวา


รปท 5.4: วฏจกรคารโนต

ความดน วธทนยมใชหาสมบตของของเหลวอดตวคอ สมมตวาของเหลวอดตวคอของเหลวอมตวทมอณหภมเทากนและใชตารางไอนำหาคาสมบตของนำอมตว วธนใหคาคลาดเคลอนเพยงเลกนอยในการวเคราะหวฏจกรไอนำเพราะเอนทลปของของเหลวมคานอยมากเมอทยบกบเอนทลปของไอนำ

5.2 วฏจกรแรงคนเปนท ทราบกนด วาถากำหนดอณหภมสงสดและตำสดมาให วฏจกรท มประสทธภาพสงสดคอ

วฏจกรคารโนต (Carnot cycle) ซงมนำเปนสารทำงานและมแผนภาพตามรปท 5.4 กระบวนการของวฏจกรนประกอบดวย

• กระบวนการ 1-2 ความรอนเขาสหมอไอนำ (boiler) โดยความดนมคาคงท

• กระบวนการ 2-3 ไอนำขยายตวในเครองกงหน (turbine) โดยเอนโทรปมคาคงท

• กระบวนการ 3-4 ความรอนออกจากเครองควบแนน (condenser) โดยความดนมคาคงท

• กระบวนการ 4-1 นำอดตวในเครองอดกาซ (compressor) โดยเอนโทรปมคาคงท

เปนทนาสงเกตวากระบวนการ 1-2 และกระบวนการ 3-4 มอณหภมคงท การวเคราะหวฏจกรคารโนตสแดงใหเหนวาประสทธภาพของวฏจกรคารโนตขนกบอณหภมสงสดของวฏจกรในกระบวนการ 1-2และอณหภมตำสดในกระบวนการ 3-4 ดงน

η = 1− T4T1

(5.1)

ถาหากโรงไฟฟาถกออกแบบใหทำงานตามวฏจกรคารโนตไดกจะทำใหโรงไฟฟามประสทธภาพสงเชนกน แตปญหาในทางปฏบตทสำคญของวฏจกรคารโนตคอ เครองอดไอจะตองทำหนาทเพมความดนใหของผสมระหวางของเหลวกบไอนำของวฏจกรแรงคนทำใหไอนำกลายเปนนำอมตวแทนทจะเปน

5.2. วฏจกรแรงคน 71

สวนผสมของไอนำกบนำ โดยทวไปเครองอดไอไดรบการออกแบบใหอดกาซอยางมประสทธภาพ ถามของเหลวปะปนไปกบกาซกจะทำใหประสทธภาพของเครองลดลง นอกจากนเครองอดไออาจไดรบความเสยหาย

การดดแปลงวฏจกรคารโนตเพอแกไขปญหาทงสองประการทำใหไดวฏจกรแรงคน (Rankine cy-cle) รปท 5.5 แสดงแผนภาพของวฏจกรแรงคนซงประกอบดวยกระบวนการตอไปน

รปท 5.5: วฏจกรแรงคน

• กระบวนการ 1-2 ความรอนเขาสเครองกำเนดไอนำทความดนคงท

• กระบวนการ 2-3 ไอนำขยายตวในเครองกงหนทเอนโทรปคงท

• กระบวนการ 3-4 ความรอนออกจากเครองควบแนนทความดนคงท

• กระบวนการ 4-1 นำอดตวในเครองสบทเอนโทรปคงท

จากการ เปรยบเทยบแผนภาพ T-s ในรปท 5.4 และ 5.5 พบวาวฏจกรแรงคนแตกตางกบวฏจกรคารโนตตรงทกระบวนการ 4-1 ของวฏจกรแรงคนเกดขนนอกโดมไอและกลายเปนการอดของเหลวแทนทการอดของผสมระหวางของเหลวกบไอนำเหมอนในวฏจกรคารโนต ดงนนจงทำใหตองเปลยนอปกรณจากเครองอดไอเปนเครองสบ ขอได เปรยบของเครองสบเทยบกบเครองอดไอคอ เครองสบตองการงานนอยกวาเครองอดไอมากในการทำใหของไหลมความดนเพมเทากน อยางไรกตามเนองจากกระบวนการทความรอนเขาสวฏจกรแรงคนเกดขนทอณหภมไมคงท วฏจกรแรงคนจงมประสทธภาพดอยกวาวฏจกรคารโนตทมอณหภมสงสดและตำสดเทากบของวฏจกรแรงคน ประสทธภาพของวฏจกรแรงคนสามารถคำนวณไดจาก

η =wnet

qin(5.2)

wnet = (h2 − h3)− (h1 − h4) (5.3)qin = h2 − h1 (5.4)


5.3 การปรบปรงประสทธภาพของวฏจกรแรงคนวฏจกรแรงคนเปนวฏจกรผลตไฟฟาในในโรงไฟฟาพลงความรอน แตวฏจกรแรงคนในรปท 5.5 ม

ประสทธภาพตำเกนไป แนวคดการเพมประสทธภาพของวฏจกรแรงคนคลายกบการเพมประสทธภาพของวฏจกรคารโนตในสมการ (5.1) กลาวคอ ประสทธภาพของวฏจกรแรงคนเพมขนถาอณหภมเฉลยในการถายเทความรอนออกจากวฏจกรลดลงและอณหภมเฉลยของกระบวนการใหความรอนแกวฏจกรเพมขน แนวคดนนำไปสวธการปรบปรงประสทธภาพของวฏจกรแรงคนทใชในโรงไฟฟา 5 วธคอ (1) การลดความดนในเครองควบแนน (2) การผลตไอรอนยวดยงกอนเขาเครองกงหน (3) การเพมความดนในเครองกำเนดไอนำ (4) การใหความรอนซำ และ (5) รเจนเนอเรชน

5.3.1 การลดความดนในเครองควบแนนการลดความดนการควบแนนทำใหอณหภมของการควบแนนลดลงตามไปดวย รปท 5.6 แสดง

แผนภาพ T-s ทเปลยนแปลงจากการลดความดนการควบแนน ผลทไดคอ งานสทธทไดจากวฏจกรเพมขน (พนทแรเงาในรปท 5.6) โดยไมเปลยนความรอนทตองใหมากนก แตการลดอณหภมการควบแนนทำใหตองอาศยแหลงรบความรอน (heat sink) หรอแหลงนำใกลโรงไฟฟามอณหภมตำ ซงเปนขอจำกดของวธน ผลเสยของการลดความดนควบแนนคอ ไอนำทออกมาจากเครองกงหนมความชนสง ละอองนำในเครองกงหนเปนอนตรายตอใบพดของเครองกงหน และทำใหประสทธภาพของเครองกงหนลดลงโดยทวไปเครองกงหนถกออกแบบใหทำงานในสภาวะทไอนำมความชนไมเกน 15%

รปท 5.6: การลดอณหภมเครองควบแนนในวฏจกรแรงคน

5.3.2 การผลตไอรอนยวดยงกอนเขาเครองกงหนไอนำทผานกระบวนการ 1-2 ในรปท 5.5 เปนไอนำอมตว เครองทำไอรอนยวดยง (superheater)

ทำหนาทเปลยนสภาพไอนำอมตวเปนไอนำรอนยวดยง (superheated steam) รปท 5.7 แสดงใหเหนวาการผลตไอนำรอนยวดยงกอนเขาเครองกงหนซงทำใหไอนำ จะเพมทงงานทไดจากเครองกงหนและ

5.3. การปรบปรงประสทธภาพของวฏจกรแรงคน 73

ความรอนทใหกบเครองกำเนดไอนำ อยางไรกตามเมอเปรยบเทยบกบวฏจกรแรงคนแบบธรรมดาในรปท 5.5 งานทเพมขนจากการเพมอณหภมไอนำกอนเขาเครองกงหนมคามากกวาความรอนทตองใหเครองกำเนดไอนำเพมผลลพทสทธจงเปนประสทธภาพของวฏจกรทสงขน การเพมขนของประสทธภาพอาจมองไดวาเปนผลมาจากอณหภมเฉลยของการใหความรอนแกวฏจกรทสงขน นอกจากนผลดอกประการคอการลดลงของปรมาณความชนในของไหลทออกจากเครองกงหน แตในทางปฏบตอณหภมของไอนำถกจำกดใหไมเกน 650C โดยประมาณเนองจากอณหภมทสงกวานจะสงผลเสยตอใบพดของเครองกงหนซงทำดวยโลหะ

รปท 5.7: การเพมอณหภมไอนำทเขาเครองกงหน

5.3.3 การเพมความดนในเครองกำเนดไอนำถาตองการจำกดอณหภมสงสดของของไอนำแตตองการเพมอณหภมเฉลยของการใหความรอนแก

วฏจกรกตองใชวธเพมความดนในเครองกำเนดไอนำ รปท 5.8 เปรยบเทยบแผนภาพ T-s ของวธนกบวธการผลตไอนำรอนยวดยงกอนเขาเครองกงหนในหวขอทแลว จะเหนวาวธนทำใหอณหภมเฉลยของการใหความรอนแกวฏจกรสงขนไดซงทำใหประสทธภาพของวฏจกรสงขนเนองจากงานทไดจากเครองกงหนไมเปลยนแปลงมากนก (พนทแรเงาสองพนทมขนาดใกลเคบงกน) ในขณะทความรอนทใหกบเครองกำเนดไอนำจะลดลงอยางเหนไดชด แตการกระทำเชนนหมายถงการออกแบบเครองกำเนดไอนำทซบซอนขนและตนทนการผลตไฟฟาทสงขน นอกจากนยงมขอจำกดในเรองปรมาณความชนในของไหลทออกจากเครองกงหนทจะเพมขนตามความดนของเครองกำเนดไอนำ

ถาความดนในเครองกำเนดไอนำเพมขนจนเกนความดนวกฤต (22.1 MPa) และอณหภมสงสดชองวฏจกรมคามากพอ กระบวนการใหความรอนวฏจกรจะไมผานโดมไอ วฏจกรจะกลายเปนรปท 5.9 ซงมชอเรยกใหมวาวฏจกรแรงคนเหนอวกฤต (supercritical Rankine cycle) วฏจกรนมประสทธภาพสงกวาวฏจกรแรงคนแบบธรรมดาแตกมตนทนสงกวาเชนกน หมอไอนำททำงานในวฏจกรน ไดตองออกแบบเปนพเศษเพอใหทำงานทความดนสง นอกจากนนำปอนท ไหลเขาหมอไอนำจะตองมความบรสทธซงจะเพมคาใชจายในปรบสภาพนำ


รปท 5.8: การเพมความดนไอนำทเขาเครองกงหนโดยควบคมใหอณหภมสงสดคงท

รปท 5.9: วฏจกรแรงคนเหนอวกฤต

5.3.4 การใหความรอนซำ

โรงไฟฟาพลงความรอนมกใช 3 วธขางตนในการเพมประสทธภาพของวฏจกรแรงคน นอกจากนวธเพมอณหภมเฉลยในกระบวนการใหความรอนแกวฏจกรอกวธหนงคอ การใหความรอนซำ (reheat)รปท 5.10 แสดงแผนภาพของวฏจกรแรงคนทมการใหความรอนซำ ไอนำจากเครองกำเนดไอนำจะไหลผานเครองกงหนเครองแรกกอนทจะไหลเขาสเครองใหความรอนซำ (reheater) ซงทำหนาทเพมอณหภมของไอนำใหสงขนเทากบกอนเขาเครองกงหนเครองแรก จากนนไอนำจะไหลกลบสเครองกงหนเครองทสองกอนไหลออกไปเขาเครองควบแนน การใหความรอนซำอาจกระทำไดมากกวาหนงครง แตการใหความรอนซำจงมกจะกระทำเพยงครง เดยวเพราะถามากกวานประสทธภาพทสงขนจะไมคมคาใชจายทเพมขน ปจจยสำคญทมผลตอประสทธภาพของวฏจกรทมการใหความรอนซำคอความดนในการใหความรอนซำ ถาความดนสงเกนไป ประสทธภาพจะไมเพมมากนก แตถาความดนตำเกนไปประสทธภาพจะลดลงแทนทจะเพมขน ความดนทเหมาะสมมคาประมาณ 20% ของความดนไอนำในเครองกำเนดไอนำ


รปท 5.10: วฏจกรแรงคนทมการใหความรอนซำ

ตวอยาง วฏจกรแรงคนหนงมการใหความรอนซำโดยอณหภมและความดนของไอนำกอนเขาเครองกงหนเทากบ 850 K และ 15 MPa ความดนนำในเครองควบแนนเทากบ 0.01 MPa และคณภาพของไอนำทไหลเขาเครองควบแนนเทากบ 0.9 จงหาความดนไอนำในกระบวนการใหความรอนซำและประสทธภาพของวฏจกรน ถาไมมการใหความรอนซำประสทธภาพของวฏจกรจะเปนเทาไร

รปท 5.11: วฏจกรแรงคนทมการใหความรอนซำในปญหาตวอยาง

วธทำรปท 5.11 แสดงแผนภาพ T-s สำหรบของปญหาน โปรดสงเกตวาโดยทวไปนำทออกจากเครองควบ

แนนทจด 6 อาจสมมตวาเปนของเหลวอมตว จากตารางสมบตของไอนำพบวา h6 = 192 kJ/kg เครองสบใชงานนอยมากในการเพมความดนของนำจาก p6 เปน p1 ดงนน h1 = h6

ไอนำในสถานะ 2 ซงโจทยระบคาอณหภมและความดนมคา h2 = 3510 kJ/kg.K ไอนำในสถานะ5 มความดน 0.01 MPa และคณภาพ 0.9 ดงนน h5 = 2340 kJ/kg.K รปท 5.11 แสดงใหเหนวา s4 =s5 ซงมคาเทากน นอกจากนการใหความรอนซำจะทำให T4 = T2 สมบตทงสองประการ (s4 และ T4)กำหนดสถานะ 4 คา h4 จงเทากบ 3620 kJ/kg และ p4 = 3.5 MPa ความดนนคอ ความดนไอนำใน


กระบวนการใหความรอนซำซงโจทยไมไดระบมาให สถานะ 3 ของไอนำถกกำหนดจากความดน p3 =p4 และ s3 = s2 ซงทำให h3 = 3090 kJ/kg

หลงจากทราบคาเอนทลปของทกสถานะแลวประสทธภาพของวฏจกรแรงคนทมการใหความรอนซำคำนวณไดดงน

wnet = wt

= h2 − h3 + h4 − h5

= 1700 kJ/kgqin = h2 − h1 + h4 − h3

= 3848 kJ/kgη =

1700

3848= 0.44

ถาไมมการใหความรอนซำไอนำจะไหลเขาเครองควบแนนทสถานะ 5′ ซงถกกำหนดจาก s5′ = s2

และ p5′ = 0.01 MPa ดงนน h5′ = 2100 kJ/kg ประสทธภาพของวฏจกรคำนวณไดดงนwnet = h2 − h5′

= 1410 kJ/kgqin = h2 − h1

= 3318 kJ/kgη =

1410

3318= 0.42

5.3.5 รเจนเนอเรชนสาเหตททำใหประสทธภาพของวฏจกรแรงคนดอยกวาวฏจกรคาร โนตคออณหภม เฉลยของการ

ใหความรอนทตำกวาอณหภมสงสดในวฏจกรเพราะความสวนหนงถกใชไปในการอนนำปอน (feedwater) ทเขาเครองกำเนดไอนำ ใหมอณหภมสงขน ถาหากความรอนสวนนถกกำจดไป อณหภมเฉลยของการใหความรอนจะเพมขนพรอมกบประสทธภาพของวฏจกร รปท 5.12 แสดงใหเหนกรณอดมคตซงมการอนนำปอนโดยใหนำปอนไหลวนไปหลอเยนรอบเครองกงหน นำปอนจะรบความรอนจากไอนำทกำลงขยายตวในเครองกงหน ลกษณะการแลกเปลยนความรอนกนภายในวฏจกรเชนน เรยกวารเจนเนอเรชน (regeneration) ถานำปอนและไอนำไหลสวนทางกนและแตละจดของการถายเทความรอนอณหภมไอนำสงกวาอณหภมนำปอนนอยมากจนเกอบเทากน การถายเทความรอนจะเปนแบบผวนกลบได ผลทตามมาคอเอนโทรปทเพมขนของนำปอนจะเทากบเอนโทรปทลดลงของไอนำ และวฏจกรแรงคนทมรเจนเนอเรชนในอดมคต (1-2-3-4-5-1) จะมประสทธภาพเทากบวฏจกรคารโนต (1-2-3′-4′-1)

วฏจกรในอดมคตดงกลาวเปนไปไมไดในทางปฏบต เพราะการเพมอณหภมนำปอนภายในเครองกงหนกระทำไดยากและมความชนในของไอนำทไหลผานเครองกงหนมากเกนไปจนเครองกงหนทำงาน


รปท 5.12: วฏจกรรเจนเนอเรชนในอดมคต

ไมได อยางไรกตามแนวความคดของการใชความรอนจากเครองกงหนเพมอณหภมนำปอนกสามารถนำมาดดแปลงใหการทำรเจนเนอเรชนเปนไปได การดดแปลงทวานคอ การเพมอณหภมนำปอนภายนอกเครองกงหนดวยการดงเอาไอนำบางสวนออกจากเครองกงหนมาอนนำปอนแทนทจะใหนำปอนไหลเขาไปรบความรอนในเครองกงหน ร เจนเนอเรชนลกษณะน ตองใช เครองอนนำปอน (feed waterheater) เสรมเขาไปในวฏจกร เครองอนนำปอนเปนอปกรณถายเทความรอนท ใชไอนำบางสวนจากเครองกงหนอนนำปอน เครองอนนำปอนแบงออกเปน 2 แบบคอ (1) แบบเปด (open feed waterheater) (2) แบบปด (closed feed water heater )

รปท 5.13 แสดงแผนภาพของเครองอนนำปอนแบบเปดซงทำหนาทผสมไอนำทดงมาจากเครองกงหนกบนำปอนจากเครองควบแนน ผลทไดเปนนำอมตวซงมอตราการไหลเทากบผลรวมของอตราการไหลของไอนำและนำปอน ไอนำและนำปอนจะมความดนเทากน ดงนนนำปอนจงตองไหลผานเครองสบกอนไหลเขาเครองอนนำปอนแบบเปด รปท 5.14 แสดงแผนภาพอปกรณและแผนภาพ T-s ของวฏจกรทมเครองอนนำปอนแบบเปด

รปท 5.13: เครองอนนำปอนแบบเปด

ในการหาประสทธภาพของวฏจกรแรงคนทมเครองอนนำปอนแบบเปด สมการ (5.2) ไมสามารถใชไดเนองจากสมการนนมเงอนไขวาอตราการไหลในทกกระบวนการของวฏจกรตองเทากน รปท 5.14แสดงใหเหนวาอตราการไหลในวฏจกรแรงคนทมเครองอนนำปอนแบบเปดไมเทากนในทกกระบวนการ


รปท 5.14: วฏจกรแรงคนทมเครองอนนำปอนแบบเปด

ดงนนการหาประสทธภาพจงตองใชสมการตอไปน

η =wnet

qin(5.5)

wnet คอ อตราการผลตงานสทธและ qin คอ อตราการไหลเขาของความรอน

wnet = h1 − h2 + (1−m)(h2 − h3)− (1−m)(h5 − h4)− (h7 − h6) (5.6)qin = h1 − h7 (5.7)

โดยท m คอ อตราการไหลของไอนำผานเครองอนนำปอนถาอตราการไหลของไอนำเขาเครองกงหนเทากบ 1 kg/s ถาสมมตวาไมมการสญเสยพลงงานในเครองอนนำปอนการหาคา m จากการวเคราะหการอนรกษพลงงานในเครองอนนำปอนซงใหผลลพธดงน

m =h6 − h1h2 − h5

(5.8)

เครองอนนำปอนแบบปดเปนอปกรณแลกเปลยนความรอนชนดเปลอกและทอ (shell-and-tubeheat exchanger) ไอนำจากเครองกงหนจะไหลนอกทอและนำปอนจากเครองควบแนนจะไหลในทอไอนำกบนำปอนจงอาจมความดนตางกนไดเนองจากไมมการผสมกน รปท 5.15 แสดงแผนภาพของอปกรณน จะเหนวาไอนำทไหลเขาเครองอนนำปอนแบบปดจะกลายเปนนำระบาย (drain) เมอไหลออกในขณะทนำปอนทไหลเขาจะมอณหภมเพมขนโดยมอณหภมสงสดเมอไหลออก อณหภมสงสดนจะตองนอยกวาอณหภมไอนำทไหลเขาและจะขนกบการออกแบบเครองอนนำปอน ในทางปฏบตพารามเตอรทกำหนดอณหภมนำปอนทไหลออกจากเครองคอ TTD (terminal temperature difference) ซงหมายถงผลตางระหวางอณหภมไอนำควบแนนกบอณหภมนำปอนทไหลออก

นำระบายทไดจะไมถกปลอยทงเพราะสามารถนำไปใชได รปท 5.16 แสดงใหเหนวาวธนำนำระบายไปใชมสองวธคอ (ก) ลดความดนของมนใหเทากบความดนของนำปอนทเขาเครองอนนำปอนโดยการ


รปท 5.15: เครองอนนำปอนแบบปด

สงมนผานวาลวปกผเสอ (throttle valve) กอนทจะผสมมนกบนำปอนทความดนตำกวาหรอสงมนเขาเครองควบแนนและ (ข) เพมความดนของมนโดยใชเครองสบกอนทจะผสมมนกบนำปอนทความดนสงกวา

รปท 5.16: วธจดการกบนำควบแนนสองวธในเครองอนนำปอนแบบปด (ก) สงไปผสมกบนำปอนทความดนตำกวา (ข) สงไปผสมกบนำปอนทความดนสงกวา

รปท 5.17 แสดงแผนภาพอปกรณและแผนภาพ T-s ของวฏจกรทม เครองอนนำปอนแบบปดทจดการกบนำควบแนนดวยวธแรก จะเหนวาวฏจกรนใชเครองสบนอยกวาวฏจกรทมเครองอนนำปอนแบบเปด สมการ (5.5) ใชหาประสทธภาพของวฏจกรนไดแต wnet, qin และ m คำนวณจาก

wnet = h1 − h2 + (1−m)(h2 − h3)− (h7 − h4) (5.9)qin = h1 − h8 (5.10)m =

h8 − h7h2 − h5

(5.11)

การวเคราะหวฏจกรจำเปนตองทราบคา TTD (terminal temperature difference) ซงเทากบผลตางระหวางอณหภมไอนำทมความดนเทากบความดนไอนำทไดจากเครองกงหนไอนำ (Tsat) กบอณหภมนำ


ปอนทไหลออกจากเครองอนนำปอน คา TTD กำหนดอณหภม T8 ไดดงน

T8 = Tsat − TTD (5.12)

โดย Tsat คออณหภมของไอนำอมตวทมความดน p2

รปท 5.17: วฏจกรแรงคนทมเครองอนนำปอนแบบปดแบบแรก

รปท 5.18 แสดงแผนภาพอปกรณและแผนภาพ T-s ของวฏจกรทม เครองอนนำปอนแบบปดทจดการกบนำควบแนนดวยวธทสอง วฏจกรนมจำนวนเครองสบเทากบวฏจกรทมเครองอนนำปอนแบบเปดในรปท 5.14 อยางไรกตามถาเปรยบเทยบกบวฏจกรทมเครองอนนำปอนแบบเปดในรปท 5.14 จะพบวาเครองสบนำปอน (feed water pump) ในรปท 5.16 มอตราการไหลของนำตำกวาและมขนาดเลกกวาเครองสบนำปอนในรปท 5.14 สมการ (5.5) ใชหาประสทธภาพของวฏจกรนไดแต wnet และqin คำนวณจาก

wnet = h1 − h2 + (1−m)(h2 − h3)− (1−m)(h5 − h4)−m(h8 − h6) (5.13)qin = h1 − h9 (5.14)

คา m และ h9 ในสมการ (5.13) และ (5.14) ไดจากการวเคราะหการอนรกษพลงงานทเครองอนนำปอนและถงผสม (mixing chamber) ซงใหผลดงน

m =h7 − h5

h2 − h6 + h7 − h5(5.15)

h9 = (1−m)h7 +mh8 (5.16)

คา TTD ใชกำหนดอณหภม T7 ดงน

T7 = Tsat − TTD (5.17)

โดย Tsat คออณหภมของไอนำอมตวทมความดน p2


รปท 5.18: วฏจกรแรงคนทมเครองอนนำปอนแบบปดแบบทสอง

ตวอยาง วฏจกรแรงคนหนงมเครองอนนำปอนแบบปดโดยทนำระบายถกสบสงไปผสมกบนำปอนความดนและอณหภมของไอนำทเขาเครองกงหนเทากบ 70 bar และ 540C ไอนำทดงจากเครองกงหนมความดน 7 bar ความดนในเครองควบแนนเทากบ 0.07 bar และ TTD = 3C สมมตวางานทใหเครองสบนอยมาก จงหาประสทธภาพของวฏจกร

วธทำรปท 5.18 แสดงแผนภาพของวฏจกรน ขอมลสมบตของนำและไอนำเปนดงน

h1 = 3500 kJ/kgh2 = 2860 kJ/kgh3 = 2150 kJ/kgh4 = 163 kJ/kgh5 = h4

h6 = 697 kJ/kgh8 = h6

สถานะ 7 สำหรบการหา h7 ถกกำหนดโดย p7 และ T7 รปท 5.18 แสดงใหเหนวา p7 = p1 = 70bar สวน T7 หาไดจากสมการ (5.17) ทความดน 7 bar Tsat = 165C ดงนน

T7 = 162C

h7 มคาโดยประมาณเทากบเอนทลปของนำอมตวทอณหภม 162C

h7 = 684 kJ/kg


หลงจากทราบคาเอนทลปทสถานะตาง ๆ แลว คา m หาไดจากสมการ (5.15)

m =684− 163

2860− 697 + 684− 163

= 0.194 kg

และ h9 หาไดจากสมการ (5.16) จากสมดลพลงงานในถงผสม (mixing chamber)

h9 = (1− 0.194)× 684 + 0.194× 697

= 689 kJ/kg

สมมตวาอตราการไหลเขาเครองกงหนของไอนำเทากบ 1 kg/s สมการ (5.13), (5.14) และ (5.5) ใชหา wnet, qin และ η ไดตามลำดบ

wnet = (h1 − h2) + (1−m)(h2 − h3)

= 1212 kg/sqin = 3500− 689

= 2811 kg/s=⇒ η = 0.43

5.4 ผลกระทบของความผวนกลบไมไดในวฏจกรการวเคราะหวฏจกรแรงคนทผานมาอยภายใตสมมตฐานวากระบวนการตาง ๆ ในวฏจกรผวนกลบ

ได แตกระบวนการทเกดขนจรงผวนกลบไมไดซงจะสงผลใหเอนโทรปของนำเพมในกระบวนการไหลผานเครองสบและเครองกงหนและทำใหความดนของไอนำลดลงในกระบวนการไหลผานเครองกำเนดไอนำและเครองควบแนน ผลกระทบทสำคญของการผวนกลบไมไดมาจากเครองสบและเครองกงหนประสทธภาพของเครองสบ (pump efficiency, ηp) และประสทธภาพของเครองกงหน (turbine effi-ciency, ηt) มสตรดงน

ηp =∆wps

∆wp

ηt =∆wt

∆wts

โดยท wps และ wp เปนงานท ให เครองสบ เพอ เพมความดนของนำ เหมอนกน ตางกนตรงท wps

เปนงานทใหเครองสบในกระบวนการไอเซนโทรปก (isentropic process) ซงหมายถงกระบวนการทเอนโทรปไมเปลยนแปลง สวน wp เปนงานทใหเครองสบจรง ในทำนองเดยวกน wt และ wts เปนงานทไดจากเครองกงหนจรง และเครองกงหนในกระบวนการไอเซนโทรปก โดยตางกทำงานทอตราสวนความ

5.5. ประสทธภาพของโรงไฟฟาพลงความรอน 83

รปท 5.19: กระบวนการท เกด ขน จรง ใน เครอง สบ และ เครอง กงหน (4-1, 2-3) เปรยบ เทยบกบกระบวนการไอเซนโทรปก (4-1s, 2-3s)

ดนทเทากน รปท 5.19 เปรยบเทยบแผนภาพ T-s ของกระบวนการไอเซนโทรปกกบกระบวนการจรงในเครองสบและเครองกงหน

ในกรณของเครองสบและเครองกงหนดงแสดงในรปขางบนสตรคำนวณประสทธภาพคอ

ηp =h1s − h4h1 − h4

ηt =h2 − h3h2 − h3s

5.5 ประสทธภาพของโรงไฟฟาพลงความรอนรปท 5.20 แสดงแผนภาพอยางงายของโรงไฟฟาพลงความรอน สวนประกอบทสำคญไดแก วฏจกร

กำลงงาน เตาเผา ระบบหลอ เยนและเครองกำเนดไฟฟา เตาเผาทำหนาท แปลงพลงงานเคม ในเชอเพลงเปนพลงงานความรอนทขบเคลอนวฏจกรกำลงงานซงจะผลตพลงงานกล ระบบหลอเยนทำหนาทระบายความรอนจากวฏจกรแรงคน และเครองกำเนดไฟฟาทำหนาทแปลงพลงงานกลทไดจากวฏจกรกำลงงานเปนพลงงานไฟฟา ถามองโดยภาพรวมจะเหนวาสวนเขาของโรงไฟฟาคอ พลงงานเคมของเชอเพลงและสวนออกคอ พลงงานไฟฟา ประสทธภาพของโรงไฟฟา (ηo) จงเทากบอตราสวนของพลงงานไฟฟาตอพลงงานเคมของเชอเพลง

ηo =Pe

mf .HV(5.18)

โดยท Pe คอพลงไฟฟา, mf คอ อตราการใชเชอเพลงผลตไฟฟาและ HV (heating value) คอ คาความรอนของเชอเพลง HV อาจเปนคาความรอนสง (HHV ) หรอคาความรอนตำ (LHV ) กได ถาHV เปนคาความรอนสง ประสทธภาพของโรงไฟฟาจะมคาตำกวาถา HV เปนคาความรอนตำ การคำนวณประสทธภาพของโรงไฟฟาควรระบใหชดเจนวาจะใชคาความรอนใด

ηo สามารถเขยนเปนผลคณของประสทธภาพสามคาดงนηo = ηb.η.ηg (5.19)


รปท 5.20: โรงไฟฟาพลงความรอน

โดยทηb คอ ประสทธภาพของหมอไอนำ (boiler efficiency) ซงเทากบอตราสวนของเอนทลปทเพมขน

เมอนำกลายเปนไอนำจากการไหลผานหมอไอนำตอพลงงานเคมของเชอเพลงηb =

ms(hout − hin)

mf .HV(5.20)

โดยท ms คอ อตราการผลตไอนำของหมอไอนำ, hin คอ เอนทลปของนำปอนทไหลเขาหมอไอนำและhout คอ เอนทลปของไอนำทไหลออกจากหมอไอนำ

η คอ ประสทธภาพของวฏจกรกำลงงานซง เทากบอตราสวนของกำลงงานสทธท ไดจากวฏจกร(Pnet) ตอกำลงงานความรอนทเขาหมอไอนำ (Qin)

η =Pnet

Qin(5.21)

โดยท Qin มคาเทากบอตราการเพมขนของเอนทลปเมอนำกลายเปนไอนำในสมการ (5.20)ηg คอ อตราสวนของพลงไฟฟา (Pe) ทไดจากเครองกำเนดไฟฟาตอกำลงงานกลทเขาเครองกำเนด

ไฟฟาηg =

Pe

Pnet(5.22)

ในทางปฏบตวศวกรโรงไฟฟาสนใจอยากทราบวาการผลตพลงงานไฟฟา 1 kW.h ตองใชพลงงานความรอนเทาไร ตวเลขนคอ อตราความรอน (heat rate)

HR =mf .HV

Pe∆t(5.23)

5.6. ประสทธภาพของหมอไอนำ 85

โดยท ∆t คอ ชวงเวลาทผลตไฟฟาและ mf คอ มวลเชอเพลงทใชผลตไฟฟาในชวงเวลาดงกลาว หนวยของ HR คอ kJ/kW.h HR สามารถคำนวณไดจาก ηo ดงน

HR =3600

ηo(5.24)

5.6 ประสทธภาพของหมอไอนำรปท 5.21 แสดงแบบจำลองของหมอไอนำ หมอไอนำทำหนาทเแปลงพลงงานเคมในเชอเพลงเปน

พลงงานความรอนในไอนำ ดงนนประสทธภาพของหมอไอนำมคาตามสมการ (5.20) ซงหมายความวาประสทธภาพของหมอไอนำทคำนวณโดยใชคาความรอนสงจะมคาตำกวาประสทธภาพของหมอไอนำทคำนวณโดยใชคาความรอนตำ การคำนวณประสทธภาพของหมอไอนำจงควรระบใหชดเจนวาจะใชคาความรอนใด

การคำนวณประสทธภาพของหมอไอนำมสองวธคอ วธความรอนเขาออก (input-output method)และวธความรอนสญเสย (heat-loss method) วธความรอนเขาออกใชสมการ (5.20) ขอมลทตองใชในการคำนวณไดแก อตราการไหลของไอนำ เอนทลปของนำปอน เอนทลปของไอนำ อตราการไหลของเชอเพลงและคาความรอนของเชอเพลง วธนจงตองการขอมลไมมาก อยางไรกตามการวดอตราการไหลของเชอเพลงแขงอาจไมสะดวก นอกจากนวธนมขอเสยเปรยบคอ ไมไดใหขอมลเกยวกบการเพมประสทธภาพของหมอไอนำ วธความรอนสญเสยคำนวณการสญเสยความรอนดวยสาเหตตาง ๆ (Ql)แลวจงหาคาประสทธภาพของหมอไอนำดงน

ηb = 1− Ql

mf .HV(5.25)

รปท 5.21 แสดงใหเหนวา มการสญเสยพลงงานความรอนไปกบกาซเสยและขเถาทไหลออกจากหมอไอนำ นอกจากนยงมการสญเสยความรอนโดยการพาความรอนและการแผรงสความรอนจากผวของหมอไอนำสอากาศแวดลอมอกดวย ดงนนประสทธภาพของหมอไอนำจงลดลงจากการสญเสยความรอนดวยสาเหตตาง ๆ ดงน การคำนวณหาประสทธภาพของหมอไอนำดวยวธความรอนสญเสยตองใชขอมลจำนวนมากกวาวธความรอนเขาออก แตมขอไดเปรยบคอ สามารถชใหเหนแนวทางการเพมประสทธภาพของหมอไอนำได

ในการคำนวณประสทธภาพของหมอไอนำโดยใชคาความรอนสง สาเหตของการสญเสยความรอนม6 ประการ ถากำหนดให

Li =Ql,i

mf .HV(5.26)

คอ อตราสวนระหวางของคาความรอนสญเสยตอคาความรอนของเชอเพลงหนงกโลกรม ประสทธภาพของหมอไอนำจะเทากบ

ηb = 1− (L1 + L2 + L3 + L4 + L5 + L6) (5.27)

การสญเสยความรอนทง 6 ประการมรายละเอยดน


รปท 5.21: แบบจำลองของหมอไอนำ

1. การสญเสยความรอนไปกบกาซเสยแหง โดยความรอนสวนนจะทำใหกาซเสยแหงมอณหภมเพมจาก Ta เปน Tg ถาสมมตวากาซเสยแหงเปนกาซในอดมคต สมการของการสญเสยความรอนจากสาเหตนคอ

L1 =xdg.cpg(Tg − Ta)

HHV(5.28)

โดยทxdg คออตราสวนของมวลกาซเสยแหงตอมวลเชอเพลงcpg คอความจความรอนจำเพาะเฉลยของกาซเสยแหง (ประมาณ 1.0 kJ/kg.C)Tg คออณหภมของกาซเสยแหงทออกจากหมอไอนำTa คออณหภมของสงแวดลอมสมมตวากำมะถนในเชอเพลงมปรมาณนอยมาก กาซเสยแหงจะประกอบดวย CO2, CO, O2

และ N2 โดยจำนวนโมลของกาซเหลานคอ NCO2, NCO , NO2

และ NN2ตามลำดบ มวลของ

กาซเสยแหงจะมคาเทากบ

mdg = 44NCO2+ 28NCO + 32NO2

+ 28NN2(5.29)

สมการ (4.30) เขยนใหมไดดงน

mf =12(yCO + yCO2

)Ndg

xcb(5.30)

โดยท Ndg เปนจำนวนโมลของกาซเสยแหง สมการ (5.29) หารดวยสมการ (5.30) ใหคา xdg

xdg =(11yCO2

+ 7yCO + 8yO2+ 7yN2

)xcb3(yCO + yCO2

)(5.31)


2. การสญเสยความรอนไปกบความชนในกาซเสย โดยความรอนสวนนจะทำใหความชนกลายเปนไอนำอณหภมสงออกไปกบกาซเสย ความชนกาซเสยบางสวนมาจากความชนในเชอเพลงและ Hในเชอเพลงซงทำปฏกรยากบ O เปนนำ ทงหมดนทำใหเกดการสญเสยความรอน

L2 =(xM + 9xH,ar)[2442 + cpv(Tg − Ta)]

HHV(5.32)

โดยท cpv คอความจความรอนจำเพาะเฉลยของไอนำ (ประมาณ 1.9 kJ/kg.C) และ 2442 kJ/kg คอ คาความรอนแฝงในการกลายเปนไอของนำทอณหภม 25C โปรดสงเกตวาสดสวนโดยมวลของ H ในทนคอสดสวนโดยมวลตามฐานเชอเพลงในสภาพเดมเนองจากเชอเพลงทเปนฐานการคำนวณหาประสทธภาพมทงความชนและเถา

3. การสญเสยความรอนไปกบความชนในอากาศ

L3 =ω.AFRA.cpv(Tg − Ta)

HHV(5.33)

โดยท ω คอความชนสมบรณในอากาศ เปนทนาสงเกตวาสตรของ L3 ไมไดรวมคาความรอนแฝงในการกลายไอนำเหมอนสตรของ L2 ทงนเนองจากความชนในเชอเพลงอยในสถานะของเหลวในขณะทความชนในอากาศอยในสถานะกาซ โดยทวไป L3 มคานอยมาก การคำนวณประสทธ-ภาพของหมอไอนำจงอาจสมมตวา L3 = 0

4. การสญเสยความรอนไปกบคารบอนทไมเผาไหม การเผาไหมทไมสมบรณอาจจะทำใหไดขเถา(refuse) ทประกอบดวยเถาและคารบอนทไมเผาไหม โดยทวไปขเถาจะถกนำไปทง ดงนนการมคารบอนในขเถาจงนบเปนการสญเสยความรอนโดยเปลาประโยชน สมการของการสญเสยความรอนจากสาเหตนคอ

L4 =xuc.HHVC

HHV(5.34)

โดยท xuc คออตราสวนของมวลคารบอนทเหลอจากการเผาไหมตอมวลเชอเพลงและ HHVCคอ คาความรอนของคารบอน (32800 kJ/kg)

5. การสญเสยความรอนไปกบคารบอนมอนอกไซดในกาซเสย กาซเสยทม CO สามารถนำไปเผาไหมเพอใหความรอนได แตในทางปฏบต กาซเสยจะถกระบายออกสบรรยากาศ สมการการสญเสยความรอนสามารถคำนวณไดดงน

L5 =มวลของ CO

มวลของเชอเพลง× คาความรอนของ CO

คาความรอนของเชอเพลง

=มวลของ CO

มวลของ C ในเชอเพลงทเผาไหม× มวลของ C ในเชอเพลงทเผาไหม

มวลของเชอเพลง


× คาความรอนของ COคาความรอนของเชอเพลง

=MCOyCOxcbHHVCO

MC(yCO + yCO2)HHV

(5.35)

โดยท xcb คอสดสวนของมวลคารบอนท เผาไหมตอมวลเชอ เพลง นำหนก โมเลกลของ CO(MCO) เทากบ 28 นำหนกโมเลกลของ C (MC ) เทากบ 12 และคาความรอนของ CO (HHVCO)เทากบ 10100 kJ/kg

6. การสญเสยความรอนไปกบการถายเทความรอนระหวางหมอไอนำกบสงแวดลอมโดยการพาความรอนและการแผรงสความรอน การสญเสยพลงงานดวยสาเหตนขนกบอณหภมผวและพนทผวของหมอไอนำ อณหภมผวมคาคอนขางคงทแมวาอตราการผลตไอนำจะลดลง ดงนนการสญเสยพลงงานดวยการพาความรอนและการแผรงสความรอนมสดสวนทผกผนกบอตราการผลตไอนำเชน สดสวนการสญเสยพลงงานจะเพมขนเทาตวถาอตราการผลตไอนำลดลงครงหนงนอกจากนสดสวนการสญเสยพลงงานดวยสาเหตนจะลดลงถาหมอไอนำทมกำลงการผลตสงเพมขน คาความรอนสญเสยจากการถายเทความรอนนมคานอยมากไมเกน 1% ในหมอไอนำสมยใหมทไดรบการออกแบบอยางด ในการคำนวณประสทธภาพของหมอไอนำ จะสมมตวาทราบคาL6

ตวอยาง หมอไอนำใบหนงมกำลงการผลตไอนำ 180 ton/h แตผลตไอนำเพยง 170 ton/hทความดน 4 MPa และอณหภม 405C โดยนำปอนเขาหมอไอนำมอณหภม 124C และถานหนทประกอบดวย C 73%, H 5%, O 8%, N 2%, ความชน 6% และเถา 6% อตราการเผาไหมถานหนเทากบ 17600 kg/h และถานหนนเผาไหมกบอากาศสวนเกน 30% ทมอณหภม 27C ถานหนโดยไดขเถาในอตรา 1232 kg/h ในขเถามคารบอน 14.3% โดยมวลและกาซเสยทมอณหภม 167C จากการวเคราะกาซเสยแหงพบวาม CO2 13.65%, CO 0.47% และ O2 5.18% โดยปรมาตร ทเหลอเปน N2

สมมตวาไมมความชนในอากาศ จงคำนวณหาประสทธภาพของหมอไอนำดวยวธความรอนเขาออกและวธความรอนสญเสยโดยใชคาความรอนสงของเชอเพลง สมมตวา L6 = 0.5%

วธทำวธความรอนเขาออกhout คอเอนทลปของไอนำทความดน 4 MPa และอณหภม 405C สวน hin คอเอนทลปของ

นำปอนทอณหภม 124C เนองจากเอนทลปของนำไมเปลยนแปลงมากนกตามความดน hin จงมคาโดยประมาณเทากบเอนทลปของนำอมตวทอณหภม 124C จากตารางไอนำพบวา hout = 3225.3kJ/kg และ hin = 520.0 kJ/kg คาความรอนสงทคำนวณจากสมการ (4.22) คอ 30369 kJ/kg ดงนนประสทธภาพของหมอไอนำตามสมการ (5.20) โดย HV = HHV มคาดงน

ηb =170× 103(3225.3− 520.0)

17600(30369)

= 0.860


วธความรอนสญเสยในขเถา 1232 kg/h มคารบอนทไมเผาไหม 0.143× 1232 = 176 kg/h ดงนน สดสวนของคารบอน

ทไมเผาไหม (xuc) จงเทากบ 0.01 และสดสวนของคารบอนทเผาไหม (xcb) เทากบ 0.72สดสวนของ N2 ในกาซเสยแหงคอ 1 - 0.1365 - 0.0047 - 0.0518 = 0.807สดสวนของกาซเสยแหงคำนวณจากสมการ (5.31)

xdg =[11(0.1365) + 7(0.0047) + 8(0.0518) + 7(0.807)]× 0.72

3(0.0047 + 0.1365)

= 12.9

การสญเสยความรอนใหกาซเสยแหงคำนวณจากสมการ (5.28)

L1 =12.9× 1.0× (167− 27)

30369

= 0.0595

การสญเสยความรอนสญเสยใหความชนในกาซเสยคำนวณจากสมการ (5.32)

L2 =(0.06 + 9× 0.05)[2442 + 1.9(167− 27)]

30369

= 0.0455

L3 = 0 เนองจากไมมความชนในอากาศสดสวนของคารบอนทไมเผาไหมคอ 0.01 การสญเสยความรอนจากคารบอนทไมเผาไหมคำนวณ

จากสมการ (5.34)

L4 =0.01× 32800

30369

= 0.0108

การสญเสยความรอนจาก CO ในกาซเสยคำนวณจากสมการ (5.35)

L5 =28× 0.47× 0.72× 10100

12(0.47 + 13.65)× 30369

= 0.0186

แทนคา L1 − L5 ทคำนวณได และ L6 ทโจทยกำหนดมาให ในสมการ (5.27)

ηb = 1− 0.0595− 0.0455− 0− 0.0108− 0.0186− 0.0050

= 0.861

ตวอยางขางตนแสดงใหเหนวา ความชนในกาซเสยกอใหเกดความรอนสญเสยในสดสวนทสง โรงไฟฟาทวไปมกปลอยใหความชนนระบายออกสบรรยากาศโดยไมมมาตรการนำความรอนสวนนมาใช


ประโยชนเนองจากการกความรอนจะตองทำใหความชนควบแนนซงอาจทำใหเกดกรดซลฟรกถามกาซซลเฟอรไดออกไซดในกาซเสย ดงนนคาความรอนของเชอเพลงทนำมาใชประโยชนไดจรงจงเปนคาความรอนตำตามสมการ (4.23) ในการคำนวณประสทธภาพของหมอไอนำโดยใชคาความรอนตำ คา HV ในสมการ (5.20) และ (5.25) คอ LHV การคำนวณดวยวธความรอนทสญเสยไปกบความชนในกาซเสย(L2) ซงทำใหประสทธภาพของหมอไอนำคำนวณจาก

ηb = 1− (L1 + L3 + L4 + L5 + L6)HHV

LHV(5.36)

ตวอยาง จงคำนวณประสทธภาพของหมอไอนำในตวอยางทแลวโดยใชคาความรอนตำของเชอเพลง

วธทำคาความรอนตำทคำนวณจากสมการ (4.23) คอ

ηb = 30369− 2442(9(0.05) + 0.06)

= 29124

ประสทธภาพของหมอไอนำโดยใชคาความรอนตำมคาเทากบ

ηb =0.861× 30369

29124= 0.898

5.7 ระบบผลตพลงงานรวมระบบผลตพลงงานรวม (cogeneration) หมายถงระบบผลตพลงงานไฟฟารวมกบพลงงานความ

รอน ระบบนแตกตางจากวฏจกรกำลงงานทวไปซงผลตพลงงานไฟฟาโดยปลอยความรอนสแหลงรบความรอนโดยเปลาประโยชน ระบบผลตพลงงานรวมจงเปนระบบทใชประโยชนจากเชอเพลงอยางมประสทธภาพมากกวาวฏจกรกำลงงาน ระบบผลตพลงงานรวมแบงเปนระบบผลตไฟฟาตามหลง (bot-toming system) และระบบผลตไฟฟานำหนา (topping system) รปท 5.22 แสดงแผนภาพของทงสองระบบ ระบบผลตไฟฟาตามหลงใชในกรณทความรอนทตองการเปนความรอนทมอณหภมสงเพอใชในอตสาหกรรมเหลก คอนกรต เซรามกและอตสาหกรรมปโตรเคมบางประเภท อตสาหกรรมเหลานจะใชความรอนทไดจากการเผาไหมเชอเพลงทอณหภมสงไปใชในกระบวนการผลต ความรอนทเหลอจะนำไปใชผลตไฟฟาในวฏจกรกำลงงาน ระบบผลตไฟฟานำหนาใชวฏจกรกำลงงานผลตไฟฟาและนำความรอนทไดไปใชประโยชนในกระบวนการผลตของอตสาหกรรมทไมตองการอณหภมทสงมากเชน การกลนการอบแหง การฆาเชอโรค เปนตน นอกจากนความรอนทไดจากระบบผลตไฟฟานำหนายงนำไปเดนเครองปรบอากาศแบบดดกลน (absorption chiller) ไดอกดวย ในปจจบนการใชเชอเพลงผลตพลงงานไฟฟา พลงงานความรอน และความเยนจากเรยกวา การผลตพลงงานสามรป (trigeneration)

5.7. ระบบผลตพลงงานรวม 91

รปท 5.22: (ก) ระบบผลตไฟฟาตามหลง และ (ข) ระบบผลตไฟฟานำหนา

ระบบผลตพลงงานรวมในประเทศไทยสวนใหญเปนระบบผลตไฟฟานำหนา พบไดในโรงงานอตสาหรรมและอาคารธรกจขนาดใหญ ระบบผลตพลงงานรวมมกำลงการผลตไฟฟานอยกวาโรงไฟฟามากเนองจากระบบถกออกแบบใหผลตไฟฟาเพยงพอกบการใชงานในโรงงานอตสาหรรมและอาคารธรกจขนาดใหญ อยางไรกตามโรงงานบางประเภทมเชอเพลงซงเปนวสดทางการเกษตรทเหลอทงปรมาณมากและสามารถใชเชอเพลงดงกลาวผลตไฟฟามากเกนความตองการของโรงงาน ในกรณนโรงงานสามารถขายไฟฟาใหการไฟฟาฝายผลตไดเนองจากรฐบาลมนโยบายสงเสรมการผลตพลงงานรวม

รปท 5.23: ระบบผลตพลงงานรวมทใชเครองกงหนไอนำแบบแรงดนยอนกลบ

ระบบผลตพลงงานรวมมหลายแบบขนกบวฏจกรกำลงงานทใช รปท 5.23 แสดงระบบผลตพลงงานรวมท ใชวฏจกรแรงคน เครองกงหนไอนำถกออกแบบใหปลอยไอนำออกทความดนสงกวาความดนบรรยากาศเพอนำไปใชในกระบวนการผลต เครองกงหนแบบน เรยกวา เครองกงหนแบบแรงดนยอน


กลบ (back-pressure turbine) ระบบนมขอดคอ ไมมเครองควบแนน มราคาถกและงายในการเดนเครอง แตขอเสยคอ มประสทธภาพตำ และขาดความยดหยนเพราะไมสามารถตอบสนองความตองการไฟฟาและความรอนทอาจเปลยนแปลงได รปท 5.24 แสดงระบบทมประสทธภาพดขนซงใชเครองกงหนแบบควบแนนแยก (extraction turbine) ซงปลอยไอนำสเครองควบแนนทมความดนตำกวาบรรรยากาศ ไอนำบางสวนถกดงออกจากเครองกงหนเพอใชในกระบวนการผลตโดยปรมาณไอนำนสามารถเปลยนแปลงไดตามความตองการของกระบวนการผลต ในกรณทความตองการสงกวาทจะไดจากการดงไอนำกอาจควบคมใหไอนำไหลออมเครองกงหนมายงกระบวนการผลตโดยตรงได ระบบนจงมความยดหยนสงแตกมคาใชจายสงกวาระบบทใชเครองกงหนแบบแรงดนยอนกลบ

รปท 5.24: ระบบผลตพลงงานรวมทใชเครองกงหนไอนำแบบควบแนนแยก

5.7. ระบบผลตพลงงานรวม 93

คำถามทายบท1. ถาไอนำทออกจากเครองกงหนมความชนมากเกนไปจะเกดผลเสยอยางไร

2. อะไรคอขอจำกดของการเพมประสทธภาพของวฏจกรแรงคนโดยการลดความดนในเครองควบแนน

3. การทำรเจนเนอเรชนเพมประสทธภาพใหวฏจกรแรงคนไดอยางไร

4. จงเขยนแผนภาพของวฏจกรแรงคนทมเครองอนนำปอนแบบเปดหนงเครอง โดยแสดงอปกรณสำคญและทศทางการไหลในแผนภาพดวย

5. ทำไมนำในเครองควบแนนของวฏจกรแรงคนจงไมสามารถมอณหภมทตำมาก ๆ ไดทง ๆ ทจะเปนการเพมประสทธภาพใหวฏจกร

6. วฏจกรแรงคนทมการทำรเจนเนอเรชนจะตองมอปกรณใดเพมเตมจากอปกรณหลก (ซงไดแกเครองสบ, เครองกำเนดไอนำ, เครองกงหน และเครองควบแนน)

7. นอกจากทำหนาทเพมอณหภมใหนำปอนแลว เครองอนนำปอนแบบเปดยงทำหนาทอะไรอก

8. เครองอนนำปอนแบบปดแบงออกเปนกแบบ อะไรบาง

9. จงเขยนแผนภม T-s ของวฏจกรแรงคนทมการใหความรอนซำหนงครงแตไมมการทำรเจนเนอ-เรชน

10. เครองอนนำปอนสามารถเพมประสทธภาพของวฏจกรแรงคนไดอยางไร

11. จงเขยนแผนภม T-s ของวฏจกรแรงคนทมเครองอนนำปอนแบบเปดหนงเครอง

12. จงเขยนแผนภาพของวฏจกรแรงคนทมเครองอนนำปอนแบบปดหนงเครอง โดยนำควบแนนไหลกลบไปทเครองควบแนน แสดงอปกรณทกอปกรณและทศทางการไหลในแผนภาพดวย

13. ไอนำทมความดน 6 MPa และอณหภม 850 K มเอนทลปประมาณเทาไร

14. ไอนำทมอณหภม 900 K และความดน 12 MPa ไหลเขาเครองอนนำปอนแบบปดซงออกแบบใหมคา TTD เทากบ 5 K อยากทราบวานำปอนทไหลออกจากเครองจะมอณหภมเทาไร

15. วฏจกรแรงคนมเครองอนนำปอนแบบเปด ความดนและอณหภมของไอนำทเขาเครองกงหนไอนำเทากบ 10 MPa และ 700 K ไอนำทดงจากเครองกงหนมความดน 3 MPa และความดนในเครองควบแนนเทากบ 0.01 MPa จงหาประสทธภาพของวฏจกร (สมมตวางานทใหเครองสบนอยมาก)


16. วฏจกรแรงคนหนงมเครองอนนำปอนแบบปดโดยทนำระบายถกสบและสงไปผสมกบนำปอนทจะไหลเขาเครองกำเนดไอนำ ความดนและอณหภมของไอนำทเขาเครองกงหนเทากบ 8 MPaและ 850 K ไอนำทดงจากเครองกงหนมความดน 0.8 MPa และความดนในเครองควบแนนเทากบ 0.01 MPa เครองอนนำปอนไมมเครองทำใหนำระบายเยน (drain cooler) คา TTDของเครองเทากบ 5C จงหาประสทธภาพของวฏจกร (สมมตวางานทใหเครองสบนอยมาก)

17. โรงไฟฟาแหงหนงมอตราความรอนเทากบ 9000 kJ/kW.h จงหาประสทธภาพรวมของโรงไฟฟาแหงน

18. จงหาประสทธภาพของหมอไอนำทผลตไอนำในอตรา 180 ton/h ทความดน 4 MPa และอณหภม 800 K โดยนำปอนทไหลเขาหมอไอนำเปนนำทมอณหภม 450 K หมอไอนำนใชเชอเพลงทมคาความรอน 15000 kJ/kg และอตราการใชเชอเพลงคอ 10 kg/s

19. ในการเผาไหมเชอเพลงแขงชนดหนงซงมสดสวนโดยมวลของคารบอนเทากบ 70% พบวาไดกาซเสยแหงซงประกอบดวย CO2 10%, O2 5% SO2 1% CO 0.5% และ N2 83.5% ถาคารบอนในเชอเพลงนเผาไหมจนหมด อยากทราบวาเชอเพลง 1 kg จะใหกาซเสยแหงเทาไร

20. เชอเพลงในขอทแลวใชผลตไอนำในหมอไอนำ ถาเชอเพลงดงกลาวมคาความรอนสงเทากบ19600 kJ/kg ประสทธภาพของหมอไอนำจะลดลงเทาไรจากการเผาไหมไมสมบรณซงทำใหเกดCO (คา HHV ของ CO คอ 10080 kJ/kg)

บทท 6

เครองกำเนดไอนำ

6.1 ประเภทของหมอไอนำหมอไอนำเปนอปกรณทพบเหนทวไปในโรงไฟฟา โรงงานอตสาหกรรม และอาคารธรกจ หมอไอ

นำมหลายขนาด ตงแตขนาดเลกทมอตราการผลตไอนำตำและความดนตำซงสามารถหาซอไดในทองตลาด ไปจนถงขนาดใหญทมอตราการผลตไอนำสงและความดนสงซงตองกอสรางในสถานท ใชงานหมอไอนำในกระบวนการผลต (process boiler) หมายถง หมอไอนำทใชผลตไอนำความดนตำเพอใชในกระบวนการผลตของโรงงานอตสาหกรรมหรอใชเพอวตถประสงคอน ๆ ในโรงแรม โรงพยาบาล หรออาคารขนาดใหญอน ๆ หมอไอนำประเภทนมขนาดเลกและความสามารถในการผลตไอนำไมสงมากนกหมอไอนำยทลต (utility boiler) หมายถง หมอไอนำทใชผลตไอนำความดนสงในโรงไฟฟา หมอไอนำหมอไอนำยทลตมขนาดใหญและมกำลงการผลตไอนำสง

การจำแนกหมอไอนำยงอาจกระทำไดโดยพจารณาจากหลกการผลตไอนำซงแบงหมอไอนำเปน 2ประเภทคอ หมอไอนำแบบทอไฟ (fire-tube boiler) และหมอไอนำแบบทอนำ (water-tube boiler)หมอไอนำแบบทอไฟเปนทรจกกนมาตงแตเรมมการผลตไอนำเพอใชประโยชนในดานตาง ๆ ซงรวมถงการใชพลงไอนำขบเคลอนขบวนรถไฟ ถงแมวาในปจจบนการใชประโยชนจากหมอไอนำแบบนจะลดลงมามาก แตมนกยงมความสำคญในกรณทความตองการความดนไอนำไมเกน 18 bar และกำลงการผลตไอนำไมเกน 6.2 kg/s หมอไอนำแบบทอไฟมขอไดเปรยบทมขนาดเลก ราคาทไมสงนก ความงายในการใชงาน ความงายในการดแลรกษา และการตอบสนองทรวดเรวตอความตองการไอนำทเปลยนแปลงสวนประกอบสำคญของหมอไอนำแบบทอไฟคอเปลอกหมอไอนำ (boiler shell) ทอ เตาเผา และวาลวนรภย กาซเสยทมอณหภมสงทไดจากการเผาไหมในเตาเผาจะไหลในทอและถายเทความรอนใหนำทอยนอกทอและภายในเปลอกหมอไอนำ ความดนของไอนำถกควบคมไมใหสงเกนไปโดยวาลวนรภยซงจะเปดออกเพอลดความดนของไอนำทสงเกนไปใหตำลงมาอยในระดบทปลอดภย ขอจำกดทสำคญของหมอไอนำแบบทอไฟคอ ขนาดและความดนถกจำกดโดยความเคนดง (tensile stress) สงสดทโลหะของหมอไอนำสามารถทนไดซงคำนวณจาก

σ =pD

2t(6.1)

96 บทท 6. เครองกำเนดไอนำ

โดยท σ คอ ความเคนดง p คอ ความดนไอนำ D คอ ความยาวเสนผาศนยกลางของหมอไอนำและ t คอความหนาของเปลอกหมอไอนำ ถาตองการผลตไอนำทมความดนสงขนโดยไมเปลยนกำลงการผลตไอนำ (D คงท) ความหนาของเปลอกหมอจะตองเพมเพอควบคมไมใหความเคนดงมากเกนไป ความหนาทเพมขนหมายถงนำหนกและราคาของหมอไอนำทเพมตามไปดวย

หมอไอนำแบบทอนำมหลกการทำงานตรงขามกบหมอไอนำแบบทอไฟ กลาวคอ นำและไอนำจะไหลในทอโดยรบความรอนจากกาซเสยทไหลนอกทอและการแผรงสจากเปลวไฟทเกดจากการเผาไหมเชอเพลง หมอไอนำแบบทอนำมขอไดเปรยบอยางเหนไดชดเมอเปรยบเทยบกบหมอไอนำแบบทอไฟคอความสามารถในการผลตไอนำทมความดนสงและอตราการไหลสง ในการออกแบบหมอไอนำแบบทอนำใหทนความดนสง ความยาวเสนผาศนยกลางของทอตองไมมากเกนไปและความหนาของทอจะตองมคาทเหมาะสมเพอใหความเคนดงทเกดขนไมเกนกวาโลหะของทอจะทนทานได ถงแมวาการจำกดความยาวเสนผาศนยกลางของทอจะจำกดอตราการผลตไอนำในทอไปดวย แตการเพมอตราการผลตไอนำของหมอไอนำสามารกระทำไดโดยการเพมจำนวนทอ ขอไดเปรยบของหมอไอนำแบบทอนำดงกลาวนทำใหโรงไฟฟาผลตไอนำดวยหมอไอนำแบบทอนำ

6.2 หลกการทำงานของเครองกำเนดไอนำหมอไอนำแบบทอนำท ใชในโรงไฟฟาทำงานรวมกบอปกรณอน ๆ ในการผลตไอนำความดนสง

และอณหภมสงเพอปอนสเครองกงหนไอนำ หมอไอนำและอปกรณเหลานจงมกมชอเรยกรวมวา เครองกำเนดไอนำ (steam generator) เครองกำเนดไอนำสามารถแบงเปนสองแบบคอ เครองกำเนดไอนำแบบมถงพกไอนำ (drum-type steam generator) และเครองกำเนดไอนำแบบไหลผานครง เดยว(once-through steam generator) รปท 6.1 แสดงสวนประกอบทสำคญของเครองกำเนดไอนำแบบแรกซงไดแก เตาเผา (furnace) เครองระเหย (evaporator) ถงพกไอนำ (drum) เครองทำไอนำยวดยง(superheater) เครองใหความรอนซำ (reheater) เครองประหยดเชอเพลง (economizer) และเครองอนอากาศ (air heater) ความรอนจากการเผาไหมเชอเพลงในเตาเผาจะทำใหนำปอนกลายเปนไอนำโดยการแผรงสความรอนและการพาความรอน นำปอนจะไหลเขาเครองประหยดเชอเพลงเพอเพมอณหภมใหใกลจดเดอดกอนทจะเขาเครองระเหยเพอเปลยนสถานะเปนไอนำ มนำบางสวนเทานนทกลายเปนไอ ดงนนของไหลทออกจากเครองระเหยจงเปนสวนผสมของไอนำกบนำซงจะไหลเขาถงพกไอนำเพอแยกนำออกจากไอนำอมตว โดยนำจะไหลเขาเครองระเหยใหมในขณะทไอนำอมตวจะไหลเขาเครองทำไอนำยวดยงกอนทจะถกสงไปทเครองกงหนความดนตำ ไอนำทออกจากเครองกงหนความดนตำจะไหลกลบมาทเครองใหความรอนซำเพอเพมอณหภมใหเทากบอณหภมไอนำทไหลเขาเครองกงหนความดนตำกอนไหลเขาเครองกงหนความดนสง ขอจำกดทสำคญของเครองกำเนดไอนำแบบมถงพกไอนำคอความสามารถในการแยกไอนำออกจากนำของถงพกไอนำลดลงเมอความดนของไอนำเพมขน ทความดนวกฤต 22.1 bar เครองกำเนดไอนำแบบนจะไมสามารถทำงานไดเนองจากไอนำจะมความหนาแนนใกลเคยงกบนำ

เครองกำเนดไอนำแบบไหลผานครงเดยวใชงานในวฏจกรแรงคนเหนอวกฤต (รปท 5.11) ถงแมวาเครองกำเนดไอนำแบบนจะมคากอสรางสงกวาเครองกำเนดไอนำแบบมถงพกไอนำ แตวฏจกรแรงคนเหนอวกฤตมประสทธภาพสงกวาวฏจกรแรงคนแบบธรรมดา จงอาจมความคมคาเชงเศรษฐศาสตรใน

6.3. เตาเผาและเครองระเหย 97

รปท 6.1: สวนประกอบทสำคญของเครองกำเนดไอนำแบบมถงพกไอนำ

การกอสรางโรงไฟฟาททำงานดวยวฏจกรแรงคนเหนอวกฤต สวนประกอบทสำคญของเครองกำเนดไอนำแบบไหลผานครงเดยวคลายกบทแสดงในรปท 6.1 แตไมมถงพกไอนำ อปกรณแลกเปลยนความรอนในเครองกำเนดไอนำแบบไหลผานครงเดยวเปนกลมทอทมไอนำและนำไหลภายใน นำจะคอย ๆเปลยนสถานะเปนไอนำจากการไหลผานอปกรณตาง ๆ ซงไดรบความรอนจากการแผรงสความรอนและการพาความรอน เครองแยกไอนำ (steam separator) ทำหนาทคลายถงพกไอนำ แตมขนาดเลกกวามากเนองจากความชนทปะปนมากกบไอนำท ไหลเขาเครองแยกไอนำมปรมาณนอย ความชนจะแยกออกจากไอนำแหงซงจะถกสงตอไปยงเครองทำไอนำยวดยงโดยนำถกแยกออกมาจะสงกลบไปทเครองประหยดเชอเพลง เครองกำเนดไอนำแบบไหลผานครงเดยวตองการนำปอนทมการเจอปนของเกลอแรนอยมากเนองจากเกลอแรจะตกคางอยภายในเครองและจะทำใหประสทธภาพของการผลตไอนำถดถอยลง

6.3 เตาเผาและเครองระเหยเตาเผาทำหนาทผลตพลงงานความรอนจากการเผาไหมเชอเพลง โดยความรอนสวนหนงจะถายเท

สผนงของเตาเผาโดยการแผรงสความรอน ความรอนสวนทเหลอจะอยในกาซเสยอณหภมสงทไหลออกจากเตาเผา นอกจากน เตาเผายงทำหนาทสะสมข เถาไวทดานเตาเผากอนถกเคลอนยายออกไป การออกแบบเตาเผาตองคำนงถงลกษณะขเถาทเกดขนวาจะหลอมเหลวทอณหภมไหน

ผนงของเตาเผามทงวสดทนไฟ (refractory) และทอนำเลก ๆ หลายทอวางเรยงกนในแนวตง เรยก


วาผนงนำ (water wall) รปท 6.2 แสดงโครงสรางโดยคราว ๆ ของผนงนำ ทอหลายทอเรยงตวเปนแถวและเชอมตอดวยเมมเบรน (membrane) ซงทำจากโลหะ แถวของทอวางชดกบวสดทนไฟ ผนงนำทำใหความรอนจากการแผรงสมาถงวสดทนไฟนอยลงซงจะชวยยดอายการใชงานของวสดทนไฟ ความรอนทดดกลนโดยผนงนำทำใหนำในทอกลายเปนไอ ดงนนผนงนำจงทำหนาทเปนเครองระเหย นำอมตวไหลเขาเครองระเหยทางดานลางและไอนำปนนำไหลออกทางดานบน

รปท 6.2: โครงสรางของผนงนำ

นำทไหลเขาทอจะเปลยนสถานะตลอดการไหลเนองจากทอไดรบความรอนจากการแผรงสความรอนของเปลวไฟ กาซรอน เขมาและขเถาในเตาเผา สถานะของนำเปนของเหลวอมตวตรงทางเขาทอและจะกลายเปนนำผสมไอนำจากการไดรบความรอนโดยสดสวนของไอนำจะเพมขนเรอย ๆ ตามทศทางการไหลของนำ รปท 6.3 แสดงให เหนวา ความรอนทนำไดรบทำใหรปแบบการไหลของนำเปลยนแปลงตลอดการไหล การไหลผานทอทไดรบความรอนสามารถแบงออกเปนชวง ๆ ในชวงแรกนำยงไมเปลยนสถานะเปนไอเรยกวาชวงการพาความรอน (convection) เมอไหลไประยะหนงจะเรมเกดฟองไอนำในของเหลวโดยทฟองเรมกอตวทผนงทอ ชวงการไหลนเรยกวาการไหลพรอมฟองไอ (bubblyflow) ขนาดของฟองไอจะใหญขนเรอย ๆ จนกระทงฟองไอรวมตวกนเปนกอนไอและการไหลจะเปนการไหลพรอมกอนไอ (slug flow) เมอมการเปลยนสถานะเพมขนอก การไหลจะกลายเปนการไหลแบบวงแหวน (annular flow) ซงเปนการไหลทมฟลมของเหลวไหลชดผนงทอและมไอไหลทแกนของทอขนานกบของเหลว ไอในชวงนจะไหลดวยความเรวสงซงทำใหการเปลยนสถานะเปนไอเกดขนอยางตอเนองและสงผลใหฟลมของเหลวบางลงตามทศทางการไหล ในทสดของเหลวจะระเหยจนหมด ชวงการไหลสดทายจงเปนการไหลพรอมละออง (mist flow) รปท 6.3 แสดงการเปลยนแปลงของสมประสทธการถายเทความรอน (h) ตลอดทกชวงการไหล h จะเพมขนอยางรวดเรวเมอมการเกดฟองไอในชวงการไหลพรอมฟองไอ หลงจากนน h เพมขนอยางตอเนอง แตเมอฟลมของเหลวเหอดแหงไปหมดในชวงทายของการไหลแบบวงแหวน h จะลดลงอยางรวดเรว

ถงแมวาหนาทของเครองระเหยคอ การผลตไอนำ แตการปลอยใหการไหลอยในชวงการไหลพรอมละอองเปนสงทไมพงปรารถนาเนองจากคา h ในชวงการไหลนตำมาก ความรอนทสะสมในทอเปนผลตางระหวางความรอนททอไดรบกบการพาความรอนจากทอสนำในทอบวกกบ ความรอนทสะสมในทอสงผลโดยตรงตออณหภมของทอ ถาการพาความรอนมคานอยเกนไป อณหภมของทออาจเพมขนจนทำใหทอเสยหายได ดงนนจงควรออกแบบเครองระเหยใหคา h เฉลยซงแปรผนตามคาการพาความรอนในทอมคามากพอไมมชวงการไหลพรอมละออง ผลทตามมาคอ ไอนำทไหลออกจากเครองระเหยจะไมใชไอนำแหงแตมความชนปนอยซงทำใหตองมการแยกความชนออกจากไอนำกอนสงไอนำอมตวไปยง

6.4. ถงพกไอนำ 99

รปท 6.3: ลกษณะการไหลของนำภายในทอทไดรบความรอนจากภายนอก

เครองทำไอนำยวดยง

6.4 ถงพกไอนำถงพกไอนำเปนอปกรณททำงานภายใตความสง (pressure vessel) ขนาดและความหนาของถงพก

ไอนำจงตองออกแบบตามสมการ (6.1) โดยทวไปถงพกไอนำมรปทรงกระบอกซงมความยาวมากกวา 30m เสนผาศนยกลางยาวกวา 4.5 m มทางออกของไอนำประมาณ 30 แหง และตอกบทอจำนวนมากซงประกอบดวย ทอนำขน (riser) ทอนำลง (downcomer) ทอสงนำปอนเขา และทอสงไอนำอมตวออกรปท 6.4 แสดงแผนภาพของถงพกไอนำ จะเหนวาถงพกไอนำทำหนาทแยกไอนำอมตวออกจากนำอมตว โดยไอนำอมตวจะถกสงตอไปทเครองทำไอนำยวดยง

ไอนำอมตวทออกจากถงไอนำควรเปนไอนำแหงหรอไอนำทไมมละอองนำปะปนมาดวยความชนซงมเกลอละลายปนอยทถกสงกบไอนำไปยงเครองทำไอนำยวดยงจะทำใหเกดคราบเกลอบนผวของเครองทำไอนำยวดยง คราบเกลอจะทำใหทอของเครองทำไอนำยวดยงนำความรอนแยลง ถายเทความรอนสไอนำไดนอยลง และทำใหทอมอณหภมสงขน ถาหากอณหภมทอสงเกนไปทอกจะเสยหายได วธทงายทสดในการแยกไอนำออกจากนำคอ ใชแรงโนมถวงของโลก โดยไอนำจะลอยขนและนำเดอดจะอยดานลางถงพกไอนำ วธนเหมาะสมกบกรณทอตราการผลตไอนำตำและความดนของระบบไมสงมากนกเพราะความเรวของไอนำทตำจะทำใหละอองนำปนมากบไอนำมปรมาณนอย และความหนาแนนของไอนำและนำเดอดจะตางกนมากทความดนตำ แตในกรณของเครองกำเนดไอนำทมกำลงการผลตสงและความดนสง การแยกไอนำตองอาศยวธเชงกล ซงหลกการทำงานมสองขนตอน ขนตอนแรกคอ การแยกไอนำออกจากนำ ขนตอนทสองคอ การแยกความชนออกจากไอนำซงทำใหไดไอนำแหง


รปท 6.4: วงจรการไหลเวยนของนำและไอนำผานถงพกไอนำ

รปท 6.5 แสดงถงพก ไอนำท ตดตง แผนกน (baffle) สำหรบการแยกไอนำออกจากนำ ในขนตอนแรกและตะแกรง (screen) สำหรบการทำใหไอนำแหงในขนตอนทสอง แผนกนทำหนาทเปลยนทศทางการไหลของไอนำ ละอองนำทลอยปะปนมากบไอนำจะมความเฉอยสงกวาไอนำและไมสามารถเปลยนทศทางการไหลไดเหมอนไอนำ ดงนนไอนำจะไหลแยกตวออกจากละอองนำเมอไหลผานแผนกนตะแกรงทำดวยตาขายลวดวางเรยงตวกนหลายชน ลวดแตละเสนจะดงดดและขดขวางการไหลผานของความชนในไอนำ เมอนำสะสมทตะแกรงมปรมาณมากกจะหยดลงกลบคนสถงพกไอนำอยางไรกตามในกรณทความดนในถงพกไอนำสงมาก ความแตกตางระหวางความหนาแนนของไอนำและนำเดอดจะนอยมาก แผนกนอาจทำหนาทไดไมดเทาทควร จงตองใชแรงหนศนยกลางมาชวยแยกไอนำจากนำเดอดซงอปกรณททำงานโดยหลกการนคอ เครองแยกแบบไซโคลน (cyclone separator) ของผสมระหวางไอนำกบละอองนำจะไหลเขาสเครองแยกและจะไหลวนในเครอง ละอองนำทมความหนาแนนมากกวาไอนำถกเหวยงไปกระทบผนงของเครองและไหลลงดานลางในขณะทไอนำจะไหลขนหลงจากนนไอนำจะไหลผานตะแกรงเพอแยกเอาความชนออกไปกอนไหลออกจากถงพกไอนำ

การไหลเขาออกของนำและไอนำในถงพกไอนำมปรมาณนอยกวาการไหลเวยนของนำและไอนำในทอนำลงและทอนำขน ภายในทอนำลงจะมแตนำอมตว สวนภายในทอนำขนจะมไอนำผสมกบนำ ทอนำลงสงนำผานทอรวมเขาผนงนำ ในขณะททอนำขนรบไอนำผสมนำผานทอรวมของผนงนำ สถานะของนำทแตกตางในชวงการไหลลงและการไหลขนทำใหมความแตกตางกนของความหนาแนนเฉลยในทอนำลง (ρd) และความหนาแนนเฉลยในทอนำขนและผนงนำ (ρr) ซงนำไปสความดนขบเคลอน(∆p) สำหรบการไหลเวยนของนำ โดย ∆p แปรผนตามความสงของถงพกไอนำจากระดบพน (H) และρd − ρr

ระบบไหลเวยนแบบแบบธรรมชาต (natural circulation) เปนระบบทอาศยเพยงความแตกตางระหวาง ρd และ ρr ระบบนจะทำงานไดกตอเมอความดนขบเคลอนมคามากพอทจะเอาชนะการสญเสยความดนในระบบ การเพมความขบเคลอนอาจทำไดโดยเพม H เพม ρr ดวยการเพมสดสวนของไอนำในทอนำขน หรอลด ρd ดวยการลดปรมาณฟองอากาศในทอนำลง ฟองอากาศมความหนาแนน

6.5. การถายนำออก 101

รปท 6.5: ลกษณะภายในถงพกไอนำ

นอยกวานำและจะลอยขนไปขดขวาง ดงนนผลดอกประการหนงของการลดปรมาณฟองอากาศคอ การไหลในทอนำลงสะดวกขน วธเหลานตางกมขอจำกด H ถกจำกดโดยคาใชจายในการวางระบบทอ ρr

ถกจำกดโดยปรมาณไอนำทออกจากทอนำขน และ ρd ถกจำกดโดยคาความหนาแนนของนำอมตวในกรณทไมมฟองอากาศในทอนำลงเลย การลดความดนสญเสยในระบบอาจทำไดโดยเพมความยาวเสนผาศนยกลางของทอนำลงซงทำใหความหนาของทอตองเพมตามไปดวย อยางไรกตามระบบไหลเวยนแบบธรรมชาตมประสทธผลลดลงเมอความดนของระบบเพมขนเนองจากผลตางระหวาง ρd และ ρr จะลดลง ระบบนไมสามารถทำงานไดเมอความดนสงถง 180 bar ระบบทใชในกรณทความดนระบบมคาสงคอ ระบบไหลเวยนแบบบงคบ (forced circulation) ซงใชเครองสบทตดตงททอนำลงเพมความดนขบเคลอนใหระบบ ถงแมวาระบบน มคาใชจายในการตดตงเครองสบ แตกมขอไดเปรยบท H มคาลดลงไดและทำใหสามารถใชทอนำลงมความยาวเสนผาศนยกลางลดลงและความหนาลดลงเมอเทยบกบระบบไหลเวยนแบบธรรมชาต

6.5 การถายนำออกนำปอนทไหลเขาถงพกไอนำจะตองถกกำจดเอาสงเจอปนออกเสยกอนเพอจะไดไมมสารตกคาง

ในถงพกไอนำ อยางไรกตามนำปอนมกไมบรสทธรอยเปอรเซนต โดยจะมสารแปลกปลอม (total dis-solved solid, TDS) จำพวกเกลอละลายปนอย การวดความเขมขนของสารแปลกปลอมอาจใชหนวยppm (part per million) ซงหมายถงหนงสวนโดยนำหนกของสารแปลกปลอมตอหนงลานสวนของนำ


เนองจากมการไหลออกของไอนำจากถงพกไอนำอยตลอดเวลาความเขมขนของสารแปลกปลอมในนำเดอดทเหลออยจงเพมขนตลอดเวลาเชนกน การถายนำออก (blowdown) และทดแทนดวยนำปอนใหมจงเปนสงจำเปนในการควบคมไมใหความเขมขนสงเกนไป

การถายนำออกอาจกระทำอยางตอเนอง (continuous blowdown) หรอกระทำเปนชวง ๆ (inter-mitten blowdown) การถายนำออกอยางตอเนองมขอไดเปรยบหลายประการเชน ปรมาณสารแปลกปลอมมคาคงทและระดบนำในถงพกไอนำคงท อตราการไหลของนำคงทซงทำใหเครองสบขนาดเลกและระบบควบคมมความซบซอนนอยกวา ปรมาณนำทถายออกสามารถคำนวณไดจากการทำสมดลมวลของสงแปลกปลอมในนำปอน รปท 6.6 แสดงการไหลเขาออกในถงพกไอนำโดยไมพจารณาการไหลในทอนำขนและทอนำลงเนองจากเปนการไหลเวยนภายในระบบ ถากำหนดให xd เปนความเขมขนของสารแปลกปลอมในถงพกไอนำ xw เปนความเขมขนของสารแปลกปลอมในนำปอน xs เปนความเขมขนของสารแปลกปลอมในไอนำออกจากถงพกไอนำ และ ms เปนอตราการไหลของไอนำ อตราการไหลของนำถายออกจะมคาดงน

mb = ms

(xw − xsxd − xw

)(6.2)

โดยทวไปความเขมขนของสารแปลกปลอมในไอนำมคานอยมาก (xs = 0) สมการ (6.2) กลายเปน

mb = ms

(xw

xd − xw

)(6.3)

รปท 6.6: การไหลเขาออกของถงพกไอนำ

การถายนำออกเปนชวง ๆ ทำใหอตราการถายนำออกมคาเทากบ mb ในชวงเวลา d และจะไมมการถายนำออกในชวงเวลาทเหลอ (t) ผลทตามมาคอ ความเขมขนของสารแปลกปลอมในถงพกไอนำมคาเพมขนจาก xd1 เปน xd2 ในชวงเวลาทไมมการถายนำออกและมคาลดลงจาก xd2 เปน xd1 ในชวงเวลาทมการถายนำออกดงแสดงในรปท 6.7 อตราการถายนำออกคำนวณไดดงน

mb =ms(xw − xs)(d+ t)

[0.5(xd1 + xd2)− xw]d(6.4)

6.6. เครองทำไอนำยวดยงและเครองใหความรอนซำ 103

ในกรณท t = 0 การถายนำจะเปนแบบตอเนองและ xd1 = xd2 = xd สมการ (6.4) จะกลายเปนสมการ (6.2)

รปท 6.7: การเปลยนแปลงของอตราการถายนำออกและความเขมขนของสารแปลกปลอมในการถายนำออกเปนชวง ๆ

6.6 เครองทำไอนำยวดยงและเครองใหความรอนซำเครองทำไอนำยวดยงและเครองใหความรอนซำเปนกลมทอทมไอนำไหลภายในทอและกาซเสย

ไหลภายนอกทอ ไอนำไดรบความรอนจากการแผรงสหรอการพาความรอนจากกาซเสยทมอณหภมสงผานทอซงทำดวยโลหะทสามารถนำความรอนไดด เครองทำไอนำยวดยงทำหนาทเพมอณหภมใหไอนำอมตวจากถงพกไอนำกลายเปนไอนำยวดยง สวนเครองใหความรอนซำทำหนาทเพมอณหภมใหไอนำทสญเสยเอนทลปบางสวนไปในเครองกงหนไอนำกอนไหลกลบเขาไปยงเครองกงหนไอนำอกครง เครองใหความรอนซำมกพบในโรงไฟฟาทมกำลงการผลตมากกวา 100 MW และไมคมคาแกการตดตงในโรงไฟฟาขนาดเลกซงจะมเพยงเครองทำไอนำยวดยง

การจำแนกเครองทำไอนำยวดยงอาจกระทำไดโดยพจารณาลกษณะการถายเทความรอน เครองทำไอนำยวดยงแบบรบรงสความรอน (radiant superheater) ตดตงอยเหนอเตาเผาเพอรบการแผรงสจากเปลวไฟและอนภาคทลกโชนและมอณหภมสง เครองทำไอนำยวดยงแบบรบการพาความรอน (convec-tive superheater) ตดตงอยในบรเวณทการแผรงสความรอนไปไมถง จงไดรบความรอนโดยการพาจากกาซเสยทไหลออกมาจากเตาเผา เครองใหความรอนซำมกตดตงถดจากเครองทำไอนำยวดยงแบบรบการพาความรอน ดงนนเครองใหความรอนซำจงไดรบความรอนจากการพาความรอนเชนกน

สงสำคญทตองคำนงถงในการออกแบบเครองทำไอนำยวดยงและเครองใหความรอนซำคอ ความสามารถในการทนอณหภมและความดน ความสามารถในการทนอณหภมสงของเครองทำไอนำยวดยงและเครองใหความรอนซำขนกบโลหะทใชทำทอโดยโลหะททนอณหภมไดสงกวายอมจะมราคาแพงกวา การออกแบบทอของเครองทำไอนำยวดยงและเครองใหความรอนซำเพอลดอณหภมของทอจะ


สามารถชวยประหยดคาใชจายดานวสดได รปท 6.8 แสดงการไหลของกาซเสยผานทอและไอนำในทอสองแบบ แบบแรกเปนการไหลแบบขนานกน (parallel flow) แบบทสองเปนการไหลแบบสวนทางกน(counter-flow) สมประสทธการถายเทความรอนของไอนำภายในทอและของกาซเสยภายนอกทอมคาใกลเคยงกน ดงนนอณหภมของทอจงมคาโดยประมาณเทากบคาเฉลยของอณหภมไอนำกบอณหภมกาซเสย รปท 6.8 แสดงใหเหนวาการไหลแบบขนานกนทำใหอณหภมของทอตำกวาการไหลแบบสวนทางกน อยางไรกตามการไหลแบบขนานกนมประสทธภาพเชงความรอนดอยกวาการไหลแบบสวนทางซงหมายความวา ทอทการไหลแบบขนานกนถายเทความรอนไดนอยกวาทอทการไหลแบบสวนทางกนการเลอกรปแบบการไหลของเครองทำไอนำยวดยงและเครองใหความรอนซำจงตองคำนงถงอณหภมของทอควบคกบประสทธผลของการแลกเปลยนความรอน

รปท 6.8: การไหลแบบขนานกนและการไหลแบบสวนทางกนในเครองทำไอนำยวดยงและเครองใหความรอนซำ

ทอของเครองทำไอนำยวดยงและเครองใหความรอนซำไดรบการออกแบบใหทนความดนสงไดตามสมการ (6.1) ในกรณท เครองกำเนดไอนำไดรบการเพมสมรรถนะใหทำงานทความดนสงขน ทอของเครองทำไอนำยวดยงและเครองใหความรอนซำจะตองถกเปลยนใหสามารถทนความดนทสงขนอยางไรกตามทอทมขนาดเลกซงทนความดนไดสง และมพนทมากในการรบความรอนมขอเสยเปรยบเนองจากความดนสญเสยของไอนำทไหลในทอจะเพมขนตามความยาวเสนผาศนยกลางของทอทลดลงปจจยเหลานจงตองนำมาพจารณาในการเลอกขนาดทอ ถาเปรยบเทยบทอของเครองทำไอนำยวดยงและเครองใหความรอนซำ จะพบวาไอนำในเครองใหความรอนซำมความดนตำกวาไอนำในเครองทำไอนำยวดยง ดงนนทอเครองใหความรอนซำจงทนกบความเคนทตำกวาและสามารถมความยาวเสนผาศนยกลางทมากกวาเพอลดการสญเสยความดนไอนำทไหลผาน นอกจากนเครองใหความรอนซำยงสามารถทนอณหภมสงกวาเครองทำไอนำยวดยง อณหภมไอนำทออกจากเครองใหความรอนซำจงอาจ

6.7. การควบคมอณหภมไอนำ 105

สงกวาอณหภมไอนำทออกจากเครองทำไอนำยวดยง 20-30Cการท เครองทำไอนำยวดยงและเครองใหความรอนซำทำงานทอณหภมสงมากทำใหมโอกาสทข

เถาจะหลอมเหลวและไปเกาะทผวของทอ โรงไฟฟาทใชถานหนทมสดสวนของเถามากและอณหภมเถาหลอมเหลวตำมกประสบปญหาดงกลาว ข เถามคาการนำความรอนตำและกลายเปนฉนวนความรอนซงจะลดการถายเทความรอนจากกาซเสยสไอนำและเพมอณหภมของทอ การปองกนการสะสมของขเถาหลอมเหลวเปนเรองยาก แตมอปกรณทสามารถลดการสะสมของขเถาไดคอ เครองเปาฝน (sootblower) ทอของเครองทำไอนำยวดยงและเครองใหความรอนซำทมจำนวนหลายทอมกวางระยะหางทมากพอทจะทำใหเครองเปาฝนทำงานอยางสะดวกโดยระยะหางระหวางทอจะเพมขนตามอณหภมของกาซเสย นอกจากนทอเหลานมกเปนทอเรยบเพอใหการกำจดขเถาเปนไปอยางมประสทธภาพ ถงแมวาทอทมครบจะมประสทธผลสงกวาในการแลกเปลยนความรอนแตมความลำบากในการกำจดขเถาทสะสมทครบดวยเครองเปาฝน

6.7 การควบคมอณหภมไอนำถงแมวาอณหภมของไอนำทออกจากเครองทำไอนำยวดยงเขาสเครองกงหนจะถกออกแบบใหมคา

เหมาะสมทสด แตในความเปนจรงอณหภมไอนำจะแปรเปลยนตามปจจยตาง ๆ เชน อณหภมเตาเผาอตราการผลตไอนำ ความดนไอนำ ปรมาณอากาศสวนเกนในการเผาไหมเชอเพลง ชนดของเชอเพลงอณหภมของนำปอน ความสะอาดของผวอปกรณแลกเปลยนความรอนในระบบ เปนตน ถาปลอยใหเครองกำเนดไอนำทำงานโดยปราศจากการควบคมอณหภม อณหภมไอนำกอาจจะขนลงในชวงอณหภมกวาง ๆ ซงการจำกดใหอณหภมไมสงเกนไปจนสงผลเสยอปกรณตาง ๆ ในระบบรวมทงเครองกงหนหมายถงอณหภมเฉลยทตำลง อนเปนสงทไมพงประสงคเนองจากมนจะทำใหประสทธภาพของโรงไฟฟาลดลง นอกจากนการเปลยนแปลงของอณหภม ไอนำในชวงกวางยงจะทำใหการออกแบบเชงกลของอปกรณตาง ๆ ในระบบซบซอนขนเนองจากการขยายตวตามอณหภมของชนสวนอปกรณจะเกดขนในชวงกวางเชนกน ดงนนอณหภมไอนำจงควรถกควบคมใหมคาไมมากกวาและไมตำกวาอณหภมทเหมาะสมทสดเกน 5C

การควบคมอณหภมไอนำอาจแบงเปน 4 วธไดแก การใชเครองทำไอนำยวดยงแบบรบรงสความรอนและพาความรอน การลดเอนทลปของไอนำ (attemperation) การเลอกปดหวเผาหรอการเอยงระดบหวเผาขนลง และการไหลวนของกาซเสย (gas recirculation)

1. การใชเครองทำไอนำยวดยงแบบรบรงสความรอนควบคกบแบบพาความรอนสามารถควบคมอณหภมไอนำไดเนองจากทงสองแบบมคณสมบตทตางกน กลาวคอเครองทำไอนำยวดยงแบบแรกจะใหไอนำอณหภมทตำลงถาอตราการผลตไอนำเพมขนอนเปนผลมาจากการทอณหภมในเตาเผาไมเปลยนแปลงมากนกเมอมการเผาไหมเชอเพลงเพมขน ในขณะทปรมาณไอนำเพมขนในทางตรงขามเครองทำไอนำยวดยงแบบหลงจะใหไอนำอณหภมทสงขนตามอตราการผลตไอนำเพมขนเพราะอตราการไหลทเพมขนของกาซเสยจะทำใหการแลกเปลยนความรอนจากกาซเสยสไอนำเพมขนตามไปดวย ดงนนการใชคอเครองทำไอนำยวดยงทงสองแบบรวมกนจะชวย


ทำใหอณหภมของไอนำทผลตไดไมเปลยนแปลงมากนกตามอตราการผลตไอนำดงแสดงในรปท 6.9 อยางไรกตามโรงไฟฟาสวนใหญมกมเครองทำไอนำยวดยงแบบพาความรอนมากกวาแบบรบรงสความรอน ดงนนจงยงคงมการเพมขนของอณหภมไอนำเมออตราการผลตไอนำเพมและตองอาศยการควบคมวธอนมาเสรม

รปท 6.9: ผลของการควบคมอณหภมไอนำโดยใชเครองทำไอนำยวดยงแบบรบรงสความรอนและพาความรอน

2. การใชแอตเทมเพอเรเทอร (attemperator) ลดเอนทลปของไอนำโดยการพนละอองนำปนเขาไปในไอนำตามรปท 6.10 ละอองนำจะระเหยเปนไอพรอมกบดดกลนความรอนจากไอนำอนจะทำใหอณหภมไอนำลดลงได ถาทราบอตราการไหลของไอนำ เอนทลปของละอองนำสเปรยเอนทลปของไอนำทไหลเขาและเอนทลปของไอนำทไหลออก อตราการไหลของนำ (mw) ทตองการสามารถคำนวณไดจาก

mshs1 + mwhw = (ms + mw)hs2

การควบคมอณหภมไอนำวธนใหผลตอบสนองทรวดเรวแตมขอควรระวงคอ ละอองนำจะตองมความบรสทธสง คอมสารแปลกปลอมเจอปนนอยทสด ไมเชนนนแลวมนจะทำใหเกดคราบตะกรนทผวทอเครองทำไอนำยวดยงและเครองใหความรอนซำได

3. การเลอกปดหวเผาหรอการเอยงระดบหวเผาขนลงควบคมอณหภมไอนำโดยการเปลยนแปลงการดดกลนความรอนในเตาเผาและสงผลใหอณหภมไอนำเปลยนแปลงตามได สมดลพลงงานความรอนในรปท 6.11 แสดงใหเหนวาพลงงานจากการเผาไหมในเตาเผา (Q) เทากบผลรวมของพลงงานทดดกลนโดยเครองระเหย (Qa) พลงงานของกาซเสยทออกจากเตาเผา (Qg) และพลงงานจากการแผรงสความรอนจากเตาเผาไปยงเครองทำไอนำยวดยง (Qr) เตาเผาของโรง

6.7. การควบคมอณหภมไอนำ 107

รปท 6.10: แอตเทมเพอเรเทอร

ไฟฟาบางแหงมหวเผาหลายหวทสามารถเลอกเปดปดไดและอาจปรบระดบของหวเผาได การลดสดสวนความรอนทถกดดกลนโดยเครองระเหยอาจกระทำไดโดยการปดหวเผาในสวนลางของเตาเผาหรอปรบระดบของหวเผาใหเอยงขน การกระทำเชนนจะทำใหกาซเสยทเขาเครองทำไอนำยวดยงกจะมอณหภมสงขนและไอนำทไดจากเครองทำไอนำยวดยงมอณหภมสงขน ในทางกลบกนถาปดหวเผาในสวนบนของเตาเผาหรอเอยงหวเผาลงจะทำใหสดสวนของความรอนทถกดดกลนโดยเครองระเหยเพมขนและจะทำใหกาซเสยทออกจากเตาเผามอณหภมตำซงสงผลใหเครองทำไอนำยวดยงผลตไอนำทมอณหภมตำตามไปดวย การควบคมอณหภมไอนำโดยการเลอกเปดปดหวเผาและการปรบหวเผาเปนการควบคมทไมซบซอน ใหผลตอบสนองทแมนยำและรวดเรว และการควบคมสามารถกระทำไดในชวงอตราการผลตไอนำทกวาง

รปท 6.11: สมดลพลงงานทเตาเผา

4. การไหลวนของกาซเสยคอ การทำใหกาซเสยทออกจากเครองกำเนดไอนำไปแลวไหลยอนกลบเตาเผาอกครง การไหลวนของกาซเสยสามารถใชลดการดดกลนพลงงานโดยเครองระเหยและเพมพลงงานความรอนในกาซเสย กระบวนการถายเทความรอนหลกจากเตาเผาสเครองระเหยคอ การแผรงสความรอน ดงนนอณหภมในเตาเผาจงเปนปจจยทสำคญมาก การไหลวนของกาซเสยทำใหอณหภมในเตาเผาลดลง การดดกลนความรอนโดยเครองระเหยกจะลดลงตามไปดวยผลทตามมาคอ กาซเสยทออกจากเตาเผากจะมพลงงานความรอนเพมขนและทำใหไดไอนำทมอณหภมเพมขน

เนองจากการใชแอตเทมเพอเรเทอรและการไหลวนของกาซเสยเปนการควบคมอณหภมไอนำสอง


วธทใหผลตางกน ทงสองวธจงอาจถกใชรวมกนเพอทำใหไอนำมอณหภมคงทกลาวคอถาอตราการผลตไอนำเพมขนกใหใชวธพนสเปรยนำลดอณหภมไอนำ แตถาอตราการผลตไอนำลดลงกใหใชวธนำกาซเสยไหลยอนกลบเตาเผา รปท 6.12 แสดงใหเหนวาการกระทำเชนนจะทำใหอณหภมไอนำไมเปลยนแปลงตามอตราการผลตไอนำ

รปท 6.12: การควบคมอณหภมไอนำโดยการใชแอตเทมเพอเรเทอรและการไหลวนของกาซเสย

6.8 เครองประหยดเชอเพลงกาซเสยทออกจากเครองทำไอนำยวดยงและเครองใหความรอนซำมอณหภมสง การปลอยกาซเสย

ออกสสงแวดลอมทนทจงเปนการสญเสยพลงงานในกาซเสยไปโดยเปลาประโยชน จากการพจารณาวฏจกรแรงคน จะพบวานำปอนเขาหมอไอนำควรมอณหภมสงเพอลดความตองการเชอเพลงในการทำใหนำปอนกลายเปนไอ ดงนนความรอนในกาซเสยจงควรถกถายเทสนำปอน อนจะสงผลใหประสทธ-ภาพโดยรวมของโรงไฟฟาเพมขน นอกจากนการทนำปอนมอณหภมสงยงชวยลดความเคนเชงความรอน(thermal stress) ในถงพกไอนำดวยโดยการลดความแตกตางอณหภมผวของถงพกไอนำ

อปกรณสำหรบแลกเปลยนความรอนระหวางกาซเสยกบนำปอนมชอวา เครองประหยดเชอเพลงซงประกอบดวยกลมทอจำนวนมากวางขนานกน ตำแหนงของเครองประหยดเชอเพลงอยถดจากเครองใหความรอนซำ นำปอนจะไหลในทอของเครองใหความรอนซำและออกไปยงถงพกไอนำ สวนกาซเสยจะไหลนอกทอ เครองประหยดเชอเพลงไมไดออกแบบใหผลตไอนำ ดงนนนำปอนทออกจากเครองประหยดเชอเพลงควรมอณหภมตำกวาจดเดอดประมาณ 30C เพอไมใหมการเปลยนสถานะของนำการทของเหลวไหลในทอของเครองประหยดเชอเพลงทำใหอณหภมของทอใกลเคยงกบอณหภมของนำปอนเพราะสมประสทธการถายเทความรอนของนำภายในทอสงกวาของกาซเสยภายนอกทอมาก ดงนน

6.9. เครองอนอากาศ 109

จงไมมปญหาเรองอณหภมทอสงเกนไปในเครองประหยดเชอเพลงเหมอนในเครองทำไอนำยวดยงและเครองใหความรอนซำ ทศทางการไหลของนำและกาซเสยในเครองประหยดเชอเพลงจงเปนแบบสวนทางกนเพอใหประสทธผลของการแลกเปลยนความรอนระหวางกาซเสยกบนำปอนสงทสด

ปญหาท อาจเกดขนกบ เครองประหยด เชอ เพลงคอ การกดกรอนโดยอนภาคในกาซ เสย ดงนนความเรวของกาซเสยจงถกจำกดอยท 10-12 m/s ถาปรมาณเถาในเชอเพลงมนอย แตถาเชอเพลงมสดสวนของเถามากความเรวของกาซเสยอาจตองตำกวาน ปญหาตอคอ การควบแนนของไอนำบนผวทอซงมอาจมอณหภมตำกวาจดนำคาง ปญหานมกเกดขนในชวงเรมเดนเครองซงทอยงมอณหภมตำอยการแกปญหาอาจทำไดโดยการปลอยใหกาซเสยไหลผานทอในขณะทยงไมมนำไหลเขาเพอเพมอณหภมของทอใหสงกวาจดนำคาง ปญหาสดทายทเกดขนคอ การสะสมของขเถาบนผวทอของเครองประหยดเชอเพลง เพอแกปญหานกลมทอจะตองมระยะหางระหวางทอทมากพอทจะใหเครองเปาฝนทำงานโดยสะดวก นอกจากนทอทใชควรเปนทอเรยบ อยางไรกตามถาเชอเพลงเปนกาซธรรมชาตหรอเชอเพลงสะอาดอน ๆ กสามารถใชทอตดครบเพอเพมประสทธผลของการแลกเปลยนความรอนและลดขนาดของเครองประหยดเชอเพลงได

6.9 เครองอนอากาศจากการทอณหภมกาซเสยทไหลออกจากเครองประหยดเชอเพลงยงคงสงอย กาซเสยจงสามารถ

นำไปแลกเปลยนความรอนกบอากาศทจะเขาเตาเผาโดยใชเครองอนอากาศเพอเพมอณหภมอากาศอากาศทรอนขนจะทำใหประสทธภาพของเครองกำเนดไอนำเพมขนและความตองการเชอเพลงลดลงอาจกลาวโดยประมาณไดวาอณหภมของอากาศทเพมขน 110C ชวยประหยดเชอเพลงได 4% และอณหภมของอากาศท เพมขน 280C ชวยประหยดเชอเพลงไดมากกวา 11% นอกจากนอากาศรอนอณหภม 150-420C ยงเปนสงทจำเปนสำหรบลดความชนในผงถานหนแหงในระบบทใชหวเผาและเครองบดละเอยด เครองอนอากาศมกถกออกแบบใหเพมอณหภมของอากาศเปน 280-400C โดยทกาซเสยจะมอณหภมลดลงเหลอ 135-180C ซงเปนอณหภมทสงกวาจดนำคางของกาซเสยเพอหลกเลยงการควบแนนของไอนำในกาซเสยททำใหเกดกรดซลฟรก

เครองอนอากาศแบงออกเปนสองแบบตามลกษณะการทำงานคอ รคปเพอเรเตอร (recuperator)และรเจนเนอเรเตอร (regenerator) รคปเพอเรเตอรเปนอปกรณแลกเปลยนความรอนแบบไหลตดกนซงประกอบดวยทอจำนวนมากโดยทออาจอยในแนวตงหรอแนวนอนดงแสดงในรปท 6.13 เปนทนาสงเกตวากาซเสยไหลในแนวตงในขณะทอากาศไหลในแนวนอนโดนกาซเสยไหลในทอในรปท 6.13(ก)แตไหลตดกบทอในรปท 6.13(ข) เหตผลทกาซเสยไหลในแนวตงคอ กาซเสยมขเถาและฝนปนอย ขเถาและฝนจะไปสะสมบนทอ แตการสะสมจะถกจำกดโดยการไหลของกาซเสยและแรงโนมถวงของโลกขเถาและฝนบางสวนจงตกลงสถงเกบ (hopper) สมประสทธการถายเทความรอนรวมของรคปเพอ-เรเตอรมคาอยระหวาง 30-60 W/m2.C ซงนบวาตำเนองจากของไหลในระบบมสถานะเปนกาซทงคดงนนทอจงควรมขนาดเลกและมจำนวนมากเพอเพมพนทถายเทความรอน ทออาจตดครบในกรณทเชอเพลงทใชเผาไหมเปนเชอเพลงสะอาด โดยทวไปขนาดเสนผาศนยกลางนอกของทออยประมาณ 50-65mm


รปท 6.13: เครองอนอากาศประเภทรคปเพอเรเตอรทม (ก) ทอในแนวตง และ (ข) ทอในแนวนอน

เครองอนอากาศแบบรเจนเนอเรเตอรมลกษณะเปนวงลอทบรรจวสดพรนซงมคาความจความรอนทสงเรยกวาเมทรกซ (matrix) กาซเสยและอากาศไหลสวนทางกนและคนละซกของวงลอ เมทรกซจะดดกลนความรอนบางสวนจากกาซเสยเมอกาซเสยไหลผานและสะสมความรอนนไว เมทรกซจะคายความรอนนใหอากาศทไหลผานและทำใหอากาศมอณหภมสงขน เมทรกซเปนสวนประกอบทสำคญมากของรเจนเนอเรเตอร รเจนเนอเรเตอรจะทำงานไดกตอเมอจะตองมการไหลของกาซเสยสลบกบการไหลของอากาศทแตละซกของวงลอ กลไกการทำงานของรเจนเนอเรเตอรจงแบงเปนสองแบบ กลไกแบบแรกเปนการหมนของวงลอโดยกาซเสยและอากาศมทศทางการไหลคงท กลไกแบบทสองเปนการเปลยนตำแหนงการไหลของกาซเสยและอากาศโดยวงลออยนง รปท 6.14 แสดงให เหนการทำงานของร-เจนเนอเรเตอรแบบจงสทรม (Ljungstrom regenerator) ซงทำงานดวยกลไกแบบแรกและรเจนเนอ-เรเตอรแบบโรเทอมลเลอ (Rothemuhle regenerator) ซงทำงานดวยกลไกแบบทสอง

รเจนเนอเรเตอรมขอไดเปรยบหลายประการเมอเทยบกบรคปเพอเรเตอร รเจนเนอเรเตอรมพนทแลกเปลยนความรอนมากกวารคป เพอเรเตอร ดงนนร เจนเนอเรเตอรจงมขนาดเลกกวารคป เพอ-เรเตอรทมสมรรถนะเทากน ร เจนเนอเรเตอรมประสทธผล (effectiveness) สงกวารคปเพอเรเตอรกลาวคอรเจนเนอเรเตอรสามารถอนอากาศใหมอณหภมสงกวารคปเพอเรเตอร สวนทตองทนอณหภมสงของรเจนเนอเรเตอรคอ เมทรกซซงอาจทำดวยวสดททนความรอนไดสงเชน เซรามก นอกจากนร-เจนเนอเรเตอรยงมคณสมบตในการทำความสะอาดตวเอง (self-cleaning) เนองจากการไหลสลบกนของกาซเสยและอากาศทวเมทรกซ อยางไรกตามสามารถทนอณหภมสงกวารคปเพอเรเตอรเพราะททออกจากเปลยนความรอนสามารถถกออกแบบใหมปรมาณมาโดยการใชวสดทมรพรนและความหนาแนนสง อยางไรกตามรเจนเนอเรเตอรมขอเสยคอ วสดพรนในเมทรกซทำใหเกดความดนสญเสยของกาซเสยและอากาศทไหลผาน รเจนเนอเรเตอรจงตองการพดลมทมกำลงงานสง การไหลสลบกนของกาซรอนและอากาศเยนทำใหเกดความเคนเชงความรอนในเมทรกซซงอาจลดอายการใชงานของเมทรกซ

6.10. เครองเปาฝน 111

รปท 6.14: รเจนเนอเรเตอร (ก) แบบจงสทรมและ (ข) แบบโรเทอมลเลอ เสนทบแสดงสวนทหมนรอบแกนแนวตง

นอกจากนปญหาทสำคญของร เจนเนอเรเตอรคอ การรวไหลมาผสมกนของกาซเสยและอากาศ โรงไฟฟาทมขนาดมากกวา 120 MW นยมตดตงรเจนเนอเรเตอร โดยรเจนเนอเรเตอรอาจมความยาวเสนผาศนยกลางถง 10 m และมความเรวรอบของวงลออยระหวาง 0.5-3 rpm

6.10 เครองเปาฝนกาซเสยมกมจงมฝนปะปนอยเสมอ ทมาของฝนคอ เถาซงเปนสวนประกอบเชอเพลงทไมเผาไหม

และจะกลายเปนเถาลอยทปนไปกบกาซเสยถาเถามอณหภมหลอมเหลวสง นอกจากนยงมเชอเพลงบางสวนทเผาไหมไมสมบรณและกลายเปนเขมาปะปนไปกบกาซเสยเชนกน การไหลของกาซเสยในเครองกำเนดไอนำเปนการไหลผานสงกดขวางซงกคออปกรณแลกเปลยนความรอนตาง ๆ แมวากาซสามารถไหลผานสงกดขวางไดแตฝนมกถกดกไวไมใหไหลผานไปได ผลทตามมาคอ การสะสมของฝนบนผวทอของอปกรณแลกเปลยนความรอน ฝนมคาการนำความรอนตำและจะลดคาสมประสมประสทธการถายเทความรอนรวมของอปกรณแลกเปลยนความรอน สมรรถนะของอปกรณแลกเปลยนความรอนจงลดลงตามการสะสมของฝนท เพมขน ถาไมมการกำจดฝนออกไปอณหภมของกาซเสยทไหลออกจากเครองกำเนดไอนำจะเพมขนในขณะทอณหภมของไอนำจะจะลดลงซงจะทำใหประสทธภาพของเครองกำเนดไอนำลดลงเชนกน

ถาโรงไฟฟามกำหนดปดซอมบำรงทกปหรอสองปฝนอาจถกกำจดโดยการชะลางฝนออกจากผวทอหลงจากเครองกำเนดไอนำหยดการทำงาน แตวธนเหมาะสมถากาซเสยมฝนนอยซงหมายความวาเชอเพลงมสดสวนของเถาตำและมการเผาไหมไมสมบรณเกดขนนอย แตถาเชอเพลงเปนเชอเพลงแขง


การสะสมของฝนบนผวทอจะมปรมาณมากเกนกวาทจะรอทำความสะอาดทกปหรอสองปได การกำจดฝนควรกระทำบอยครงขนแตโรงไฟฟาไมสามารถหยดการทำงานบอย ๆ ได ดงนนการกำจดฝนจงตองกระทำขณะทเครองกำเนดไอนำกำลงทำงานอยโดยใชอปกรณทเรยกวาเครองเปาฝน (soot blower)หลกการทำงานของเครองเปาฝนคอ ใชการพนไอนำหรออากาศสลายขเถาทสะสมบนผวทอ ไอนำและอากาศตางกมขอดและขอเสย ไอนำในโรงไฟฟามปรมาณไมจำกดและมความดนสงอยแลวจงไมตองมอปกรณเพมความดน เครองเปาฝนทใชไอนำจงมคาใชจายในการเดนเครองตำ ขอเสยของเครองเปาฝนทใชไอนำคอ ตองมระบบกำจดนำควบแนนทเกดขนจากไอนำซงจะเพมคาบำรงรกษา นอกจากนเครองเปาฝนอาจไมสามารถทำงานไดอยางมประสทธผลในชวงทโรงไฟฟาเรมเดนเครองเพราะปรมาณไอนำยงไมมากพอ เครองเปาฝนทใชอากาศสามารถทำงานไดตลอดเวลาและมคาบำรงรกษาตำ แตจะมคาใชจายในการเดนเครองคอนขางสงเพราะตองมเครองอดอากาศเพอเพมความดนใหอากาศสำหรบเปาฝนเครองเปาฝนอาจแบงเปน เครองเปาฝนแบบหลายหวฉด (multi-nozzle soot blower) และเครองเปาฝนแบบยดหดได (retractable soot blower)

เครองเปาฝนแบบหลายหวฉดประกอบดวยทอขนาดเสนผาศนยกลาง 50-64 mm ทเจาะรใหไอนำหรออากาศทมความดนสงพนออกมาไดโดยมรศมทำงานของเครองประมาณ 2 m ตำแหนงของรจะอยระหวางแถวของทออปกรณแลกเปลยนความรอน เครองเปาฝนแบบนหมนไดเพอใหสามารถพนไอนำหรออากาศหลายทศทาง เครองเปาฝนแบบหลายหวฉดอาจมหลายทอวางขนานกนโดยทอสวนหนงพนไอนำหรออากาศขนบนและทออกสวนหนงพนไอนำหรออากาศลงลางและแตละทอหมนได 180 ซงจะทำใหสามารถกำจดฝนไดอยางทวถง รปท 6.15 แสดงเครองเปาฝนแบบน ขอจำกดของเครองเปาฝนแบบหลายหวฉดคอ การทำงานในสภาวะทมอณหภมสงตลอดเวลา อณหภมจงไมควรเกน 1000C การใชงานจงจำกดอยทเครองประหยดเชอเพลงและเครองอนอากาศ

รปท 6.15: เครองเปาฝนแบบหลายหวฉด

เครองเปาฝนแบบยดหดไดประกอบดวยทอทฝงอยในผนงของเครองกำเนดไอนำเมอไมไดใชงานและจะยนออกมาเมอมความตองการกำจดฝน ดานปลายของเครองมหวฉดสำหรบพนไอนำหรออากาศ

6.11. การไหลเวยนของอากาศและกาซเสย 113

ทมความดนสง หวฉดอาจมสองหวฉดเพอลดแรงปฏกรยาขณะพนไอนำหรออากาศซงอาจทำใหทอโคงงอ ทอสามารถหมนไดรอบทศ รปท 6.16 แสดงใหเหนวา การพนไอนำหรออากาศขณะหมนและยนออกทำใหไอนำหรออากาศเคลอนทเปนรปเกลยวและทำใหสามารถทำความสะอาดทออปกรณแลกเปลยนความรอนอยางทวถง การเคลอนทของหวฉดอาจทำใหหวฉดพนไอนำหรออากาศไปททออปกรณแลกเปลยนความรอนโดยตรงไดซงอาจนำไปสการสกกรอนของทอ ดงนนเครองเปาฝนจงควรอยหางจากทออยางนอย 50 cm เครองเปาฝนแบบนทำงานไดในสภาวะทมอณหภมสงเนองจากเครองทำงานในชวงเวลาสน ๆ และจะถกเกบเมอไมใชงาน อยางไรกตามเครองเปาฝนแบบนตองการพนทเกบเมอฝงตวในผนง

รปท 6.16: เครองเปาฝนแบบยดหดได

6.11 การไหลเวยนของอากาศและกาซเสยเครองกำเนดไอนำตองการอากาศปรมาณมหาศาลใหไหลเขาและกาซเสยในปรมาณทมากกวาให

ไหลออกโดยผานอปกรณแลกเปลยนความรอน การไหลของอากาศและกาซเสยจะเกดขนไดกตอเมอมผลตางระหวางความดนของระบบกบความดนของสงแวดลอม ซงผลตางทวานเรยกวาดราฟต (draft)ดราฟตทเกดขนในโรงไฟฟาแบงออกตาม 2 วธสำหรบทำใหเกดดราฟตไดแก ดราฟตธรรมชาต (naturaldraft) และดราฟตเชงกล (mechanical draft)

6.11.1 ดราฟตธรรมชาตเนองจากกาซเสยมอณหภมสงกวาอากาศของสงแวดลอมมนจง เบากวาและจะลอยขน เองตาม

ธรรมชาตหรอกลาวอกนยหนงกคอความหนาแนนทตางกนของกาซเสยกบอากาศทำให เกดดราฟตโครงสรางของโรงไฟฟามกประกอบไปดวยปลอง (stack) ในรปท 6.17 เพอสงเสรมการเกดดราฟต ถา


ความสงของปลองเทากบ H ดราฟตทเกดขน (∆p) มคาแปรผนตาม H และความหนาแนนของกาซเสยในปลอง ถาสมมตวากาซเสยเปนกาซในอดมคต ดราฟตธรรมชาตจะแปรผนตามอณหภมกาซเสยแตถากาซเสยมอณหภมสงกหมายความวาประสทธภาพของโรงไฟฟาตำเพราะมการสญเสยพลงงานไปมากผานทางความรอนในกาซเสย ดงนนจงตองกำหนดอณหภมทเหมาะสมทสดของกาซเสยโดยคำนงถงปจจยตาง ๆ ควบคกน นอกจากทำหนาทเพมดราฟตแลว ปลองยงทำหนาทแพรกระจายกาซเสยสสงแวดลอมทความสงอนเหมาะสมทไมสงผลเสยตอชมชนใกลโรงไฟฟา

รปท 6.17: ระบบดราฟตธรรมชาต

ระบบท ใช ดราฟต ธรรมชาตม ได เปรยบท คาบำรง รกษาระบบตำ ไมม ความตองการพลงงานขบเคลอนอปกรณ ความงายในการออกแบบ อายการใชงานยาว และความสามารถแพรกระจายกาซเสยในทสง ๆ แตดราฟตธรรมชาตกมขอเสยตรงทมนจะเปลยนแปลงไปตามสภาวะของสงแวดลอม และทสำคญทสดมนใหดราฟตทนอยกวาความตองการของโรงไฟฟาขนาดใหญ

6.11.2 ดราฟตเชงกลถามการใชอปกรณจำพวกพดลมมาชวยใหเกดการไหลเวยนของอากาศและกาซเสย ดราฟตทเกด

ขนเรยกวาดราฟตเชงกล ดราฟตเชงกลจงไมขนอยกบสงแวดลอม และไมมความจำเปนตองมปลองสงเหมอนกบระบบทใชดราฟตธรรมชาต ระบบทใชดราฟตเชงกลยงขอดอน ๆ เชน ควบคมไดงายกวา และไมตองปลอยกาซเสยอณหภมสงออกจากระบบเพอเพมดราฟต แตกมคาใชจายสงในการดแลรกษาและปฏบตการ อยางไรกตามโรงไฟฟาขนาดใหญตองใชระบบนเพราะดราฟตธรรมชาตไมเพยงพอทจะเอาชนะการสญเสยความดนปรมาณมากทมสาเหตมาจากอปกรณหลายชนดและโครงสรางอนซบซอนของโรงไฟฟา

ดราฟตเชงกลแบงออกเปนดราฟตจากการเปา (forced draft) และดราฟตจากการดด (induceddraft) ในแบบแรกพดลมจะทำหนาทเปาอากาศสเตาเผา จงทำใหเตาเผามความดนสงกวาสงแวดลอมในกรณทตองการทำใหเกดดราฟตปรมาณ ∆p กำลงงานทใหกบพดลม (PFD) สามารถคำนวณไดจาก


สตรตอไปน

PFD =mf .AFRA.va.∆p

ηFD(6.5)

โดยท va คอปรมาตรจำเพาะของอากาศและ ηFD คอประสทธภาพของพดลมเปาอากาศ ขอดของดราฟตจากการเปาคอพดลมทมขนาดเลกและไมตองหลอเยน เนองจากมนใชเปาอากาศทมอณหภมและปรมาตรจำเพาะตำ นอกจากนการทเตาเผามความดนสงหมายความวาไมมอากาศรวไหลเขาสเตาเผาได ซงอากาศทรวไหลเขาจะทำใหประสทธภาพของเครองกำเนดไอนำลดลง แตในทางกลบกนการทเตาเผามความดนสงกเปนขอเสยของดราฟตจากการเปาเพราะเปลวไฟอาจรวออกนอกเตาเผาไดซงจะเปนอนตรายตอผควบคมเครองกำเนดไอนำ

ดราฟตจากการดดเกดในกรณทพดลมถกตดตงระหวางเครองกำเนดไอนำและปลอง โดยพดลมจะทำหนาทดดกาซเสยออกจากเครองกำเนดไอนำเขาสปลอง จงทำใหเครองกำเนดไอนำโดยรวมมความดนตำกวาสงแวดลอม กำลงงานทใหกบพดลม (PID) เพอผลตดราฟต ∆p คอ

PID =mf (1 +AFRA)vg.∆p

ηID

โดยท vg คอปรมาตรจำเพาะของกาซเสยและ ηID คอประสทธภาพของพดลมดดอากาศ พดลมทใชผลตดราฟตจากการดดตองทำงานทอณหภมสง กำลงงานทตองใหพดลมจงมากกวาในกรณของดราฟตจากการเปา นอกจากนพดลมยงตองผจญขเถาในกาซเสย อายการใชงานของมนจงสนกวาพดลมเปาอากาศ แตพดลมดดอากาศมความปลอดภยเพราะจะไมมการรวไหลของกาซเสยและเปลวไฟออกนอกเตาเผา

เนองจากดราฟตทงสองชนดมทงขอดและขอเสย โรงไฟฟาจงมกใชทงสองชนดรวมกน กลาวคอพดลมจะถกตดตงททางเขาและทางออกของเครองกำเนดไอนำ อนจะทำใหภายในเตาเผามความดนตำกวาสงแวดลอมเพยงเลกนอย ดราฟตทไดจงเรยกวา ดราฟตสมดล (balanced draft)

6.11.3 พดลมพดลมทำหนาทเพมความดนสถตหรอความเรวใหอากาศหรอกาซ ดงนนพดลมจงเปนอปกรณทม

ความสำคญมากในระบบถายเทอากาศและกาซเสย เนองจากพดลมตองตดตงทตำแหนงตาง ๆ กนการเลอกใชพดลมจงตองคำนงถงความเหมาะสมตอการใชงาน พดลมทใชในโรงไฟฟามสองแบบคอ แบบไหลตามแนวแกน (axial type) และแบบแรงเหวยง (centrifugal type) พดลมแบบแรกทำงานโดยหลกการเดยวกบพดลมตงโตะ อากาศจะไหลเขาและออกจากพดลมตามแนวแกน พดลมแบบไหลตามแนวแกนจงหวะเดยว (single-stage axial fan) ใชสำหรบเปาอากาศ สวนพดลมตามแนวแกนสองจงหวะ (two-stage axial fan) ใชสำหรบดดกาซเสย พดลมแบบไหลตามแนวแกนมประสทธภาพสงทชวงอตราการไหลของอากาศทกวาง ดงนนจงไมตองควบคมการทำงานของพดลมอยางใกลชด อยางไรกตามพดลมแบบนมราคาแพงและตองไดรบการดแลรกษาอยางด จงเหมาะกบการใชงานในภาวะทไมมฝนละอองหรอขเถา ซงกคอการเปาอากาศ ถาจะใชพดลมในการดดกาซเสย ตองมนใจวาอนภาคในกาซเสยถกกำจดไปเกอบหมดโดยระบบกำจดฝน ไมเชนนนแลวพดลมจะเสยหายไดเนองจากมนไมสามารถทนตอฝนในกาซเสยไดด


หลกการทำงานของพดลมแบบแรงเหวยงคอ อากาศทมความดนตำหรอความเรวตำจะไหลเขากลางพดลมและมความดนหรอความเรวเพมจากแรงเหวยงของการหมนของพดลมซงทำใหอากาศทออกมความดนสงหรอความเรวสง พดลมแบบแรงเหวยงประกอบดวยใบพดทตอกบแกนหมน การทำงานของพดลมขนอยกบลกษณะของใบพด ซงแบงเปน ใบโคงเอยงหนา (forward-curved) ซงการโคงเอยงของใบพดมทศทางเดยวกบทศทางการหมนของพดลม ใบตรง (flat) และใบโคงเอยงหลง (backward-curved) ซงการโคงเอยงของใบพดมทศทางสวนกบทศทางการหมนของพดลม รปท 6.18 แสดงลกษณะของใบพดทงสามแบบ ถาความเรวของอากาศหรอกาซเสยทออกจากปลายใบพดเทากนทงสามกรณความเรวของใบพดโคงไปขางหนาจะมคานอยทสด และความเรวของใบพดโคงไปขางหลงจะมคามากทสด ตารางท 6.1 เปรยบเทยบใบพดทงสามแบบ จะเหนวาพดลมแบบใบโคงเอยงหลงเหมาะสำหรบกวาพดลมแบบอน ขอเสยทสำคญของพดลมแบบนคอ ความทนทานตอฝนตำเมอใชพดลมแบบนดดอากาศ ซงขอเสยเปรยบนสามารถแกไขไดถามระบบกำจดฝนทมประสทธผลกอนกาเสยไหลเขาพดลมอยางไรกตาม ในกรณทมฝนปรมาณมากในกาซเสย อาจจำเปนตองใชพดลมแบบใบตรงซงมโครงสรางแขงแรงและสามารถสรางใหมความทนทานตอฝนทสงมากได ถงแมวาประสทธภาพของพดลมแบบนจะตำกวาพดลมแบบใบโคงเอยงหลง พดลมแบบใบโคงเอยงหนามขอเสยหลายประการ จงไมเหมาะกบการใชงานในโรงไฟฟา พดลมแบบนนยมใชในระบบปรบอากาศโดยทำหนาทเปนพดลมระบายอากาศขนาดเลก

รปท 6.18: พดลมชนดแรงเหวยงแบบใบโคงเอยงหนา, ใบตรง และใบโคงเอยงหลง

พารามเตอรทกำหนดสมรรถนะของพดลมคอ อตราการไหล ความดนสถตและกำลงงาน ความดนสถตหมายถงความดนสถตทพดลมเพมใหอากาศทไหลผาน มเสนโคงทแสดงความสมพนธระหวางความดนสถตกบอตราการไหลสองเสน เสนโคงแรกคอ เสนโคงลกษณะเฉพาะ (characteristic curve) ซงไดจากการทดสอบพดลม เสนโคงนจงเปนลกษณะเฉพาะของพดลมแตละเครอง เสนโคงทสองคอ เสนโคงความตานทานของระบบ (system resistance curve) ซงแสดงวาอากาศตองไดรบความดนสถตมากขนเมอมอตราการไหลเพมขนเนองจากระบบมความตานทานการไหลเพมขน เมอนำพดพดลมไปทำงานในระบบจดทำงานของพดลมจะเปนจดตดของเสนโคงทงสองเสนดงแสดงในรปท 6.19 พดลมมกไดรบการออกแบบใหมประสทธภาพสงสดทจดทำงาน อยางไรกตามเปนเรองยากทจะเลอกจดทำงานไดอยางแมนยำในขนตอนการเลอกพดลม ในทางปฏบตพดลมทเลอกใชมกมสมรรถนะสงกวาความตองการใช


ตารางท 6.1: เปรยบเทยบสมรรถนะของใบพดสามแบบของพดลมแรงเหวยง

ใบโคงเอยงหนา ใบโคงเอยงหลง ใบตรงขนาดของพดลม เลก ปานกลาง ปานกลางประสทธภาพ 78-83% 84-91% 70-72%เสถยรภาพ ไมด ด ดความเรวพดลม ตำ สง ปานกลางความทนตอฝน ปานกลาง ตำ สง

งานจรง กลาวคอพดลมทเลอกใชจะมประสทธภาพสงสดทอตราการไหลสงกวาอตราการไหลทตองการเหตผลททำเชนนคอ

• ความตานทานของระบบอาจมากกวาทออกแบบไวเนองจากการสะสมของฝนและสแลกบนพนผวของอปกรณตาง ๆ ในเครองกำเนดไอนำ

• ระบบการไหลของอากาศและกาซเสยอาจมการรว ซงทำใหตองเลอกพดลมทใหอตราการไหลสงเพอชดเชยการรว

• ระบบอาจตองการอากาศสวนเกนมากกวาทคาดวาจะตองการ

รปท 6.19: จดทำงานของพดลม

การควบคมอตราการไหลสามารถกระทำไดโดยวธควบคมแบบปรบมมของใบพดนำ (inlet vanecontrol) ใบพดนำเปนใบพดนงทตดตงกอนใบพดหมน รปท 6.20 แสดงผลของการควบคมพดลมดวยวธน การปรบมมของใบพดนำทำใหเสนโคงความดนสถตของพดลมเปลยนจากเสน sp1 เปนเสน sp2และจากเสน sp2 เปนเสน sp3 นอกจากนเสนโคงกำลงงานกเปลยนจากเสน p1 เปนเสน p2 และจาก


เสน p2 เปนเสน p3 อยางไรกตามเสนโคงความตานทานของระบบไมเปลยน ดงนนการควบคมพดลมดวยวธนจงทำใหจดทำงานของพดลมเปลยนจากจด a เปนจด b และจากจด b เปนจด c เปนทนาสงเกตวาการลดลงของอตราการไหลทำใหกำลงงานของพดลมลงจากจด a′ บนเสน p1 เปนจด b′ บนเสน p2และจากจด b′ บนเสน p2 เปนจด c′ บนเสน p3

รปท 6.20: วธควบคมพดลมแบบปรบมมของใบพดนำ

อกวธหนงทใชควบคมการทำงานของพดลมไดคอวธควบคมแบบปรบความเรว (variable-speedcontrol) เสนโคง sp1 และ p1 เปนเสนโคงของพดลมความเรวสง เสนโคง sp2 และ p2 เปนเสนโคงของพดลมความเรวปานกลาง เสนโคง sp3 และ p3 เปนเสนโคงของพดลมความเรวตำ จะเหนวา การลดความเรวพดลมทำใหอตราการไหลและกำลงงานของพดลมลดลงตามไปดวย เมอเปรยบวธควบคมแบบหลายความเรวกบวธควบคมแบบปรบมมของใบพดนำจะพบวาวธควบคมแบบหลายความเรวทำใหกำลงงานของพดลมลดลงมากกวาวธควบคมแบบปรบมมของใบพดนำ

รปท 6.21: วธควบคมพดลมแบบปรบความเรว


คำถามทายบท1. ทำไมอตราการผลตไอนำทลดลงจงสงผลใหตองใชอากาศสวนเกนมากขน

2. ทำไมหมอไอนำแบบทอไฟจงมขนาดเลกเมอเทยบกบหมอไอนำแบบทอนำ

3. ผนงนำหมายถงอะไร

4. ทำไมทอนำขนจงมขนาดเลกกวาทอนำลง

5. ถงพกไอนำทำหนาทอะไรในเครองกำเนดไอนำ

6. ละอองนำทปะปนไปกบไอนำทออกจากถงพกไอนำจะสงผลเสยตอเครองกำเนดไอนำอยางไร

7. อะไรจะเปนผลเสยทเกดขนถาไมมการถายนำออกจากถงพกไอนำ

8. ไซโคลนทำหนาทอะไรในถงพกไอนำ

9. เครองประหยดเชอเพลงทำหนาทอะไร

10. อะไรคอสาเหตสำคญนอกจากราคาทอททำใหทอของเครองทำไอนำยวดยงของโรงไฟฟาถานหนไมนยมตดครบทง ๆ ทการถายเทความรอนจะดขน

11. เครองอนอากาศมกแบบ อะไรบาง

12. การไหลวนของกาซเสยสงผลอยางไรตออณหภมไอนำทออกจากเครองทำไอนำยวดยง

13. อธบายการควบคมอณหภมไอนำโดยการเอยงระดบหวเผาขนลงมาพอสงเขป

14. ทำไมการใชเครองทำไอนำยวดยงแบบแผรงสควบคกบแบบพาความรอนจงควบคมอณหภมไอนำได

15. บอกขอเสยสองขอของการทอณหภมไอนำทไหลเขาเครองกงหนเปลยนแปลงในชวงกวาง ๆ

16. อธบายการใชการไหลเวยนของกาซเสยรวมกบการลดเอนทลปไอนำเพอควบคมอณหภมของไอนำ

17. อะไรคอขอเสยของระบบดราฟทเชงกลจากการเปา

18. พดลมแบบแรงเหวยงมกแบบ อะไรบาง

19. ถาเปรยบเทยบกำลงงานทตองใหกบพดลมเปาและกำลงงานทตองใหกบพดลมดดของระบบดราฟทเชงกลเดยวกน อยางไหนตองการกำลงงานมากกวา

20. ทำไมพดลมเปาอากาศจงมขนาดเลกกวาพดลมดดกาซเสย

บทท 7

เครองกงหนไอนำ

7.1 หลกการทำงาน

ไอนำทไหลเขาเครองกงหนไอนำมความดนและอณหภมสง การไหลผานเครองกงหนไอนำทำใหความดนของไอนำลดลง ซงสงผลให เอนทลปลดลง ผลตางระหวางเอนทลปของไอนำทางเขาและทางออกของเครองกงหนไอนำมคาเทากบงานท ไดจากเครองกงหนไอนำซงอย ในรปของพลงงานกลจากการหมน เครองกงหนไอนำอาจแบงเปนสองประเภทหลกคอ เครองกงหนแบบไหลตามแนวรศม(radial-flow turbine) และเครองกงหนแบบไหลตามแนวแกน (axial-flow turbine) เครองกงหนไอนำทงสองประเภทประกอบดวยโรเตอรทมใบพดจำนวนมาก ความดนทสงของไอนำสงแรงกระทำตอใบพดซงทำใหโรเตอรหมนดวยความเรวสงและเกดการแปลงพลงงานของไอนำเปนพลงงานกลจากการหมนของเพลา ขอแตกตางทเหนไดชดระหวางเครองกงหนไอนำทงสองประเภทคอ ทศทางการไหลของไอนำ ในกรณของเครองกงหนแบบไหลตามแนวรศม ไอนำไหลเขาโรเตอรของทางรศมนอกของโรเตอรไหลผานโรเตอรตามแนวรศม และไหลออกจากโรเตอรทางรศมใน ในกรณของเครองกงหนแบบไหลตามแนวแกน ไอนำไหลเขาและออกจากโรเตอรตามแนวแกนของเพลา เครองกงหนแบบไหลตามแนวรศมมขอจำกดทขนาดเลกและอตราการไหลของไอนำตำ จงไมเหมาะกบการใชในโรงไฟฟา ในทางตรงกนขาม เครองกงหนแบบไหลตามแนวแกนสามารถออกแบบใหมขนาดใหญและอตราการไหลของไอนำสงเครองกงหนไอนำในโรงไฟฟาเกอบทงหมดเปนประเภทน

สวนประกอบสำคญของเครองกงหนไอนำคอใบพดทจดเรยงเปนแถวโดยมแถวของใบพดนงหรอสเตเตอร (stator) สลบกบแถวของใบพดหมนหรอโรเตอร (rotor) ตามรปท 7.1 ใบพดนงจะยดตดกบโครงหมของเครองกงหนในขณะทใบพดหมนจะยดตดกบแกนหมนโดยฐานของใบพดนงและใบพดหมนมลกษณะเปนสลกเพอใหการยดตดมความมนคง ใบพดนงอาจถกออกแบบใหเปลยนไอนำความดนสงและความเรวตำเปนไอนำความดนตำและความเรวสง ใบพดหมนถกออกแบบแปลงพลงงานของไอนำเปนพลงงานกลจากการหมนของใบพด

122 บทท 7. เครองกงหนไอนำ

รปท 7.1: สเตเตอรและโรเตอรของเครองกงหนไอนำ

7.2 ขนทำงานหนงขนทำงาน (stage) ของเครองกงหนไอนำหมายถงสเตเตอรกบโรเตอร หนงขนทำงานสามารถ

ใหกำลงงานไมมากนก เครองกงหนไอนำจงตองประกอบดวยหลายขนทำงานโดยไอนำจะขยายตวในแตละขนทำงาน รปท 7.2 แสดงการเปลยนแปลงความดนของไอนำทไหลผาน 4 ขนทำงาน จะเหนวามการลดลงของเอนทลปควบคกบการลดลงของความดน ขนทำงานของเครองกงหนไอนำแบงเปนสองแบบตามลกษณะของใบพดนงและใบพดหมนไดแกขนทำงานแรงดล (impulse stage) และขนทำงานแรงปฏกรยา (reaction stage)

รปท 7.2: การขยายตวของไอนำในเครองกงหนไอนำทม 5 ขนทำงาน

7.2. ขนทำงาน 123

7.2.1 ขนทำงานแรงดลในขนทำงานแรงดลไอนำความดนสงและความเรวตำจะมความดนลดลงและความเรวสงเมอไหล

ผานใบพดนงซงทำหนาทเปนหวฉด หลงจากนนไอนำจะเขาปะทะกบใบพดหมนซงทำใหโมเมนตมของไอนำลดลง และสงผลใหเกดแรงกระทำตอใบพดและพลงงานกลของเครองกงหน รปท 7.3 แสดงใบพดในขนทำงานแรงดลและการเปลยนแปลงของความดนและความเรวไอนำในการไหลผานขนทำงานแรงดล เปนทนาสงเกตวา ใบพดในโรเตอรมลกษณะสมมาตรคลายเกอกมาซงทำใหมมเขาและมมออกของใบพดเทากน

รปท 7.3: ขนทำงานแรงดล

ขนทำงานแรงดลทนำมาตอกนเรยกวา ขนทำงานแรงดลความดนผสม (pressure compoundstage) รปท 7.4 แสดงใบพดและการเปลยนแปลงความดนและความเรวไอนำในการไหลผานสองขนทำงานของขนทำงานแรงดลความดนผสม เปนทนาสงเกตวา โพรไฟลความเรวในแตละขนทำงานเหมอนกนและโพรไฟลความดนในแตละขนทำงานแตกตางกนเพยงระดบความดน แตการเปลยนแปลงความดนระหวางการไหลผานใบพดคลายกน ดงนนเอนทลปทลดลงในการไหลผานหวฉดในแถวทหนงจงเทากบเอนทลปทลดลงในแถวทสามและโรเตอรในแถวทสองและสใหกำลงงานเทากน

ถาแถวทสามของขนทำงานในรปท 7.4 ไมไดทำหนาทเปนหวฉด แตทำหนาทเปลยนทศทางการไหลของไอนำโดยไมไดลดความดนและเพมความเรวของไอนำ ขนทำงานจะเปลยนเปนขนทำงานแรงดลความเรวผสม (velocity compound stage) ดงแสดงในรปท 7.5 ขนทำงานแบบนมหวฉดในแถวแรกเพยงแถวเดยว ความดนของไอนำจงลดลงในแถวแรกและคงทตลอดการไหลทเหลอ โพรไฟลความเรวไอนำในโรเตอรแถวทสองและสมลกษณะคลายกนแตระดบความเรวในโรเตอรแถวทสองมากกวา

7.2.2 ขนทำงานแรงปฏกรยาขอแตกตางระหวางขนทำงานแรงปฎกรยากบขนทำงานแรงดลคอ การเปลยนแปลงของความดน

ไอนำทไหลผานใบพดหมน ความดนคงทเมอไอนำไหลผานใบพดหมนของขนทำงานแรงดล แตความดนลดลงเมอไอนำไหลผานใบพดหมนของขนทำงานแรงปฏกรยา ซงทำใหเอนทลปลดลงตามไปดวย


รปท 7.4: ขนทำงานแรงดลความดนผสม

ใบพดหมนของขนทำงานแรงปฏกรยาทำหนาทเปนหวฉดทหมนรอบแกนดวยความเรวสง งานทกระทำโดยโรเตอรของขนทำงานแรงปฏกรยาจงไดมาจากแรงดนของไอนำและพลงงานจลนของไอนำ สดสวนของงานทไดจากแรงดนของไอนำเทยบกบงานทไดทงหมดคอ ระดบปฏกรยา (reaction degree) ซงสามารถเขยนเปนสตรดงน

R =∆hr

∆hs +∆hr(7.1)

โดยท ∆hs เปนเอนทลปทลดลงในสเตเตอรและ ∆hr เปนเอนทลปทลดลงในโรเตอร ระดบปฏกรยามคาระหวาง 0 ถง 1 ขนกบการออกแบบใบพดนงและใบพดหมน ขนทำงานแรงปฏกรยา 50% หมายถงขนทำงานทมการลดลงของเอนทลปในสเตเตอรและโรเตอรเทากนซงมใบพดนงและใบพดหมนทเหมอนกน รปท 7.6 แสดงใบพดในขนทำงานแรงปฏกรยาและการเปลยนแปลงของความดนและความเรวไอนำในการไหลผานขนทำงานแรงปฏกรยา 50% เปนทนาสงเกตวาใบพดในโรเตอรของขนทำงานปฏกรยามลกษณะคลายแพนอากาศ (air foil)

7.3 ประสทธภาพหวฉดการไหลผานขนทำงานของไอนำจะทำใหเอนทลปของไอนำ อปกรณททำหนาทลดเอนทลปคอ

หวฉด (nozzle) หวฉดในสเตเตอรของขนทำงานแรงดลและขนทำงานแรงปฏกรยาเปนหวฉดทอยกบ

7.3. ประสทธภาพหวฉด 125

รปท 7.5: ขนทำงานแรงดลความเรวผสม

รปท 7.6: ขนทำงานแรงปฏกรยา 50%

ท หวฉดในโรเตอรของขนทำงานแรงปฏกรยาเปนหวฉดทหมนดวยความเรวสง หวฉดในอดมคตจะลดเอนทลปของไอนำโดยไม เปลยนเอนโทรป แตการไหลของไอนำผานหวฉดจรงจะมการเพมขนของเอนโทรปเนองจากความเสยดทานระหวางไอนำกบหวฉด ประสทธภาพหวฉด (nozzle efficiency) คออตราสวนระหวางเอนทลปทลดลงจรงในการไหลผานหวฉดกบเอนทลปทจะลดลงถาการไหลเปนแบบ


ไอเซนโทรปก (isentropic flow)

ηN =∆h

∆hs(7.2)

เอนทลปท ลดลงสงผลใหความดนไอนำลดลงและความเรวไอนำ เพมขน ในกรณของหวฉดในสเตเตอร ความสมพนธระหวางเอนทลป (h0) กบความเรว (V0) ไอนำท เขาหวฉดและเอนทลป (h1)กบความเรว (V1) ไอนำทออกจากหวฉดเปนไปตามกฎการอนรกษพลงงาน

h0 +V 20

2= h1 +

V 21

2

=⇒ ∆h = h0 − h1 =V 21

2−

V 20

2

โดยทวไป V0 นอยกวา V1 มาก ดงนน

∆h =V 21

2(7.3)

V1 =√2∆h (7.4)

ตวอยาง ไอนำอมตวความดน 0.4 MPa ไหลเขาหวฉดดวยความเรวนอยมาก และออกจากหวฉดทความดน 0.1 MPa ถาประสทธภาพของหวฉดเทากบ 90% จงหาความเรวของไอนำทไหลออกจากหวฉด

วธทำจากแผนภมไอนำพบวาทความดน 0.4 MPa ไอนำอมตวมคาเอนทลป h0 = 2740 kJ/kg ทความ

ดน 0.1 MPa และ s1s = s0 ไอนำมคาเอนทลป h1s = 2500 kJ/kg คา ∆h คำนวณจากสมการ (7.2)

∆h = 0.90(2740− 2500)× 103

= 2.16× 105 J/kg

แทนคา ∆h ในสมการ (7.4)

V1 =√2× 2.16× 105

= 657 m/s

7.4 สามเหลยมความเรวเครองมอในการวเคราะหการไหลของไอนำผานใบพดหมนซงทำใหเกดแรงกระทำตอใบพดหมน

และกำลงงานทไดจากใบพดหมนคอ สามเหลยมความเรว (velocity triangle) ซงแสดงใหเหนเวกเตอร

7.4. สามเหลยมความเรว 127

ความเรวสามเวกเตอรท เกยวของกบการไหลชองไอนำผานใบพดหมน V หมายถงเวกเตอรความเรวสมบรณ (absolute velocity) U หมายถงความเรวของใบพดหมนและ W หมายถงความเรวสมพทธไอนำเทยบกบใบพด ความสมพนธระหวางเวกเตอรความเรวทงสามคอ

V = W + U (7.5)

รปท 7.7 แสดงสามเหลยมความเรวทางเขาส ใบพดหมนและทางออกจากใบพดหมน จะเหนวาความเรวใบพดมคาคงทในขณะทความเรวสมบรณและความเรวสมพทธอาจเปลยนแปลง มมของความเรวสมบรณทางเขาหรอ V1 เรยกวา มมหวฉด (nozzle angle) เนองจากไอนำทไหลเขาใบพดหมนกคอไอนำทไหลออกจากหวฉดหรอสเตเตอรทมมน นอกจากนมมเขา (ϕ1) และมมออก (ϕ2) ของใบพดเทากบมมเขาและมมออกของความเรวสมพทธเนองจากใบพดมกถกออกแบบใหความเรวสมพทธเขาและออกจากใบพดในทศทางสมผสกบใบพด

รปท 7.7: สามเหลยมความเรวทางเขา (บน) และสามเหลยมความเรวทางออก (ลาง)

เปนท นาสงเกตวาความเรว ใบพดในสามเหลยมความเรวทาง เขาและทางออกมคา เทากนและมทศทางเดยวกนคอ ตงฉากกบแกนหมนของโรเตอรเนองจากเครองกงหนไอนำเปนแบบไหลตามแนวแกน สามเหลยมความเรวทางเขาและทางออกจงสามารถเขยนซอนกนโดยใชวกเตอรของความเรวใบพดเปนฐานรวมกน ความเรวใบพดสามารถคำนวณจากความเรวรอบของโรเตอรดงน

U = ωr (7.6)

โดย ω คอ ความเรวรอบซงมหนวยเปน rad/s และ r คอ ระยะจากจดศนยกลางโรเตอรถงตำแหนงทคำนวณความเรวใบพด ถากำหนดความเรวรอบ N ซงมหนวยเปน rpm มาให ω คำนวณไดจาก

ω =2πN

60(7.7)


ความเรวใบพดมคาสงสดทยอดของใบพดและมคาตำสดทฐานของใบพด ในกรณทความยาวใบพดไมมาก การวเคราะหใบพดหมนอาจกระทำโดยใชความเรวใบพดทคำนวณจากตำแหนงกลางใบพด แตถาใบพดมความยาวมาก การวเคราะหใบพดหมนอาจตองกระทำทแตละตำแหนงของใบพดแยกจากกน

การวเคราะหใบพดหมนโดยใชสามเหลยมความเรวมวตถประสงคทจะคำนวณงานทไดจากใบพดหมน แรงทกระทำตอใบพดเทากบผลตางระหวางโมเมนตมของไอนำทเขาสและออกจากใบพดในทศทางขนานกบแถวใบพดหมน

F = m(V1 cos θ1 + V2 cos θ2) (7.8)

โดยท m คอ อตราการไหลเชงมวลของไอนำ ผลคณของแรงกบความเรวใบพดคอ กำลงงานทไดจากใบพดหมนของโรเตอร

P = mU(V1 cos θ1 + V2 cos θ2) (7.9)

อกรปหนงของกำลงงานไดจากการใชกฎขอทหนงของพลศาสตรความรอน กำลงงานทกระทำตอใบพดเทากบอตราการลดลงของเอนทลปและพลงงานจลนของไอนำทไหลผานใบพด ดงนน

P = m

[h1 − h2 +

1

2

(V 21 − V 2

2

)](7.10)

ผสงเกตการณท เคลอนทพรอมกบใบพดจะเหนวาความเรวไอนำเขาและออกคอ W1 และ W2 ตามลำดบ และกำลงงานทคำนวณได ในกรอบอางองนจะเปนศนย เนองจากใบพดไม เคลอนทสมพทธกบกรอบอางอง

0 = m

[h1 − h2 +

1

2

(W 2

1 −W 22

)]=⇒ h1 − h2 = −1

2

(W 2

1 −W 22

)(7.11)

แทนคา h1 − h2 ลงไปในสมการ (7.10)

P =m

2

[(V 21 − V 2

2

)−(W 2

1 −W 22

)](7.12)

สมการ (7.12) อาจเขยนใหมโดยใชความสมพนธเชงตรโกณมตตอไปน

V 21 = W 2

1 + U2 + 2W1U cosϕ1V 22 = W 2

2 + U2 − 2W2U cosϕ2

ซงทำใหสมการ (7.12) กลายเปน

P = mU(W1 cosϕ1 +W2 cosϕ2) (7.13)

7.4. สามเหลยมความเรว 129

ถานำสามเหลยมความเรวทางเขาใบพดหมนและสามเหลยมความเรวทางออกในรปท 7.7 มาวางซอนกนโดยทงสองสามเหลยมมฐานเดยวกน จะพบวานพจนในวงเลบของสมการ (7.9) และ (7.13) คอระยะหางระหวางจดยอด (vertex) ของสามเหลยมทงสอง

รปท 7.8 เปรยบเทยบสามเหลยมความเรวของขนทำงานแรงดลและขนทำงานแรงปฏกรยา 50%ใบพดหมนของขนทำงานแรงดลเปนใบพดสมมาตร ดงนน ϕ1 = ϕ2 ในรปดานซาย ในทางตรงขามใบพดหมนของขนทำงานแรงปฏกรยา 50% มมมเขาไมเทากบมมออก อยางไรกตาม การทผลตางเอนทลปในสเตเตอรและโรเตอรของขนทำงานแรงปฏกรยา 50% มคาเทากนทำใหสามเหลยมความเรวทางเขาและทางออกเหมอนกน ดงนน ϕ1 = θ2 และ ϕ2 = θ1 ในรปดานขวา นอกจากน W1 = V2 และ W2 = V1

รปท 7.8: สามเหลยมความเรวของขนทำงานแรงดล (ซาย) และขนทำงานแรงปฏกรยา 50% (ขวา)

กำลงงานของโรเตอรไดจากไอนำท ไหลเขาโรเตอรดวยความเรวสง ไอนำน เปนไอนำความดนตำซงมาจากไอนำความดนสงท ไหลเขาหวฉด ดงนนจงมการแปลงพลงงานศกยของไอนำเปนพลงงานกลของโรเตอรในการไหลผานขนทำงานของเครองกงหนไอนำ ประสทธภาพของการแปลงพลงงานคอประสทธภาพใบพด (blade efficiency)

ηB =P

m∆h(7.14)

ในกรณของขนทำงานแรงดล ∆h คอ เอนทลปทลดลงในหวฉดของสเตเตอรตามสมการ (7.3) แทนคาในสมการ (7.14) จะไดประสทธภาพใบพดของขนทำงานแรงดล

ηB =P

12mV 2

1

(7.15)

ในกรณของขนทำงานแรงปฏกรยา ∆h เปนผลรวมของเอนทลปทลดลงในสเตเตอร (h0 − h1) และเอนทลปทลดลงในโรเตอร (h1−h2) เอนทลปทลดลงในสเตเตอรหรอหวฉดคอ V 2

1 /2 ตามสมการ (7.3)ดงนน สวนเอนทลปทลดลงในโรเตอรคอ h1 − h2 ในสมการ (7.11) ดงนน

∆h =1

2[V 2

1 + (W 22 −W 2

1 )] (7.16)

และประสทธภาพใบพดของขนทำงานแรงปฏกรยาคอ

ηB =P

12m[V 2

1 + (W 22 −W 2

1 )](7.17)


ตวอยาง ขนทำงานแรงดลของเครองกงหนไอนำมความเรวรอบ 3000 rpm รศมของฐานใบพดหมนคอ 600 mm รศมของยอดใบพดหมนคอ 800 mm จงหาความเรวใบพดทกลางใบพด

วธทำรศมเฉลย (rm) ทกลางใบพดเทากบ (600+800)/2 = 700 mm คำนวณความเรวใบพดจากสมการ

(7.6) และ (7.7)

U =2πNrm

60

=2π × 3000× 0.7

60= 220 m/s

ตวอยาง เครองกงหนไอนำประกอบดวยแรงปฏกรยา 50% หนงขน มมของหวฉดเทากบ 20Cความเรวสมบรณของไอนำทไหลเขาโรเตอรเทากบ 50 m/s และความเรวใบพดเทากบ 30 m/s ถาไอนำมอตราการไหล 8 kg/s จงหากำลงงานของเครองกงหนและประสทธภาพใบพด

วธทำขนตอนแรกคอ การหามมเขาของใบพด (ϕ1) ซงหาไดจากมมของหวฉด (θ1) ทโจทยระบคามาให

W1 sinϕ1 = V1 sin θ1W1 cosϕ1 = V1 cos θ1 − U

ϕ1 = tan−1[

V1 sin θ1V1 cos θ1 − U

]= tan−1

[50 sin 20

50 cos 20 − 30

]= 45.2

ขนตอนตอมาคอ การคำนวณ W1 ไดจาก

W1 =V1 sin θ1sinϕ1

=50 sin 20sin 45.2

= 24.1 m/s

ขนตอนสดทายคอ การคำนวณ P จากสมการ (7.11) และ ηB จากสมการ (7.15) โดยใชลกษณะเฉพาะของขนทำงานแรงปฏกรยา 50% (ϕ2 = θ1 และ W2 = V1)

P = 8× 30(24.1 sin 45.2 + 50 sin 20)= 15.4 kW

7.5. ความเรวทเหมาะสมทสด 131

ηB =1.54× 104

12 × 8[502 + (502 − 24.12)]

= 0.87

7.5 ความเรวทเหมาะสมทสดในกรณทไมมการสญเสยพลงงานจากการไหลแบบปนปวนและการไหลปะปนของละอองนำ Pact

เทากบ P ในสมการ (7.10) กำลงงานของขนทำงานจะขนกบความเรวไอนำ ความเรวใบพดและมมใบพด กำลงงานจะมคาสงสดถาตวแปรเหลานมคาทเหมาะสม ถากำหนดความเรวไอนำและมมใบพดมาให กำลงงานจะขนกบความเรวใบพดโดยจะมคาสงสดเมอความเรวใบพดมคาเหมาะสมทสดคาหนงความเรวใบพดทเหมาะสมทสดมคาตางกนในขนทำงานแรงดลและขนทำงานแรงปฏกรยา

7.5.1 ขนทำงานแรงดลในกรณของขนทำงานแรงดลในอดมคต ไอนำผานใบพดหมนทสมมาตร (ϕ1 = ϕ2) และไมมความ

เสยดทาน (W1 = W2) ความเรวใบพดทเหมาะสมทสดจะทำใหสวนประกอบแนวนอนของ V2 มคาเปนศนย ดงนนสามเหลยมความเรวทางออกจากใบพดเปนสามเหลยมมมฉาก (θ2 = 90) ดงแสดงในรปท7.9 สามเหลยมความเรวทางออกแสดงใหเหนวา ความเรวใบพดทเหมาะสมทสด (Uopt) มความสมพนธกบความเรวสมพทธทางออกดงน

Uopt = W2 cosϕ2

นอกจากนสามเหลยมความเรวทางเขาแสดงใหเหนวา

V1 cos θ1 = W1 cosϕ1 + Uopt

สมการทงสองสมการขางตนใหคาความเรวใบพดทเหมาะสมทสดทขนกบความเรวสมบรณของไอนำ

Uopt =V1 cos θ1

2(7.18)

แทนคา Uopt ลงในสมการ (7.1) จะพบวา กำลงงานสงสดคอ

Pmax =m

2(V1 cos θ1)2 (7.19)

แทนคา Pmax ในสมการ (7.13) จะไดประสทธภาพใบพดสงสดของขนทำงานแรงดล

ηB,max = cos2 θ1 (7.20)


สมการ (7.16) บอกวาประสทธภาพใบพดสงสดมคาเทากบ 1 ถา θ1 = 0 กลาวคอใบพดหมนมรปคลายเกอกมา แตการออกแบบสเตเตอรเพอพนไอนำสใบพดหมนดงกลาวจะประสบความยากลำบากอยางยงดงนนในทางปฏบต θ1 จงมากกวา 0

ขนทำงานแรงดลมความเรวใบพดสงมากซงทำใหโรเตอรตองหมนเรวเชนกน ผลเสยทเกดขนคอ การสญเสยพลงงานเนองจากจะมความเสยดทานมากและความเคนในโรเตอรทเกดจากแรงหนศนยกลางกจะมากเชนกน การลดความเรวใบพดท เหมาะสมทสดสามารถกระทำได โดยการใชขนทำงานแรงดลมากกวาหนงขน

รปท 7.10 แสดงสามเหลยมความเรวของขนทำงานแรงดลความเรวผสมสองขนทใบพดมความเรวทเหมาะสมทสด สามเหลยมความเรวทางออกของขนทำงานทสองแสดงใหเหนวา ความเรวใบพดทเหมาะสมทสด (Uopt) มความสมพนธกบความเรวสมพทธทางออกดงน

Uopt = W4 cosϕ2

นอกจากนสามเหลยมความเรวทางเขาของขนทำงานทสองแสดงใหเหนวา


สมมตวาใบพดของขนทำงานทสองไมมความเสยดทาน (W3 = W4) ดงนน

V3 cos θ2 = 2Uopt (7.21)

รปท 7.5 แสดงใหเหนวาระหวาง V2 และ V3 มใบพดนงซงเปนใบพดสมมาตรทำหนาทเปลยนทศทางการไหลของไอนำ สมมตวาไมมความเสยดทานในใบพดน (V2 = V3) ดงนน

V2 cos θ2 = 2Uopt (7.22)

รปท 7.9: สามเหลยมความเรวในโรเตอรของขนทำงานแรงดลทใบพดมความเรวทเหมาะสมทสด


รปท 7.10: สามเหลยมความเรวในโรเตอรของขนทำงานแรงดลความเรวผสมสองขนทใบพดมความเรวทเหมาะสมทสด

สามเหลยมความเรวทางออกของขนทำงานทหนงแสดงใหเหนวา Uopt มความสมพนธกบ W2 ดงน

W2 cosϕ1 = V2 cos θ2 + Uopt

= 3Uopt

สามเหลยมความเรวทางเขาของขนทำงานทหนงแสดงใหเหนวา


สมมตวาใบพดของขนทำงานทสองไมมความเสยดทาน (W1 = W2) ดงนน

V1 cos θ1 = 4Uopt (7.23)

คาความเรวใบพดทเหมาะสมทสดทขนกบความเรวสมบรณของไอนำจงเทากบ

Uopt =V1 cos θ1

4

การวเคราะหหาคาความเรวใบพดทเหมาะสมทสดในกรณของขนทำงานแรงดลความเรวผสมทม nขนทำงานอาจใชวธเหมอนกบการวเคราะหขางตน ผลทไดคอ

Uopt =V1 cos θ1

2n(7.24)


ถงแมวาขนทำงานแรงดลความเรวผสมสามารถลดความเรวทเหมาะสมทสดของใบพดไดอยางมากแตใบพดหมนในแตละขนจะทำงานไมเทากน ในกรณทมสองขนทำงาน กำลงงานในขนทำงานทหนง(P1) และขนทำงานทสอง (P2) ตามสมการ (7.7) คอ

P1 = mUopt(V1 cos θ1 + V2 cos θ2)P2 = mUopt(V3 cos θ2)

แทนคา V1 cos θ1, V2 cos θ2 และ V3 cos θ2 จากสมการ (7.21), (7.20) และ (7.19) ตามลำดบ

P1 = 6mU2opt (7.25)

P2 = 2mU2opt (7.26)

ดงนนอตราสวนของงานททำโดยขนทำงานทหนงตองานททำโดยขนทำงานทสองเทากบ 3 : 1 การทแตละขนของขนทำงานแรงดลความเรวผสมทำงานไมเทากนนบเปนขอเสยเปรยบของขนทำงานแรงดลความเรวผสมเนองจากคาใชจายของแตละขนทำงานใกลเคยงกนแตขนทำงานทายกลบใหงานทนอยมากเมอเทยบกบขนทำงานแรก ในกรณทม 3 ขนทำงาน การวเคราะหแสดงใหเหนวาอตราสวนของงานททำในแตละขนคอ 5 : 3 : 1 ดงนนการใชขนทำงานแรงดลความเรวผสมมากกวา 2 ขนทำงานจงไมเปนทนยม

เพอลดความเรวใบพดและแบงงานใบพดใหเทา ๆ กน การลดความเรวทเหมาะสมทสดอาจใชขนทำงานแรงดลความดนผสม ตามทไดกลาวกอนหนานวาแตละขนทำงานของขนทำงานแรงดลความดนผสมประกอบดวยหวฉดและใบพดหมนเหมอนกน ดงนนเอนทลปจงลดลงเทากบในแตละขนทำงานถาเอนทลปไอนำลดลงรวมทงสน ∆h จากการไหลผานขนทำงานแรงดลความดนผสมม n ขนทำงานเอนทลปทลดลงในแตละขนจะเทากบ ∆h/n ความเรวสมบรณของไอนำทไหลเขาโดรเตอรในแตละขนทำงานจงมคาเทากบ

V1 =

√2∆h

n(7.27)

เมอคำนวณความเรวใบพดทเหมาะสมทสดดวยสมการ (7.16) จะพบวา Uopt ลดลงตาม n แตลดลงในอตราทนอยกวาขนทำงานแรงดลความเรวผสมทมจำนวนขนทำงานเทากน นอกจากนรปท 7.4 ยงแสดงใหเหนวามความดนตกครอมหวฉดในแตละขนทำงานของขนทำงานแรงดลความดนผสมซงทำใหไอนำบางสวนอาจไหลออมหวฉด สงนเปนสาเหตหนงของการสญเสยพลงงานและนบเปนขอเสยของขนทำงานแรงดลความดนผสม

7.5.2 ขนทำงานแรงปฏกรยาขนทำงานแรงปฏกรยาทมอตราสวนปฏกรยา 50% มสามเหลยมความเรวเขาเหมอนกบสามเหลยม

ความเรวออก ในกรณทความเรวใบพดมคาเหมาะสมทสดทงสามเหลยมความเรวเขาและออกเปนสามเหลยมมมฉากดงแสดงในรปท 7.11 ซงทำใหความเรวใบพดทเหมาะสมทสดมคาเทากบ

Uopt = V1 cos θ1 (7.28)


แทนคา Uopt และ θ2 = 90 ในสมการ (7.11) จะพบวากำลงงานสงสดคอ

Pmax = m (V1 cos θ1)2 (7.29)

ประสทธภาพสงสดไดจากการแทนคา Pmax จากสมการ (7.27) ในสมการ (7.15) หลงจากการจดรปสมการทไดพบวา

ηB,max =2 cos2 θ1

1 + cos2 θ1(7.30)

รปท 7.11: สามเหลยมความเรวในขนทำงานแรงปฏกรยา 50% เมอความเรวใบพดมคาเหมาะสมทสด

ขนทำงานแรงปฏกรยามขอเสยเหมอนขนทำงานแรงดลความดนผสมคอ ความดนทลดลงในใบพดนงและใบพดหมนจะทำใหไอนำรวผานใบพด แตปญหานขนทำงานแรงปฏกรยาจะรนแรงกวา ดงนนขนทำงานแรงปฏกรยาจงนยมใชกบไอนำความดนตำทปองกนการรวไหลไดงาย และจากการทไอนำมความดนตำ ความหนาแนนกตำตามไปดวย ใบพดของขนทำงานแรงปฏกรยาจงตองมความสงพอสมควรเพอใหมพนทสำหรบไอนำไหลผานมากพอ ผลทตามมาคอความเรวใบพดจะเปลยนแปลงคอนขางมากจากฐานของโรเตอรสยอดของโรเตอร กลาวคอ ความเรวใบพดทยอดอาจเปนสองเทาของความเรวใบพดทฐาน ในขณะทความเรวสมบรณไอนำคงท ดงนนเพอใหประสทธภาพของใบพดมคาสงสดตลอดความสงของใบพด ใบพดจงควรบดตวใหมมทางเขาใบพดเพมขนจากฐานใบพดสยอดใบพด

ตวอยาง ใบพดหมนของขนทำงานแรงดลมความเสยดทานซงทำให W2 = kW1 โดยท k < 1 ถามมหวฉดคอ θ1 จงหาความเรวใบพดทเหมาะสมทสดและประสทธภาพใบพด

วธทำ


รปท 7.13 แสดงสามเหลยมความเรวในกรณทใบพดหมนมความเรวทเหมาะสมทสด


Uopt = W2 cosϕ2 = kW1 cosϕ1

V1 cos θ1 =Uopt

k+ Uopt

=⇒ Uopt =

(k

k + 1

)V1 cos θ1

รปท 7.12: แผนภาพของปญหาตวอยาง

กำลงงานและประสทธภาพหาไดจากสมการ (7.7) และ (7.13) ตามลำดบ

P = mUopt(V1 cos θ1)

= m

(k

k + 1

)(V1 cos θ1)2

ηB = 2

(k

k + 1

)cos2 θ1

7.6 ประสทธภาพขนทำงานกำลงงานสงสดทจะไดจากขนทำงานคอ m∆hs โดย ∆hs คอ เอนทลปทลดลงในขนทำงานโดย

ไมมการเปลยนแปลงของเอนโทรป กำลงงานทไดจรงจะนอยกวานเนองจากมการสญเสยพลงงานในขนทำงานจากสาเหตดงตอไปน

1. ภายในหวฉดมความเสยดทานระหวางไอนำกบผนงของหวฉดและมการไหลแบบปนปวน (tur-bulence) ซงสงผลเอนทลปทลดลงในหวฉดนอยกวา m∆hs

2. ไอนำทออกจากขนทำงานจะมความเรวและพลงงานจลนเหลออย ซงหมายความวา เอนทลปทลดลงในขนทำงานไมสามารถแปลงเปนพลงงานกลไดทงหมด

7.6. ประสทธภาพขนทำงาน 137

3. การไหลของไอนำในโรเตอรไมใชการไหลสองมตดงแสดงในรปท 7.7 การไหลจรงจะเปนการไหลแบบปนปวน นอกจากน ความเสยดทานระหวางใบพดกบไอนำอาจทำใหเกดการไหลวนภายในชองวางระหวางใบพด การไหลจรงจงมการสญเสยพลงงานของไอนำซงทำใหกำลงงานทไดจรงจากขนทำงาน (PS ) นอยกวา P จากสมการ (7.7) หรอ (7.11)

4. ความดนครอมใบพดทำใหไอนำบางสวนไมไหลผานใบพด แตไหลออมผานชองวางระหวางปลายใบพดกบโครงหม กำลงงานทไดจากเครองกงหนนอยกวาทควรจะเปนเนองจากกำลงงานของเครองกงหนแปรผนตามอตราการไหลของไอนำผานใบพด

5. การควบแนนของไอนำซงทำใหมละอองนำไหลปะปนไปกบไอนำ ละอองนำมความเรวตำกวาไอนำ ดงนนความเรวสมพทธของไอนำและละอองนำจงไมเทากน รปท 7.12 แสดงใหเหนวาความเรวสมพทธของไอนำ (W ) มทศทางเดยวกบมมเขาของใบพด ใขณะทความเรวสมพทธของละอองนำ (Wm) มทศทางตรงขามกบทศทางการหมนของใบพดซงทำใหละอองนำขดขวางการหมนของโรเตอรและทำให PS นอยกวา P นอกจากนการปะทะใบพดของละอองนำหลายครงยงจะกดเซาะใบพดอกดวย

รปท 7.13: สามเหลยมความเรวในโรเตอรของไอนำทมละอองนำปะปน

ประสทธภาพขนทำงาน (stage efficiency) คอ อตราสวนของกำลงงานทไดจรงจากขนทำงานตอกำลงงานสงสดทจะไดจากขนทำงาน

ηS =PS

m∆hs(7.31)

สมการ (7.29) อาจเขยนใหมดงน

ηS =

(∆h

∆hs

).

(P

m∆h

).

(PS

P

)

ทกพจนทางดานขวาของสมการหมายถงการสญเสยพลงงานทกลาวถงขางตน พจนแรกคอ ประสทธภาพหวฉดซงหมายถงการสญเสยพลงงานจากสาเหตท 1 พจนทสองคอ ประสทธภาพใบพดซงหมายถงการ


สญเสยพลงงานจากสาเหตท 2 พจนทสามหมายถงการสญเสยพลงงานจากสาเหตท 3-5 ซงสามารถเขยนเปนสมการไดดงน

PS

P= 1− fL (7.32)

โดย fL คอ แฟกเตอรการสญเสยพลงงาน (energy loss factor) เพราะฉะนน

ηS = ηNηB(1− fL) (7.33)

การหาคา ηS จาก ηN , ηB และ fL อาจไมสะดวกในทางปฏบต แตสามารถกระทำงายกวาดวยการคำนวณ ∆hs และการวดความเรวรอบ (ω) และแรงบดของเครองกงหน (τ ) สตรคำนวณ PS/m คอ

PS

m= τω (7.34)

ดงนน

ηS =τω

∆hs(7.35)

ตวอยาง ไอนำทมความดน 0.7 MPa และอณหภม 800 K ไหลเขาขนทำงานหนงของเครองกงหนไอนำ ไอนำทไหลออกมความดน 0.4 MPa จากการทดสอบขนทำงานน พบวา มความเรวรอบ 1500rpm และแรงบด 1000 N.m จงหาประสทธภาพขนทำงาน

วธทำจากแผนภมไอนำพบวาทความดน 0.7 MPa ไอนำยวดยงมคาเอนทลป h0 = 3540 kJ/kg ทความ

ดน 0.1 MPa และ s1s = s0 ไอนำมคาเอนทลป h1s = 3340 kJ/kg ดงนน

∆hs = (3540− 3340)× 105 = 2.00× 105 J/kg

ความเรวรอบ (N ) มหนวยเปน rpm แปลงเปน ω ดงน

ω =2πN

60= 157 rad/s

ประสทธภาพขนทำงานคำนวณจากสมการ (7.33)

ηS =1000× 157

2.00× 105= 0.785

7.7. เครองกงหนไอนำหลายขนทำงาน 139

7.7 เครองกงหนไอนำหลายขนทำงานกำลงงานท ไดจากขนทำงานหนงของเครองกงหนไอนำถกจำกดโดยความเรวรอบและขนาดของ

เครอง เครองกงหนไอนำทมเพยงขนทำงานเดยวจงใหมกำลงงานนอย เครองกงหนไอนำในโรงไฟฟาพลงความรอนมขนาดใหญ จงตองประกอบดวยหลายขนทำงาน ถากำลงงานของเครองกงหนคอ PT

และเครองกงหนประกอบดวยหลายขนทำงานทใหกำลงงานเทากน จำนวนขนทำงานของเครองกงหนจะเทากบ

n =PT

PS(7.36)

นอกจากน ถาทกขนทำงานมประสทธภาพขนทำงานเทากน ประสทธภาพเครองกงหนไอนำสามารถคำนวณไดจาก ηS สมมตวาจำนวนขนทำงานเทากบ 4 และไอนำขยายตวในเครองกงหนดงแสดงในรปท 7.14 ถาการขยายตวของไอนำเปนแบบทเอนโทรปคงท ไอนำจะขยายตวจาก 1 ไป 2s, 3ss, 4ss และ5ss แตในความเปนจรง ไอนำขยายตวจาก 1 ไป 2, 3, 4 และ 5 ประสทธภาพของเครองกงหนจงมคาดงน

ηT =PT

m(h1 − h5ss)(7.37)

PT เปนผลรวมของกำลงงานทไดจาก 4 ขนทำงาน ดงนน

PT = PS1 + PS2 + PS3 + PS4

สมมตวาทกขนทำงานม ηS เทากน

PT = mηS [(h1 − h2s) + (h2 − h3s) + (h3 − h4s) + (h4 − h5s)]

แทนคา PT ในสมการ (7.35)

ηT = ηS

[(h1 − h2s) + (h2 − h3s) + (h3 − h4s) + (h4 − h5s)

h1 − h5ss

]

เนองจากเสนความดนคงทในแผนภมไอนำมลกษณะลออกดงจะเหนไดจากรปท 7.14 ดงนน

(h1 − h2s) + (h2 − h3s) + (h3 − h4s) + (h4 − h5s) > h1 − h5ss

ซงหมายความวาเครองกงหนไอนำหลายขนทำงานมประสทธภาพสงกวาเครองกงหนไอนำขนทำงานเดยว หรออาจกลาวไดวา ประสทธภาพของเครองกงหนไอนำเพมขนเมอจำนวนขนทำงานมากขน ความสมพนธระหวาง ηT ของเครองกงหนหลายขนทำงานกบ ηS ของแตละขนทำงานอาจเขยนดงน

ηT = fRηS (7.38)

โดยท fR คอ แฟกเตอรการใหความรอนซำ (reheat factor) ซงมคามากกวา 1


รปท 7.14: การขยายตวของไอนำในเครองกงหนทม 4 ขนทำงาน

เครองกงหนไอนำควรประกอบดวยขนทำงานทใหกำลงงานมากเพราะจะทำใหเครองกงหนไอนำมจำนวนขนทำงานนอย นอกจากนขนทำงานควรมประสทธภาพสง ขนทำงานของเครองกงหนไอนำมหลายแบบ แตละแบบมขอ ได เปรยบและเสย เปรยบดานกำลง งานและประสทธภาพท ตางกน ดงนนเครองกงหนไอนำมกจะไมไดประกอบดวยขนทำงานเพยงแบบเดยว แตจะมขนทำงานแบบตาง ๆทำงานรวมกน

กำหนดใหเครองกงหนไอนำสามเครองประกอบดวยขนทำงานสามแบบ เครองทหนงประกอบดวยขนทำงานแรงดลความดนผสม 2 ขนทำงาน เครองทสองประกอบดวยขนทำงานแรงดลความเรวผสม 2ขนทำงาน และเครองทสามประกอบดวยขนทำงานแรงปฏกรยา 50% 2 ขนทำงาน เครองกงหนไอนำทงสามเครองมมมหวฉด (θ1) เทากนและความเรวรอบเทากน นอกจากนความเรวใบพดหมนของทกเครองเปนความเรวทเหมาะสมทสดซงทำใหประสทธภาพของเครองกงหนแตละเครองมคาสงสด เครองกงหนไอนำทงสามเครองจะแตจะใหกำลงงานตางกนดงน

• เอนทลปไอนำลดลง ∆h(1) เมอไหลผาน 2 ขนทำงานของเครองกงหนไอนำเครองทหนงโดยแตละขนทำงานมเอนทลปลดลง ∆h(1)/2 ความเรวสมบรณของไอนำมคาตามสมการ (7.4)

V1 =√∆h(1)

ความเรวใบพดหมนทเหมาะสมทสดคอสมการ (7.16) ดงนน

V1 =2U

cos θ1

=⇒ ∆h(1) = 4

(U

cos θ1

)2

• เอนทลป ไอนำลดลง ∆h(2) เมอ ไหลผานขนทำงานแรกของเครองกงหนไอนำ เครองท สองความเรวสมบรณของไอนำมคาตามสมการ (7.4)

V1 =√2∆h(2)

7.7. เครองกงหนไอนำหลายขนทำงาน 141

ความเรวใบพดหมนทเหมาะสมทสดคำนวณจากสมการ (7.22)

V1 =4U

cos θ1

=⇒ ∆h(2) = 8

(U

cos θ1

)2

• เอนทลป ไอนำลดลง ∆h(3) เมอไหลผานเครองกงหนไอนำ เครองท สามโดยเอนทลปลดลง∆h(3)/2 ในแตละขนทำงาน สำหรบขนทำงานแรงปฏกรยา 50% ครงหนงของเอนทลปไอนำทลดลงในแตละขนทำงานลดลงในสเตเตอร ดงนน

V1 =

√∆h(3)

2

ความเรวใบพดหมนทเหมาะสมทสดคอสมการ (7.23) ดงนน

V1 =U

cos θ1

=⇒ ∆h(3) = 2

(U

cos θ1

)2

อตราสวน ∆h(1) : ∆h(2) : ∆h(3) = 2 : 4 : 1 แสดงใหเหนวาเครองกงหนไอนำทใชขนทำงานแรงดลความเรวผสมใหกำลงงานมากทสด รองลงมาคอ เครองกงหนไอนำทใชขนทำงานแรงดลความดนผสม สวนเครองกงหนไอนำทใชขนทำงานแรงปฎกรยา 50% ใหกำลงงานนอยทสด ถาตองการใหเครองกงหนไอนำทงสามแบบผลตกำลงงานเทากน เครองกงหนไอนำทใชขนทำงานแรงปฎกรยา 50% จะตองมขนาดใหญทสดและเครองกงหนไอนำทใชขนทำงานแรงดลความเรวผสมจะมขนาดเลกทสด

นอกเหนอจากกำลงงานของขนทำงาน อกสงหนงทตองพจารณาในการเลอกใชขนทำงานในเครองกงหนไอนำคอ ประสทธภาพขนทำงาน รปท 7.15 เปรยบเทยบประสทธภาพของขนทำงานแรงดล ขนทำงานแรงดลความเรวผสม และขนทำงานแรงปฏกรยา ปจจยสำคญททำใหสงผลตอประสทธภาพของขนทำงานแรงปฏกรยาสงกวาประสทธภาพของขนทำงานแรงดลคอ การออกแบบเชงอากาศพลศาสตรของใบพดหมนในขนทำงานแรงปฎกรยาดกวาของใบพดหมนในขนทำงานแรงดล อยางไรกตามขนทำงานแรงปฏกรยามขอเสยเปรยบทมการรวของไอนำเมอไหลผานใบพดหมนมากกวาขนทำงานแรงดลรปท 7.15 เปรยบเทยบประสทธภาพขนทำงานในกรณทใบพดหมนของขนทำงานมความยาวมากพอทจะทำใหผลกระทบของการรวของไอนำตอประสทธภาพขนทำงานไมมากนก ถาใบพดหมนมความยาวไมมากพอ ประสทธภาพของขนทำงานแรงปฏกรยากจะตำกวาประสทธภาพของขนทำงานแรงดลได ดงนนขนทำงานในชวงความดนสงจงควรเปนขนทำงานแรงดลซงมปญหาการรวของไอนำนอยกวา ขนทำงานแรงปฎกรยามความเหมาะสมในชวงความดนตำเพราะใบพดไดรบการออกแบบใหมประสทธภาพสง และการทใบพดมความยาวมากทำใหการรวของไอนำมสดสวนนอยเมอเทยบกบอตราการไหลของไอนำและไมสงผลมากนกตอประสทธภาพ เครองกงหนไอนำทใชโรงไฟฟาสมยใหมจงประกอบดวยขน


ทำงานแรงดลและขนทำงานแรงปฏกรยา ขนทำงานแรงดลความเรวผสมเปนขนทำงานแรก ๆ ซงมความดนสงและขนทำงานแรงปฏกรยาในขนทาย ๆ ซงมความดนตำ การใชขนทำงานแรงดลความเรวผสมชวยลดจำนวนขนทำงานและลดขนาดของโรเตอร การใชขนทำงานแรงปฏกรยาในขนทาย ๆ ชวยเพมประสทธภาพใหเครองกงหนไอนำ

รปท 7.15: ประสทธภาพขนทำงานของขนทำงานสามแบบ

7.8 แรงดนแนวแกนกำลงงาน P เกดจากแรง F ทกระทำตอใบพดในทศทางขนานกบแถวใบพดหมน แตการไหลผาน

ขนทำงานของไอนำทำใหเกดแรงทตงฉากกบแถวใบพดหมนหรอขนานกบเพลาของเครองกงหน แรงนเรยกวาแรงดนแนวแกน (axial thrust) แรงดนแนวแกนประกอบดวยสองสวนคอ ผลตางระหวางแรงดนทางดานเขาและดานออกจากใบพดหมน และผลตางระหวางโมเมนตมของไอนำทเขาสและออกจากใบพดหมนในทศทางตงฉากกบแถวใบพดหมน

T = (p1 − p2)A− m(W1 sinϕ1 −W2 sinϕ2) (7.39)

โดย A ตอพนทหนาตดของใบพดหมนในโรเตอร นพจนทสองในสมการ (7.31) มคานอยมากเมอเทยบกบนพจนแรก ในกรณของขนทำงานแรงดล รปท 7.3 แสดงใหเหนวา p1 มคาใกลเคยงกบ p2 ดงนน

7.9. การจำแนกเครองกงหนไอนำ 143

จงมแรงดนแนวแกนทนอยมากกระทำตอใบพดหมน ในทางตรงขาม รปท 7.6 แสดงใหเหนวา p1 มคามากกวา p2 ในกรณของขนทำงานแรงปฏกรยา ถงแมวาแรงดนแนวแกนอาจมคาไมมากนกในหนงขนทำงาน แตเครองกงหนไอนำมกประกอบดวยหลายขนทำงานซงทำใหแรงดนแนวแกนรวมมคามากได

แรงดนแนวแกนเปนผลเสยตอเครองกงหนเพราะมนจะดนโรเตอรใหเคลอนทออกจากเพลา เครองกงหนจงไดรบการออกแบบใหแรงดนแนวแกนมคานอยทสด วธหนงคอ การออกแบบเครองกงหนใหไอนำความดนสงไหลเขาตรงกลางและไอนำความดนตำไหลออกทางดานซายและดานขวาดงแสดงในรปท 7.16 ถาขนทำงานทางดานซายเหมอนกบขนทำงานทางดานขวาและอตราการไหลทงสองดานเทากบแรงดนแนวแกนจะมคาเปนศนย แตถาขนทำงานทางดานซายอาจแตกตางกบขนทำงานทางดานขวาอตราการไหลทงสองดานอาจไมเทากนเพอใหแรงดนแนวแกนทเกดขนทางดานซายและขวามคาใกลเคยงกนมากทสด

รปท 7.16: เครองกงหนไอนำทออกแบบใหลดแรงดนแนวแกน

7.9 การจำแนกเครองกงหนไอนำการออกแบบเครองกงหนไอนำในโรงไฟฟาเพอตอบสนองความตองการทหลากหลายทำใหมความ

แตกตางกนของเครองกงหนไอนำในขนาด กำลงงาน ประสทธภาพและการใชงาน ซงสงเหลานใชจำแนกเครองกงหนไอนำ

• เครองกงหนทมขนาดเลกและกำลงงานตำอาจมเพยงสวนเดยวซงประกอบดวยหลายขนทำงานพนทหนาตดของขนทำงานจะเพมจากขนทำงานความดนสงไปยงขนทำงานความดนตำ เครองกงหนทมขนาดใหญและกำลงงานสงอาจมสองสวนคอ สวนความดนสง (high-pressure sec-tion) ซงประกอบดวยขนทำงานแรงดลเปนสวนใหญและสวนความดนตำ (low-pressure sec-tion) ซงประกอบดวยขนทำงานแรงปฏกรยาเปนสวนใหญ รปท 7.17 เปรยบเทยบเครองกงหนทงสองแบบ เครองกงหนทประกอบดวยขนทำงานแรงปฏกรยาจะมแรงดนแนวแกนมากระทำซงนบเปนปญหาสำคญทอาจสรางความเสยหายแกเครองกงหนได เปนทนาสงเกตวาในเครองกงหนความดนตำในรปท 7.17 มลกษณะสมมาตร ไอนำจะเขาเครองกงหนทกงกลางของเครอง


กงหนแลวขยายตวออกทางดานซายและดานขวาเทา ๆ กน ลกษณะนทำใหแรงดนแนวแกนทเกดขนแตละดานกจะหกลางกนไป

รปท 7.17: เครองกงหนไอนำแบบสวนเดยวและแบบสองสวน

• ในวฏจกรแรงคนไอนำท ไหลออกจากเครองกงหนไอนำจะไหลตอไปยงเครองควบแนน ความดนไอนำทางออกจากเครองกงหนไอนำจะตำกวาความดนบรรยากาศเพอเพมประสทธภาพของวฏจกร อยางไรกตามในการผลตไฟฟารวมกบความรอน เครองกงหนไอนำไมไดปลอยไอนำสเครองควบแนนแตปลอยไอนำสกระบวนการอนทตองการไอนำทมความดนสงกวาบรรยากาศเครองกงหนไอนำประเภทนเรยกวาเครองกงหนไอนำความดนตาน (back-pressure turbine)

• การใหความรอนซำเปนวธ เพมประสทธภาพของวฏจกรแรงคนวธหนง เครองกงหนไอนำท ใชในวฏจกรแรงคนทมการใหความรอนซำจะแบงเปนสองสวนหรอมากกวานน รปท 7.18 แสดงกงหนไอนำทแบงเปนสามสวน สวนแรกเปนเครองกงหนความดนสง (hp turbine) ทำหนาทรบไอนำยวดยงความดนสงจากเครองทำไอนำยวดยงในเครองกำเนดไอนำ ไอนำทออกจากเครองกงหนนจะไหลกลบไปเครองใหความรอนซำในเครองกำเนดไอนำเพอเพมอณหภม สวนทสองเปนเครองกงหนความดนปานกลาง (ip turbine) ทำหนาทรบไอนำความดนปานกลางจากเครองใหความรอนซำ สวนทสามเปนเครองกงหนความดนตำ (lp turbine) ทำหนาทสงไอนำตอไปยงเครองควบแนน

• เครองกงหนไอนำบางเครองถกออกแบบใหสามารถดงไอนำออกจากเครองไดทบางคาความดนไอนำทออกไปจะไหลเขาเครองอนนำปอนเพอเพมอณหภมนำปอนซงจะนำไปสประสทธภาพทสงขนของวฏจกรแรงคน รปท 7.19 แสดงตวอยางของเครองกงหนประเภทน ทจดดงไอนำอาจตดตงวาลวเพอควบคมความดนไอนำทจะไหลเขาเครองอนนำปอนใหมคาเหมาะสม

• เครองกงหนไอนำในรปท 7.17 เปนเครองกงหนไอนำแบบไหลออกสองทาง (double-flowturbine) เครองกงหนไอนำแบบนลดแรงดนแนวแกนไดและลดขนาดใบพดจากการทอตราการ

7.9. การจำแนกเครองกงหนไอนำ 145

รปท 7.18: เครองกงหนไอนำแบบใหความรอนซำ

รปท 7.19: เครองกงหนไอนำแบบดงไอนำได (extraction turbine)

ไหลของไอนำลดลงครงหนงในแตละทางท ไอนำไหลผาน เครองกงหนไอนำอาจถกออกแบบใหรองรบอตราการไหลทสงน โดยใหไอนำไหลออกจากเครองกงหนไดมากกวาสองทาง รปท7.20 แสดงเครองกงหนไอนำแบบไหลออกสามทางและสทาง เครองกงหนไอนำอาจมทางออกมากกวาสทางกได

• เครองกงหนไอนำในรปท 7.20 มสามสวนอยบนเพลาเดยวกนโดยเพลานเปนเพลาของเครองกำเนดไฟฟาดวย ความเรวรอบของทกสวนเทากบ 3000 rpm เครองกงหนไอนำแบบนเรยกวาแบบเพลาเดยว (tandem-compound turbine) เครองกงหนไอนำอาจมสองเพลาทมความเรวรอบตางกนโดยสวนทมความดนสงและความดนปานกลางหมนดวยความเรวรอบ 3000 rpmอยบนเพลาหนงและตอกบเครองกำเนดไฟฟาเครองหนง สวนทมความดนตำหมนดวยความเรวรอบ 1500 rpm อยบนอกเพลาหนงและตอกบเครองกำเนดไฟฟาอกเครองหนงดงแสดงในรปท7.21 เครองกงหนไอนำแบบนเรยกวาแบบเพลาค (cross-compound turbine) การใชเพลาคชวยลดความยาวของเพลา ลดขนาดเครองกำเนดไฟฟาและเพมประสทธภาพของเครองกงหน


รปท 7.20: เครองกงหนไอนำแบบไหลออกสามทาง (triple-flow turbine) และเครองกงหนไอนำแบบไหลออกสทาง (four-flow turbine)

รปท 7.21: เครองกงหนไอนำแบบเพลาค

7.10 การควบคมเครองกงหนความเรวของเครองกงหนจะเปลยนแปลงไปตามภาระกำลงของเครองถาปราศจากการควบคม สตร

การคำนวณกำลงงานของขนทำงานแรงปฏกรยา 50% ในสมการ (7.29) แสดงใหเหนวาในกรณท U ม

7.10. การควบคมเครองกงหน 147

คามากกวาความเรวทเหมาะสมทสด (Uopt = V1 cos θ1) กำลงงานของเครองกงหนทลดลงทำใหเครองกงหนหมนเรวขน ถาความเรวของการหมนมคามากเกนไปกอาจเกดผลเสยตอเครองได

กฟเวอรเนอร (governor) ทำหนาทควบคมใหความเรวของเครองกงหนคงทเมอภาระเปลยน โดยการลดอตราการไหลของไอนำ กฟเวอรเนอรจะตรวจวดความเรวของเครองพรอมกบเพมหรอลดอตราการไหลของไอนำตามความเหมาะสม รปท 7.22 แสดงแผนภาพของกฟเวอรเนอรแบบลกถวง (flyballgovernor) เมอความเรวรอบของเพลาเพมขน ลกถวงสองลกซงตออยกบปลอกเลอน (sleeve) จะดงปลอกเลอนลงดวยแรงหนศนยกลางและทำใหชองเปดของวาลวแคบลงและไอนำไหลผานไดนอยลง ถาตองการการควบคมความเรวทแมนยำมากขนกตองใชกฟเวอรเนอรแบบไฮดรอลกซงมเครองสบนำมนกฟเวอรเนอร (governor oil pump) ทำหนาทสงนำมนความดนสงไปยงปดวาลวควบคมการไหลของไอนำ ความเรวรอบของเครองกงหนทเพมขนจะทำใหความดนของนำมนเพมตามและดนวาลวใหปดเพอลด อตราการไหลของไอนำ

รปท 7.22: กฟเวอรเนอรแบบลกถวง

นอกจากกฟเวอรเนอรแลว เครองกงหนทกเครองจะตดตงอปกรณนรภยซงจะหยดการทำงานของเครองกงหนถาความเรวเกนคาทกำหนด ถาไมมอปกรณนรภยและกำลงของเครองกงหนลดลงอยางกระทนหนจนกฟเวอรเนอรไมสามารถปดวาลวไดทน เครองกงหนจะหมนเรวขนอยางรวดเรวจนอาจกอใหเกดอนตรายได อปกรณนรภยนจะทำงานโดยการปดวาลวใหสนทเพอหยดการไหลของไอนำ กลไกการทำงานของตวหยดความเรวเกนจะไมขนกบกฟเวอร เนอร ดงนนมนจะทำงานแมวากฟเวอร เนอรจะใชการไมไดแลว โดยทวไปอปกรณนรภยจะทำงานเมอความเรวของเครองกงหนมากกวาความเรวทกำหนดไว 10% ตวอยางเชนถากำหนดใหความเรวเทากบ 3000 rpm อปกรณนรภยจะทำงานเมอความเรวเทากบ 3300 rpm นอกจากนอปกรณนรภยยงอาจทำงานในกรณอน ๆ เชน ระบบหลอลนลมเหลว เครองกงหนเสยสมดลทางสถตศาสตรหรอพลศาสตร และระบบหลอเยนของเครองควบแนนลมเหลว


คำถามทายบท1. ทำไมเครองกงหนไอนำทพบในโรงไฟฟาจงเปนแบบไหลตามแนวแกน

2. เขยนโพรไฟลความเรวและความดนไอนำทไหลผานขนทำงานแรงดล

3. อะไรคอขอเสยทสำคญของขนทำงานแรงดลความเรวผสม

4. ใบพดหมนของขนทำงานแรงดลแตกตางกบใบพดหมนของขนทำงานแรงปฏกรยา 50% อยางไร

5. หวฉดทำหนาทอะไรในเครองกงหนไอนำ

6. เขยนสามเหลยมความเรวทางเขาและออกจากโรเตอรของกงหนแรงปฏกรยา 50% ทมความเรวใบพดทเหมาะสมทสด สมมตวาใบพดไมมความเสยดทาน

7. สำหรบขนทำงานแรงดลความเรวผสมทมสองขนทำงาน ความเรวใบพดท เหมาะสมทสดมคาเทาไรถาไอนำมความเรว V1 และมมหวฉดคอ θ1

8. ทำไมใบพดของกงหนแรงปฏกรยาจงมลกษณะบดตว

9. ระบสาเหตการสญเสยพลงงานในเครองกงหนไอนำมาสามประการ

10. ทำไมเครองกงหนไอนำจงมประสทธภาพสงขนถามจำนวนขนทำงานมากขน

11. ทำไมเครองกงหนไอนำความดนตำทประกอบดวยขนทำงานแรงปฏกรยาจงมลกษณะสมมาตรกลาวคอ ไอนำจะเขาเครองกงหนทกงกลางของเครองกงหนแลวขยายตวออกทางดานซายและดานขวาเทา ๆ กน

12. เครองกงหนความดนตานมลกษณะเฉพาะอยางไร

13. เครองกงหนไอนำแบบเพลาคมขอไดเปรยบอะไรเมอเทยบกบเครองกงหนไอนำแบบเพลาเดยว

14. อปกรณททำหนาทควบคมความเรวรอบของเครองกงหนไอนำเรยกวาอะไร

15. ไอนำทมเอนทลป 3100 kJ/kg ไหลเขาหวฉดดวยความเรวทนอยมาก ไอนำทไหลออกมเอนทลป3000 kJ/kg อยากทราบวาไอนำทไหลออกมความเรวเทาไร

16. โรเตอรของเครองกงหนไอนำขนทำงานเดยวมความยาวเสนผาศนยกลางเฉลย 500 mm และหมนดวยความเรวรอบ 3600 rpm จงคำนวณหาความเรวของใบพดหมน

17. ไอนำออกจากหวฉดเขาหาใบพดหมนดวยความเรว 900 m/s โดยมมของหวฉดเทากบ 20 ถาความเรวของใบพดหมนคอ 300 m/s จงคำนวณหามมเขาของใบพดหมน

7.10. การควบคมเครองกงหน 149

18. ไอนำมเอนทลปลดลง 150 kJ/kg จากการไหลผานกงหนไอนำซงประกอบดวยขนทำงานแรงดลแบบความดนผสมสองขนทำงาน จงหากำลงงานสงสดทผลตโดยกงหนไอนำถาอตราการไหลของไอนำเทากบ 5 kg/s และมมของหวฉดเทากบ 20

19. ถาความเรวสมบรณของไอนำทำมม 19 กบแถวของใบพดหมนในขนทำงานแรงดล จงหาประสทธภาพใบพดสงสดของใบพดหมนน

20. ถามมหวฉดของขนทำงานแรงปฏกรยา 50% คอ 15 อยากทราบวาประสทธภาพใบพดของขนทำงานนมคาสงสดเทาไร

บทท 8

ระบบนำปอนและนำหลอเยน

8.1 อปกรณหลกในระบบนำปอนและนำหลอเยนระบบนำปอนคอ ระบบทเกยวของกบสำหรบการผลตนำปอนสำหรบเครองกำเนดไอนำ อปกรณ

สำคญในระบบไดแกเครองควบแนนซงทำหนาทควบแนนไอนำจากเครองกงหนทำใหไดนำปอนกลบเขาสระบบและเครองอนนำปอนซงทำหนาทเพมอณหภมใหนำปอนกอนเขาเครองกำเนดไอนำ ระบบนำหลอเยนคอ ระบบทจายนำทมอณหภมตำเพอระบายความรอนออกจากเครองควบแนน อปกรณสำคญในระบบคอ หอหลอเยน (cooling tower) นอกจากนยงมระบบทเกยวของคอ ระบบปรบสภาพนำซงทำหนาทแปรสภาพนำดบจากแหลงนำธรรมชาตใหมคณสมบตเหมาะสมเปนนำปอนและนำหลอเยน รปท 8.1 แสดงการไหลเวยนของนำปอนและนำหลอเยน จะเหนวามการสญเสยนำปอนทเครองกำเนดไอนำและนำหลอเยนทหอหลอเยน ถาไมมการชดเชยนำปอนและนำหลอเยนโดยระบบระบบปรบสภาพนำ ปรมาณนำทไหลเวยนในระบบจะลดลง

8.2 เครองควบแนนเครองควบแนนอาจตดตงดานลางของหรอดานขางของเครองกงหนไอนำ และอาจมจำนวนมากกวา

หนงเครอง ถงแมวาเครองควบแนนอาจใชอากาศระบายความรอนจากไอนำ แตเครองควบแนนในโรงไฟฟานยมใชนำระบายความรอนเนองจากนำระบายความรอนไดดกวาอากาศหลายเทา เครองควบแนนเปนอปกรณแลกเปลยนความรอนแบบเปลอกและทอ (shell-and-tube heat exchanger) ทมรปรางคลายกลองสเหลยมขนาดใหญและมจำนวนทอนบหมนทอ นำหลอเยนจะไหลภายในทอและไอนำจะควบแนนนอกทอ การจดเรยงตวของทอมกเปนแบบนำหลอเยนไหลผานครงเดยว (one-pass) หรอสองครง (two-pass) รปท 8.2 แสดงเครองควบแนนแบบแรกนำหลอเยนเขาทดานหนงผานกลมทอตรง แลวออกทอกดานหนง แตในแบบหลงนำหลอเยนเขาและออกดานเดยวกนและกลมทอทใชมลกษณะคลายตว U ถงแมวาเครองควบแนนสามารถถกออกแบบใหนำไหลผานไดถงสครง (four-pass) แตกไมคมคาจงไมเปนทนยม

รปท 8.3 แสดงโพรไฟลอณหภมในเครองควบแนนทมการไหลผานของนำหลอเยนเพยงครงเดยว

152 บทท 8. ระบบนำปอนและนำหลอเยน

รปท 8.1: การไหลเวยนของนำปอนและนำหลอเยน

รปท 8.2: เครองควบแนนแบบนำหลอเยนไหลผานครงเดยว

นำหลอเยนจะมอณหภมเพมขนอยางตอเนองจากทางเขาเครองไปทางออก ในขณะทอณหภมของไอนำทควบแนนจะคงท การออกแบบเครองควบแนนตองอาศยการวเคราะหการถายเทความรอนเพอหาจำนวนทอและพนทผวทงหมดของเครองควบแนนทตองใชควบแนนไอนำทมาจากเครองกงหนไอนำ

8.2. เครองควบแนน 153

สมการทใชวเคราะหคอ

Q = UA∆Tlm (8.1)∆Tlm =

ITD− TTDln(ITD/TTD) (8.2)

โดยท ITD คอผลตางระหวางอณหภมไอนำอมตวกบอณหภมนำหลอเยนเขา TTD คอผลตางระหวางอณหภมไอนำอมตวกบอณหภมนำหลอเยนออก U คอสมประสทธการถายเทความรอนรวมและ A คอพนทการถายเทความรอนซงกคอพนทผวของทอ สมการ (8.1) แสดงใหเหนวา อณหภมนำหลอเยนเปนปจจยทมผลตอขนาดของเครองควบแนน ถาอณหภมนสงขน คา ITD และ TTD จะลดลงและทำใหพนทการแลกเปลยนความรอนตองเพมขนเพอให Q มคาคงท ซงหมายถงราคาของเครองควบแนนทตองเพมขนตาม

รปท 8.3: โพรไฟลอณหภมในเครองควบแนนผวสมผส

รปท 8.1 แสดงใหเหนวา นำหลอเยนมทมาจากนำดบซงอาจมสารแปลกปลอมปะปนอยดวย ดงนนทอไมควรมขนาดเลกเกนไปเพราะอาจทำใหเกดปญหาการอดตนได นำดบอาจเปนไดทงนำจดจากแมนำหรอนำเคมจากทะเล วสดทใชทำทอขนอยกบนำทใชหลอเยน ในกรณท เปนนำจด วสดทใชไดแก ทองแดงแอดมรลต (admilralty copper) เหลกกลาไรสนมเบอร 304 (304 stainless steel) วสดอยางหลงมราคาถก ตานทานการกดกรอนในนำจดไดด ทนทานตอปฏกรยาของแอมโมเนยและซลไฟดและไมกอใหเกดไอออนในนำปอนเหมอนทองแดง แตกมขอเสยคอ มคาการนำความรอนตำและความตานทานตอปฏกรยาของคลอไรดและการฟาวลง (fouling) จากสารอนทรยตำ ในกรณทนำหลอเยนเปนนำทะเลหรอนำกรอย การเลอกวสดสำหรบทอตองพจารณาชนดและปรมาณของสารเจอปนในนำรวมทงทรายและตะกอนทมากบนำ ซงวสดทใชอาจเปนโลหะผสม 90-10 ทองแดงนกเกล เหลกกลาไรสนมหรอไททาเนยม

สมรรถนะของเครองควบแนนทลดลงจะสงผลลบตอประสทธภาพของวฏจกรแรงคน ดงนนเครองควบแนนเปนอปกรณท ตองได รบการบำรงรกษาเปนอยางด ปญหาหลกท อาจเกดขน ในการใช งาน


เครองควบแนนม 4 ประการไดแก การเกดฟาวลง การกดกรอนทอ การรวไหลเขาของนำหลอเยนมาปะปนกบไอนำ และการรวไหลเขาของอากาศ

• การเกดฟาวลงหมายถง การทมคราบตะกรนหรอสารอนมาเกาะตดพนผวดานในของทอ คราบเหลานนำความรอนไมดเมอเทยบกบโลหะทเปนวสดทอ ดงนนฟาวลงจงทำใหคาสมประสทธการถายเทความรอนรวมของเครองควบแนนลดลง ฟาวลงเปนสงทปองกนไมใหเกดไดคอนขางยากเพราะนำหลอเยนมาจากแหลงนำธรรมชาตซงมสารแปลกปลอมปะปนอยไมมากกนอย การเตมสารเคมในนำหลอเยนชวยลดการสะสมของสารอนทรยบนผวทอได แตวธแกปญหาฟาวลงทนยมใชในโรงไฟฟาคอ การทำความสะอาดเครองควบแนนโดยสบนำใหไหลยอนกลบ รปท 8.4แสดงทศทางการไหลของนำในสภาวะเดนเครองควบแนนตามปกตและสภาวะทำความสะอาดเครองควบแนน นำทใชกำจดคราบสงแปลกปลอมภายในทอของเครองควบแนนจะมลกบอลทำดวยฟองนำลกเลก ๆ จำนวนมาก ลกบอลเหลานจะขดผวในของทอเมอไหลผานทอพรอมกบชะลางสงสกปรกออกไป

รปท 8.4: วงจรการไหลของเครองควบแนนในสองสภาวะ

• การกดกรอนทอ เกดจากทราย กอนกรวด และสงแปลกปลอมในนำหลอ เยนท เคลอนท ดวยความเรวสงมาปะทะกบทอของเครองควบแนน ถงแมวาความเรวของนำหลอเยนท เพมขนจะทำใหสมประสทธการถายเทความรอนเพมขนและสงผลใหเครองควบแนนมสมรรถนะดขนและชวยชะลางคราบตะกรนทเกาะผวทอ แตกทำใหเครองสบทำงานหนกขนและเพมการกดกรอนซงอาจทำใหอายการใชงานของทอลดลง ดงนนความเรวของนำจงถกจำกดใหอยระหวาง 1.8 ถง3 m/s โดยขนอยกบวสดทใชทำทอ

• การรวไหลเขาของนำหลอเยนมาปะปนกบไอนำมสาเหตการทความดนของนำหลอเยนซงไหลในทอสงกวาความดนไอนำนอกทอ การกดกรอนและการสนสะเทอนเปนเวลานานอาจทำใหเกด

8.3. เครองอนนำปอน 155

รอยแตกราวในทอได นำหลอเยนอาจจะซมผานรอยแตกราวไปปะปนกบไอนำ ไอนำตองความบรสทธสงเพราะมนจะกลายเปนนำปอนหลงจากการควบแนน เนองจากมเกลอแรละลายในนำหลอเยนการปะปนระหวางไอนำกบนำหลอเยนจะนำไปสนำปอนทดอยคณภาพ การแกปญหานทดทสดคอ การตรวจสอบหารอยแตกและรอยราวในทอเพอซอมแซมใหหมดไป แตการตรวจสอบเครองควบแนนทมทอหลายพนทอเปนงานทหนก วธตรวจสอบมหลายวธเชน วดคาการนำไฟฟาของนำปอนและเปรยบเทยบกบคาปกต ถามนำหลอเยนปะปนกบนำปอนคาการนำไฟฟาจะเพมขนเพราะเกลอแรทละลายในนำหลอเยนแตกตวเปนไอออนซงนำไฟฟาไดดกวานำบรสทธ

• การรวไหลเขาของอากาศเกดจากการทความดนของไอนำในเครองควบแนนตำกวาความดนบรรยากาศ อากาศทไหลเขาเครองควบแนนจะลอมรอบทอ สภาพฉนวนความรอนของอากาศทำใหการถายเทความรอนจากไอนำสนำหลอเยนลดลง ผลทตามมาคอไอนำควบแนนทอณหภมสงขนและความดนไอนำกสงขนตามไปดวยซงทำใหงานทไดจากเครองกงหนไอนำลดลง การออกแบบเครองควบแนนเพอปองกนการรวไหลเขาของอากาศไมอาจรบประกนวาจะไมมการรวไหลเขาของอากาศตลอดอายการใชงานของเครองควบแนนเนองจากอากาศอาจเลดลอดผานรอยตอหรอรอยราวทอาจขนไดตลอดเวลา ดงนนการสบอากาศออกจงเปนสงทจำเปน อปกรณทใชสบอากาศออกคอ เครองสบสญญากาศ (vacuum pump) และอเจกเตอร (ejector)

8.3 เครองอนนำปอนเครองอนนำปอนทำหนาทเพมอณหภมนำปอนกอนเขาเครองประหยดเชอเพลงโดยใชไอนำทดงมา

จากเครองกงหนไอนำ เครองอนนำปอนชวยเพมประสทธภาพใหวฏจกรแรงคน จงเปนสงจำเปนในโรงไฟฟาพลงความรอน เครองอนนำแบงเปนเครองอนนำปอนแบบปดและแบบเปด

8.3.1 เครองอนนำปอนแบบเปดเครองอนนำปอนแบบเปดผสมนำปอนกบไอนำจากเครองกงหนซงทำใหนำปอนทไหลออกมอณห-

ภมเพมถงอณหภมนำอมตว นอกจากนการทความสามารถละลายนำของกาซลดลงตามอณหภมทเพมขนทำใหเครองอนนำปอนแบบเปดทำหนาทเปนเครองกำจดกาซ (deaerator) อณหภมของนำปอนทสงทำใหกาซทละลายในนำปอนอนไดแก O2 และ CO2 ระเหยออกไป ความสามารถกำจดกาซของเครองอนนำปอนแบบเปดวดจากปรมาณ O2 และ CO2 ในนำปอนทไหลออกจากเครอง

รปท 8.5 แสดงสวนประกอบสำคญสามสวนของเครองอนนำปอนแบบเปดสามสวนคอ ฮตเตอร(heater) เครองควบแนนชองระบาย (vent condenser) และถงเกบนำปอน (storage tank) นำจากเครองควบแนนและไอนำจากเครองกงหนจะมาผสมกนทสวนใหความรอน ทำใหไดนำปอนอณหภมสงการระเหยของกาซจะมากหรอนอยขนอยกบอณหภมของนำปอน ถานำปอนมอณหภมถงจดเดอด กาซจะระเหยไปหมด สำหรบวธการผสมนำปอนกบไอนำทใชกนมสองวธ วธแรกพนนำปอนเปนสเปรยเขาไปผสมกบไอนำ วธทสองปลอยใหนำปอนไหลลงบนถาด (trays) ทวางเรยงกนหลายชนโดยไหลสวนทางกบไอนำทไหลขน


รปท 8.5: เครองอนนำปอนแบบเปด

ดานบนของสวนใหความรอนมชองระบายกาซ แตจะมไอนำลอยปะปนออกจากชองนไปดวย เพอปองกนการสญเสยไอนำ เครองควบแนนชองระบายจงถกใชควบแนนไอนำโดยแลกเปลยนความรอนกบนำปอน ลกษณะของเครองอาจเปนอปกรณแลกเปลยนความรอนแบบเปลอกและทอวางอยบนสวนใหความรอน

นำปอนจากการผสมกบไอนำและไอนำทเหลอจะไหลลงสดานลางของสวนใหความรอน กอนเขาสสวนเกบนำปอน เครองอนนำปอนขนาดเลกอาจบรรจสวนเกบนำปอนเปนสวนหนงของสวนใหความรอน แตเครองขนาดใหญทงสองสวนจะแยกจากกนโดยใหสวนใหความรอนวางอยบนสวนเกบนำปอนเพอทวาแรงโนมถวงโลกจะทำใหนำปอนไหลจากสวนใหความรอนไปสวนเกบนำปอนเอง

8.3.2 เครองอนนำปอนแบบปดเครองอนนำปอนแบบปดเปนอปกรณแลกเปลยนความรอนชนดเปลอกและทอไอนำจากเครอง

กงหนจะไหลนอกทอและจะควบแนนภายนอกทอ สวนนำปอนจะไหลในทอ เครองอนนำปอนแบบปดอาจแบงเปนเครองอนความดนตำ (LP heater) และเครองอนความดนสง (HP heater) ไอนำทไหลเขาเครองอนความดนสงเปนไอนำยวดยง เครองอนความดนสงจงประกอบดวยสามสวนคอ เครองลดความยวดยงของไอนำ (desuperheater) เครองควบแนน (condensing section) และเครองลดอณหภมนำระบาย (drain cooler) ในกรณของเครองอนความดนตำไอนำทไหลเขาเปนไอนำใกลเคยงกบไอนำอมตว ดงนนเครองอนความดนตำจงประกอบดวยเครองควบแนนและเครองลดอณหภมนำระบายเทานน

รปท 8.6 แสดงเครองอนนำปอนแบบปดทมทงสามสวนแยกออกจากกนอยางชดเจน นำปอนไหลตามทอไปเครองลดอณหภมนำระบาย เครองควบแนนและเครองลดความยวดยงของไอนำตามลำดบในขณะทไอนำจะไหลสวนทางกบนำปอน ภายในเครองอนนำปอนตดตงแผนกนเพอใหไอนำไหลผานทอหลายครงและเพมประสทธภาพการถายเทความรอนระหวางไอนำกบนำปอน ไอนำยวดยงทไหลเขาเครองลดความยวดยงของไอนำจะกลายเปนไอนำอมตวและไหลออกทางชองเปดเขาสเครองควบแนน

8.3. เครองอนนำปอน 157

ไอนำอมตวจะควบแนนบนผวทอทมนำปอนไหลอยภายใน นำทควบแนนจะตกสดานลางของเครองอนนำปอนและไหลเขาเครองลดอณหภมนำระบายทางชองเปดทอยระหวางเครองควบแนนและเครองลดอณหภมนำระบาย รปท 8.7 แสดงโพรไฟลอณหภมของไอนำและนำปอนในเครองอนนำปอนแบบปด

รปท 8.6: เครองอนนำปอนแบบปด

รปท 8.7: โพรไฟลอณหภมในเครองอนนำปอนแบบปด

เครองอนนำปอนแบบปดอาจจะวางตงหรอวางนอน โรงไฟฟาสวนมากจะวางเครองอนนำปอนในแนวนอน แตการวางตงจะประหยดพนทซงเหมาะกบโรงไฟฟาขนาดเลก เครองทวางนอนจะวางในหองเครองกงหน อยางไรกตามการวางตงทำใหบางสวนของทอจมนำและไมสามารถชวยแลกเปลยนความรอนระหวางไอนำกบนำปอนได


8.3.3 การเลอกใชเครองอนนำปอนการเพมจำนวนของเครองอนนำปอนจะสงผลใหประสทธภาพของวฏจกรเพมตามไปดวย อยางไร

กตามถงแมวาเครองอนนำปอนเครองแรกจะเพมประสทธภาพมาก แตเครองตอมาจะเพมประสทธภาพนอยลงเรอย ๆ ดงนนการเพมเครองอนนำปอนจงควรยตลงเมอพบวาผลประโยชนทไดจากประสทธภาพทเพมขนไมคมกบคาใชจายทเพมขนจากการตดตงเครองอนนำปอนดวย จำนวนเครองอนนำปอนในโรงไฟฟาพลงความรอนขนกบกำลงการผลต ตารางท 8.1 แสดงใหเหนวาโดยทวไปโรงไฟฟาขนาดไมเกน200 MW มเครองอนนำปอน 3 ถง 8 เครอง จำนวนเครองอนนำปอนจะเพมขนกวานถาโรงไฟฟามใหญกวา 200 MW

ตารางท 8.1: จำนวนเครองอนนำปอนในโรงไฟฟาพลงความรอน

กำลงการผลต (MW) จำนวนเครองอนนำปอน0 ถง 50 3 ถง 550 ถง 100 5 หรอ 6100 ถง 200 5 ถง 7มากกวา 200 6 ถง 8

เครองอนนำปอนแบบเปดมขนาดใหญและนำหนกมาก อกทงตองการ เครองสบนำขนาดใหญสำหรบเครองอนนำปอนแบบเปดแตละเรอง การเลอกใหเครองอนนำปอนในโรงไฟฟาเปนเครองอนนำปอนแบบเปดทงหมดจงมคาใชจายทสงเกนไปและไมเปนทนยม เครองอนนำปอนแบบปดมขนาดเลก ควบคมงาย และสามารถใชเครองสบรวมกนได เครองอนนำปอนสวนใหญในโรงไฟฟาจงเปนแบบปด อยางไรกตามอบางนอยหนงในจำนวนเครองอนนำปอนจะเปนแบบเปดเนองจากมนสามารถใชเปนเครองกำจดกาซในนำปอนได เครองกำจดกาซจะถกวางทความดนกงกลางระหวางความดนสงสดและตำสดในวฏจกรแรงคน เครองอนนำปอนแบบปดทมความดนสงกวาน เรยกวาเครองอนความดนสงเครองอนนำปอนแบบปดทมความดนตำกวานเรยกวาเครองอนความดนตำ

8.4 หอหลอเยนวฏจกรแรงคนจำเปนตองมการถายเทความรอนออกจากวฏจกรดวยสารหลอเยน ซงสารหลอเยน

ทใชกนทวไปกคอนำ ในระบบทงายทสดนำเยนจากแหลงนำธรรมชาตจะไหลเขาไปรบความรอนจากไอนำควบแนนในเครองควบแนนและกลายเปนนำรอนทถกปลอยออกสแหลงนำธรรมชาต ระบบนเรยกวา ระบบไหลผาน (once-through system) ถงแมวาเปนระบบทคาใชจายตำ แตกทำใหมลภาวะทางความรอน (thermal pollution) ตอแหลงนำได ดงนนโรงไฟฟาสมยใหมจงหลกเลยงระบบนและหนมาใชระบบปด (closed-loop system) ในระบบปดนำหลอเยนทผานเครองควบแนนและมอณหภมสงขนจะถกสงไปหอหลอเยน (cooling tower) เพอระบายความรอนออก กอนไหลเขาเครองควบแนนอกครง

8.4. หอหลอเยน 159

ระบบปดสงผลเสยตอสงแวดลอมนอยกวาระบบไหลผานมาก อยางไรกตามระบบปดอาจยงตองการนำจากแหลงนำธรรมชาต เพอชดเชยการสญเสยนำ หอหลอเยนแบงออกไดเปน 2 ประเภทคอหอหลอเยนเปยก (wet cooling tower) และหอหลอเยนแหง (dry cooling tower)

8.4.1 หอหลอเยนเปยกหอหลอเยนเปยกระบายความรอนสสงแวดลอมโดยอาศยการสมผสกนระหวางอากาศกบนำทไหล

สวนทางกนซงทำใหนำบางสวนระเหยเปนไอและสญเสยความรอนแฝงของการกลายเปนไอใหอากาศทถกระบายสสงแวดลอม นำสวนทเหลอจงมอณหภมลดลง สมรรถนะของหอหลอเยนถกกำหนดโดยอณหภมแอปโพรช (approach) และอณหภมพสย (range) อณหภมแอปโพรชคอ ผลตางระหวางอณหภมกระเปาะเปยก (wet-bulb temperature) ของอากาศแวดลอมกบอณหภมนำเยนทไหลออกจากหอ สวนอณหภมพสยคอ ผลตางระหวางอณหภมนำทไหลเขาและไหลออกจากหอ สมรรถนะของหอหลอเยนเปยกขนกบ อณหภมกระเปาะเปยก พนผวทอากาศสมผสกบนำ เวลาทอากาศสมผสกบนำอตราการไหลของนำและอตราการไหลของอากาศ อณหภมกระเปาะเปยกเปนปจจยทอยนอกเหนอการควบคม พนผวทอากาศสมผสกบนำควบคมโดยทำใหนำแตกตวเปนละอองเลก ๆ จำนวนมาก เวลาทอากาศสมผสกบนำควบคมโดยใสวสดขวางการไหลของนำและอากาศซงทำใหนำใชเวลามากขนในการไหลลงและอากาศใชเวลามากขนการไหลขน อตราการไหลของนำถกควบคมโดยเครองสบ สวนวธททำใหอากาศไหลมสองวธคอ วธดราฟตธรรมชาต (natural draft) และวธดราฟตเชงกล (mechanicaldraft)

หอหลอเยนแบบดราฟตธรรมชาตทำใหอากาศไหลโดยอาศยความหนาแนนทตางกนของอากาศภายในหอ (ρi) และอากาศแวดลอม (ρo) ในกรณของหอทสง H ความดนขบเคลอนอากาศ (∆p) ทเกดขนมคาเทากบ

∆p = (ρo − ρi)gH (8.3)

สมการนแสดงใหเหนวา ∆p ขนกบสภาวะแวดลอม หอหลอเยนแบบดราฟตธรรมชาตทำงานไดดในอากาศเยนและชนซงมความหนาแนนมากอากาศรอนและแหง หอหลอเยนตองมความสงมากเพอใหเกดความดนขบเคลอนตามตองการ ซงตองมากพอทจะเอาชนะความดนของอากาศทสญเสยไปขณะไหลผานสงกดขวางตาง ๆ ในหอ ในสมยกอนหอไมสงมากนก โครงสรางของหอคลายทรงกระบอกและทำดวยไม แตเมอเวลาผานไป ความสงของหอเพมขนเรอย ๆ การออกแบบหอกไดพฒนามาจนกระทงโครงสรางเปนไฮเพอรโบลา (hyperbola) และทำดวยคอนกรตเสรมเหลก เนองจากโครงสรางนแขงแรงและทนตอกระแสลมด โครงสรางไฮเพอรโบลาไมมผลมากนกตอความสามารถในการถายเทความรอนของหอ รปท 8.8 แสดงแผนภาพของหอหลอเยนทใชดราฟตธรรมชาต จากการทหอหลอเยนแบบดราฟตธรรมชาตอาจสงมากกวา 150 m คากอสรางจงอาจมากกวาหอหลอเยนแบบดราฟตเชงกลถง 2.5-5 เทาแตหอหลอเยนแบบดราฟตธรรมชาตไมตองใชพลงงานขบเคลอนอปกรณเหมอนวธดราฟตเชงกล จงมคาดำเนนการและบำรงรกษาตำ นอกจากนความสงของหอยงแกปญหาการไหลกลบเขาหอของอากาศรอนชนไดมากอกดวย

หอหลอเยนแบบดราฟตเชงกลใชพดลมทำใหอากาศไหลผานหอหลอเยน หอหลอเยนทใชวธดราฟตเชงกลมขอไดเปรยบเหนอวธดราฟตธรรมชาตหลายประการเชน สรางไดงายกวา ลงทนตำกวา ขนาด


รปท 8.8: หอหลอเยนเปยกแบบดราฟตธรรมชาต

เลกกวา ตอบสนองตอความตองการนำหลอเยนรวดเรวกวา มความยดหยนในการออกแบบสงกวา แตคาใชจายในการดแลรกษาจะสงกวาเนองจากตองควบคมการทำงานของพดลมและมอเตอร พดลมอาจจะถกตดตงทบรเวณฐานของหอเพอเปาอากาศเขาหอ (forced draft) การตดตงพดลมแบบนมขอดคอความงายในการดแลรกษาทงพดลมและมอเตอรทอยนอกหอ นอกจากนพดลมไมตองประสบกบภาวะทอากาศมอณหภมสงและความชนสงอนจะทำใหพดลมสกกรอน อยางไรกตามการเปาอากาศจะทำใหอากาศกระจายไมทวหอ อกทงยงทำใหเกดการรวไหลของอากาศออกจากหอได ขอเสยทสำคญทสดคออากาศทรอนและชนทออกจากหออาจไหลกลบเขาหอใหม ซงเปนสาเหตใหประสทธภาพของหอดอยลง ปญหานจะบรรเทาลงไปมากถาตดตงพดลมทบรเวณดานบนของหอเพอดดอากาศเขาหอ (induceddraft) นเปนเหตผลททำใหการตดตงพดลมแบบนไดรบความนยมสงกวาแบบแรก ทศทางการไหลของละอองนำและอากาศอาจเปนลกษณะไหลสวนทางกน (counter-flow) ดงแสดงในรปท 8.9 หรอไหลตดกน (cross-flow) ดงแสดงในรปท 8.10

รปท 8.8-8.10 แสดงใหเหนโครงสรางภายในหอหลอเยนแบบเปยก ดานบนของหอตดตงหวฉดทพนละอองนำเขาหอ ดานในของหอมวสดทจดเรยงเปนระเบยบคลายตารางเรยกวาฟล (fill) หรอแพกกง(packing) เพอชวยใหอากาศและละอองนำสมผสกนนานและทวถงขน ฟลหรอแพกกงทำจากวสดทแขงแรง มนำหนกเบาหรอมความหนาแนนตำและมความตานทานการไหลของอากาศตำเพอลดการสญเสยความดนของอากาศ นำเยนทตกลงมาจะถกสะสมในอางคอนกรตดานลางของหอ ซงมเครองสบสำหรบสบนำสเครองควบแนน สวนอากาศชนและรอนจะออกจากหอทางดานบน

หอหลอเยนเปยกตองการนำทดแทน (makeup water) เนองจากหอหลอเยนเปยกจะสญเสยอยางตอเนองดวยสาเหตตาง ๆ สาเหตหลกคอ การระเหยของนำซงทำใหระบบสญเสยนำไปในปรมาณ 1-1.5% ของปรมาณนำทไหลเวยนในระบบ การสญเสยนำดวยสาเหตน เปนสงจำเปนเพราะการระเหยทำใหนำหลอเยนทไหลออกมอณหภมตำ แตยงมการสญเสยนำจากสาเหตอนทไมไดลดอณหภมของนำท

8.4. หอหลอเยน 161

รปท 8.9: การไหลแบบสวนทางกนของอากาศและนำในหอหลอเยนเปยก

รปท 8.10: การไหลแบบตดกนของอากาศและนำในหอหลอเยนเปยก

ไหลออกจากหอหลอเยนเปยกเหมอนการระเหยของนำ ไดแก

• การสญเสยนำในรปของละอองนำทปนไปกบอากาศ (drift) อปกรณกำจดละอองนำ (drift elim-inator) ซงตดตงบรเวณทางออกจากหอหลอเยนเปยกทำใหการสญเสยนำแบบนมปรมาณเพยง


0.03% ของปรมาณนำทไหลเวยน อปกรณนมแผนกน (baffle) ซงทำหนาทบงคบใหอากาศไหลออม ละอองนำทมความหนาแนนสงกวาอากาศมากกจะโดนดกโดยแผนกนเหลานแลวรวมตวกนเปนหยดนำตกลงสหอ

• การระบายนำบางสวนออกจากหอ (blowdown) เหตผลของการกระทำเชนนกเพอลดความเขมขนของสารแปลกปลอมในนำ ทำนองเดยวกบการระบายนำออกจากถงพกไอนำในเครองกำเนดไอนำ นำทระบายออกคดเปน 1-1.5% ของนำทไหลเวยน

• การรวออกของนำ ซงมเกดจากอายการใชงานทมากของหอหลอเยนเปยกจะทำใหเกดรอยรวปญหาการสญเสยนำจากการรวจะไมรนแรงถาหอหลอเยนไดรบการบำรงรกษาทด

ปญหาสำคญทสงผลลบตอสมรรถนะของหอหลอเยนเปยกซงทำใหนำหลอเยนทไหลออกจากหอมอณหภมสงกวาคาทออกแบบไว คอ การไหลยอนกลบของอากาศชน (recirculation) และการทำงานรบกวนกนเองของหอหลอเยน (interference) ปญหาแรกเกดจากการทอากาศชนทไหลออกจากหอหลอเยนไหลยอนกลบเขาหอหลอเยนนน ปญหานมความรนแรงมากในหอหลอเยนแบบดราฟตเชงกลทใชพดลมเปาอากาศเขา การใชดราฟตเชงกลทใชพดลมดดอากาศออกจะชวยลดความรนแรงของปญหาได ปญหาทสองเกดจากการทอากาศชนทออกจากหอหนงไหลเขาอกหอหนง การวางตำแหนงหอหลอเยนจะชวยแกปญหานได

8.4.2 หอหลอเยนแหงความตองการนำทดแทนของหอหลอเยนเปยกทำใหมนอาจจะไมเหมาะกบโรงไฟฟาทตงอยในพนท

ท ไมมแหลงนำธรรมชาต ในกรณนหอหลอเยนแหงเปนอกทางเลอกหนงสำหรบระบายความรอนใหโรงไฟฟา หอหลอเยนแหงใชอากาศเปนตวรบความรอนจากนำและไมอาศยการระเหยของนำ ดงนนประสทธภาพในการระบายความรอนจงดอยกวาหอหลอเยนเปยกมาก

การระบายความรอนโดยหอหลอเยนแหงอาจเปนการระบายโดยตรงหรอระบายทางออม ในแบบระบายความรอนโดยตรง ไอนำจากเครองกงหนจะไหลเขาหอทางกลมทอทตดครบ อากาศจะถกเปาใหไหลผานกลมทอดวยความเรวสงเพอทำใหไอนำควบแนน ดงนนหอหลอเยนจงทำหนาทเปนเครองควบแนนดวย รปท 8.11 แสดงแผนภาพของหอหลอเยนแหงทระบายความรอนโดยตรง หอหลอเยนทระบายความรอนทางออมแยกเครองควบแนนออกจากหอ รปท 8.12 แสดงการทำงานของหอหลอเยนแหงแบบน นำรอนจากเครองควบแนนจะไหลเขาหอทางกลมทอตดครบ จากนนจะถายเทความรอนใหอากาศทไหลผาน กอนทจะมอณหภมลดลงแลวไหลเขาเครองควบแนนใหม

8.5 ระบบปรบสภาพนำในเครองกำเนดไอนำจะมการสญเสยนำออกไปจากสาเหตตางๆ เชน การถายนำออก (blowdown)

เพอลดความเขมขนของเกลอในนำของระบบและเพอกำจดตะกอน การรวซมออกตามรอยราวและรรว การปะปนของไอนำออกไปกบกาซจากเครองกำจดกาซ ดงนนจงตองมการใหนำทดแทน (makeup

8.5. ระบบปรบสภาพนำ 163

รปท 8.11: หอหลอเยนแหงแบบระบายความรอนโดยตรง

รปท 8.12: หอหลอเยนแหงแบบระบายความรอนทางออม

water) เพอควบคมใหปรมาณนำในระบบคงท ปรมาณนำทดแทนประมาณ 1.5-2% ของนำทไหลเวยนในระบบ

นำจากแหลงนำในธรรมชาตจะมสารแปลกปลอมเชน สารแขวนลอย สารอนนทรย และกาซปะปนอยดวย ถานำทดแทนถกปลอยใหไหลเขาสเครองกำเนดไอนำโดยไมไดรบการปรบสภาพจะเกดผลเสยตอเครองกำเนดไอนำดงน

• สารแขวนลอยอาจไปอดตนทอหรอไปเกาะผวอปกรณแลกเปลยนความรอน และทำใหประสทธ-ภาพการถายเทความรอนของอปกรณแลกเปลยนความรอนลดลง

• สารอนนทรยทละลายในนำประกอบดวยไอออนบวก 3 ตวไดแก Ca+, Mg2+, Na+ และไอออนลบ 3 ตวไดแก HCO−

3 , Cl−, SO2−4 ไอออนเหลานละลายนำไดดทอณหภมตำ แต เมอนำม


อณหภมสงขน ไอออนเหลานจะกลายสภาพเปนตะกรน (scale) ไปสะสมทผวทอของอปกรณแลกเปลยนความรอน ตะกรนมสภาพเปนฉนวนซงนอกจากจะลดประสทธภาพของอปกรณแลกเปลยนความรอนแลว ยงอาจสงผลใหทอของอปกรณแลกเปลยนความรอนมอณหภมสงจนอาจเกดความเสยหายได

• กาซทละลายในนำซงไดแก CO2 และ O2 จะทำปฏกรยาเคมกบเหลกซงกดกรอนชนสวนทเปนเหลกในเครองกำเนดไอนำได

การปองกนความเสยหายเหลานตองอาศยการปรบสภาพนำจากแหลงธรรมชาตใหมความบรสทธเพยงพอทจะใชเปนนำปอนใหเครองกำเนดไอนำได

การปรบสภาพนำเรมจากการทำใหสารแขวนลอยในนำตกตะกอนเอง (sedimentation) หรอใชสารเคมไปทำใหสารแขวนลอยทมขนาดเลกและไมตกตะกอนเองจบตวกนเปนสารแขวนลอยขนาดใหญเพอเรงการตกตะกอน (coagulation) หลงจากนนนำทไดจะไหลผานเครองกรองนำเพอใหไดนำดบทปราศจากสารแขวนลอยสำหรบการปรบสภาพนำขนตอไป

การปรบสภาพนำดบเปนนำปอนแบงเปนการปรบสภาพแบบภายใน (internal treatment) และการปรบสภาพแบบภายนอก (external treatment) ในการปรบสภาพแบบภายใน จะมการเตมสารเคมเขาไปผสมกบนำเพอทำปฏกรยากบสารอนนทรยในนำทำใหเกดตะกอน ซงตะกอนนจะถกดกไวทถงพกไอนำและถกระบายออกจากถงพกไอนำตอไป การปรบสภาพนำดวยวธนมตนทนตำจงนยมใชในโรงไฟฟาขนาดเลก อยางไรกตามวธนอาจลดความกระดางของนำไดไมมากนกและไมสามารถปรบสภาพนำทมความกระดางมาก ๆ ได

วธการปรบสภาพแบบภายนอกทนยมใชอยางแพรหลายคอ กระบวนการแลกเปลยนไอออน (ionexchange process) กระบวนการนใชเรซนไอออนบวก (cation resin) และเรซนไอออนลบ (anionresin) ในการกำจดไอออนบวก (เชน Ca+, Mg2+, Na+) และไอออนลบ (เชน HCO−

3 , Cl−, SO2−4 )

ออกจากนำ เรซนทใชเปนของแขงทมลกษณะเปนอนภาคกลมจำนวนมาก เมอนำทมไอออนบวกและไอออนลบไหลผานกจะเกดปฏกรยาเคมดงนทเรซนไอออนบวก

R−H+ + C+ −→ R−C+ + H+

2R−H+ + C2+ −→ R−2 C2+ + 2H+

และปฏกรยาเคมดงนทเรซนไอออนลบ

R+OH− + A− −→ R+A− + OH−

2R+OH− + A2− −→ R+2 A2− + 2OH−

โดยทR หมายถงเรซนC หมายถงไอออนบวกเชน Ca+, Mg2+, Na+A หมายถงไอออนลบเชน HCO−

3 , Cl−, SO2−4

ปฎกรยาเหลานทำใหไอออนหายไปและถกแทนทดวย H+ และ OH− ซงจะกลายเปนนำบรสทธ (H2O)ในทสด

8.5. ระบบปรบสภาพนำ 165

เรซนทผานกระบวนการแลกเปลยนไอออนไมสามารถแลกเปลยนไอออนไดอกและตองผานกระ-บวนการคนสภาพ (regeneration) เพอคนความสามารถในการแลกเปลยนไอออน กระบวนการคนสภาพของเรซนไอออนบวกเปนการทำปฏกรยาระหวางเรซนทหมดสภาพกบกรดซลฟรก

2R−C+ + H2SO4 −→ 2R−H+ + C+2 SO2−4

R−2 C2+ + H2SO4 −→ 2R−H+ + C2+SO2−4

กระบวนการคนสภาพของเรซนไอออนลบเปนการทำปฏกรยาระหวางเรซนทหมดสภาพกบสารละลายโซเดยมไฮดรอกไซด

R+A− + NaOH −→ R+OH− + Na+A−R+2 A2− + 2NaOH −→ 2R+OH− + Na+2 A2−

ขนตอนการปรบสภาพแบบภายนอกดวยวธแลกเปลยนไอออนเรมตนจากการไหลของนำดบผานเรซนไอออนบวก จากนนนำจะไหลผานเครองกำจดกาซและเรซนไอออนลบ การไหลผานเรซนไอออนบวกและเรซนไอออนลบอาจมมากกวาหนงครงเพราะการไหลผานเรซนแตละครงอาจยงมไอออนตกคางในนำ


คำถามทายบท1. ฟาวลงในเครองควบแนนเกดจากอะไร

2. การรวเขาเครองควบแนนของอากาศสงผลเสยอยางไรตอสมรรถนะของเครองควบแนน

3. สวนประกอบทสำคญสามสวนของเครองอนนำปอนแบบเปดคออะไรบาง

4. เขยนโพรไฟลอณหภมในเครองอนนำปอนแบบปดทประกอบดวยเครองลดความยวดยงของไอนำ เครองควบแนน และเครองลดอณหภมนำระบาย

5. ทำไมเครองอนนำปอนเกอบทงหมดในโรงไฟฟาจงเปนเครองอนนำปอนแบบปด

6. อะไรคอขอเสยทสำคญทสดของการหลอเยนดวยระบบไหลผานครงเดยว

7. หอหลอเยนเปยกทำใหนำเยนไดอยางไร

8. อณหภมของนำทไหลออกจากหอหลอเยนเปยกจะเปลยนแปลงหรอไม อยางไร ถาความชนสม-พทธในอากาศแวดลอมเพมขน

9. อะไรคอขอเสยเปรยบของหอหลอเยนแบบดราฟตเชงกลทใชพดลมเปาอากาศเมอเทยบกบแบบทใชพดลมดดอากาศ

10. อะไรคอวธการลดการสญเสยนำของหอหลอเยนในรปของละอองนำทปนไปกบอากาศ

11. ทำไมจงตองมการระบายนำออกจากหอหลอเยนเปยก

12. อธบายการทำงานของหอหลอเยนแหงมาพอสงเขป

13. ในการกำจดกาซทละลายในนำปอน เปาหมายของการกำจดคอกาซใด

14. วธใดใชกำจดเกลอแรทละลายในนำ

15. เมอใชงานไปนาน ๆ เรซนไอออนบวกจะเสอมสภาพ สารใดใชในกระบวนการคนสภาพของเรซนไอออนบวก

บทท 9

อปกรณและระบบควบคม

9.1 ระบบควบคมของโรงไฟฟาพลงความรอนเนอหาในบทกอนหนาน แสดงให เหนวา โรงไฟฟาสมยใหม ได รบการออกแบบใหทำงานอยางม

ประสทธภาพสงทสด และสามารถตอบสนองความตองการไฟฟาทอาจเปลยนแปลงไดตลอดเวลา นอกจากนโรงไฟฟาจะตองมความปลอดภยอยางมากเพราะโรงไฟฟาพลงความรอนใชเชอเพลงในปรมาณมาก ซงอาจกอใหความเสยหายอยางใหญหลวงถา เกดอบตเหตททำให เชอ เพลง เหลาน เผาไหม โดยปราศจากการควบคม การทจะบรรลวตถประสงคทงสามขอนไดนน จะตองมระบบควบคมทมประสทธ-ผล โรงไฟฟาพลงความรอนมอปกรณหลายอยางทำงานรวมกน ดงนนระบบควบคมของโรงไฟฟาจงมความซบซอนมากและสวนใหญเปนระบบควบคมแบบอตโนมต

การทำงานของอปกรณในโรงไฟฟาพลงความรอนสวนใหญอาศยการไหลของนำ ไอนำ อากาศและเชอเพลง ตวอยางเชน การไหลของอากาศและเชอเพลงในเตาเผา การไหลของนำและไอนำในถงพกไอนำ การไหลของไอนำในเครองทำไอนำยวดยง การไหลของไอนำในเครองกงหน เปนตน หลกการควบคมอปกรณเหลานจงเปนการใชวาลวเปลยนแปลงอตราการไหลของนำ ไอนำ อากาศและเชอเพลงเพอตอบสนองการเปลยนแปลงของอณหภม ความดน ระดบของเหลว และสวนประกอบในกาซเสย การออกแบบระบบควบคมทเหมาะสมจะทำใหการควบคมมความรวดเรวแตกไมเรวเกนไปจนทำใหอปกรณทำงานอยางไมมเสถยรภาพ

ระบบควบคมอาจแบงเปน ระบบควบคมแบบวงรอบเปด (open-loop control) และระบบควบคมแบบวงรอบปด (closed-loop control) ดงแสดงในรปท 9.1 ระบบควบคมทงสองแบบมวตถประสงคทจะทำใหขอมลออก (output) มคาเทากบขอมลเขา (input) หรอจดปรบตง (set point) สวนประกอบทพบในระบบควบคมทงสองแบบคอ ตวควบคม (controller) อปกรณควบคม (control element)และอปกรณกระบวนการ (process equipment) ตวควบคมทำหนาทรบสญญาณจากจดปรบตงและสงสญญาณควบคมออกมา อปกรณควบคมคอ อปกรณปรบอตราการไหลของของไหลท เขาอปกรณกระบวนการ อปกรณควบคมจะรบสญญาณควบคมทมาจากตวควบคมและปรบเปลยนอตราการไหลในอปกรณกระบวนการใหสอดคลองกบสญญาณควบคม อปกรณกระบวนการหมายถง อปกรณทถกควบคมใหผลตขอมลออกตามความตองการของระบบควบคม ขอแตกตางระหวางระบบควบคมแบบวง

168 บทท 9. อปกรณและระบบควบคม

รอบเปดและระบบควบคมแบบวงรอบปดคอ เซนเซอร (sensor) ซงพบในระบบควบคมแบบวงรอบปดซงทำหนาทสงสญญาณทออกจากอปกรณกระบวนการกลบเขาตวควบคม สญญาณนเรยกวา สญญาณปอนกลบ (feedback) ตวควบคมของระบบควบคมแบบวงรอบปดจะเปรยบเทยบสญญาณปอนกลบกบจดปรบตง และจะสงสญญาณควบคมทแปรผนตามผลตางระหวางสญญาณปอนกลบกบจดปรบตง ดงนนตวควบคมจะใหสญญาณควบคมออกมาตราบเทาทขอมลออกจากอปกรณกระบวนการยงแตกตางกบจดปรบตง

รปท 9.1: ระบบควบคมแบบวงรอบเปดและแบบวงรอบปด

ระบบควบคมแบบวงรอบปดในรปท 9.1 เรยกวา ระบบควบคมแบบปอนกลบ (feedback con-trol) ซงทำงานไดดถาสญญาณรบกวน (disturbance) จากปจจยภายนอกไมไดสงผลตอการทำงานของอปกรณกระบวนการมากนก แตถาไมเปนเชนนน ระบบควบคมแบบปอนกลบอาจมการตอบสนองทชาการปรบปรงแกไขใหระบบควบคมตอบสนองเรวขนอาจใชวธเพมตวควบคมแบบปอนไปหนา (feedfor-ward controller) ในระบบควบคมแบบปอนกลบดงแสดงในรปท 9.2

ระบบควบคมแบบตอเรยงกน (cascade control) ในรปท 9.3 ประกอบดวยวงรอบควบคมซอนกนสองวงรอบ วงรอบท 1 คอวงรอบปฐมภม (primary control loop) ควบคมอปกรณกระบวนการท1 ในขณะทวงรอบท 2 คอวงรอบทตยภม (secondary control loop) ควบคมอปกรณกระบวนการท2 และตวควบคมท 1 ใหสญญาณควบคมทกลายเปนจดปรบตงของตวควบคมท 2 เปนทนาสงเกตวาวงรอบท 2 มอปกรณควบคมแตวงรอบท 1 ไมม สญญาณรบกวนในอปกรณกระบวนการท 2 สงผลตอการทำงานของอปกรณกระบวนการท 1 และเกดการตอบสนองอยางรวดเรวตอสญญาณรบกวนนผานการทำงานของตวควบคมท 1

9.2. การวดสมบตของไหล 169

รปท 9.2: ระบบควบคมแบบปอนกลบทมการเพมตวควบคมแบบปอนไปหนา

รปท 9.3: ระบบควบคมแบบตอเรยงกน

9.2 การวดสมบตของไหลสญญาณปอนกลบในระบบควบคมแบบวงรอบปดเปนสญญาณจากการวดสมบตของของไหลใน

อปกรณ สมบตของของไหลทเกยวของกบระบบควบคมคอ ระดบนำ อณหภมและอตราการไหลในกรณ


ทของไหลเปนนำ หรอ ความดน อณหภมและอตราการไหลในกรณทของไหลเปนไอนำและอากาศเซนเซอรในระบบควบคมแบบวงรอบปดทำหนาทเปนเครองวดระดบนำ ความดน อณหภมหรออตราการไหลจะถกแปลงสญญาณจากการวดทไดเปนสญญาณไฟฟาทสงไปยงตวควบคม

9.2.1 การวดความดนการวดความดนของของไหลอาจใชหลกการเชงกลหรอหลกการเชงไฟฟากได เครองวดความดนทใช

หลกการเชงกลไดแก มาโนมเตอร (manometer) บรดองเกจ (Bourdon gauge) เบลโลวเกจ (bellowsgauge) ไดอะแฟรมเกจ (diaphragm gauge) เครองวดความดนทใชหลกการเชงไฟฟาไดแก สเตรนเกจ(strain gauge)

• มาโนมเตอรในรปท 9.4 ประกอบดวยแทงแกวรปตวยทมปลายเปดทงดานซายและดานขวาภายในบรรจนำหรอของเหลวอน บนแทงแกวมสเกลบอกระดบของเหลวเปนเซนต เมตร เมอปลายดานซายของมาโนมเตอรตอเขากบของไหลทมความดน p1 และปลายดานขวาตอเขากบของไหลทมความดน p2 ซงนอยกวา p2 ระดบของเหลวในดานซายจะตำกวาดานขวา ถาผลตางของระดบของเหลวเทากบ h และของเหลวมความหนาแนน ρ ผลตางความดนระหวาง p1 กบp2 คอ

p1 − p2 = ρgh (9.1)

รปท 9.4: มาโนมเตอร

ในกรณท p2 ความดน p1 ทมาโนมเตอรวดไดจะเปนความดนเกจ แตถา p2 เปนสญญากาศความดนทวดไดจะเปนความดนสมบรณ

• บรดองเกจในรปท 9.5 ประกอบดวยทอโลหะขนาดเลกรปตวซ ปลายดานหนงของทอปด สวนปลายอกดานหนงตอเขากบของไหลทตองการวดความดน ถาของไหลมความดนเทากบความดนบรรยากาศ รปทรงของทอจะไมเปลยนแปลง แตเมอของไหลมความดนเพมขน จะเกดแรงดนซง


ทำใหทอเงยขน ปลายดานปดของบรดองเกจอาจตอเขากบเขมและสเกลบอกความดน การเลอกวสดทอและกลไก การออกแบบการหมนของเขม และการกำหนดสเกลทเหมาะสมสามารถทำใหบรดองเกจวดความดนไดอยางแมนยำ

รปท 9.5: บรดองเกจ

• เบลโลวเกจในรปท 9.6 เปนทอทยดและหดได วสดทใชทำทอมความยดหยนสง นอกจากนทอยงถกพบเพอเพมความยดหยน ของไหลจะไหลเขาทอจากดานลาง ความดนของของไหลจะทำใหทอยดตวขน สวนบนของเบลโลวเกจอาจตอเขากบเขมและสเกลบอกความดนเหมอนบวรดองเกจ

รปท 9.6: เบลโลวเกจ

• ไดอะแฟรมเกจในรปท 9.7 คอแผนดสกนนทขยายตวไดภายใตความดนซงเปนสวนทเรยกวาไดอะแฟรม วสดทใชทำแผนดสกเปนโลหะ กลไกของเขมและสเกลอาจตดตงทไดอะแฟรมเกจไดเชนเดยวกบบรดองเกจและเบลโลวเกจ

• สเตรนเกจในรปท 9.8 ประกอบดวยขดลวดโลหะทวางในแนวระนาบ ความตานทานไฟฟาของโลหะแปรผนตามความยาวและแปรผกผนกบความยาวเสนผาศนยกลาง ดงนนถาขดลวดถก


รปท 9.7: ไดอะแฟรมเกจ

กดทบ ความตานทานไฟฟาของมนจะเพมขนเนองจากขดลวดจะยาวขนและมความยาวเสนผาศนยกลางลดลง ความตานทานไฟฟาทวดไดจากขดลวดจงขนกบแรงและความดน สเตรน-เกจอาจใชงานรวมกบไดอะแฟรมเกจเพราะการขยายตวของแผนดสกในไดอะแฟรมเกจทำใหเกดแรงกดทสเตรนเกจได

รปท 9.8: สเตรนเกจ

การวดความดนทเกดขนบอยครงในโรงไฟฟาคอการวดผลตางความดนระหวางสองตำแหนง ตวสงผานสญญาณผลตางความดน (differential pressure transmitter) เปนอปกรณททำงานตามหลกการวดความดนทกลาวถงขางตน อปกรณจะสงสญญาณไฟฟาในรปของความตางศกยไฟฟาซงแปรผนตามผลตางความดนออกมา อปกรณมกมาพรอมกบวาลวกน (block valve) สองตวและวาลวปรบความดน(equalizing valve) หนงตวดงแสดงในรปท 9.9 การตดตงวาลวสามตวทำใหเครองสงผานสญญาณผลตางความดนถอดออกมาเพอบำรงรกษาไดโดยสะดวก ในสภาพทอปกรณทำงานตามปกต วาลวกนทงสองตวจะเปดในขณะทวาลวปรบความดนจะปด แตถาตองการถอดอปกรณออกมากจะปดวาลวกนและเปดวาลวปรบความดน

9.2.2 การวดระดบของเหลวระดบของเหลวเปนเสนแบงระหวางของเหลวและไอหรออากาศทอยเหนอของเหลว เครองวดระดบ

ของเหลวทำงานโดยอาศยการดดวยตาเปลา สมบตเชงสถตศาสตรของของเหลว หรอการวดความดนของเหลว เครองวดระดบของเหลวทสำคญไดแก มาตรวดระดบ (level gauge) เครองวดระดบแบบแทง


รปท 9.9: ตวสงผานสญญาณผลตางความดน (DPT) และวาลวสามตว

ลอย (displacer level gauge) และเครองวดระดบแบบผลตางความดน (differential pressure levelgauge)

• มาตรวดระดบในรปท 9.10 เปนแทงแกวทมสเกลบอกระดบของเหลว มาตรวดระดบตดตงอยนอกถงทบรรจของเหลวโดยทของเหลวสามารถไหลไปมาระหวางมาตรวดระดบกบถงได ถาความหนาแนนของของเหลวในมาตรวดระดบและในถงเทากน ระดบของเหลวในมาตรวดระดบกจะทากบระดบของเหลวในถง อยางไรกตามในกรณทอณหภมของเหลวในมาตรวดระดบตำกวาอณหภมของเหลวในถง ระดบของเหลวในมาตรวดจะตำกวาในถง เนองจากความหนาแนนของเหลวในมาตรวดสงกวาในถง

รปท 9.10: มาตรวดระดบ

• เครองวดระดบแบบแทงลอยในรปท 9.11 เปนทอทตอกบถงบรรจของเหลว ภายในทอมแทงลอยขนาดใหญทมความหนาแนนสงกวาของเหลวและไมทำปฏกรยาเคมกบของเหลว ภายใตสมมตฐานทวาความหนาแนนของเหลวในทอและในถงเทากน ระดบของเหลวในทอและในถงกจะเทากน ระดบของเหลวในทอสามารถการวดโดยชงนำหนกของแทงลอย ระดบของเหลวทสงขนทำใหสวนของแทงลอยทจมของเหลวมากขนและนำหนกของแทงลอยทชงไดจะลดลง

• เครองวดระดบแบบผลตางความดนในรปท 9.12 คอ ตวสงผานสญญาณผลตางความดนทวดความแตกตางระหวางความดนของเหลวทกนถงและทระดบของเหลว คาทวดไดใชคำนวณหา


รปท 9.11: เครองวดระดบแบบแทงลอย

ระดบของเหลวจากสมการ (9.1) เปนทนาสงเกตวา การวดระดบของเหลว (h) จะถกตองกตอเมอคาความหนาแนนของเหลวทใชในสมการถกตอง ปญหาหนงทอาจเกดขนเมอใชเครองวดระดบแบบนคอ การควบแนนของของเหลวในทอทตอระหวางสวนบนของถงกบ DPT ซงทำใหคาระดบของเหลวทคำนวณไดคลาดเคลอน วธแกไขคอ เตมของเหลวชนดเดยวกบทอยในถงหรอของเหลวอนทหนกกวาในทอนจนเตม จากนนกปรบคาระดบของเหลวทคำนวณไดโดยคำนงถงความดนทเพมขนจากของเหลวทเตมลงไปน

รปท 9.12: เครองวดระดบแบบผลตางความดน

9.2.3 การวดอณหภมอณหภม เปนสมบตของไหลทบงบอกถงระดบพลงงานความรอนในวสด การวดอณหภม โดยตรง

เปนเรองยาก ดงนนเครองวดอณหภมจงใชหลกการทพลงงานความรอนในของไหลสงผลตอสมบตทางกายภาพของของไหลหรอสมบตทางกายภาพของวสดแขงทอย ในสภาวะสมดลความรอนกบของไหลเครองวดอณหภมทสำคญไดแก เครองวดอณหภมแบบโลหะค (bimetallic thermometer) เครองวดอณหภมแบบกระเปาะ (filled-bulb thermometer) ตววดอณหภมแบบความตานทานไฟฟา (resis-


tance temperature detector หรอ RTD) เทอรมสเตอร (thermistor) เทอรโมคปเปล (thermocou-ple) และเซนเซอรวดอณหภมดวยแสง (optical temperature sensor)

• รปท 9.13 แสดงหลกการทำงานของเครองวดอณหภมแบบโลหะค แผนโลหะสองชนดมความยาวเทากนทอณหภมอางองและมความยาวเพมขนเมออณหภมสงขนแตแผนโลหะทงสองชนดขยายตวไมเทากน เมอนำแผนโลหะสองชนดมาประกบกนจะพบวา แผนโลหะจะโคงตวเมออณหภมสงกวาอณหภมอางอง ถานำแผนโลหะทประกบกนนมาบดเปนเกลยวกจะพบวาความสงของเกลยวจะเพมขนตามอณหภม ถานำเกลยวโลหะนมาตอเขากบกลไก เขมและสเกลบอกอณหภม กจะไดเครองวดอณหภมแบบโลหะค

รปท 9.13: หลกการทำงานของเครองวดอณหภมแบบโลหะค

• รปท 9.14 แสดงเครองวดอณหภมแบบกระเปาะ สวนประกอบหลกของเครองนคอกระเปาะและสวนพบยด (bellows) ทตอกบกระเปาะในแนวดง ภายในเครองบรรจของไหลซงอาจเปนของเหลว กาซหรอของผสมระหวางของเหลวกบไอ อณหภมทกระเปาะจะสงผลใหของไหลขยายตวและดนใหสวนพบยดยดตวขน การยดตวนสามารถขบเคลอนกลไกเขมทระบอณหภมบนสเกลไดเหมอนกบเครองวดอณหภมแบบโลหะค

• RTD ทำจากโลหะ ในขณะทเทอรมสเตอรทำจากออกไซดของโลหะ วสดทงสองประเภทมความตานทานไฟฟาท เปลยนแปลงตามอณหภม โลหะมความตานไฟฟาเพมขน เมออณหภมสงขนออกไซดของโลหะมความตานทานไฟฟาทอาจเพมหรอลดเมออณหภมสงขน การวดอณหภมดวยวธนตองมตารางเทยบความตานทานไฟฟากบอณหภม แตการเทยบคาและการแสดงคาเปนไปอยางรวดเรวเพราะใชระบบอเลกทรอนกส การวดอณหภมดวย RTD และเทอรมสเตอรจงใหคาทแมนยำและรวดเรว อยางไรกตามวธนไมเหมาะกบการวดอณหภมทสงมากเกนไป

• เทอรโมคปเปลวดอณหภมไดไมแมนยำเทาตววดอณหภมแบบความตานทานไฟฟาและเทอร-มสเตอร แตมความทนทานมากกวาและวดอณหภมไดสงกวา หลกการทำงานของเทอรโมคปเปล


รปท 9.14: เครองวดอณหภมแบบกระเปาะ

คอ ปรากฏการณซเบค (Seebeck effect) ซงเปนการเกดความตางศกยไฟฟาระหวางเสนลวดสองเสนททำจากโลหะตางชนดกนทมปลายสองดานตอเขาดวยกนและอณหภมทขอตอสงกวาอณหภมแวดลอม รปท 9.15 แสดงใหเหนวา เมอนำเสนลวดเหลกมาตอเสนลวดทองแดงและเพมอณหภมทขอตอ เสนลวดเหลกจะกลายเปนขวบวกและเสนลวดทองแดงจะกลายเปนขวลบความตางศกยไฟฟาแปรผนตามอณหภม ดงนนวธนจงใชวดอณหภม ได อยางไรกตามในทางปฏบตอาจมขอตอระหวางโลหะตางชนดกนมากกวาหนงขอตอดงแสดงในรปท 9.16 ความตางศกยทวดไดจะเทากบ V1−V2 โดยท V1 คอความตางศกยทขอตอท 1 และ V2 คอความตางศกยทขอตอท 2 ถาอณหภมทขอตอท 2 เทากบ 0C โดยใหขอตอท 2 แชในนำแขงทกำลงละลายV2 จะมคาเปนศนย ความตางศกยทวดไดจะเทากบ V1 และเทอรโมคปเปลจะใหคาอณหภมทขอตอท 1 อยางถกตอง แตในทางปฏบตเปนเรองยงยากทจะใหขอตอท 2 แชในนำแขงทกำลงละลาย ถาปลอยใหขอตอท 2 อยทอณหภมแวดลอม เทอรโมคปเปลจะใหคาอณหภมทขอตอท1 ทคลาดเคลอนไดถาอณหภมแวดลอมไมเทากบ 0C วธแกไขคอ ใช RTD วดอณหภมทขอตอท 2 และแปลงสญญาณทไดเปนคา V2 เมอนำความตางศกยนไปรวมกบความตางศกยทวดไดความตางศกยสทธจะเทากบ V1 และเทอรโมคปเปลจะใหคาอณหภมทขอตอท 1 อยางถกตอง

รปท 9.15: เทอรโมคปเปล


รปท 9.16: เทอรโมคปเปลทมสองขอตอ

รปท 9.17: การตดตงเครองวดอณหภมในเทอรโมเวลเพอวดอณหภมของไหลในทอ

ในการวดอณหภมของไหลเพอใหไดผลทถกตองและรวดเรวนน เครองวดอณหภมควรสมผสกบของไหล แตมบางกรณทเครองวดอณหภมไมควรสมผสกบของไหลเชน กรณทของไหลอยในทอความดนสง และกรณทของไหลมความสามารถกดกรอนสง ในกรณดงกลาวจะตองมสงปองกนเครองวดอณหภมไมใหสมผสของไหลเรยกวา เทอรโมเวล (thermowell) รปท 9.17 แสดงการตดตงเครองวดอณหภมในเทอรโมเวล เทอรโมเวลทำจากโลหะทนำความรอนไดด เครองวดอณหภมจะตองสมผสอยางแนบชดกบเทอรโมเวลเพอใหอณหภมทวดไดถกตอง อยางไรกตามการตอบสนองของเครองวดอณหภมตอการเปลยนแปลงอณหภมของไหลจะชาลง

9.2.4 การวดอตราการไหลอตราการไหลอาจวดเปนมวลตอเวลาซงหมายถงอตราการไหลเชงมวล หรอวดเปนปรมาตรตอเวลา

ซงหมายถงอตราการไหลเชงปรมาตร คำวาอตราการไหลอาจจะหมายถงอตราการไหลเชงมวลหรออตราการไหลเชงปรมาตรกได โดยทวไป อตราการไหลของกาซมกจะหมายถงอตราการไหลเชงมวล แตอตราการไหลของของเหลวมกจะหมายถงอตราการไหลเชงปรมาตรเนองจากอตราการไหลเชงมวลสามารถคำนวณไดจากผลคณของอตราการไหลเชงปรมาตรกบความหนาแนนของเหลว การวดอตราการไหลของของไหลมความสำคญอยางยงตองานวศวกรรมทกสาขา ดวยเหตนจงมวธวดอตราการไหลหลาย


วธ เพอตอบสนองความตองการทหลากหลาย เครองวดอตราการไหลทนยมใชอาจแบงเปนสามกลมหลกคอ เครองวดอตราการไหลแบบผลตางความดน (pressure-difference flow meter) เครองวดอตราการไหลแบบความเรว (velocity-based flow meter) และเครองวดอตราการไหลแบบดดปลอย(positive-displacement flow meter)

เครองวดอตราการไหลแบบผลตางความดนเครองวดอตราการไหลแบบผลตางความดนวดอตราการไหลผานผลตางความดนทเกดขนระหวาง

การไหลของของไหลผานเครอง โดยใชตวสงผานสญญาณผลตางความดน (DPT) ควบคกบอปกรณททำใหเกดการเปลยนความดนของไหล โดยผลตางความดนทวดไดสามารถใชคำนวณความเรวเฉลยของของไหลและอตราการไหลได เครองวดอตราการไหลแบบนทสำคญไดแก เครองวดแบบแผนชอง(orifice meter) ทอเวนจร (Venturi tube) ทอหวฉด (flow nozzle) และเครองวดแบบขอตอ 90(elbow meter) ทอพโทต (Pitot tube) ทอพโทตเฉลย (averaging Pitot tube) และทอแอนนบาร(Annubar)

• แผนชองคอ แผนเรยบรปวงกลมทมขนาดใหญกวาเสนผาศนยกลางของทอเลกนอยและเจาะชองตรงกลาง แผนชองมหลายแบบขนกบรปทรงของชอง เจาะดงแสดงในรปท 9.18 และลกษณะขอบของชองเจาะดงแสดงในรปท 9.19 ชองท เจาะนมขนาดเลกกวาทอจงทำหนาทขดขวางการไหลของของไหลในทอและทำใหเกดผลตางความดน รปท 9.20 แสดงการตดตงแผนชองในการวดอตราการไหล อตราการไหลมคาแปรผนตามรากทสองของผลตางความดนตามสมการ (9.2)

Q = k

√p1 − p2

ρ(9.2)

โดยท k คอ คาคงทท ขนกบรปทรงของชอง เจาะ ลกษณะขอบของชอง เจาะและอตราสวนระหวางความยาวเสนผาศนยกลางของชองเจาะ (d) ตอความยาวเสนผาศนยกลางในของทอ(D) หรออตราสวนเบตา (β = d/D)

• ทอเวนจรเปนทอสนทมพนทหนาตดไมคงทดงแสดงในรปท 9.21 จะเหนวาพนทหนาตดมคามากทสดทปลายสองดานของทอและมคานอยทสดตรงกลางทอซงเรยกวาคอคอด (throat) ของไหลทไหลผานทอเวนจรจะมความเรวตำทสดตรงทางเขาทอและมความเรวสงสดทคอคอด ดงนนความดนของไหลจงมคามากทสดตรงทางเขาและมคานอยทสดทคอคอด ผลตางระหวางความดนสามารถใชคำนวณหาอตราการไหลไดดวยสมการ (9.2) โดยคา k ขนกบอตราสวนระหวางพนทหนาตดของคอคอดตอพนทหนาตดททางเขาทอ

• ทอหวฉดเปนทอสนทมพนทหนาตดลดลงจากทางเขาไปทางออก ทอหวฉดสามารถตดตงในระบบวดอตราการไหลไดงายเหมอนกบแผนชอง และการใชงานกเหมอนกบแผนชอง รปท 9.22แสดงการตดตงทอหวฉด

• ขอตอ 90 ในรปท 9.23 สามารถใชวดอตราการไหลไดเนองจากความดนของของไหลทรศมในและรศมนอกของขอตอไมเทากนอนเปนผลมาจากการทมแรงเหวยงหนศนยกลางกระทำตอของไหลทไหลผานขอตอทำใหความเรวของของไหลทรศมนอกมากกวาทรศมใน


รปท 9.18: การจำแนกแผนชองตามรปทรงของชองเจาะ

รปท 9.19: การจำแนกแผนชองตามลกษณะขอบของชองเจาะ

• ทอพโทตมหลกการทำงานทตางกบเครองวดทกลาวถงขางตนเลกนอย เครองวดอตราการไหลเหลานนใชผลตางความดนทเกดจากการทของไหลมความเรวเพมมอไหลผานสงกดขวาง ในทางตรงขาม ทอพโทตทำใหของไหลมความเรวลดลงจนหยดนงซงจะทำใหความดนของไหลเพมขนผลตางความดนทเกดขนกจะสามารถใชหาความเรวเฉลยและอตราการไหลได อปกรณหนงทใชวดอตราการไหลดวยหลกการนคอ รปท 9.24 แสดงใหเหนวา ทอพโทตประกอบดวยสวนโคง 90 เขาหาของไหล ของไหลมความดนเทากบความดนสถต (p1) กอนไหลเขาทอพโทต แตของไหลจะมความเรวลดลงและความดนเพมขนหลงจากไหลเขาทอพโทต ถาความเรวลดลงเปนศนย ความดนของไหลจะเพมขนเทากบความดนรวม (total pressure) ซงมคาเทากบ

p2 = p1 +1

2ρV 2 (9.3)


รปท 9.20: การตดตงแผนชองในการวดอตราการไหล

รปท 9.21: ทอเวนจร

รปท 9.22: ทอหวฉด

โดยท V คอความเรวของไหล อตราการไหลของของไหลคำนวณไดดงน

Q = A

√2(p2 − p1)

ρ(9.4)


รปท 9.23: ขอตอ 90

โดยท A คอ พนทหนาตดของทอ

รปท 9.24: ทอพโทต

• ทอพโทตเฉลยในรปท 9.25 มขอไดเปรยบทอพโทตตรงท ความออนไหวของความแมนยำในการวดอตราการไหลตอตำแหนงของทอของทอพโทตเฉลยนอยกวาทอพโทต ทอพโทตเฉลยเปนทอขนาดเลกทไมไดมสวนโคง 90 เหมอนทอพโทตแตมรหลายรทดานหนาทปะทะของไหล ดงนนความเรวทวดโดยทอพโทตเฉลยจงเปนความเรวเฉลยของของไหลแทนทจะเปนความเรวเฉพาะตำแหนงทวดไดโดยทอพโทต

• ทอแอนนบารพฒนาขนจากทอพโทตเฉลย รปท 9.26 แสดงใหเหนวา ทอแอนนบารเปนทอขนาดเลกทภายในมการแบงเปนสองสวนดวยแผนกน ดานหนาและดานหลงของแอนนบารมรปหลายร ความดนทสวนหนาเทากบความดนรวมและความดนทสวนหลงเทากบความดนสถต

เครองวดอตราการไหลแบบความเรวหลกการทำงานของเครองวดอตราการไหลแบบความเรวคอ ใชวธเชงกลและไฟฟาวดความเรวของ

ของไหล กอนทจะตำนวณอตราการไหลจากคสามเรวทวดได เครองวดอตราการไหลแบบนทสำคญไดแก


รปท 9.25: ทอพโทตเฉลย

รปท 9.26: แอนนบาร

เครองวดแบบกงหน (turbine flow meter) เครองวดแบบกระแสวน (vortex flow meter) และเครองวดแบบแมเหลก (magnetic flow meter)

• เครองวดแบบกงหนในรปท 9.27 ประกอบดวยกงหนทวางขวางการไหลในทอ ความเรวรอบของกงหนจะแปรผนตามความเรวของของไหล เซนเซอรทำหนาท วดความเรวรอบของกงหนดวยแสงหรอแมเหลก และสงสญญาณไปทตวประมวลผลซงใหคาอตราการไหล เครองวดแบบกงหนสามารถวดอตราการไหลไดอยางแมนยำ แตไมเหมาะกบการใชงานในของไหลทมอนภาคของแขงปะปนอยเพราะอนภาคเหลานอาจทำใหใบพดสกกรอนได

• เครองวดแบบกระแสวนในรปท 9.28 ประกอบดวยวตถทรงกระบอกทมหนาตดรปสเหลยมจตรสหรอวงกลมวางขวางการไหลในทอ เมอของไหลไหลผานวตถนกจะเกดกระแสวน (vortex)ในของไหลทผานวตถไปแลว กระแสวนจะสงผลใหเกดการเปลยนแปลงความดนในบรเวณทมกระแสวน ตวสงสญญาณและตวรบสญญาณจะวดการเปลยนแปลงความดนของไหลทเกดขนซงมลกษณะเปนคลนและมความถทขนกบความเรวของของไหล ขอจำกดของเครองวดแบบกระแสวนคอ ความเรวของของไหลจะตองไมมคาตำเกนไปเพราะกระแสวนจะเกดขนกตอเมอของไหล


รปท 9.27: เครองวดแบบกงหน

มความเรวทมากพอ

รปท 9.28: เครองวดแบบกระแสวน

• เครองวดแบบแมเหลกในรปท 9.29 ใชหลกการการเหนยวนำสนามไฟฟาเมอของไหลทนำไฟฟาไดเคลอนทตงฉากกบสนามแมเหลก สนามไฟฟาในของไหลทำใหเกดความตางศกยไฟฟาทวดไดดวยโวลตมเตอร ความตางศกยนเพมขนตามความเรวของของไหล เครองวดแบบแมเหลกไมสามารถวดอตราการไหลของของไหลทไมนำไฟฟาเชน กาซ นำมนหรอนำทผานกระบวนการกำจดไอออนแลว

เครองวดอตราการไหลแบบดดปลอย

เครองวดแบบดดปลอยใชวดอตราการไหลของของเหลว การทำงานของเครองวดแบบนมสามจงหวะคอ (1) ดดของเหลวเขาเครองในปรมาณคงทและกนไมใหของเหลวสวนเกนเขามาได(2) ลำเลยงของเหลวทกกเกบไดจากทางเขาไปทางออก และ (3) ปลอยของเหลวออกจากเครองกลไกททำงานดวยหลกการนมหลายกลไกซงทำใหเครองวดแบบดดปลอยมหลายรปแบบ รปท


รปท 9.29: เครองวดแบบแมเหลก

9.30 แสดงการทำงานเครองวดแบบเฟอง (gear flow meter) ซงเปนเครองวดแบบดดปลอยชนดหนง เฟองตวบนหมนตามเขมนากา และเฟองตวลางหมนตามเขมนากา การหมนของเฟองทงสองตวจะดดของเหลวใหไหลเขา ของเหลวจะกกเกบในชองวางระหวางฟนเฟอง และถกลำเลยงไปยงทางออก การหมนของเฟองหนงรอบมความสมพนธกบปรมาณของเหลวทไหลผานเครอง ดงนนความเรวรอบจงใชคำนวณอตราการไหลได

รปท 9.30: การทำงานของเครองวดแบบเฟอง

9.3 ระบบควบคมภาระในโรงไฟฟาพลงความรอนมอปกรณหลกสามอปกรณทำงานรวมกนไดแก หมอไอนำ เครองกงหน

และเครองกำเนดไฟฟา หมอไอนำทำหนาทจายไอนำใหแกเครองกงหนซงผลตพลงงานกลทใชเดนเครองกำเนดไฟฟา ดงนนความตองการไฟฟาจากเครองกำเนดไฟฟาทเพมขนจงหมายความวาหมอไอนำตองผลตไอนำเพมขนตามไปดวย โรงไฟฟาทวไปเชอมโยงกบโครงขายไฟฟาซงผลตกระแสไฟฟาทความถคา

9.3. ระบบควบคมภาระ 185

หนง ในประเทศไทยคาความถนคอ 50 Hz คาความถในระบบโครงขายไฟฟาอาจใชเปนสญญาณควบคมทบอกวาระบบตองการการผลตพลงงานไฟฟาเพมขนหรอลดลง ความถทลดลงตำวา 50 Hz แสดงวาความตองการใชไฟฟามมากจนระบบไมสามารถจายไฟไดทนความตองการ ดงนนระบบจงตองการการผลตไฟฟาทเพมขน ในทางตรงกนขาม ความถทเพมขนมากกวา 50 Hz แสดงวา ความตองการใชไฟฟามนอย และระบบกำลงจายไฟเกนความตองการ ดงนนระบบจงตองการการผลตไฟฟาทลดลง ระบบโครงขายไฟฟามโรงไฟฟาหลายโรงทจายไฟเขาระบบ จงตองมศนยควบคมการจายไฟฟาซงทำหนาทสงใหโรงไฟฟาแหงใดแหงหนงเพมการผลตไฟฟาในกรณทความตองการไฟฟาของระบบเพมขนหรอลดการผลตไฟฟาในกรณทความตองการไฟฟาของระบบลดลง ในแตละกรณโรงไฟฟาแหงนนจะไดรบสญญาณความตองการภาระ (load demand signal) จากศนยควบคมการจายไฟฟา และใชสญญาณนเปนสญญาณควบคมในระบบควบคมภาระของโรงไฟฟา

ระบบควบคมภาระแบงเปนสามแบบคอ ระบบควบคมภาระแบบหมอไอนำตามเครองกงหน (boiler-following control) แบบเครองกงหนตามหมอไอนำ (turbine-following control) และแบบประสาน(coordinated control)

• รปท 9.31 แสดงแผนภาพของระบบควบคมภาระแบบหมอไอนำตามเครองกงหน ตวควบคมภาระ (EC) ใชจดปรบตงภาระ (load set point) หรอสญญาณความตองการภาระในการควบคมอปกรณควบคมไอนำหรอวาลวควบคมใหเปลยนแปลงอตราการไหลของไอนำเขาเครองกงหนในทศทางทสอดคลองกบจดปรบตงภาระ เซนเซอรวดภาระ (ET) หนาทสงสญญาณทระบถงภาระของเครองกำเนดไฟฟากลบไปท EC เพอใหระบบควบคมเปนระบบควบคมแบบปอนกลบ การควบคมการผลตไอนำในหมอไอนำเปนหนาทของตวควบคมความดน (PC) เพอใหความดนของไอนำทไหลออกจากหมอไอนำเทากบจดปรบตงความดน (pressure set point) อตราการผลตไอนำขนกบอตราการเผาไหมเชอเพลงในหมอไอนำ ดงนน PC จะสงสญญาณใหอปกรณควบคมไอนำเชอเพลงและอากาศเพมอตราการไหลของเชอเพลงและอากาศถาความดนไอนำทตรวจวดไดโดยเซนเซอรความดน (PT) นอยกวาจดปรบตงความดน หรอสงสญญาณใหอปกรณควบคมไอ

รปท 9.31: ระบบควบคมภาระแบบหมอไอนำตามเครองกงหน


นำเชอเพลงและอากาศ ลดอตราการไหลของเชอเพลงและอากาศถาความดนไอนำทตรวจวดไดโดย PT มากกวาจดปรบตงความดน เครองกงหนและเครองกำเนดไฟฟาในระบบควบคมภาระแบบนสามารถตอบสองการเปลยนแปลงภาระไดอยางรวดเรว แตการตอบสนองของหมอไอนำคอนขางชาเนองจาก PC ไมไดรบสญญาณความตองการภาระโดยตรง

• รปท 9.32 แสดงแผนภาพของระบบควบคมภาระแบบเครองกงหนตามหมอไอนำ EC ในระบบควบคมภาระแบบนจะควบคมอตราการไหลของเชอเพลงและอากาศในหมอไอนำโดยตรงซงทำใหหมอไอนำตอบสนองตอการเปลยนแปลงภาระอยางรวดเรว อยางไรกตามการตอบสนองของเครองกงหนและเครองกำเนดไฟฟาจะคอนขางชาเพราะการควบคมอตราการไหลของไอนำโดย PC จะตองรอใหเกดการเปลยนแปลงในหมอไอนำกอน

รปท 9.32: ระบบควบคมภาระแบบกงหนตามหมอไอนำ

• ระบบควบคมภาระทหมอไอนำ เครองกงหนและเครองกำเนดไฟฟาสามารถตอบสนองตอการเปลยนแปลงภาระอยางรวดเรวคอระบบควบคมแบบประสานในรปท 9.33 สญญาณความตอง-การภาระจะสงเขา EC เพอควบคมอตราการไหลของไอนำเขาเครองกงหน และสงไปรวมกบจดปรบตงความดนเพอควบคมการเผาไหมในหมอไอนำ

9.4 ระบบควบคมการเผาไหมระบบควบคมการเผาไหมทำหนาทเพมหรอลดการเผาไหมและอตราการไหลของไอนำตามสญญาณ

ความตองการภาระทสงมาจากระบบควบคมภาระ อยางไรกตามระบบควบคมการเผาไหมมหนาทสำคญอกประการหนงคอ ควบคมการเผาไหมในเตาเผามความปลอดภย อบตเหตทอาจเกดขนมสาเหตจากการทมเชอเพลงในเตาเผาในสดสวนทมากเกนไปเมอเทยบกบอากาศ ดงนนวธทไดผลในการปองกนไม

9.4. ระบบควบคมการเผาไหม 187

รปท 9.33: ระบบควบคมภาระแบบประสาน

ใหเกดการเผาไหมทไมตองการคอ ทำใหสดสวนอากาศตอเชอเพลงในเตาเผามคามาก ในสภาวะปกตอตราสวนอากาศตอเชอเพลงถกกำหนดใหมคาทเหมาะสม แตเมอมความตองการการเผาไหมเพมขนอตราการไหลของอากาศและเชอเพลงกตอเพมตามไปดวย ระบบควบคมการเผาไหมจะเพมอตราการไหลของอากาศกอนเชอเพลงเพอใหสดสวนอากาศตอเชอเพลงไมตำจนอาจเกดความไมปลอดภย และเมอมความตองการการเผาไหมลดลง ระบบควบคมการเผาไหมกจะลดอตราการไหลของเชอเพลงกอนอากาศ ดงแสดงในรปท 9.34

ระบบควบคมทสามารถทำใหการเปลยนแปลงอตราการไหลเปนไปตามรปท 9.34 ใชการควบคมแบบไขวกน (cross-limited control) รปท 9.35 แสดงแผนภาพของการควบคมแบบน จะเหนวาระบบควบคมนม เซนเซอรวดอตราการไหล (FT) สำหรบเชอเพลงและอากาศ และตวควบคมอตราการไหล(FC) ของเชอเพลงและอากาศเขาเตาเผา นอกจากนยงมตวเลอกสญญาณสองตว ดานซายเปนตวเลอกสญญาณทนอยกวา (low select) ระหวางสญญาณความตองการภาระกบสญญาณอตราการไหลของอากาศเขาเตาเผา สญญาณทออกจากตวเลอกสญญาณดานซายจะเปนจดปรบตงของตวควบคมเชอเพลง ดานขวาเปนตวเลอกสญญาณทมากกวา (high select) ระหวางสญญาณความตองการภาระกบสญญาณอตราการไหลของเชอเพลงเขาเตาเผา สญญาณทออกจากตวเลอกสญญาณดานขวาจะเปนจดปรบตงของตวควบคมอากาศ ในสภาวะปกต สญญาณความตองการภาระ สญญาณอตราการไหลของอากาศ และสญญาณอตราการไหลของเชอเพลงมคาเทากนทงสามสญญาณซงทำใหอตราการไหลของอากาศและเชอเพลงมคาคงท สญญาณความตองการภาระทเปลยนไปจะสงผลดงน

• ในกรณทสญญาณความตองการภาระมคาเพมขน ตวเลอกสญญาณดานขวาจะเลอกสญญาณความตองการภาระและจดปรบตงของตวควบคมอากาศจะมคาเพมขน ผลทตามมาคอ อตราการไหลของอากาศเขาเตาเผาจะเพมขน อยางไรกตามจะไมมการเปลยนแปลงของอตราการไหลของเชอเพลงในเบองตนเนองจากตวเลอกสญญาณดานซายไมไดเปลยนคาจดปรบตง แตเมออตรา


รปท 9.34: การเปลยนแปลงอตราการไหลของเชอเพลงและอากาศในระบบควบคมการเผาไหม

รปท 9.35: การควบคมแบบไขวกนในระบบควบคมการเผาไหม

การไหลของอากาศเพมขนถงระดบหนง จดปรบตงของตวควบคมเชอเพลงจะเรมเพมขนซงสงผลใหอตราการไหลของเชอเพลงเพมขน จนในทสดอตราการไหลของอากศและเชอเพลงจะคงทและมคาสอดคลองกบสญญาณความตองการภาระทเพมขนจากคาเดม กราฟการเปลยนแปลงของอตราการไหลของอากาศและเชอเพลงจงเปนไปตามรปท 9.34 เมอความตองการการเผา

9.5. ระบบควบคมความดนในเตาเผา 189

ไหมเพมขน กลาวคอ อตราการไหลของอากาศเพมขนกอนอตราการไหลของเชอเพลง

• ในกรณทสญญาณความตองการภาระมคาลดลง ตวเลอกสญญาณดานซายจะเลอกสญญาณความตองการภาระและจดปรบตงของตวควบคมอากาศจะมคาลดลง ผลทตามมาคอ อตราการไหลของเชอเพลงเขาเตาเผาจะลดลง อยางไรกตามจะไมมการเปลยนแปลงของอตราการไหลของอากาศในเบองตนเนองจากตวเลอกสญญาณดานขวาไมไดเปลยนคาจดปรบตง แตเมออตราการไหลของเชอเพลงลดลงถงระดบหนง จดปรบตงของตวควบคมอากาศจะเรมลดลงซงสงผลใหอตราการไหลของอากาศลดลง กราฟการเปลยนแปลงของอตราการไหลของอากาศและเชอเพลงจงเปนไปตามรปท 9.34 เมอความตองการการเผาไหมลดลง อตราการไหลของเชอเพลงลดลงกอนอตราการไหลของอากาศ

9.5 ระบบควบคมความดนในเตาเผาระบบไหลเวยนของอากาศและกาซเสยในโรงไฟฟาประกอบดวยพดลมเปาและพดลมดดทำงานรวม

กน พดลมเปาตดตงททางเขาเตาเผา สวนพดลมดดตดตงททางออกเตาเผา ความดนภายในเตาเผาถกออกแบบใหมคาตำกวาความดนบรรยากาศเลกนอย การควบคมพดลมเปาเปนหนาทของระบบควบคมการเผาไหม รปท 9.36 แสดงใหเหนวา ระบบควบคมความดนในเตาเผาจะวดความดนในเตาเผาดวยเซนเซอรความดน (PT) และสงสญญาณไปทตวควบคมพดลมดด (PC) จดปรบตงของตวควบคมความดนเปนคาความดนท เหมาะสมในเตาเผา ความดนในเตาเผาอาจเปลยนแปลงจากการเพมขนหรอลดลงของการเผาไหมซงทำใหความดนในเตาเผาแตกตางกบจดปรบตงและ PC จะปรบการทำงานของพดลมดดเพอใหความดนในเตาเผาเปลยนกลบไปเปนคาทเหมาะสมอกครงหนง อยางไรกตาม การตอบสนองของพดลมดดอากาศไมรวดเรวเทาทควรเนองจาก PC ตองรอใหมการเปลยนแปลงความดนในเตาเผากอนเรมทำงาน การใชสญญาณปอนไปหนาจากอตราการไหลของอากาศผานพดลมเปาในระบบควบคมความดนในเตาเผาจะทำใหการตอบสนองของระบบควบคมรวดเรวขน รปท 9.36 แสดงใหเหนวาสญญาณจากตวควบคมความดนและสญญาณปอนไปหนาจะรวมกนควบคมการทำงานของพดลมดด

9.6 ระบบควบคมระดบนำในถงพกไอนำถงพกไอนำทำหนาทแยกไอนำอมตวออกจากนำอมตว นำอมตวจะอยดานลางของถง ในขณะท

ไอนำอมตวจะอยดานบน ไอนำอมตวจะไหลออกจากถงไอนำสเครองทำไอนำยวดยง นำปอนตองจะไหลผานเครองประหยดเชอเพลง ในปรมาณทเทากนเพอรกษาระดบนำในถงใหคงท ระดบนำทเหมาะสมจะอยประมาณกงกลางของถง ระดบนำทสงเกนไปสงผลเสยตอประสทธภาพการแยกไอนำออกจากนำซงทำใหปรมาณละอองนำทลอยปะปนไปกบไอนำออกจากถงพกไอนำเพมขน ละอองนำเหลานจะไประเหยเมอไหลผานเครองทำไอนำยวดยงและกลายเปนคราบตะกรนเกาะทผวทอของเครองทำไอนำยวดยง ระดบนทตำเกนไปสงผลเสยตออายการใชงานของทอนำทตอเขาถงพกไอนำเนองจากความรอนททอไดรบเพมขนจะทำใหอณหภมทอสงขน


รปท 9.36: ระบบควบคมความดนในเตาเผา

ระบบควบคมระดบนำทงายทสดคอ ระบบควบคมแบบหนงองคประกอบ (single-element con-trol) ดงแสดงในรปท 9.37 ระบบนใชเซนเซอรวดระดบของเหลว (LT) วดระดบนำในถงพกไอนำและสงสญญาณไปทตวควบคมระดบของเหลว (LC) ซงจะควบคมอตราการไหลเขาของนำปอนผานอปกรณควบคมถาระดบนำทวดไดแตกตางกบคาปรบตง ระบบน เหมาะสมกบกรณทภาระของหมอไอนำไมเปลยนแปลงมากนก แตถามการเปลยนของภาระของหมอไอนำอยางรวดเรว ระบบควบคมแบบหนงองคประกอบ อาจไมสามารถทำงานอยางมประสทธผล ถาภาระของหมอไอนำเพมขน วาลวควบคมของเครองกงหนไอนำจะเปดมากขนเพอเพมอตราการไหลของไอนำซงสงผลใหความดนในถงพกไอนำลดลง ระดบนำในถงพกไอนำจงเพมขน ระบบควบคมแบบหนงองคประกอบจะสงใหลดอตราการไหลเขาของนำปอนทง ๆ ทควรสงใหเพมอตราการไหล ในทางตรงขามถาภาระของหมอไอนำลดลง วาลวควบคมของเครองกงหนไอนำจะเปดนอยลงเพอลดอตราการไหลของไอนำซงสงผลใหความดนในถงพกไอนำเพมขน ระดบนำในถงพกไอนำจงลดลง ระบบควบคมแบบหนงองคประกอบจะสงใหเพมอตราการไหลเขาของนำปอนทง ๆ ทควรสงใหลดอตราการไหล ดงนนการควบคมแบบหนงองคประกอบในสถานการณทมการเปลยนแปลงภาระจงขาดเสถยรภาพ ผลทตามมาคอระดบนำจะเพมขนและลดลงหลายรอบกอนทกลบสระดบปกต

ระบบควบคมระดบนำท สามารถตอบสนองการเปลยนแปลงของภาระของหมอไอนำคอ ระบบควบคมแบบสององคประกอบ (two-element control) รปท 9.38 แสดงใหเหนวา สงทเพมเตมจากระบบควบคมแบบหนงองคประกอบคอ การใชสญญาณปอนไปหนาจาก FT ซงวดอตราการไหลของไอนำท เครองทำไอนำยวดยง ในการควบคมอตราการไหลเขาของนำปอนควบคกบตวควบคมระดบของเหลว ในกรณทภาระของหมอไอนำเพมขนอยางรวดเรว อตราการไหลของไอนำจะเพมขนดวยสญญาณปอนไปหนาจะสงใหนำปอนไหลเขาถงพกไอนำเพมขน การควบคมจงมเสถยรภาพและระดบนำจะเปลยนแปลงในชวงสนกอนเขาสระดบปกต

ระบบควบคมแบบหนงองคประกอบและระบบควบคมแบบสององคประกอบสามารถควบคมระดบ

9.6. ระบบควบคมระดบนำในถงพกไอนำ 191

รปท 9.37: ระบบควบคมระดบนำแบบหนงองคประกอบ

รปท 9.38: ระบบควบคมระดบนำแบบสององคประกอบ

นำในถงพกไอนำอยางมประสทธผลถาความดนของนำปอนคงท แตถานำปอนมความดนเพมขน อตราการไหลของนำปอนเขาถงไอนำกจะเพมตามไปดวยซงสงผลใหระดบนำในถงพกไอนำเพมขน และระบบควบคมตองสงใหอปกรณควบคมลดการไหลเขาของนำปอน การตอบสนองของระบบจงคอนขางชา ถามการเปลยนแปลงของความดนนำปอนอยางรวดเรว ระบบควบคมอาจขาดเสถยรภาพได ระบบควบคมทมสมรรถนะสงกวาระบบควบคมแบบสององคประกอบในกรณนคอ ระบบควบคมแบบสามองคประกอบ


(three-element control) รปท 9.39 แสดงใหเหนวา สงทเพมขนมาคอ วงรอบควบคมอตราการไหลของนำปอน ระบบควบคมนเปนระบบควบคมแบบตอเรยงกนโดย มวงรอบควบคมอตราการไหลของนำปอนเปนวงรอบปฐมภม และวงรอบควบคมระดบนำซงเปนวงรอบทตยภม นอกจากน ยงคงมการใชสญญาณปอนไปหนาจากการวดอตราการไหลของไอนำทเครองทำไอนำยวดยงในการควบคมอตราการไหลเขาของนำปอนควบคกบตวควบคมระดบของเหลว

รปท 9.39: ระบบควบคมระดบนำแบบสามองคประกอบ

9.7 ระบบควบคมอณหภมไอนำยวดยงประสทธภาพรวมของโรงไฟฟาเพมขนตามอณหภมทไหลเขาเครองกงหนไอนำ ดงนนอณหภมของ

ไอนำทออกจากเครองทำไอนำยวดยงถกออกแบบใหมคาสงสดเทาทเครองกงหนจะทนทานได อณหภมทสงเกนกวาคาทออกแบบไวจะสงผลเสยตออายการใชงานของเครองกงหนไอนำ อณหภมทตำเกนไปจะลดประสทธภาพรวมของโรงไฟฟา การควบคมใหอณหภมไอนำยวดยงเปลยนแปลงนอยทสดจงมความสำคญและตองการระบบควบคมทมประสทธภาพ บทท 6 กลาวถงวธควบคมอณหภมไอนำยวดยงหลายวธ แต ในทนจะกลาวถงระบบควบคมท ใชการพนละอองนำเพอลดอณหภม ไอนำไม ใหสง เกนไป ระบบควบคมอณหภมไอนำยวดยงในรปท 9.40 เปนการควบคมแบบตอเรยงกน เครองทำไอนำยวดยงแบงเปน เครองทำไอนำยวดยงปฐมภม (primary superheater) และเครองทำไอนำยวดยงทต-ยภม (secondary superheater) กาซเสยไหลจากเครองทำไอนำยวดยงทตยภมไปท เครองทำไอนำ

9.7. ระบบควบคมอณหภมไอนำยวดยง 193

ยวดยงปฐมภม ในขณะทไอนำไหลจากเครองทำไอนำยวดยงปฐมภมไปยงเครองทำไอนำยวดยงทตยภมแอตเทมเพอเรเทอร (attempetor) รบไอนำจากเครองทำไอนำยวดยงปฐมภมและพนละอองนำไปผสมกบไอนำกอนสงไอนำทมอณหภมลดลงไปยงเครองทำไอนำยวดยงทตยภม นำทไหลเขาแอตเทมเพอ-เรเทอรไดมากจากเครองประหยดเชอเพลง เซนเซอรวดอณหภมตวท 1 ( TT1) ตดตงททางออกจากเครองทำไอนำยวดยงทตยภม และเซนเซอรวดอณหภมตวท 2 (TT2) ตดตงททางออกจากแอตเทม-เพอเรเทอร ตวควบคมอณหภมตวท 1 (TC1) รบสญญาณจาก TT1 คำนวณผลตางระหวางสญญาณนกบจดปรบตงอณหภมซงเปนอณหภมของไอนำยวดยงทตองการ และสงสญญาณควบคมไปทตวควบคมอณหภมตวท 2 (TC2) สญญาณนคอ จดปรบตงของ TC2 ถามความแตกตางระหวางสญญาณจาก TT2และจดปรบตงดงกลาว TC2 จะสงสญญาณควบคมไปทอปกรณควบคมแอตเทมเพอเรเทอรซงจะปรบอตราการไหลของนำใหเหมาะสมตอไป

รปท 9.40: ระบบควบคมอณหภมไอนำยวดยง


คำถามทายบท1. อธบายการทำงานของระบบควบคมแบบตอเรยงกน

2. ในการวดผลตางความดนดวยมาโนมเตอรครงหนงพบวา ระดบนำในขาสองขางของมาโนมเตอรตางกน 10 cm จงหาผลตางความดน

3. อธบายการทำงานของบรดองเกจ

4. อธบายการทำงานของเบลโลวเกจ

5. เครองวดความดนใดทำงานโดยอาศยการเปลยนแปลงความตานทานไฟฟาของขดลวดโลหะตามความยาวของขดลวด

6. การวดระดบของเหลวดวยมาตรวดระดบจะใหคาคลาดเคลอนอยางไรถาอณหภมของเหลวในมาตรวดระดบตำกวาอณหภมของเหลวในถงทบรรจของเหลว

7. อธบายการทำงานของเครองวดระดบแบบแทงลอย

8. อธบายการทำงานของเครองวดระดบของเหลวแบบผลตางความดน

9. เครองวดอณหภมประเภทใดใชหลกการทโลหะตางชนดขยายตวตามอณหภมไมเทากน

10. อะไรคอขอแตกตางระหวาง RTD กบเทอรมสเตอร

11. อะไรคอสญญาณไฟฟาทออกจากเทอรโมคปเปล

12. เทอรโมเวลทำหนาทอะไร

13. อธบายการทำงานของทอเวนจรในการวดอตราการไหล

14. เครองวดอตราการไหลประเภทใดใชหลกการทผลตางระหวางความดนรวม (total pressure)กบความดนสถต (static pressure) เทากบความดนจลศาสตร (dynamic pressure)

15. อธบายความแตกตางระหวางทอแอนนบารกบทอพโทตเฉลย

16. อธบายการทำงานของเครองวดอตราการไหลแบบกระแสวน

17. ในระบบควบคมภาระแบบเครองกงหนตามหมอไอนำ สญญาณควบคมจะถกสงไปยงอปกรณใดเปนลำดบแรก

18. อธบายระบบควบคมการเผาไหมแบบไขวกน

19. ระดบนำทตำเกนไปในถงพกไอนำจะสงผลเสยอยางไร

20. อธบายขอไดเปรยบของระบบควบคมระดบของเหลวแบบสามองคประกอบเมอเทยบกบระบบควบคมระดบของเหลวแบบสององคประกอบ

บทท 10

โรงไฟฟาพลงความรอนรวม

10.1 วฏจกรเบรยตนวฏจกรทผลตกำลงงานในโรงไฟฟากงหนกาซเรยกวา วฏจกรกงหนกาซ (gas turbine cycle) รป

ท 10.1 แสดงการทำงานของวฏจกรน อากาศจะไหลเขาเครองอดกาซ (compressor) ซงทำหนาทเพมความดนและอณหภมของอากาศ หลงจากนนอาาศจะเผาไหมกบเชอเพลงในหองเผาไหม (combustor)กาซเสยทไหลออกจากหองเผาไหมมความดนและอณหภมสง กงหนกาซ (gas turbine) จะผลตกำลงงานจากกาซเสยน กำลงงานบางสวนจากกงหนกาซใชเดนเครองอดกาซและอปกรณอน ๆ กำลงงานสวนทเหลอจงนำมาใชผลตไฟฟา กาซเสยทไหลออกจากกงหนกาซจะถกปลอยสสงแวดลอม

รปท 10.1: วฏจกรกงหนกาซ

การวเคราะห วฏจกรกงหนกาซคอนขางซบซอน เนองจากอตราการ ไหลของกาซและสมบตทางเคมของกาซในวฏจกรไมคงท วฏจกรทวเคราะหงายกวาและเปนแบบจำลองของวฏจกรกงหนกาซคอวฏจกรเบรยตนแบบเปด (open Brayton cycle) รปท 10.2 แสดงใหเหนวา อปกรณในวฏจกรเบรยตนแบบเปดคลายกบอปกรณในวฏจกรกงหนกาซ อปกรณทแตกตางกนคอ เครองทำใหรอน (heater) ซงทำหนาทใหความรอนแกวฏจกรเบรยตนเหมอนกบหองเผาไหมทใหความรอนแกวฏจกรกงหนกาซ แต

196 บทท 10. โรงไฟฟาพลงความรอนรวม

อากาศไมเปลยนสภาพเปนกาซอนและอตราการไหลของอากาศกไมเปลยนแปลงจากการไหลผานเครองทำใหรอน

รปท 10.2: วฏจกรเบรยตนแบบเปด

รปท 10.3 แสดงวฏจกรเบรยตนแบบปด (closed Brayton cycle) สงทเพมเตมในวฏจกรนคอเครองทำใหเยน (cooler) ซงจะรบอากาศรอนทออกจากกงหนกาซและลดอณหภมของอากาศใหเทากบT1 วฏจกรเบรยตนแบบปดมคาใชจายสงกวาวฏจกรเบรยตนแบบเปดเนองจากตองมการตดตงเครองทำให เยน อยางไรกตาม วฏจกรเบรยตนแบบปดมขอได เปรยบท สารทำงานในวฏจกรอาจเปนกาซชนดอนทมคณสมบตดกวาอากาศ นอกจากน วฏจกรเบรยตนแบบปดสามารถทำงานทความดนตำกวาความดนบรรยากาศไดซงจะเพมประสทธภาพของวฏจกร ในกรณทวฏจกรเบรยตนแบบปดและวฏจกรเบรยตนแบบเปดมอากาศเปนสารทำงานเหมอนกน และสถานะของอากาศในวฏจกรทงสองเหมอนกนประสทธภาพและงานสทธของทงสองวฏจกรจะเทากน

สมมตวาสารทำงานในวฏจกรเบรยตนแบบปดเปนกาซในอดมคต (ideal gas) การวเคราะหวฏจกรเรมจากการเขยนแผนภม T-s ดงแสดงในรปท 10.3 จะเหนวาม 4 กระบวนการคอ

• กระบวนการ 1-2 เครองอดกาซเพมความดนกาซโดยเอนโทรปคงท• กระบวนการ 2-3 กาซไดรบความรอนโดยความดนคงท• กระบวนการ 3-4 กงหนกาซลดความดนกาซโดยเอนโทรปคงท• กระบวนการ 4-1 กาซสญเสยความรอนโดยความดนคงทเนองจากสารทำงานเปนกาซในอดมคต งานสทธ (wnet) และความรอนเขา (qin) มคาดงน

wnet = cp(T3 − T4)− cp(T2 − T1) (10.1)qin = cp(T3 − T2) (10.2)

โดย cp คอ คาความจความรอนของกาซ ประสทธภาพของวฏจกร (ηB ) มคาเทากบงานสทธหารดวยความรอนเขา ดงนน

ηB = 1− T4 − T1T3 − T2

10.1. วฏจกรเบรยตน 197

รปท 10.3: วฏจกรเบรยตนแบบปด

= 1− T1(T4/T1 − 1)

T2(T3/T2 − 1)

กระบวนการ 1-2 และ 3-4 เปนกระบวนการทเอนโทรปคงทและไมมความดนสญเสยในกระบวนการ2-3 และ 4-1 ดงนน

T2T1

= r(k−1)/kp =

T3T4

(10.3)

โดยทอตราสวนคาความจความรอน k = cp/cv และอตราสวนความดน rp = p2/p1 ประสทธภาพของวฏจกรจงมคาดงน

ηB = 1− T1T2

= 1− 1

r(k−1)/kp

(10.4)

สมการ (10.4) แสดงใหเหนวาประสทธภาพของวฏจกรเบรยตนเพมขนตาม k กาซทมคา k สงคอกาซเฉอยเชน He และ Ar ซงมคา k เทากบ 1.67 อยางไรกตาม สารทำงานในวฏจกรเบรยตนสวนใหญคอ อากาศซงมคา k เทากบ 1.4 นอกจากน ประสทธภาพของวฏจกรเบรยตนเพมขนตามอตราสวนความดน แตถากำหนดอณหภมสงสด (T3) และอณหภมตำสด (T1) ใหคงทแลวเพม rp เรอย ๆ ในทสดrp จะถงคาสงสดเทากบ

rp.max =

(T3T1

)k/(k−1)

(10.5)

ทคานวฏจกรเบรยตนมประสทธภาพเทากบวฏจกรคารโนตททำงานระหวาง T3 และ T1 อยางไรกตามงานสทธท ไดจะเปนศนย ถาคำนงถงงานท ไดจากวฏจกรเบรยตนมากกวาประสทธภาพและตองการไดงานสทธมากทสดกจะตองหาอตราสวนความดนท เหมาะสม แทนคาอตราสวนอณหภมจากสมการ(10.3) ในสมการ (10.1)

wnet = cp

[T3

(1− 1

r(k−1)/kp

)− T1

(r(k−1)/kp − 1

)](10.6)


คา rp ททำให wnet ในสมการ (10.6) มคาสงสดคอ

rp,opt =

(T3T1

)k/2(k−1)

(10.7)

ทอตราสวนความดนน งานสทธมคาสงสดเทากบ

wmax = cpT3

(1−

√T1T3

)2

(10.8)

ประสทธภาพสงสดและงานสงสดในวฏจกรเบรยตนในอดมคตจะไมเกดขนจรงเพราะกระบวนการในวฏจกรเบรยตนทเกดขนจรงเปนกระบวนการผวนกลบไมได จากรปท 10.4 จะเหนวากระบวนการ1-2 และ 3-4 เปนกระบวนการทเอนโทรปเพมในวฏจกรเบรยตนทเกดขนจรง ถาสมมตวากาซในวฏจกรเปนกาซในอดมคต ประสทธภาพของเครองอดกาซและเครองกงหนจะมนยามดงน

ηc =T2s − T1T2 − T1

(10.9)

ηt =T3 − T4T3 − T4s

(10.10)

ในวฏจกรเบรยตนจรงเครองอดกาซและเครองกงหนจะมประสทธภาพไมถง 100% ซงทำใหงานทตองใหแกเครองอดกาซและงานทไดจากเครองกงหนนอยลง งานสทธจากวฏจกรเบรยตนจรงจงนอยกวาจากวฏจกรเบรยตนในอดมคต

รปท 10.4: วฏจกรเบรยตนทเกดขนจรง

โดยทวไปประสทธภาพของวฏจกรเบรยตนคอนขางตำเนองจากงานทตองใหเครองอดกาซมากเมอเทยบกบงานทไดจากเครองกงหนกาซ ในทางตรงขามงานทใหเครองสบในวฏจกรแรงคนนอยกวางานทไดจากเครองกงหนไอนำมาก นอกจากนกาซเสยทออกจากเครองกงหนมอณหภมสงและอตราการไหลของกาซกมากเนองจากตองใชอากาศปรมาณมากในการเผาไหมกาซธรรมขาต ดงนนจงมการสญ

10.1. วฏจกรเบรยตน 199

เสยพลงงานในปรมาณมากตามไปดวย วธหนงทใชเพมประสทธภาพของวฏจกรเบรยตนคอ การเพมร-เจนเนอเรเตอร (regenerator) ในวฏจกร รเจนเนอเรเตอรจะทำหนาทแลกเปลยนความรอนระหวางกาซเสยจากเครองกงหนและอากาศทกำลงจะเขาไปเผาไหมท เครองเผาไหม การกระทำเชนนจะลดความรอนทตองใหแกวฏจกรแตไมเปลยนงานสทธทได รปท 10.5 แสดงแผนภาพอปกรณและแผนภาพT-s ของวฏจกรเบรยตนทมรเจนเนอเรชน

รปท 10.5: วฏจกรเบรยตนทมรเจนเนอเรชน

ถาร เจนเนอเรเตอร ในรปท 10.5 เปนร เจนเนอเรเตอร ในอดมคตอณหภมของกาซทออกจากร-เจนเนอเรเตอร (Tx) จะเทากบอณหภมของกาซทออกจากเครองกงหน (T4) แตในรเจนเนอเรเตอรจรงTx จะนอยกวา T4 ความใกลเคยงระหวางสองอณหภมบงบอกดวยประสทธผลของรเจนเนอเรเตอร(regenerator effectiveness, ϵ)

ϵ =Tx − T2T4 − T2

(10.11)

ถงแมวารเจนเนอเรชนจะเปนวธเพมประสทธภาพของวฏจกรเบรยตนทไดผล แตกมขอจำกดท T4ตองมากกวา T2 พอสมควร ไมเชนนน วธนจะไมคมคา อยางไรกตามมวธเพมความแตกตางระหวางT4 และ T2 คอ การเพมกระบวนการใหความรอนซำ (reheating) และกระบวนการอนเตอรคลลง(intercooling) ใหวฏจกร รปท 10.6 แสดงวฏจกรเบรยตนทมอนเตอรคลลงหนงครง มการใหความรอนซำหนงครง และมรเจนเนอเรชน อปกรณในวฏจกรประกอบดวยเครองอดความดนตำ (LC) หนงเครองเครองอดความดนสง (HC) หนงเครอง เครองกงหนความดนตำ (LT) หนงเครอง เครองกงหนความดน


ตำ (HT) หนงเครอง หองเผาไหม รเจนเนอเรเตอร อนเตอรคลเลอร และเครองใหความรอนซำ โดยสามอปกรณหลงเปนอปกรณแลกเปลยนความรอน

รปท 10.6: วฏจกรเบรยตนทมรเจนเนอเรชน การใหความรอนซำ และอนเตอรคลลง

ตวอยาง วฏจกรเบรยตนทมรเจนเนอเรชนในรปท 10.5 มความดนตำสด 1 atm อณหภมตำสด15.6C อณหภมสงสด 1093.3C อตราสวนความดนเทากบ 4 ประสทธภาพของเครองกงหนเทากบ0.88 ประสทธภาพของเครองอดกาซเทากบ 0.85 และประสทธผลของรเจนเนอเรเตอรเทากบ 0.7 จงหาประสทธภาพของวฏจกรน สมมตวา กาซในวฏจกรเปนอากาศทม cp = 1.005 kJ/kg.K และ k = 1.4

วธทำ

T2s = T1

(p2p1

)(k−1)/k

= 288.6(4)0.4/1.4 = 429 KT2s − T1T2 − T1

= ηc = 0.85

=⇒ T2 = 454 K

T4s = T3

(p4p3

)(k−1)/k

10.2. วฏจกรผสม 201

= 1366.3(4)−0.4/1.4 = 919 KT3 − T4T3 − T4s

= ηt = 0.88

=⇒ T4 = 973 Kϵ =

Tx − T2T4 − T2

= 0.7

=⇒ Tx = 817 Kwc = cp(T2 − T1)

= 166 kJ/kgwt = cp(T3 − T4)

= 395 kJ/kgqin = cp(T3 − Tx)

= 552 kJ/kgη =

395− 166

552= 41.5%

10.2 วฏจกรผสมการเพมประสทธภาพของวฏจกรเบรยตนกระทำได โดยการนำวฏจกรเบรยตนมาทำงานรวมกบ

วฏจกรแรงคนโดยใหวฏจกรเบรยตนทำงานในชวงอณหภมสงและวฏจกรแรงคนทำงานในชวงอณหภมตำ ผลทไดคอ วฏจกรผสมดงแสดงในรปท 10.7 ความรอนทระบายออกจากวฏจกรเบรยตนจะใชผลตไอนำในวฏจกรแรงคนโดยใชอปกรณทเรยกวาเครองกำเนดไอนำแบบกความรอน (heat recovery steamgenerator หรอ HRSG) ดงนนความรอนทใหแกวฏจกรผสมจงเกดขนทหองเผาไหมในสวนของวฏจกรเบรยตนเทานน ประสทธภาพของวฏจกรผสมสามารถคำนวณไดจากสตรน

ηcc =wB + wR

qin(10.12)

โดยท wB เปนกำลงงานสทธจากวฏจกรเบรยตน wR เปนกำลงงานสทธจากวฏจกรแรงคน และ qin

เปนอตราการถายเทความรอนสวฏจกรเบรยตน จากนยามของประสทธภาพของวฏจกรเบรยตน (ηB )และวฏจกรแรงคน (ηR) ทำใหไดสมการตอไปน

wB = ηB qin

wR = ηR(1− ηB)qin

แทนคา wB และ wR ในสมการ (10.12)

ηcc = ηR + ηB − ηRηB (10.13)


สมการนแสดงใหเหนวาประสทธภาพของวฏจกรผสมสงกวาประสทธภาพของวฏจกรเบรยตนหรอวฏ-จกรแรงคน ถา ηR = 0.33 และ ηB = 0.26 ประสทธภาพของวฏจกรผสมจะมคาประมาณ 0.5 ซงนบวาสงมาก แตในทางปฏบต ηcc มคาระหวาง 0.38 ถง 0.42 เทานน

รปท 10.7: วฏจกรผสม

กำลงงานของเครองกงหนไอนำในวฏจกรผสมแปรผนตามอตราการไหลของไอนำในวฏจกรแรงคนวธ เพมกำลงงานของวฏจกรผสมทงายคอ การเพมอตราการผลตไอนำใน HRSG วฏจกรผสมอาจถกดดแปลงเปนวฏจกรในรปท 10.8 โดยมการใหความรอนแกเครองกำเนดไอนำแบบกความรอนเพมเตมจากการถายเทความรอนจากกาซเสย สมมตวา q1 เปนอตราการถายเทความรอนเขาสวฏจกรเบรยตนและ q2 เปนอตราการถายเทความรอนเขาสวฏจกรแรงคน ประสทธภาพของวฏจกรผสมคำนวณไดดงน

wB = ηB q1

wR = ηR[(1− ηB)q1 + q2]

ηcc =wB + wR

q1 + q2

=⇒ ηcc =ηB q1 + ηR[(1− ηB)q1 + q2]

q1 + q2(10.14)

กำหนดให x เปนสดสวนของอตราการถายเทความรอนเขาสวฏจกรแรงคนเทยบกบอตราการถายเทความรอนทเขาสวฏจกรผสมทงหมด

x =q2

q1 + q2

=⇒ q2 = x(q1 + q2)

10.2. วฏจกรผสม 203

แทนคา q2 ในสมการ (10.14)

ηcc = ηB + ηR − ηBηR − xηB(1− ηR) (10.15)

ประสทธภาพนนอยกวาประสทธภาพของวฏจกรผสมแบบทไมมการเผาไหมในเครองกำเนดไอนำแบบกความรอน ซงหมายความวาถงแมวาการผลตไอนำเพมจะเพมกำลงงานของวฏจกรผสม แตกทำใหประสทธภาพของวฏจกรลดลง

รปท 10.8: วฏจกรผสมทมการใหความรอนจากภายนอกวฏจกรแก HRSG

สมการ (10.13) สำหรบคำนวณประสทธภาพวฏจกรผสมในอดมคตไมสามารถใชไดกบวฏจกรผสมจรง ในการคำนวณประสทธภาพ จะตองใชสมการ (10.12) และหาคา wB , wR และ qin ดงน

wB = mgcpg(T3 − T4 − T2 + T1) (10.16)wR = ms(ha − hb − hd + hc) (10.17)qin = mgcpg(T3 − T2) (10.18)

โดยท mg คอ อตราการไหลของกาซในวฏจกรเบรยตน ms คอ อตราการไหลของไอนำในวฏจกรแรงคนและ cpg คอ คาความจความรอนของกาซ ขอมลเพมเตมทตองทราบคอ อตราสวนระหวาง mg กบ ms

ขอมลนไดจากสมดลความรอนใน HRSG สมมตวาไมมความรอนสญเสยใน HRSG อตราการถายเทความรอนจากกาซจะเทากบอตราการถายเทความรอนใหนำ

mgcpg(T4 − T5) = ms(ha − hd) (10.19)


ตวอยาง โรงไฟฟาแหงหนงผลตไฟฟาดวยเปนวฏจกรผสมตามรปท 10.7 โดยอตราสวนความดนในสวนของวฏจกรเบรยตนเทากบ 7.5 อณหภมของอากาศเขาเครองอดกาซคอ 15C และอณหภมสงสดในวฏจกรคอ 750C กาซเสยไหลออกจากเครองกำเนดไอนำแบบกความรอนท 100C ในสวนของวฏจกรแรงคน ไอนำทเขาเครองกงหนมความดน 50 bar อณหภม 500C ความดนในเครองควบแนนเทากบ 0.1 bar ถากำลงงานจากวฏจกรผสมเทากบ 200 MW จงหาอตราการไหลของอากาศและไอนำกำลงงานจากวฏจกรเบรยตนและวฏจกรแรงคน และประสทธภาพของวฏจกรผสม สมมตวากาซในสวนของวฏจกรเบรยตนเปนอากาศทมอตราการไหลคงท กำหนดให cpg = 1.1 kJ/kg.K และ k = 1.4 และไมตองพจารณางานทใหเครองสบ

วธทำในสวนของวฏจกรเบรยตน

T2 = T1

(p2p1

)(k−1)/k

= 288× (7.5)0.4/1.4 = 512.2 K

T4 = T3

(p4p3

)(k−1)/k

= 1023× (7.5)−0.4/1.4 = 620.5 K

คาของ wB ไดจากสมการ (10.16)

wB = 196.1mg (10.20)

และคาของ qin ไดจากสมการ (10.18)

qin = 561.9mg (10.21)

ในสวนของวฏจกรแรงคน แผนภมใหสมบตของนำและไอนำดงน

ha = 3670 kJ/kghb = 2305 kJ/kghc = 192 kJ/kg = hd

คาของ wR ไดจากสมการ (10.17)

wR = 1365ms (10.22)

โจทยกำหนดคาของกำลงงานรวม (wB + wR) มาให ดงนน

196.1mg + 1365ms = 200× 103 (10.23)

10.3. เครองกงหนกาซ 205

โปรดสงเกตวา คาทโจทยใหมามหนวยเปน MW ในขณะทคาของ wB ในสมการ (10.20) และ wR ในสมการ (10.22) มหนวยเปน kW ดงนนจงตองแปลงหนวยของกำลงงานรวมทโจทยใหมาเปน kW

แทนคาอณหภมและเอนทลปในในสมการ (10.19)ms

mg= 0.0712 (10.24)

แกสมการ (10.23) และ (10.24) เพอหาคา mg และ ms

mg = 681.9 kg/sms = 48.6 kg/s

แทนคา mg , ms ลงในสมการ (10.20)-(10.22) และคำนวณประสทธภาพโดยใชสมการ (10.12)

wB = 133.8 MWqin = 383.2 MWwR = 66.3 MWηcc = 0.52

10.3 เครองกงหนกาซเครองกงหนกาซเครองแรก ๆ ออกแบบสำหรบเครองบนไอพน ตอมามผทดลองนำเครองยนตกงหน

กาซมาผลตไฟฟาซงใหผลเปนทนาพอใจ จากนนจงเรมมการออกแบบเครองยนตกงหนกาซสำหรบผลตไฟฟาจนไดรบความนยมมาจนปจจบน การผลตไฟฟาดวยเครองกงหนกาซอาจแบงเปนสามรปแบบรปแบบแรกเปนโรงไฟฟากงหนกาซซงเหมาะกบการใชเปนโรงไฟฟาภาระสงสด รปแบบทสองเปนโรงไฟฟาพลงความรอนรวม ประสทธภาพของโรงไฟฟาพลงความรอนรวมสงกวาโรงไฟฟาพลงความรอนนอกจากน โรงไฟฟาพลงความรอนรวมอาจถกออกแบบใหสามารถเดนเครองเปนโรงไฟฟากงหนกาซกได ดงนนโรงไฟฟาพลงความรอนรวมจงเปนไดทง โรงไฟฟาภาระหลก โรงไฟฟาภาระเสรม และโรงไฟฟาภาระสงสด รปแบบทสามเปนการผลตพลงงานความรอนรวมกบพลงงานไฟฟา รปแบบนเหมาะกบโรงงานอตสาหกรรมทตองใชความรอนในกระบวนการผลต ความรอนทงจากเครองกงหนกาซอาจนำไปใชในกระบวนการผลตไดแทนทจะปลอยทงสบรรยากาศ

10.3.1 ประเภทของเครองกงหนกาซเครองกงหนกาซทมจำหนายในทองตลาดแบงเปนสองประเภทหลกไดแก เครองกงหนกาซแบบ

อนพนธของเครองยนตไอพน (aeroderivative gas turbine) และเครองกงหนกาซแบบอตสาหกรรม(industrial gas turbine) เครองกงหนกาซแบบอนพนธของเครองยนตไอพนพฒนามาจากเครองกงหนกาซท ใช เปน เครองยนตสำหรบ เครองบน ไอพน โดย เปลยนโครงหม ใหมนำหนกนอยลง ดดแปลงให


สามารถตดตงบนพนระนาบได และตดตงอปกรณทแปลงพลงงานจลนของไอพนเปนพลงงานกลจากการหมน เครองกงหนกาซแบบอตสาหกรรมออกแบบมาสำหรบการผลตไฟฟาโดยตรง จงไมตองออกแบบใหมนำหนกนอย และประสทธภาพสงเหมอนเครองกงหนกาซแบบอนพนธของเครองยนตไอพน แตออกแบบใหมราคาถก ทนทาน และบำรงรกษางาย ตารางท 10.1 เปรยบเทยบเครองกงหนกาซทงสองประเภท

ตารางท 10.1: เปรยบเทยบเครองกงหนกาซแบบอนพนธของเครองยนตไอพนกบเครองกงหนกาซแบบอตสาหกรรม

เครองกงหนกาซแบบอนพนธของเครองยนตไอพน แบบอตสาหกรรม

ขนาด เลก ใหญประสทธภาพ สง ตำอตราสวนความดน ไมเกน 30 ไมเกน 16กำลงงาน ไมเกน 50 MW ไมเกน 300 MWความเรวรอบ สง ตำราคาตอกำลงการผลตไฟฟา มาก นอยความตองการการบำรงรกษา มาก นอย

10.3.2 สวนประกอบหลกเครองกงหนกาซทกยหอและทกรนมสวนประกอบหลกทเหมอนกนคอ เครองอดกาซ (compres-

sor) หองเผาไหม (combustor) และกงหนกาซ (turbine) ทงสามสวนวางตดกนในอยโครงหม (casing)รปท 10.9 แสดงใหเหนวา อากาศไหลเขาเครองกงหนกาซทเครองอดกาซ เชอเพลงไหลเขาทหองเผาไหม การเผาไหมระหวางเชอเพลงกบอากาศทำใหเกดกาซเสยทไหลออกกงหนกาซสบรรยากาศ

เครองอดกาซเครองอดกาซมสามแบบคอ เครองอดกาซแบบบบอด (positive displacement) เครองอดกาซ

แบบแรงเหวยง (centrifugal ) และเครองอดกาซแบบไหลตามแกน (axial) ถงแมวาเครองอดกาซสองแบบแรกจะสามารถอดกาซใหมความดนสงมากได แตเครองอดกาซแบบไหลตามแกนมขอไดเปรยบคอ สามารถใหอตราการไหลทสงกวา นอกจากนการเพมความดนในเครองอดกาซแบบไหลตามแกนสามารถกระทำไดโดยการเพมจำนวนขนทำงาน หนงขนทำงานของเครองอดกาซซงประกอบโรเตอรและสเตเตอร ใบพดหมนของโรเตอรยดตดกบเพลาและใบพดนงของสเตเตอรยดตดกบโครงหม ใบพดหมนและใบพดนงมรปรางคลายปกเครองบนเพอใชคณสมบตดานอากาศพลศาสตรของใบพดในการอดกาซรปท 10.10 แสดงการไหลปะทะใบพดหมนของกาซซงทำใหเกดแรงยก (lift) หรอความแตกตางความดนระหวางดานออก (หรอดานลางของใบพด) กบดานเขา (หรอดานบนของใบพด) มมระหวางความเรว


รปท 10.9: เครองกงหนกาซ

สมพทธ (W ) กบเสนคอรด (chord line) ของใบพดหมนเรยกวา มมปะทะ (α) แรงยกจะเพมขนตามมมปะทะตราบเทาทมมปะทะไมมากเกนไป รปท 10.11 แสดงใหเหนวา กอนไหลเขาขนทำงานอากาศจะไหลผานใบพดนำ (guide vane) ซงทำหนาทปรบทศทางการไหลของอากาศเพอใหมมปะทะมคาเหมาะสมทสด หลกการทำงานของเครองอดกาซแบบไหลตามแกนคลายกบกงหนแรงปฏกรยาทกลาวถงในบทท 7 แตทศทางการไหลตรงขามกนซงทำใหความดนของอากาศคอย ๆ เพมขนจากการไหลผานแตละขนทำงาน อตราสวนความดนโดยรวมของเครองอดกาซจงขนกบจำนวนขนทำงาน

รปท 10.10: การไหลปะทะใบพดหมนของอากาศทำใหเกดผลตางความดนระหวางสองดานของใบพด

ปญหาหนงทอาจเกดกบเครองอดกาซคอ สภาวะสะดด (stall) ท เกดจากมมปะทะทมากเกนไปจนทำใหแรงยกลดลงอยางกระทนหน แรงยกทลดลงอยางมากหมายความวา ความดนทงสองดานของใบพดหมนจะใกล เคยงกนและอตราสวนความดนกจะลดลง ดงนนเครองอดกาซจงมสมรรถนะตำลงในสภาวะสะดดซงสงผลลบตอกำลงงานทผลตโดยเครองกงหนกาซ รปท 10.12 แสดงใหเหนวา


รปท 10.11: ใบพดนำเปลยนทศทางการไหลของกาซเขาขนทำงานของเครองอดกาซ

ความเรวสมบรณทลดลงสงผลใหมมปะทะเพมขน สภาวะสะดดเกดขนเมออตราการไหลเขาของอากาศตำเกนไปซงสงผลใหความเรวสมบรณ (V ) มคานอยจนมมปะทะ (α) มคามากเกนไป แตถาทศทางของความเรวสมบรณเปลยนไปอยางเหมาะสม มมปะทะจะไมเปลยนและสภาวะสะดดจะไมเกดขน ทศทางของความเรวสมบรณสามารถเปลยนแปลงไดโดยใชใบพดนำทปรบมมได (variable-angle guide vane)

รปท 10.12: การเปลยนแปลงมมปะทะเมอขนาดและทศทางของความเรวสมบรณเปลยน

เครองอดกาซอยบนเพลาเดยวกบกงหนกาซและมความเรวรอบเทากน การหมนของใบพดของกงหนกาซทำใหเกดการหมนของใบพดหมนของเครองอดกาซและกระบวนการอดกาซทำงานได เครองอดกาซแบบไหลตามแกนในเครองกงหนกาซขนาดใหญอาจแยกเปน เครองอดกาซความดนตำ (low-pressure compressor) และเครองอดกาซความดนสง (high-pressure compressor) ในกรณนกงหนกาซกจะแยกเปนสองสวนคอ กงหนกาซความดนตำ (low-pressure turbine) และกงหนกาซความดนสง (high-pressure turbine) เชนเดยวกน เครองอดกาซความดนตำจะถกขบเคลอนโดยกงหนกาซความดนตำ และเครองอดกาซความดนสงจะถกขบเคลอนโดยกงหนกาซความดนสง รปท 10.13 แสดงใหเหนวา เพลาของเครองอดกาซความดนตำวางอยภายในเพลาของเครองอดกาซความดนสง ดงนนเครองอดกาซความดนตำและเครองอดกาซความดนสงจะสามารถหมนทความเรวรอบไมเทากนได

กอนไหลเขาเครองอดกาซอากาศจะไหลผานแผนกรองฝนเพอใหไดอากาศทสะอาดปราศจากฝนละอองเปนสารทำงานในเครองกงหนกาซ แผนกรองฝนจะถกเปลยนเมอความดนอากาศทไหลผานลดลงเกนคาทกำหนดซงแสดงวาแผนกรองสกปรกเกนไป อยางไรกตามอาจมสงแปลกปลอมเชน ฝน แมลง


รปท 10.13: เครองกงหนกาซแบบแยกสวน

ตวเลก หรอคราบนำมนหลอลนเลดรอดเขาไปเกาะทผวใบพดของเครองอดกาซได ใบพดทสกปรกจะทำใหอตราสวนความดนทไดจากเครองอดกาซลดลงและจะสงผลใหกำลงงานทไดจากเครองกงหนกาซลดลงตามไปดวย ระบบลางเครองอดกาซ (compressor wash) ทำหนาทกำจดสงแลกปลอมออกจากผวใบพด การทำความสะอาดเครองอดกาซอาจกระทำขณะทเครองอดกาซกำลงทำงานหรอหยดทำงานวธหลงใหผลดกวาแตเครองกงหนกาซตองหยดทำงานและโรงไฟฟาตองสญเสยกำลงการผลต

หองเผาไหม

หองเผาไหมอยถดจากเครองอดกาซ อากาศทมความดนสงไหลเขาหองเผาไหมโดยมหวฉดพนเชอเพลงเขาไปผสมกบอากาศและทำปฏกรยาเผาไหมกน เชอเพลงของเครองยนตกงหนกาซเปนเชอเพลงกาซ (กาซธรรมชาต, SNG) หรอเชอเพลงเหลว (นำมนกาด, นำมนดเซล, นำมนเตาเบอร 2) หองเผาไหมแบงเปน 3 แบบคอ แบบทอ (tubular) แบบกงทอกงวงแหวน (tuboannular) และแบบวงแหวน(annular) ดงแสดงในรปท 10.14 หองเผาไหมแบบทอแบงเปนหองเผาไหมขนาดเลกลงเรยกวา ทอเปลวไฟ (flame tube) หลายทอวางตามเสนรอบวงของแกนกลาง ทกทอเชอมตอกนเพอใหจายเชอเพลงใหไดเทา ๆ กนและจดระเบดไดพรอมกน แตการจายอากาศใหแตละทอแยกออกจากกน หองเผาไหมแบบกงทอกงวงแหวนคลายแบบทอ สงทตางกนคอ การจายอากาศใหแตละทอไมไดแยกออกจากกน หองเผาไหมแบบวงแหวนมหองเผาไหมหรอทอเปลวไฟเปนรปวงแหวนเพยงทอเดยวและมหวฉดรอบ ๆ ทอเพอพนเชอเพลงและอากาศเขาทอ

รปท 10.15 แสดงการไหลของอากาศและเชอเพลงในหองเผาไหม อากาศบางสวนจะใชในการเผาไหม อากาศทเหลอทำหนาทหลอเยนหองเผาไหม การเผาไหมในหองเผาไหมแบงเปนสามเขต เขตแรกคอ เขตไหลวน (recirculation zone) อยใกลหวฉดเปนบรเวณทมการผสมกนระหวางอากาศกบเชอเพลงอยางทวถงโดยอาศยการไหลวนอยางปนปวนของอากาศและเชอเพลง นอกจากนเชอเพลงบางสวนเผาไหมกบอากาศในเขตนแตการเผาไหมอาจไมสมบรณเพราะปรมาณอากาศไมมากพอ เขตทสองคอเขตเผาไหม (burning zone) อยหางจากหวฉดออกมาเปนบรเวณทไดรบอากาศเพมเตมซงทำใหการเผาไหมสมบรณและไดกาซเสยทมอณหภมสง เขตทสามคอ เขตเจอจาง (dilution zone) อยใกลทางออกจากหองเผาไหม มอากาศเขามาในหองเผาไหมเพมเตมทเขตนเพอลดอณภมกาซเสยทกำลงจะออกจากหองเผาไหม อยางไรกตามอณหภมในหองเผาไหมอาจสงมากจนทำใหเกด NOx การควบคม NOx อาจใชวธพนนำหรอไอนำเขาหองเผาไหมเพอลดอณหภมเผาไหมและลดการเกด NOx


รปท 10.14: หองเผาไหมสามแบบ

รปท 10.15: เขตเผาไหมในหองเผาไหม

กงหนกาซ

กาซทมอณหภมสงและความดนสงจะไหลจากหองเผาไหมเขากงหนกาซ เครองกงหนกาซแบบเพลาเดยว (single-shaft gas turbine) มเครองอดกาซหนงเครองและกงหนกาซหนงเครองทหมนบนพลาเดยวกน รปแบบการตดตงเครองกงหนกาซเพอผลตไฟฟาแบงเปน เครองยนตกงหนกาซแบบเพลาเดยวรปท 10.16 แสดงเครองกงหนกาซแบบสองเพลา (two-shaft gas turbine) ซงประกอบดวยเครองอดกาซหนงเครองและกงหนกาซสองเครอง เครองแรกทำงานทความดนสงและขบเคลอนเครองอดกาซเครองทสองขบเคลอนเครองกำเนดไฟฟา เครองกงหนทงสองเครองไมอยบนเพลาเดยวกนจงสามารถทำงานทความรอบตางกนได ดงนนเครองกงหนกาซแบบสองเพลาจงมประสทธภาพสงกวา แตขอเสยของเครองกงหนกาซแบบนคอ เครองกงหนความดนตำอาจหมนดวยความเรวทมากจนเครองเสยหายได


เนองจากไมมเครองอดกาซทำหนาทเหมอนเบรกทควบคมความเรวรอบดงเชนเครองกงหนความดนสง

รปท 10.16: เครองกงหนกาซแบบสองเพลา

กงหนกาซประกอบดวยขนทำงานหลายขนเหมอนกงหนไอนำ ขนทำงานความดนสงเปนขนทำงานแรงดลหรอขนทำงานแรงปฏกรยาทมระดบปฏกรยาตำ ขนทำงานความดนตำเปนขนทำงานทมระดบปฏกรยาสง อยางไรกตามขอแตกตางกงหนกาซกบกงหนไอนำคอ ใบพดของกงหนกาซถกออกแบบใหสามารถทนกาซอณหภมสงกวาถงแมวาอณหภมของกาซเสยจะตำกวาจดหลอมเหลวของโลหะทใชทำใบพดแตอณหภมกมากพอทจะสงผลเสยตออายการใชงานของใบพดเนองจากการทใบพดตองเผชญกบความเคนและอณหภมทสงเปนเวลานานทำใหเกดความคบ (creep) ซงนำไปสการยดตวของใบพดเมอเวลาผานไปและอาจทำใหเกดการแตกราวของใบพดไดในทสด พารามเตอรทสามารถใชทำนายอายการใชงานของใบพดไดคอ พารามเตอรลารสนมลเลอร (Larson-Miller parameter) ผลการทดลองแสดงใหเหนวาความเคนเปนฟงกชนของ LM และ LM ขนกบอณหภม (หนวยเปน K) และอายเวลาใชงานกอนใบพดแตกราวจากความคบ (หนวยเปน ชวโมง) ดงน

LM = T (20 + log t) (10.25)

ทความเคนเทากน LM มคาเทากน ถากำหนดใหอณหภมตางกนคอ T1 = 900 K และ T2 = 890

K สมการ (10.1) แสดงใหเหนวา t1 = 25000 ชวโมงและ T2 = 47000 ชวโมง ซงหมายความวาการอณหภมลดลงเพยง 10 K ชวยเพมอายเวลาใชงานของใบพดเกอบเทาตว ดงนนการระบายความรอนใหใบพดของเครองกงหนกาซจงมความสำคญมาก

ใบพดของเครองกงหนกาซถกออกแบบใหอากาศสามารถไหลเขาออกและภายในใบพดมชองทางไหลทวกวนเพอใหอากาศระบายความรอนอยางทวถงภายในใบพด อากาศทใชหลอเยนใบพดไดมาจากเครองอดกาซทไมไดไหลผานหองเผาไหมจงยงคงมอณหภมไมสงนกอากาศไหลเขาใบพดทฐานใบพดดงแสดงในรปท 10.17 ผวใบพดมรใหอากาศไหลออกไดโดย อากาศบางสวนจะออกจากใบพดทางรเหลานและเคลอบใบพดไมใหสมผสกบกาซรอน


รปท 10.17: การระบายความรอนใหใบพด

10.3.3 ปจจยทสงผลตอสมรรถนะของเครองกงหนกาซผผลตเครองกงหนกาซจะระบกำลงงานของอตราความรอนของเครองกงหนกาซทกรนทจำหนาย

โดยผผลต สภาวะมาตรฐาน ISO สำหรบวดคากำลงงานและอตราความรอนคอ ทอณหภม 15C ความชนสมพทธ 60% และความดน 1 atm การใชงานเครองกงหนกาซจรงอาจใหคากำลงงานและอตราความรอนทแตกตางกบคานเนองจากปจจยตาง ๆ ทสงผลตอสมรรถนะของเครอง ปจจยทสำคญไดแก

• อณหภมแวดลอม อตราการไหลเชงปรมาตรของอากาศทไหลเขาเครองอดกาซคอนขางคงท แตกำลงงานของเครองกงหนกาซขนกบอตราการไหลเชงมวล ดงนนอากาศทมความหนาแนนมากขนจะทำใหกำลงงานเครองเพมขนตามไปดวย นอกจากนอตราความรอนจะลดลง หรอประสทธภาพของเครองจะเพมขนเมออณหภมแวดลอมลดลงเนองจากอตราสวนความดนของเครองอดกาซจะเพมขน

• ความดนบรรยากาศ กำลงงานของเครองกงหนกาซลดลงเมอเครองกงหนกาซทำงานทระดบความสงเหนอระดบนำทะเลซงความดนบรรยากาศจะนอยกวา 1 atm และความหนาแนนของอากาศจะนอยลงเมอเทยบกบความหนาแนนทระดบนำทะเล อยางไรกตามอตราความรอนไมเปลยนแปลงเมอความดนบรรยากาศเปลยนแปลง

• ความชนสมพทธ ไอนำมความหนาแนนนอยกวาอากาศแหง ดงนนอากาศทมความชนสมพทธเพมขนจะมความหนาแนนลดลง และสงผลใหกำลงงานของเครองกงหนกาซลดลงและอตราความรอนจะเพมขน อยางไรกตามผลกระทบของความชนสมพทธนอยมากเมอเทยบผลกระทบของอณหภมแวดลอม

• ความดนสญเสยทางเขาและทางออก กำลงงานและประสทธภาพทระบโดยผผลตเครองกงหนกาซอยภายใตเงอนไขวา ไมมความดนสญเสยททางเขาและทางออกของเครอง แตในการใชงานจรงจะมความดนสญเสยททางเขาเนองจากมการตดตงเครองกรองฝนละอองและสงแปลกปลอม


ในอากาศกอนเขาเครองอดกาซ และจะมความดนสญเสยททางออกเนองจากมการตดตงทอกาซเสย อปกรณควบคมเสยงและ ปลองระบายกาซเสยททางออก ดงนนความดนของกาซเสยททางออกจงตองมากกวาความดนบรรยากาศเพอใหกาซเสยสามารถไหลจากเครองสบรรยากาศไดความดนสญเสยทางเขาและทางออกสงผลใหกำลงงานของเครองกงหนกาซลดลงและอตราความรอนจะเพมขน

• การพนนำหรอไอนำ วธลดการเกด NOx ทไดผลคอ การพนนำหรอไอนำเขาไปในหองเผาไหมซงจะทำใหอณหภมเผาไหมลดลง ผลพลอยไดคอ กำลงงานของเครองกงหนกาซจะเพมขนเนองจากมอตราการไหลเชงมวลในกงหนกาซมากขน นอกจากนการพนไอนำยงทำใหอตราความรอนลดลง แตการพนนำกลบทำใหอตราความรอนเพมขนเนองจากเชอเพลงบางสวนตองใชในการทำใหนำระเหย

• ภาระของเครอง โรงไฟฟากงหนกาซมกถกใช งานเปนโรงไฟฟาภาระสงสด ซงหมายความวากำลงงานทผลตโดยเครองกงหนกาซไมคงท และบอยครงทภาระของเครองไม เตม 100% ผผลตเครองกงหนกาซมกออกแบบใหเครองมประสทธภาพสงสดหรออตราความรอนตำสดเมอเดนเครองผลตไฟฟาเตมท อตราความรอนจะเพมขนเมอภาระของเครองลดลง

10.3.4 การเพมสมรรถนะใหเครองกงหนกาซประเทศไทยมอณหภมเกน 15C เกอบตลอดป ดงนนกำลงงานและประสทธภาพของเครองกงหน

กาซทใชงานในประเทศไทยจงนอยกวาคาทระบโดยผผลต วธเพมกำลงงานและประสทธภาพทไดผลคอการลดอณหภมอากาศทไหลเขาเครองอดกาซ รปท 10.18 แสดงใหเหนวาหลกการของวธนคอ การตดตงระบบทำความเยนททางเขาเครองอดกาซ ระบบสามารถใชในกรณนไดแก

รปท 10.18: การลดอณหภมอากาศทเขาเครองกงหนกาซ

• ระบบทำความเยนแบบระเหย (evaporative cooling system) ใชการไหลของอากาศผานวสดพรนเปยกลดอณหภมอากาศพรอมกบเพมอตราการไหลเมอเทยบกบอากาศแหง ระบบนเหมาะกบอากาศทมความชนสมพทธตำ


• ระบบทำใหเกดหมอก (fogging system) ใชการพนนำทละอองเลกมากจนเหมอนหมอกไปผสมกบอากาศ ละอองนำจะระเหยและสงผลใหอากาศมอณหภมลดลง นอกจากนอตราการไหลของอากาศชนทไหลออกจะมากกวาอตราการไหลของอากาศแหงทไหลเขา ระบบนเหมาะกบอากาศทมความชนสมพทธตำ

• ระบบทำความเยนแบบดดกลน (absorption cooling system) ใชความรอนขบเคลอนการทำงานของระบบซงอาจมแอมโมเนยเปนสารทำความเยน ระบบนทำงานไดในอากาศทมความชนสมพทธสง

• ระบบทำความเยนแบบอดไอ (vapor compression system) ใชไฟฟาขบเคลอนการทำงานของระบบ ระบบนทำงานไดในอากาศทมความชนสมพทธสง

นอกจากนกำลงงานและประสทธภาพจะเพมขนจากการดดแปลงวฏจกรเบรยตน รปท 10.19 แสดงแผนภาพของวฏจกรพนไอนำ (steam injection cycle) วฏจกรนใชความรอนจากกาซเสยทออกจากเครองกงหนในการผลตไอนำในเครองแลกเปลยนความรอน ไอนำทไดจะถกพนเขาหองเผาไหมพรอมกบอากาศและเชอเพลง ผลทไดคอกำลงงานและประสทธภาพทเพมขนเมอเทยบกบวฏจกรกงหนกาซในรปท 10.1

รปท 10.19: วฏจกรพนไอนำ

รปท 10.20 แสดงแผนภาพของวฏจกรการระเหย (evaporation cycle) เมอ เปรยบ เทยบกบวฏจกรกงหนกาซในรปท 10.1 จะเหนวาอปกรณท เพมเตมคอ เครองระเหยและอปกรณแลกเปลยนความรอน หลงจากอากาศความดนสงออกจากเครองอดกาซมนจะไหลผานเครองระเหย นำทพนเขาเครองระเหยจะกลายเปนไอเมอผสมกบอากาศซงทำใหอตราการไหลของอากาศชนทออกจากเครองระเหยมากกวาอตราการไหลเขาของอากาศแหง กอนไหลเขาหองเผาไหมอากาศจะไดรบความรอนเพมขนจากการแลกเปลยนความรอนกบกาซเสยทออกจากเครองกงหน วฏจกรการระเหยจงกำลงงานสทธและประสทธภาพสงกวาวฏจกรเบรยตน

10.4. เครองกำเนดไอนำแบบกความรอน 215

รปท 10.20: วฏจกรการระเหย

10.4 เครองกำเนดไอนำแบบกความรอน

เครองกำเนดไอนำแบบกความรอนหรอ HRSG ทำหนาท เปลยนนำปอนเปนไอนำยวดยงโดยใชความรอนจากกาซเสยทไดจากเครองกงหนกาซ HRSG เปนอปกรณแลกเปลยนความรอนทมกาซเสยไหลสวนทางกบนำและไอนำ โพรไฟลของอณหภมกาซเสยและนำแสดงในรปท 10.21 เหนไดวาผลตางอณหภมของกาซเสยและนำเปลยนแปลงตลอดการไหล ผลตางอณหภมทนอยทสดเกดขนเมอนำอมตวเรมเปลยนสถานะทอณหภม Ty ในขณะทกาซเสยมอณหภม Tx จดนซงเรยกวาจดพนช (pinch point)เปนขอจำกดของการออกแบบ HRSG เนองจาก Tx − Ty ตองมคามากกวาศนย ขนาดของเครองกำเนดไอนำแบบกความรอนจะขนอยกบจดพนชกลาวคอถาจดพนชทมคานอยจะสงผลใหการแลกเปลยนความรอนใน HRSG มประสทธผลสง แต HRSG จะตองมขนาดใหญ โดยทวไปจดพนชมคาอยระหวาง5-30C

HRSG มสามแบบคอ แบบแนวนอน (horizontal) แบบแนวตง (vertical) และแบบไหลผานครงเดยว (once-through) รปท 10.22 แสดง HRSG แบบแนวนอนซงมเครองประหยดเชอเพลง เครองระเหยและเครองทำไอนำยวดยงวางเรยงกนตามแนวนอน ทงหมดเปนกลมทอซงอาจเปนทอเรยบหรอทอตดครบกได ทอตดครบไดรบความนยมมากกวาเพราะกาซเสยมขเถานอยจงไมสรางความสกปรกใหทอมากนก กาซเสยจะไหลจากเครองทำไอนำยวดยงไปเครองประหยดเชอเพลง นำปอนทไหลเขาเครองระเหยทางทอนำขนไมไดกลายเปนไอนำทงหมดเมอออกจากเครองระเหย ดงนนจงตองมถงพกไอนำแยกไอนำอมตวออกจากนำซงจะไหลลงทางทอนำลงกอนไหลเขาทอขนอกครง การไหลเวยนของไอนำใน HRSG แบบแนวนอนเปนไปโดยธรรมชาตเนองจากความหนาแนนทตางกนในทอนำลงและทอนำขนดงนน HRSG แบบแนวนอนจงไมตองมเครองสบ


รปท 10.21: โพรไฟลอณหภมใน HRSG

รปท 10.23 แสดง HRSG แบบแนวตง เครองประหยดเชอเพลง เครองระเหยและเครองทำไอนำยวดยงวางเรยงกนตามแนวตง กาซเสยไหลขนจากเครองทำไอนำยวดยงไปเครองประหยดเชอเพลงแรงลอยตวของไอนำไมเพยงพอทำใหเกดการไหลเวยนของนำและไอนำใน HRSG แบบแนวตงไดจงตองมเครองสบชวยใหเกดการไหลเวยนในอตราทเหมาะสม HRSG แบบแนวตงตองการพนทนอยกวาHRSG แบบแนวนอนซงเปนขอไดเปรยบทสำคญของ HRSG แบบแนวตง HRSG แบบไหลผานครงเดยวมลกษณะทวไปคลาย HRSG แบบแนวตงแตไมมถงพกไอนำและทอทงหมดเชอมตอกนเพอใหนำปอนทไหลเขาทางดานบนกลายเปนไอนำยวดยงเมอไหลออกทางดานลาง

HRSG ในรปท 10.22 และ 10.23 เปนแบบความดนเดยว (single-pressure HRSG) เพราะการเปลยนสถานะของนำเปนไอนำเกดขนทความดนคาเดยว HRSG อาจถกออกแบบใหผลตไอนำมากกวาหนงความดนเพอเพมประสทธผล HRSG แบบสองความดน (double-pressure HRSG) มเครองประหยดเชอเพลง เครองระเหย ถงพกไอนำ และเครองทำไอนำยวดยงอยางละสองชดททำงานทมความดน

รปท 10.22: เครองกำเนดไอนำแบบกความรอนแนวนอน


รปท 10.23: เครองกำเนดไอนำแบบกความรอนแนวตง

ตางกนดงแสดงในรปท 10.24 ไอนำยวดยงความดนตำท ไดจะไหลเขาเครองกงหนไอนำความดนตำและไอนำยวดยงความดนสงจะไหลเขาเครองกงหนไอนำความดนสง โรงไฟฟาพลงความรอนรวมทใชHRSG แบบสองความดนมประสทธภาพสงกวาโรงไฟฟาพลงความรอนรวมทใช HRSG แบบความดนเดยว อยางไรกตามโรงไฟฟาพลงความรอนรวมทสรางขนใหมนยมใช HRSG แบบสามความดน (triple-pressure HRSG) เพอเพมประสทธภาพของโรงไฟฟาใหสงขนอก

รปท 10.24: HRSG แบบสองความดน

ถงแมวา HRSG ทำหนาทผลตไอนำยวดยงเหมอนเครองกำเนดไอนำในโรงไฟฟาพลงความรอน และมสวนประกอบหลกทเหมอนกน แตกมขอแตกตางสำคญระหวางเครองกำเนดไอนำทงสองแบบหลายประการ ดงน

• HRSG ใชกาซเสยรอนผลตไอนำ และอาจมการเผาไหมเชอเพลงกาซเพอผลตไอนำเพมเตม สวนเครองกำเนดไอนำในโรงไฟฟาพลงความรอนมการเผาไหมเชอเพลงแขง

• HRSG ไมตองมพดลมดดอากาศหรอพดลมดดกาซเสย


• HRSG สามารถผลตไอนำหลายความดน สวนเครองกำเนดไอนำในโรงไฟฟาพลงความรอนผลตไอนำความดนเดยว

• ความรอนถายเทใน HRSG โดยการพาความรอน สวนการถายเทความรอนในเครองกำเนดไอนำในโรงไฟฟาพลงความรอนมทงการแผรงสความรอนและการพาความรอน

• HRSG ไมมผนงนำ

• HRSG ใชทอตดครบเพอเพมประสทธผลของการถายเทความรอน สวนเครองกำเนดไอนำในโรงไฟฟาพลงความรอนใชทอเรยบ


คำถามทายบท1. อะไรคอขอแตกตางระหวางวฏจกรกงหนกาซกบวฏจกรเบรยตนแบบเปด

2. วฏจกรเบรยตนแบบปดมความไดเปรยบอยางไรเมอเทยบกบวฏจกรเบรยตนแบบเปด

3. รเจนเนอเรเตอรเพมประสทธภาพของวฏจกรเบรยตนไดอยางไร

4. เขยนแผนภาพ T-s ของวฏจกรเบรยตนทมรเจนเนอเรชน การใหความรอนซำ และอนเตอรคลลง

5. เขยนแผนภาพอปกรณของวฏจกรผสม

6. ถาวฏจกรเบรยตนมประสทธภาพ ηB และวฏจกรแรงคนมประสทธภาพ ηR วฏจกรผสมในอดมคตจะมประสทธภาพเทาไร

7. การใหความรอนเพมเตมทเครองกำเนดไอนำแบบกความรอนในวฏจกรผสมเพอเพมอตราการผลตไอนำจะสงผลอยางไรตอประสทธภาพของวฏจกร

8. เครองกงหนกาซแบงเปนกแบบ อะไรบาง

9. ระบลกษณะเฉพาะของเครองกงหนกาซแบบอนพนธของเครองยนตไอพนมาสองขอ

10. เครองอดกาซทนยมใชในโรงไฟฟากงหนกาซเปนแบบใด

11. อธบายการเกดสภาวะสะดดในเครองอดกาซ

12. หองเผาไหมแบบใดนยมใชในเครองกงหนกาซ

13. วธใดลดปรมาณ NOx ในหองเผาไหมของเครองกงหนกาซได

14. เครองกงหนกาซแบบสองเพลาหมายถงอะไร

15. การหลอเยนในใบพดของกงหนกาซใชอะไรเปนสารหลอเยน

16. สภาวะมาตรฐาน ISO ทใชทดสอบเครองกงหนกาซเปนสภาวะทมความชนสมพทธเทาไร

17. กำลงงานของเครองกงหนกาซจะเปลยนแปลงอยางไรถาอณหภมอากาศแวดลอมลดลง

18. อตราความรอนของเครองกงหนกาซจะเปลยนแปลงหรอไม อยางไร ถาภาระของเครองตำกวาภาระสงสด

19. การลดอณหภมอากาศทไหลเขาเครองอดกาซสงผลอยางไรตอสมรรถนะของเครอง

20. อะไรคอขอจำกดของการเพมสมรรถนะใหเครองกงหนกาซโดยระบบทำใหเกดหมอก


21. เขยนแผนภาพอปกรณของวฏจกรพนไอนำ

22. เขยนโพรไฟลของอณหภมนำและกาซเสยในเครองกำเนดไอนำแบบกความรอน พรอมทงระบทศทางการไหล

23. ระบสวนประกอบหลกของเครองกำเนดไอนำแบบกความรอน

24. ร เจนเนอเรเตอรมประสทธผล 50% กาซเสยไหลเขาท อณหภม 300C ไหลออกท อณหภม200C และอากาศไหลเขาทอณหภม 100C จงคำนวณหาอณหภมอากาศทไหลออก

25. หาประสทธภาพของวฏจกรเบรยตนในอดมคตทมอณหภมตำสด 30C อณหภมสงสด 2000Cและอตราสวนความดนเทากบ 4

26. ถาตองการใหประสทธภาพของวฏจกรในคำถามขอทแลวมคาเพมขน 50% จะตองตดตงรเจนเนอเรเตอรทมประสทธผลเทาไร (อากาศมคา k = 1.4, cp = 1.005 kJ/kg.K)

27. อากาศไหลเขาเครองอดกาซทอณหภม 300 K และความดน 1 atm เครองอดกาซมประสทธภาพ80% จงหาอณหภมของอากาศท ไหลออกถาความดนของอากาศท ไหลออกเทากบ 8 atm(อากาศมคา k = 1.4)

28. กาซเสยไหลเขาเครองกงหนกาซทอณหภม 1300 K และความดน 8 atm เครองกงหนกาซมประสทธภาพ 80% จงหาอณหภมของกาซเสยท ไหลออกถาความดนของกาซเสยท ไหลออกเทากบ 1 atm (กาซเสยมคา k = 1.4)

29. วฏจกรเบรยตนมอนเตอรคลลงหนงครงและการใหความรอนซำหนงครง อตราสวนความดนของเครองอดกาซและกงหนกาซเทากบ √

2 อณหภมของอากาศทเขาเครองอดกาซแตละเครองเทากบ 300 K อณหภมของอากาศทเขากงหนกาซแตละเครองเทากบ 1300 K วฏจกรนมรเจนเนอเรเตอรทมคาประสทธผลเทากบ 0.8 จงหาประสทธภาพของวฏจกร (กำหนดให cp = 1.005kJ/kg.K และ k = 1.4)

30. วฏจกรผสมผลตกำลงงาน 200 MW โดยวฏจกรเบรยตนมอตราสวนความดนเทากบ 7.5 และอณหภมตำสดและสงสดเทากบ 15C และ 750C ตามลำดบ กาซเสยทไหลออกจากกงหนกาซไดรบความรอนเพมเตมเพอทำใหอณหภมเปน 750C หลงจากนนจงไหลเขา HRSG เพอผลตไอนำยวดยงทมความดน 50 bar และอณหภม 600C ความดนในเครองควบแนนของวฏจกรเทากบ 0.1 bar จงคำนวณหาประสทธภาพของวฏจกร (กำหนดให cp = 1.11 kJ/kg.K, k =1.33 และไมตองพจารณากำลงงานของเครองสบในวฏจกรแรงคน)

บทท 11

โรงไฟฟาพลงนำ

11.1 ลกษณะทวไปแสงอาทตยทสองมาบนโลกทำใหนำในลำคลอง แมนำ ทะเลและมหาสมทรระเหย ความหนาแนน

ของไอนำนอยกวาอากาศ ไอนำจงลอยขนไปทระดบความสงหนงจากพนดนและกอตวเปนเมฆฝน เมอเมฆฝนมขนาดใหญไดพอเหมาะ ฝนกตกลงมา ฝนบางสวนตกลงในแหลงนำทตงอยบนทสงหรอภเขาเมอนำไหลจากแหลงนำนลงสทตำ พลงงานศกยจะแปรรปเปนพลงงานจลนซงสามารถใชผลตไฟฟาไดดวยโรงไฟฟาพลงนำ (hydroelectric power plant) เหนไดวาพลงงานนำมทมาจากพลงงานแสงอาทตย การผลตไฟฟาจากพลงงานนำกคอ การใชประโยชนจากพลงงานแสงอาทตยทางออมนนเอง

โรงไฟฟาพลงนำมขอไดเปรยบหลายประการเมอเปรยบเทยบกบโรงไฟฟาประเภทอน กลาวคอ คาใชจายในการผลตไฟฟาตำเนองจากไมมตนทนคาเชอเพลงและดแลรกษางาย ทนทานตอการใชงาน เดนเครองโรงไฟฟาและหยดการทำงานไดรวดเรว อายการใชงานยาวนาน ประสทธภาพสง สามารถใชเปนไดทงหนวยผลตไฟฟาหลกและหนวยผลตไฟฟาสำรอง และไมกอใหเกดมลภาวะทางอากาศหรอทางนำโรงไฟฟาพลงนำมขอเสยทตองการการลงทนกอสรางสงและใชเวลากอสรางนาน แตเมอกอสรางเสรจจนใชงานได การลงทนจะคมคา อยางไรกตามการกอสรางโรงไฟฟาพลงนำในบางพนทอาจไมคมคาเมอคำนงถงผลกระทบตอระบบนเวศน

โรงไฟฟาพลงนำมหลายขนาดตงแต 100 kW ถงมากกวา 30 MW โรงไฟฟาพลงงานนำแบงเปนสามประเภทคอ (1) โรงไฟฟาพลงงานนำแบบไมมอางเกบนำ (run-of-river plant) เปนโรงไฟฟาขนาดเลกทสรางขนขวางทางนำไหลในแหลงนำเลก ๆ ลำธารหรอฝายตาง ๆ (2) โรงไฟฟาพลงงานนำแบบมอางเกบนำ (impoundment plant) เปนโรงไฟฟาขนาดใหญทผลตไฟฟาจากพลงงานศกยของนำทมอยในแหลงนำธรรมชาตหรอแหลงนำทสรางขนมา และ (3) โรงไฟฟาพลงงานนำแบบสบนำกลบ (pumped-storage plant) เปนโรงไฟฟาทสามารถผลตไฟฟาไดจากพลงงานศกยของนำในแหลงนำและใชไฟฟาสบนำกลบขนไปแหลงนำเพอสะสมพลงงานศกย โรงไฟฟาสวนใหญในประเทศไทยเปนประเภททสอง

รปท 11.1 แสดงสวนประกอบหลกของโรงไฟฟาพลงนำ เขอน (dam) ทำหนาทกกเกบนำและปลอยนำสำหรบผลตไฟฟา ทอสงนำ (penstock) ทำหนาทแปลงพลงงานศกยของนำเปนพลงงานจลน เครองกงหนไฮดรอลก (hydraulic turbine) ทำหนาทแปลงพลงงานจลนของนำเปนพลงงานงานกลในรปของ

222 บทท 11. โรงไฟฟาพลงนำ

การหมนเครองกงหน และเครองกำเนดไฟฟา (generator) ทำหนาทแปลงพลงงานกลจากเครองกงหนเปนพลงงานไฟฟา

รปท 11.1: สวนประกอบหลกของโรงไฟฟาพลงนำ

นำทระดบความสง H เมอเทยบกบเครองกงหนและมอตราการไหลเชงปรมาตร Q จะมศกยภาพในการผลตไฟฟาได ρgQH โรงไฟฟาพลงนำมประสทธภาพมากกวา 75% ในการแปลงศกยภาพนเปนพลงงานไฟฟา ประสทธภาพของโรงไฟฟาพลงนำมคาเทากบอตราสวนระหวางพลงงานไฟฟาทไดจากโรงไฟฟากบพลงงานศกยของนำในเขอน ประสทธภาพของโรงไฟฟาพลงนำขนกบประสทธภาพในการแปลงรปพลงงานของสวนประกอบตาง ๆ ของโรงไฟฟาดงน

η = ηp.ηt.ηg (11.1)

โดยท ηp คอ อตราสวนระหวางพลงงานจลนของนำทออกจากทอสงนำกบพลงงานศกยของนำในเขอน

ηt คอ อตราสวนระหวางพลงงานกลจากเครองกงหนไฮดรอลกกบพลงงานจลนของนำทออกจากทอสงนำ

ηg คอ อตราสวนระหวางพลงงานไฟฟาจากเครองกำเนดไฟฟากบพลงงานกลจากเครองกงหนไฮดรอลก

11.2 เขอนตนทนหลกของการสรางโรงไฟฟาพลงนำมาจากการสรางเขอน ซงคาใชจายสวนนรวมถงคาเวนคน

ทดนและคาใชจายแฝงในรปของระบบนเวศนทเปลยนไป อยางไรกตามเขอนมประโยชนในดานอนเชนเปนแหลงนำเพอการชลประทาน เปนแหลงเพาะพนธปลา และเปนสถานทพกผอน เปนตน เขอนเปนโครงสรางขนาดใหญทมคากอสรางสงและตองใชพนทมาก ทตงของเขอนเปนแหลงนำขนาดใหญทมนำ

11.2. เขอน 223

ปรมาณมากพอและมนำระดบสงพอทจะทำใหการสรางเขอนคมคา การจำแนกประเภทของเขอนอาจจำแนกดวยวสดทใชกอสรางเขอนเปนเขอนหนถม (rock-filled dam) เขอนดน (earth dam) และเขอนคอนกรต นอกจากนเมอพจารณาจากโครงสรางเขอนคอนกรตอาจแบงเปนเขอนถวงนำหนก (gravitydam) เขอนโคง (arc dam) และเขอนครบ (buttress dam)

• เขอนหนถมเหมาะกบทองถนทมหนจำนวนมากซงจะลดคากอสรางเขอน เขอนหนถมไมจำเปนตองมฐานรากทแขงแรงมาก เขอนถมมกมปญหาการรวซมของนำผานเขอน ดงนนจงตองมการสรางผนงกนนำดานหนาเขอนหรอการเสรมตรงกลางเขอนหรอดวยวสดกนนำเชน ดนเหนยวคอนกรตหรอยางมะตอย ตวอยางของเขอนชนดนในประเทศไทยไดแก เขอนศรนครนทร เขอนวชราลงกรณ และเขอนบางลาง เปนตน

• เขอนดนมคณสมบตคลายเขอนถมหนแตวสดทใชสรางเขอนสวนใหญเปนดน ตวอยางเขอนชนดนในประเทศไทยไดแก เขอนสรกต เขอนแกงกระจาน และเขอนแมงด เปนตน

• เขอนถวงนำหนกมลกษณะรปหนาตดเปนสเหลยมคางหม สามเหลยม เขอนชนดนเหมาะกบการกอสรางในบรเวณทมหนฐานรากทแขงแรง ตวเขอนเปนคอนกรตทมความหนาและนำหนกมากพอทจะตานทานแรงดนของนำไดโดยอาศยนำหนกของตวเขอนเอง เขอนถวงนำหนกออกแบบงายและมความปลอดภยสงแตตองใชคอนกรตปรมาณมากในกอสราง จงมคากอสรางสง

• เขอนโคงถกออกแบบใหดานหนาเขอนโคงเขาหาแหลงเกบนำ ความโคงของเขอนจะตานแรงดนของนำได เขอนชนดนเหมาะทจะสรางในบรเวณหบเขาทมความกวางนอยกวาความสงมากและมหนฐานรากทแขงแรง ถาฐานรากไมแขงแรงพออาจจำเปนตองปรบฐานรากใหมความแขงแรงเพมขนกอน แลวจงสรางเขอนขนภายหลง ขอดของเขอนโคงคอ มรปรางบางกวาเขอนถวงนำหนกมากซงทำใหคากอสรางถกกวา แตมขอเสยคอ คาใชจายในการออกแบบและการดำเนนการทแพงกวา ประเทศไทยมเขอนโคงเพยงแหงเดยวคอ เขอนภมพลซงเปนเขอนคอนกรตทมขนาดใหญทสดในประเทศ

• เขอนครบเปนเขอนคอนกรตเสรมเหลกมดานหนาเปนแบบเรยบหรอแบบโคงกไดและดานหลงมแผนคอนกรตรปครบ (buttress) หลายอนสำหรบรบแรงดนของนำและถายแรงไปยงฐานรากของเขอน เขอนชนดนใชวสดปรมาณคอนกรตนอยกวาเขอนถวงนำหนก 20-30% ทำใหมความแขงแรงนอยกวาและความปลอดภยจะลดลง จงไมนยมสรางเขอนใหมความสงมากนก

ตารางท 11.1 แสดงใหเหนวาเขอนสวนใหญในประเทศไทยเปนเขอนหนถม เขอนทใหญทสดในประเทศไทยคอ เขอนศรนครนทร แตเขอนทมโรงไฟฟาพลงนำขนาดใหญทสดของประเทศคอ เขอนภมพล

ระดบนำในเขอนอาจสงจนนำลนขามสนเขอนไดในกรณทมฝนตกมากและทำใหปรมาณนำสะสมในแหลงเกบนำมากเกนไป เพอควบคมระดบนำไมใหสงเกนไปจงตองมการกอสรางชองระบายนำลน(spillway) ควบคไปกบเขอน ชองระบายนำลนทำหนาทระบายนำทงผานเขอน สนของชองระบายนำลนจะเทากบระดบนำเกบกก ถาระดบนำสงกวาระดบเกบกกนำจะระบายออกทางชองระบายนำลนทนท การระบายนำตามปกตในปรมาณทคาดการณไวเมอออกแบบเขอนจะใชชองระบายนำลนปกต


ตารางท 11.1: เขอนทสำคญในประเทศไทย

เขอน ทตง ประเภท ความจ กำลงการผลตไฟฟา(m3) (MW)

ภมพล ตาก เขอนโคง 13462 731ศรนครนทร กาญจนบร เขอนหนถม 17745 720สรกต อตรดตถ เขอนดน 9510 500วชราลงกรณ กาญจนบร เขอนหนถม 8860 300รชชประภา สราษฎรธาน เขอนหนถม 3057 240บางลาง ยะลา เขอนหนถม 1420 72อบลรตน ขอนแกน เขอนหนถม 2263 55สรนธร อบลราชธาน เขอนหนถม 1967 36

(service spillway) แตถาปรมาณนำเกนกวาทคาดการณไวกจำเปนตองระบายนำออกทางชองระบายนำลนฉกเฉน (emergency spillway) สนของชองระบายนำลนฉกเฉนจะสงกวาสนของชองระบายนำปกตเพอใหนำไหลผานชองระบายนำลนปกตกอนชองระบายนำลนฉกเฉน

11.3 ทอสงนำทอสงนำมสองสวน สวนแรกเปน ทอสงนำความดนตำ (low-pressure conduit) นำทออกจาก

เขอนจะไหลเขาทอสงนำความดนตำเปนลำดบแรก ทางเขาทอตดตงตะแกรง (screen) เพอปองกนเศษไม, วชพช หรอวตถขนาดใหญไหลเขาไปในทอสงนำซงอาจจะเขาไปสรางความเสยหายใหใบพดของเครองกงหนได ขนาดของชองตะแกรงจะตองไมเลกหรอใหญเกนไป ถาเลกเกนไปจะจำกดอตราการไหลของนำภายในทอสงนำ ถาใหญเกนไปกจะไมสามารถปองกนวตถขนาดใหญได ดานปลายของทอนจะตอกบถงลดแรงดนนำ (surge tank) ซงทำหนาทดดซบความดนนำทเพมอยางกระทนหนและเพมความดนใหนำในกรณทความดนนำลดลงอยางกระทนหน สวนทสองเปนทอนำความดนสง (penstock) ทลาดลงเพอเพมความดนของนำ ทอสงนำความดนตำอาจสรางจาก PVC หรอโพลเอตทลน (polyethelene)ทอสงนำความดนสงอาจสรางจากเหลกกลาหรอคอนกรตเสรมเหลก ทอสงนำอาจวางใตดนหรอบนดนกได และอาจมขอตอการขยาย (expansion joint) เพอรบมอกบการเคลอนตวของแนวทอเมอเวลาผานไป

ถาพจารณาสมดลพลงงานของทอสงนำ จะไดสมการดงนp1ρ

+1

2V 21 +

pLρ

= gH (11.2)

โดยท H คอ ระยะตามแนวตงจากระดบนำในเขอนถงทางออกจากทอสงนำ p1 คอ ความดนนำทางออกpL คอ ความดนสญเสย (pressure loss) ของการไหลในทอสงนำ และ V1 คอ ความเรวเฉลยของนำท

11.4. กงหนไฮดรอลก 225

ไหลออกจากทอสงนำซงคำนวณจากอตราการไหลหารดวยพนทหนาตดของทอ ประสทธภาพของทอสงนำคอ

ηp = 1− pLρgH

(11.3)

การไหลในทอทำใหเกดความดนสญเสยซงเปนสาเหตททำให ηp นอยกวา 1 ความดนสญเสยมคาลดลงเมอขนาดของทอเพมขนและความยาวของทอลดลง ดงนนทอสงนำมกมขนาดใหญเพอลดความดนสญเสยและเพมอตราการไหลของนำแตขนาดของทอถกจำกดดวยราคา นอกจากนการออกแบบทอสงนำควรลดความยาวของทอทไมจำเปนและหลกเลยงการวางทอแบบหกมมซงจะเพมความดนสญเสยในทอ อยางไรกตามทอสงนำมกเปนคาใชจายหลกของการกอสรางโรงไฟฟาพลงนำเนองจากทอสงนำมกมขนาดใหญและมความยาวมาก

การควบคมการไหลในทอสงนำใชวาลวซงตดตงใกลทางเขาเครองกงหนไฮดรอลก โรงไฟฟาพลงนำททำหนาทจายไฟใหภาระสงสดในระบบมความจำเปนตองเปลยนอตราการไหลตลอดเวลา ในชวงทภาระลดลงตำกวาภาระสงสดโรงไฟฟาจะหยดเดนเครองโดยการปดวาลว การปดวาลวอยางกระทนหนทำใหเกดสภาวะคลนกระแทก (water hammer) ซงเปนสภาวะทความดนนำในทอเพมขนอยางรวดเรวและอาจมากกวาความดนททอออกแบบใหรองรบได สภาวะดงกลาวจงอาจทำใหทอเสยหายไดจากการความดนภายใน ในทางกลบกนการเปดวาลวอยางกระทนหนนำไหลออกจากทอสงนำอยางรวดเรวจนอาจเกดสภาวะสญญากาศในทอซงทำใหทอเสยหายจากการยบตวลงไดเชนกน วธปองกนความเสยหายจากการเปลยนคลนกระแทกและการเกดสญญากาศในทอคอ การตดตงถงลดแรงดนนำททอสงนำหนาทอนของถงลดแรงดนนำคอ เปนทเกบนำทเกนความตองการของเครองกงหน จายนำเพมเตมใหเครองกงหนเมอมความตองการนำมากกวาปกตและลดการเปลยนแปลงความดนนำในทอสงนำ

ถงลดแรงดนนำมสามแบบ ถงลดแรงดนนำแบบธรรมดา (simple surge tank) เปนถงทรงกระบอกทมทางเขาขนาดเทาหนาตดของถง ถงตองมความสงเพยงพอสำหรบรองรบปรมาณนำทลนออกมาจากทอสงนำเมอปดวาลว ถงแบบนไมสามารถปองกนการเปลยนแปลงความดนในทออยางรวดเรวได ถงลดแรงดนนำแบบออรฟซ (orifice surge tank) มทางเขาขนาดเลกและสามารถรองรบการเปลยนแปลงความดนอยางรวดเรวในทอสงนำไดด ถงลดแรงดนนำแบบผลตาง (differential surge tank) เปนแบบผสมโดยมถงเลกอยในถงใหญ นำไหลจากทอสงนำเขาถงเลกผานออรฟซ นำทลนจากถงเลกจะไหลเขาถงใหญ จงไมมการสญเสยนำเหมอนสองแบบแรก รปท 11.2 แสดงถงลดแรงดนนำทงสามแบบ

11.4 กงหนไฮดรอลกกงหนไฮดรอลกมตนกำเนดจากกงหนนำท ใช เพอการเกษตร ในเวลาตอมาไดรบการพฒนาใหม

ประสทธภาพสงและมขนาดใหญขนจนสามารถใช ในโรงไฟฟาพลงนำทงขนาดเลกและขนาดใหญไดหลกการทำงานทวไปของกงหนไฮดรอลกคลายกบกงหนไอนำและกงหนกาซ แตกงหนไฮดรอลกกมลกษณะเฉพาะเนองจากของไหลในกงหนไฮดรอลกเปนนำ

รปท 11.3 แสดงการไหลของนำทมความดนสง (p1) และความเรวสง (V1) เขากงหนไฮดรอลก นำทไหลออกมความดนตำ (p2) และความเรวสง (V2) สมมตวา ทางเขาและทางออกอยระดบเดยวกน และ


รปท 11.2: ถงลดแรงดนนำ

ไมมการสญเสยพลงงานภายในกงหน สมการสมดลพลงงานของการไหลผานกงหนคอp1ρ

+1

2V 21 =

p2ρ

+1

2V 22 + E (11.4)

งานในอดมคตทไดจากกงหนไฮดรอลกจงมคาดงน

E =p1 − p2

ρ+

1

2

(V 21 − V 2

2

)(11.5)

ประสทธภาพของกงหนคำนวณจากηt =

Eact

E(11.6)

โดยท Eact คอ งานทไดจากกงหนจรง

รปท 11.3: สมดลพลงงานในกงหนไฮดรอลก

11.4.1 ประเภทของกงหนไฮดรอลกสมการ (11.5) แสดงใหเหนวา งานทไดจากกงหนไฮดรอลกมาจากสองสวนคอ ผลตางความดน

และผลตางพลงงานจลน ระดบปฏกรยา (reaction degree) ของกงหนคอ อตราสวนของงานสวนแรกตองานรวม

R =(p1 − p2)/ρ

E(11.7)


คา R เปนตวกำหนดประเภทของกงหนไฮดรอลก กงหนแรงดล (impulse turbine) มคา R เทากบศนยกงหนแรงปฏกรยา (reaction turbine) มคา R มากกวาศนย

กงหนแรงดลผลตงานพลงงานจลนของนำ นำท ไหลเขากงหนแรงดลมความดนบรรยากาศและความเรวสง นำทไหลออกมความเรวตำ กงหนแรงดลทสำคญคอ กงหนเพลตน (Pelton turbine) รปท11.4 แสดงลกษณะทวไปของกงหนเพลตน กงหนเปนวงลอขนาดใหญซงประกอบยดตดอยกบเพลาทตอกบเครองกำเนดไฟฟา ตามเสนรอบวงกงหนมใบพดรปถวยหลายใบ ลำนำจากทอสงนำไหลมายงหวฉด(nozzle) และพงออกไปปะทะใบพดทำใหเกดแรงกระทำตอใบพดซงทำใหกงหนหมนได จำนวนหวฉดมกมมากกวาหนงแตกมจำนวนไมมากเพราะลำนำทพงออกจากหวฉดหนงจะปะทะกบลำนำจากอกหวฉดถาอยใกลกนเกนไป หวฉดจะวางอยใกลตวกงหนเพอใหลดการกระจายของนำใหนอยทสด วาลวเขมฉด (needle valve) ทำหนาทควบคมอตราการไหลของนำทออกจากหวฉด อยางไรกตามการปดวาลวอยางรวดเรวจะทำใหเกดคลนกระแทกในทอสงนำ การหยดการทำงานของกงหนอยางกระทนหนจงไมใชวาลวเขมฉดเพยงอยางเดยว แตตองใชดเฟลกเตอร (deflector) เบนลำนำไปทศทางอน แลวจงคอยๆ ปดวาลว กอนทจะนำดเฟลกเตอรกลบสตำแหนงเดม

รปท 11.4: กงหนเพลตน

ใบพดของกงหนเพลตนถกออกแบบใหมสนตรงกลางดงแสดงในรปท 11.5 นำจากหวฉดจะพงตรงไปทสนใบพดและไหลออกไปทางซายและขวาเทา ๆ กน ผวดานในทรบนำของใบพดเปนรปเวาโคงในลกษณะททำใหนำทมาปะทะไหลกลบทศทาง พลงงานจลนในนำจะถายเทใหใบพดในรปของพลงงานกลจากการหมนของวงลอ ถาการถายเทพลงงานเปนไปอยางสมบรณและ θ = 180 ความเรวของนำเมอวกกลบจะลดลงเปนศนย (V2 = 0) ซงหมายความวาไมมพลงงานจลนหลงเหลอในนำทไหลออก และการแปลงพลงงานจลนของนำเปนพลงงานกลของกงหนเปนไปอยางสมบรณ อยางไรกตาม มม 180

ทำใหเกดปญหาในทางปฏบตคอ ลำนำออกจะปะทะกบลำนำเขา ดงนนใบพดจงถกออกแบบให θ มคาประมาณ 170 เทานน ผลทตามมาคอประสทธภาพสงสดของกงหนเพลตนจะนอยกวา 1 เนองจากนำทไหลออกยงคงมพลงงานจลนหลงเหลออย (V2 > 0)


รปท 11.5: ใบพดของกงหนเพลตน

การทลำนำจากหวฉดพงชนใบพดอยางรนแรงตอเนองเชนนจะทำใหเกดความเคนสงในโลหะทใชเปนวสดใบพด ในขณะเดยวกนใบพดเองกจะมแรงเหวยงหนศนยกลางทพยายามแยกใบพดออกจากวงลอและแกนเพลา ดงนนวสดทนำมาใชทำใบพดจงตองเปนวสดอยางดททนตอการสกกรอน นอกจากนผวดานทสมผสกบนำของใบพดควรเรยบทสดเพอลดความเสยดทานในขณะทนำไหลวกกลบ

กงหนแรงปฏกรยาผลตงานจากผลตางความดนและพลงงานจลนของนำ ดงนนนำทไหลเขากงหนจงตองเปนนำทมความดนสง กงหนจมนำอยในโครงหม (casing) สงนเปนขอแตกตางทสำคญระหวางกงหนแรงปฏกรยากบกงหนแรงดล กงหนแรงปฏกรยาทสำคญคอ กงหนฟรานซส (Francis turbine)และกงหนคาปลาน (Kaplan turbine)

รปท 11.6 แสดงลกษณะของกงหนฟรานซส เหนไดวา กงหนฟรานซสจมอยในนำขณะทำงานและอยในเปลอกหม ในทางตรงขามกงหนเพลตนไมจมนำและไมมอะไรหม สวนประกอบสำคญของกงหนฟรานซสคอ (1) โครงหมทสามารถทนความดนสง (2) ใบพดนำ (guide vane) หรอประตนำเขา (wicketgate) ซงทำหนาทเหมอนวาลวควบคมอตราการไหลของนำเขาสใบพดหมน นอกจากนหนาทอกประการหนงของใบพดนำคอ การปรบทศทางการไหลของนำใหเขาปะทะใบพดหมนทมมทเหมาะสม (3) ใบพดหมน (runner blade) ซงทำหนาทแปลงพลงงานศกยและพลงงานจลนของนำเปนพลงงานกลจากการหมน นำความดนสงจะไหลเขาใบพดหมนตามแนวรศมรอบวงแหวนของใบพดหมน หลงจากนนนำทออกจากใบพดหมนจะเปลยนทศทางการไหลเปนไหลออกตามแนวแกน

กงหนคาปลานมสวนประกอบหลกคลายกงหนฟรานซส แตมการออกแบบทแตกตางกน ใบพดหมนของกงหนคาปลานมลกษณะคลายใบจกร (propeller) ของเรอเดนสมทรและมจำนวนเพยง 4 ถง8 ใบพดซงนอยกวาจำนวนใบพดหมนของกงหนฟรานซสท เรยงตวอยรอบลอหมน รปท 11.7 แสดงลกษณะของกงหนคาปลาน ใบพดหมนปรบมมไดโดยใชเซอรโวมอเตอร (servo-motor) นำทไหลเขากงหนตามแนวรศมจะผานใบพดนำกอนเปลยนทศทางการไหลเปนการไหลตามแนวแกนและไหลผานใบพดหมนของกงหน การไหลเชนนแตกตางจากการไหลในกงหนฟรานซสซงนำจะไหลเขาตามแนวรศมแลวจงไหลออกตามแนวแกนหมน

สงหนงทปรากฏในรปท 11.6 และ 11.7 คอ อโมงคทายนำ (draft tube) ซงไมใชสวนประกอบของกงหนไฮดรอลก แตมกพบวามการตดตงอโมงคทายนำททางออกของกงหนแรงปฏกรยา ประโยชนของอโมงคทายนำคอ เพมงานทไดจากกงหนแรงปฏกรยา สมการ (11.5) แสดงใหเหนวาถากำหนดให p1


รปท 11.6: กงหนฟรานซส

รปท 11.7: กงหนคาปลาน

และ V1 มคาคงท E จะมคาเพมขนเมอ p2 และ V2 มคาลดลงโดยจะมคาสงสด

Emax =p1ρ

+1

2V 21 (11.8)

เมอ p2 = 0 และ V2 = 0 ในกรณทนำถกปลอยจากกงหนไฮดรอลกสสงแวดลอมโดยตรง p2 จะเทากบความดนบรรยากาศ นอกจากนดวยขอจำกดบางประการ V2 ของกงหนแรงดลและกงหนแรงปฏกรยาจะมคามากกวาศนย ดงนน E จะมคานอยกวา Emax ขอจำกดนไมสามารถแกไขไดในกรณของกงหนแรงดล แตสำหรบกงหนแรงปฏกรยา มความเปนไปไดทจะเพม E ใหมคาใกลเคยงกบ Emax โดยใชอโมงคทายนำ รายละเอยดเพมเตมจะกลาวถงในหวขอ 11.5

11.4.2 การเปรยบเทยบประสทธภาพของกงหนกงหนทงสามแบบมคณลกษณะตางกนและเหมาะกบสภาวะการใชงานทตางกน เครองกงหนไฮ-

ดรอลกถกเลอกใชตามสภาวะการใชงานเพอใหไดประสทธภาพสงสด ปจจยสำคญทสงผลตอประสทธ-


ภาพของกงหนไฮดรอลกไดแก ระดบนำหรอเฮด (head) ของแหลงนำ ความเรวจำเพาะ (specificspeed) และภาระของกงหน

• กงหนคาปลานเหมาะกบเฮดตำ (นอยกวา 60 m) กงหนฟรานซสเหมาะกบเฮดปานกลาง (60-350 m) และกงหนเพลตนเหมาะกบเฮดสง (มากกวา 350 m) อยางไรกตามในบางชวงของเฮดอาจมกงหนทเหมาะสมมากกวาหนงแบบ ซงตองใชปจจยอนประกอบการเลอกกงหน

• ประสทธภาพของกงหนไฮดรอลกขนกบเฮด (H) กำลงงาน (P ) และความเรวรอบ (N ) ตวแปรเพลานรวมกนเปนตวแปรทเรยกวา ความเรวจำเพาะ

Ns =N√P

H5/4(11.9)

โดยทN มหนวยเปนรอบตอนาท (rpm) P มหนวยเปน kW และH มหนวยเปน m ชวงความเรวจำเพาะของกงหนไฮดรอลกอยระหวาง 4 ถง 1100 กงหนแตละแบบเหมาะกบการใชงานในชวงความเรวจำเพาะทตางกน ความเรวจำเพาะทสงหมายถงขนาดเครองกงหน เครองกำเนดไฟฟาและหองเครองท เลก ดงนนตามปกตกงหนท เลอกใชควรทำงานไดดทความเรวจำเพาะสง รปท 11.8 แสดงใหเหนวาประสทธภาพของกงหนขนกบความเรวจำเพาะ โดยกงหนเพลตนเหมาะกบความเรวจำเพาะตำ กงหนฟรานซสเหมาะกบความเรวจำเพาะปานกลาง และกงหนคาปลานเหมาะกบความเรวจำเพาะสง

รปท 11.8: การเปลยนแปลงประสทธภาพของกงหนสามประเภทตามความเรวจำเพาะ

• โรงไฟฟาพลงนำอาจถกใชงานเปนโรงไฟฟาภาระสงสดซงหมายความวา กงหนจะทำงานทภาระตำกวา 100% ผลกระทบของภาระตอประสทธภาพจงเปนสงทไมอาจมองขามไดในการพจารณาเปรยบเทยบกงหน รปท 11.9 แสดงผลของการเปลยนภาระของกงหนทมตอประสทธภาพ กงหนคาปลานมประสทธภาพสงในชวงภาระทกวาง กงหนเพลตนทำงานไดดในชวงภาระทแคบกวาใบจกร (propeller) ในรปนหมายถงใบพดทปรบมมไมได (fixed-blade) ซงมประสทธภาพตำกวากงหนหลกทงสามแบบ

11.5. อโมงคทายนำ 231

รปท 11.9: การเปลยนแปลงของประสทธภาพกงหนตามภาระ

11.4.3 ระบบควบคมเครองกงหนเครองกงหนไฮดรอลกทปราศจากการควบคมจะมความเรวรอบเพมขนเมอภาระลดลงจนความเรว

รอบอาจเพมขนถงความเรวสงสด (runaway speed) ซงอาจทำใหเครองกงหนเสยหายได ในทางตรงขามภาระทสงขนจะลดความเรวรอบของเครองกงหน รปท 11.10 แสดงระบบควบคมเครองกงหน (tur-bine governing system) ซงทำหนาทควบคมความเรวรอบของเครองกงหนใหคงทเมอภาระเปลยนโดยการเปลยนอตราการไหลของนำ ตวควบคมของระบบเรยกวา กฟเวอรเนอรความเรว (speed gov-ernor) ซง เปนตวควบคมแบบไฟฟาไฮดรอลก (electro-hydraulic governor) สญญาณไฟฟาจากเซนเซอรความเรว (speed sensor) ซงวดความเรวรอบของกงหนจะถกสงไปกฟเวอรเนอร ถาความเรวทวดไดนแตกตางกบความเรวของจดปรบตง กฟเวอรเนอรจะสงสญญาณไฮดรอลกไปทอปกรณควบคม(actuator) ซงจะขยายสญญาณไฮดรอลกทสงไปยงเซอรโวมอเตอรใหปรบตำแหนงของวาลวเขมฉด(สำหรบกงหนเพลตน) หรอใบพดนำ (สำหรบกงหนฟรานซสและกงหนคาปลาน) เพอควบคมอตราการไหลของนำเขาใบพดหมน (runner) ระบบนสามารถควบคมความเรวรอบอยางแมนยำและมการควบคมแบบปอนกลบโดยใชตำแหนงของวาลวเขมฉดหรอใบพดนำเพอความมเสถยรภาพของระบบ

11.5 อโมงคทายนำอโมงคทายนำคอ ทอขนาดใหญซงทำหนาทรบนำหลงจากทนำผานออกมาจากกงหนเพอนำนำออก

จากโรงไฟฟา ทอนอาจทำเปนทอทรงกรวยตรงหรอเปนของอฝงอยทคอนกรตกได สมการ (11.5) แสดงใหเหนวา E จะนอยกวา Emax ในสมการ (11.8) ถานำถกปลอยออกจากกงหนไฮดรอลกสบรรยากาศเพราะ p2 เทากบศนย แต V2 มากกวาศนย การปรบปรงใหกงหนแรงปฏกรยามสมรรถนะสงสามารถกระทำไดโดยการตดตงอโมงคทายนำตรงทางออกของกงหน รปท 11.11 แสดงการตดตงอโมงคทายนำ


รปท 11.10: ระบบควบคมเครองกงหน

ทมความสง z ดานลางของกงหนแรงปฏกรยา กำหนดให 1 คอ นำทไหลเขาเครองกงหน 2 คอ ตำแหนงของนำทไหลออกจากกงหนเขาสอโมงคทายนำ และ 3 คอ ตำแหนงของนำทไหลออกจากอโมงคทายนำสมมตวาไมมความดนสญเสยในการไหลภายในอโมงคทายนำและความเรวของนำทไหลออกจากอโมงคทายนำเทากบศนย สมดลพลงงานระหวาง 1 กบ 3 นำไปสงานในอดมคตทไดจากกงหน

E =p1 − p3

ρ+

1

2

(V 21 − V 2

3

)(11.10)

นำทออกจากอโมงคทายนำมความดนบรรยากาศ ดงนน p3 = 0 นอกจากนการออกแบบอโมงคทายนำอยางเหมาะสมทำใหความเรวของนำทไหลออกจากมคานอย (V3 ≈ 0) ดงนน E จะมคาใกลเคยง Emax

โปรดสงเกตวา E ไมขนกบ z ดงนนกงหนสามารถตดตงสงจากระดบพนดนเทาไรกไดเพอความสะดวกในการเดนเครองและบำรงรกษาโดยไมสงผลตองานของกงหน

รปท 11.11: การไหลในอโมงคทายนำ

การพจารณาสมดลพลงงานระหวาง 2 กบ 3 ใหสมการตอไปน

p2ρ

+V 22

2+ gz =

V 23

2

11.6. โรงไฟฟาพลงนำแบบสบกลบ 233

p2 = −[ρgz +

1

2ρ(V 22 − V 2

3

)](11.11)

สมการ (11.11) แสดงใหเหนวา p2 มคานอยกวาศนยเพราะ z มากกวาศนยและ V2 มากกวา V3 การออกแบบอโมงคทายนำเพอให E มคามากขนจะสงผลให p2 มความเปนสญญากาศมากขน p2 ไมอาจมคานอยเกนไปไดเพราะจะทำใหเกดโพรงในของเหลว (cavitation)

นำเปลยนสถานะจากของเหลวเปนไอเมอความดนของนำลดลงถงความดนไอ (vapor pressure)ซงขนกบอณหภม การทำใหนำเดอดอาจแบงสองวธ วธแรกคอ เพมอณหภมแตไมเปลยนความดน นำทความดนบรรยากาศ (101.3 kPa) เดอดทอณหภม 100C เนองจากความดนไอทอณหภมน เทากบความดนบรรยากาศ วธทสองคอ ลดความดนแตไมเปลยนอณหภม สมมตวานำมอณหภม 27C ถาลดความดนของนำจากความดนบรรยากาศไปท 3.54 kPa นำกจะเดอดเนองจากความดนนคอความดนไอทอณหภม 27C โพรงในของเหลวเกดจากการทความดนของนำนอยมากจนเกดฟองไอเกาะทผวของของแขงซงอาจเปนใบพดของเครองกงหนไฮดรอลก แตเมอใบพดเคลอนทไปยงตำแหนงทความดนมากกวาความดนไอ ฟองจะยบตวลงอยางรวดเรว ทำใหมความดนสง ณ จดทฟองยบตวซงอาจสงถง 7000 atm ปรากฏการณนเปนตวกดกรอนโลหะของกงหน อกทงยงทำใหเกดเสยงดงและการสนสะเทอน นอกจากนฟองไอทหลดจากผวใบพดกจะไปขดขวางการไหลของนำและทำใหอตราการไหลของนำตำกวาทควรจะเปนซงสงผลใหกำลงงานทผลตโดยกงหนนอยลง ดงนนโพรงในของเหลวจงเปนสงทควรปองกนไมใหเกดขนในกงหนไฮดรอลก

จดทความดนตำทสดในกงหนไฮดรอลกคอ ทางออกจากกงหน กงหนแรงดลไมมปญหาการเกดโพรงในของเหลวเพราะความดนทางออกมคาใกลเคยงกบความดนทางเขา แตกงหนแรงปฏกรยาทมการตดตงอโมงคทายนำมความเสยงทจะเกดปญหาโพรงในของเหลวไดเนองจาก p2 อาจมคานอยกวาpv − patm โดย pv คอ ความดนไอ และ patm คอ ความดนบรรยากาศ สมการ (11.11) แสดงใหเหนวาถาตองการให p2 มคามากเพอหลกเลยงการเกดโพรงในของเหลว กงหนแรงปฏกรยาจะตองอยทระดบทไมสงมากนกจากระดบพนดนและความเรวของนำทไหลออกจากอโมงคทายนำตองไมนอยเกนไป

11.6 โรงไฟฟาพลงนำแบบสบกลบโดยทวไปการสะสมพลงงานไฟฟาโดยโรงไฟฟาไมเปนทนยมเพราะมตนทนสง แตการสะสมพลงงาน

มขอดททำใหการใชโรงไฟฟามประสทธภาพมากขน โรงไฟฟาภาระหลกทเดนเครองไมเตมทในชวงความตองการไฟฟาตำเปนสาเหตททำใหแฟกเตอรความสามารถของโรงไฟฟาตำ ถาโรงไฟฟาสามารถเดนเครองมากขนในชวงเวลาดงกลาวกจะเพมแฟกเตอรความสามารถและลดตนทนการผลตไฟฟา ไฟฟาทผลตไดจะสะสมไวในรปอนและนำมาใชในชวงเวลาทระบบมความตองการไฟฟาสง การสะสมพลงงานไฟฟาเปนพลงงานศกยของนำในทสงอาจมความคมคาเชงเศรษฐศาสตรซงเปนเหตผลหนงทมการสรางโรงไฟฟาพลงนำแบบสบกลบหลายแหงในโลกรวมทงในประเทศไทย

โรงไฟฟาพลงนำแบบสบกลบมลกษณะทวไปคลายโรงไฟฟาพลงนำแบบมอางเกบนำดงแสดงในรปท 11.12 สวนประกอบทเพมเตมขนมาคอ อางเกบนำหลงจากนำไหลออกจากเครองกงหนไฮดรอลก โรงไฟฟาพลงนำแบบสบกลบอาจมระบบผลตไฟฟาซงมเครองกงหนและเครองกำเนดไฟฟาแยกจากระบบสบนำซงมเครองสบและมอเตอรสำหรบการสบนำจากอางเกบนำดานลางไปอางเกบนำดานบน ระบบ


ผลตไฟฟาและระบบสบนำตางกมประสทธภาพไมถง 100% ซงหมายความวามการสญเสยพลงงานในระบบทงสองและพลงงานไฟฟาทผลตไดโดยโรงไฟฟาพลงนำแบบสบกลบจะไมเพยงพอกบการสบนำโรงไฟฟาพลงนำแบบสบกลบจงไมสามารถทำงานไดดวยตวมนเองแตตองอาศยพลงงานจากโรงไฟฟาอน

รปท 11.12 แสดงให เหนวาถาเครองกงหนทำหนาท เปนเครองสบไดและเครองกำเนดไฟฟาทำหนาทเปนมอเตอรไดระบบผลตไฟฟาและระบบสบนำกจะรวมเปนระบบเดยวซงใชทอรวมกนและทำใหคาใชจายในการกอสรางโรงไฟฟาลดลงอยางมากเนองจากมอปกรณนอยลงและใชทอนอยลง อปกรณทเปนไดทงเครองกงหนและเครองสบเรยกวาเครองสบผสมเครองกงหน (pump-turbine) สวนอปกรณทเปนไดทงเครองกำเนดไฟฟาและมอเตอรเรยกวามอเตอรผสมเครองกำเนดไฟฟา (motor-generator)

รปท 11.12: โรงไฟฟาพลงนำแบบสบกลบ

เครองสบผสมเครองกงหนมลกษณะคลายกงหนฟรานซสแตใบพดคลายใบพดของเครองสบแบบหอยโขง (centrifugal pump) จากการทอปกรณน เปนการผสมผสานระหวางเครองกงหนและเครองสบ ประสทธภาพสงสดของอปกรณจงนอยกวาประสทธภาพของเครองกงหนและเครองสบซง นอกจากนความเรวรอบทใหประสทธภาพสงสดขณะผลตไฟฟายงนอยกวาความเรวรอบทใหประสทธภาพสงสดขณะสบนำ ความเรวรอบทเลอกใชจงอาจอยระหวางความเรวรอบสองคาน แตถาใชมอเตอรผสมเครองกำเนดไฟฟาททำงานไดทสองความเรวรอบกจะแกปญหานได กลาวคอ เมอตองการสบนำขน เครองสบและมอเตอรจะทำงานทความเรวรอบคาหนง และเมอตองการผลตไฟฟา เครองกงหนและเครองกำเนดไฟฟาจะทำงานทความเรวรอบอกคาหนง

โรงไฟฟาพลงนำแบบสบกลบทใหญทสดในประเทศไทยตงอยทเขอนลำตะคอง จงหวดนครราชสมาอางเกบนำตอนบนเปนอางเกบนำทสรางขนใหมโดยใชหนถมลาดดวยยางมะตอยเพอปองกนนำซมออกจากอาง อางเกบนำตอนลางคอ อางเกบนำลำตะคองทมอยแลว เฮดอยระหวาง 620-660 m โรงไฟฟาตงอยลกจากผวดนประมาณ 350 m ภายในโรงไฟฟาตดตงเครองสบผสมเครองกงหนและมอเตอรผสมเครองกำเนดไฟฟาขนาด 250 MW รวม 4 เครอง

11.6. โรงไฟฟาพลงนำแบบสบกลบ 235

คำถามทายบท1. ระบขอดของโรงไฟฟาพลงนำมาสามขอ

2. สวนประกอบใดของโรงไฟฟาพลงนำแปลงพลงงานศกยของนำเปนพลงงานจลน

3. โรงไฟฟาพลงนำแหงหนงไดรบนำจากระดบความสง 100 m ถานำไหลผานเครองกงหนนำดวยอตราการไหล 3.6× 105 kg/h อยากทราบวาโรงไฟฟาแหงนจะผลตไฟฟาไดไมเกนเทาไร

4. เขอนสวนใหญในประเทศไทยเปนเขอนแบบใด

5. เขอนเขอนสรกตเปนเขอนประเภทใด

6. เขอนใดในประเทศไทยมกำลงการผลตไฟฟาสงทสด

7. อปกรณใดทำหนาทปองกนการเปลยนแปลงความดนอยางกระทนหนในทอสงนำ

8. สภาวะคลนกระแทกหมายถงอะไร

9. ระบขอแตกตางระหวางกงหนแรงดลและกงหนแรงปฏกรยา

10. ใบพดของกงหนเพลตนมลกษณะอยางไร

11. ดเฟลกเตอรทำหนาทอะไรในกงหนเพลตน

12. อธบายความแตกตางระหวางกงหนฟรานซสกบกงหนคาปลาน

13. อปกรณใดทำหนาทควบคมอตราการไหลของนำเขากงหนฟรานซส

14. กงหนแบบใดเหมาะกบการทำงานทเฮดตำกวา 60 m

15. ทำไมกงหนคาปลานจงมประสทธภาพสงกวาใบจกร

16. สภาวะโพรงในของเหลวสงผลเสยอยางไร

17. จดใดในโรงไฟฟาพลงนำทใชกงหนแรงปฏกรยามความเสยงตอการเกดสภาวะโพรงในของเหลวมากทสด

18. อโมงคทายนำทำหนาทอะไร

19. เครองสบผสมเครองกงหนทใชในโรงไฟฟาพลงนำแบบสบกลบมลกษณะคลายกงหนแบบใด

20. โรงไฟฟาพลงนำแบบสบกลบของประเทศไทยตงอยทใด

บทท 12

โรงไฟฟานวเคลยร

12.1 สญลกษณนวเคลยรและไอโซโทปอะตอมประกอบดวยนวเคลยสซงมขนาดใหญ นำหนกมากและประจบวก และอเลกตรอนซงม

ขนาดเลก นำหนกเบาและประจลบ อเลกตรอนโคจรรอบนวเคลยส (nucleus) ทอยนง ตวนวเคลยสเองประกอบดวยนวตรอนและโปรตอนซงเรยกโดยรวมวา นวคลออน (nucleon) นวตรอนไมมประจประจของโปรตอนมขนาดเทากบประจของอเลกตรอนแต เปนบวก จำนวนโปรตอนในอะตอมเทากบจำนวนอเลกตรอน ซงทำใหอะตอมมสมบตเปนกลางทางไฟฟา มวลนวตรอน (mn) คอ 1.008665 amuมวลโปรตอน (mp) คอ 1.007277 amu และมวลอเลกตรอน (me) คอ 0.0005486 amu โดย amu ยอมาจาก atomic mass unit มคาเทากบ 1.66 × 10−27 kg โดยประมาณ ดงนนมวลเกอบทงหมดของอะตอมคอมวลของนวเคลยสเพราะมวลของนวตรอนและโปรตอนมากกวามวลของอเลกตรอนมาก

ธาตตางชนดกนมจำนวนโปรตอนตางกน ตวอยางเชน H มโปรตอน 1 ตว He มโปรตอน 2 ตว และC มโปรตอน 12 ตว จำนวนของโปรตอนเรยกวาเลขอะตอม (atomic number หรอ Z) จำนวนของนว-คลออนเรยกวาเลขมวล (mass number หรอ A) ดงนนจำนวนนวตรอนจงเทากบผลตางระหวางเลขมวลกบเลขอะตอม (A−Z) สญลกษณนวเคลยร (nuclear symbol) คอ A

ZX โดยท X เปนสญลกษณของธาต ตวอยางเชน 1

1H เปนสญลกษณนวเคลยรของไฮโดรเจน 42He เปนสญลกษณนวเคลยรของฮเลยม

และ 126C เปนสญลกษณนวเคลยรของคารบอน อนภาคอนทไมใชอะตอมกมสญลกษณนวเคลยรเชนกน

อเลกตรอนมสญลกษณ 0−1e อเลกตรอนไมมนวคลออนแตเลขอะตอมเทากบ -1 หมายความวา ประจ

ของอเลกตรอนตรงขามกบประจของโปรตอน นวตรอนมสญลกษณ 10n ซงหมายความวานวตรอนมนวคลออน 1 ตวซงกคอ ตวนวตรอนนนเอง อยางไรกตาม ในกรณของอนภาคทไมมประจ ไมมโปรตอนและไมมนวตรอน เชน นวตรโน (neutrino) สญลกษณนวเคลยรคอ 0

0ν ซงอาจเขยนแบบไมมตวหอยและตวยกเปน ν เพอความสะดวก

ธาตทกชนดมหลายไอโซโทป (isotope) โดยแตละไอโซโทปมเลขอะตอมเทากนแตมเลขมวลตางกน ตวอยางเชน ไฮโดรเจน (11H) มโปรตอน 1 ตวแตไมมนวตรอน ในขณะทดวเทอเรยม (21H) ซงเปนไอโซโทปของไฮโดรเจน มโปรตอนและนวตรอนอยางละหนงตว และทรเทยม (tritium) (31H) ซงเปนอกไอโซโทปของไฮโดรเจน มโปรตอน 1 ตวและนวตรอน 2 ตว สญลกษณนวเคลยรอาจเขยนอยางยอวาX-Z แตใหความหมายครบถวนเหมอนสญลกษณเตมเนองจากธาต X มเลขอะตอมเปนเอกลกษณของ

238 บทท 12. โรงไฟฟานวเคลยร

ตวมนเองซงหาดไดจากตารางธาต (periodical table) ตวอยางของสญลกษณนวเคลยรอาจเขยนอยางยอไดแก He-3 ซงหมายถง 3

2He และ U-235 ซงหมายถง 23592U อยางไรกตาม สญลกษณอยางยอของ

ดวเทอเรยมและทรเทยมไมนยมเขยนตามหลกดงกลาว แตนยมใชตวอกษร D และ T ตามลำดบธาตตาง ๆ ในธรรมชาตมไอโซโทปหลกเพยงหนงไอโซโทปซงมปรมาณในธรรมชาตมากกวาไอโซโทป

อนคอนขางมาก ตวอยางเชน สดสวนโดยมวลของ U-235, U-238 และ U-234 ในยเรเนยมทพบในธรรมชาตคอ 99.282%, 0.712% และ 0.006% ตามลำดบ ไอโซโทปบางตวไมปรากฏในธรรมชาตแตสงเคราะหขนมาไดในหองปฏบตการหรอในปฏกรยานวเคลยร ถงแมวาไอโซโทปของยเรเนยมทพบในธรรมชาตมเพยง 3 ไอโซโทปแตถารวมทสงเคราะหขนมาแลวมตงแต U-227 ถง U-240 ไอโซโทปอาจอยในรปของสารประกอบเชน นำทพบในธรรมชาตประกอบดวย นำมวลเบา (H2O) และนำมวลหนก(D2O) สดสวนโดยมวลของนำมวลหนกในนำธรรมชาตประมาณ 1 สวนใน 3200 สวน ซงหมายความวาถานำนำจากแหลงธรรมชาตมาผานกระบวนแยกเชงนวเคลยรจะไดนำมวลหนกประมาณ 0.03%

ไอโซโทปทตางกนของธาตเดยวกนมสมบตทางเคมเหมอนกน แตนำหนกตางกน โมเลกลทเกดจากไอโซโทปทตางกนของธาตเดยวกนกมสมบตทางเคมเหมอนกน แตสมบตทางกายภาพจะแตกตางกนตวอยางเชน H2O และ D2O มสมบตทางเคมทเหมอนกนทกประการ แตสงทตางกนคอ จดเยอกแขงจดเดอด ความหนาแนน ความหนด เปนตน ดงนนกระบวนการทางเคมจงไมสามารถแยก D2O ออกจาก H2O ได การแยกนวเคลยสของไอโซโทปทตางกนของธาตเดยวกน หรอการแยกโมเลกลทประกอบดวยไอโซโทปตางกนตองใชสมบตทางกายภาพทตางกนของไอโซโทป

12.2 ปฏกรยานวเคลยรกระบวนการทโมเลกลสองโมเลกลทำปฏกรยากนเปนโมเลกลใหมเรยกวา ปฏกรยาเคม ตวอยางเชน

C+ O2 −→ CO2

เปนปฏกรยาเคมระหวาง C และ O2 จะเหนทงสองโมเลกลเกดการเปลยนแปลงทางเคมจากการรวมตวกน เปน โมเลกล ใหม การรวมตวกนน แทท จรง เปนการแลกเปลยนอเลกตรอนในวง โคจรนอกสดหรอวาเลนซอเลกตรอน (valence electron) แตไมมการเปลยนแปลงทนวเคลยส ดงนนจงไมมการเปลยนแปลงของธาตในปฏกรยาเคม ผลทตามมากคอมวลของสารตงตนและเทากบมวลของสารผลผลต

ในปฏกรยานวเคลยรมการเปลยนแปลงระดบนวเคลยส ทำใหธาตผลผลตตางจากธาตตงตน ตวอยางเชน A1

Z1K ทำปฏกรยานวเคลยรกบ A2Z2L ได A3

Z3M และ A4Z4N

A1Z1K+A2

Z2 L −→A3Z3 M+A4

Z4 N

ปฏกรยานวเคลยรไมมการอนรกษมวลเหมอนปฏกรยาเคม อยางไรกตามผลรวมของเลขอะตอมและผลรวมของเลขมวลจะไมเปลยนแปลงในปฏกรยานวเคลยร ดงนนการทำสมดลจงใชสมการตอไปน

Z1 + Z2 = Z3 + Z4

A1 +A2 = A3 +A4

12.3. เสถยรภาพทางนวเคลยร 239

ตวทำปฏกรยาและผลผลตของปฏกรยานวเคลยรอาจเปนอนภาคอนทไมใชนวเคลยสของอะตอม

ตวอยาง อยากทราบวาธาต X ในปฏกรยานวเคลยรขางลางนคออะไร2713Al+ 4

2He −→3014 Si+ A

ZX

วธทำ

13 + 2 = 14 + Z

Z = 1

27 + 4 = 30 +A

A = 1

ธาตทมเลขมวล 1 และเลขอะตอม 1 คอ 11H หรอไอโซโทปหลกไฮโดรเจนนนเอง บางครงเราอาจเรยก

11H วา โปรตอนซงมสญลกษณ 11p

12.3 เสถยรภาพทางนวเคลยรมวลของนวคลออนของอะตอมหนงรวมกนจะมคามากกวามวลของอะตอมนน ผลตางของมวลเรยก

วามวลพรอง (mass defect) ในกรณของ AZX มวลพรองมคาเทากบ

∆m = (A− Z)mn + Z(mp +me)−mX (12.1)

มวลพรองนเทยบเทากบพลงงานตามกฎของไอนสไตน (Einstein’s law)

∆E = ∆mc2 (12.2)

โดยท ∆m มหนวยเปน kg และ c คอความเรวแสงในสญญากาศซง เทากบ 3.00 × 108 m/s โดยประมาณ พลงงาน ∆E นเรยกวาพลงงานยดเหนยว (binding energy) ของนวเคลยสเพราะมนทำหนายดโปรตอนและนวตรอนเขาดวยกน ถาตองการแยกโปรตอนและนวตรอนของนวเคลยสใดใหเปนอสระกตองใหพลงงานยดเหนยวแกนวเคลยสนนเพอใหมนสลายตว เนองจาก 1 amu = 1.66 × 10−27 kgมวลพรอง 1 amu จงเทยบเทากบ 1.494 ×10−11 J หรอ 931 MeV

พลงงานยดเหนยวตอนวคลออนกำหนดเสถยรภาพของนวเคลยส ในกรณของ 42He มวลของนว-

เคลยสเทากบ 4.00277 amu ดงนน ∆m เทากบ 0.03037 amu ซงเทยบเทากบ ∆E = 27.1 MeVเนองจาก 4

2He มนวคลออน 4 ตว ดงนนพลงงานยดเหนยวตอนวคลออนเทากบ 6.78 MeV รปท12.1 เปรยบเทยบพลงงานยดเหนยวตอนวคลออนของนวเคลยสตาง ๆ พลงงานยดเหนยวตอนวคลออนจะเพมขนอยางรวดเรวตามเลขมวลจนมคามากสดทเลขมวลประมาณ 40 กอนทจะลดลงอยางชา ๆนวเคลยสทมพลงงานยดเหนยวตอนวคลออนสงจะมเสถยรภาพสงกวานวเคลยสทมพลงงานยดเหนยวตอนวคลออนตำ ดงนนธาตทมเลขมวลปานกลางเชน Fe, Co และ Ni จงมเสถยรภาพสง ในทางตรงขาม


รปท 12.1: พลงงานยดเหนยวตอนวคลออนของธาตตาง ๆ

ธาตทมเลขมวลสง ๆ จะมคาพลงงานยดเหนยวตอนวคลออนคอนขางตำ คอนอยกวา 7.5 MeV โดยประมาณ นวเคลยสของธาตเหลานตองการพลงงานกระตนเพยง 7.5 MeV เพอใหนวตรอนแยกตวออกมา

11H มพลงงานยดเหนยวเปนศนยเพราะมนวคลออนเพยงหนงตว ดงนน 1

1H จงอาจรวมตวกนเพอเปน 4

2He ซงม เสถยรภาพมากขน กระบวนการน เรยกวา ฟวชน (fusion) ฟวชนทำใหมพลงงานถกปลดปลอยออกมา ซงหลกการผลตพลงงานนวเคลยรจาก 1

1H พลงงานแสงอาทตยมทมาจากฟวชนในดวงอาทตย แตการทำให เกดฟวชนบนโลกเพอผลตพลงงานในปรมาณมากยงไมประสบความสำเรจกระบวนการทตรงขามกบฟวชนคอ ฟชชน (fission) ซงหมายถงการแตกตวของธาตหนกทมเสถยรภาพตำ เปนธาตขนาดกลางสองธาตทม เสถยรภาพมากขน ฟชชนใหพลงงานในปรมาณมากและสามารถควบคมใหผลตพลงงานไฟฟาได โรงไฟฟานวเคลยรทกโรงผลตไฟฟาดวยฟชชน

12.4 กมมนตภาพรงสโดยทวไปไอโซโทปหลกของธาตเบาจะมเสถยรภาพสง ในขณะทไอโซโทปอนทมอยนอยในธรรมชาต

จะม เสถยรภาพตำ นอกจากน ไอโซโทปทกตวของธาตหนกกม เสถยรภาพตำ เชนกน นวเคลยสท มพลงงานยดเหนยวตอนวคลออนตำมสมบตเปนสารกมมนตรงส (radioactive matter) จะแผกมมนต-ภาพรงสเพอจะไดกลายเปนนวเคลยสทม เสถยรภาพมากขน การแผกมมนตภาพรงสจะเกดขนพรอมกบการปลดปลอยพลงงานเนองจากมมวลบางสวนหายไป และกลายเปนพลงงานตามกฎของไอนสไตนกมมนตภาพรงสทสำคญไดแก

1. รงสแกมมา (gamma ray)

12.4. กมมนตภาพรงส 241

รงสแกมมานบเปนคลนแมเหลกไฟฟาทมความยาวคลนตำและพลงงานสง นวเคลยสทอย ในสภาวะถกกระตน (excited state) จะแผรงสแกมมาออกมาเพอกลบสสภาวะปกต (groundstate) (

AZX)∗

−→ AZX+ γ

รงสแกมมามความสามารถในการทะลทะลวงสงสดเนองจากไมมมวล

2. รงสเบตา (beta ray)รงส เบตาคอ อเลกตรอนทมความเรวสง แตความสามารถในการทะลทะลวงของรงส เบตาตำกวารงสแกมมา การปลดปลอยอเลกตรอนทำใหเลขอะตอมของนวเคลยสเพม 1 แตเลขมวลไมเปลยน รงสเบตามกถกปลดปลอยออกมาพรอมกบอนภาคนวตรโนและรงสแกมมา เชน

6027Co −→ 60

28Ni+ 0−1 e+ ν + γ

กมมนตภาพรงสในปฏกรยานมทงรงสเบตาและรงสแกมมา อนภาคนวตรโนไมทำปฏกรยากบสสารใด จงไมจดเปนกมมนตภาพรงส

3. รงสอลฟา (alpha ray)รงสอลฟาคอ นวเคลยสของฮเลยม รงสอลฟามกเกดขนพรอมกบรงสแกมมา เชน

23994Pu −→ 235

92U+42 He+ γ

เนองจากนวเคลยสของฮเลยมมขนาดใหญกวาอเลกตรอน รงสอลฟาจงมความสามารถในการทะลทะลวงตำกวารงสเบตา

อตราการแผกมมนตรงสขนอยกบจำนวนนวเคลยสกมมนตรงสทเวลานน แตไมขนกบปจจยอนเชนอณหภม ความดน หรอสถานะของสาร กำหนดให N(t) เปนจำนวนนวเคลยสกมมนตรงสทเวลา t

−dN

dt= λN (12.3)

โดยท λ คอคาคงทการสลายตว (decay constant) มหนวยเปน s−1 ผลเฉลยของสมการ (12.3) คอ

N(t) = N(0)e−λt (12.4)

โดยท N(0) เปนจำนวนเรมตนนวเคลยสกมมนตรงสอตราการสลายตวมกบงบอกดวยครงชวต (half-life) ของนวเคลยสกมมนตรงส ครงชวตคอ เวลา

ท ใช ในการสลายตวของนวเคลยสกมมนตรงส จำนวนครงหนงของจำนวนนวเคลยส เรมตน ครงชวตสามารถคำนวณไดจากสมการ (12.4) โดยให t = t1/2 ซงเปนครงชวตและ N(t1/2) = 0.5N0

0.5N0 = N(0)eλt1/2


ตารางท 12.1: ตวอยางของนวเคลยสกมมนตรงส

นวเคลยส ครงชวต กมมนตภาพรงส พลงงานทได (MeV)C-14 5715 ป เบตา 0.156N-16 7.13 วนาท เบตา, แกมมา 4.24 (เบตา), 6.129 (แกมมา)P-32 14.28 วน เบตา 1.170K-40 1.25 ×109 ป เบตา 1.312Co-60 5.271 ป เบตา, แกมมา 0.315 (เบตา), 1.332 (แกมมา)Sr-90 29.1 ป เบตา 0.546I-131 8.021 วน เบตา, แกมมา 0.606 (เบตา), 0.364 (แกมมา)Xe-135 9.10 ชวโมง เบตา, แกมมา 0.910 (เบตา), 0.250 (แกมมา)Cs-137 30.2 ป เบตา, แกมมา 0.514 (เบตา), 0.662 (แกมมา)Rn-222 3.823 วน อลฟา, แกมมา 5.490 (อลฟา), 0.510 (แกมมา)U-235 7.40 ×108 ป อลฟา 4.152U-238 4.47 ×109 ป อลฟา 4.040Pu-239 2.41 ×104 ป อลฟา 5.055

=⇒ t1/2 =0.6931

λ(12.5)

ผลทไดแสดงใหเหนวาครงชวตเปนสดสวนผกผนกบคาคงทการสลายตว ไอโซโทปตางกนมคา λ และt1/2 ตางกน ตารางท 12.1 แสดงครงชวตของนวเคลยสกมมนตรงสบางตว กมมนภาพรงสทเกดขน และพลงงานทไดจากแผกมมนตภาพรงส

ตวอยาง จงหาจำนวนนวเคลยสของ Co-60 หลงจากเวลาผานไป 3 ป ถาจำนวนเรมตนคอ 1000นวเคลยส

วธทำตารางท 12.1 แสดงใหเหนวา t1/2 ของ Co-60 คอ 5.271 ป คา λ ไดจากสมการ (12.5)

λ =0.6931

t1/2

แทนคา λ ในสมการ (12.4)

N(t) = N(0) exp(−0.6931t

t1/2

)

= 1000× exp(−0.6931× 3

5.271

)= 674

12.5. ฟชชน 243

12.5 ฟชชนปฏกรยานวเคลยรทสำคญตอการผลตไฟฟาเกดจากการทนวตรอนพงชนนวเคลยสของธาตหนก

เชน U-235, U-238, Pu-239 และ Th-232 เปนตน นวเคลยสจะแตกตวเปนนวเคลยสขนาดกลางสองตวพรอมกบปลอยนวตรอนออกมา 2-3 ตว ปฏกรยาลกษณะนเรยกวา ฟชชน (fission) สมการฟชชนอาจเขยนไดดงน

AZX+ 1

0n −→ A1Z1

F1 + A2Z2

F2 +m10n

โดยท AZX คอ นวเคลยสของธาตหนก A1Z1

F1 และ A2Z2

F2 คอ นวเคลยสของธาตขนาดกลาง และ m คอจำนวนของนวตรอน

ธาตหนกทใชเปนเชอเพลงของโรงไฟฟานวเคลยรคอ 23592U หรอ U-235 สมการฟชชนทเกดกบ U-

235 ไมไดมเพยงหนงหรอสองสมการ แตมจำนวนมากเพราะความหลากหลายของธาตขนาดกลางทเปนผลผลตจากฟชชน ตวอยางสมการฟชชนของ U-235 ไดแก

23592U+ 1

0n −→ 14054Xe+ 94

38Sr+ 20n1

นวเคลยสของธาตขนาดกลางทไดจากฟชชนของ U-235 มนำหนกมวลอยระหวาง 75 ถง 160 นวเคลยสเหลานไมมเสถยรภาพและจะแผกมมนตภาพรงสออกมาจนกระทงมนกลายเปนนวเคลยสทมเสถยรภาพในทสด นอกจากนนวเคลยสบางตวยงอาจปลดปลอยนวตรอนออกมา กระบวนการแผกมมนตภาพรงสของนวเคลยสทไดจากฟชชนเรยกโดยรวมวา กระบวนการประวง (delay process)

การพงชน U-235 ของนวตรอนไมไดทำใหเกดฟชชนทกครง ในบางครงนวตรอนจะถกดดกลนโดยU-236 และกลายเปน U-236 ซงอยในสภาวะถกกระตน

23592U+ 1

0n −→ 23692U

นวเคลยสทเกดขนนอาจปลอยรงสแกมมาออกมา แต U-236 เปนนวเคลยสทมเสถยรภาพมากโดยมครงชวตมากถง 2.34 × 107 ป U-236 จงสลายตวอยางชา ๆ ไมแตกตวเปนนวเคลยสขนาดกลาง ปฏกรยาลกษณะนเกดขนประมาณ 14% สวนอก 86% ของการชนทำใหเกดฟชชน

ฟชชนเปนปฏกรยาทใหพลงงานเนองจากมวลของผลผลตนอยกวามวลของตวทำปฏกรยา เชน23592U+ 1

0n −→ 13756Ba+ 97

36Kr+ 210n

มมวลของตวทำปฏกรยาเทากบ 235.0439 + 1.00867 = 236.0526 amu และมวลของผลผลตเทากบ138.9061 + 96.9212 + 2(1.00867) = 235.8446 amu มวลของผลผลตจงนอยกวามวลของตวทำปฏกรยา 0.208 amu ซงเทยบเทากบพลงงาน 193.6 MeV แตกมพลงงานเพมเตมทไดจากกระบวนการประวง พลงงานเพม เตมหลงจากฟชชนรวมกบพลงงานท เกดขนทนทจากฟชชนมคาประมาณ 200MeV พลงงานนกระจายในนวเคลยสกมมนตรงสและอนภาคตาง ๆ ดงแสดงในตารางท 12.2 พลงงานประมาณ 190 MeV จะกลายเปนความรอนในเตาปฏกรณนวเคลยรในทสด สวนพลงงาน 10 MeV ของนวตรโนจะสญเสยออกจากเตาปฏกรณ นวตรโนเปนอนภาคขนาดเลกมากทมความสามารถทะลทะลวงสงมาก นวตรโนทงหมดจงออกเตาปฏกรณนวเคลยรโดยไมถายเทพลงงานใหวตถใด


ตารางท 12.2: การกระจายพลงงานทไดจากฟชชนของ U-235

พลงงาน (MeV)นวเคลยส 166รงสแกมมา 14นวตรโน 10รงสเบตา 5นวตรอน 5รวม 200

ตวอยาง จงหาปรมาณ U-235 ทตองใชในหนงวนเพอผลตความรอน 1 MW

วธทำโดยเฉลยนวเคลยส 1 ตวของ U-235 จะเกดฟชชน 0.86 ตวเพราะ 0.14 ตวทเหลอถกดดกลนหาย

ไป ดงนนพลงงานทไดจากนวเคลยส 1 ตวของ U-235 จงคำนวณไดดงน

E′ = 0.86× 190× 1.60× 10−13

= 2.61× 10−11 J

U-235 ปรมาณ 235 g ประกอบดวยนวเคลยส 6.02×1023 ตว ดงนนพลงงานทไดจาก 1 g ของ U-235จงมคาดงน

E =1

235× 6.02× 1023 × E′

= 6.69× 1010 J

หนงวนม 86400 วนาทถาใช U-235 1 g ภายในหนงวน กำลงงานทไดจะเทากบ

P =6.69× 1010

86400= 0.774 MW

ดงนนความรอน 1 MW จะไดจาก U-235 1.3 g ตอวน

12.6 ปฏกรยาลกโซเตาปฏกรณนวเคลยรบรรจเชอเพลงนวเคลยรซงกคอ U-235 และวสดอน ๆ เตาปฏกรณนวเคลยร

จะไดรบการออกแบบใหสามารถผลตพลงงานความรอนดวยฟชชนอยางตอเนอง ปฏกรยานวเคลยรท

12.6. ปฏกรยาลกโซ 245

เกดขนอยางตอเนองในเตาปฏกรณนวเคลยรเรยกวา ปฏกรยาลกโซ (chain reaction) สมการฟชชนแสดงใหเหนวา ฟชชนเกดจากนวตรอนเพยงหนงตว แตผลตนวตรอน 2-3 ตว ดงนนดเหมอนวาจะมนวตรอนททำใหเกดฟชชนตอเนองอยางไมสนสดได แตฟชชนจะเกดขนกตอเมอมเงอนไขทเหมาะสมเทานน นวตรอนท เกดจากฟชชนมพลงงานมากดงแสดงในตารางท 12.2 พลงงานนทำใหนวตรอนมความเรวสง มความเปนไปไดทจะเกดเหตการณตอไปน

• มการชนกนระหวางนวตรอนกบ U-235 หรอนวเคลยสอนหลายครง แตไมมการดดกลนนวตรอนและในทสด นวตรอนกจะรวออกจากเตาปฏกรณนวเคลยร

• มการชนกนระหวางนวตรอนกบนวเคลยสอนหนงครงหรอหลายครง ในทสดนวตรอนจะถกดดกลนโดยนวเคลยส และนวเคลยสนนจะกลายเปนไอโซโทปใหม

• มการชนกนระหวางนวตรอนกบ U-235 หนงครงหรอหลายครง ในทสดนวตรอนจะถกดดกลนโดย U-235 จะกลายเปน U-236

• มการชนกนระหวางนวตรอนกบนวเคลยสของ U-235 หนงครงหรอหลายครง ในทสดนวตรอนจะถกดดกลนโดย U-235 และเกดฟชชน

จะเหนวามโอกาสไมมากทจะเกดฟชชน ถาเตาปฏกรณนวเคลยรออกแบบไมดพอ ปฏกรยาลกโซกจะไมเกดขน

เงอนไขทจะเกดฟชชนคอ การดดกลนนวตรอนโดยนวเคลยสของ U-235 หลงจากการดดกลนแลวม โอกาสเกดฟชชนถง 86% อยางไรกตาม นวตรอนทจะถกดดกลนโดย U-235 ตองเปนนวตรอนทมความเรวตำ นวตรอนทมลกษณะเชนน เรยกวา นวตรอนชา (slow neutron) หรอนวตรอนสมดลความรอน (thermal neutron) เนองจากความเรวเฉลยของนวตรอนเทากบความเรวเฉลยของกาซทมอณหภมเดยวกน แตนวตรอนทผลตโดยฟชชนซงเรยกวา นวตรอนเรว (fast neutron) หรอนวตรอนพรอม (prompt neutron) มความเรวสงกวานวตรอนสมดลความรอนมาก นวตรอนพรอมจงจะไมถกดดกลนโดย U-235 แตจะตองชนกบนวเคลยสอนหลายครงกอนทความเรวของมนจะลดลงมาใกลเคยงกบนวตรอนสมดลความรอน การชนกนของนวตรอนกบนวเคลยสหรออนภาคขนาดใหญจะทำใหนวตรอนจะมความเรวลดลง

นวตรอนสวนใหญมความเรวสงหลงจากฟชชน ดงนนจงมความนาจะเปนนอยมากทนวตรอนเหลานจะทำใหเกดฟชชนตอเนอง การเพมความนาจะเปนของการเกดปฏกรยาลกโซคอ การลดความเรวของนวตรอน การชนกนของนวตรอนกบนวเคลยสหรออนภาคขนาดใหญทมความเรวตำกวาจะทำใหเกดการแลกเปลยนพลงงานจลนและโมเมนตม ทำใหความเรวของนวตรอนลดลง ความเรวจะลดลงมากทสดถาเปนการชนตรง ๆ อตราสวนระหวางพลงงานจลนนวตรอนหลงการชน (En2) และกอนการชน(En1) กบนวเคลยสทมเลขมวล A คำนวณไดจากหลกการอนรกษพลงงานและโมเมนตม ผลทไดคอ

En2

En1=

(A− 1

A+ 1

)2

(12.6)

สมการนบอกวาความเรวของนวตรอนจะลดลงเพยงเลกนอยในการชนกบนวเคลยสหนก แตจะลดลงมากในการชนกบนวเคลยสเบา นวตรอนจะเสยพลงงานไมเกน 2% ในการชนกบนวเคลยสของ U-238


แตจะเสยพลงงานไมเกน 28% ในการชนกบนวเคลยสของ C-12 ดงนนวสดททำหนาทลดความเรวของนวตรอนในเตาปฏกรณนวเคลยรจงควรทำจากธาตเบา อยางไรกตามยงมปจจยอนทตองพจารณาในการวสดทเหมาะสม ปจจยทสำคญคอ การดดกลนนวตรอนโดยวสดนนซงควรมคาตำเนองจากถาวสดนนดดกลนนวตรอนไปมากกจะมนวตรอนเหลอนอยลงทจะทำใหเกดฟชชนและปฏกรยาลกโซกจะเกดยากขน

12.7 สวนประกอบของเตาปฏกรณนวเคลยรสวนประกอบสำคญสอยางของเตาปฏกรณนวเคลยรคอ (1) แกนเชอเพลง (fuel core) (2) สารหลอ

เยน (coolant) (3) โมเดอเรเตอร (moderator) (4) แทงควบคม (control rod) และ (5) เปลอกเตาปฏกรณ (reactor vessel)

• แกนเชอเพลงม เชอเพลงนวเคลยร เปนองคประกอบหลก เชอเพลงอาจเปนยเรเนยมธรรมชาตหรอยเรเนยมเสรมสมรรถนะซงอยในรปของสารประกอบเชน ยเรเนยมไดออกไซด (UO2) หรอยเรเนยมคารไบด (UC) เชอเพลงนวเคลยรมกทำเปนแทงหอหมดวยวสดเคลอบ (cladding ma-terial) ซงอาจทำจาก Al, Mg, Zr, เหลกกลาหรอกราไฟต วสดเคลอบตองทำใหเชอเพลงคงรปอยไดภายใตทกสถานการณ แทงเชอเพลงมอายใชงานประมาณ 3 ป แตการเปลยนแทงเชอเพลงมกกระทำทกปโดยนำแทงเชอเพลงจำนวนหนงในสามออกไป และแทนทดวยแทงเชอเพลงใหมเตาปฏกรณบางแบบอาจออกแบบใหเปลยนแทงเชอเพลงไดในขณะทเตาปฏกรณกำลงทำงานแตในเตาปฏกรณสวนใหญการเปลยนแทงเชอเพลงตองกระทำเมอเตาปฏกรณหยดทำงานแลว

• สารหลอเยนทำหนาทระบายความรอนทเกดจากฟชชนและกระบวนการประวงในแกนเชอเพลงคณสมบตของสารหลอเยนคอ มความจความรอนสง นำความรอนด มความหนดตำ ราคาไมแพงและมเสถยรภาพภายใตสภาวะแวดลอมในเตาปฏกรณ ตวอยางของสารหลอเยนทนยมใชคอ นำนำมวลหนก อากาศ กาซคารบอนไดออกไซด และกาซฮเลยม

• โมเดอเรเตอรทำหนาทลดความเรวของนวตรอนทไดจากฟชชน โมเดอเรเตอรควรมเลขมวลตำเพอลดความเรวของนวตรอนอยางรวดเรว นอกจากนโมเดอเรเตอรควรมความสามารถในการดดกลนนวตรอนตำ ตวอยางของโมเดอเรเตอรไดแก นำ นำมวลหนก และกราไฟต เปนทนาสงเกตวานำและนำมวลหนกเปนไดทงสารหลอเยนและโมเดอเรเตอร

• แทงควบคมมลกษณะเปนแทงยาวททำดวยสารประกอบของโบรอนหรอแคดเมยม ธาตเหลานดดกลนนวตรอนไดด แทงควบคมทำหนาทควบคมจำนวนนวตรอนในเตาปฏกรณไมใหมมากจนมฟชชนเกดขนมากเกนไป และอณหภมของเตาปฏกรณสงกวาคาทออกแบบไว แทงควบคมตอเขากบกลไกททำหนาทเหมอนลฟต กลไกนจะสอดแทงควบคมเขาไปแทรกระหวางแทงเชอเพลงเพอลดฟชชนหรอดงแทงควบคมออกเพอเพมฟชชน แทงควบคมมสามแบบคอ แทงจม(shim rod) ใชควบคมความหนาแนนนวตรอนอยางหยาบ ๆ แทงบงคบ (regulating rod) ใชควบคมอยางละเอยด และแทงนรภย (safety rod) ใชในกรณฉกเฉนทตองการหยดการทำงานของเตาปฏกรณ แทงนรภยทำจากเหลกโบรอน (boron steel) ซงสามารถเคลอนทเขาสแกนเตาปฏกรณอยางรวดเรว

12.8. ประเภทของเตาปฏกรณนวเคลยร 247

• เปลอกเตาปฏกรณทำหนาทบรรจแกนเตาและอปกรณเสรมตวอน ๆ ผนงเตาไดรบการออกแบบใหทนความดนสงและทนสภาวะการแผรงสได ผนงเตาตองมความหนาพอสมควรเพอลดการแผรงสออกสภายนอก นอกจากนรอบ ๆ เตาตองมคอนกรตหมเพอปองกนไมใหอนภาคและรงสเลดรอดออกมาได ความหนาของเปลอกคอนกรตประมาณ 1.8 m

12.8 ประเภทของเตาปฏกรณนวเคลยรเตาปฏกรณทใชในโรงไฟฟานวเคลยรทวโลกมความแตกตางกนทเชอเพลง โมเดอเรเตอร สารหลอ

เยนและคณสมบตอน ๆ เตาปฏกรณสวนใหญแบงออกเปนหาแบบไดแก (1) เตาปฏกรณแบบนำความดนสง (pressurized water reactor, PWR) (2) เตาปฏกรณแบบนำเดอด (boiling water reactor,BWR) (3) เตาปฏกรณแบบหลอเยนดวยกาซ (advanced gas-cooled reactor, AGR) (4) เตาปฏกรณแบบนำมวลหนกความดนสง (pressurized heavy water reactor, PHWR) (5) เตาปฏกรณแบบ RBMK(ยอมาจากภาษารสเซย Reaktor Bolshoy Moshchnosti Kanalniy ซงแปลเปนภาษาองกฤษวา HighPower Channel Reactor)

12.8.1 เตาปฏกรณแบบนำความดนสงเตาปฏกรณแบบนำความดนสงใชแทงเชอเพลงประมาณ 200-300 แทงตอหนงมด จดเรยงในแนว

ตงอยภายในแกนเชอเพลง เตาปฏกรณขนาดใหญอาจมเชอเพลง 150-250 มดวางตวในแนวตง มโลหะทรงครงทรงกลมครอบตอนบนซงเปดได เพอเปลยนแทงเชอเพลง โมเดอเรเตอรและสารหลอเยนคอนำ เชอเพลงทใชคอยเรเนยมเสรมสมรรถนะ เปลอกเคลอบเตาทำจากเหลกกลาไรสนมหรอเซอรคาลอย(zircaloy) เปลอกเตามความหนามากเนองจากนำมความดนสง รปท 12.2 แสดงแผนภาพของเตาปฏกรณแบบน

ระบบผลตไฟฟาโดยใช PWR ประกอบดวยสองวงจรนำทำงานควบคกนดงแสดงในรปท 12.2 ในวงจรปฐมภม (primary loop) นำเยนทมความดนสงจะไหลผานเตาปฏกรณเพอระบายความรอนจากเตา นำรอนทไหลออกจากวงจรนจะแลกเปลยนความรอนกบนำในวงจรทตยภม (secondary loop) ในอปกรณแลกเปลยนความรอน นำในวงจรทตยภมมความดนตำและจะกลายเปนไอนำกอนไหลเขาเครองกงหนเพอผลตไฟฟาตอไป นำในวงจรปฐมภมมอณหภมประมาณ 325C จงตองทำใหอยภายใตความดน 150 เทาของความดนบรรยากาศจงจะไมเดอด เครองใหความดน (pressurizer) ถกตดตงในวงจรปฐมภมเพอโดยรกษาความดน ในกรณทมความผดพลาดจนทำใหนำในวงจรปฐมภมกลายเปนไอจะทำใหเกดฟชชนลดลงเนองจากความสามารถในการเปนโมเดอเรเตอรของไอนำดอยกวานำ ดงนน PWRจงมระบบควบคมความปลอดภยในตวมนเอง

ขอเสยเปรยบของ PWR คอ อณหภมสงสดของนำไมเกนอณหภมของจดวกฤตคอ ประมาณ 374Cซงหมายความวาไอนำในวงจรทตยภมกไมเกน 374C เชนกน ประสทธภาพของวฏจกรไอนำจงถกจำกดดวยอณหภมทคอนขางตำเมอเทยบกบวฏจกรไอนำในโรงไฟฟาพลงความรอน อยางไรกตามเตาปฏกรณแบบนมการใชงานมากทสดโดยใชในการผลตไฟฟามากกวา 230 เครองและใชในการขบเคลอนเรอดำนำ


รปท 12.2: เตาปฏกรณแบบนำความดนสง

นวเคลยรอกหลายรอยเครอง

12.8.2 เตาปฏกรณแบบนำเดอด

เชอเพลงทใชในเตาปฏกรณแบบนำเดอดคอ ยเรเนยมเสรมสมรรถนะซงประกอบดวย U-235 ประ-มาณ 1.9-2.6 % ภายในแกนเชอเพลงบรรจเชอเพลงได 750 มด แตละมดมแทงเชอเพลง 90-100 แทงมโลหะทรงครงทรงกลมครอบตอนบนซงเปดไดเพอเปลยนแทงเชอเพลงรปท 12.3 แสดงแผนภาพของเตาปฏกรณแบบน นำใชเปนทงโมเดอเรเตอรและสารหลอเยนหมอน PWR แตวงจรการทำงานของระบบผลตไฟฟามเพยงวงจรเดยว นำทไหลผานเตาปฏกรณมความดนประมาณ 75 เทาของความดนบรรยากาศ บางสวนของนำจะกลายเปนไอนำโดยมอณหภมประมาณ 285C ไอนำแหงจะถกแยกออกจากนำดวยอปกรณทตดตงอยทตอนบนของเตากอนไหลเขาสเครองกงหน นำปอนจากเครองควบแนนจะผสมกบนำทแยกออกจากไอนำ และไหลเขาเตาปฏกรณ รปท 12.3 แสดงแผนภาพการทำงานของเตาปฏกรณแบบน

เนองจากไอนำทอยรอบแกนเชอเพลงของเตาปฏกรณมการปนเปอนสารกมมนตรงส ดงนนอปกรณตาง ๆ รวมทงเครองกงหนไอนำจงตองออกแบบเพอใหสามารถทำงานในสภาวะทมกมมนตภาพรงสนอกจากนจะตองมการรกษาความปลอดภยจากการแผรงสขณะทำการบำรงรกษา อยางไรกตาม BWRมการออกแบบทซบซอนนอยกวาจงมตนทนทตำกวา PWR ดวยเหตผลนทำให BWR ไดรบความนยมมากเปนอนดบสองรองจาก PWR

12.8. ประเภทของเตาปฏกรณนวเคลยร 249

รปท 12.3: เตาปฏกรณแบบนำเดอด

12.8.3 เตาปฏกรณแบบนำมวลหนกความดนสง

PHWR มชอเรยกอกชอวา CANDU (Canadian Deuterium) เนองจากเตาปฏกรณแบบนออกแบบทประเทศแคนาดา CANDU มหลกการทำงานคลายกบ PWR แตใชนำมวลหนกเปนโมเดอเรเตอรและสารหลอเยนแทนนำในวงจรปฐมภม สวนวงจรทตยภมใชนำธรรมดาเหมอนกน นำมวลหนกมสมบตทางกายภาพและเคมใกลเคยงกบนำธรรมดา แตสมบตทางนวเคลยรตางกนมาก กลาวคอนำมวลหนกมความสามารถดดกลนนวตรอนทตำกวานำธรรมดา ดวยเหตนเชอเพลงทใชในเตาปฏกรณแบบนเปนยเรเนยมธรรมดากได ไมจำเปนตองเปนยเรเนยมเสรมสมรรถนะเหมอนทใชใน PWR

รปท 12.4 แสดงลกษณะของเตาปฏกรณแบบนำมวลหนกความดนสง โมเดอเรเตอรบรรจอยภายในถงขนาดใหญเรยกวาคาแลนเดรย (Calandria) ซงมชองวางอยในแนวนอนหลายรอยชองสำหรบบรรจเชอ เพลง แตละชองมแทง เชอ เพลง 12-13 แทง แทง เชอ เพลงแตละแทงของ CANDU มความยาวประมาณครงเมตรบรรจในทอเซอรคาลอย (zircaloy) แทงควบคมจะถกสงเขาไปในคาแลนเดรยทางแนวดง นำมวลหนกความดนสงจะไหลผานชองในคาแลนเดรยเพอระบายความรอนออกจากฟชชนจนมอณหภมมากกวา 300C จากนนจงไหลไปแลกเปลยนความรอนกบนำในวงจรทตยภมตอไป

CANDU มขอไดเปรยบจากการใชยเรเนยมธรรมดาเปนเชอเพลงซงมราคาถกกวายเรเนยมปรงแตงมากเพราะกระบวนการเสรมสมรรถนะมราคาแพง นอกจากนขอไดเปรยบอกหนงประการทสำคญของCANDU คอ ความสามารถเปลยนแทงเชอเพลงไดโดยไมตองหยดการทำงานของเตาปฏกรณ การเปลยนแทงเชอเพลงใชระบบอตโนมตทควบคมจากระยะไกล อยางไรกตาม CANDU มขอเสยตรงทมนตองมขนาดใหญเพอลดการรวออกของนวตรอน และตองใชนำมวลหนกซงมสดสวนเพยง 1 ใน 3200 สวนของนำทพบตามธรรมชาต การแยกนำมวลหนกออกมาจงมขนตอนทยงยากและมคาใชจายสง


รปท 12.4: เตาปฏกรณแบบ CANDU

12.8.4 เตาปฏกรณแบบหลอเยนดวยกาซรปท 12.5 แสดงแผนภาพของเตาปฏกรณแบบหลอเยนดวยกาซ เตาปฏกรณแบบน ใชยเรเนยม

ออกไซดทเสรมสมรรถนะจนม U-235 2.5-3.5% เปนเชอเพลงบรรจอยภายในทอเหลกไรสนม การหลอเยนเตาปฏกรณใช CO2 สวนโมเดอเรเตอรคอ กราไฟตซงมจดหลอมเหลวสงมาก ดงนนเตาปฏกรณจงสามารถทำงานทอณหภมสง ๆ ไดและไอนำทไดจากการแลกเปลยนความรอนกบ CO2 ซงมอณหภมสงถง 650C กอาจมอณหภมสงพอ ๆ กบไอนำในโรงไฟฟาพลงความรอน ประสทธภาพของวฏจกรไอนำของ AGR จงสงกวา PWR และ BWR นอกจากน AGR ยงมความปลอดภยสงกวา PWR และ BWRเนองจากไมไดใชนำในเตาปฏกรณจงไมมความเสยงทจะเกดการระเบดของไอนำ เตาปฏกรณแบบนใชอยางแพรหลายในสหราชอาณาจกร

12.8.5 เตาปฏกรณแบบ RBMKเตาปฏกรณแบบ RBMK มลกษณะดงแสดงในรปท 12.6 เตาปฏกรณแบบนใชในประเทศรสเซย

และประเทศทเคยเปนดนแดนในสหภาพโซเวยต เชอเพลงทำจากยเรเนยมเสรมสมรรถนะเพยงเลกนอยกราไฟตทำหนาท เปน โมเดอเร เตอร สวนนำ ใช เปนสารหลอ เยนและจะกลายเปนไอนำท ม อณหภมประมาณ 290C เมอ ไหลผานแกน เตาปฏกรณ คลาย BWR ปญหาจากการ ใช กรา ไฟต เปน โม เดอ-เรเตอรแตใชนำเปนสารหลอเยนคอ ถานำกลายเปนไอมากขนความสามารถในการหลอเยนจะลดลงแตปรมาณนวตรอนททำใหเกดฟชชนไมไดลดลงตามซงอาจทำใหเกดอบตเหตไดดงเชนอบตเหตทโรงไฟฟานวเคลยรในเมองเชอรโนบล ประเทศยเครนเมอป พ.ศ. 2529 ขอไดเปรยบของ RBMK คอ ความสามารถในการเปลยนเชอเพลงโดยไมตองหยดการทำงานของเตาปฏกรณ

12.9. เชอเพลงนวเคลยร 251

รปท 12.5: เตาปฏกรณแบบหลอเยนดวยกาซ

รปท 12.6: เตาปฏกรณแบบ RBMK

12.9 เชอเพลงนวเคลยรถงแมวาพลโตเนยมหรอยเรเนยมธรรมชาตอาจใช เปนเชอเพลงสำหรบเตาปฏกรณนวเคลยรท ได

รบการออกแบบเปนพเศษได แตในทนจะกลาวถงเพยงยเรเนยมเสรมสมรรถนะซงเปนเชอเพลงเกอบทงหมดของโรงไฟฟานวเคลยร ขนตอนการผลตเชอเพลงนวเคลยรจากแรยเรเนยมประกอบดวย การสกดแรยเรเนยม การเสรมสมรรถนะ และการประกอบแทงเชอเพลง


ยเรเนยมในธรรมชาตอยในรปของสารประกอบยเรเนยมออกไซด (U3O8) แรยเรเนยมทมความเขมขนมากพอทจะนำมาใชเปนเชอเพลงไดมจำนวนประมาณ 3.3 ลานตน กระจายอยในหลายประเทศซงเรยงลำดบจากประเทศทมสดสวนแหลงแรยเรเนยมมากไปหานอยดงน ออสเตรเลย (27%) คาซคสถาน(17%) แคนาดา (15%) อาฟรกาใต (11%) นามเบย (8%) บราซล (7%) รสเซย (5%) สหรฐอเมรกา(4%) และอซเบกสถาน (4%) แรยเรเนยมจะผานกระบวนการละลาย (leaching) ดวยสารละลายกรดผลผลตสดทายทไดเปนตะกอนยเรเนยมออกไซดซงมลกษณะเปนกอนสเหลอง (yellow cake) โรงไฟฟานวเคลยรขนาด 1000 MW ตองใชยเรเนยมออกไซดประมาณ 200 ตนตอป

U3O8 จะถกแปลงสภาพเปนยเรเนยมเฮกซาฟลออไรด (UF6) ซงจะไดรบความรอนจนกลายเปนของเหลวและกาซกอนผานกระบวนการเสรมสมรรถนะ เตาปฎกรณนวเคลยรทเดนเครองอยในปจจบนนใชยเรเนยมเสรมสมรรถนะทม U-235 ตงแต 1% ถง 4% ในกระบวนการเสรมสมรรถนะ U-238 อาจจะถกสกดออกไปถง 85% ผลผลตทไดจากกระบวนการนคอยเรเนยมเสรมสมรรถนะและยเรเนยมดอยสมรรถนะ (depleted uranium) ซงหมายถงยเรเนยมทมสดสวน U-235 นอยกวาทม ในธรรมชาต(0.7%) วธการเสรมสมรรถนะยเรเนยมทสำคญมสองวธคอ วธแรงหนศนยกลาง (gas centrifuge) และวธการแพรของกาซ (gas diffusion)

รปท 12.7 แสดงหนงขนทำงานของเครองเสรมสมรรถนะดวยวธแรงหนศนยกลางซงประกอบดวยถงทรงกระบอกซงหมนดวยความเรวสง UF6 จะไหลเขาถงทางดานบน 238

92UF6 ซงหนกกวา 23592UF6 จะ

ถกเหวยงออกจากศนยกลางมากกวา ดงนนสดสวนของ 23592UF6 ใน UF6 ทตำแหนงกลางถงจะมากกวา

สดสวนของ 23592UF6 ใน UF6 ทไหลเขา กาซทสบออกจากกลางถงกจะไดกาซ UF6 ทความเขมขนของ

U-235 มากกวาสดสวนของ U-235 ในกาซทไหลเขาเลกนอย UF6 จะไหลผานถงหลายใบทตออนกรมกนหลายสบขนเพอใหไดกาซ UF6 ทมสดสวนของ U-235 ตามทตองการ เครองเสรมสมรรถนะดวยวธแรงหนศนยกลางใชพลงงานนอยกวาเครองเสรมสมรรถนะดวยวธการแพรของกาซ และสามารถเพมสดสวนของ U-235 ในแตละขนทำงานมากกวา ดงนนจำนวนขนทำงานทตองใชเสรมสมรรถนะยเรเนยมจงนอยกวา เครองเสรมสมรรถนะดวยวธแรงหนศนยกลางไดรบความนยม และใชงานในหลายประเทศเชน สหราชอาณาจกร รสเซย ญปน เปนตน อยางไรกตาม เครองเสรมสมรรถนะดวยวธแรงหนศนยกลางมอตราการไหลของ UF6 ทตำ ขนทำงานของเครองจงตองตอแบบขนานกนเพอเพมอตราการไหล

รปท 12.8 แสดงขนทำงาน (stage) หนงของเครองเสรมสมรรถนะดวยวธการแพรของกาซ แผนเมมเบรน (membrane) แบงขนทำงานเปนสองสวน สวนลางมความดนสงกวาสวนบน UF6 ทมความดนสงจะไหลเขาทางสวนลาง 238

92UF6 มขนาดโมเลกลใหญกวาและไหลชากวา 23592UF6 ดงนนจงม

23592UF6 ไหลผานเมมเบรนมากกวา สดสวนของ 235

92UF6 ใน UF6 ทสวนบนจงมากกวาสดสวนของ23592UF6 ใน UF6 ทไหลเขา อยางไรกตาม มการเปลยนแปลงของสดสวนของ 235

92UF6 ใน UF6 เพยงเลกนอยเทานนในการไหลผานหนงขนทำงาน เครองเสรมสมรรถนะจะตองประกอบดวยหลายรอยขนทำงาน ความเขมขนของ U-235 จงจะเพมขนถงระดบทตองการ ขอดของเครองเสรมสมรรถนะดวยวธการแพรของกาซคอ อตราการไหลของ UF6 สง แตขอเสยทสำคญคอ เครองใชพลงงานมาก ในปจจบนมเพยงสหรฐอเมรกาและฝรงเศสเทานนทใชเครองเสรมสมรรถนะดวยวธการแพรของกาซ

หลงจากการเสรมสมรรถนะกาซ UF6 จะผานการควบแนนกลายเปนของเหลวและถกปลอยใหเยนลงจนกลายเปนของแขง หลงจากนน UF6 จะถกนำมาแปลงสภาพเปนผงยเรเนยมไดออกไซด (UO2)แลวจงอดเปนเมดทรงกระบอกทมขนาดเสนผาศนยกลางประมาณ 1 cm และยาวประมาณ 2 cm

12.10. การกำจดกากนวเคลยร 253

รปท 12.7: วธการเสรมสมรรถนะยเรเนยมดวยแรงหนศนยกลาง

รปท 12.8: วธการเสรมสมรรถนะยเรเนยมดวยการแพรของกาซ

เรยกวาเมดเชอเพลง (fuel pellet) เมดเชอเพลงท ไดแตงผวใหเรยบแลวจงบรรจลงในทอโลหะผสมเซอรโคเนยมยาวตงแต 60 cm ถง 4 m ทอนเรยกวาแทงเชอเพลง แทงเชอเพลงหลายแทงจะมดรวมกนเปนขนาดตาง ๆ ขนกบความตองการของเตาปฏกรณนวเคลยร

12.10 การกำจดกากนวเคลยรกากนวเคลยรหมายถง ของเสยจากการเดนเครองเตาปฏกรณนวเคลยร กากนวเคลยรมสวนประ-

กอบเปนไอโซโทปหลายไอโซโทปทมสามารถแผรงสในระดบนอยไปถงมาก ไอโซโทปเหลานมครงชวตตงแตไมกวนาทไปจนถงหลายรอยป กากนวเคลยรเปนอนตรายตอสงมชวตและสงแวดลอม การกำจดกากนวเคลยรจงนบเปนปญหาทสำคญปญหาหนงของโรงไฟฟานวเคลยร กากนวเคลยรจากโรงไฟฟานวเคลยรแบงตามระดบความแรงของรงสไดเปน (1) กากนวเคลยรระดบตำ (low-level waste) ไดแกวสดปนเปอนสารกมมนตรงสเชน ชดปฏบตงาน อปกรณ เครองมอ รวมทงนำทระบายทงจากโรงไฟฟา(2) กากนวเคลยรระดบกลาง (intermediate-level waste) ไดแกวสดและอปกรณในโรงไฟฟาทเลกใชงานแลว (3) กากนวเคลยรระดบสง (high-level waste) ไดแกแทงเชอเพลงทหมดอายการใชงานแลว

นำทงจากโรงไฟฟาจะผสมกบนำสะอาดเพอทำใหสารกมมนตรงสเจอจางลงกอนปลอยสแหลงนำ


สวนกากนวเคลยร ระดบตำและระดบกลางท เปนของเหลวและของแขงจะถกนำมาผานกระบวนลดขนาดกากนวเคลยรและลดความเขมขนของสารกมมนตรงสทปนเปอนในกากนวเคลยร จากนนจงนำไปบรรจในถงคอนกรตแลวจงนำไปฝงลกจากพนดนประมาณ 5-10 เมตร ขนกบระดบของกากนวเคลยร

กากนวเคลยรระดบสงมปรมาณนอยแตมความสามารถในการแผรงสสงมาก การกำจดจงยงยากกวากากนวเคลยรระดบตำและระดบกลาง กากนวเคลยรระดบสงซงสวนใหญเปนแทงเชอเพลงทหมดอายการใช งานแลวจะถกนำออกจากเตาปฎกรณนวเคลยรมา เกบ ไว ในบอนำ เพอระบายความรอนจากปฏกรยาประวงท ยงคงดำเนนอย หลงจากนนกากนวเคลยรระดบสงจะถกอบใหแหงแลวนำไปหลอมเหลวทอณหภมสงกบแกวบอโรซล เกต (borosilicate glass) กอนบรรจลงถงคอนกรตและนำไปจดเกบในสถานททเหมาะสม การเกบกากนวเคลยรระดบสงทมปลอดภยสงคอ การฝงลงในชนหนแขงทมความลกจากระดบผวดนลงไปมากกวา 500 เมตร

แทงเชอเพลงทหมดอายการใชงานแลวประกอบดวย U-235 ประมาณ 1% U-238 ประมาณ 93%Pu-239 ประมาณ 0.5% และไอโซโทปอน ๆ ประมาณ 5.5% วธกำจดกากนวเคลยรระดบสงทเปนแทงเชอเพลงทหมดอายการใชงานแลวอกวธหนงคอ การนำแทงเชอเพลงไปผานกระบวนการแยก U-235,U-238 และ Pu-239 ออกมาเพอนำมาผลตเปนแทงเชอเพลงใหม ความเขมขนของ U-235 อาจตำเกนไปแตกชดเชยดวย Pu-239 ซงเปนเชอเพลงนวเคลยรไดเหมอน U-235 อยางไรกตามอาจตองมการเสรมสมรรถนะยเรเนยม การนำเชอเพลงกลบมาใชใหมชวยลดปรมาณกากนวเคลยรทตองกำจดดวยการฝงไดมากจงไดรบความนยมจากหลายประเทศเชน สหราชอาณาจกร ฝรงเศสและญปน แตขอเสยทสำคญของการนำเชอเพลงกลบมาใช ใหมคอ Pu-239 สามารถนำไปผลตอาวธนวเคลยร ไดงายกวา U-235กระบวนการนจงเพมความเสยงทจะมการลกลอบขโมย Pu-239 จากโรงงานผลตเชอเพลงนวเคลยร จากโรงไฟฟานวเคลยร หรอระหวางการขนสงเชอเพลงจากโรงงานผลตเชอเพลงไปโรงไฟฟา บางประเทศเชนสหรฐอเมรกา แคนาดาและสวเดนจงไมนำเชอเพลงกลบมาใชใหมและกำจดกากนวเคลยรระดบสงดวยวธอน

12.11 อนตรายของกมมนตภาพรงสตอมนษยกมมนตภาพรงสทเขาสรางกายมนษยจะทำใหโมเลกลแตกตวเปนไอออน โมเลกลสวนใหญในราง

กายเปนโมเลกลนำ กมมนตภาพรงสทมพลงงานสงพอจะทำใหนำแตกตวเปนอนมลอสระ H+ และOH− ซงจะไปทำปฏกรยากบโมเลกลอน ๆ ตอไป นอกจากนกมมนตภาพรงสยงอาจทำลายเซลลบางเซลลโดยตรง ผลกระทบของกมมนตภาพรงสตอสขภาพอาจแบงเปน ผลกระทบตอสขภาพ (somaticeffect) และผลกระทบตอกรรมพนธ (genetic effect) ผลกระทบตอสขภาพหมายถง การทอวยวะในเกดความเสยหายจากกมมนตภาพรงส และโรคมะเรงทเกดจากกมมนตภาพรงส อวยวะทมความเสยงสงตอโรคมะเรงไดแก ตอมไทรอยด ไขสนหลงและปอด ผลกระทบตอกรรมพนธหมายถง ความผดปกตกบพนธกรรมทถายทอดจากผไดรบกมมนตภาพรงสไปยงลกหลานซงทำใหลกหลานมความผดปกตในรางกาย

มนษยไดรบกมมนตภาพรงสตลอดเวลา แหลงกมมนตภาพรงสมาจากแหลงธรรมชาตเชน แสงอา-ทตย รงสคอสมก (cosmic ray) สารกมมนตรงสใตพนดน และกาซกมมนตรงสในอากาศ เทาทผานมา มนษยมววฒนาการในการปรบตวใหเขากบกมมนตภาพรงสมาจากแหลงธรรมชาต ดงนนการไดรบ

12.11. อนตรายของกมมนตภาพรงสตอมนษย 255

กมมนตภาพรงสเพยงเลกนอยจงไมสงผลเสยตอสขภาพ อยางไรกตาม มนษยอาจไดรบกมมนตภาพรงสจากแหลงอนเชน ผปวยบางคนยงตองไดรบกมมนตภาพรงสจากการทำรงสบำบด ผปฏบตการอาจไดรบกมมนตภาพรงสจากการใชรงสเอกซตรวจสอบความเสยหายของวสด และวศวกรอาจไดรบกมมนตภาพรงสจากการปฏบตงานในโรงไฟฟานวเคลยร ถากมมนตภาพรงสจากแหลงอนเหลานมคานอยเมอเทยบกบกมมนตภาพรงสทมนษยไดรบจากแหลงธรรมชาตกไมนาจะสงผลเสยตอสขภาพมากนก

กมมนตภาพรงสททำอนตรายตอมนษยคอ กมมนตภาพรงสทถกดดกลนโดยเนอเยอในรางกาย ในการดดกลนแตละครงจะมพลงงานถายเทจากรงสส เนอเยอซงจะสงผลใหเนอเยอถกทำลาย ปรมาณรงส (radiation dose) ขนกบพลงงานทถายเทตอมวลของเนอเยอ หนวยวดปรมาณรงสในระบบ SI คอเกรย (Gy) 1 Gy เทากบพลงงานจากกมมนตภาพรงส 1 J ทดดกลนโดยเนอเยอ 1 kg อยางไรกตามกมมนตภาพรงสมหลายชนดซงมรนแรงตางกน รงสจากอนภาคทมมวลนอยหรอความเรวตำมความรนแรงนอยกวารงสจากอนภาคทมมวลมากหรอความเรวสง ดงนนจงมการกำหนดคาปรมาณรงสเทยบเทา (equivalent radiation dose) ซงมคาเทากบผลคณระหวางแฟกเตอรคณภาพ (quality factor)กบปรมาณรงส หนวยของปรมาณรงสเทยบเทาคอซเวรตส (Sv) ตารางท 12.3 แสดงแฟกเตอรคณภาพของกมมนตภาพรงสและอนภาคหลายชนด

ตารางท 12.3: แฟกเตอรคณภาพของกมมนตภาพรงสและอนภาค

รงสและอนภาค แฟกเตอรคณภาพรงสเอกซ, รงสแกมมา, รงสเบตา 1นวตรอนชา 2นวตรอนเรว 10โปรตรอน 10รงสอลฟา 20ไอออนหนกอน ๆ 20

ถงแมวารางกายมนษยมกลไกแกไขความเสยหายทเกดจากกมมนตภาพรงส แตการไดรบกมมนต-ภาพรงสปรมาณนอยสะสมในรางกายเปนเวลานานกจะสงผลเสยตอสขภาพได ดงนนในการประเมนผลกระทบตอสขภาพ จงตองพจารณาปรมาณรงส เทยบ เทาท รางกายได รบสะสมในชวง เวลา 1 ปปรมาณรงสเทยบเทาเปนอนตรายตอเนอเยอคอ 4 Sv ตอป แตปรมาณรงสเทยบเทาทมนษยไดรบจากธรรมชาตขนกบสถานทและมคาระหวาง 2-6 mSv ตอปเทานน ผทมความเสยงทจะไดรบกมมนตภาพรงสในระดบทเปนอนตรายจงเปนผทอยใกลโรงไฟฟานวเคลยรเมอเกดอบตเหตขนรายแรงทโรงไฟฟา

ตวอยาง คนงานในโรงไฟฟานวเคลยรแหงหนงสดอากาศทมทรเทยมซงแผรงสเบตา รงสถกดดกลนในปอดทมนำหนก 1 kg ถาพลงงานของรงสทถกดดกลนเทากบ 4× 10−3 J จงคำนวณปรมาณรงสเทยบเทา

วธทำ


ปรมาณรงสเทากบ 4× 10−3 J/1 kg = 4× 10−3 Gy แฟกเตอรคณภาพของรงสเบตาคอ 1 ดงนนปรมาณรงสเทยบเทาคอ 1× 4× 10−3 = 4 mSv

12.12 ความปลอดภยของโรงไฟฟานวเคลยรทบวงการพลงงานปรมาณระหวางประเทศ (International Atomic Energy Agency) หรอ IAEA

เปนหนวยงานในสงกดของสหประชาชาตทควบคมโรงไฟฟานวเคลยรใหปฏบตตามกฎเกณฑดานความปลอดภยอยางเครงครด กฎเกณฑดงกลาวเกยวของกบสถานทตง การออกแบบ การกอสราง การทดสอบการเดนเครอง การตรวจสอบและการบำรงรกษา บคลากรททำหนาทเดนเครองโรงไฟฟานวเคลยรจะตองผานการทดสอบตามมาตรฐานของ IAEA และตองผานทดสอบใหมทก 3 ป

โรงไฟฟานวเคลยรทกโรงไดรบการออกแบบโดยคำนงถงความปลอดภยจากรวไหลของกมมนตรงสขณะเดนเครอง มการปองกนการรวไหลอยางนอยสามชนคอ แทงเชอเพลงนวเคลยรทกแทงซง เปนแหลงผลตสารกมมนตรงสมแผนโลหะหมมดชด แทงเชอเพลงหลายแทงทอย ในแกนของเตามเปลอกเตาปฏกรณนวเคลยรลอมรอบ และเตาปฏกรณบรรจอยภายในโครงสรางคอนกรตหนา ปรมาณสารกมมนตรงสทอยในแทงเชอเพลงจงตองผานดานสามดานกอนทจะเลดลอดออกมาได ดวยเหตนการรวไหลจงเกดขนนอยมาก นอกจากนการออกแบบโรงไฟฟานวเคลยรยงคำนงถงการปองกนอบตเหตรายแรงซงจะทำใหมการปลอยสารกมมตรงสปรมาณมากสสงแวดลอม ตวอยางเชน เตาปฏกรณมคณสมบตในการลดฟชชนถาอณหภมของเตาสงขน การหยดการทำงานของเตาโดยการหยอนแทงควบคมเขาไปในเตาเปนระบบอตโนมต

มความเขาใจผดวาอบตเหตทรายแรงทสดของโรงไฟฟานวเคลยรคอ การระเบดอยางรนแรงพอ ๆกบระเบดนวเคลยร ในความเปนจรงมความแตกตางอยางมากระหวางเชอเพลงของโรงไฟฟานวเคลยรกบเชอเพลงของระเบดนวเคลยร ความเขมขนของ U-235 ในระเบดนวเคลยรตองมากกวา 95% ในขณะทเชอเพลงของโรงไฟฟานวเคลยรมความเขมขนของ U-235 เพยง 2-3% อบตเหตทรายแรงทสดของโรงไฟฟานวเคลยรคอ การหลอมเหลวของเตาปฏกรณนวเคลยร (reactor meltdown) ซงมสาเหตจากการขาดการหลอเยนของเตาและความรอนทเกดขนในเตาทำใหอณหภมของเตาสงถงจดหลอมเหลว ในกรณทการหลอมเหลวเกดขนอยางตอเนองยาวนานและปราศจากการควบคมอาจทำใหวสดทหลอมเหลวทะล ฐานของ เตาไปชนหนและชนนำบาดาล เมอวสดหลอมเหลวไหลถงนำก จะทำใหนำกลาย เปนไออยางรวดเรวและทำใหเกดการระเบดอยางรนแรงซงจะทำใหสารกมมนตรงสกระจายไปในวงกวางเตาปฏกรณนวเคลยรสมยใหมไดรบการออกแบบใหเกอบไมมโอกาสทจะเกดการหลอมเหลวของเตาปฏกรณไดเลยโดยมการหลอเยนเตาปฏกรณตลอดเวลาและมระบบระบายความรอนฉกเฉนหลายระบบถงแมวาเตาปฏกรณจะหยดทำงานแลวกตาม

เทาทผานมามอบตเหตรายแรงทสำคญทเกดขนในโรงไฟฟานวเคลยรสามครงคอ

• เมอวนท 28 มนาคม พ.ศ. 2522 เกดอบตเหตทโรงไฟฟาทรไมลไอสแลนด (Three Mile Is-land) ในมลรฐเพนซลวาเนย ประเทศสหรฐอเมรกา โรงไฟฟาแหงน ใช เตาปฏกรณแบบ PWRอบตเหต เรมตนจากเหตขดของท เครองกำเนดไอนำซงทำใหระบบควบคมสงหยดการทำงาน

12.12. ความปลอดภยของโรงไฟฟานวเคลยร 257

ของเตาปฏกรณและสงใหระบบหลอเยนสบนำเขาเตาปฏกรณเพอระบายความรอนทเกดจากกระบวนการประวง แตผปฏบตการปดเครองสบนำหลอเยนใหเตาปฏกรณโดยรเทาไมถงการณผลกคอ แทงเชอเพลงบางสวนหลอมละลายและมกมมนตภาพรงสรวไหลจากเตาปฏกรณ แตอาคารคอนกรตทคลมเตาปฏกรณปองกนไมใหกมมนตภาพรงสรวไหลออกไปได จงไมมผ เสยชวตหรอไดรบบาดเจบ อยางไรกตามอบตเหตครงนสนคลอนความเชอมนของชาวอมเรกนทมตอระบบความปลอดภยของโรงไฟฟานวเคลยร

• เมอวนท 26 เมษายน พ.ศ. 2529 เกดอบตเหตทโรงไฟฟาเชอรโนบล (Chernobyl) ในสหภาพโซเวยตรสเซย (ปจจบนอยในประเทศยเครน) โรงไฟฟาแหงนใชเตาปฏกรณแบบ RBMK อบตเหตเกดจากความผดพลาดในการทดลองเดนเครองเตาปฏกรณทภาระตำ โดยผปฏบตการสงใหระบบหลอเยนหยดทำงานและหยดการทำงานของระบบควบคมอตโนมตทสอดแทงควบคมเขาเตาปฏกรณ ผลทตามมาคอ ฟชชนเกดขนอยางรวดเรวและไมสามารถควบคมได อณหภมทเพมขนอยางรวดเรวทำใหนำหลอเยนในเตาปฏกรณกลายเปนไอนำความดนสงและสงแรงระเบดขนขางบนซงไมมอาคารคอนกรตคลม กมมนตภาพรงสปรมาณมากแพรกระจายออกสภายนอกในวงกวาง ในเบองตน มผเสยชวต 31 คนและบาดเจบ 203 คน นอกจากนยงมผปวยจากการสมผสสารกมมนตรงสจำนวนมากทเสยชวตจากโรคมะเรงในภายหลง

• เมอวนท 11 มนาคม พ.ศ. 2554 เกดแผนดนไหวขนาด 8.9 รกเตอรสเกลนอกชายฝงภาคตะวนออกเฉยงเหนอของประเทศญปน และมคลนสนามสงกวา 10 เมตรถลมเมองฟกชมา(Fukushima) ซงเปนทตงของโรงไฟฟาฟกชมาไดอช (Fukushima Daiichi) โรงไฟฟาแหงนใชเตาปฏกรณแบบ BWR จำนวน 6 เตา ถงแมวาเตาปฏกรณทกเครองสามารถหยดทำงานไดทนทหลงจากเกดแผนดนไหว แตคลนสนามซงสงถง 14 เมตรทำใหนำทะเลทวมเครองสบนำและระบบหลอเยนของเตาปฏกรณลมเหลว ความรอนจากกระบวนการประวงทำใหเกดการระเบดทเตาปฏกรณจำนวน 4 เตา ซงสงผลใหมสารกมมนตรงสรวไหลออกจากโรงไฟฟาในปรมาณมาก


คำถามทายบท1. ระบขอไดเปรยบของโรงไฟฟานวเคลยรเมอเทยบกบโรงไฟฟาพลงความรอน

2. ธาตทมสญลกษณ 23994Pu มโปรตอนกตวและนวตรอนกตว

3. นำมวลหนกมนำหนกโมเลกลเทาไร

4. ทำไมรงสเบตาจงเปนอนตรายตอมนษยมากกวารงสอลฟา

5. รงสใดมความสามารถในการทะลทะลวงตำทสด

6. 9038Sr เปนนวเคลยสทไมมเสถยรภาพและจะสลายตวเปน 90

39Y พรอมกบปลอยอนภาคออกมาอนภาคนนคออะไร

7. นวเคลยสของธาตหนงมจำนวนเรมตน 360 นวเคลยส ครงชวตของนวเคลยสนเทากบ 2 ชวโมงอยากทราบวาจะเหลอนวเคลยสของธาตนเทาไรหลงจากเวลาผานไป 6 ชวโมง

8. ฟชชนแตกตางกบฟวชนอยางไร

9. กระบวนการประวงหมายถงอะไร

10. โมเดอเรเตอรทำหนาทอะไรในเตาปฏกรณนวเคลยร

11. สารทใชทำแทงควบคมควรมคณสมบตอยางไร

12. อธบายการทำงานของระบบผลตไฟฟาทใชเตาปฏกรณแบบนำความดนสง

13. ทำไมเตาปฏกรณแบบนำเดอดจงมตนทนทตำกวาเตาปฏกรณแบบนำความดนสง

14. ทำไมเชอเพลงของเตาปฏกรณแบบนำหนกความดนสงจงเปนยเรเนยมธรรมชาตแทนทจะเปนยเรเนยมเสรมสมรรถนะ

15. กาซอะไรทใชเปนสารหลอเยนในเตาปฏกรณแบบหลอเยนดวยกาซ

16. โมเดอเรเตอรของเตาปฏกรณแบบ RBMK ทำดวยวสดใด

17. ยเรเนยมเสรมสมรรถนะมไอโซโทปใดในปรมาณมากกวาทพบในธรรมชาต

18. ยเรเนยมออกไซด (U3O8) ทไดจากกระบวนการถลงแรยเรเนยมมสอะไร

19. อธบายวธการเสรมสมรรถนะยเรเนยมดวยแรงหนศนยกลาง

20. กระบวนการเสรมสมรรถนะแรยเรเนยมดวยวธการแพรของกาซนยมใชในประเทศใด

12.12. ความปลอดภยของโรงไฟฟานวเคลยร 259

21. หนวยงานใดของสหประชาชาตทำหนาทควบคมโรงไฟฟานวเคลยรทวโลก

22. ทำไมจงไมมโอกาสทโรงไฟฟานวเคลยรจะระเบดเหมอนระเบดนวเคลยร

23. เตาปฏกรณของโรงไฟฟาทรไมลไอสแลนดเปนแบบใด

24. กำหนดใหมวลของโปรตอนคอ 1.007277 amu มวลของนวตรอนคอ 1.008665 amu และมวลของ 16

8O คอ 15.99491 amu จงหาพลงงงานยดเหนยวของ 168O (1 amu = 1.66× 10−27 kg,

1 eV = 1.6× 10−19 J และ c = 3.0× 108 m/s)

25. นวเคลยสของ U-235 ใหพลงงาน 200 MeV ในขณะทถานหน 1 กโลกรมใหพลงงาน 20000 kJอยากทราบวา 1 g ของ U-235 ใหพลงงานเทยบเทากบถานหนปรมาณเทาไร (1 eV = 1.6 ×10−19 J และม 6.022× 1023 นวเคลยสใน 1 mol ของ U-235)

บทท 13

มลภาวะทเกดจากโรงไฟฟาและการควบคม

13.1 มลภาวะทเกดจากโรงไฟฟาโรงไฟฟามลกษณะประการหนงทเหมอนกบโรงงานอตสาหกรรมทวไปคอ ตองใชวตถดบในกระบวน

การผลต วตถดบหลกของโรงไฟฟาไดแก เชอเพลง นำ และอากาศ วตถดบเหลานไมไดถกใชจนหมดสนในกระบวนการผลตไฟฟา แตมบางสวนทถกปลอยทงเปนของเสยสสงแวดลอม ของเสยทปลอยออกมามสามสถานะคอ กาซเสย นำเสย และขยะ ของเสยเหลานอาจมคณสมบตทางกายภาพและเคมทสงผลกระทบทางลบตอสงแวดลอมและสขภาพได จงไดมการกำหนดมาตรฐานการปลอยของเสยจากโรงไฟฟาเพอควบคมไมใหของเสยจากโรงไฟฟามผลกระทบตอสงแวดลอมและสขภาพมากเกนไป

13.1.1 กาซเสยอากาศมสวนประกอบหลกคอ N2 ประมาณ 79% และ O2 ประมาณ 21% ถงแมวาจะมกาซอน

ปะปนอยดวยตามธรรมชาตกมปรมาณนอยเกนกวาทจะสงผลเสยตอมนษย สงปะปนเหลานจงไมนบเปนมลภาวะทางอากาศ กาซเสยเกดจากการทมกาซอนหรอสารอนทปะปนเพมเตมในอากาศในปรมาณทมากพอจนนบเปนมลภาวะทางอากาศ สาเหตของการเกดกาซเสยในโรงไฟฟาคอ การเผาไหมเชอเพลงฟอสซลและเชอเพลงชวมวล สารปนเปอนทสำคญสามตวในกาซเสยไดแก ฝน (particulate) ออกไซดของไนโตรเจน (NOx) และซลเฟอรไดออกไซด (SO2) สารปนเปอนเหลานเปนอนตรายตอมนษยและสงแวดลอมตามรายละเอยดตอไปน

• ฝนเกดจากการเผาไหมเชอเพลงทมเถาเปนสวนประกอบ ขเถาทเหลอจากการเผาไหมบางสวนมสภาพเปนขเถาลอยปะปนไปกบกาซเสย ผลเสยของฝนคอ เปนอนตรายตอระบบทางเดนหายใจโดยเฉพาะอยางยงฝนขนาดเลกซงสามารถผานเขาไประบบทางเดนหายใจสวนในได นอกจากนฝนยงเปนผลเสยตอสภาพแวดลอมเนองจากฝนปรมาณมากบดบงทศนวสย และอาจทำใหเกดอปสรรคในการคมนาคม

• ออกไซดของไนโตรเจนหมายถงกาซไนตรกออกไซด (NO) และกาซไนโตรเจนไดออกไซด (NO2)เกดจากการเผาไหมเชอเพลงในอากาศทอณหภมสง NO เปนกาซไมมสและกลน เมอทำปฏกรยา

262 บทท 13. มลภาวะทเกดจากโรงไฟฟาและการควบคม

ทาง เคมกบออกซเจนในอากาศจะเปลยน เปน NO2 ซงม กลนฉนและ เปนอนตรายตอระบบทางเดนหายใจโดยสามารถทำใหเกดโรคหลอดลมอกเสบและปอดบวมได นอกจากน NOx ยงทำปฏกรยากบสารระเหยไฮโดรคารบอนกลายเปนโอโซนทอยระดบพนดนซงเปนอนตรายตอสขภาพ

• ซลเฟอรไดออกไซดเกดจากการเผาไหมกำมะถนในเชอเพลง กำมะถนจะทำปฏกรยากบออกซ-เจนในอากาศและกลายเปน SO2 เมอ SO2 ทำปฏกรยากบนำกลายเปนกรดกำมะถน (sulfuricacid) ซงมฤทธกดกรอนสงจงเปนอนตรายตอระบบทางเดนหายใจ นอกจากนอากาศทม SO2

ยงทำใหฝนกลายเปนฝนกรดซงเปนอนตรายตอระบบนเวศนเพอควบคมผลกระทบจากการปลอยกาซเสย กระทรวงอตสาหกรรมไดกำหนดมาตรฐานการปลอย

กาซเสยจากโรงไฟฟาทใชเชอเพลงฟอสซลและเชอเพลงชวมวลดงแสดงในตารางท 13.1

ตารางท 13.1: กำหนดมาตรฐานการปลอยกาซเสยจากโรงไฟฟา

ประเภทของโรงไฟฟา SO2 NOx ฝนละออง(ppm) (ppm) (mg/m3)

1. โรงไฟฟาเกาทใชเชอเพลงตอไปน1.1 ถานหน 700 400 3201.2 นำมน 950 200 2401.3 กาซธรรมชาต 60 200 601.4 เชอเพลงชวมวล 60 200 3202. โรงไฟฟาใหมทใชเชอเพลงตอไปน2.1 ถานหนทมกำลงการผลต(1) นอยกวา 300 MW 640 350 120(2) 300 - 500 MW 450 350 120(3) มากกวา 500 MW 320 350 1202.2 นำมนทมกำลงการผลต(1) นอยกวา 300 MW 640 180 120(2) 300 - 500 MW 450 180 120(3) มากกวา 500 MW 320 180 1202.3 กาซธรรมชาต 20 120 602.4 เชอเพลงชวมวล 60 200 120

ในกรณทโรงไฟฟาใชเชอเพลงหลายชนด มาตรฐานการปลอยกาซเสยจะคำนวณจาก

AW +BX + CY +DZ

โดยท

13.1. มลภาวะทเกดจากโรงไฟฟา 263

A คอ มาตรฐานการปลอยกาซเสยสำหรบโรงไฟฟาทใชถานหนB คอ มาตรฐานการปลอยกาซเสยสำหรบโรงไฟฟาทใชนำมนC คอ มาตรฐานการปลอยกาซเสยสำหรบโรงไฟฟาทใชกาซธรรมชาตD คอ มาตรฐานการปลอยกาซเสยสำหรบโรงไฟฟาทใชเชอเพลงชวมวลW คอ สดสวนการใชถานหนในการผลตไฟฟาX คอ สดสวนการใชนำมนในการผลตไฟฟาY คอ สดสวนการใชกาซธรรมชาตในการผลตไฟฟาZ คอ สดสวนการใชเชอเพลงชวมวลในการผลตไฟฟาถงแมวามลภาวะทางอากาศจะมทมาจากหลายแหลงกำเนดแตโรงไฟฟาเปนแหลงกำเนดมลภาวะ

ทางอากาศทมกมกระแสตอตานอยางมากเนองจากโรงไฟฟาจำนวนมากมขนาดใหญและการดำเนนงานของโรงไฟฟาในประเทศไทยบางโรงในอดตมประวตทไมดนก ดวยเหตผลนทำใหมกฏหมายสงแวดลอมควบคมการทำงานของโรงไฟฟาในปจจบน โรงไฟฟาจงตองมระบบควบคมกาซเสยไมใหมสารปนเปอนสงกวาเกณฑทกำหนดน และมการตรวจวดความเขมขนการของสารปนเปอนในกาซเสยกอนปลอยสสงแวดลอม วศวกรรมโรงไฟฟาจะตองมความรและความเขาใจเกยวกบมลภาวะทางอากาศจากโรงไฟฟาและการควบคมมลภาวะทางอากาศ ระบบควบคมมลภาวะทางอากาศแบงเปนสามระบบไดแกระบบควบคมออกไซดของไนโตรเจน ระบบควบคมฝนละออง และระบบควบคมซลเฟอรไดออกไซด รปท 13.1 แสดงตำแหนงการตดตงระบบเหลาน

รปท 13.1: ระบบกำจดมลภาวะของโรงไฟฟาพลงความรอน

13.1.2 นำเสยโรง ไฟฟา นอกจากจะ ใช นำ เปน วตถดบ ในกระบวนการผลต ไฟฟา แลว ยง ใช นำ ในกระบวนการ

ตาง ๆ ทจำเปนการการผลตไฟฟา บางสวนของนำจะถกปลอยทงในรปของนำทมอณหภมสงขนและมสารเจอปนทเปนทงสารละลายและสารแขวนลอย กระบวนททำใหเกดนำเสยไดแก


• กระบวนการหลอเยนโดยหอหลอเยน (cooling tower) นำทใชในกระบวนการนจะมการระเหยออกไปอยางตอเนอง ซงสงผลใหความเขมขนของเกลอแรในนำเพมขน เมอเกลอแรมความเขมขนถงระดบหนงคราบตะกรนจะกอตวขนในภายในหอหลอเยนซงจะทำใหประสทธภาพของกระบวนการหลอเยนลดลง การถายนำหลอเยนทงและแทนทดวยนำใหมจงเปนสงจำเปน นำหลอเยนทถกระบายทงจดเปนนำเสยเพราะอาจมสารละลายเกนเกณฑทกฎหมายกำหนด

• กระบวนการลำเลยงขเถาออกจากเตาเผา ขเถาเปนสงตกคางจากการเผาไหมถานหนและเชอเพลงชวมวล โรงไฟฟาทผลตไฟฟาดวยเชอเพลงแขงเหลานจะตองไดรบการออกแบบใหมกระ-บวนการลำเลยงข เถาออกจากเตา เผา เพอปองกนการสะสมของข เถาซง จะ เปนอปสรรคตอการทำงานของเตาเผา วธลำเลยงข เถาทนยมใชวธหนงคอ การใชนำเปนตวกลาง นำทใชเพอวตถประสงคนนอกจากจะมขเถาเปนสารแขวนลอยแลว ยงมสภาพเปนดางเพราะสารบางอยางในข เถาสามารถละลายนำ ได ความเขมขนของสารแขวนลอยและสภาพความเปนดางท เกนเกณฑทกฎหมายทำใหนำในกระบวนการนจดเปนนำเสย

• กระบวนการกำจดกาซซลเฟอรไดออกไซด นำทใชในกระบวนการบางสวนสามารถนำไปใชใหมได แตมบางสวนทตองถกระบายทงซงเปนนำทมทงสารแขวนลอยและสารละลาย นอกจากนอาจมโลหะหนกปะปนในนำขนอยกบเชอเพลงทใชในการเผาไหม

• กระบวนการทำความสะอาดอปกรณแลกเปลยนความรอน การชะลางทำความสะอาดอปกรณเหลานเปนขนตอนหนงของการบำรงรกษาโรงไฟฟา การทำความสะอาดตองใชสารเคม ดงนนนำทผานกระบวนการนจงมทงสารเคมเหลานละลายปะปนอย นากจากนยงมสารแขวนลอยปะปนในนำซงมาจากคราบตะกรนบนผวของอปกรณแลกเปลยนความรอนทถกชะลางดวยสารเคม

นำเปนปจจยทสำคญของโรงไฟฟา ดงนนโรงไฟฟาจงพยายามทจะบำบดนำเสยเพอนำกลบมาใชใหม นำเสยจงมกถกกกไวในบอบำบดนำเสยแทนทจะทงไป อยางไรกตาม ในกรณทโรงไฟฟาตองการนำเสยสแหลงนำธรรมชาต นำเสยจะตองมคณสมบตตามเกณฑทกำหนดโดยกระทรวงอตสาหกรรม ดงน

1. คาความเปนกรดดาง (pH) ไมตำกวา 5 และไมมากกวา 9

2. อณหภมไมเกน 40C

3. สารละลายไมเกน 3000 mg/L

4. สารแขวนลอยไมเกน 50 mg/L

5. คา BOD ไมเกน 20 mg/L

6. คา COD ไมเกน 120 mg/L

7. ความเขมขนของโลหะหนกและสารเคมอยในเกณฑทกำหนด

13.2. การควบคมออกไซดของไนโตรเจน 265

13.1.3 ขยะขยะคอ สงตกคางในสภาพของแขงทเกดจากกระบวนการผลตไฟฟา ขยะในโรงไฟฟาสวนใหญเปน

ข เถา มเพยงสวนนอยทมาจากกระบวนการกำจดกาซซลเฟอรไดออกไซด มาตรฐานการกำจดขยะในประเทศไทยมวตถประสงคเพอควบคมการทงขยะทเปนพษและขยะตดเชอ ดงนนขยะจากโรงไฟฟาจงไมเขาขายดงกลาว และปจจยสำคญทใชในการเลอกวธกำจดขยะจงเปนปจจยทางเศรษฐศาสตร ขยะทสามารถนำไปใชประโยชนไดจะมผมาตดตอรบซอและขนถายออกจากโรงไฟฟา สวนขยะทไมสามารถนำไปใชประโยชนไดจะตองผานกระบวนการกำจดขยะภายในโรงไฟฟา

วธกำจดขยะขนกบสภาพของขยะซงอาจเปนขยะแหงหรอขยะเปยก การกำจดขยะแหงคอนขางงาย วธทนยมใชคอการฝงกลบ วธกำจดขยะเปยกจะมความซบซอนขน ขยะเปยกตองผานกระบวนการแยกนำออกจากขยะ นำทไดจะนำกลบไปใชในกระบวนการผลตไฟฟา ถงแมวาขยะเปยกทผานกระบวนการนจะมสดสวนของนำนอยมาก แตการนำขยะไปฝงกลบอาจกอใหเกดปญหาการรวซมของนำทมสารปนเปอนสแหลงนำธรรมชาตได ดงนนจงตองมกระบวนการเพมเสถยรภาพ (stabilization) ใหขยะโดยการผสมขยะเปยกกบดน ทรายหรอขเถา ผลลพธทไดจะเปนขยะทมสดสวนของแขงมากพอทจะทำใหขยะมสภาพเปนของแขงและสามารนำไปฝงกลบไดตอไป

13.2 การควบคมออกไซดของไนโตรเจนNOx เกดจากการเผาไหมทอณหภมสงกบอากาศปรมาณมาก การควบคม NOx จงอาจกระทำได

โดยการควบคมการเผาไหม (combustion control) ซงจะลดปรมาณการเกด NOx หรอการควบคมNOx ในกาซเสยหลงจากการเผาไหม (post-combustion control) ซงหมายถงการกำจด NOx ทเกดขนแลวในกาซเสย การกำจด NOx ออกจากกาซเสยตองใชปฏกรยาเคมระหวางแอมโมเนย (NH3) กบNOx ซงจะเปลยน NOx เปนกาซไนโตรเจน ระบบกำจด NOx หลงการเผาไหมแบงสองแบบคอ ระบบกำจด NOx ทใชสารเรงปฏกรยาหรอ SCR (selective catalytic reduction) และ ระบบกำจด NOx ทไมใชสารเรงปฏกรยาหรอ SCNR (selective non-catalytic reduction)

13.2.1 การควบคมการเผาไหมNOx เกดจากปฏกรยาเคมระหวางไนโตรเจนกบออกซเจนท อณหภมสง ดงนนหลกการควบคม

ปรมาณการเกด NOx คอ การลดอณหภม ในการ เผาไหม ปรมาณไนโตรเจนหรอออกซเจน การลดไนโตรเจนกระทำไดยากเนองจากไนโตรเจนเปนสวนประกอบหลกของอากาศ และการเผาไหมโดยใชออกซเจนบรสทธมคาใชจายสงเกนไป นอกจากนเชอเพลงบางชนดมไนโตรเจนเปนองคประกอบซงเปนสงทอยเหนอการควบคม วธลดอณหภมการเผาไหมวธหนงคอ การนำกาซเสยทถายเทความรอนใหแกเครองกำเนดไอนำจนมอณหภมตำลงกลบเขาเตาเผาใหม (flue gas recirculation) กาซเสยจะชวยลดอณหภมในเตาเผาได อยางไรกตาม วธนสามารถลดปรมาณ NOx ไดเพยงเลกนอยเทานน

การลดออกซเจนคอการลดปรมาณอากาศในการเผาไหมซงอาจนำไปสการเผาไหมท ไมสมบรณอยางไรกตามขอมลจากผลงานวจยแสดงใหเหนวา การใหอากาศอยางไมเทากนทวเตาเผาสามารถลดการเกด NOx ไดเมอเทยบกบการใหอากาศเทา ๆ กนทวเตาเผาแมวาปรมาณอากาศสวนเกนในสอง


กรณจะเทากน การลดปรมาณอากาศในบรเวณเปลวไฟแตเพมอากาศในบรเวณทหางออกไปลดการเกดNOx และหลกการนนำไปสการออกแบบและสรางหวเผา NOx ตำ (low NOx burner) ซงเปนหวเผาแบบพเศษทพนเชอเพลงออกมาพรอมกบอากาศในปรมาณนอยแตกพนอากาศออกมาเพมในทศทางอนรอบหวฉด การใชหลกการนกบหวเผาปกตสามารถกระทำไดโดยตดตงชองเปาอากาศเพมเตม การเผาไหมแบงเปนสองชวง ชวงแรกมอากาศปรมาณนอยกวาปรมาณอากาศเชงทฤษฎ ชวงทสองมการใหอากาศสวนเกน วธนเรยกวาการใหอากาศเปนขน (air staging) นอกจากนการใหเชอเพลงเปนขน (fuelstaging) กเขาขายการลด NOx ดวยหลกการน เตาเผาถกแบงเปนสามสวน สวนลางสดเปนสวนทมการเผาไหมหลกโดยมอากาศสวนเกนเพยงเลกนอย สวนทสองเปนสวนทมการเผาไหมซำโดยใชปรมาณอากาศนอยกวาปรมาณอากาศเชงทฤษฎ สวนทสามดานบนสดการเผาไหมโดยใชอากาศมากพอทจะใหการเผาไหมสมบรณกอนกาซเสยจะออกจากเตาเผา รปท 13.2 เปรยบเทยบการใหอากาศเปนขนกบการใหเชอเพลงเปนขน

รปท 13.2: การควบคม NOx โดยการใหอากาศเปนขนและการใหเชอเพลงเปนขน

13.2.2 ระบบกำจด NOx แบบ SCRในระบบนแอมโมเนย (NH3) จะถกทำใหระเหยเปนไอแลวจงพนเขาไปผสมกบกาซเสยและไหลผาน

สารเรงปฏกรยา (catalyst) ดงแสดงในรปท 13.3 ปฏกรยาเคมระหวาง NH3 กบ NOx เปนดงน4NO+ 4NH3 + O2 −→ 4N2 + 6H2O

2NO2 + 4NH3 + 2O2 −→ 3N2 + 6H2O

ทงสองปฏกรยาเปนปฏกรยาทใหความรอนออกมา (exothermic) และเกดขนชาทอณหภมตำ สารเรงปฏกรยาจะทำใหปฏกรยาทงสองเกดเรวขนโดยไมตองใชอณหภมทสงมากนก (160 – 350C) ความสามารถในการลด NOx ของ SCR มากถง 95%

แอมโมเนยทใชใน SCR อาจเปนแอมโมเนยบรสทธหรอแอมโมเนยผสมนำ แอมโมเนยบรสทธตองเกบในถงอดความดน แอมโมเนยเปนสารมพษ จงตองมระบบควบคมการรวไหลของแอมโมเนย การ

13.2. การควบคมออกไซดของไนโตรเจน 267

รปท 13.3: การลด NOx ทใชสารเรงปฏกรยาหรอ SCR

เกบแอมโมเนยผสมนำกระทำได งายกวาแตถง เกบแอมโมเนยผสมนำจะตองมขนาดใหญกวาถง เกบแอมโมเนยบรสทธ 3 – 4 เทาและการขนสงแอมโมเนยผสมนำมคาใชจายสงกวาแอมโมเนยบรสทธดงนน SCR สวนใหญจงใชแอมโมเนยบรสทธ

แอมโมเนยทใชใน SCR ตองมปรมาณพอเหมาะ ถานอยเกนไปการลด NOx จะตำกวาทควรจะเปนถามากเกนไปจะเกดการรวของแอมโมเนย (ammonia slip) ซงทำใหกาซเสยมแอมโมเนยเปนสวนผสมและเปนอนตรายตอสขภาพ การรวของแอมโมเนยจะกอใหเกดปญหามากขนในกรณทเชอเพลงทใชในโรงไฟฟามกำมะถนและกาซเสยม SO2 ตวเรงปฏกรยาจะทำให SO2 กลายเปน SO3 ซงจะทำปฏกรยากบแอมโมเนยดงน

SO+1

2O2 −→ SO3

NH3 + SO3 + H2O −→ NH4HSO2

2NH3 + 2SO3 + H2O+1

2O2 −→ 2NH4SO4

แอมโมเนยมไบซลเฟต (ammonium bisulfate, NH4HSO2) และ แอมโมเนยมซลเฟต (ammoniumsulfate, NH4SO4) ทไดจากปฏกรยาขางตนมสถานะเปนของแขงขนาดเลกโดยมขนาดประมาณ 1 – 3ไมครอน ดงนนกาซเสยทผาน SCR จะมอนภาคฝนเพมขน ดวยสาเหตนการรวของแอมโมเนยจงไมควรเกน 5 ppm

สารเรงปฏกรยาใน SCR ทำจากไททาเนยมไดออกไซด (titanium dioxide, TiO2) ซงทำหนาทเปนโครงสรางและวาเนเดยมเพนทอกไซด (vanadium pentoxide, V2O5) หรอ ทงสเตนออกไซด (tung-sten oxide, WO3) ซงทำหนาทเรงปฏกรยา สารเรงปฏกรยามลกษณะเปนถาดสเหลยมเจาะรจำนวนมากเพอใหกาซเสยไหลผานได ขนาดของรขนกบปรมาณฝนละอองในกาซเสย ถา SCR ตดตงกอนเครองกำจดฝนในรปท 13.1 รจะมขนาด 6 – 7.5 mm ถา SCR ตดตงหลงเครองกำจดฝนและโรงไฟฟาใชถานหนเปนเชอเพลง รจะมขนาด 3.3 – 5 mm และถาโรงไฟฟาใชนำมนเตาหรอกาซธรรมชาตเปนเชอเพลง รจะมขนาด 2 – 3 mm แตละถาด สารเรงปฏกรยามอายใชงานจำกด การเปลยนสารเรงปฏกรยาจะเกดขนหลงจากใชงานไป 2 – 4 ปและความเขมขนของ NOx ในกาซเสยเกนคาทกฎหมายกำหนดคาใชจายของสารเรงปฏกรยาสงถง 20 – 30% ของคาใชจายในระบบกำจด NOx แบบ SCR ดงนนจง


ตองมระบบจดการสารเรงปฏกรยาทด สารเรงปฏกรยาหลายถาดจะตดตงใน SCR และการเปลยนสารเรงปฏกรยาจะกระทำทละถาดเพอใหสามารถใชงานสารเรงปฏกรยาแตละถาดไดเตมทและควบคมคาใชจายของสารเรงปฏกรยา

13.2.3 ระบบกำจด NOx แบบ SNCRSNCR ใชแอมโมเนยหรอยเรย (urea, CO(NH2)2) ทำปฏกรยากบ NO ยเรยมอนตรายนอยกวา

แอมโมเนย จงไดรบความนยมมากกวา ปฏกรยาเคมทเกดขนเปนดงน

4NO+ 4NH3 + O2 −→ 4N2 + 6H2O4NO+ 2CO(NH2)2 + O2 −→ 4N2 + 2CO2 + 4H2O

อณหภมของปฏกรยาอยระหวาง 900 – 1050C และเวลาทำปฏกรยาตองนานพอเพอทดแทนการใชสารเรงปฏกรยา เปนทนาสงเกตวา SNCR ไมไดกำจด NO2 แตเนองจาก NOx ทออกจากโรงไฟฟาอาจประกอบดวย NO ถง 95% โดยม NO2 เพยง 5% ประสทธภาพของ SNCR ในการกำจด NOx จงอาจสงถง 70 – 80% ซงกยงตำกวา SCR อยางไรกตามการทไมมสารเรงปฏกรยาทำใหคาใชจายของ SNCRถกกวา SCR นอกจากนความดนสญเสยใน SNCR กนอยกวา SCR

นอกเหนอจากปฏกรยาขางตนแอมโมเนยยงทำปฏกรยากบอากาศดงน

4NH3 + 5O2 −→ 4NO+ 6H2O4NH3 + 3O2 −→ 2N2 + 6H2O2NH3 + 2O2 −→ N2O+ 3H2O

ซงจะสงผลให NO เพมขน อยางไรกตามไนตรสออกไซด (nitrous oxide, N2O) ไมใชกาซทเปนอนตรายตอสขภาพถงแมวากาซนจะทำใหเกดสภาวะโลกรอน แตการเกด N2O กทำใหแอมโมเนยสญเสยไปโดยเปลาประโยชน

ระบบกำจด NOx แบบ SNCR จะตดตงตรงทางออกจากเตาเผาในเครองกำเนดไอนำ แอมโมเนยหรอยเรยจะถกพนเขาไปผสมกบกาซเสยดวยหวฉดทตดตงภายในเครองกำเนดไอนำหรอหวฉดทยนเขาไปเครองกำเนดไอนำและหดกบได ตำแหนงการพนแอมโมเนยหรอยเรยเปนตำแหนงทกาซเสยมอณหภมในชวงท เหมาะสม ถาอณหภมตำเกนไป ปฏกรยาจะเกดขนชาลงและการรวของแอมโมเนยจะเกดขน แตถาอณหภมสงเกนไปยเรยจะสลายตวกลายเปนแอมโมเนยซงจะทำปฏกรยากบออกซเจนกลายเปน NOx

เนองจาก SNCR ไมมสารเรงปฏกรยา การลด NOx อยางมประสทธผลจงตองอาศยการควบคมปจจย ตาง ๆ นอกเหนอจากอณหภม เชน การผสมกนอยางทวถงระหวางแอมโมเนยหรอยเรยกบกาซเสยชวงเวลาการทำปฏกรยา ปรมาณของแอมโมเนยหรอยเรย และปรมาณอากาศ ปจจยเหลานเปลยนแปลงตามตำแหนงและเวลา การใชพลศาสตรเชงคำนวณ (computational fluid dynamics) ในการกำหนดตำแหนงทเหมาะสมสำหรบการพนแอมโมเนยหรอยเรยจงมความจำเปนเพอให SNCR มประสทธภาพสงสด

13.3. การควบคมฝนละออง 269

13.3 การควบคมฝนละอองการเผาไหมทไมสมบรณอาจทำใหมคารบอนเหลอจากการเผาไหมและลอยออกไปพรอมกบกาซ

เสยในรปของเขมาและควน นอกจากนระบบการเผาไหมทใชถานหนหรอนำมนเตาคณภาพไมดจะไดขเถาเปนผลผลต บางสวนของขเถาจะตกลงสกนเตาเผากลายเปนขเถาจม (bottom ash) บางสวนจะถกดกในเครองประหยดเชอเพลง สวนทเหลอจะเปนขเถาลอย (fly ash) ปะปนไปกบกาซเสยทจะไหลเขาสปลอง สดสวนของขเถาเหลานขนกบระบบการเผาไหมดงแสดงในตารางท 13.2

ตารางท 13.2: สดสวนขเถาจากการเผาไหมในระบบตาง ๆ

ระบบการเผาไหม ขเถาจม ขเถาถกดกเครองประหยดเชอเพลง ขเถาลอย(%) (%) (%)

ระบบเครองปอนเชงกล 60-80 0-5 20-40ระบบถานหนผง 10-30 0-10 70-90ระบบฐานไหล 5-90 0-5 10-95

อนภาคฝนมหลายขนาด อนภาคฝนทมขนาดใหญสามารถแยกออกจากกาซไดโดยงายดวยอปกรณแยกฝนแบบไซโคลน (cyclone separator) ซงอาศยความเฉอยทแตกตางกนของฝนและกาซทกำลงเคลอนทพรอมกน อยางไรกตามความแตกตางทางกายภาพระหวางฝนกบกาซจะลดลงเมออนภาคฝนมขนาดเลกลง ดวยเหตนอปกรณแยกฝนแบบไซโคลนจงไมสามารถแยกฝนทมขนาดเลกมากออกจากกาซได และอปกรณนจงไมสามารถทำใหปรมาณฝนในกาซเสยลดลงจนถงเกณฑทกฎหมายกำหนดโรงไฟฟาจงตองใชอปกรณแยกฝนททำงานดวยหลกการอน ซงไดแก อปกรณแยกฝนดวยไฟฟาสถต(electrostatic precipitator) และอปกรณแยกฝนดวยถงกรอง (fabric filter)

13.3.1 อปกรณแยกฝนดวยไฟฟาสถตอปกรณแยกฝนแบบนประกอบดวยเสนลวดอเลกโทรดเปลงแสง (emitting electrode) และแผน

สะสมฝนทตอกบสายดน (grounded collecting plate) เสนลวดอเลกโทรดเปลงหลายเสนวางระหวางแผนสะสมฝน เสนลวดไดรบศกยไฟฟาขวลบขนาด 30 ถง 80 kV จากแหลงกระแสไฟฟาตรงซงมากพอทจะทำใหเสนลวดเปลงแสงสวางสนำเงน รปท 13.4 แสดงการทำงานของเครองน สนามไฟฟารอบ ๆเสนลวดจะทำใหโมเลกลกาซเสยทไหลระหวางแผนสะสมแตกตวเปนไอออนบวกและอเลกตรอน ไอออนบวกจะวงเขาหาอเลกโทรดเปลงในขณะทอเลกตรอนจะวงเขาหาแผนสะสม อเลกตรอนจะถกดกจบโดยโมเลกลของกาซเสยทำใหโมเลกลมประจลบ ซงโมเลกลเหลานจะชนและถายประจลบใหอนภาคฝนสนามไฟฟาจะทำใหเกดแรงดดฝนสแผนสะสมฝนในทสด

อปกรณแยกฝนดวยไฟฟาสถตประกอบแผนสะสมฝนหลายแผนวางขนานกน ตรงกงกลางระหวางแผนสะสมฝนสองแผนมเสนลวดอเลกโทรดหลายเสนเรยงแถว จำนวนแผนสะสมฝน จำนวนเสนลวด


รปท 13.4: การทำงานของเครองดกฝนดวยไฟฟาสถต

อเลกโทรด และระยะหางระหวางแผนสะสมฝนกบเสนลวดอเลกโทรด ไดรบการออกแบบใหอปกรณแยกฝนดวยไฟฟาสถตมสมรรถนะสงสด กาซเสยทมฝนจะไหลเขาอปกรณขนานกบแผนสะสมฝน ฝนทถกแยกจะไปตดอยกบแผนสะสมฝนและสญเสยประจบางสวนแกแผนสะสมฝน แตกยงมประจหลงเหลอและมแรงยดฝนกบแผนสะสมฝน อยางไรกตามสมรรถนะของอปกรณแยกฝนจะลดลงถามฝนเกาะแผนสะสมมากเกนไป ดงนนจงตองใชการสนของแผนสะสมฝนทำใหฝนตกสถงพกขเถา (ash hopper) เพอรอการกำจดในขนตอนตอไป รปท 13.5 แสดงรปดานบนและดานขางของอปกรณแยกฝนดวยไฟฟาสถต

รปท 13.5: ภาพดานบนและดานขางของเครองดกฝนดวยไฟฟาสถต

สมรรถนะของอปกรณแยกฝนดวยไฟฟาสถตขนกบลกษณะของขเถา สภาพตานทานไฟฟา (elec-

13.3. การควบคมฝนละออง 271

trical resistivity) ของอนภาคขเถาของเชอเพลงแตละชนดอาจไมเทากนโดยมคาตงแต 1 × 108 ถง1 × 1014 Ω.cm อนภาคทมสภาพตานทานไฟฟาสงจะรบประจไฟฟาไดยากและมความนาจะเปนสงทอาจไหลผานเครองโดยไมถกดกจบดงนนอปกรณแยกฝนดวยไฟฟาสถตจงตองมขนาดใหญเพอเพมเวลาทอนภาคฝนอยในเครองและเพมโอกาสทอนภาคฝนจะโดนแยกออกจากกาซเสย ในทางตรงขามอนภาคทมสภาพตานทานไฟฟาตำจะเสยประจใหแผนสะสมงายและอาจไหลยอนกลบเขาเครองใหมสภาพตานทานไฟฟาทเหมาะสมมคาประมาณ 5 × 109 ถง 5 × 1010 Ω.cm ปจจยอนทสงผลตอสภาพตานทานไฟฟาของฝนในกาซเสยไดแก ความชน อณหภมและ SO3 การปรบสภาพขเถาเพอลดสภาพตานทานไฟฟาอาจใช SO3

13.3.2 อปกรณแยกฝนดวยถงกรองในปจจบนเทคโนโลยสงทอไดรบการพฒนาจนทำใหผาบางชนดมคณสมบตในการกรองอนภาคฝน

ทมขนาดเลกมากไดอยางมประสทธภาพ อปกรณแยกฝนดวยถงกรองจงไดรบการออกแบบและพฒนาใหมสมรรถนะเทยบเทาอปกรณแยกฝนดวยไฟฟาสถต และทำใหอปกรณแยกฝนแบบนไดรบความนยมมากในโรงไฟฟา อปกรณแยกฝนดวยถงกรองประกอบดวยถงกรอง (filter bag) รปทรงกระบอกกลวงหลายถงเรยงตวเปนกลม แตละถงมความยาวเสนผาศนยกลาง 125 ถง 300 mm และอาจมความสงถง12.5 m ปลายลางของถงเปดแตปลายบนของถงปด กลมถงกรองจะมถงกรองหลายพนถงทวางอยบนแผนเซล (cell plate) ซงมกาซเสยสกปรกไหลเขาทางดานลาง กาซเสยสะอาดจะไหลออกจากถงกรองทางดานบน

ฝนทถกกรองจะเกาะตดกบผวของถงกรองจะสะสมตวเพมขนเรอย ๆ และจะลดทอนสมรรถนะของอปกรณ ดงนนจงตองมกลไกในการกำจดฝนออกจากผวของถงกรอง อปกรณแยกฝนดวยถงกรองแบงออกเปนสองแบบตามวธการกำจดฝนออกจากผวของถงกรอง แบบแรกคอ อปกรณแยกฝนดวยถงกรองแบบไหลกลบได (reverse gas fabric filter) ดงแสดงในรปท 13.6 กาซเสยสกปรกไหลเขาถงกรองจากดานลางและกาซเสยสะอาดไหลออกทางดานขาง ฝนจะถกดกตดอยกบผวดานในของถงกรอง เมอถงเวลาทำความสะอาด พดลมจะเปาอากาศเขาเครองและอากาศจะไหลเขาถงกรองจากดานขางซงทำใหฝนทเกาะอยทผวในของถงกรองหลดออกและไหลลงสถงเกบพรอมกบอากาศ

แบบทสองคอ อปกรณแยกฝนดวยถงกรองแบบพลสเจต (pulse jet fabric filter) รปท 13.7 แสดงการทำงานของอปกรณแบบน กาซเสยสกปรกไหลเขาถงกรองจากดานขางซงทำใหฝนถกดกภายนอกถงกรองและกาซเสยสะอาดจะไหลออกทางดานบน เมอถงเวลาทำความสะอาดอากาศจะถกเปาเขาไปในถงกรองอยางรวดเรวทำใหถงกรองโปงขนอยางกะทนหนเปนลกคลนทวงจากบนลงลางและฝนทเกาะผวนอกของถงกรองจะกระเดนตกลงสถงเกบ

อปกรณแยกฝนดวยถงกรองแบบพลสเจตมขนาดเลกกวาและมราคาถกกวาอปกรณแยกฝนดวยถงกรองแบบไหลกลบได อยางไรกตามถงกรองของอปกรณแยกฝนดวยถงกรองแบบพลสเจตมราคาแพงกวาแบบไหลกลบไดแตทนอณหภมไดตำกวาและมอายการใชงานนอยกวา ดงนนการบำรงรกษาอปกรณแยกฝนดวยถงกรองแบบพลสเจตจงมคาใชจายทแพงกวาแบบไหลกลบได

อปกรณแยกฝนดวยถงกรองมขอไดเปรยบเมอเทยบกบอปกรณแยกฝนดวยไฟฟาสถตคอ สมรรถนะของเครองไมขนกบลกษณะของข เถาและปรมาณฝนในกาซเสย อยางไรกตามขอเสยเปรยบทสำคญ


รปท 13.6: เครองกรองดวยถงผาแบบไหลกลบได

รปท 13.7: เครองกรองดวยถงผาแบบพลสเจต

ของอปกรณแยกฝนดวยถงกรองคอ คาบำรงรกษาทสงกวาและความตองการพดลมในการเปากาซเสยพดลมจะตองออกแบบใหมกำลงมากพอทจะเอาชนะความดนสญเสยในเครองทเกดจากการสะสมฝนบนผวของถงกรอง ในทางตรงขามความดนสญเสยในอปกรณแยกฝนดวยไฟฟาสถตคอนขางคงท

13.4. ระบบจดการขเถา 273

13.3.3 เครองดกฝนดวยไซโคลนเครองดกฝนดวยไซโคลนอาศยหลกการทวา อนภาคฝนมมวลมากกวาโมเลกลของกาซเสย แรงหน

ศนยกลางทกระทำตออนภาคจงมากกวา รปท 13.8 แสดงใหเหนวากาซเสยทมฝนปะปนจะไหลเขาไซโคลนทางดานบนในแนวเฉยงซงทำใหเกดการไหลวนของกาซเสยรอบ ๆ ผนงของไซโคลน อนภาคฝนกจะแยกออกจากกาซเสยโดยตกลงสถงเกบฝนขางลางในขณะทกาซเสยทสะอาดขนจะไหลยอนกลบขนขางบนออกจากไซโคลนไปได เครองดกฝนชนดนแยกอนภาคฝนขนาดใหญออกไปไดดแตไมสามารถแยกอนภาคฝนทมขนาดเลกได เครองนจงตองใชรวมกบเครองดกฝนดวยถงกรองหรอเครองดกฝนดวยไฟฟาสถตเพอปองกนไมใหอนภาคฝนขนาดเลกเลดลอดออกไปได

รปท 13.8: เครองดกฝนดวยไซโคลน

13.4 ระบบจดการขเถาเถาเปนสวนประกอบของถานหนและเชอเพลงชวมวล เถาเปนชอเรยกรวมของสารในสถานะของ

แขงทไมเผาไหมในอากาศ เถาสามารถจำแนกเปนเถาจากภายนอก (extrinsic ash) และเถาจากภายใน(intrinsic ash) เถาจากภายนอกหมายถง เศษกรวด หน ดนและทรายท ปะปนมากบ เชอ เพลง เถาประเภทนสามารถแยกออกจากเชอเพลงดวยวธทางกายภาพได เถาจากภายในหมายถงออกไซดของซลกอน (silicon) อะลมนม (aluminum) และโลหะอลคาไล (alkali) ทเปนสวนประกอบของเชอเพลงทไมสามารถแยกออกมาดวยวธทางกายภาพได เถาทตกคางในเตาเผาหลงจากเชอเพลงเผาไหมไปจนหมดสนแลวเรยกวา ขเถา ขเถาอาจรวมถงเชอเพลงและคารบอนทตกคางหลงจากการเผาไหมทไมสมบรณ

ขเถามสวนประกอบทหลากหลาย บางอยางมจดหลอมเหลวตำ บางอยางมจดหลอมเหลวสง ขเถาทมจดหลอมเหลวตำจะมสภาพเปนของเหลวตกลงสกนเตาเผาและกลายเปนขเถาจม (bottom ash)


และถกลำเลยงออกจากเตาเผาทางดานลางของเตา ข เถาทมจดหลอมเหลวสงจะมสภาพเปนละอองของเหลวขณะทเชอเพลงกำลงเผาไหมทอณหภมสงในเตาเผา ละอองขเถาหลอมเหลวจะฟงกระจายตวในกาซเสยท เกดจากการเผาไหม เมอกาซเสยมอณหภมตำลงกวาจดหลอมเหลว ข เถาจะแขงตวและกลายเปนอนภาคฝนขนาดเลกทลอยปะปนกบกาซเสยเรยกวา ข เถาลอย (fly ash) สดสวนของขเถาจมและขเถาลอยขนกบระบบเผาไหมเชอเพลงของโรงไฟฟา โรงไฟฟาทใชระบบเผาไหมแบบเครองปอนเชงกล (mechanical stoker) จะมขเถาจมประมาณ 60 – 80% และขเถาลอยประมาณ 20 – 40% โรงไฟฟาทใชระบบเผาไหมถานหนบดละเอยด (pulverized coal) จะมขเถาจมประมาณ 10 – 30% และขเถาลอยประมาณ 70 – 90% ขเถาจมและขเถาลอยจะตองถกกำจดออกจากโรงไฟฟาอยางตอเนองเพอปองกนการสะสมของขเถาซงจะเปนอปสรรคตอการทำงานของระบบเผาไหมในโรงไฟฟา

13.4.1 ขเถาลอยระบบจดการขเถาลอยเรมตนจากการพกเกบขเถาลอยชวคราวในถงพกขเถา (hopper) หลงจาก

ข เถาลอยถกแยกออกจากกาซเสยดวยครองกรองดวยถงผาหรออปกรณแยกฝนดวยไฟฟาสถตแลวอปกรณแยกฝนทงสองชนดจะมกลไกในการเคาะข เถาทถกแยกใหตกลงสถงพกข เถาทตดตงอยดานลางของอปกรณ ถงพกขเถามความจทจำกด จงตองมระบบกำจดขเถาลอยออกจากถงพกขเถา ระบบนดงแสดงในรปท 13.9 จะลำเลยงขเถานออกจากถงพกขเถาไปเกบทไซโล (silo) ซงเปนถงเกบขเถาขนาดใหญ กอนทจะถกระบายออกจากไซโลเพอไปกำจดทงหรอใชประโยชนตอไป

รปท 13.9: ระบบลำเลยง เกบ และกำจดขเถาลอย

การลำเลยงข เถาลอยออกจากถงพกข เถานยมใชระบบนวแมตก (pneumatic) ซงมอากาศเปนตวกลาง อากาศจะไหลพรอมกบขเถาไปตามทอทตอจากถงพกขเถาไปไซโล การสรางความดนขบเคลอน

13.4. ระบบจดการขเถา 275

ใหอากาศกบขเถาไหลในทออาจกระทำไดโดยการสรางความดนสญญากาศทางดานไซโลจากหลกการทวา เมอนำหรอไอนำไหลดวยความเรวสง ความดนจะลดลงตามสมการเบอรนล (Bernoulli equation)วธนตองใชนำหรอไอนำในปรมาณมากและสามารถขนถายขเถาในระยะทางสน ถาตองการขนถายขเถาในระยะไกลตองใชวธสรางความดนขบเคลอนโดยการใชพดลมหรอคอมเพรสเซอรอดอากาศความดนสงเพอเปาอากาศทางดานถงพกขเถาใหไหลตามทอพรอมกบขเถาไปยงไซโล วธนมขอเสยคอ อาจเกดการรวในระบบททำใหขเถากระจายสสงแวดลอมได

อากาศท ไหลเขาไซโลพรอมกบข เถาอยางตอเนองทำใหตองมระบบระบายอากาศและข เถาออกจากไซโล อากาศจะถกระบายออกทางดานบนของไซโล อปกรณดกฝนจะถกตดตงตรงจดระบายอากาศเพอปองกนการกระจายออกสสงแวดลอมของขเถา สวนขเถาจะถกระบายออกทางดานลาง ไซโลแบงเปนสองแบบตามลกษณะของกนไซโล ไซโลแบบแรกมกนแบน ดานในตดตงอปกรณททำใหขเถาอยในสภาวะฐานไหล (fluidization) อปกรณจะเปาอากาศดวยความเรวทเหมาะสมจากดานลางขนไปยงกองขเถาซงจะทำใหอนภาคขเถาลอยในอากาศ การระบายขเถาออกจากไซโลสามารถกระทำไดโดยสะดวกเนองจากขเถาในสภาวะฐานไหลมคณสมบตคลายของไหล อยางไรกตามไซโลแบบนไมเหมาะกบกรณทมเชอเพลงหรอคารบอนทไมเผาไหมปะปนกบขเถาเนองจากสภาวะฐานไหลอาจทำใหเกดการเผาไหมในไซโล ในกรณนควรใชไซโลแบบทสองทมกนเปนรปโคนทำมมอยางนอย 60 ขเถาจะถกระบายออกจากไซโลดวยแรงโนมถวงและอาจมกลไกสำหรบผลกดนขเถาใหออกจากไซโล

13.4.2 ขเถาจม

ขเถาจมเกดจากเถาทมจดหลอมเหลวตำ การเผาไหมในเตาเผาทำใหเตาเผามอณหภมสงเพยงพอทจะทำใหเถาหลอมเหลว ขเถาในสถานะของเหลวจะไหลสกนเตาเผาซงมลกษณะเปนรางบรรจนำ ขเถาจมทอยในสถานะขเถาหลอมเหลวจะแขงตวในนำและถกลำเลยงออกจากเตาเผา การลำเลยงขเถาจมออกจากเตาเผามสองวธคอ วธเชงกลและวธไฮดรอลก วธเชงกลใชสายพานลำเลยงขเถาจมบนสายพานออกจากเตาเผา วธไฮดรอลกใชนำความดนสงดนขเถาจมบนออกจากเตาเผา วธเชงกลใชพลงงานนอยแตสามารถลำเลยงข เถาจมในปรมาณจำกดและในระยะใกล วธ ไฮดรอลกใชพลงงานสง แตสามารถลำเลยงข เถาจมในปรมาณมากและในระยะไกลซงขนอยกบแรงดนขบเคลอนของนำ ขอไดเปรยบอกประการหนงของวธไฮดรอลก การลดการเสยดสระหวางขเถาจมกบระบบลำเลยงขเถาจมซงทำใหอายการใชงานของระบบทใชวธไฮดรอลกสงกวาระบบทใชวธเชงกล ดวยเหตผลเหลานวธไฮดรอลกจงไดรบความนยมมากกวาวธเชงกลในการลำเลยงขเถาจม

ระบบลำเลยงขเถาจมจะนำขเถาจมไปเกบทบอพกขเถา ข เถาจมทเพงลำเลยงออกจากเตาเผามสดสวนของนำมากเกนไป จงตองผานกระบวนการแยกนำออกมา ขเถาจมสามารถนำไปใชประโยชนไดจงไมนยมนำไปฝงกลบ ขเถาจมทมความชนตำจะถกนำไปเกบในถงเพอรอการขนยายออกจากโรงไฟฟาตอไป


13.5 ระบบกำจดกาซซลเฟอรไดออกไซดกาซซลเฟอรไดออกไซด (SO2) เกดจากปฏกรยาการเผาไหมระหวางกำมะถนในเชอเพลงกบออกซ-

เจนในอากาศดงนS+ O2 −→ SO2

เมอ SO2 ทำปฏกรยากบนำกลายเปนกรดกำมะถน (sulfuric acid, H2SO4) ซงมฤทธกดกรอนสง กรดกำมะถน นอกจากจะสามารถกดกรอนและสรางความเสยหายแกอปกรณในโรงไฟฟาแลว ยงจงเปนอนตรายอยางยงตอระบบทางเดนหายใจ นอกจากนอากาศทม SO2 ยงทำใหฝนกลายเปนฝนกรดซงเปนอนตรายตอระบบนเวศน

เชอเพลงแขงแทบทกชนดมกำมะถนเปนสวนประกอบซงจะทำใหเกด SO2 การปองกนไมใหเกดSO2 คอ การใชกาซธรรมชาตซงแทบไมมกำมะถนเลย เหตผลน เปนเหตผลหนงทประเทศไทยใชกาซธรรมชาตผลตไฟฟาในสดสวนทมากถง 70% อยางไรกตามการผลตไฟฟาทวโลกยงคงใชถานหนเปนเชอเพลง การลดปญหาการเกด SO2 ในโรงไฟฟาถานหนคอ การใชถานหนทมสดสวนของกำมะถนตำเชนถานหนแอนทราไซต โรงไฟฟาถานหนในประเทศไทยทใหญทสดซงอยทอำเภอแมเมาะ จงหวดลำปางใชถานหนลกไนตเปนเชอเพลง ลกไนตมสดสวนกำมะถนมากกวาถานหนชนดอน การแกปญหาการเกดSO2 ในโรงไฟฟาถานหนคอการตดตงระบบกำจด SO2 ออกจากกาซเสย (flue gas desulfurization)

เมอ SO2 ละลายในนำจะกลายเปนกรดซลฟรส (sulfurous acid, H2SO3) ซงจะแตกตวเปนไฮโดรเจนไอออน (H+) และไบซลเฟตไอออน (HSO−

3 ) ไบซลเฟตไอออนจะแตกตวอยางตอเนองจนกลายเปน H+ และซลไฟตไอออน (SO2−

3 ) ในทสดSO2 + H2O −→ H2SO3

H2SO3 −→ H+ + HSO−3

H+ + HSO−3 −→ SO2−

3 + 2H+

การกำจด SO2 ออกจากกาซเสยคอ การเพมการละลาย SO2 ในนำ SO2 ละลายนำเพมขนเมอมปฏกรยาเคมทลดความเขมขนของ H+ ในนำ ไอออนเหลานทำปฏกรยาเคมกบอลคาไลนไอออน (alkaline ion)เชน ไฮดรอกไซดไอออน (OH−) คารบอเนตไอออน (CO2−

3 ) และไบคารบอเนตไอออน (HCO−3 ) ดงนน

สารเคมทมกบอลคาไลนไอออนจงมความสามารถกำจด SO2 สารเคมสองชนดทนยมใชในกระบวนการกำจด SO2 ในกาซเสยไดแกหนปน (limestone) และนำทะเล

13.5.1 การกำจด SO2 ดวยหนปนระบบกำจด SO2 ดวยหนปน (CaCO3) เปนระบบทไดความนยมมากทสดในปจจบนเพราะระบบ

นสามารถกำจด SO2 ไดถง 95 - 98% และยงไดผลผลตเปนยบซมทนำไปใชประโยชนได รปท 13.10แสดงระบบกำจด SO2 ดวยหนปน หนปนตองถกบดใหละเอยดกอนผสมกบนำและพนเขาหอปฏกรยาโดยมกาซเสยไหลสวนทางกบนำผสมหนปนและทำปฏกรยากนดงน

CaCO3 + SO2 +1

2H2O −→ CaSO3.

1

2H2O

13.5. ระบบกำจดกาซซลเฟอรไดออกไซด 277

CaSO3.1

2H2O+

3

2H2O −→ CaSO4.2H2O

หอปฏกรยาถกออกแบบใหมการผสมกนระหวางนำหนปนกบกาซเสยอยางทวถงเพอใหม เศษหนปนเหลอนอยทสดและ SO2 ถกกำจดไปมากทสด ผลผลตจากกระบวนการนคอ ยบซม (CaSO4) และแคลเซยมซลไฟต (CaSO3) ยบซมแหงสามารถนำไปใชเปนวสดกอสรางหรอเพอการเกษตรได แตแคล-เซยมซลไฟตมสภาพเปนขยะเพราะไมมประโยชนเหมอนยบซม ขยะทเกดจากแคลเซยมซลไฟตจะเปนสารแขวนลอยนำ กอนการกำจดทงตองเพมสดสวนของของแขงโดยเตมขเถาหรอปนขาวเขาไปเพอใหขยะมสภาพเปนขยะแขงทคอนขางคงรปและสามารถนำไปฝงกลบได การลดปรมาณขยะท เกดจากแคลเซยมซลไฟตกระทำไดโดยการพนอากาศเขาไปในหอเพอเพมปฏกรยาการเปลยนแคลเซยมซลไฟตเปนยบซม

รปท 13.10: ระบบกำจด SO2 ดวยหนปน

กาซเสยทถกกำจด SO2 แลวจะไหลออกทางดานบนของหอ กาซเสยนเปนกาซเสยในสภาวะอมตว(saturated) เนองจากมไอนำผสมอยในปรมาณสงสด นอกจากนยงมละอองนำจำนวนมากปะปนในกาซ


เสย ละอองนำเหลานมกรดซลฟรกเปนสวนผสมและมฤทธกดกรอนสง ตรงทางออกจากหอของกาซเสยจงควรตดตงฮตเตอรเพอเพมอณหภมกาซเสยและทำใหละอองนำระเหยเปนไอ ความรอนทใหฮตเตอรอาจไดมาจากกาซเสยทไหลเขาหอ นอกจากนอาจมการตดตงเครองดกละอองนำ (mist eliminator) ซงอาจทำดวยแผนกนเอยงหลายแถว กาซเสยเสยจะสามารถไหลตามแนวเอยงของแผนกนได แตละอองนำซงมความเฉอยสงจะถกดกโดยแผนกนและไหลตกกลบลงไปในหอ

สารแขวนลอยทไหลออกทางดานลางของหอประกอบดวยยบซมทมลกษณะเปนกอนของแขงและเศษหนปนทไมไดทำปฏกรยา ไฮโดรไซโคลน (hydrocyclone) จะแยกยบซมออกจากเศษหนปนโดยใชหลกการของแรงหนศนยกลางทแตกตางกนระหวางกอนยบซมขนาดใหญกบเศษหนปนขนาดเลก ยบซมทแยกออกมาจะถกนำไปชะลางระทำใหแหงเพอนำไปใชประโยชนตอไป ในขณะทเศษหนปนจะถกนำไปใชในกระบวนการกำจด SO2 ใหม

13.5.2 การกำจด SO2 ดวยนำทะเลนำทะเลมคา pH ประมาณ 8 และมไอออน CO2−

3 และ HCO−3 จำนวนมาก จงมคณสมบตเหมาะ

สมกบการใชในระบบกำจด SO2 ขอไดเปรยบสำคญของระบบกำจด SO2 นคอ นำทะเลไมมคาใชจายและมปรมาณไมจำกด อยางไรกตามโรงไฟฟาทใชระบบนตองอยตดทะเล อปกรณหลกของระบบนคอหอปฏกรยา ดงแสดงในรปท 13.11 ภายในหอมนำทะเลไหลเขาทางดานบนและกาซเสยไหลเขาทางดานลาง ละอองนำทะเลกบ SO2 ในกาซเสยจะผสมกนและทำปฏกรยากนดงน

SO2 + CO2−3 −→ SO2−

3 + CO2

SO2 + HCO−3 −→ HSO−

3 + CO2

กาซเสยทผานกระบวนการนจะไหลผานเครองดกละอองนำกอนปลอยสสงแวดลอมทางปลอง นำทะเลทผานกระบวนการจะประกอบดวย SO2−

3 และ HSO−3 และมคาสภาพเปนกรด จงยงไมสามารถปลอย

กลบสทะเลได นำทะเลนจะผสมกบนำทะเลสดจากทะเลเพอลดสภาพความเปนกรด แลวจงไหลเขาสบอเตมอากาศเพอให SO2−

3 และ HSO−3 ทำปฏกรยากบ O2 ในอากาศดงน

SO2−3 +

1

2O2 −→ SO2−

4

HSO−3 +

1

2O2 −→ HSO−

4

หลงจากนนคา pH ของนำทะเลนจะเพมขนอยระหวาง 6 – 7 ถงแมวาคา pH ยงคงตำกวาคา pH ของนำทะเลสด แตกไมเปนอนตรายตอสตวนำและสามารถปลอยกลบสทะเลได

13.6 ระบบตรวจวดมลภาวะอยางตอเนองโรงไฟฟานอกจากจะมมาตรการควบคมการปลอยสารท เปนมลภาวะสบรรยากาศแลว โรงไฟฟา

จะตองมระบบตรวจวดการปลอยสารท เปนมลภาวะในกาซเสยอยางตอ เนอง (continuous emis-sion monitoring, CEM) เพอใหมนใจวา ความเขมขนของสารเจอปนในกาซเสยอยในเกณฑทกฎหมาย

13.6. ระบบตรวจวดมลภาวะอยางตอเนอง 279

รปท 13.11: ระบบกำจด SO2 ดวยนำทะเล

กำหนดกอนปลอยสบรรยากาศ CEM หมายถงการตรวจวดคาความเขมขนของฝนละอองและกาซสวนประกอบในกาซเสยซงไดแก NO, NO2 และ SO2 ปรมาณสารเจอปนเหลานในกาซเสย

13.6.1 วธวเคราะหกาซเสยการวเคราะหกาซเสยแบงออกเปน 2 วธ วธแรกตรวจวดปรมาณสารเจอปนในกาซเสยทปลอง (in-

situ method) วธทสองจะเกบตวอยางกาซเสยมาวเคราะหในหองปฏบตการ (extractive method)ระบบการตรวจวดดวยวธแรกอาจเปนระบบตรวจวดความเขมขนของกาซสวนประกอบเฉพาะจด (pointanalysis) โดยใชเซนเซอร หรอ ระบบการตรวจวดตลอดความกวางของปลอง (path analysis) โดยตดตงอปกรณสงสญญาณคลนแมเหลกไฟฟาเขาไปในปลอง และไปสอปกรณรบสญญาณทอยดานตรงขามกาซแตละชนดมสมบตการดดกลนและหกเหคลนสญญาณทตางกนซงนำไปสการประมาณคาความเขมขนของกาซตลอดความกวางของปลอง รปท 13.12 แสดงการตดตงอปกรณเพอการตรวจวดแบบนซงเปนระบบผานครงเดยว (single-pass) ระบบนอาจไมสามารถวดคาความเขมขนของกาซสวนประกอบ


ไดแมนยำพอในกรณทมปรมาณกาซนอย รปท 13.13 แสดงระบบผานสองครง (double-pass) ซงประกอบดวยอปกรณทเปนทงตวสงสญญาณและตวรบสญญาณ อปกรณนจะสงสญญาณเขาไปในปลองสญญาณจะถกสะทอนกลบไปยงอปกรณโดยตวสะทอนสญญาณทอยดานตรงขาม การตรวจวดปรมาณสารเจอปนในกาซเสยทปลอง จะทำใหทราบคาปรมาณ NOx, SO2 และฝนละอองอยางรวดเรว ขอเสยเปรยบของวธนคอ การตดตงอปกรณการตรวจวดมความลำบาก อปกรณจะตองทำงานในสภาวะทมอณหภมสง คาทอานไดอาจไมแมนยำ และความยงยากในการบำรงรกษาอปกรณ

รปท 13.12: ระบบตรวจวดความเขมขนของกาซในปลองแบบผานครงเดยว

รปท 13.13: ระบบตรวจวดความเขมขนของกาซในปลองแบบผานสองครง

การเกบตวอยางกาซเสยมาวเคราะหในหองปฏบตการมขอไดเปรยบคอ ใหคาตรวจวดทแมนยำ


อปกรณทำงานภายใตสภาวะควบคม และการบำรงรกษามความสะดวก แตขอเสยเปรยบของวธนคอตองใชเวลาในการวเคราะห และมคาใชจายสงกวาการตรวจวดความเขมขนของกาซในปลอง การเกบตวอยางกาซเสยมาวเคราะหกระทำไดสามแบบ แบบแรกจะกำจดไอนำออกจากกาซเสยเพอใหตวอยางกาซเสยเปนกาซเสยแหง (dry extractive) แบบทสองจะคงสภาพกาซเสยเปยกไว โดยการใหความรอนแกตวอยางกาซเสยเพอปองกนการควบแนนของไอนำ (wet extractive) และแบบทสามจะผสมตวอยางกาซเสยกบอากาศซงทำใหความเขมขนของสารเจอปนในกาซเสยเจอจางลงและไอนำในกาซเสยไมควบแนนโดยไมตองใหความรอน (dilution extractive)

การเกบตวอยางกาซเสยมาวเคราะหแบบแรกมสขนตอนคอ เกบตวอยางกาซเสย ขนสงไปหองปฏบตการ ปรบสภาพตวอยางกาซเสย และวเคราะหหาสวนประกอบของกาซเสย ปรบสภาพตวอยางกาซเสยหมายถง การกำจดฝนละอองโดยใชแผนกรอง (filter) และการควบแนนไอนำในกาซเสยดวยการลดอณหภมกาซเสยลงมาถงจดนำคางแลวจงระบายนำทงไป หรอใชแผนเมมเบรน (membrane)ซงมคณสมบตดกไอนำไมใหผานไปได การวเคราะหแบบนใชตรวจวดกาซสวนประกอบในกาซเสย การวเคราะหแบบนอาจใหผลท ไมแมนยำในการวเคราะหกาซสวนประกอบทละลายนำได นอกจากนถาตวอยางกาซเสยม SO2 ปรมาณมาก นำทควบแนนจะมสภาพเปนกรดและสรางความเสยหายแกระบบปรบสภาพตวอยางกาซเสยได

การเกบตวอยางกาซเสยมาวเคราะหแบบทสองมขนตอนนอยกวาแบบแรก เรมตนจากการเกบตวอยางกาซเสย หลงจากนนฝนละอองจะถกกำจดออกไปดวยแผนกรอง ตวอยางกาซเสยทไดจะไดรบความรอนเพอไมใหไอนำในกาซเสยควบแนน ขนตอนสดทายเปนการนำตวอยางกาซเสยไปวเคราะหการวเคราะหแบบนเปนการวเคราะหกาซเสยในสภาพทเปนจรง กลาวคอ กาซเสยมไอนำปนอย ผลการวเคราะหจงคอนขางแมนยำ แตกมขอเสยเปรยบคอ การทตองใหความรอนตลอดขนตอนการวเคราะหและการทแผนกรองอาจอดตนไดในเวลาอนรวดเรวถากาซเสยมฝนละอองมาก นอกจากนการตรวจวดคาความเขมขนของ NOx ในกาซเสยดวยวธนอาจใหคาทคลาดเคลอนถากาซเสยมความชนสงเนองจากความชนจะรบกวนการตรวดวด NOx

การเกบตวอยางกาซเสยมาวเคราะหแบบทสามจะใชการผสมอากาศแหงกบตวอยางกาซเสยซงถกกำจดฝนละอองไปแลว อากาศแหงทนำมาผสมจะตองไมม NOx และ SO2 เพอปองกนความคลาดเคลอนของการวเคราะห การวเคราะหแบบน ใชกาซ เสยปรมาณนอยมากเนองจากอตราสวนอากาศแหงกบกาซเสยอยระหวาง 50:1 ถง 250:1 ดงนนแผนกรองจงไมตองรบภาระหนกและมอายใชงานทยาวนาน ขอไดเปรยบทสำคญคอ การทไมตองใหความรอนกบตวอยางกาซเสยทถกทำใหเจอจางดวยอากาศเนองจากอณหภมจดนำคางมคาตำมากและไอนำ การวเคราะหแบบนยงใหคาตรวจวดทแมนยำเทยบเทากบการวเคราะหแบบทสอง ดวยเหตนการวเคราะหกาซเสยโดยการนำกาซเสยมาเจอจางดวยอากาศแหงจงไดรบความนยมสงสด ตารางท 13.3 เปรยบเทยบเปอรเซนตการตรวจวด NOx และ SO2

ดวยวธตาง ๆ

13.6.2 การตรวจวดปรมาณฝนละอองฝนละอองมสมบตการดดกลนแสงทสองผาน แสงจะถกดดกลนเพมขนและแสงทผานไปไดจะม

ความเขมลดลงเมอความหนาแนนของฝนละอองในกาซเสยเพมขน ระบบตรวจวดฝนละอองดวยหลกการการดดกลนแสง (light extinction) ประกอบดวยอปกรณทปลอยลำแสงสแดงหรอแสงอนฟราเรด


ตารางท 13.3: เปรยบเทยบการใชวธตาง ๆ ตรวจวด NOx และ SO2 ในโรงไฟฟา

วธตรวจวด กาซทตรวจวดNOx SO2

ตรวจวดทปลอง 2% 3%เกบตวอยางกาซมาวเคราะห- กำจดไอนำออกจากกาซเสย 48% 9%- ไมกำจดไอนำออกจากกาซเสย 1% 1%- ผสมกาซเสยกบอากาศแหง 49% 87%

ผานกาซเสยในปลองไปยงอปกรณรบและวดความเขมของแสง ระบบตรวจวดฝนละอองอาจเปนแบบผานครงเดยวดงแสดงในรปท 13.12 หรอแบบผานสองครงดงแสดงในรปท 13.13

การวดความหนาแนนของฝนละอองอาจใชสมบตของฝนละอองในการดดกลนรงสเบตา (beta rayattenuation) รงสเบตาไดมาจากการสลายตวของ C-14 ซงเปนไอโซโทปกมมนตภาพของคารบอนเปนไนโตรเจน การวดความหนาแนนของฝนละอองวธนใชแผนกรองดกเกบอนภาคฝนในกาซเสยซงทำใหเกดชนฝนบนแผนกรอง ความหนาแนนของฝนละอองทมากขนจะทำใหชนฝนทถกดกเกบบนแผนกรองหนาขนตามไปดวย รงสเบตาจะสองผานแผนกรองทมฝนละอองไปยงเครองวดรงสเบตา คาทอานไดจะนำไปเปรยบเทยบกบคาทอานไดในกรณทใชแผนกรองสะอาด อตราสวนของรงสเบตาทวดไดทงสองกรณจะใชคำนวณหาความเขมขนของฝนละอองในกาซเสยได

สมบตทางไฟฟาของอนภาคฝนกสามารถนำไปออกแบบระบบตรวจวดความหนาแนนของฝนละอองในกาซเสยไดเชนกน ในกาซเสยนอกจากจะประกอบดวยกาซหลายชนดและฝนละอองแลว ยงประกอบดวยอเลกตรอนอสระซงเกดจากการแตกตวของโมเลกลกาซและการเสยดสระหวางอนภาคฝนกบโลหะฝนละอองจะมประจลบเมอวงชนและดกเกบอเลกตรอนอสระไวได การวดความหนาแนนของฝนละอองดวยประจไฟฟา (probe electrification) ประกอบดวยเซนเซอรวดกระแสไฟฟาทนำไปวางในกาซเสยเพอวดไฟฟากระแสตรงเมออนภาคฝนทมประจลบวงชนเซนเซอร หรอไฟฟากระแสสลบเมออนภาคฝนทมประจลบวงผานเซนเซอร กระแสไฟฟาทวดไดจะเพมขนตามความหนาแนนของฝนละอองในกาซเสย

13.6.3 การตรวจวดปรมาณ NOx และ SO2

กาซแตละชนดมคณสมบตการดดกลนแสงทมความถตางกน คณสมบตขอนจงนำไปออกแบบระบบตรวจวดคาความเขมขนของ NOx และ SO2 ในกาซเสยได ความถของแสงทสงผลใหการตรวจวดมความแมนยำสงอยในชวงแสงอนฟราเรด (infrared) และแสงอลตราไวโอเลต (ultraviolet) ระบบตรวจวดคาความเขมขนของ NOx และ SO2 ดวยหลกการนเปน แบบไมกระจายความถ (non-dispersive)เนองจากความถแสงทเลอกใชจะมความถเดยว ในการทำงานของอปกรณตรวจวดปรมาณ NOx และSO2 แสงจากแหลงกำเนดแสง (light source) จะแยกเปนสองลำแสง (beam) ลำแสงแรกสองผานกาซอางองททราบคาการดดกลนแสง ลำแสงทสองสองผานกาซเสยทตองการตรวจวดปรมาณ NOx และ


SO2 อตราสวนการดดกลนลำแสงทงสองลำจะใชหาคาความเขมขนของ NOx และ SO2 ในกาซเสยไดการตรวจวดคาความเขมขนของ NOx และ SO2 ในกาซเสยอาจใชคณสมบตการเรองแสงดวย

ปฏกรยาเคม (chemiluminescence) ของ NOx และการเรองแสงจากการกระตนดวยแสงอลตราไวโอ-เลต (UV fluorescence) ของ SO2 เมอโมเลกลของ SO2 ถกกระตนดวยแสงอลตราไวโอเลต โมเลกลจะอยในสภาวะถกกระตน (excited state) โมเลกลนจะกลบสสภาวะปกต (ground state) พรอมกบเปลงแสงออกมา ความเขมของแสงเปลงทวดไดจะวดคาความเขมขนของ SO2 สวนในกรณของ NO เมอทำปฏกรยากบโอโซน (O3) จะกลายเปน NO∗

2 ในสภาวะถกกระตนดงน

NO+ O3 −→ NO∗2 + O2

โมเลกลนจะกลบสสภาวะปกต (ground state) พรอมกบเปลงแสงออกมา ความเขมของแสงเปลงทวดไดจะวดคาความเขมขนของ NO ในกาซเสย วธนยงสามารถใชวดคาความเขมขนของ NO2 ได แตตองมการแปลง NO2 เปน NO โดยใชสารเรงปฏกรยา


คำถามทายบท1. NOx หมายถงกาซใด

2. ฝนละอองในกาซเสยทปลอยออกจากโรงไฟฟามอะไรเปนสวนประกอบหลก

3. แอมโมเนยมไบซลเฟตและแอมโมเนยมซลเฟตในระบบกำจด NOx แบบ SCR เกดจากอะไร

4. การรวของแอมโมเนยในระบบกำจด NOx แบบ SCR สงผลกระทบอยางไร

5. ระบบกำจด NOx แบบ SNCR ควรตดตงทตำแหนงใด

6. การทำใหฝนทเกาะบนแผนสะสมฝนตกลงสถงพกฝนในอปกรณแยกฝนดวยไฟฟาสถตใชวธใด

7. การทำใหฝนทเกาะบนผวของอปกรณแยกฝนดวยถงกรองตกลงสถงพกฝนใชวธใด

8. การลำเลยงขเถาลอยนยมใชอะไรเปนตวกลาง

9. การลำเลยงขเถาจมนยมใชอะไรเปนตวกลาง

10. อะไรคอผลพลอยไดของการกำจดซลเฟอรไดออกไซดดวยหนปน

11. ไฮโดรไซโคลนทำหนาทอะไรในระบบกำจด SO2 ดวยหนปน

12. คณสมบตขอใดทำใหนำทะเลสามารถใชการกำจดซลเฟอรไดออกไซดออกจากกาซเสยได

13. บอเตมอากาศในระบบกำจดซลเฟอรไดออกไซดออกจากกาซเสยดวยนำทะเลมวตถประสงคทจะทำใหนำทะเลเปนอยางไรกอนปลอยทงสทะเล

14. โรงไฟฟาสวนใหญใช CEM ระบบใด

15. คณสมบตการดดกลนรงสใดของฝนละอองนำมาใชวดคาความหนาแนนของฝนละอองในกาซเสย

16. คณสมบตการดดกลนแสงชนดใดใชวดคาเขมขนของไนโตรเจนออกไซด และซลเฟอรไดออกไซดในกาซเสย

17. ในการวดความเขมขนของ SO2 ในกาซเสยดวยการเรองแสง จะใชสงใดกระตน SO2

18. ในการวดความเขมขนของ NOx ในกาซเสยดวยการเรองแสง จะใชกาซใดทำปฏกรยากบ NOx

19. ขยะจากโรงไฟฟาถานหนทเปนของแขงสวนใหญเกดจากอะไร

20. ระบบกำจดซลเฟอรไดออกไซดดวยนำทะเลจะใหกาซใดเปนผลผลต

21. ในการเกบตวอยางกาซเสยมาวเคราะหในหองปฏบตการท ใชการผสมอากาศแหงกบตวอยางกาซเสยซงถกกำจดฝนละอองไปแลว อากาศแหงทนำมาผสมจะตองไมมกาซใดเปนสวนประกอบ

บรรณานกรม

[1] E. A. Avallone and T. Baumeister III, Marks’ Standard Handbook for Mechanical En-gineers, McGraw-Hill, 1986.

[2] D. Gunn and R. Horton, Indusrial Boilers, Longman, 1989.

[3] A. F. Fraas, Heat Exchanger Design, Wiley-Interscience, 1989.

[4] British Electricity International Ltd., Modern Power Station Practice, Vol. B: Boilersand Ancillary Plant (Third Edition), Pergamon Press, 1991.

[5] British Electricity International Ltd., Modern Power Station Practice, Vol. C: Turbines,Generators and Associated Plant (Third Edition), Pergamon Press, 1991.

[6] British Electricity International Ltd., Modern Power Station Practice, Vol. E: Chemistryand Metallurgy (Third Edition), Pergamon Press, 1991.

[7] British Electricity International Ltd., Modern Power Station Practice, Vol. F: Controland Instrumentation (Third Edition), Pergamon Press, 1991.

[8] British Electricity International Ltd., Modern Power Station Practice, Vol. G StationOperation and Maintenance (Third Edition), Pergamon Press, 1991.

[9] British Electricity International Ltd., Modern Power Station Practice, Vol. J NuclearPower Generation (Third Edition), Pergamon Press, 1991.

[10] Black & Veatch, Power Plant Engineering, Chapman & Hall, 1996.

[11] P. K. Nag, Power Plant Engineering: Steam and Nuclear, Tata McGraw-Hill, 1998.

[12] T. Kuppan, Heat Exchanger Design Handbook, Marcel Dekker, 2000.

[13] K. Rayaprolu, Boilers for Power and Process, CRC Press, 2009.

[14] R. L. Murray, Nuclear Energy, Elsevier, 2009.

[15] J. Cheng, Biomass to Renewable Energy Processes, CRC Press, 2010.

285

วิศวกรรมโรงไฟฟ า (powerplantengineering) ฉบับแก ·...

Documents