ความรพ นฐานเรองโรงไฟฟา (ตอนท 1) โดย ไทยแลนดอนดสตรดอทคอม วนท 2009-10-26 18:32:00 จานวนผอาน 2671 คน

วศวกรรมการปองกนระบบไฟฟาแรงสง บทท 2 ความรพ นฐานเรองโรงไฟฟา (ตอนท 1). สชาต ปรชาธร suchart.pr@egat.co.th . โรงไฟฟา (Electric Power Plant) คอ สถานทผลตพลงงานไฟฟาโดยใชกระบวนการแปลงพลงงานในรปแบบอน (Non-Electrical Energy) ไปเปนพลงงานไฟฟา (Electricity) พลงงานไฟฟาสวนใหญผลตมาจากเครองกาเนดไฟฟาแบบซงโครนส (Synchronous Generator) ซงถกขบหมนโดยเครองตนกาลง (Prime Mover) ประเภทตาง ๆ เชน เครองกงหนนา เครองกงหนกาซ เครองกงหนไอนา เครองกงหนลม หรอเครองยนตดเซล เปนตน . โรงไฟฟาใน ปจจบนจะมขนาดพกดกาลงผลตไฟฟามากกวาโรงไฟฟาในอดตมาก เนองจากมการพฒนาเทคโนโลยดานตาง ๆ และเนองจากเหตผลดานสงแวดลอม โรงไฟฟาเหลานจงจาเปนจะตองอยในสถานทหางไกลจากชมชนและโรงไฟฟา ไมมการกระจายตวมากนก ทาใหเกดการสญเสยในระบบการสงจายกาลงไฟฟาคอนขางมาก และทาใหเสถยรภาพในระบบไฟฟาดอยลงไปดวย.

รปท 1 แสดงการผลตและสงจายไฟฟาจากโรงไฟฟาไปยงผใชไฟฟา . ระบบการผลต ไฟฟาทาไดหลายรปแบบ แตพลงงานไฟฟาสวนใหญผลตมาจากการใชเครองตนกาลง (Prime Mover) ในการขบหมนเครองกาเนดไฟฟาแบบซงโครนส (Synchronous Generator) เครองตนกาลงดงกลาวจะเปน Heat Engine ซงไดพลงงานมาจากการเผาไหมเชอเพลงชนดตาง ๆ เชน นามนเตา กาซธรรมชาต ถานหน นามนดเซล และเศษวสดเหลอจากการเกษตร (Biomass) เปนตน . นอกจากน เรายงมการผลตไฟฟาโดยใชพลงงานจากธรรมชาต ซงสามารถทาไดหลายวธ ตวอยางเชน การผลตไฟฟาจากพลงนา (Hydro Power Generation) การผลตไฟฟาจากพลงลม (Wind Power Generation) และ การผลตไฟฟาจากพลงงานแสงอาทตย (Photovoltaic Power Generation) เปนตน. ระบบสงจาย กาลงไฟฟาของประเทศไทยจะเปนระบบไฟฟากระแสสลบ 3 เฟส ความถไฟฟา 50Hz และมคาระดบแรงดนไฟฟาแรงสงในระบบสงจายกาลงไฟฟา 3 ระดบ คอ 115kV, 230kV และ 500kV ดงนนโรงไฟฟาทกแหงซงจะทาการขนาน (Synchronization) เครองกาเนดไฟฟาเขากบระบบไฟฟาหลก (Utility Grid) โดยผาน Generator Step-Up Transformer ซงจะตองมระบบควบคมคาแรงดนไฟฟาและความถไฟฟาของเครองกาเนดไฟฟา ใหเหมาะสมกบคาของระบบไฟฟาสงจายกาลงไฟฟากอนการขนานวงจร .

อปกรณซง ทาหนาทควบคมคาแรงดนไฟฟาของเครองกาเนดไฟฟานจะเรยกวา Automatic Voltage Regulator (AVR) สวนการควบคมคาความถไฟฟาของเครองกาเนดไฟฟานนสามารถทาไดโดยการ ควบคมความเรวรอบของเครองตนกาลง (Prime Mover) และเรยกอปกรณควบคมคาความเรวนวา Speed Controller หรอ Governor . อยางไรกตาม หลงจากการขนานเครองกาเนดไฟฟาเขากบระบบไฟฟาหลกไดแลว อปกรณควบคมทงสองดงกลาว จะไมสามารถควบคมคาแรงดนไฟฟาและความถไฟฟาของเครองกาเนดไฟฟาได อกตอไป เนองจาก Utility Grid จะประกอบดวยโรงไฟฟาขนาดใหญจานวนมากรวมกนรกษาคาระดบแรงดนและความถ ไฟฟาใหอยในระดบคงทอยตลอดเวลา . Hydro Power Generation พลงงานศกย (Potential Energy) และพลงงานจลน (Kinetic Energy) จากนาปรมาณมากทไหลจากทสงลงสทตาสามารถแปลงใหเปนพลงงานไฟฟา ได พลงงานทมอยของนาขนอยกบสองตวแปรเปนหลก คอ คา Head (H) ของนามหนวยเปนเมตร (m) และคาการไหล (Q) ของนา มหนวยเปนลกบาศกเมตรตอวนาท (m3/s) ถานาอยในระดบสงมาก . คาความเรว ในการไหลกไมใชตวแปรทสาคญเทาไรนก เมอพดถง Head ของนา เราจะหมายถงคาสทธ (Gross Head) ซงคอคาความแตกตางของระดบนาทมากทสดเทยบกบระดบทนาไหลลงมา โดยทวไปมการกาหนดคา Head Size เปน 3 ระดบ คอ Low Head (H < 10 m.) Medium Head (10 m. < H < 50 m.) และ High Head (H > 50 m.) .

รปท 2 แสดงแผนผงของ Hydro Power Station ทใช Horizontal Axis Turbine . เครอง กงหนนา (Hydro Turbine) สามารถแบงไดเปน 2 ชนดตามหลกการทางานของกงหน คอ Impulse Turbine และ Reaction Turbine สาหรบหลกการทางานของ Impulse Turbine กคอการใช Water Jet ฉดนาใส Buckets หรอ Paddles ทตดอยกบ Wheel-Shaped Runner แรงปะทะของนาจะขบดนให Runner หมน . สวนหลกการ ทางานของ Reaction Turbine คอการใช Runner ทจมอยในนาตลอดเวลา เมอมนาไหลผานใบพด (Runner Blades) จะเกดแรงขบหมนซงเกดจากความแตกตางของคา Water Pressure ทดานหนาและดานหลงของ Runner Blades ซงเปนหลกการทางานทมลกษณะเชนเดยวกบเครองกงหนลม(Wind Turbine) นนเอง.

รปท 3 แสดงแผนผงการผลตไฟฟาของ Hydro Power Station ทใช Vertical Axis Turbine . กงหนนา (Hydro Turbine) สามารถแปลงพลงงานจาก Water Pressure ไปเปนพลงงานกลในการขบหมน Turbine Shaft และถายทอดแรงไปขบหมนเครองกาเนดไฟฟาอกทอดหนงเพอผลตพลงงานไฟฟา หนวยของคาพลงงานกลคอ Joule (J) และหนวยของพลงงานไฟฟาคอ kilowatt-hour (kWh) โดย 1 kWh = 3,600 J . พลงงานไฟฟา ทเกดขนตอหนวยเวลาวนาท สามารถคานวณไดจากสมการท 1 โรงไฟฟาพลงนาขนาดเลกทสามารถผลตไฟฟาไดไมเกน 100 kW มกจะมคาประสทธภาพประมาณ 70-80% ขณะทเครองกงหนนาขนาดใหญขนจะมคาประสทธภาพสงประมาณ 80-90%. P = x x g x Q x H ……….. (1). เมอ P คอ คา Electric Power (W) Q คอ คาการไหลของนาผานเครองกงหน (m3/s) H คอ คา Head หรอ Effective Pressure ของนาทไหลลงมาผานเครองกงหน (m) คอ คา Hydraulic Efficiency ของเครองกงหนนา คอ คา Water Density (1,000 kg/m3) g คอ คา Acceleration of Gravity (9.81 m/s2). เครอง กงหนนามกจะถกตดตงอยภายในตวเขอน เพอความประหยดในการสรางอาคาร และเครองกงหนสามารถถกตดตงไดทงแบบ Horizontal Axis Turbine หรอ Vertical Axis Turbine ในกรณทเขอนกกเกบนาม Medium Head หรอ High Head ซงอาคารโรงไฟฟาอยรวมกบตวเขอน สามารถจะมรปแบบการตดตงเครองกงหนไดเปนสองลกษณะ คอ . การใช Feeding Pipe หรอ Penstock กบเครองกงหนแนวแกนนอน ตามรปท 2 และเครองกงหนแนวแกนตง ตามรปท 3 เครองกงหนนาทใชกบเขอนขนาดใหญมหลายชนด ซงแตละชนดจะมความเหมาะสมกบคา Head (H) และคา Flow (Q) ทแตกตางกน โดยมรายละเอยดดงน. * Pelton Turbine เปนเครองกงหนแบบ Impulse ซงจะใช Water Jet หลายชดทมวาลวควบคมการไหลของนาทเรยกวา Needle Valve เพอฉดนาไปผลก Turbine Bucket และจะปลอยนาออกสภายนอกทระดบความดนบรรยากาศ เครองกงหนนาชนดนจงจะตองใชกบเขอนขนาดกลางหรอขนาดใหญทม High Head และสามารถตดตงไดทงแนวแกนตงและแนวแกนนอน . ในกรณท เกดการ Trip เครองกาเนดไฟฟา จะตองใชแผงกนนา (Deflector) ทฉดเขาหา Turbine Bucket และ Needle Valve จะคอย ๆ ปดอยางชา ๆ เพอปองกน Overpressure Surge ในทอสงนา.

รปท 4 แสดงลกษณะของ Pelton Turbine. * Francis Turbine เปนเครองกงหนแบบ Reaction ซงมหลกการทางานโดยปลอยเขาไปใน Inlet Spiral Shape ซงจะมบานบงคบนา (Guide Vane) ตดตงอยรอบ ๆ ชดกงหน (Runner) เมอนาไหลผานใบพดของกงหน (Turbine Blades) จะเกดความแตกตางของความดนนาระหวางดานหนากบดานหลงของใบพด จงเกดแรงขบดนให Runner หมน การบงคบความเรวรอบของกงหนสามารถทาไดโดยการปรบมมเปด-ปดบานบงคบ นา .

รปท 5 แสดงลกษณะของ Francis Turbine. * Kaplan Turbine เปนเครองกงหนแบบทมใบพดคลายพดลม จงเรยกวาเปน Propeller Type ซงสามารถปรบมมของ Runner Blades ได เครองกงหนชนดนถกพฒนาโดยใช Francis Turbine เปนตนแบบ แตมการปรบเปลยนรปแบบเพอใหสามารถใชกบ Low Head ได เนองจากมทงการบงคบความแรงของนาดวยบานบงคบ (Guide Vane) และการปรบมมของใบพดไดดวย จงเรยกวาการควบคมแบบ Double Regulation .

รปท 6 แสดงลกษณะของ Kaplan Turbine. * Bulb หรอ Tubular Turbine เปนเครองกงหนแบบ Reaction ทสามารถใชกบ Low Head ไดอยางมประสทธภาพ แตจะตองใชอตราการไหลของนา (Flow) คอนขางมาก ลกษณะของ Runner Blades ของเครองกงหนชนดนจะเหมอนกบ Kaplan Turbine แตถกออกแบบมาใหทงเครองกงหนถกบรรจอยกลาง Water Pipe แกนหมนของเครองกงหนและเครองกาเนดไฟฟาจะวางตามแนวนอน . การบงคบ ความแรงของนาจะใชบานบงคบนา (Wicket Gate) ทปรบมมเปด-ปดได เนองจากสามารถใชกบระดบนาทไมลกมาก จงใชพนทในการตดตงนอย และมคาใชจายในการกอสรางอาคารตากวาการใชเครองกงหนแบบ Kaplan และไดรบความนยมเพมขนเรอย ๆ .

รปท 7 แสดงลกษณะของ Bulb Turbine. Hydro Turbine ซงมแกนหมนเชอมตอกบเครองกาเนดไฟฟา จะตองมความเรวรอบสมพนธกบความถของระบบไฟฟา ดงนน จงจาเปนจะตองควบคมความเรวรอบใหท Synchronous Speed ตลอดเวลา ไมวาจะจายกาลงไฟฟา

ใหกบระบบไฟฟามากหรอนอยเพยงใด โดยทวไปพกดความเรวรอบของ Hydro Turbine ขนาดใหญจะมคาอยในชวงประมาณ 50-1100 rpm. . เมอมการ เพมขน-ลดลง (Fluctuate) ของกาลงไฟฟา อปกรณควบคมความเรว (Governor) จะวดคาสญญาณความเรวรอบแลวนามาเปรยบเทยบกบคาทตงไว เมอพบวากงหนหมนชาเกนไปกจะทาการปรบเพมปรมาณนาทไหลผาน Runner Blade โดยการปรบมมเปด-ปดของ Wicket Gates ในกรณทเปน Reaction Turbine หรอจะทาการปรบ Water Jet โดยการควบคมการเปด-ปดของ Needle Valves ในกรณทเปน Impulse Turbine . เนองจาก Governor ไมสามารถทาการตอบสนองตอกาลงไฟฟาทเปลยนแปลงไปไดอยางรวดเรว จงทาใหการเปดวาลวนาไมสอดคลองกบคาความตองการผลตกาลงไฟฟา และจะทาใหเกด Oscillating Condition ปญหาเชนนสามารถทาใหคาความถไฟฟาแกวงจนเกนคาทยอมรบได (Allowable Frequency) และอาจจะทาใหเกดการ Trip เครองกาเนดไฟฟาออกจากระบบไฟฟาในทสด.

รปท 8 แสดง Typical Governor Controller . Gas Turbine หรอ Combustion Turbine Power Generation

รปท 9 แสดงขนตอนการทางานของ Open Cycle Gas Turbine Engine . หลกการทางาน ของ Gas Turbine ตามรปท 9 จะมพนฐานมาจาก Air-Standard Brayton Cycle ซงโดยทวไปจะใชกระบวนการแบบ Open Cycle ประกอบดวยกระบวนการ 4 ขนตอน คอ เรมจากอากาศจากภายนอกถกดดเขาไปใน Compressor โดยผานระบบกรอง (Air Filter) ในกระบวนการนทงอณหภมและความดนอากาศจะเพมขน . ขนตอมาจะ สง High-Pressure Air เขาไปรวมกบเชอเพลงใน Combustion Chamber เพอทาการเผาไหมทความดนอากาศคงท จนเกด High-Temperature Gases ซงอาจมอณหภมสงถง 1250 oC . จากนน Gases จะถกพนผาน Stationary Nozzle เขาไปปะทะกบ Moving Blades (หรอ Buckets) ในชดแรกแลวแกสรอนจะตองผาน Stationary Nozzle และ Turbine Blades ในลาดบตอ ๆ ไป ในกระบวนการน Gases จะขยายตวอยางรวดเรวและทาใหความดนลดลง ขณะทกาซรอนออกจาก Combustor จะมอณหภมสงกวา Melting Point ของวสดทเปนโครงสรางของ Nozzle และ Bucket

. ดงนนระบบ ระบายความรอนจงจะตองมประสทธภาพสงมาก การขยายตวของ Gases ภายในเครองกงหนจะทาให สามารถเกดแรงขบหมน Turbine Rotor และจะถกถายทอดไปใชในการขบหมน Compressor และ Rotor ของเครองกาเนดไฟฟาดวย . Exhaust Gases ทถกปลอยออกจาก Turbine อาจจะมอณหภมสงถง 450-700 oC ซงหมายถงความสญเสยในการใชพลงงานอยางมาก โดยทวไปเครองกงหนกาซขนาดใหญทเปนแบบ Simple Cycle จะมประสทธภาพไมเกน 40% สวนเครองกงหนกาซขนาดกลางและเลกจะมประสทธภาพอยในชวงระหวาง 20-35% เทานน . เราสามารถ เพมคาประสทธภาพนไดโดยการนา Exhaust Gases ทจะตองปลอยทงกลบเขามาอนอากาศ (Heat Exchanger) กอนทจะเขาสหองเผาไหม นอกจากนเราควรจะมระบบทาความเยน (Intercooler) ใหอากาศกอนทจะผานเขา Compressor เพอทาใหมมวลอากาศเขาไปในระบบเผาไหมเพมขน .

(ก) ภาพตดแสดงสวนประกอบของ Gas Turbine.

(ข) ภาพขยายภายใน Turbine Chamberรปท 10 แสดงภาพตดขวางของชดเครองกล Gas Turbine

. Firing Temperature ภายใน Combustor จะเปลยนแปลงไปตามลาดบขนตอนทเรมเดนเครองจนกระทงหยดเดน เครอง ตามรปท 11 เพอใหสอดคลองกบการเปลยนแปลงของ Metal Temperature ถาอณหภมของแกสเปลยนแปลงเรวเกนไป ชนสวนโลหะทมความบางกวาจะเกด Thermal Stress มากกวา ตามรปท 2-12 และอาจจะทาใหเกดการแตกราว(Cracking)ของชนสวนตางได . อณหภมของ Bucket จะสงทสดเมอเดนเครองเตมพกด(Full load Condition) และถาจาเปนจะตอง Shut Down

เครองกงหนกาซทนททนใด ชนสวนโลหะทมความบางกวาจะเยนลงเรวกวาทาใหเกด Tensile Strain ตามขอบมมของชนสวนโลหะ จากการศกษาของบรษท GE จะพบวาการ Shut Down ขณะ Peak Load จะทาใหเกดความเสยหายของเครองกงหนกาซมากกวาการ Shut Down ขณะ No Load ถง 10 เทา .

รปท 11 แสดงการเปลยนแปลง Firing Temperature ในขนตอนการเดนเครอง Gas Turbine . หลงจากทาการ ปดระบบเชอเพลงแลว เครองกงหนกาซจะลดความเรวรอบลงจนถงคาทตงไวแลว จะใช Torque Converter ทขบโดย Auxiliary Lube Oil Pumps เพอให Turbine Rotor หมนอยอยางสมาเสมอขณะทาการ Cool-Down ซงจะใชเวลานาน 5 ถง 48 ชวโมง ขนอยกบขนาดของเครองกงหนกาซ . ในชวงเวลา น หากตองการเรมเดนเครองใหม กสามารถทาไดทนท เครองกงหนกาซสามารถถกเรงเครองเพอรบคาภาระเตมพกดอยางรวด เรวได ในกรณฉกเฉน อยางไรกตาม จะทาใหเกด Thermal Fatigue Duty ขนเมอทาการเพมอณหภมอยางรวดเรว จงไมควรทาการเรงเดนเครองเชนนบอยนก .

รปท 12 แสดงลกษณะ Isothermal ทเกดขนใน Bucket ของ Gas Turbine . การเรมเดน เครองจนกระทงจายไฟฟาสาหรบโรงไฟฟากงหนกาซแบบ Simple Cycle สามารถทาไดในเวลาประมาณ 8 นาท โดยทนททมสญญาณสง Start-Up จะตองให Starting Motor หรอ Cranking Motor ชวยขบหมนเครองกงหนจนมความเรวรอบประมาณ 15-20% ของพกด จากนนจะเรมทาการเผาไหมเชอเพลงใน Combustor และทาการ Warm Up เครองกงหนกาซ ระบบควบคมจะคอย ๆ เพมอณหภมของเครองกงหนเพอมให เกด Thermal Stress จนกระทงความเรวรอบของกงหนกาซสงถงคา Full Speed .

การควบคมคา ความเรวรอบ (กอนการขนานวงจรเขากบ Utility Grid) หรอควบคมคาภาระ (เมอขนานวงจรเขากบ Utility Grid) ของเครองกงหนกาซ สามารถทาไดโดยการควบคม Fuel Flow ซงจะเปนหนาทของ Governor ขดจากดดานอณหภมของเครองกงหนกาซจะเปนตวกาหนดคา Maximum Fuel Flow ในการควบคมความเรวรอบ หรอการควบคมคาภาระ Governor จะทาการควบคมปรมาณเชอเพลงทจายเขาหองเผาไหม (Combustor) ตามรปท 13 . ในบางกรณ กอนการจดไฟเพอเผาไหมเชอเพลง จะตองใช Cranking Motor ชวยขบหมนเครองกงหนจนมคาความเรวท Purge Speed Setpoint เพอไล Gases ทยงสะสมอยในหองเผาไหมกอน โดยใชเวลาประมาณ 1-5 นาท จากนนจงปลดวงจร Cranking Motor ออกไป ทาใหความเรวรอบลดลงจนถงคา Firing Speed ประมาณ 15-20% ของพกด กจะเรมทาการเผาไหมเชอเพลงใน Combustor และจะเรงความเรวขนจนถงคาความเรวรอบอางอง (Full Speed Setpoint) ทตงไวให Governor . พรอมกนนน ระบบควบคมจะตอวงจรใหระบบ Excitation เพอปอนกระแสไฟฟาใหกบ Field Windings และให Automatic Voltage Regulator(AVR) ควบคมคาแรงดนไฟฟาของเครองกาเนดไฟฟาใหเทากบคาแรงดนไฟฟาของระบบ ไฟฟา . ในขณะท เครองกาเนดไฟฟาพรอมทจะถกขนานเขากบระบบไฟฟาหลก (Utility Grid) Governor จะตองควบคมใหคาความถไฟฟาของเครองกาเนดไฟฟาสงกวาคาความถของ Utility Grid เลกนอย แตใหคาแรงดนไฟฟาและมมเฟสเทากน แลวจงทาการ Synchronize ได ทงนเพอปองกนปญหา Reverse Power .

รปท 13 แสดงแผนผงการควบคมความเรวรอบของ Gas Turbine . เมอทาการ ขนานเครองกาเนดไฟฟาไดแลว Governor จะยงคงมหนาทปรบคาปรมาณเชอเพลงใหเครองกงหนแกสเชนเดม แตจะไมสามารถปรบเปลยนคาความเรวรอบไดอกแลว พลงงานทเพมขนนจะทาใหเกดแรงบด (Torque)เพมขน ซงจะทาใหเครองกาเนดไฟฟาสามารถผลตกาลงไฟฟาไดมากขน . สาหรบการ หยดเดนเครองกงหน Governor จะถกโปรแกรมให Ramp-Down Load โดยคอย ๆ ลดปรมาณเชอเพลงลง เพอจะปลดภาระทางไฟฟา (Unload) ดวยอตราเรวคงท จนกระทงมการจายกาลงไฟฟานอยมาก กอนจะปลดเครองกาเนดไฟฟาออกจากระบบ และลดความเรวจนถง Idle Speed และหยดจายเชอเพลงไปในทสด . ในการควบคม คาแรงดนไฟฟาของเครองกาเนดไฟฟากอนการขนานวงจรกบระบบไฟฟาหลก สามารถทาไดโดยการใช Automatic Synchronizer หรอการควบคมดวยมอ (Manual) โดยมหลกการคอ ในขณะททาการสงใหเซอรกตเบรกเกอรสบตอวงจร คาแรงดนไฟฟา คามมเฟส และคาความถไฟฟาของเครองกาเนดไฟฟาจะตองตรงกบคาของระบบไฟฟา . ในกรณทคา แรงดนไฟฟาของเครองกาเนดไฟฟาตากวา (หรอสงกวา) จะตองทาการปรบเพม (หรอลด) Field Current ดวยมอหรอควบคมโดยอตโนมตโดยใช Synchronizer รวมกบ Voltage Regulator . Steam Turbine หรอ Thermal Power Generation

หลกการทางาน ของเครองกลกงหนไอนาจะมพนฐานจาก Rankine Cycle ตามรปท 14 และ ซงประกอบดวยกระบวนการ 4 ขนตอน คอ เรมจากใช Feed Water Pump อดแรงดนเพอสงนาทมความดนตาเขาไปในหมอไอนา (Boiler) ทาใหเกด Work Input จากนนใชความรอนเพอตมนาใน Boiler จนได Saturated Steam ทคาความดนคงท และใหความรอนเพมแกไอนานนอกจนกลายเปน Superheated Steam . ในกระบวนการ นจะไมเกด Work แตจะตองใชการถายเทคาความรอน ไอนารอนยงยวดทผลตไดจะถกสงเขาไปและเกดการขยายตวภายในเครอง กงหนไอนาทาใหอณหภมและความดนลดลง ซงเรยกกระบวนการนวา "Isentropic Expansion" และจะได Turbine Work Output ซงเกดจากคาแตกตางของ Enthalpy . ซงใชเปน กาลงเพอขบหมนเครองกาเนดไฟฟา ในขนตอนสดทายของ Rankine Cycle คอการควบแนน Wet Steam ทปลอยออกจากเครองกงหนไอนาใหกลายเปนนาทงหมด โดยในกระบวนการ Condensation นจะมการถายเทความรอนทงออกสระบบภายนอก .

รปท 14 Basic Rankine Cycle .

รปท 15 Temperature-Entropy (T-s) Diagram . High Pressure Steam จากหมอไอนาจะเกดการขยายตว(Expansion) ภายในเครองกงหนไอนา ซงจะทาให Thermal Energy ของไอนารอนยงยวดเปลยนไปเปน Kinetic Energy โดยการขยายตวผาน Stationary Blade หรอ Nozzle จากนนไอนากชวยขบหมนโรเตอรและทาใหเกด Mechanical Energy . โดยในแตละ Turbine Stage จะประกอบดวย Stationary Blades (หรอ Nozzles) และ Moving Blades (หรอ Buckets) จานวน 1 ชด โดยลกษณะของ Turbine Stage จะแบงออกไดเปน 2 ลกษณะคอ Impulse Stage และ Reaction Stage ซงเครองกงหนไอนาสามารถถกออกแบบใหประกอบดวย Turbine Stage ทงสองชนดภายในเครองเดยวกนได .

Impulse Turbine Stage มหลกการทางานโดยบงคบใหไอนา (Superheated Steam) ทมความดนสง ไหลผาน Fixed Blades จนทาใหมความเรวการไหลสงขน แตมความดนลดลง จากนนไอนาจะไหลผาน Moving Blades และทาใหเกดแรงตาน (Reaction Force) ในทศทางตรงขามกนการไหลของไอนาจน Turbine Rotor หมน ตามรปท 16 จากนนไอนาจะไหลผานไปยง Turbine Stage ชดถดไป .

(ก) Blades of Impulse Turbine .

(ข) Blades of Reaction Turbineรปท 16 แสดงลกษณะของ Turbine Stage

. Reaction Turbine Stage มหลกการทางานโดยบงคบใหไอนา (Superheated Steam) ทมความดนสง ไหลผาน Nozzles จนทาใหมความเรวการไหลสงขน แตมความดนลดลง จากนนไอนาจะไหลไปปะทะกบ Buckets และทาใหเกดแรงผลกจน Turbine Rotor หมน และไอนาจะไหลผานไปยง Turbine Stage ชดถดไป .

รปท 17 แสดงการเปลยนแปลงคาความดนและความเรวของไอนาเมอผานกงหน .

กระบวนการทา งานของโรงไฟฟาพลงกงหนไอนาทใชถานหนเปนเชอเพลง (Coal-Fired Steam Turbine) ตามรปท 2-18 จะเรมจากการยอยถานหนและลาเลยงมายงโรงไฟฟา เมอถานหนถกเผาไหมภายในเตา (Furnace) จะเกดความรอนสงและถายเทใหกบนาทอยภายใน Boiler จนกลายเปนไอนารอนยงยวด (Superheated Steam) ซงอาจจะมอณหภม 541oC หรอ 1000 oF ท Full Load Condition . จากนนไอนา รอนยงยวดจะถกพนเขาไปในเครองกงหนไอนาโดยผาน Stationary Blade ซงทาหนาทเปนบานบงคบทศทางการไหลของไอนาใหพงไปกระทบกบ Rotating Blades ทตดอยกบ Turbine Rotor จนทาใหเกดแรงขบดนเครองกงหนใหหมน ซงแกนหมนของเครองกงหน (Turbine Shaft) ถกตอโดยตรงเขากบโรเตอร (Rotor) ของเครองกาเนดไฟฟา . เมอโรเตอร หมนจนมความเรวรอบตามคาทกาหนด กจะมการสบตอวงจรแหลงจายไฟฟาใหระบบ Excitation ของเครองกาเนดไฟฟาเรมทางาน และทาใหเกดแรงเคลอนไฟฟาใน Armature Windings ของเครองกาเนดไฟฟา ซงจะมคาความถไฟฟาตามคาความเรวรอบของเครองกงหนไอนาขณะนน .

รปท 18 แสดงแผนผงการผลตไฟฟาของ Coal-Fired Steam Turbine Power Plant . การทางานของ ระบบควบคมของ Boiler จะเรมจากการตรวจสอบและปรบปรงคณภาพนา และสงให Boiler Feed Pump ทาการปอนนาเขาส Boiler Drum (หรอ Steam Separator) โดยใหผาน Economizer เพอแลกเปลยนความรอนกบ Hot Flue Gas ทจะถกปลอยทงจากเตา (Furnace)เสยกอน . โดยท Feed Header Pressure และ Boiler Drum Level จะถกควบคมใหอยในระดบทกาหนดไว เพอปองกนไมใหเกด Overheat Condition ใน Boiler จากนนนาทอยใน Boiler Drum จะถกดดผานทอ Down Comer ลงมาทเตาโดยใช Circulating Pump . เมอนาใน ทอไดรบความรอนจากภายในเตา จนมอณหภมสงขนจะไหลกลบขนไปท Boiler Drum อกครง เมอนาใน Boiler Drum รอนขนจนระเหยกลายเปนไอนา จะไหลออกทางดานบนและผานไปยง Superheater เพอทาให ไอนาอมตว (Saturated Steam) กลายเปนไอนารอนยงยวด (Superheated Steam) กอนถกสงไปยงเครองกงหนไอนา . ในระหวางท ทาการเดนเครองกงหนไอนา ระบบควบคมของ Boiler จะทาหนาทหลายอยาง เชน การควบคมปรมาณอากาศภายในเตาไฟ (Furnace) การควบคมอตราการเผาไหมเชอเพลง การควบคมตาแหนงของเปลวไฟภายในเตา การควบคมการไหลของแกสรอนภายในเตา และการลดอณหภมของไอนารอนท Superheater เปนตน .

รปท 19 แสดงตวอยางโครงสรางของ Boiler สาหรบ Coal-Fired Power Plant . การควบคม ปรมาณและอณหภมของไอนารอนทผานเขาระบบเครองกงหนไอนามความ สาคญอยางยง ทงในขณะเรมเดนเครอง (Start-Up Period) ขณะทาการเรงเครองหรอผอนกาลงลง (Acceleration or Retardation) และขณะทาการหยดเดนเครอง (Shut-Down Period) . เนองจาก โครงสรางของเครองกงหนจะมขดจากดความเครยดทเกดจากความรอน (Thermal Stress Limits) โรงไฟฟากงหนไอนาจงไมสามารถปรบเปลยนคากาลงไฟฟาตามการเปลยนแปลง ของความตองการใชไฟฟาในแตละชวงเวลาได ยงกวานนในขนตอนการเรมเดนเครองและการหยดเดนเครองจะตองใช เวลานานหลายชวโมง . เพราะจะตอง คอย ๆ เพมอณหภมความรอนดวยอตราเรวทจากด (Thermal Ramp-Up Limits) เมอตองการเรงความเรวรอบของ Turbine Rotor หรอ เมอตองการผลตกาลงไฟฟามากขน และจะตองคอย ๆ ลดอณหภมความรอนดวยอตราเรวทจากด (Thermal Ramp-Down Limits) เชนกน เมอตองการลดความเรวรอบของ Turbine Rotor หรอเมอตองการลดกาลงผลตไฟฟา .

รปท 20 แสดงแผนผงโครงสราง Rotor ของ Steam Turbine Generator . หลงจากมการ หยดเดน (Shut Down) เครองกงหนไอนา โครงสรางของ Turbine Rotor และ Shaft จะยงคงสะสมความรอนอย โดยมอณหภมสงเกอบเทากบเวลาทเดนเครองกงหนไอนา แตในชวงนระบบ Piping และ Fluid Lines จะเยนตวลงอยางรวดเรวเนองจากมมวลนาหนกนอยและมโครงสรางทผอมบาง ดงนนการจะเรมเดนเครองใหม (Restart) อกครง จงพบวามความแตกตางของคาอณหภมอยางมาก ระหวางไอนารอนยงยวด (Superheated Steam) กบระบบทอและวาลว . แตถา เครองกงหนไอนาถก Shutdown ไปนานหลายวน โครงสรางของเครองกงหนจะเยนตวลงแลว การเรมเดนเครองใหมอกครงในขณะทเครองกงหนมอณหภมตา จะเรยกวา Cold Start-Up เมอไอนารอนถกสงผานเครองกงหนจะเกดการถายเทความรอนใหกบ เครองกงหนซงมขนาดใหญและมการแบงออกเปน 3 สวนหลก คอ . High Pressure Turbine, Immediate Pressure Turbine และ Low Pressure Turbine ตามรปท 20 คาอณหภมในแตละสวนทถกอนดวยไอนารอน จะสงขนดวยอตราเรวแตกตางกน (Gradients of Temperature) และอาจจะสรางปญหาเรอง Thermal Stress ซงทาใหเกดความเสยหายกบโครงสรางโลหะทมความบางหรอเปนสนขอบตาม สวนตาง ๆ . เชน Valves, Gland Seal, Rotor และ Turbine Casing เปนตน ขณะเดยวกนเมอไอนารอนยงยวดไดถายเทความรอนออกไปแลว จะเยนตวลงจนกลายเปนไอนาเปยก (Wet Steam) ทาใหมหยดนาสะสมอยในระบบตาง ๆ ซงจะสรางปญหาการกดกรอน (Erosion) ทเครองกงหนได จงจะตองเปดวาลว (Drain Valves) เพอระบายนาทงในขณะทาการอนเครอง . ในกระบวนการ ทางานของโรงไฟฟาพลงกงหนไอนา ชวงเวลาในการเรมเดนเครอง (Hot Startup/Warm Start/Cold Start) การหยดเดนเครองกงหนไอนา (Turbine Shutdown) การปลดเครองกาเนดไฟฟาออกจากระบบไฟฟา (Unit Trip) รวมทงการปลดภาระไฟฟาอยางกะทนหน (Load Rejection) มความจาเปนทจะตองแยกระบบการทางานของหมอไอนาและเครองกงหนไอนาโดย ใชเปน Transient Operation Mode . ซงการจะทา เชนนนได จะตองใช Turbine Bypass System ซงถกออกแบบใหสามารถควบคมคาอณหภม ความดนไอนา และอตราการไหลของไอนา โดยใช Bypass Valve, Block Valve, Desuperheater และ Spray Water Control Valve โดยประโยชนทสาคญของ Turbine Bypass System คอ . * High-Pressure (HP) Bypass System จะชวยใหสามารถควบคมคาความดนไอนาจากหมอไอนา ในกรณเรมเดนเครองใหขามผานเครองกงหน (HP Turbine) เนองจากคณภาพของไอนายงไมเหมาะสม และควบคมอตราการไหลและคาอณหภมของไอนา เพอหลอเยนให Reheater และ Superheater ของหมอไอนา . * Intermediate-Pressure (IP) และ Low-Pressure (LP) Bypass System จะชวยใหสามารถควบคมคาความดน

ไอนาจากหมอไอนา ในกรณเรมเดนเครองใหขามผานเครองกงหน (IP&LP Turbine) เนองจากคณภาพของไอนายงไมเหมาะสม และควบคมคาอณหภมและความดนของไอนาทอาจทาใหเกดความเสยหายกบ Condenser . * Bypass System จะชวยลดเวลาในการเรมเดนเครองกงหนไอนาเพอผลตไฟฟา และชวยใหสามารถเรมผลตไฟฟาไดใหมอยางรวดเรวหลงจากการ Shutdown เนองจากเกดปญหาในระบบการผลตไฟฟา * Bypass System จะชวยปองกนการเกด Overspeed ในกรณทเกด Load Rejection .

รปท 21 แสดงแผนผง Turbine Bypass System . การควบคม ความเรวรอบของเครองกงหนไอนาจะเปนหนาทของ Governor ทจะทาการปรบวาลวควบคมปรมาณไอนา (Control Valve) ทจายเขาเครองกงหนไอนา (High Pressure Turbine) ตามรปท 22 ในขนตอนการเรมเดนเครองกงหนไอนา จะตองมการอนเครองกอน โดยให Turning Gear Motor ชวยขบหมน Turbine Rotor อยางชา ๆ . หลงจากนน ระบบควบคมอตโนมตเพอชวยควบคมกระบวนการทางานทงระบบ โดยจะ Ramp-Up Speed อยางชา ๆ จนถงความเรวรอบทกาหนด (Full Speed) แตเมอทาการขนานเครองกาเนดไฟฟาแลว Governor จะยงมหนาทปรบปรมาณเชอเพลงเพอควบคมปรมาณการผลตกาลงไฟฟาของ เครองกาเนดไฟฟาแทน . สาหรบการ หยดเดนเครอง ระบบควบคมอตโนมตจะถกโปรแกรมให Ramp-Down Load เพอจะคอย ๆ ปลดภาระทางไฟฟา (Unload) จนกระทงมการจายกาลงไฟฟานอยมาก กอนจะปลดเครองกาเนดไฟฟาออกจากระบบ และลดความเรวอยางชา ๆ และจะใช Turning Gear Motor ชวยขบหมน Turbine Rotor อยางชา ๆ ดวยความเรวรอบ 1-4 rpm ซงจะทาใหมไอนารอนถกกกไวภายในเครองกงหน . เพอทาให ความรอนกระจายตวอยางสมาเสมอ ในขณะทาการ Cooling Down เมอเครองกงหนหมนจะทาใหมลมไหลเขาเครองกงหน และเกดการกระจายความรอนทสะสมอย ชวยใหสามารถลดเวลาในการ Cool Down ลงได และยงปองกนไมการเกด Distortion และ Shaft Bow อกดวย.

รปท 22 แสดงแผนผงการควบคมความเรวรอบ/กาลงไฟฟาของ Steam Turbine Generator . เอกสารอางอง 1. A Modern Automatic Bus Transfer Scheme, Tarlochan S.Sidhu, Vinayagam Balamourougan, Manish Thakur, and Bogdan Kasztenny, International Journal of Control, Automation, and Systems, June 2005. 2. Fast Cycling Capability for New Plants and Upgrade Opportunities, H. Enberger, E. Schmid and E.Gobrecht, Siemens Power Generation (PG), 2005 3. The Impact of Synchronous Generators Excitation Supply on Protection and Relays, Gabriel Benmouyal, Schweitzer Engineering Laboratories, Inc. 4. Fossil Fuel Power Plant Steam Turbine Bypass System, ANSI/ISA-77.13.01-1999, December 1999 5. Black Start Studies for System Restoration, J.W. Feltes, Carlos Grande-Moran, IEEE, 2008 6. Small Hydro Power – Investor Guide, Wladyslaw Bobroxicz, Koncern Energetyczny SA, 2006 7. IEEE Guide for Operation and Maintenance of Hydro Generator, 1999 8. IEEE Guide for the Application of Turbine Governing System for Hydroelectric Generating Units, 2004 9. The Impact of Synchronous Generators Excitation Supply on Protection and Relays, Gabriel Benmouyal, Schweitzer Engineering Laboratories, Inc., 2007 10. IEEE Design Guide for Electric Power Service Systems for Generating Station, 1991 11. www.geindustrial.com 12. www.gepower.com 13. www.toshiba.co.jp 14. www.tic.toshiba.co.au 15. www.siemens.com 16. www.meppi.com

ความรพ นฐานเรองโรงไฟฟา (ตอนท 2) โดย ไทยแลนดอนดสตรดอทคอม วนท 2009-11-18 18:32:05 จานวนผอาน 2755 คน

วศวกรรมการปองกนระบบไฟฟาแรงสง บทท 2 ความรพ นฐานเรองโรงไฟฟา (ตอนท 2) . สชาต ปรชาธร suchart.pr@egat.co.th .

. Combined-Cycle Power Generationระบบ Combined-Cycle คอการรวมระบบเครองกงหนกาซและระบบเครองกงหนไอนาเขาดวยกน โดยอาจจะเปนแบบ Single Shaft System หรอ Multi Shaft System กได ในกรณทเปนระบบ Single Shaft จะมเครองกงหนกาซหนงชด เครองกงหนไอนาหนงชด และเครองกาเนดไฟฟาหนงเครอง ตอแกนหมนรวมกน และจะมเครองผลตไอนาแบบ Heat Recovery Steam Generator (HRSG) สาหรบปอนไอนารอนใหกบเครองกงหนไอนา . ระบบแกนหมน เดยวเชนนจะสามารถควบคมไดงาย และสามารถแยกแกนหมนของเครองกงหนไอนาออกไปได โดยใช Hydraulic Clutch เพอความสะดวกในการ Start-Up หรอ เมอตองการเดนเครองกงหนกาซแบบ Simple Cycle Operation กได . สวนระบบ Multi Shaft จะประกอบดวยระบบผลตไฟฟาพลงเครองกงหนกาซ (Gas Turbine & Generator) หนงชดหรอมากกวา และ HRSG จานวนหนงชดสาหรบปอนไอนารอนใหกบระบบผลตไฟฟาพลงเครองกงหนไอ นา (Steam Turbine & Generator) หนงชด โดยแกนหมนของเครองกงหนแตละเครองไมมการตอรวมกน .

รปท 23 แสดงแผนผงการผลตไฟฟาระบบ Combined-Cycle Power Generation แบบ Multi-Shaft .

รปท 24 แสดงแผนผงการผลตไฟฟาระบบ Combined-Cycle Power Generation แบบ Single Shaft . Heat Recovery Steam Generator (HRSG) คอ เครองกาเนดไอนาทใชหลกการแลกเปลยนความรอนระหวาง Hot Flue Gas ทผานออกจากเครองกงหนกาซ โดยระบบการทางานจะเรมจาก Feed Water Pump ทาการปอนนาเขาส Steam Drum โดยใหผานระบบทอของ Economizer เพอแลกเปลยนความรอนกบ Hot Flue Gas ทจะถกปลอยทงจาก HRSG เสยกอน . จากนนนา ทอยใน Steam Drum จะไหลลงผานระบบทอทเรยกวา Evaporator มาเพอแลกเปลยนความรอนกบ Hot Flue Gas เมอนาในทอไดรบความรอนจนมอณหภมสงขน จะลอยตวกลบขนไปท Steam Drum อกครง เมอนาใน Steam Drum รอนขนจนระเหยกลายเปนไอนา (Saturated Steam) จะไหลออกทางทอดานบนและผานไปยงระบบทอของ Superheater เพอรบความรอนเพมจาก Hot Flue Gas อกครง .

จนทาใหไอนา รอนอมตวกลายไปเปนไอนารอนยงยวด (Superheated Steam) กอนถกสงไปยงเครองกงหนไอนา (HP Turbine) ไอนาทออกจาก HP Turbine จะเปน Wet Steam จงถกสงไประบบ Reheater เพอสรางไอนารอนยงยวดอกครงกอนถกสงเขาไปให IP Turbine และผานตอไปยง LP Turbine ดงรปท 24 . เนองจาก Steam Drum มโครงสรางขนาดใหญและมผนงหนามาก ในการเรมเดนเครองจงเกดความลาชาเนองจากปญหาเรอง Thermal Stress จงจาเปนจะตองควบคมใหความรอนคอย ๆ เพมขนอยางชา ๆ (Slow Heat Soak) ผออกแบบบางรายจะพฒนา HRSG รปแบบใหม ๆ โดยจะพยายามจะลดเวลาในการเรมเดนเครองไดเรวขน . จงมการปรบ เปลยนรปแบบจากการใช Steam Drum ไปเปน Steam Separator แตจะมขอจากดประการหนงกคอ ในกรณทมส งเจอปนอยในนา Steam Drum จะเปนทสะสมของตะกรนเมอนาถกทาใหระเหยกลายเปนไอ แตในระบบทไมม Steam Drum จะตองมการควบคมคณภาพนาใหดทสด มฉะนนจะมตะกรนสะสมอยในระบบทอนาของ HRSG แทน .

รปท 25 ตวอยางลกษณะของ Heat Recovery Steam Generator . ปญหาสาคญใน การควบคมการทางาน (Operate) โรงไฟฟาพลงงานความรอนรวม กคอ การควบคมการเรมเดนเครอง(Startup) และการหยดเดนเครอง (Shutdown) รวมทงเมอจะตอง Trip โรงไฟฟากงหนไอนาออกไปขณะทยงเดนเครองโรงไฟฟากงหนกาซเตมพกด ซง Exhaust Heat ทถกปลอยออกมาอยางมากมายจะทาให โครงสรางทหนา (Thick Wall) ของ HRSG และ Steam Turbine มอณหภมสงขนดวยอตราเรวเกนคา Thermal Ramp-Rate Limits จนอาจจะทาใหเกดรอยแตกราวได . วธแกปญหา นสามารถทาไดโดยใชโรงไฟฟาพลงงานความรอนรวมเปน Base Load Service และใช Bypass Stack Upstream เพอระบายแกสรอนทงออกไปสบรรยากาศ กอนทจะผานเขา HRSG และอกวธหนงกคอ การปลอยให HRSG ผลตไอนาตอไป แตจะเปดวาลวปลอยไอนารอนทงออกสบรรยากาศ . ความเสอม สภาพของ Rotor ของ Steam Turbine อนเนองมาจาก Creep และ Thermal Fatigue คอสงทจะบงบอกอายการใชงานของเครองกงหนไอนา โดย Creep จะเกดขนในชวง Steady State Operation เพราะม Centrifugal Stress ขณะท Rotor มอณหภมสงมาก แต Thermal Fatigue คอปญหาทมกจะเกดขนในชวงเวลาการ Start Up และ Shutdown และเนองจากปญหาเรอง Thermal Stress ทเกดขนกบเครองกงหนไอนา (Steam Turbine) และ Heat Recovery Steam Generator (HRSG) . โรงไฟฟา พลงงานความรอนรวม (Combined-Cycle Power Plant) จงจะตองการเวลาทยาวนานหลายชวโมงในขณะเรมเดนเครอง(Startup Procedure) เพอใหเกดเสถยรภาพของความรอน (Thermal Stability) ในระบบ

โดยการเรมเดนเครองโรงไฟฟาจะมลาดบขนตอน ดงน . * อดไลอากาศ (Purge) ทคางอยใน Gas Path ของเครองกงหนกาซ * เรมกระบวนการเผาไหมใน Combustion ของเครองกงหนกาซ * เรงเครองกงหนกาซดวยอตราเรวคงท (Ramp-Up Speed) แลวรกษาระดบความเรวรอบท Synch Idle Speed * ขนานเครองกาเนดไฟฟาพลงกงหนกาซ (Synchronize) เขากบระบบไฟฟา (Utility Grid) * เรงเครองกงหนกาซเพอจายกาลงไฟฟาเพมขนดวยอตราเรวคงท (Ramp-Up Electrical Load) แลวรกษาระดบไวเมอถงจดทสามารถเรมเดนเครอง HRSG ได ท Minimum Operating Temperature . * ทาการอนเครอง (Heat Soak) เครองผลตไอนา HRSG * เรมกระบวนการผลตไอนารอน (Steam Production) * เรมปอนไอนารอนผานเครองกงหนไอนา (Heat Soak) โดยคอย ๆ เพมอณหภมจนถงระดบทสามารถเดนเครองเพอจายกาลงไฟฟาได * ขนานเครองกาเนดไฟฟาพลงกงหนไอนา (Synchronize) เขากบระบบไฟฟา (Utility Grid) * เรงเครองกงหนกาซไปพรอมกบเรงเครองกงหนไอนา เพอจายกาลงไฟฟาเพมขนดวยอตราเรวคงท (Ramp-Up Electrical Load) จนกระทงถง Rated Loads ในเวลาเดยวกน . Synchronous Generator เครอง กาเนดไฟฟาแบบซงโครนสจะมสวนประกอบทสาคญ 2 สวนคอ ขดลวดอยกบท (Armature Windings) ทง 3 เฟส พนอยบน Stator Core เมอมกระแสกระแสสลบไหลผานขดลวดจะทาใหเกดสนามแมเหลกหมน (Rotating Magnetomotive Force (mmf)) ทามมเฟสตางกน 120o สวนทสองกคอ ขดลวดสนามแมเหลก (Field Windings) ทพนอยบนแกนเหลกของโรเตอร (Rotor Core) . โดยขดลวดน จะสรางสนามแมเหลกทเกดจากไฟฟากระแสตรงทปอนมาจาก Exciter เมอโรเตอรถกขบหมนโดยเครองตนกาลงจะทาใหเกดสนามแมเหลกหมน และเหนยวนาใหเกดแรงเคลอนไฟฟาในขดลวดอยกบท จานวนของขวแมเหลกไฟฟา (Field Poles = p) ของขดลวดทงสองชนดจะมคาเทากน . ดงนน เมอโรเตอรถกขบหมนและมความเรวรอบคงท จะทาให Magnetic Fields ของ Stator และ Rotor มทศทางสอดคลองกน และในสภาวะสมดลโรเตอรจะมความเรวรอบเทากบ Synchronous Speed (ns) ความถไฟฟาของกระแสไฟฟาท Aramature Windings เทากบ f ซงสามารถเขยนสมการความสมพนธได คอ .

ns (rpm) = 120 x f/p ………… (2) . คาแรง เคลอนไฟฟาเหนยวนา (Induced Electric and Magnetic Fields: EMF) จะเกดขนในขดลวดอยกบท เนองจากมการเปลยนแปลงคา Magnetic Flux ( m) ทเกดจากขดลวด Armature Current และ Field Current ซงสามารถคานวณหาคาแรงดนไฟฟาได คอ. Ea = 4.44 x N x f x m x Kw …………. (3) โดย N คอ จานวนรอบของขดลวดอยกบท Kw คอ คา Armature Winding Factor .

รปท 26 แสดงลกษณะของ Rotor ของเครองกาเนดไฟฟาแบบแกนตง . เครอง กาเนดไฟฟาแบบซงโครนส เปนเครองกลไฟฟาทสามารถแปลงพลงงานกลในการขบหมน Rotor ใหเปนพลงงานไฟฟาเพอจายใหกบผใชไฟฟาได สาหรบเครองกาเนดไฟฟาทมขนาดพกดใหญมาก ๆ จะตองใชเครองตนกาลงทมกาลงมากเชนกน เชน Gas Turbine, Steam Turbine, Hydro Turbine และ Diesel Engine เปนตน . สาหรบโรง ไฟฟาพลงนา เนองจากเครองกงหนนาไมสามารถหมนดวยความเรวรอบสงมากนก จงจาเปนจะตองใช กบเครองกาเนดไฟฟาทเปน Low Speed Type และจะตองมจานวน Pole คอนขางมาก ซงจะมทงแบบแกนตง (Vertical Type) และแกนนอน (Horizontal Type) ดงรปท 26 และ 27 . เครอง กาเนดไฟฟาทใชกบโรงไฟฟาจะเปน Rotating Field Type ซงจะสรางกระแสไฟฟาไดโดยการใชขดลวดพนอยท Pole ของ Stationary Armature และมชดสรางสนามแมเหลก (Magnetic Field) ทอยบน Rotor เมอสนามแมเหลกหมนตดผานขดลวด จะทาใหเกดแรงเคลอนไฟฟากระแสสลบขนภายในขดลวด . โดยมคาความ ถไฟฟาแปรผนไปตามความเรวรอบของ Rotor และจานวน Pole บน Armature สนามแมเหลกทเกดขนบน Rotor เกดจากไฟฟากระแสตรงทถกสงมาจาก Exciter เขาสขดลวดอกชดหนง (Field Windings) ทพนรอบ Rotor โดยทวไปเราสามารถจดประเภทของ Exciter ไดเปน Brush Type ทจะมาพรอมกบ Rotating Commutator และ Static Excitation ซงหมายถง Brush Less Generator and Exciter . เราสามารถจะ ควบคมแรงดนไฟฟาหรอ Reactive Power (VAR) ทเครองกาเนดไฟฟาผลตออกมาไดโดยการปรบคากระแสไฟฟาทจายออกมาจาก Exciter ไดโดยใชอปกรณทเรยกวา Voltage Regulator และสามารถควบคมคาความถไฟฟาหรอกาลงไฟฟา (Watt) ทเครองกาเนดไฟฟาผลตออกมาไดโดยใชอปกรณทเรยกวา Governor หรอ Speed Controller .

รปท 27 แสดงลกษณะของ Rotor ของเครองกาเนดไฟฟาแบบแกนนอน . Rotor ของเครองกาเนดไฟฟาสามารถแบงออกไดเปน 2 แบบ คอ แบบ Cylindrical Rotor (Non-Salient Pole) ซงเหมาะทจะใชกบเครองตนกาลงทมความเรวรอบสงมาก เชน Steam Turbine โดยปกตจะมเพยง 2 หรอ 4 Poles เทานน และเนองจากมปญหาเรอง Mechanical Stress ทเกดจาก Centrifugal Force จงจาเปนจะตองออกแบบ Rotor ใหมความยาวมากแตมขนาดเสนผาศนยกลางคอนขางนอย . สวนแบบ Salient Pole Rotor ซงจะใชกบเครองตนกาลงทมความเรวรอบตา เชน Hydro Turbine ซงจะมจานวน Pole มากและมพกดความเรวรอบนอย เครองกาเนดไฟฟาประเภทนจะถกออกแบบใหมความยาวไมมากแตจะตองมขนาด เสนผาศนยกลางคอนขางมาก Salient Pole Rotor จะมโครงสรางทไมแขงแรงมากนกเมอเปรยบเทยบกบแบบ Cylindrical Rotor และมกจะเกดแรงตานทานจากอากาศ (Wind Resistance) มากขณะทหมนเรวขนจนทาใหเกดเสยงดงรบกวนคอนขางมาก .

รปท 28 แสดงลกษณะของ Cylindrical Rotor ทมระบบชวยระบายความรอนในตว . ระบบการระบายความรอนของเครองกาเนดไฟฟา โดยทวไปจะแบงออกเปน 3 แบบ คอ* Air Cooled Generator เปนระบบการระบายความรอนทสะดวก และมคาใชจายตาทสด โดยสามารถใชเปนระบบ Opened Loop System โดยการดดอากาศทอยรอบ ๆ เขามาผานขดลวดและแกนเหลกกอนปลอยออกสอากาศอกทางหนง แตสาหรบระบบ Closed Loop System จะใชการหมนเวยนอากาศผานแกนเหลกและขดลวดเพอแลกเปลยนความรอน แลวใชนาชวยระบายความรอนใหกบลมรอนทออกจากเครองกาเนดไฟฟาอกทอด หนง การระบายความรอนแบบนมกจะใชกบเครองกาเนดไฟฟาขนาดพกดไมเกน 200MVA .

รปท 29 แสดงลกษณะของเครองกาเนดไฟฟาทระบายความรอนดวยอากาศ . * Hydrogen Cooled Generator เปนระบบการระบายความรอนทใช Hydrogen Gas เปนตวกลางในการระบายความรอน เนองจากมคณสมบตทดคอ ความหนาแนนตา (Low Density) นาความรอนไดด (Thermal Conductivity) และมคาความรอนจาเพาะสง (High Specific Heat) โดยจะใชเปนระบบ Closed Loop System ให กาซไฮโดรเจนหมนเวยนผานแกนเหลกและขดลวดเพอแลกเปลยนความรอน แลวใชนาชวยระบายความรอนใหกบกาซรอนทออกจากเครองกาเนดไฟฟาอก ทอดหนง . การระบายความ รอนแบบนมกจะใชกบเครองกาเนดไฟฟาขนาดพกดไมเกน 500MVA เนองจากกาซไฮโดรเจนเปนกาซไวไฟ โครงสรางของเครองกาเนดไฟฟาจงจะตองถกปดลอม (Seal) อยางแนนหนาเพอปองกนกาซรว และตองใชนามน (Oil Seal) กนกาซรวทแกนหมนดวย .

รปท 30 แสดงลกษณะของเครองกาเนดไฟฟาทระบายความรอนดวยไฮโดรเจน . * Water Cooled Generator เปนระบบการระบายความรอนทใช Deionized Water เปนตวกลางในการระบายความรอน เนองจากมคาความรอนจาเพาะสง (High Specific Heat) โดยจะใชเปนระบบ Closed Loop System ให นาเยนไหลผานแกนเหลกและขดลวดเพอแลกเปลยนความรอน การระบายความรอนแบบนมกจะใชกบเครองกาเนดไฟฟาขนาดพกดไมเกน 1,600MVA .

รปท 31 แสดงลกษณะของเครองกาเนดไฟฟาทระบายความรอนดวยนา . พกดการจาย ไฟฟาของเครองกาเนดไฟฟาจะถกจากดโดยคา Heat Rise เชนเดยวกบหมอแปลงไฟฟากาลง ความรอนสวนใหญจะเกดจากกระแสไฟฟา (I) ไหลผานตวนาไฟฟา (Conductor) ซงมคาความตานทานไฟฟา (R) จนเกดพลงงานความรอน (I2R) . โดยทวไปเครองกาเนดไฟฟาทถกออกแบบใหเปน Prime Rating จะสามารถทนความรอนทสงขนจากอณหภมแวดลอมไมเกน 85 oC และเครองกาเนดไฟฟาทถกออกแบบใหเปน Continuous Rating จะสามารถทนความรอนทสงขนจากอณหภมแวดลอมไมเกน 105 oC แตมผผลตหลายรายไดเพม Capacity ของเครองกาเนดไฟฟาโดยการเพม Rated of Heat Rise และจะตองใช Insulation Class ทดข น .

รปท 32 แสดงลกษณะของ Generator Capability Curve . Generator Capability Curve แสดงใหเหนขดจากดของเครองกาเนดไฟฟาในการจายกาลงไฟฟา จากรปท 32 จะแสดงขอบเขตของพกดทเกดจาก Field Heating ขณะทม Over Excitation ขอบเขตของพกดทเกดจาก Armature Heating เพราะมกระแสไฟฟาไหลผานขดลวดอยกบท และแสดงขอบเขตของพกด Armature End Core Heating ซงเปนผลทเกดจาก End-Turn Leakage Flux ททาใหเกด Eddy Current ใน Stator Lamination . โดยปกตการ เดนเครองกาเนดไฟฟาในชวง Under Excitation ซงจะมคา Field Current นอย ทาใหไมเกดความ

รอนขนใน Rotor มากนก ซงความรอนทเกดขนบน Rotor อาจจะทาใหเกดการสน (Vibration) เพมขนตามคา Field Current ทเพมมากขน โดยความรอนทเกดขนอาจจะทาใหขดลวดทองแดง (Copper Coils) และแกนเหลก (Steel Alloy Rotor) เกดการขยายตวไดเทาไมกน จนอาจทาให Rotor เกดความเสยหายทางกายภาพได .

รปท 33 แสดงวงจรสมมลของเครองกาเนดไฟฟาทจายไฟฟาใหกบภาระไฟฟา .

รปท 34 แสดงเวกเตอรของคาตาง ๆ ในวงจรสมมลของเครองกาเนดไฟฟา . ถาเรา วเคราะหพฤตกรรมของเครองกาเนดไฟฟาโดยพจารณาวาคา Armature Winding Resistance มคานอยมากจนสามารถละเลยไปได และกาลงไฟฟาทเครองกาเนดไฟฟา (Active Power) จายออกมาจะสมพนธกบคา Mechanical Angle( ) โดยท Active Power จะไหลจาก Leading Voltage ไปยง Lagging Voltage . ขณะท Reactive Power จะไหลจากจดทม Voltage Magnitude มากไปยงจดทม Voltage Magnitude นอยกวา จากรปท 33 คามมเฟสของกระแสไฟฟา ( ) จะแปรผนตามคา Power Factor ของภาระไฟฟา (Load) ซงสามารถเขยนเปนความสมพนธในรปของเวกเตอรไดดงรปท 34 .

รปท 35 แสดง Generator Saturation Curve และ Magnetization Curve . ถามการเพม Field Current จะทาใหคาแรงเคลอนไฟฟาท Armature Winding เพมขนจากคา Ea ไปเปนคา Ea2 ซงจะทาใหคา Terminal Voltage ของเครองกาเนดไฟฟาเปลยนจากคา Vt ไปเปน Vt2 และทาใหจายกระแสไฟฟาไดมากขนเปนคา Ia2 . ในกรณท Prime Mover รกษาความเรวรอบทคาพกด แตไมมการตอภาระไฟฟาท Terminal ของเครองกาเนดไฟฟา แลวคอยเพมคา Excitation จะทาใหคา Terminal Voltage (Vt) คอย ๆ เพมขนตามสดสวนแบบคงท จนกระทงแกนเหลกของโรเตอรเกดการอมตว (Saturation) นนคอ แมจะเพม Field Current กไมสามารถทาให Flux เพมขนไดอก ตามรปท 35 . จากรปท 36(ก) เมอเครองกาเนดไฟฟาถกขนานวงจรเขากบระบบสงจายกาลงไฟฟา ระบบควบคมอตโนมตจะไมสามารถปรบเปลยนคา Terminal Voltage และ Frequency ไดอก เนองจาก Infinite Bus จะประกอบดวยเครองกาเนดไฟฟาจานวนมากตอรวมกน การเพมกาลงขบของเครองตนกาลงเพยงหนวยเดยวไมสามารถทาใหคาความ ถไฟฟาของ Infinite Bus เปลยนแปลงได . ในทานองเดยว กน การปรบเปลยน Excitation ของเครองกาเนดไฟฟาหนวยหนงกไมสามารถทาใหเกดการเปลยนแปลงคาแรง ดนไฟฟาของ Infinite Bus ดวยเชนกน ในรปท 36(ข) เครองกาเนดไฟฟาจะมคา Power Factor เทากบ 1 เมอมมเฟสของแรงดนไฟฟา (Vt) มคาเทากบมมเฟสของกระแสไฟฟา (Ia) โดยมมเฟสของ Ea จะ Lead คามมเฟสของ Vt เทากบ .

(ก) เครองกาเนดไฟฟาตอเขากบระบบสงจายกาลงไฟฟา .

(ข) กรณ Unity Power Factor .

(ค) กรณ Overexcitation .

(ง) กรณ Under Excitation

รปท 36 แสดงเวกเตอรของคาตาง ๆ ของเครองกาเนดไฟฟา เมอปรบเปลยนคา Excitation . เมอเครอง กาเนดไฟฟาตอเขากบระบบสงจายกาลงไฟฟา ซงอาจถอไดวาเปน Infinite Bus ซงจะมคาแรงดนไฟฟาและความถกระแสไฟฟาคงทเสมอ ถาเราปรบเปลยนคา Field Current จะไมสามารถทาใหคาTerminal Voltage ของเครองกาเนดไฟฟาเปลยนแปลงไปได แตจะสงผลตอคาแรงเคลอนไฟฟา Ea แทน . ถาปรบเพม คา Field Current มากเกนไป (Over Excitation) จะทาใหมมเฟสของเวกเตอรกระแสไฟฟา Lag เวกเตอรของคาแรงดนไฟฟาไดจาก 0o ถง 90o ตามรปท 36(ค) ในกรณทเวกเตอรของกระแสไฟฟา Lag เวกเตอรของแรงดนไฟฟา 90o เครองกาเนดไฟฟาจะจายกาลงไฟฟาจรงเขาระบบไฟฟาเทากบศนย . เมอพจารณา เครองกาเนดไฟฟาทจายกระแสไฟฟาท 0 Power Factor Lagging ขณะทม Over Excitation จะเหนไดวา เมอเพมคา Excitation จะทาใหคา Amplitude ของ Ea เพมขน ในขณะเดยวกน คา Amplitude ของ Ia กจะเพมขนดวย โดยทมม ยงคงมคาเทากบ 90o เชนเดม และเมอพจารณาเครองกาเนดไฟฟาทจายกระแสไฟฟาท 0 Power Factor Leading ขณะทม Under Excitation . จะเหนไดวา เมอลดคา Excitation จะทาใหคา Amplitude ของ Ea ลดลง แตคา Amplitude ของ Ia กลบเพมขน โดยทมม ยงคงมคาเทากบ 90o เชนเดม และเมอเราสรางกราฟของความสมพนธของคากระแสไฟฟา (Ia) และแรงดนไฟฟา (Ea) โดยรกษาคา Power Factor ใหคงท จะไดรปกราฟในลกษณะเปน V-Curve ตามรปท 37 .

รปท 37 แสดงลกษณะของ Generator V-Curve . ถาปรบเพม คา Field Current นอยเกนไป (Under Excitation) จะทาใหมมเฟสของเวกเตอรกระแสไฟฟา Lead เวกเตอรของคาแรงดนไฟฟาไดถง 90o ซงจะทาใหเครองกาเนดไฟฟาจาย Active Power เทากบศนยเชนกน และถามมเฟสของเวกเตอรกระแสไฟฟาเทากบมมเฟสของเวกเตอรแรงดนไฟฟาพอด จะทาใหเครองกาเนดไฟฟาจาย Reactive Power เทากบศนย แตยงสามารถจายกาลงไฟฟาไดเตมพกด ตามรปท 2-36(ง) และจากความสมพนธของเวกเตอรกระแสไฟฟาและแรงดนไฟฟา จะเหนวา . คา Real Power = 3 x Vt x Ia x cos โดยท Ia x Xs x cos = Ea x Sine นนคอ Ia x cos = Ea x Sine / Xs . ดงนนจะได

.................................(4) . เนองจากคา Vt และ Xs เปนคาคงท ดงนน เราจงสามารถเขยนเสน Constant Power Line ไดดงรปท 38 ถาไมมการปรบเปลยนกาลงขบหมน (Torque) ของเครองตนกาลง (Prime Mover) จะทาใหคา I x cos มคาคงท การปรบเพมคา Excitation จะมผลทาใหแรงเคลอนไฟฟา Ea มคาเพมขน และมมเฟสของเวกเตอรกระแสไฟฟา ( )

เพมขน ดงนนจงมการจาย Reactive Power (3 x V x I x sin ) เพมขน .

(ก) แสดงลกษณะ Constant Power Line .

(ข) แสดงการเพม Excitation แตไมเพมกาลงขบหมนเครองกาเนดไฟฟา รปท 38 แสดงเวกเตอรของคาตาง ๆ ของเครองกาเนดไฟฟา เมอคากาลงไฟฟาคงท

. จากรปท 2-39 ถาไมมการปรบเปลยนคา Excitation จะทาให Ea มคาคงท เมอ Governor ปรบเพมกาลงขบใหกบ Prime Mover เปนสองเทา จะมผลทาใหคา I x cos เพมขนเปนสองเทาดวย ขณะเดยวกนจะมการจาย Reactive Power (3 x V x I x sin ) ไดนอยลงดวย จะเหนไดวามมเฟสของเวกเตอรกระแสไฟฟา ( ) ทลดลง จะทาให เครองกาเนดไฟฟามการจายกระแสไฟฟาเกอบจะเปน Unity Power Factor .

รปท 39 แสดงเวกเตอรของคาตาง ๆ ของเครองกาเนดไฟฟา เมอคา Excitation คงท . จาก สมการท 4 เมอพจารณาวาเครองกาเนดไฟฟากาลงเดนเครองเพอจายกาลงไฟฟา และมการตงปรบคา Excitation ไวคาหนง ทาใหคา Ea คงท และเมอมการปรบเปลยน Torque ของเครองตนกาลงจะทาใหคามม เปลยนแปลงไป และคากาลงไฟฟา (Real Power) จะมคามากทสดเมอคามม = 90o ดงทแสดงในรปท 40 เมอ

มม เพมขนจาก 90o ไปจนถงคา 180o จะทาใหคากาลงไฟฟาของเครองกาเนดไฟฟาลดลง อยางไรกตาม เครองกาเนดไฟฟาถกออกแบบมาใหทางานทคามม < 30o

.

รปท 40 แสดงคากาลงไฟฟาทเครองกาเนดไฟฟา ตาม Power-Angle Curve . เมอเครอง กาเนดไฟฟามคา Inertia Constant เปน H ซงเทากบคาพลงงานจลนขณะทหมนดวย Synchronous Speed โดยจะมหนวยเปน MJ/MVAน ความหมายอยางงาย ๆ ของคา H กคอ เวลานบจากเครองตนกาลงหยดสงกาลงขบหมนใหกบเครองกาเนดไฟฟาท คาพกดความเรว (Rated Speed) จนกระทงโรเตอรหยดหมน (Stanstill) โดยทวไป คา H จะมคาระหวาง 1-10 วนาท . ขณะทโรเตอรของเครองกาเนดไฟฟาหมนดวยความถเชงมมเทากบ ถาคากาลงขบหมนจาก Prime Mover เปน Pm สวนคากาลงไฟฟาของเครองกาเนดไฟฟาเปน Pe โดยทคาความถเชงมมตามพกด (Nominal หรอ Synchronous Speed) เปน s จะไดสมการท 5 ทเรยกวา “Swing Equation” ซงจะแสดงใหเหนความสมพนธในการรกษาเสถยรภาพสาหรบการควบคมคาความ เรวรอบของเครองกาเนดไฟฟาเมอเกดการเปลยนแปลงคากาลงไฟฟา .

. คา Pm จะถกควบคมโดย Governor ซงจะตอบสนองตอคาการเปลยนแปลงของกาลงไฟฟาทเครองกาเนดไฟฟาจาย ใหกบระบบไฟฟา ดงนนในชวงเวลาสน ๆ สามารถพจารณาไดวา Pm เปนคาคงท จากสมการท 5 จะเหนวา เมอคา Pe > Pm จะทาใหอตราการเปลยนแปลงของคา ตอเวลาจะมคาเปนลบ และทาใหความเรวรอบของ Prime Mover ลดลง(Rotor Decelerate) จนกระทงทาใหคา เทากบคา s อกครง . แตถาคา Pe < Pm จะทาใหอตราการเปลยนแปลงของคา ตอเวลาจะมคาเปนบวก และทาใหความเรวรอบของ Prime Mover เพมขน (Rotor Accelerate) แรงบดททาใหโรเตอรมการหมนชาลงหรอเรวขน เมอคา Torque Angle ( ) ไดเปลยนแปลงไปทง ๆ ท Prime Mover ไมไดเพมหรอลดคากาลงขบหมนเลย จะเรยกวา “Synchronizing Torque” และนกคอ เหตผลททาใหเครองกาเนดไฟฟาทกเครองทตอกบระบบสงจายกาลงไฟฟา สามารถทางานรวมกนโดยรกษาความเรวรอบไวท Synchronizing Speed . จากรปท 41(ก) กอนเกดฟอลต (Pre Fault) เครองกาเนดไฟฟาจายกาลงไฟฟาเทากบ Pm และมคา Torque Angle เทากบ 0 เมอเกดฟอลตในระบบสงจายกาลงไฟฟา จะทาใหเครองกาเนดไฟฟาจายคากาลงไฟฟาลดลงเปน PF ทาให Generator Rotor เรงความเรวรอบขน และทาใหคา เพมขน . และเมอระบบสงจายกาลงไฟฟากลบสปกต(Post Fault) เครองกาเนดไฟฟาจะตองรบคาภาระไฟฟา (Pe) มากกวากาลงขบหมน (Pm) จาก Prime Mover ทมม C และเนองจาก Generator Rotor มความเฉอย จงทาใหความเรวรอบยงคงเพมขนจนมคา Mechanical Angle เทากบ F โดยพนท Area 1 (Mechanical Energy) จะมคาเทากบ

Area 2 (Electrical Energy) . ในรปท 41(ข) ถาชวงเวลาในการ Clear Fault นานเกนไปหรอฟอลตมความรนแรงมาก จะทาให Generator Rotor เรงความเรวรอบขนจนทาใหคา เกนกวาคา L และทาใหเครองกาเนดไฟฟารบคาภาระไฟฟา (Pe) นอยกวากาลงขบหมน (Pm) จาก Prime Mover ซงจะทาใหเกด Out-Of-Step หรอ Unstable Power Swing Condition นนคอ Generator Rotor จะเรงความเรวรอบขนจนเกด Loss of Synchronism.

(ก) Stable System.

(ข) Unstable Systemรปท 41 แสดง Power-Angle Curve ของเครองกาเนดไฟฟาเมอเกดฟอลต

. เอกสารอางอง 1. A Modern Automatic Bus Transfer Scheme, Tarlochan S.Sidhu, Vinayagam Balamourougan, Manish Thakur, and Bogdan Kasztenny, International Journal of Control, Automation, and Systems, June 2005. 2. Fast Cycling Capability for New Plants and Upgrade Opportunities, H. Enberger, E. Schmid and E.Gobrecht, Siemens Power Generation (PG), 2005 3. The Impact of Synchronous Generators Excitation Supply on Protection and Relays, Gabriel Benmouyal, Schweitzer Engineering Laboratories, Inc. 4. Fossil Fuel Power Plant Steam Turbine Bypass System, ANSI/ISA-77.13.01-1999, December 1999 5. Black Start Studies for System Restoration, J.W. Feltes, Carlos Grande-Moran, IEEE, 2008 6. Small Hydro Power – Investor Guide, Wladyslaw Bobroxicz, Koncern Energetyczny SA, 2006 7. IEEE Guide for Operation and Maintenance of Hydro Generator, 1999 8. IEEE Guide for the Application of Turbine Governing System for Hydroelectric Generating Units,

2004 9. The Impact of Synchronous Generators Excitation Supply on Protection and Relays, Gabriel Benmouyal, Schweitzer Engineering Laboratories, Inc., 2007 10. IEEE Design Guide for Electric Power Service Systems for Generating Station, 1991 11. www.geindustrial.com 12. www.gepower.com 13. www.toshiba.co.jp 14. www.tic.toshiba.co.au 15. www.siemens.com 16. www.meppi.com ความรพ นฐานเรองโรงไฟฟา (ตอนจบ) โดย ไทยแลนดอนดสตรดอทคอม วนท 2009-12-08 17:55:58

จานวนผอาน 2769 คน วศวกรรมการปองกนระบบไฟฟาแรงสง บทท 2 ความรพ นฐานเรองโรงไฟฟา (ตอนจบ). สชาต ปรชาธร suchart.pr@egat.co.th .

.

Automatic Voltage Regulator Automatic Voltage Regulator (AVR) เปนอปกรณควบคมคาแรงดนไฟฟาใหกบเครองกาเนดไฟฟา โดยมหลกการทางานคอ AVR จะวดคาแรงดนไฟฟาโดยใช Voltage Transformer แลวนาคามาเปรยบเทยบกบคาแรงดนไฟฟาอางอง (Referent Voltage) คาความแตกตาง (Different Signal) ทไดจะถกใชเพอการควบคม Field Current จาก Exciter . ตวอยางเชน เมอภาระไฟฟาเพมขน คาแรงดนไฟฟาของเครองกาเนดไฟฟา (Terminal Voltage) กจะมคาลดลง ทาใหเกดคาความแตกตางของสญญาณแรงดนไฟฟา (Terminal Voltage–Referent Voltage) AVR จงสงใหเพมคา Exciter Field Current และสดทายกจะทาใหคาแรงดนไฟฟาของเครองกาเนดไฟฟามคาเพมขน .

รปท 42 แสดงผงวงจร Excitation System แบบ Rotating Brush Type Exciter . สาหรบโรง ไฟฟาสมยใหม ระบบควบคมคาแรงดนไฟฟาของเครองกาเนดไฟฟาแบบอตโนมต (AVR) จะทาหนาทควบคมคาแรงดนไฟฟาใหเครองกาเนดไฟฟาในขณะเรมเดน เครอง (Automatic Voltage Start-Up Function) แตในเวลาทเครองกาเนดไฟฟาถกขนานเขากบระบบไฟฟาแลว AVR จะชวยใหระบบไฟฟามเสถยรภาพ (System Stability Function) จากการชวยควบคมคา Reactive Power ของเครองกาเนดไฟฟาทจายเขาระบบไฟฟา โดยการควบคมผาน Excitation System ซงถาเปนแบบดงเดมจะใช Rotating Brush Type Exciter ตามรปท 42 . การปรบ เปลยนคาแรงดนไฟฟาจะกระทาโดยการปรบคาความตานทานของ Rheostat และจะทาใหสามารถควบคมคา Field Current ได แตในปจจบน กระบวนการควบคมการทางานของโรงไฟฟามการพฒนาอยางตอเนอง Excitation System ซงโดยทวไปจะเปน Static Excitation System หรอ Brushless Excitation System . Exciter คอ แหลงพลงงานไฟฟาทจะปอน DC Magnetizing Current เขาส Field Windings ของเครองกาเนดไฟฟาแบบซงโครนส (Synchronous Generator) และทาใหเกดแรงเคลอนไฟฟาเหนยวนา (Inducing AC Voltage) ขนใน Armature Windings โดยทวไป โรงไฟฟาขนาดใหญมกจะมการใช Excitation System 2 ชนด คอ .

รปท 43 แสดงแผนผงวงจรการทางานของ Static Excitation System ของ Mitsubishi .

* Static Excitation System จะใชแหลงจายพลงงานไฟฟาจากเครองกาเนดไฟฟา หรอจากแหลงจายไฟฟาอนกได โดยการใชหมอแปลงไฟฟา (Excitation Transformer) ชวยลดระดบแรงดนลง แลวปอนพลงงานใหกบ Excitation Converter เปลยนเปนไฟฟากระแสตรงโดยผาน Full-Wave Thyristor Rectifier ซงประกอบดวย Three-Phase Bridge ทถกควบคมการ Trigger โดย AVR ตามรปท 43 . กระแสไฟฟา ทไดจะถกปอนใหกบ Main Generator Filed Windings โดยผาน Sliprings จะเหนวา Field Circuit จะตองม Surge Absorber หรอ Overvoltage Protection เพอชวยปองกน แรงดนไฟฟาเกน หรอ Negative Excitation Current ทอาจจะเกดขนในขณะมฟอลตทเครองกาเนดไฟฟา. ในชวงเวลา ทเครองกาเนดไฟฟายงไมสามารถจายไฟฟาได Excitation System จะไมมแหลงกาลงไฟฟา ซง AVR จะตรวจวดคาแรงดนไฟฟาของเครองกาเนดไฟฟา และสงใหเบรกเกอร 31 ตอวงจร (Close Circuit) เพอใช แหลงจายพลงงานไฟฟาสารองจากแบตเตอร หรอระบบไฟฟากระแสสลบทผาน Rectifier Bridge มาเพอปอน Field Current ใหกบ Main Field Windings เปนการชวคราว โดยไมสนวาจะมคา Remanent Voltage หรอไม. ในกรณท Excitation ใชแหลงจายไฟฟาจากเครองกาเนดไฟฟา จะเรยกวา Shunt Excited Generator ถาเกดคาแรงดนไฟฟาของเครองกาเนดไฟฟาตกลง (Transient Voltage Dip) เนองจากมการเพมคาภาระไฟฟาปรมาณมาก (Block Loading หรอ Large Motor Starting) จะทาให Input Voltage ของ AVR เปลยนแปลงไปดวย ดงนนการควบคมคาแรงดนไฟฟาของเครองกาเนดไฟฟาจงอาจผดพลาดขนได .

รปท 44 แสดงแผนผงวงจรการทางานของ Brushless Excitation System ของ Mitsubishi . * Brushless Excitation System จะใช Permanent Magnet Generator (PMG) ทมแกนหมนทตอกบโรเตอรของเครองกาเนดไฟฟา เพอปอนพลงงานใหกบ Stationary Exciter Field ของ Rotating Exciter โดยม AVR ชวยควบคม Firing Pulse ใหกบ Thyristor Gate ของ Full-Wave Thyristor Rectifier เพอแปลงไฟฟากระแสสลบใหเปนไฟฟากระแสตรง ตามรปท 44 ทาใหเกดแรงดนไฟฟากระแสสลบท Rotating Armature. และเมอตอ วงจรผาน Rotating Three-Phase Bridge Rectifier กจะได Field Current สาหรบปอนใหกบ Main Generator Filed Windings โดยไมตองใช Sliprings หรอ แปลงถาน (Brushes) การใช PMG เปนแหลงจายไฟฟาใหกบ Excitation System จะทาใหคาแรงดนไฟฟาคอนขางคงท แมวาคาแรงดนไฟฟาของเครองกาเนดไฟฟาจะเปลยนแปลงไปอยางไร. ปรมาณความ ตองการ Magnetizing Current ทจะชวยรกษาระดบแรงดนไฟฟาของเครองกาเนดไฟฟาใหคงทนน จะขนอยกบคาภาระไฟฟา (Loads) ดวย เมอภาระไฟฟาเพมขนคา Excitation กจะตองเพมขนดวย นอกจากนลกษณะของภาระไฟฟากจะมผลตอความตองการ Excitation กลาวคอ สาหรบภาระไฟฟาทเปน Reactive Lagging Power Factor จะตองใชปรมาณ Excitation มากกวา ภาระไฟฟาทเปน Reactive Leading Power

Factor . เครอง กาเนดไฟฟาทขนานเขากบระบบไฟฟาหลก (Utility Grid) จะไมสามารถควบคมคาแรงดนไฟฟา (Terminal Voltage) ของตวเองไดอกตอไป เนองจากระบบไฟฟาหลกจะเปนตวกาหนดคาระดบแรงดนและความถไฟฟาของ เครองกาเนดไฟฟา อยางไรกตาม Voltage Regulator ยงคงทาหนาทควบคมคา Exciter Field อย . หลงจากขนาน เครองกาเนดไฟฟาแลว ถาเพมคา Exciter Field จะทาใหเครองกาเนดไฟฟาจาย Reactive Power (VAR) เขาสระบบไฟฟาหลกได ในทางกลบกน ถาลดคา Exciter Field กจะทาใหเครองกาเนดไฟฟารบคา Reactive Power จากระบบไฟฟาหลก .

รปท 45 แสดงตวอยาง Static Excitation System ของ Siemens . เนองจาก Field Windings มคา Inductance คอนขางสง ทาใหยากทจะเปลยนแปลงคา Field Current ไดอยางรวดเรว จงเกด Delay Time ในการควบคมคาแรงดนไฟฟา และทาให AVR พยายามจะเพมคาแรงดนไฟฟาอยางตอเนองเมอพบวายงม Different Signal ทเปนคาบวกอย หรออาจจะพยายามจะลดคาแรงดนไฟฟาอยางตอเนองเมอพบวายงม Different Signal ทเปนคาลบ ดงนน AVR ทดควรจะม Stabilizing Control Circuit เพอชวยใหการควบคมคาแรงดนไฟฟาเปนไปอยางถกตองมากขน. Speed Governor การควบคม ความเรวรอบของ Prime Mover ซงมแกนหมนตออยกบเครองกาเนดไฟฟา เปนหนาทของอปกรณทเรยกวา Governor ซงจะตรวจสอบคาความเรวรอบของโรเตอร โดยใชเครองมอวดทเรยกวา Magnetic Pickup Unit (MPU) แลวนามาเปรยบเทยบกบ Referent Speed . ในกรณท เครองกาเนดไฟฟายงไมไดขนานวงจรกบแหลงจายไฟฟาอน ๆ หรอเปน Isolated System ถาคาความเรวรอบทตรวจวดไดมคานอยกวาคาอางอง Governor จะควบคมใหเครองตนกาลงเรงความเรวขน และถาคาความเรวรอบทตรวจวดไดมคามากกวาคาอางอง Governor จะควบคมใหเครองตนกาลงลดความเรวลง .

รปท 46 แสดงลกษณะ Transient Response Curve. ในขณะท เครองกาเนดไฟฟาไดรบคาภาระไฟฟา (Loads) เพมขน จะทาใหความถไฟฟาลดลงชวขณะ นนคอความเรวรอบของเครองตนกาลงตกลงดวย ดงรปท 46 Governor จะตอบสนองโดยการควบคมใหเครองตนกาลงเรงความเรวขน สาหรบ Hydro Power Generator การควบคมความเรวรอบจะทาไดโดยการควบคมการเปด Wicket Gate หรอ Needle Valves เพอควบคมปรมาณนาหรอแรงดนนาทฉดผานกงหนนา (Runner) อยในระดบทเหมาะสม . แตสาหรบ Steam Turbine Generator การควบคมความเรวรอบจะทาไดโดยการควบคมการเปด-ปด Steam Regulation Valve เพอใหมปรมาณไอนาทไหลเขาเครองกงหนอยในระดบทเหมาะสม สวน Gas Turbine Generator จะสามารถปรบเปลยนความเรวรอบไดโดยการควบคมปรมาณเชอเพลงทจายเขา หองเผาไหม (Combustor) .

รปท 47 แสดง Operator Interface Graphics สาหรบการควบคม Steam Turbine Generator ของ บรษท GE. สาหรบ เครองกาเนดไฟฟาทขนานวงจรกบแหลงจายไฟฟาอนหรอขนานวงจรกบระบบ ไฟฟาหลก (Utility Grid) เราสามารถเลอก Governor Function ในการควบคมคาความเรวรอบของ Prime Mover ได 2 วธ คอ .

รปท 48 แสดงการควบคมความเรวรอบแบบ Isochronous Speed . * Isochronous Speed Control คอ Mode การควบคมของ Governor ซงจะพยายามรกษาคาความเรวรอบใหเทากบคา Speed Reference (หรอ Frequency Reference) อยตลอดเวลา ไมวาเครองกาเนดไฟฟาจะมคาภาระไฟฟามากหรอนอยเพยงใด การเลอกใช Mode น จะเหมาะสมกบเครองกาเนดไฟฟาทไมมการขนานกบเครองกาเนดไฟฟาอน ๆ หรอใหเครองกาเนดไฟฟาทาหนาทเปน Swing Bus . อยางไรกตาม ถามอปกรณควบคมการแบงภาระไฟฟา (Load Sharing Controller หรอ Base Load Controller) จะทาให Governor สามารถควบคมเครองกาเนดไฟฟา ใหแบงจายกาลงไฟฟา (Load Sharing) หรอจายคากาลงไฟฟาคงท (Base Load) ไดโดยรกษาความเรวไวท Isochronous Speed อยตลอดเวลา . จากรปท 48 จะเหนวาทนททเครองกาเนดไฟฟาถกตอเขากบระบบไฟฟาจะพยายามจาย กาลงไฟฟาออกมาตามคาภาระไฟฟาทมอยในขณะนน และไมวาจะมการใชไฟฟามากขนหรอลดลง Governor จะรกษาคาความเรวรอบให คงทเสมอ เวนแตคาภาระไฟฟาจะมากเกนกวาพกดของเครองกาเนดไฟฟานน.

รปท 49 แสดงลกษณะ Block Diagram ของ Droop Governor . * Speed Droop คอ Mode การควบคมของ Governor ซงจะลดคา Speed ของเครองตนกาลงลง เมอเครองกาเนดไฟฟารบภาระไฟฟามากขน การควบคมความเรวรอบของ Prime Mover ในลกษณะเชนนสามารถชวยใหเกด Stable Operation ได จากรปท 2-50 เครองกาเนดไฟฟาทมการกาหนดคา 6% Droop และรบภาระไฟฟาท 50MW ทความถคงทเทากบ 50Hz . ถาคาภาระ ไฟฟาเปลยนไปเปน 100MW คาความถจะลดลงเปน 48.5 Hz แตเมอเราปรบคา Frequency Reference ของ Governor เปน 53Hz จะทาให Droop Curve ยกตวขน และทาใหความถของระบบไฟฟากลบไปท 50Hz เชนเดม

% Droop = [(Speed Drop NL to FL)/Rated Speed] x 100% …….. (7) .

รปท 50 แสดงการควบคมความเรวรอบแบบ Droop Speed. เมอเครอง กาเนดไฟฟาถกขนานเขากบระบบสงจายกาลงไฟฟาซงมคณลกษณะเหมอน Swing Bus โดยกาหนดคา Frequency Reference ไวท 50.3 Hz เพอปองกน Reverse Power จะทาใหเครองกาเนดไฟฟารบภาระไฟฟาเทากบ 10MW และมคาความถลดลงเปน 50 Hz ตามรปท 51 . หลงจากนน Governor จะควบคมเครองตนกาลงใหเพมกาลงขบเครองกาเนดไฟฟา และทาให Droop Curve ถกยกตวขนและทาใหเครองกาเนดไฟฟาจายกาลงไฟฟาไดเพมขนจนรบ ภาระไฟฟาเตมพกด (Full Load) ทคาความถไฟฟาเทากบ 50 Hz เชนเดม .

รปท 51 แสดงการแบงภาระไฟฟาของเครองกาเนดไฟฟาทขนานวงจรกน . ตามปกต โรงไฟฟาทจะตองขนานวงจรเพอจายไฟฟาผานระบบสงจายกาลงไฟฟาจะเลอก ใช Control Mode เปนแบบ Droop ประมาณ 4-6% จากรปท 51 จะเหนวาถาเครองกาเนดไฟฟาถกขนานเขากบระบบไฟฟาทความถ 50Hz และจะสามารถจายกาลงไฟฟาไดเพยงเลกนอยเทานน . แตหลงจาก นน Operator หรอ Distributed Control System จะสงให Governor ปรบเพมกาลงขบหมนของ Prime Mover ตาม Start Ramp Rate และจะทาใหคาภาระไฟฟาถกถายโอนจาก Swing Bus มาใหกบเครองกาเนดไฟฟาอยางชา ๆ (Soft Loading) . จนกระทงถง คา Full Load ตามรปท 52 เมอโรงไฟฟาตองการหยดเดนเครอง Governor จะคอย ๆ ลดกาลงขบหมนของ Prime Mover และจะทาใหเครองกาเนดไฟฟาคอย ๆ รบภาระไฟฟานอยลง (Unloading) จนกระทงถงคา Minimum Load แลวสบปลดเซอรกตเบรกเกอร.

รปท 52 แสดงการควบคมปรมาณเชอเพลงโดย Speed Governor . Power Plant Control System กระบวนการ ผลตไฟฟาของโรงไฟฟาขนาดใหญ ตามตวอยางในรปท 53 จะมระบบควบคมทซบซอนและจะตองใช ความรความชานาญมากในการวเคราะหคา หรอสถานการณการทางานของระบบในสวนตาง ๆ ขณะเดนเครองเพอผลตไฟฟา เชน การควบคม Boiler, การควบคมเครองกาเนดไฟฟา, การควบคม Excitation System, การควบคมขนตอน Startup และ Shutdown, การควบคม Turbine และการควบคม Auxiliary Equipment เปนตน . ดวยเหตน จงเปนการยากถาจะหาใครมาอานวยการและทาการควบคมระบบตาง ๆ ดวยมอ (Manual Operation) เพอใหระบบตาง ๆ ไดทางานตามจงหวะเวลาทเหมาะสมและมประสทธภาพทดได ดงนน ในการดาเนนการผลตไฟฟาจงจาเปนจะตองใชระบบควบคมการทางานของโรงไฟฟา ซงเรยกวา Distributed Control System (DCS) ซงสามารถทางานรวมกบระบบการควบคมแบบ Manual โดยใชสวตชควบคมท Control Panel .

รปท 53 ตวอยาง Balance Mass and Heat Diagram ของโรงไฟฟาพลงความรอนรวม

. กระบวนการ ผลตไฟฟาจะตองมระบบควบคมเครองกงหน(Turbine Control) ระบบควบคมแรงดนไฟฟา (Excitation Control) และระบบควบคมเครองผลตไอนา (Boiler Control) แตโรงไฟฟาจะยงไมสามารถทางานได โดยสมบรณถาขาดระบบชวยสนบสนน ซงเรยกวา Balance of Plant อยางเชน. * Fuel Gas System * Condensate and Feedwater System * Main ,Reheat and Extraction Steam Systems * Circulating Water System * Ash Handling System * Ducting and Stack * Waste Treatment System * Instrumentation and Control * Accessory Electric Plant * Steam Dumping and Recovery System * Fire Protection and Detection Systems * Compressed Air System * Emergency and UPS Systems * Condensing System with Integral Deaeration * Water Treatment System * Inlet & Exhaust Systems * Auxiliary Cooling Systems * Switch Yard and Main Power Distribution. หนาทสาคญ ของ DCS กคอการตรวจสอบและควบคม (Monitor and Control) เครองตนกาลง (Prime Mover) เครองกาเนดไฟฟา และระบบสนบสนนตาง ๆ ของโรงไฟฟา (Auxiliary Systems) เพอใหโรงไฟฟาสามารถผลตไฟฟาไดอยางมเสถยรภาพ (Stable Source of Electrical Power) และชวยใหกระบวนการควบคมมความนาเชอถอไดสง (High Reliability) . ดวย ประสทธภาพการผลตไฟฟาทด (Highly Efficiency) DCS สามารถชวยใหมการใชเชอเพลงอยางมประสทธผล (Cost-Effectiveness) ทสงขน โดยมขนตอนการทางานทด (Good Operability) และชวยลดผลกระทบในดานลบตอสภาพแวดลอม (Minimal Adverse Effects on the Environment)ไดมากขน . นอกจากน DCS ควรจะถกออกแบบใหถกใชงานไดงาย และสามารถใหคาแนะนาหรอขอมลแกผควบคมการผลตไฟฟา (Operators) ได เมอจะตองมการตดสนใจในสถานการณตาง ๆ ทสาคญ ซงสวนประกอบหลกของ Distributed Control System คอ Multifunction Controller (หรอ Distributed Processing Units), Input/Output (I/O) Modules, Communication Net Work, Workstations และ Application Software .

รปท 54 แสดงลกษณะของ Control Panel สาหรบควบคมการเดนเครองในโรงไฟฟา . * Distributed Processing Units (DPU) จะทาหนาทรวบรวมขอมลจาก Field Instruments, Transmitters และ Field Control Devices เพอนามาประมวลผลหรอเปรยบเทยบกบ Setpoint Values และใหสญญาณการควบคมผานระบบสอสารของโรงไฟฟา (Plant Network) ไปยงอปกรณควบคมในระบบตาง ๆ . เชน Turbine Control System, HRSG Control System, Excitation Control System, Balance of Plant และ Electrical Switchgear เปนตน รวมทงทาหนาทในการวเคราะหประมวลผลเพอการแสดงขอมลตาง ๆ ในรปของกราฟหรอรายงานเหตการณ ซงสามารถแสดงผลผาน Workstatio. * Controller Area Network (CAN) หรอ Plant Network จะทาหนาทเปนเครอขายระบบสอสารในลกษณะของ Loop Configuration ทชวยสงผานขอมล ระหวางระบบควบคมของสวนตาง ๆ ในโรงไฟฟา เชน Operator Station HMI, Distributed Processing Units, Turbine Control, Automatic Voltage Regulator, Fuel Control, Boiler Combustion Control และ Pollution Control เปนตน. * Input/Output (I/O) Modules คอ อปกรณซงทาหนาทสงสญญาณขอมล(Measuring Data)หรอสถานะ (Status) การทางานของ Field Devices ไปใหกบระบบควบคมสวนตาง ๆ (System Controller) เพอนาไปประมวลผล และใหสญญาณการควบคมกลบมาท Input/Output Modules เพอถายทอดคาสงใหทาการควบคมอปกรณตาง ๆ ในกระบวนการผลต (Process Control) เชน Valves, Switches, Gauges และ Motor Control Center เปนตน . * Workstation และ Application Software คอ ระบบคอมพวเตอรพรอมกบโปรแกรมประยกตสาหรบผ ควบคมใชเปนสอกลางใน การตดตอกบระบบควบคม (Human-Machine Interface) โดยจะแสดงเปน Graphic Interface สาหรบ Process Information ทชวยใหผควบคมการผลตไฟฟาสามารถปรบเปลยน Target Setting หรอคาตวเลอกในการควบคม โดย Workstation จะแสดงผลแบบ Real-Time Interactive . นอกจากนผ ควบคมยงสามารถตรวจสอบขอมลการทางานหรอสถานการณทเกดขนในรปของ Schematic Display, Group Display and Operation, Event & Alarm List, Log & Report System, Sequence Display, Historical Data Storage, Data Summary, X-Y Plot และ Trend Graph ไดดวย ทาใหผควบคมสามารถทราบคาและสถานะของระบบตาง ๆ ไดตลอดเวลา .

รปท 55 แสดงตวอยาง Configuration ของ Power Plant Control System ของ บ.Hitashi . ระบบไฟฟาภายในโรงไฟฟา การออกแบบระบบไฟฟาในโรงไฟฟา จะตองมการพจารณาหลกทสาคญ คอ * ความปลอดภยและความนาเชอถอไดของระบบไฟฟา (Safety and Reliability) * ความสะดวกและไมซบซอนในการควบคม (Simplicity of Operation) * สมรรถนะในการทางานทด (Good Technical Performance) * สามารถปลด Critical Components จากระบบได โดยไมกระทบกบการเดนเครองผลตไฟฟา (Readily Maintainable) * มความยดหยนในการจดการกบปญหาทเกดขนในหลากหลายรปแบบ (Flexibility to Deal with Contingencies) * มความสามารถทจะปรบเปลยนการทางานไดงายไดเมอมการเปลยนแปลงในระบบไฟฟา (Ability to Accommodate System Change) .

รปท 56 แสดงลกษณะ One-Line Diagram อยางงายของโรงไฟฟา ซงเชอมตอกบ Utility Grid . พกดแรงดน ไฟฟาสาหรบ Auxiliary Buses ภายในโรงไฟฟา โดยทวไปคอ 2.4 kV, 4.16 kV, 6.9 kV และ 13.8 kV ซงจดวาเปนระดบ Medium Voltage และจะใชเพอจายกระแสไฟฟาใหมอเตอรขนาดใหญ Load Center หรอ Motor Control Center (MCC) . ชวงเวลาใน การเรมเดนเครอง (Startup) และหยดเดนเครอง (Shutdown) โรงไฟฟา จะตองมแหลงจายกาลงไฟฟาใหกบ Station Service System โดยทวไปจะใชแหลงจายไฟฟาจากภายนอกโรงไฟฟา (Off-Site Source) และแปลงระดบแรงดนลงมาโดยใช Station Service Transformer . ซงแหลง จายไฟฟาจะมาจากระบบสงจายกาลงไฟฟานนเอง ในกรณของโรงไฟฟาขนาดใหญทมเครองกาเนดไฟฟาหลายชด (Multi-Unit Plant) จะใชไฟฟาทตอมาจาก Switchyard ของโรงไฟฟานนเอง . เนองจาก แหลงจายไฟฟานจะใชในกรณเรมเดนเครองและระหวางหยดเดนเครองโรง ไฟฟาเทานน เราจงเรยกวา “Startup/Shutdown Source” และหลงจากเครองกาเนดไฟฟาถกขนานเขากบระบบสงจายกาลงไฟฟาแลว เครองกาเนดไฟฟาจะจายกาลงไฟฟาใหกบ Station Service System แทน โดยผาน Unit Auxiliaries Transformer ซงเราจะเรยกวา “Normal Source” .

รปท 57 แสดง Station Service Power System ของ Power Plant . Station Service System ควรจะมพกดกาลงไฟฟาเพยงพอสาหรบจายกาลงไฟฟาอยางตอเนอง และสามารถจายกาลงไฟฟาเกนไดในบางขณะ ในขณะเรมเดนเครองหรอหยดเดนเครอง โรงไฟฟาจาเปนจะตองใชกาลงไฟฟาเพอจายใหกบ Auxiliary Systems ทสาคญเชน . Protective Systems, Lubrication Oil Systems, Sealing Oil Systems, Turning Gear Motor, Cranking Motor, Gas Turbine & Generator Vent Fans, Excitation System, Fuel Control System, Boiler Feed Pump, Circulating Water Pump, Deaerator Pump, Induce Draft Fan, และ Fire Protection System เปนตน . ดงนน ผออกแบบระบบไฟฟาในโรงไฟฟาจะตองเลอกขนาดของ Station Service Transformer ใหเหมาะสม ซงสาหรบโรงไฟฟาขนาดใหญทใชหมอแปลงเพยงชดเดยวเพอใชกบเครอง กาเนดไฟฟาหลายหนวย ถาเลอกขนาดพกดกาลงไฟฟาของ Station Service Transformer เลกเกนไป อาจจะเกดปญหาเมอจะตองเรมเดนเครองหรอหยดเดนเครองโรงไฟฟาทง หมดในเวลาเดยวกน. เนองจาก ภาระไฟฟาทตอท Auxiliary Systems Bus คอมอเตอรขนาดใหญ (Large Induction Motors) เชน Boiler Feed Pump, Force Draft Fan, Circulating Water Pump, Condensing Pump, Main Fuel Oil Pump, Cranking Motor และ Fuel Gas Compressor เปนตน และมมอเตอรบางสวนจะตองทางานอยางตอเนองแมวาจะมการ Shut Down เครองกาเนดไฟฟา . ดงนน ในชวงเวลาทจะตองทาการบารงรกษา หรอเมอเกดฟอลต จงจาเปนตอง Trip เครองกาเนดไฟฟา หรอ Unit Auxiliary Transformer โดยจะตองมการสบเปลยนแหลงจายกาลงไฟฟาอยางรวดเรว (Fast Bus Transfer). คามมเฟสและ แรงดนไฟฟา (Residual Voltage) ทเหลออยใน Auxiliary Motor Bus จะขนอยกบภาระไฟฟากอนทจะมการสบเปลยนแหลงจายกาลงไฟฟา รปแบบของการสบเปลยน (Transfer) แบงออกได ดงน . * Parallel (Hot) Transfer คอการสบเปลยนแหลงจายกาลงไฟฟาโดยวางแผนลวงหนา (Planned Event) โดยใช Sync Check Relay ชวยขนานแหลงจายไฟฟาใหมเขาไปชวขณะหนง กอนทจะสบปลด แหลงจายไฟฟาเดมออกไป วธนจะมผลเสยคอ หากเกดฟอลต อาจจะทาใหเซอรกตเบรกเกอรตองรบ Fault Current ทมากกวาปกต จงจะตองเพมคา Interrupt Current Rating ของเซอรกตเบรกเกอรดวย. * Delayed Transfer คอการสบเปลยนแหลงจายกาลงไฟฟาโดย Trip แหลงจายไฟฟาหนงออกกอนแลวจงสบ

ตอแหลงจายกาลงไฟฟาอกแหลงหนง โดยใช Time Delay Relay ชวยหนวงเวลาเพอรอให Motor Residual Voltage ลดลง จนไมเกดอนตรายในการสบตอแหลงจายไฟฟาใหม พรอมกนนน อาจทาการปลดวงจรมอเตอรทไมจาเปนออกจากบสดวย เพอลดปญหาของ Inrush Current วธการแบบนไมเปนทนยม เนองจากทาใหกระบวนการทางานของมอเตอรตองถกขดจงหวะ . * Residual Voltage Transfer คอการใช Voltage Relay ตรวจสอบคา Bus Voltage เมอคาแรงดนไฟฟาท Motor Bus ลดลงจนตากวาคาทยอมรบได (เชน 25-30% ของ Normal Voltage) แลวจงสบตอแหลงจายกาลงไฟฟาใหม ซงมขอเสยคอ มอเตอรไมสามารถทางานไดอยางตอเนองเพราะแรงดนไฟฟาลดตาเกนไป . และเนองจาก Large Induction Motor ม Inertia สงมากทาใหแสดงพฤตกรรมเปน Induction Generator ซงอาจจะใชเวลานานกวา 1 วนาท กอนทคาแรงดนไฟฟาจะลดลงได 50% ของแรงดนไฟฟาเรมตน และพกดคาแรงดนไฟฟาของเซอรกตเบรกเกอรจะตองสามารถทน Overvoltage ไดดวย. * In-Phase Transfer คอการใช Phase Angle Relay ชวยเปรยบเทยบคามมเฟสของคลนแรงดนไฟฟาท Motor Bus กบมมเฟสของคลนแรงดนไฟฟาของแหลงจายไฟฟาใหม และประเมนวาคามมเฟสทงสองกาลงจะตรงกน (In-Phase) จงสงใหเซอรกตเบรกเกอรใหสบตอวงจรลวงหนา โดยใหเซอรกตเบรกเกอรสบตอวงจรเสรจเมอคามมเฟสเทากนพอด . * Sequential Fast Bus Transfer คอการใช 52b ของแหลงจายไฟฟาทจะถกสบปลดออก มาสงใหสบตอวงจรใหกบแหลงจายกาลงไฟฟาใหม การสบตอวงจรจะตองให Sync Check Relay ชวยตรวจสอบคามมเฟสของ Motor Bus และแหลงจายไฟฟาใหตรงกนกอนทจะสบตอวงจร . วธการแบบ น สามารถทาไดโดยวางแผนลวงหนา (Planned Event) หรอโดยสถานการณบงคบ (Unplanned Occurrence) กได แมวาวธการนจะตองใช Sync Check Relay แตจะไมการขนานวงจรแหลงจายไฟฟาทงสอง ดงนนจงจาเปนจะตองควบคมใหชวงเวลาในการสบเปลยนแหลงจายไฟฟาสน ทสด. * Simultaneous Transfer คอการใช Sync Check Relay ชวยตรวจสอบคามมเฟสของ Motor Bus และแหลงจายไฟฟาใหมใหตรงกนกอนทจะสบเปลยนแหลงจายไฟฟา โดยสงใหเซอรกตเบรกเกอรทงสองทางาน (Trip วงจรหนงและ Close อกวงจรหนง) ในเวลาเดยวกน ขอเสยของวธการนคอ หากเซอรกตเบรกเกอรในวงจรใดเกดไมทางานในเวลาทกาหนด อาจจะทาใหเกดการขนานวงจรแหลงจายไฟฟาหรอแหลงจายไฟฟาทงสองถกปลดออกจาก Motor Bus ในเวลาเดยวกน . ระบบไฟฟาฉก เฉนภายในโรงไฟฟา (Emergency Power System) ถกใชเพอจายกาลงไฟฟาใหกบภาระไฟฟาทสาคญ (Critical Loads) ในกรณทระบบไฟฟาปกตเกดความบกพรอง ซงไฟฟาสารองกระแสสลบจะไดจาก Diesel Generator ทตออยกบ Station Service Bus การเลอกขนาดพกดของ Emergency Diesel Generator . สาหรบโรง ไฟฟาจะตองมการพจาณาอยางรอบคอบ เนองจาก Loads สวนใหญของ Station Service Systems คอ Induction Motors ทมขนาดใหญ จงจะตองพจารณาถง Motor Starting Current ของภาระไฟฟาทเร มทางานพรอม ๆ กนดวย.

รปท 58 แสดงลกษณะของคากาลงไฟฟาในการเรมเดนเครองมอเตอรแบบ Direct-Online . เมอเกดการ เปลยนแปลงคาภาระไฟฟาเครองกาเนดไฟฟาในปรมาณมากโดยฉบพลน จะทาให Terminal Voltage และความเรวรอบของเครองกาเนดไฟฟาตกลงชวขณะ จากนน Automatic Voltage Regulator และ Speed Governor จะพยายามควบคมใหทงคาแรงดนไฟฟาและคาความเรวรอบกลบสคาอางองท กาหนดไว (Referent Valves) เชนเดม . อยางไรกตาม หากขนาดของภาระไฟฟาใหญเกนไป เครองกาเนดไฟฟาอาจจะไมสามารถรกษาเสถยรภาพไดอก ดงนน การเลอกขนาดของเครองกาเนดไฟฟาจะตองมการพจารณาอยางรอบคอบ.

รปท 59 แสดงลกษณะของคาแรงดนไฟฟาเมอเพมภาระไฟฟาปรมาณมากใหกบเครองกาเนดไฟฟา. ในกรณท ระบบสงจายกาลงไฟฟาของประเทศลมทงระบบ (Power System Blackout) จะตองมการวางแผนการนาระบบไฟฟากลบมาจายไฟฟาไดตามเดม และเนองจากโรงไฟฟาขนาดใหญแตละแหงไมสามารถเรมเดนเครองไดโดยไม มแหลงจายไฟฟาจากภายนอก ซงจะเรยกวา “Black Start”. การจะใช Black-Start Diesel Generator ทาหนาทเพอจายกาลงไฟฟาใหกบภาระไฟฟาใน Station Service Systems เทาทจาเปนในการเรมเดนเครอง นนไมเปนทนยมนก เพราะจะตองใชเครองกาเนดไฟฟาสารองขนาดใหญมาก

. เชน โรงไฟฟากงหนไอนาจะตองใชเครองกาเนดไฟฟา (Diesel Generator) ทมพกดประมาณ 10% ของ Steam Turbine Generator สาหรบจายกาลงไฟฟาในการเรมเดนเครองกงหนไอนา. โรงไฟฟาพลง นามกถกกาหนดใหเปน Black Start Unit เพอเปนแหลงจายกาลงไฟฟาเพอ Energize ระบบ Power Grid และทาใหโรงไฟฟาขนาดใหญทอยใกลเคยงกนสามารถกลบมาเรมเดนเครอง ไดอกครงหนง . ในชวงเวลา ทไมมแหลงจายไฟฟากระแสสลบใหกบโรงไฟฟา จะตองใชพลงงานไฟฟาจาก Station Battery System เพอปอนใหกบ DC Powered Oil Pressure Pump เพอสราง Hydraulic Oil Pressure สาหรบการเรมเดนเครองกงหนนา หลงจากเครองกาเนดไฟฟาจายไฟฟาไดแลว จงกลบไปใช AC Powered Oil Pressure Pump ตามเดม . โรงไฟฟาพลง กงหนกาซบางแหงกสามารถเรมเดนเครองได (Black Start) โดยใชเครองกาเนดไฟฟาฉกเฉนจายไฟฟาใหกบระบบแสงสวางและภาระไฟฟา ทจาเปนในการเรมเดนเครองกงหนกาซ และใชระบบไฟฟากระแสตรงจากแบตเตอรจายไฟฟาใหกบระบบควบคมและปองกน . เมอโรง ไฟฟาขนาดเลกทเปน Black Start Unit จายไฟฟาเขาระบบสงจายไฟฟาอาจจะใชการควบคมความถไฟฟาแบบ Isochronous Control Mode หรอ Constant Frequency Control เพอใหคาความถไฟฟาในชวงเรมตนมคาคงท . แตเมอขนาน เครองกาเนดไฟฟาขนาดใหญเขามาแลวจงเปลยนไปเปนการควบคมแบบ Droop Control Mode การรกษาเสถยรภาพในชวงเวลาการนาระบบไฟฟากลบสภาวะปกต (System Restoration) นนทาไดยาก และทมผควบคมระบบไฟฟาจะตองมความรความชานาญสงมาก และจะตองมการวางแผนการทางานมาอยางด . เอกสารอางอง 1. A Modern Automatic Bus Transfer Scheme, Tarlochan S.Sidhu, Vinayagam Balamourougan, Manish Thakur, and Bogdan Kasztenny, International Journal of Control, Automation, and Systems, June 2005. 2. Fast Cycling Capability for New Plants and Upgrade Opportunities, H. Enberger, E. Schmid and E. Gobrecht, Siemens Power Generation (PG), 2005 3. The Impact of Synchronous Generators Excitation Supply on Protection and Relays, Gabriel Benmouyal, Schweitzer Engineering Laboratories, Inc. 4. Fossil Fuel Power Plant Steam Turbine Bypass System, ANSI/ISA-77.13.01-1999, December 1999 5. Black Start Studies for System Restoration, J.W. Feltes, Carlos Grande-Moran, IEEE, 2008 6. Small Hydro Power–Investor Guide, Wladyslaw Bobroxicz, Koncern Energetyczny SA, 2006 7. IEEE Guide for Operation and Maintenance of Hydro Generator, 1999 8. IEEE Guide for the Application of Turbine Governing System for Hydroelectric Generating Units, 2004 9. The Impact of Synchronous Generators Excitation Supply on Protection and Relays, Gabriel Benmouyal, Schweitzer Engineering Laboratories, Inc., 2007 10. IEEE Design Guide for Electric Power Service Systems for Generating Station, 1991 11. www.geindustrial.com 12. www.gepower.com 13. www.toshiba.co.jp 14. www.tic.toshiba.co.au 15. www.siemens.com 16. www.meppi.com