กังหันไอน้ำ
กังหันไอน้ำเป็นอุปกรณ์เชิงกลที่ใช้เปลี่ยนพลังงานจากไอน้ำแรงดันสูงให้กลายเป็นพลังงานกลในรูปแบบการหมุน ซึ่งการหมุนนี้สามารถนำไปใช้ขับเคลื่อนเครื่องกำเนิดไฟฟ้าในโรงไฟฟ้า หรือใช้ในระบบเครื่องจักรในอุตสาหกรรมต่าง ๆ
หลักการทำงานของกังหันไอน้ำ
หลักการทำงานของกังหันไอน้ำตั้งอยู่บนพื้นฐานของ “อุณหพลศาสตร์” โดยกังหันไอน้ำจะเปลี่ยนพลังงานจากไอน้ำแรงดันสูงให้กลายเป็นพลังงานกล ซึ่งในโรงไฟฟ้าจะนำพลังงานกลนี้ไปแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้าอีกทีหนึ่ง
ในโรงไฟ้าพลังงานไอน้ำ น้ำจะถูกต้มหรือให้ความร้อนในหม้อไอน้ำจนกลายเป็นไอน้ำแรงดันสูง จากนั้นไอน้ำจะถูกส่งเข้าสู่กังหันไอน้ำ การขยายตัวอย่างรวดเร็วของไอน้ำเมื่อผ่านใบพัดกังหันจะทำให้เกิดการหมุน ซึ่งเป็นต้นกำเนิดของพลังงานกล พลังงานกลนี้จะถูกส่งต่อไปยัง
ประสิทธิภาพของกระบวนการนี้ขึ้นอยู่กับการออกแบบของใบพัดและคุณภาพของไอน้ำ ใบพัดจะต้องสามารถเปลี่ยนพลังงานจากไอน้ำเป็นพลังงานจลน์ได้สูงสุด โดยเปลี่ยนความร้อนและแรงดันเป็นแรงหมุน ซึ่งจะถูกนำไปใช้ผลิตไฟฟ้าหรือขับเคลื่อนเครื่องจักรอื่น
หลังจากถ่ายทอดพลังงานแล้ว ไอน้ำจะถูกส่งไปยังเครื่องควบแน่น (Condenser) เพื่อเปลี่ยนกลับเป็นน้ำ และส่งคืนหม้อไอน้ำ เพื่อเริ่มกระบวนการใหม่อีกครั้ง เป็นวงจรต่อเนื่องที่ต้องปรับให้เหมาะสมในทุกขั้นตอนเพื่อให้ผลิตพลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ
กังหันไอน้ำทำงานอย่างไร
- กังหันไอน้ำใช้ แหล่งความร้อน เพื่อให้ความร้อนกับน้ำและแปลงให้น้ำกลายเป็นไอน้ำ โดยแหล่งความร้อนอาจมาจาก ก๊าซธรรมชาติ, ถ่านหิน, พลังงานนิวเคลียร์ หรือพลังงานแสงอาทิตย์
- เมื่อน้ำกลายเป็นไอน้ำ โมเลกุลของน้ำจะขยายตัว
- ไอน้ำที่ได้จะไหลผ่าน ใบพัดของกังหัน ซึ่งจะเปลี่ยน พลังงานความร้อน (Thermal Energy) ให้กลายเป็น พลังงานจลน์ (Kinetic Energy) โดยการหมุน ใบพัดเหล่านี้ยังสามารถควบคุม ความเร็ว ทิศทาง และความดันของไอน้ำ ได้ด้วย โครงสร้างที่ออกแบบให้มีการเปลี่ยนแปลงอย่างค่อยเป็นค่อยไปนี้ช่วยให้สามารถลดความดันของไอน้ำ และส่งผลให้ประสิทธิภาพและการผลิตไฟฟ้าดีขึ้น
- กังหันไอน้ำจะเชื่อมต่อกับ เครื่องกำเนิดไฟฟ้า ซึ่งทำหน้าที่ผลิตกระแสไฟฟ้า
อัตราการไหลของไอน้ำและความสำคัญ
อีกหนึ่งปัจจัยสำคัญคือ “อัตราการไหลของไอน้ำ” การไหลของไอน้ำที่สม่ำเสมอมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการรักษาความเร็วรอบของการหมุนและการจ่ายกำลังไฟฟ้า หากอัตราการไหลไม่คงที่ อาจทำให้การผลิตพลังงานไม่เสถียรได้
ดังนั้น การควบคุมอัตราการไหลของไอน้ำจึงสำคัญทั้งต่อประสิทธิภาพและการลดการสึกหรอของใบพัด โดยการเฝ้าติดตามและปรับอัตราการไหลอย่างเหมาะสมจะช่วยให้กังหันทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพในระยะยาว
Heat Rate เป็นค่าที่ใช้วัดประสิทธิภาพของโรงไฟฟ้า โดยแสดงถึงปริมาณความร้อนที่ต้องใช้ในการผลิตไฟฟ้า 1 กิโลวัตต์ชั่วโมง (kWh) ซึ่งมีความสัมพันธ์แบบผกผันกับประสิทธิภาพของโรงไฟฟ้า ยิ่งค่า Heat Rate ต่ำ ประสิทธิภาพของโรงไฟฟ้ายิ่งสูง
Heat Rate จะเชื่อมโยงกับ 3 ปัจจัยหลัก ได้แก่
- กำลังไฟฟ้าที่ผลิตได้ (Electric Power Output)
- สภาพการทำงาน (Operating Conditions)
- การออกแบบโรงไฟฟ้า (Plant Design)
การปรับปรุงค่า Heat Rate และบทบาทของกังหันไอน้ำ
การพัฒนาเพื่อปรับปรุง Heat Rate สามารถทำได้หลายวิธี และหนึ่งในวิธีสำคัญคือ การเพิ่มประสิทธิภาพของกังหันไอน้ำ โดยการวิเคราะห์และเปรียบเทียบกำลังที่ผลิตได้กับปริมาณทรัพยากรที่ใช้ เพื่อวัดผลด้านประสิทธิภาพ
ตัวอย่างของเทคโนโลยีที่มีบทบาทสำคัญ ได้แก่
- Heat Recovery Steam Generator (HRSG) – อุปกรณ์ที่นำพลังงานความร้อนส่วนเกินกลับมาใช้ใหม่
- Turbine Inlet Air Cooling (TIAC) – ระบบลดอุณหภูมิของอากาศก่อนเข้าสู่กังหัน
- Thermal Energy Storage (TES) – ระบบกักเก็บพลังงานความร้อน โดยเฉพาะมีความสำคัญในพื้นที่ที่มีสภาพอากาศรุนแรงหรือเปลี่ยนแปลงบ่อย
ข้อควรพิจารณาในเชิงปฏิบัติ
การใช้งานกังหันไอน้ำให้มีประสิทธิภาพ ไม่ได้ขึ้นอยู่แค่ความเข้าใจในกลไกเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการบำรุงรักษาและการตรวจสอบอย่างสม่ำเสมอ เนื่องจากการหมุนด้วยความเร็วสูงและไอน้ำที่มีอุณหภูมิสูงสามารถทำให้ใบพัดสึกหรอหรือกัดกร่อนได้
จึงจำเป็นต้องตรวจสอบและซ่อมแซมใบพัดตามรอบ และควบคุมคุณภาพของไอน้ำเพื่อป้องกันสิ่งสกปรกที่อาจทำให้ส่วนประกอบภายในเสียหาย
การทำงานของกังหันไอน้ำ
- ไอน้ำแรงดันสูงถูกผลิตขึ้นในหม้อไอน้ำ
- ◾ ไอน้ำถูกส่งผ่านหัวฉีดไปยังใบพัดของโรเตอร์กังหัน
- ◾ พลังงานจลน์ของไอน้ำจะผลักใบพัด ทำให้โรเตอร์หมุน
- ◾ ขณะที่ไอน้ำขยายตัวและแรงดันลดลง มันจะผ่านหลายขั้นของกังหันอย่างต่อเนื่องเพื่อขับเคลื่อนโรเตอร์
- ◾ การเคลื่อนที่แบบหมุนนี้จะถูกใช้เพื่อผลิตไฟฟ้าหรือขับเคลื่อนเครื่องจักร
ชิ้นส่วนหลักของกังหันไอน้ำ
ส่วนประกอบของกังหันไอน้ำ
- หัวฉีด (Nozzle, Steam inlet))
ทำหน้าที่เปลี่ยนพลังงานความดันของไอน้ำให้กลายเป็นพลังงานจลน์โดยการเพิ่มความเร็วของไอน้ำ
- ใบพัด (Blades)
รับพลังงานจลน์จากไอน้ำ และส่งแรงหมุนไปยังเพลาหมุน
ใบพัดมีหน้าที่เหมือนใบเรือบนเรือใบ ถูกออกแบบให้รับแรงและแรงดันจากไอน้ำอย่างมีประสิทธิภาพ เมื่อไอน้ำขยายตัวและไหลผ่านใบพัด รูปทรงแบบอากาศพลศาสตร์ของใบพัดจะเปลี่ยนพลังงานความร้อนเป็นพลังงานจลน์และควบคุมการไหลของไอน้ำอย่างเหมาะสม
- โรเตอร์ (Rotor)
เป็นส่วนที่หมุนตามใบพัด
โรเตอร์คือแกนหมุนที่เป็นศูนย์กลางของกังหัน ซึ่งใบพัดติดอยู่กับมัน หน้าที่ของโรเตอร์คือแปลงแรงจากไอน้ำที่กระทบใบพัดให้เป็นการหมุน เป็นองค์ประกอบหลักของกระบวนการผลิตพลังงาน
- เปลือกนอก (Casing)
ล้อมรอบใบพัดและโรเตอร์ เพื่อควบคุมทิศทางไอน้ำและเพิ่มประสิทธิภาพ
เปลือกหุ้มทำหน้าที่เป็นเกราะป้องกันแรงดันและอุณหภูมิสูงภายในกังหัน มันช่วยกักไอน้ำไม่ให้รั่ว และทำให้ไอน้ำกระทบใบพัดได้อย่างเต็มที่ นอกจากนี้ยังทนต่อความร้อนและแรงดันได้สูง
5. ตัวรับน้ำหนัด (ตลับลูกปืน, Bearings)
ตลับลูกปืนช่วยลดแรงเสียดทานระหว่างการหมุนของโรเตอร์ ให้อุปกรณ์ทำงานได้ราบรื่น ต้องสามารถรองรับแรงหมุนสูงและน้ำหนักของโรเตอร์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ พร้อมทั้งต้องบำรุงรักษาอย่างสม่ำเสมอเพื่อป้องกันความเสียหาย
ประเภทของกังหันไอน้ำ (ตามระดับแรงดัน)
ประเภทของกังหันไอน้ำ (แยกตามระดับแรงดัน)
HP (High Pressure) Turbine – กังหันแรงดันสูง
◾ รับไอน้ำแรงดันและอุณหภูมิสูงจากหม้อไอน้ำโดยตรง
◾ เป็นจุดเริ่มต้นในการสกัดพลังงาน
IP (Intermediate Pressure) Turbine – กังหันแรงดันปานกลาง
◾ รับไอน้ำที่ขยายตัวบางส่วนจาก HP
◾ ลดแรงดันเพิ่มเติมและสกัดพลังงานต่อไป
LP (Low Pressure) Turbine – กังหันแรงดันต่ำ
◾ ขั้นตอนสุดท้ายของการขยายตัวของไอน้ำ
◾ ไอน้ำเกือบหมดพลังงานก่อนจะควบแน่น
ประเภทอื่น ๆ ของกังหันไอน้ำ
Impulse Turbine – กังหันแบบแรงกระแทกหรือแบบแรงเฉื่อย
วิธีทำงาน ไอน้ำความเร็วสูงพุ่งกระแทกใบพัดและทำให้หมุน
ความดันลดลงเฉพาะที่หัวฉีด ไม่ลดที่ใบพัด
ใบพัดเปลี่ยนทิศทางไอน้ำโดยไม่ลดแรงดัน
เหมาะสำหรับ การใช้งานความเร็วสูง เช่น โรงไฟฟ้าขนาดเล็ก
ตัวอย่าง กังหัน De Laval
Reaction Turbine – กังหันแบบปฏิกิริยา
วิธีทำงาน ไอน้ำขยายตัวและเร่งความเร็วผ่านทั้งหัวฉีดและใบพัด ทำให้เกิดแรงปฏิกิริยา
ความดันลดลงอย่างต่อเนื่องในหลายขั้น
เหมาะสำหรับ การผลิตไฟฟ้าขนาดใหญ่ เช่น โรงไฟฟ้านิวเคลียร์, โรงไฟฟ้าความร้อน
ตัวอย่าง กังหัน Parsons
จุดแตกต่างที่สำคัญเมื่อเทียบกับกังหันแรงเฉื่อย ได้แก่
- กังหันปฏิกิริยาให้ ประสิทธิภาพที่สูงกว่า
- ต้องการ จำนวนแถวของใบพัดมากกว่า เพื่อสร้างพลังงานในระดับเดียวกัน
- มีขนาดและน้ำหนักมากกว่าเนื่องจากโครงสร้างที่ซับซ้อน
Condensing Steam Turbine – กังหันควบแน่น
จุดประสงค์ เปลี่ยนไอน้ำให้กลายเป็นน้ำด้วยแรงดันต่ำโดยใช้คอนเดนเซอร์
เพิ่มประสิทธิภาพโดยใช้ไอน้ำที่หมดพลังงานแล้ว
ใช้ใน โรงไฟฟ้า, ระบบผลิตไฟฟ้าแบบวงจรรวม
Non-Condensing (Back-Pressure) Steam Turbine – กังหันไม่ควบแน่น
จุดประสงค์ ใช้ไอน้ำที่ออกจากกังหันโดยตรงในกระบวนการ เช่น การให้ความร้อนหรืออบแห้ง
ใช้ใน อุตสาหกรรมกระบวนการ เช่น เยื่อกระดาษ, น้ำตาล, เคมีภัณฑ์ เน้นที่การใช้งานกลมากกว่าประสิทธิภาพ
กังหันไอน้ำแบบควบแน่น (Condensing) vs. แบบไม่ควบแน่น (Non-condensing)
- กังหันไอน้ำแบบควบแน่น (Condensing Turbines):
ทำงานโดยการควบแน่นไอน้ำให้กลายเป็นน้ำอีกครั้ง เพื่อให้ความดันต่ำกว่าความดันบรรยากาศ เป้าหมายคือเพื่อ เพิ่มปริมาณพลังงานที่สามารถสกัดออกมาได้จากไอน้ำ ให้มากที่สุด - กังหันไอน้ำแบบไม่ควบแน่น (Non-condensing Turbines):
ทำงานภายใต้ความดันของไอน้ำที่ สูงกว่าความดันบรรยากาศ ซึ่งหมายความว่าไอน้ำที่เหลือหลังจากการหมุนของกังหันยังสามารถนำไปใช้ต่อในการให้ความร้อน (Heating) ก่อนจะถูกส่งกลับไปยังหม้อไอน้ำเพื่อหมุนเวียนใช้งานอีกครั้ง
Extraction Steam Turbine – กังหันแบบมีจุดสกัดไอน้ำ
คุณสมบัติ มีจุดสกัดไอน้ำระหว่างขั้นนำไอน้ำที่ไดรับการถ่ายทอดพลังงานแล้วบางส่วนเพื่อใช้ในอุตสาหกรรม หรือนำไอน้ำที่ใช้แล้วไปรับความร้อนเพิ่มก่อนมาใช้ใหม่ใช้ใน โรงไฟฟ้าแบบร่วมผลิต (ผลิตไฟฟ้า + ไอน้ำอุตสาหกรรม)
Reheat Steam Turbine – กังหันอุ่นไอน้ำใหม่
จุดเด่น ไอน้ำถูกอุ่นซ้ำระหว่างขั้นตอนของกังหัน (เช่น ระหว่าง HP กับ IP/LP)
ลดความชื้นในไอน้ำ → เพิ่มประสิทธิภาพและยืดอายุใบพัด
ใช้ใน โรงไฟฟ้าความร้อนขนาดใหญ่
Multi-Stage Turbine – กังหันหลายขั้นตอน
การออกแบบ ไอน้ำไหลผ่านหลายขั้น HP, IP และ LP
ใช้พลังงานจากไอน้ำได้อย่างมีประสิทธิภาพทุกระดับแรงดัน
พบได้ทั่วไปในระบบผลิตไฟฟ้าขนาดใหญ่
ข้อดีของกังหันไอน้ำ
- ประสิทธิภาพสูงโดยเฉพาะในเครื่องจักรขนาดใหญ่
- ไม่ต้องการสารหล่อลื่นมาก
- มีอายุการใช้งานยาวนาน
- สามารถใช้ไอน้ำความดันสูงได้อย่างมีประสิทธิภาพ
ข้อเสียของกังหันไอน้ำ
- ต้องการการบำรุงรักษาสูง
- ต้องมีการควบคุมความดันและอุณหภูมิที่แม่นยำ
- มีต้นทุนเริ่มต้นในการติดตั้งค่อนข้างสูง
การประยุกต์ใช้งาน
- โรงไฟฟ้านิวเคลียร์และโรงไฟฟ้าพลังความร้อน
- เรือเดินสมุทร
- ระบบการขนส่งอุตสาหกรรม
- โรงงานผลิตน้ำตาลหรือโรงกลั่นที่ใช้ไอน้ำเหลือใช้จากกระบวนการผลิต
การบำรุงรักษาและความปลอดภัย
การดูแลกังหันไอน้ำต้องรอบคอบและต่อเนื่อง โดยเฉพาะการตรวจสอบใบพัด โรเตอร์ แบริ่ง และซีลอย่างสม่ำเสมอ เพื่อหาการสึกหรอหรือการกัดกร่อน
การหล่อลื่นที่เหมาะสมมีความสำคัญต่อการลดแรงเสียดทาน และการเฝ้าติดตามอุณหภูมิ ความดัน การสั่นสะเทือน และอัตราการไหลของไอน้ำแบบเรียลไทม์ จะช่วยป้องกันความเสียหายและหยุดการทำงานกะทันหัน
ความปลอดภัยเป็นสิ่งสำคัญสูงสุด จึงต้องมีการฝึกอบรมเจ้าหน้าที่ ใช้อุปกรณ์ป้องกัน และมีแผนรับมือเหตุฉุกเฉินที่พร้อมใช้งานเสมอ
