5.7. ระบบผลิตพลังงานรว ม 93คำถามทา ยบท1. ถาไอน้ำที่ออกจากเคร่ืองกงั หันมคี วามชื้นมากเกนิ ไปจะเกิดผลเสยี อยา งไร2. อะไรคอื ขอจำกดั ของการเพ่ิมประสทิ ธิภาพของวฏั จักรแรงคนิ โดยการลดความดันในเครอ่ื งควบ แนน3. การทำรีเจนเนอเรชันเพิม่ ประสิทธภิ าพใหว ัฏจักรแรงคินไดอ ยางไร4. จงเขยี นแผนภาพของวฏั จกั รแรงคินท่ีมีเครือ่ งอุน น้ำปอ นแบบเปดหน่งึ เคร่อื ง โดยแสดงอปุ กรณ สำคญั และทศิ ทางการไหลในแผนภาพดว ย5. ทำไมน้ำในเครื่องควบแนน ของวัฏจกั รแรงคนิ จงึ ไมสามารถมีอณุ หภูมิที่ตำ่ มาก ๆ ไดทั้ง ๆ ท่ีจะ เปนการเพม่ิ ประสิทธิภาพใหว ัฏจกั ร6. วฏั จกั รแรงคินท่ีมีการทำรีเจนเนอเรชันจะตองมีอปุ กรณใดเพิม่ เติมจากอุปกรณหลกั (ซึ่งไดแ ก เครือ่ งสูบ, เคร่ืองกำเนดิ ไอน้ำ, เคร่ืองกงั หนั และเครื่องควบแนน )7. นอกจากทำหนา ทเี่ พิ่มอณุ หภูมิใหนำ้ ปอ นแลว เครอ่ื งอุนนำ้ ปอ นแบบเปดยังทำหนา ทอ่ี ะไรอีก8. เครื่องอนุ น้ำปอนแบบปดแบงออกเปน กแ่ี บบ อะไรบา ง9. จงเขยี นแผนภมู ิ T-s ของวัฏจกั รแรงคินที่มีการใหความรอนซำ้ หนงึ่ ครง้ั แตไมม ีการทำรีเจนเนอ- เรชนั10. เครื่องอุน นำ้ ปอนสามารถเพ่มิ ประสิทธิภาพของวัฏจกั รแรงคินไดอยางไร11. จงเขียนแผนภูมิ T-s ของวฏั จกั รแรงคินทมี่ เี คร่ืองอุนนำ้ ปอนแบบเปดหนึ่งเครือ่ ง12. จงเขียนแผนภาพของวฏั จักรแรงคินทมี่ ีเครอื่ งอุนนำ้ ปอ นแบบปด หนึง่ เครือ่ ง โดยน้ำควบแนนไหล กลับไปที่เครื่องควบแนน แสดงอุปกรณท กุ อุปกรณแ ละทศิ ทางการไหลในแผนภาพดวย13. ไอน้ำท่มี ีความดนั 6 MPa และอณุ หภมู ิ 850 K มเี อนทัลปประมาณเทา ไร14. ไอนำ้ ที่มีอุณหภูมิ 900 K และความดัน 12 MPa ไหลเขา เครอื่ งอุน น้ำปอ นแบบปดซง่ึ ออกแบบ ใหมีคา TTD เทากับ 5 K อยากทราบวา นำ้ ปอ นที่ไหลออกจากเคร่อื งจะมีอุณหภูมิเทาไร15. วฏั จกั รแรงคินมีเคร่ืองอนุ นำ้ ปอ นแบบเปด ความดันและอณุ หภูมิของไอนำ้ ท่ีเขา เครื่องกงั หนั ไอ น้ำเทากบั 10 MPa และ 700 K ไอน้ำท่ีดงึ จากเคร่อื งกังหันมีความดัน 3 MPa และความดนั ใน เครือ่ งควบแนน เทากบั 0.01 MPa จงหาประสิทธิภาพของวัฏจกั ร (สมมตุ ิวา งานที่ใหเครอื่ งสูบ นอยมาก)
94 บทที่ 5. เทอรโมไดนามิกสข องโรงไฟฟา พลังความรอ น 16. วฏั จักรแรงคินหน่งึ มีเครือ่ งอุนน้ำปอ นแบบปดโดยท่ีนำ้ ระบายถกู สูบและสงไปผสมกับน้ำปอ นท่ี จะไหลเขาเครื่องกำเนดิ ไอนำ้ ความดันและอุณหภูมิของไอน้ำที่เขา เครอื่ งกังหนั เทากับ 8 MPa และ 850 K ไอน้ำท่ีดงึ จากเครือ่ งกังหนั มีความดัน 0.8 MPa และความดันในเคร่อื งควบแนน เทากบั 0.01 MPa เครอื่ งอุนน้ำปอ นไมมีเครื่องทำใหนำ้ ระบายเยน็ (drain cooler) คา TTD ของเครื่องเทากับ 5◦C จงหาประสิทธภิ าพของวัฏจักร (สมมตุ วิ า งานที่ใหเ คร่อื งสบู นอยมาก) 17. โรงไฟฟา แหง หนึ่งมีอัตราความรอนเทากบั 9000 kJ/kW.h จงหาประสทิ ธิภาพรวมของโรงไฟฟา แหงน้ี 18. จงหาประสิทธิภาพของหมอไอน้ำท่ีผลติ ไอน้ำในอตั รา 180 ton/h ท่ีความดนั 4 MPa และ อุณหภูมิ 800 K โดยน้ำปอ นที่ไหลเขาหมอ ไอนำ้ เปน นำ้ ท่ีมีอณุ หภมู ิ 450 K หมอไอน้ำนี้ใชเชอ้ื เพลิงทม่ี คี าความรอน 15000 kJ/kg และอตั ราการใชเชอื้ เพลงิ คือ 10 kg/s 19. ในการเผาไหมเชอ้ื เพลงิ แขง็ ชนดิ หน่ึงซ่งึ มสี ดั สวนโดยมวลของคารบอนเทากับ 70% พบวา ไดก า ซ เสยี แหง ซงึ่ ประกอบดว ย CO2 10%, O2 5% SO2 1% CO 0.5% และ N2 83.5% ถา คารบ อน ในเช้ือเพลิงนเ้ี ผาไหมจนหมด อยากทราบวาเชอ้ื เพลงิ 1 kg จะใหกา ซเสียแหง เทา ไร 20. เช้ือเพลิงในขอที่แลวใชผลติ ไอนำ้ ในหมอไอน้ำ ถา เช้อื เพลิงดงั กลา วมีคา ความรอ นสูงเทา กบั 19600 kJ/kg ประสทิ ธภิ าพของหมอไอนำ้ จะลดลงเทาไรจากการเผาไหมไมสมบูรณซงึ่ ทำใหเกิด CO (คา HHV ของ CO คอื 10080 kJ/kg)
บทท่ี 6เครอื่ งกำเนดิ ไอนำ้6.1 ประเภทของหมอ ไอนำ้ หมอ ไอน้ำเปนอปุ กรณที่พบเหน็ ทัว่ ไปในโรงไฟฟา โรงงานอตุ สาหกรรม และอาคารธรุ กจิ หมอ ไอน้ำมีหลายขนาด ตง้ั แตขนาดเล็กที่มีอตั ราการผลติ ไอน้ำตำ่ และความดนั ต่ำซ่ึงสามารถหาซื้อไดในทอ งตลาด ไปจนถงึ ขนาดใหญท่ีมีอตั ราการผลิตไอนำ้ สงู และความดนั สูงซง่ึ ตองกอสรางในสถานท่ีใชงานหมอ ไอน้ำในกระบวนการผลิต (process boiler) หมายถงึ หมอ ไอน้ำที่ใชผลิตไอน้ำความดนั ต่ำเพ่ือใชในกระบวนการผลติ ของโรงงานอุตสาหกรรมหรือใชเพอ่ื วตั ถปุ ระสงคอื่น ๆ ในโรงแรม โรงพยาบาล หรืออาคารขนาดใหญอืน่ ๆ หมอ ไอนำ้ ประเภทนี้มีขนาดเล็กและความสามารถในการผลติ ไอน้ำไมสูงมากนักหมอ ไอน้ำยูทิลิต้ี (utility boiler) หมายถงึ หมอไอน้ำที่ใชผลติ ไอนำ้ ความดันสงู ในโรงไฟฟา หมอ ไอน้ำหมอไอน้ำยทู ลิ ติ ม้ี ขี นาดใหญและมีกำลงั การผลติ ไอนำ้ สงู การจำแนกหมอ ไอนำ้ ยังอาจกระทำไดโดยพิจารณาจากหลักการผลิตไอน้ำซ่งึ แบง หมอ ไอนำ้ เปน 2ประเภทคือ หมอ ไอนำ้ แบบทอไฟ (fire-tube boiler) และหมอไอน้ำแบบทอนำ้ (water-tube boiler)หมอ ไอนำ้ แบบทอไฟเปน ท่ีรูจกั กันมาตงั้ แตเรมิ่ มีการผลิตไอนำ้ เพอ่ื ใชประโยชนในดานตาง ๆ ซ่ึงรวมถงึการใชพลังไอน้ำขบั เคล่อื นขบวนรถไฟ ถึงแมวาในปจจุบันการใชประโยชนจากหมอ ไอน้ำแบบน้ีจะลดลงมามาก แตมนั ก็ยงั มีความสำคัญในกรณีท่ีความตองการความดนั ไอนำ้ ไมเกนิ 18 bar และกำลงั การผลติไอนำ้ ไมเกนิ 6.2 kg/s หมอไอนำ้ แบบทอ ไฟมีขอไดเปรียบท่ีมีขนาดเล็ก ราคาท่ีไมสงู นกั ความงา ยในการใชงาน ความงายในการดแู ลรกั ษา และการตอบสนองท่ีรวดเร็วตอ ความตองการไอนำ้ ที่เปล่ียนแปลงสวนประกอบสำคญั ของหมอไอนำ้ แบบทอ ไฟคือเปลือกหมอ ไอนำ้ (boiler shell) ทอ เตาเผา และวาลวนริ ภยั กาซเสยี ที่มีอณุ หภมู ิสงู ที่ไดจากการเผาไหมในเตาเผาจะไหลในทอ และถายเทความรอนใหน้ำท่ีอยูนอกทอและภายในเปลอื กหมอไอนำ้ ความดันของไอนำ้ ถูกควบคุมไมใหสูงเกนิ ไปโดยวาลวนริ ภัยซึง่จะเปดออกเพื่อลดความดันของไอน้ำที่สูงเกินไปใหต่ำลงมาอยูในระดับที่ปลอดภยั ขอจำกดั ที่สำคัญของหมอ ไอน้ำแบบทอไฟคือ ขนาดและความดนั ถกู จำกัดโดยความเคนดึง (tensile stress) สงู สุดท่ีโลหะของหมอ ไอน้ำสามารถทนไดซึง่ คำนวณจาก pD (6.1) σ= 2t
96 บทที่ 6. เครอื่ งกำเนิดไอน้ำโดยท่ี σ คอื ความเคนดงึ p คือ ความดันไอนำ้ D คอื ความยาวเสน ผาศูนยกลางของหมอไอนำ้ และ t คือความหนาของเปลือกหมอ ไอนำ้ ถา ตอ งการผลิตไอน้ำท่ีมีความดันสูงขึน้ โดยไมเปลยี่ นกำลังการผลติ ไอน้ำ (D คงท่ี) ความหนาของเปลือกหมอ จะตองเพม่ิ เพื่อควบคมุ ไมใ หความเคนดงึ มากเกินไป ความหนาท่ีเพ่ิมข้นึ หมายถึงนำ้ หนักและราคาของหมอไอน้ำท่เี พมิ่ ตามไปดว ย หมอ ไอนำ้ แบบทอ น้ำมีหลักการทำงานตรงขามกบั หมอ ไอนำ้ แบบทอ ไฟ กลา วคือ นำ้ และไอนำ้ จะไหลในทอ โดยรับความรอนจากกา ซเสยี ที่ไหลนอกทอ และการแผร ังสีจากเปลวไฟที่เกดิ จากการเผาไหมเชอื้ เพลิง หมอไอน้ำแบบทอนำ้ มีขอไดเปรียบอยางเห็นไดชดั เมอื่ เปรยี บเทียบกบั หมอไอน้ำแบบทอ ไฟคือความสามารถในการผลติ ไอนำ้ ท่ีมีความดนั สงู และอตั ราการไหลสูง ในการออกแบบหมอ ไอน้ำแบบทอนำ้ ใหทนความดันสงู ความยาวเสนผาศูนยก ลางของทอตอ งไมมากเกนิ ไปและความหนาของทอ จะตอ งมีคาที่เหมาะสมเพื่อใหความเคนดึงท่ีเกิดข้ึนไมเกินกวา โลหะของทอ จะทนทานได ถงึ แมว า การจำกดั ความยาวเสนผา ศูนยกลางของทอ จะจำกดั อตั ราการผลิตไอน้ำในทอไปดว ย แตการเพิม่ อตั ราการผลิตไอน้ำของหมอไอน้ำสามารกระทำไดโดยการเพม่ิ จำนวนทอ ขอ ไดเปรยี บของหมอไอนำ้ แบบทอน้ำดังกลา วน้ีทำใหโ รงไฟฟา ผลติ ไอน้ำดวยหมอ ไอนำ้ แบบทอ นำ้6.2 หลักการทำงานของเครือ่ งกำเนดิ ไอน้ำ หมอไอนำ้ แบบทอ น้ำท่ีใชในโรงไฟฟาทำงานรว มกับอปุ กรณอืน่ ๆ ในการผลิตไอน้ำความดันสงูและอณุ หภูมิสูงเพอ่ื ปอ นสูเคร่อื งกังหนั ไอน้ำ หมอ ไอน้ำและอุปกรณเหลานี้จึงมกั มชี อื่ เรียกรวมวา เครอื่ งกำเนิดไอนำ้ (steam generator) เคร่ืองกำเนดิ ไอนำ้ สามารถแบง เปนสองแบบคอื เคร่อื งกำเนิดไอนำ้แบบมีถงั พกั ไอน้ำ (drum-type steam generator) และเครอ่ื งกำเนดิ ไอน้ำแบบไหลผานครง้ั เดียว(once-through steam generator) รูปที่ 6.1 แสดงสว นประกอบที่สำคัญของเคร่อื งกำเนดิ ไอน้ำแบบแรกซงึ่ ไดแก เตาเผา (furnace) เคร่อื งระเหย (evaporator) ถังพักไอนำ้ (drum) เครอ่ื งทำไอน้ำยวดยงิ่(superheater) เครื่องใหความรอ นซำ้ (reheater) เคร่ืองประหยัดเชอื้ เพลงิ (economizer) และเครื่องอนุ อากาศ (air heater) ความรอนจากการเผาไหมเชอื้ เพลิงในเตาเผาจะทำใหนำ้ ปอ นกลายเปนไอนำ้ โดยการแผรงั สีความรอนและการพาความรอน นำ้ ปอนจะไหลเขาเครือ่ งประหยัดเชื้อเพลิงเพ่ือเพิ่มอุณหภมู ิใหใกลจุดเดือดกอนที่จะเขา เครอ่ื งระเหยเพื่อเปล่ียนสถานะเปน ไอนำ้ มีน้ำบางสวนเทานนั้ ท่ีกลายเปนไอ ดงั น้นั ของไหลที่ออกจากเครอื่ งระเหยจึงเปน สว นผสมของไอนำ้ กบั นำ้ ซึ่งจะไหลเขาถังพักไอนำ้ เพ่ือแยกน้ำออกจากไอน้ำอ่มิ ตวั โดยนำ้ จะไหลเขาเครือ่ งระเหยใหมในขณะที่ไอน้ำอิม่ ตัวจะไหลเขาเคร่ืองทำไอนำ้ ยวดยิ่งกอนท่ีจะถกู สง ไปท่ีเคร่ืองกังหันความดันตำ่ ไอน้ำท่ีออกจากเคร่อื งกงั หันความดันต่ำจะไหลกลบั มาท่ีเคร่ืองใหความรอ นซ้ำเพื่อเพ่มิ อณุ หภมู ิใหเทา กบั อณุ หภูมิไอนำ้ ท่ีไหลเขา เครื่องกังหนั ความดนั ต่ำกอ นไหลเขา เคร่อื งกงั หนั ความดันสูง ขอจำกดั ที่สำคัญของเครอื่ งกำเนดิ ไอน้ำแบบมีถังพกั ไอน้ำคือความสามารถในการแยกไอน้ำออกจากน้ำของถงั พกั ไอนำ้ ลดลงเมอื่ ความดันของไอนำ้ เพม่ิ ข้นึ ท่ีความดนั วิกฤต 22.1 bar เคร่อื งกำเนิดไอน้ำแบบน้ีจะไมสามารถทำงานไดเนื่องจากไอนำ้ จะมีความหนาแนนใกลเคยี งกับนำ้ เครื่องกำเนิดไอนำ้ แบบไหลผานคร้ังเดยี วใชงานในวัฏจักรแรงคินเหนือวิกฤต (รูปที่ 5.11) ถงึ แมว าเครอื่ งกำเนิดไอนำ้ แบบนี้จะมีคา กอสรางสงู กวา เครอื่ งกำเนิดไอนำ้ แบบมีถงั พกั ไอน้ำ แตวัฏจกั รแรงคินเหนอื วกิ ฤตมีประสทิ ธภิ าพสูงกวา วฏั จักรแรงคินแบบธรรมดา จึงอาจมีความคุมคาเชิงเศรษฐศาสตรใน
6.3. เตาเผาและเครือ่ งระเหย 97 รปู ที่ 6.1: สว นประกอบทีส่ ำคัญของเครอ่ื งกำเนิดไอน้ำแบบมีถังพักไอนำ้การกอสรางโรงไฟฟาท่ีทำงานดว ยวฏั จักรแรงคินเหนอื วิกฤต สว นประกอบที่สำคัญของเครอื่ งกำเนิดไอน้ำแบบไหลผานคร้งั เดียวคลายกบั ที่แสดงในรูปท่ี 6.1 แตไมม ีถงั พักไอน้ำ อุปกรณแลกเปลี่ยนความรอ นในเครือ่ งกำเนิดไอน้ำแบบไหลผา นคร้ังเดียวเปนกลุมทอ ที่มีไอนำ้ และนำ้ ไหลภายใน นำ้ จะคอย ๆเปลยี่ นสถานะเปนไอนำ้ จากการไหลผานอุปกรณตา ง ๆ ซ่ึงไดรับความรอ นจากการแผร ังสีความรอนและการพาความรอ น เครอื่ งแยกไอน้ำ (steam separator) ทำหนาท่ีคลายถงั พกั ไอน้ำ แตมีขนาดเลก็กวามากเนื่องจากความช้นื ที่ปะปนมากกับไอน้ำที่ไหลเขา เครอ่ื งแยกไอน้ำมีปรมิ าณนอ ย ความชืน้ จะแยกออกจากไอนำ้ แหง ซงึ่ จะถูกสง ตอ ไปยังเครอ่ื งทำไอนำ้ ยวดย่งิ โดยน้ำถูกแยกออกมาจะสงกลับไปท่ีเครือ่ งประหยัดเชือ้ เพลงิ เคร่อื งกำเนิดไอน้ำแบบไหลผานครัง้ เดียวตอ งการนำ้ ปอ นท่ีมีการเจือปนของเกลือแรนอยมากเน่ืองจากเกลือแรจะตกคางอยูภายในเครื่องและจะทำใหประสทิ ธิภาพของการผลติ ไอนำ้ ถดถอยลง6.3 เตาเผาและเครอ่ื งระเหย เตาเผาทำหนา ท่ีผลิตพลังงานความรอ นจากการเผาไหมเชือ้ เพลิง โดยความรอ นสวนหนึ่งจะถายเทสูผนังของเตาเผาโดยการแผรงั สีความรอน ความรอนสวนท่ีเหลือจะอยูในกาซเสียอณุ หภมู ิสงู ท่ีไหลออกจากเตาเผา นอกจากนี้เตาเผายงั ทำหนาที่สะสมขี้เถาไวท่ีดานเตาเผากอ นถกู เคล่ือนยา ยออกไป การออกแบบเตาเผาตองคำนึงถงึ ลักษณะขเี้ ถาที่เกิดขึน้ วาจะหลอมเหลวทอี่ ุณหภูมิไหน ผนังของเตาเผามีท้งั วสั ดุทนไฟ (refractory) และทอนำ้ เลก็ ๆ หลายทอ วางเรยี งกนั ในแนวตั้ง เรยี ก
98 บทที่ 6. เครอื่ งกำเนิดไอนำ้วาผนงั นำ้ (water wall) รปู ท่ี 6.2 แสดงโครงสรางโดยครา ว ๆ ของผนงั น้ำ ทอ หลายทอเรียงตวั เปน แถวและเช่อื มตอ ดวยเมมเบรน (membrane) ซง่ึ ทำจากโลหะ แถวของทอ วางชิดกบั วสั ดทุ นไฟ ผนังนำ้ ทำใหความรอนจากการแผร งั สีมาถงึ วัสดุทนไฟนอ ยลงซง่ึ จะชวยยดื อายุการใชงานของวสั ดุทนไฟ ความรอนที่ดูดกลนื โดยผนงั นำ้ ทำใหนำ้ ในทอ กลายเปนไอ ดงั น้ันผนงั น้ำจงึ ทำหนา ที่เปน เครอื่ งระเหย นำ้ อ่ิมตัวไหลเขา เครื่องระเหยทางดา นลา งและไอน้ำปนนำ้ ไหลออกทางดา นบน รปู ที่ 6.2: โครงสรา งของผนังนำ้ น้ำที่ไหลเขา ทอจะเปล่ียนสถานะตลอดการไหลเน่ืองจากทอ ไดรบั ความรอนจากการแผร งั สีความรอ นของเปลวไฟ กา ซรอน เขมาและข้ีเถา ในเตาเผา สถานะของนำ้ เปนของเหลวอมิ่ ตวั ตรงทางเขา ทอและจะกลายเปน น้ำผสมไอน้ำจากการไดรบั ความรอ นโดยสัดสวนของไอนำ้ จะเพม่ิ ขน้ึ เรื่อย ๆ ตามทศิ ทางการไหลของนำ้ รูปที่ 6.3 แสดงใหเห็นวา ความรอ นท่ีน้ำไดรับทำใหรปู แบบการไหลของนำ้เปลีย่ นแปลงตลอดการไหล การไหลผานทอ ท่ีไดรบั ความรอนสามารถแบง ออกเปนชว ง ๆ ในชว งแรกน้ำยังไมเปลี่ยนสถานะเปน ไอเรยี กวา ชว งการพาความรอ น (convection) เมอื่ ไหลไประยะหน่งึ จะเริ่มเกิดฟองไอนำ้ ในของเหลวโดยที่ฟองเร่ิมกอ ตัวทผ่ี นงั ทอ ชวงการไหลนี้เรียกวาการไหลพรอ มฟองไอ (bubblyflow) ขนาดของฟองไอจะใหญขึน้ เรอื่ ย ๆ จนกระทง่ั ฟองไอรวมตวั กันเปน กอ นไอและการไหลจะเปน การไหลพรอ มกอ นไอ (slug flow) เม่อื มีการเปลยี่ นสถานะเพิม่ ขนึ้ อีก การไหลจะกลายเปนการไหลแบบวงแหวน (annular flow) ซง่ึ เปนการไหลท่ีมีฟล ม ของเหลวไหลชิดผนังทอ และมีไอไหลท่ีแกนของทอขนานกับของเหลว ไอในชว งน้ีจะไหลดว ยความเร็วสงู ซึ่งทำใหการเปล่ียนสถานะเปนไอเกดิ ขึ้นอยางตอเนอ่ื งและสง ผลใหฟลม ของเหลวบางลงตามทศิ ทางการไหล ในทสี่ ดุ ของเหลวจะระเหยจนหมด ชว งการไหลสดุ ทายจึงเปนการไหลพรอมละออง (mist flow) รูปที่ 6.3 แสดงการเปลี่ยนแปลงของสมั ประสทิ ธิ์การถายเทความรอน (h) ตลอดทกุ ชว งการไหล h จะเพ่มิ ขน้ึ อยา งรวดเรว็ เม่อื มีการเกดิ ฟองไอในชวงการไหลพรอ มฟองไอ หลงั จากนัน้ h เพิ่มขน้ึ อยา งตอ เนือ่ ง แตเมือ่ ฟลม ของเหลวเหอื ดแหงไปหมดในชว งทายของการไหลแบบวงแหวน h จะลดลงอยา งรวดเรว็ ถึงแมวาหนาที่ของเครอื่ งระเหยคอื การผลิตไอนำ้ แตการปลอ ยใหก ารไหลอยูในชว งการไหลพรอมละอองเปนส่ิงท่ีไมพึงปรารถนาเน่ืองจากคา h ในชวงการไหลน้ีตำ่ มาก ความรอ นที่สะสมในทอเปน ผลตางระหวางความรอ นท่ีทอไดรับกบั การพาความรอนจากทอ สูน้ำในทอบวกกับ ความรอ นท่ีสะสมในทอสง ผลโดยตรงตออณุ หภูมิของทอ ถา การพาความรอ นมีคานอยเกนิ ไป อณุ หภูมิของทอ อาจเพ่มิ ขนึ้ จนทำใหทอ เสียหายได ดงั นัน้ จึงควรออกแบบเคร่ืองระเหยใหคา h เฉล่ยี ซึง่ แปรผันตามคาการพาความรอ นในทอ มีคามากพอไมม ีชว งการไหลพรอมละออง ผลท่ีตามมาคอื ไอนำ้ ที่ไหลออกจากเคร่ืองระเหยจะไมใชไอน้ำแหง แตมีความชื้นปนอยูซงึ่ ทำใหตองมีการแยกความชนื้ ออกจากไอนำ้ กอนสงไอนำ้ อมิ่ ตวั ไปยัง
6.4. ถงั พักไอนำ้ 99 รปู ที่ 6.3: ลักษณะการไหลของน้ำภายในทอ ที่ไดร บั ความรอ นจากภายนอกเครื่องทำไอนำ้ ยวดย่ิง6.4 ถงั พกั ไอนำ้ ถังพกั ไอน้ำเปนอุปกรณท ีท่ ำงานภายใตค วามสงู (pressure vessel) ขนาดและความหนาของถังพกัไอน้ำจงึ ตอ งออกแบบตามสมการ (6.1) โดยทัว่ ไปถังพกั ไอน้ำมีรปู ทรงกระบอกซึ่งมคี วามยาวมากกวา 30m เสนผาศนู ยก ลางยาวกวา 4.5 m มีทางออกของไอนำ้ ประมาณ 30 แหง และตอกบั ทอ จำนวนมากซึง่ประกอบดวย ทอ น้ำขึ้น (riser) ทอนำ้ ลง (downcomer) ทอ สงน้ำปอ นเขา และทอ สงไอนำ้ อ่ิมตัวออกรูปท่ี 6.4 แสดงแผนภาพของถังพักไอนำ้ จะเหน็ วา ถงั พกั ไอน้ำทำหนา ท่ีแยกไอน้ำอ่ิมตวั ออกจากนำ้ อิ่มตัว โดยไอนำ้ อิ่มตวั จะถูกสง ตอไปท่เี ครอื่ งทำไอนำ้ ยวดย่ิง ไอนำ้ อ่มิ ตวั ท่ีออกจากถงั ไอน้ำควรเปนไอนำ้ แหงหรือไอนำ้ ที่ไมม ีละอองนำ้ ปะปนมาดว ยความชืน้ ซงึ่มีเกลอื ละลายปนอยูท่ีถูกสง กบั ไอนำ้ ไปยงั เคร่ืองทำไอน้ำยวดยง่ิ จะทำใหเกดิ คราบเกลอื บนผิวของเครื่องทำไอนำ้ ยวดย่งิ คราบเกลอื จะทำใหทอ ของเคร่อื งทำไอนำ้ ยวดย่ิงนำความรอนแยลง ถายเทความรอนสูไอนำ้ ไดนอยลง และทำใหทอมีอุณหภูมิสงู ขน้ึ ถาหากอณุ หภมู ิทอสูงเกินไปทอ ก็จะเสยี หายได วิธีที่งายท่ีสดุ ในการแยกไอนำ้ ออกจากน้ำคอื ใชแรงโนม ถว งของโลก โดยไอน้ำจะลอยขนึ้ และน้ำเดือดจะอยูดานลางถงั พกั ไอนำ้ วธิ ีนี้เหมาะสมกับกรณีท่ีอัตราการผลิตไอน้ำตำ่ และความดันของระบบไมสงู มากนกัเพราะความเร็วของไอน้ำท่ีต่ำจะทำใหละอองนำ้ ปนมากบั ไอน้ำมีปริมาณนอ ย และความหนาแนนของไอนำ้ และน้ำเดอื ดจะตางกนั มากท่ีความดันตำ่ แตในกรณีของเครือ่ งกำเนิดไอน้ำที่มีกำลังการผลติ สงู และความดนั สูง การแยกไอนำ้ ตอ งอาศยั วธิ ีเชงิ กล ซ่ึงหลักการทำงานมีสองข้นั ตอน ขั้นตอนแรกคอื การแยกไอน้ำออกจากน้ำ ขัน้ ตอนท่ีสองคอื การแยกความชน้ื ออกจากไอน้ำซง่ึ ทำใหไ ดไ อนำ้ แหง
100 บทท่ี 6. เครื่องกำเนิดไอนำ้ รปู ที่ 6.4: วงจรการไหลเวยี นของน้ำและไอนำ้ ผานถงั พักไอน้ำ รูปที่ 6.5 แสดงถงั พักไอนำ้ ท่ีติดตงั้ แผนกัน้ (baffle) สำหรบั การแยกไอนำ้ ออกจากนำ้ ในขั้นตอนแรกและตะแกรง (screen) สำหรับการทำใหไอนำ้ แหง ในข้นั ตอนท่ีสอง แผนกน้ั ทำหนา ท่ีเปลย่ี นทิศทางการไหลของไอนำ้ ละอองน้ำที่ลอยปะปนมากับไอนำ้ จะมีความเฉ่ือยสูงกวาไอนำ้ และไมสามารถเปล่ียนทิศทางการไหลไดเหมือนไอน้ำ ดงั น้นั ไอน้ำจะไหลแยกตวั ออกจากละอองน้ำเมอ่ื ไหลผานแผนก้นัตะแกรงทำดว ยตาขา ยลวดวางเรียงตวั กนั หลายชั้น ลวดแตล ะเสน จะดงึ ดูดและขัดขวางการไหลผานของความช้ืนในไอน้ำ เมอื่ น้ำสะสมที่ตะแกรงมีปริมาณมากก็จะหยดลงกลบั คนื สูถงั พกั ไอนำ้ อยางไรก็ตามในกรณีท่ีความดันในถงั พักไอนำ้ สงู มาก ความแตกตา งระหวา งความหนาแนน ของไอน้ำและนำ้ เดอื ดจะนอ ยมาก แผนก้ันอาจทำหนาที่ไดไมดีเทาทคี่ วร จึงตอ งใชแรงหนีศูนยกลางมาชวยแยกไอน้ำจากนำ้ เดอื ดซงึ่ อุปกรณที่ทำงานโดยหลกั การน้ีคือ เครอ่ื งแยกแบบไซโคลน (cyclone separator) ของผสมระหวา งไอนำ้ กับละอองน้ำจะไหลเขาสูเครอื่ งแยกและจะไหลวนในเคร่อื ง ละอองน้ำท่ีมีความหนาแนน มากกวาไอน้ำถกู เหวีย่ งไปกระทบผนังของเคร่อื งและไหลลงดา นลางในขณะที่ไอนำ้ จะไหลข้นึ หลังจากน้ันไอนำ้จะไหลผานตะแกรงเพอ่ื แยกเอาความช้ืนออกไปกอนไหลออกจากถังพักไอนำ้ การไหลเขา ออกของนำ้ และไอนำ้ ในถงั พักไอน้ำมีปรมิ าณนอ ยกวาการไหลเวียนของน้ำและไอน้ำในทอน้ำลงและทอ น้ำขน้ึ ภายในทอน้ำลงจะมีแตน้ำอิ่มตัว สว นภายในทอ น้ำขน้ึ จะมีไอน้ำผสมกบั น้ำ ทอนำ้ ลงสงน้ำผานทอรวมเขา ผนังน้ำ ในขณะท่ีทอ นำ้ ข้นึ รบั ไอน้ำผสมนำ้ ผานทอ รวมของผนงั น้ำ สถานะของนำ้ ท่ีแตกตา งในชว งการไหลลงและการไหลขึ้นทำใหมีความแตกตางกนั ของความหนาแนน เฉลีย่ในทอน้ำลง (ρd) และความหนาแนน เฉลยี่ ในทอน้ำขน้ึ และผนังน้ำ (ρr) ซงึ่ นำไปสูความดนั ขับเคล่อื น(∆p) สำหรับการไหลเวียนของน้ำ โดย ∆p แปรผันตามความสูงของถังพกั ไอนำ้ จากระดับพื้น (H) และρd − ρr ระบบไหลเวยี นแบบแบบธรรมชาติ (natural circulation) เปน ระบบท่ีอาศัยเพียงความแตกตา งระหวา ง ρd และ ρr ระบบน้ีจะทำงานไดก็ตอ เมอ่ื ความดนั ขบั เคลอ่ื นมีคา มากพอท่ีจะเอาชนะการสูญเสียความดนั ในระบบ การเพ่มิ ความขบั เคลื่อนอาจทำไดโดยเพิม่ H เพิ่ม ρr ดวยการเพม่ิ สดั สว นของไอน้ำในทอนำ้ ขึน้ หรอื ลด ρd ดว ยการลดปรมิ าณฟองอากาศในทอ น้ำลง ฟองอากาศมีความหนาแนน
6.5. การถายนำ้ ออก 101 รูปท่ี 6.5: ลกั ษณะภายในถังพักไอน้ำนอ ยกวา น้ำและจะลอยข้ึนไปขัดขวาง ดงั นนั้ ผลดีอกี ประการหนึ่งของการลดปรมิ าณฟองอากาศคือ การไหลในทอนำ้ ลงสะดวกข้นึ วิธีเหลา น้ีตางก็มีขอจำกัด H ถูกจำกัดโดยคา ใชจา ยในการวางระบบทอ ρrถูกจำกดั โดยปรมิ าณไอน้ำท่ีออกจากทอน้ำข้ึน และ ρd ถกู จำกดั โดยคา ความหนาแนน ของนำ้ อม่ิ ตัวในกรณีท่ีไมมีฟองอากาศในทอนำ้ ลงเลย การลดความดันสูญเสยี ในระบบอาจทำไดโดยเพิม่ ความยาวเสนผา ศูนยก ลางของทอ นำ้ ลงซึ่งทำใหความหนาของทอ ตองเพ่ิมตามไปดวย อยางไรก็ตามระบบไหลเวยี นแบบธรรมชาตมิ ปี ระสิทธผิ ลลดลงเมอื่ ความดันของระบบเพม่ิ ข้นึ เนื่องจากผลตางระหวา ง ρd และ ρr จะลดลง ระบบน้ไี มส ามารถทำงานไดเมือ่ ความดนั สูงถงึ 180 bar ระบบทใ่ี ชในกรณีทคี่ วามดันระบบมคี าสูงคอื ระบบไหลเวียนแบบบงั คับ (forced circulation) ซึง่ ใชเครอ่ื งสูบท่ีตดิ ตั้งท่ีทอ นำ้ ลงเพ่มิ ความดันขบัเคล่อื นใหระบบ ถงึ แมวาระบบน้ี มีคาใชจายในการติดตง้ั เครอื่ งสูบ แตก็มีขอไดเ ปรยี บที่ H มีคาลดลงไดและทำใหสามารถใชทอ นำ้ ลงมีความยาวเสน ผา ศูนยกลางลดลงและความหนาลดลงเม่ือเทยี บกบั ระบบไหลเวยี นแบบธรรมชาติ6.5 การถายน้ำออก นำ้ ปอ นท่ีไหลเขา ถงั พักไอนำ้ จะตอ งถกู กำจัดเอาสิ่งเจอื ปนออกเสียกอ นเพื่อจะไดไมม ีสารตกคา งในถงั พักไอน้ำ อยางไรก็ตามน้ำปอนมกั ไมบรสิ ุทธ์ิรอยเปอรเซน็ ต โดยจะมีสารแปลกปลอม (total dis-solved solid, TDS) จำพวกเกลือละลายปนอยู การวัดความเขมขนของสารแปลกปลอมอาจใชหนวยppm (part per million) ซึง่ หมายถงึ หนึ่งสวนโดยน้ำหนักของสารแปลกปลอมตอหน่งึ ลานสว นของน้ำ
102 บทที่ 6. เครื่องกำเนิดไอนำ้เน่ืองจากมีการไหลออกของไอน้ำจากถังพักไอนำ้ อยูตลอดเวลาความเขมขน ของสารแปลกปลอมในนำ้เดือดทีเ่ หลืออยูจงึ เพิ่มข้ึนตลอดเวลาเชน กัน การถายน้ำออก (blowdown) และทดแทนดวยน้ำปอ นใหมจงึ เปนสงิ่ จำเปนในการควบคมุ ไมใหค วามเขม ขนสงู เกนิ ไปการถายน้ำออกอาจกระทำอยา งตอ เน่อื ง (continuous blowdown) หรือกระทำเปนชวง ๆ (inter-mitten blowdown) การถายนำ้ ออกอยางตอ เนอ่ื งมีขอ ไดเปรยี บหลายประการเชน ปรมิ าณสารแปลกปลอมมีคา คงท่ีและระดบั นำ้ ในถงั พักไอนำ้ คงท่ี อัตราการไหลของน้ำคงที่ซ่งึ ทำใหเครอ่ื งสบู ขนาดเล็กและระบบควบคมุ มีความซับซอนนอยกวา ปรมิ าณนำ้ ท่ีถา ยออกสามารถคำนวณไดจากการทำสมดุลมวลของสง่ิ แปลกปลอมในนำ้ ปอ น รปู ท่ี 6.6 แสดงการไหลเขาออกในถังพกั ไอน้ำโดยไมพจิ ารณาการไหลในทอนำ้ ขน้ึ และทอนำ้ ลงเนื่องจากเปนการไหลเวียนภายในระบบ ถากำหนดให xd เปนความเขม ขนของสารแปลกปลอมในถงั พักไอน้ำ xw เปน ความเขมขน ของสารแปลกปลอมในนำ้ ปอน xs เปน ความเขมขนของสารแปลกปลอมในไอนำ้ ออกจากถงั พกั ไอนำ้ และ m˙ s เปนอตั ราการไหลของไอนำ้ อัตราการไหลของน้ำถา ยออกจะมคี าดงั นี้ () xw − xs (6.2) m˙ b = m˙ s xd − xwโดยทัว่ ไปความเขม ขนของสารแปลกปลอมในไอน้ำมคี า นอยมาก (xs = 0) สมการ (6.2) กลายเปน () xw (6.3) m˙ b = m˙ s xd − xwรูปที่ 6.6: การไหลเขาออกของถงั พกั ไอนำ้ การถายนำ้ ออกเปนชว ง ๆ ทำใหอัตราการถายนำ้ ออกมีคาเทากบั m˙ b ในชวงเวลา d และจะไมมีการถายนำ้ ออกในชวงเวลาท่ีเหลือ (t) ผลที่ตามมาคือ ความเขมขน ของสารแปลกปลอมในถังพกั ไอน้ำมีคา เพม่ิ ขึน้ จาก xd1 เปน xd2 ในชวงเวลาท่ีไมมีการถา ยนำ้ ออกและมีคาลดลงจาก xd2 เปน xd1 ในชว งเวลาท่มี กี ารถา ยนำ้ ออกดงั แสดงในรปู ที่ 6.7 อัตราการถายน้ำออกคำนวณไดด งั น้ีm˙ b = m˙ s(xw − xs)(d + t) (6.4) [0.5(xd1 + xd2) − xw]d
6.6. เครื่องทำไอน้ำยวดย่งิ และเครอ่ื งใหค วามรอ นซำ้ 103ในกรณีท่ี t = 0 การถา ยนำ้ จะเปน แบบตอเนือ่ งและ xd1 = xd2 = xd สมการ (6.4) จะกลายเปนสมการ (6.2)รปู ที่ 6.7: การเปลยี่ นแปลงของอัตราการถา ยนำ้ ออกและความเขม ขนของสารแปลกปลอมในการถายนำ้ ออกเปน ชว ง ๆ6.6 เครอ่ื งทำไอนำ้ ยวดยงิ่ และเครือ่ งใหความรอ นซ้ำ เคร่ืองทำไอนำ้ ยวดย่งิ และเครอื่ งใหความรอ นซ้ำเปน กลุม ทอ ท่ีมีไอน้ำไหลภายในทอ และกาซเสยีไหลภายนอกทอ ไอนำ้ ไดรบั ความรอ นจากการแผรังสีหรือการพาความรอ นจากกาซเสียท่ีมีอุณหภูมิสูงผานทอซ่งึ ทำดวยโลหะที่สามารถนำความรอนไดดี เคร่ืองทำไอนำ้ ยวดยิ่งทำหนาที่เพม่ิ อณุ หภูมิใหไอน้ำอิม่ ตวั จากถงั พักไอน้ำกลายเปนไอนำ้ ยวดย่ิง สว นเคร่อื งใหความรอนซำ้ ทำหนา ที่เพ่ิมอณุ หภมู ิใหไอนำ้ ท่ีสญู เสียเอนทลั ปบางสวนไปในเคร่อื งกงั หนั ไอนำ้ กอนไหลกลบั เขา ไปยังเครื่องกังหันไอน้ำอกี ครั้ง เครื่องใหความรอ นซำ้ มกั พบในโรงไฟฟาท่ีมีกำลงั การผลิตมากกวา 100 MW และไมคุมคาแกการติดตัง้ ในโรงไฟฟา ขนาดเลก็ ซึง่ จะมเี พียงเครือ่ งทำไอนำ้ ยวดยง่ิ การจำแนกเคร่อื งทำไอนำ้ ยวดยิง่ อาจกระทำไดโดยพจิ ารณาลักษณะการถายเทความรอ น เครอ่ื งทำไอนำ้ ยวดยิง่ แบบรับรงั สคี วามรอน (radiant superheater) ตดิ ตง้ั อยูเ หนือเตาเผาเพือ่ รับการแผร งั สจี ากเปลวไฟและอนุภาคทลี่ กุ โชนและมีอณุ หภูมสิ งู เครื่องทำไอนำ้ ยวดยง่ิ แบบรับการพาความรอน (convec-tive superheater) ติดตัง้ อยใู นบริเวณทีก่ ารแผรังสคี วามรอนไปไมถ ึง จงึ ไดร ับความรอนโดยการพาจากกาซเสยี ที่ไหลออกมาจากเตาเผา เครือ่ งใหความรอนซำ้ มักติดตั้งถดั จากเครอ่ื งทำไอนำ้ ยวดยิ่งแบบรบัการพาความรอ น ดังนัน้ เครือ่ งใหความรอนซ้ำจงึ ไดรับความรอนจากการพาความรอนเชนกัน สิ่งสำคัญที่ตอ งคำนึงถงึ ในการออกแบบเครื่องทำไอน้ำยวดยง่ิ และเครอ่ื งใหความรอ นซ้ำคอื ความสามารถในการทนอุณหภูมิและความดัน ความสามารถในการทนอณุ หภมู ิสงู ของเครอ่ื งทำไอน้ำยวดยิ่งและเครื่องใหความรอ นซ้ำข้นึ กับโลหะท่ีใชทำทอโดยโลหะที่ทนอุณหภูมิไดสูงกวา ยอ มจะมีราคาแพงกวา การออกแบบทอ ของเครอ่ื งทำไอนำ้ ยวดย่ิงและเคร่ืองใหความรอนซำ้ เพอื่ ลดอุณหภมู ิของทอจะ
104 บทท่ี 6. เครื่องกำเนดิ ไอน้ำสามารถชวยประหยดั คา ใชจายดา นวัสดุได รูปที่ 6.8 แสดงการไหลของกา ซเสยี ผานทอ และไอนำ้ ในทอสองแบบ แบบแรกเปนการไหลแบบขนานกัน (parallel flow) แบบที่สองเปน การไหลแบบสวนทางกนั(counter-flow) สมั ประสิทธ์ิการถายเทความรอ นของไอน้ำภายในทอ และของกา ซเสียภายนอกทอมีคาใกลเคยี งกนั ดงั นัน้ อุณหภูมิของทอจึงมีคาโดยประมาณเทากบั คาเฉลี่ยของอุณหภมู ิไอน้ำกับอุณหภูมิกา ซเสีย รปู ที่ 6.8 แสดงใหเห็นวา การไหลแบบขนานกันทำใหอณุ หภูมิของทอต่ำกวาการไหลแบบสวนทางกัน อยางไรก็ตามการไหลแบบขนานกันมีประสทิ ธภิ าพเชงิ ความรอ นดอ ยกวา การไหลแบบสวนทางซงึ่ หมายความวา ทอ ที่การไหลแบบขนานกันถายเทความรอนไดนอ ยกวาทอที่การไหลแบบสวนทางกนัการเลอื กรปู แบบการไหลของเครอ่ื งทำไอน้ำยวดย่ิงและเครื่องใหความรอ นซำ้ จึงตองคำนึงถึงอุณหภมู ิของทอ ควบคกู บั ประสทิ ธิผลของการแลกเปลี่ยนความรอนรปู ที่ 6.8: การไหลแบบขนานกันและการไหลแบบสวนทางกันในเครื่องทำไอน้ำยวดยง่ิ และเคร่ืองใหความรอนซ้ำ ทอของเครอ่ื งทำไอนำ้ ยวดยง่ิ และเครอื่ งใหความรอ นซำ้ ไดรับการออกแบบใหทนความดันสงู ไดตามสมการ (6.1) ในกรณีท่ีเคร่อื งกำเนิดไอน้ำไดรับการเพิม่ สมรรถนะใหทำงานที่ความดันสูงข้นึ ทอของเครือ่ งทำไอนำ้ ยวดย่งิ และเคร่ืองใหความรอนซำ้ จะตอ งถกู เปลยี่ นใหสามารถทนความดนั ที่สูงข้นึอยา งไรกต็ ามทอ ที่มีขนาดเล็กซง่ึ ทนความดันไดสงู และมีพนื้ ท่ีมากในการรบั ความรอนมีขอเสยี เปรยี บเนื่องจากความดันสญู เสียของไอนำ้ ที่ไหลในทอจะเพม่ิ ขึ้นตามความยาวเสนผาศูนยกลางของทอท่ีลดลงปจจยั เหลาน้ีจงึ ตอ งนำมาพิจารณาในการเลอื กขนาดทอ ถา เปรยี บเทยี บทอ ของเครือ่ งทำไอนำ้ ยวดยง่ิและเครือ่ งใหความรอ นซ้ำ จะพบวา ไอนำ้ ในเครื่องใหความรอ นซำ้ มีความดนั ตำ่ กวา ไอนำ้ ในเคร่อื งทำไอนำ้ ยวดยิง่ ดงั น้นั ทอเครอ่ื งใหความรอนซำ้ จงึ ทนกับความเคน ท่ีตำ่ กวา และสามารถมีความยาวเสนผาศนู ยกลางทม่ี ากกวาเพ่ือลดการสญู เสียความดันไอนำ้ ที่ไหลผา น นอกจากนี้เคร่ืองใหความรอ นซ้ำยังสามารถทนอณุ หภูมิสงู กวาเครือ่ งทำไอน้ำยวดย่งิ อณุ หภูมิไอนำ้ ที่ออกจากเครอ่ื งใหความรอนซ้ำจงึ อาจ
6.7. การควบคมุ อณุ หภมู ไิ อนำ้ 105สูงกวา อุณหภูมิไอน้ำท่ีออกจากเครือ่ งทำไอนำ้ ยวดย่งิ 20-30◦C การที่เครอ่ื งทำไอน้ำยวดยง่ิ และเคร่ืองใหความรอนซ้ำทำงานท่ีอณุ หภมู ิสูงมากทำใหมีโอกาสท่ีข้ีเถาจะหลอมเหลวและไปเกาะที่ผิวของทอ โรงไฟฟาที่ใชถานหนิ ที่มีสัดสวนของเถามากและอุณหภมู ิเถาหลอมเหลวตำ่ มักประสบปญหาดงั กลาว ขี้เถามีคาการนำความรอนต่ำและกลายเปน ฉนวนความรอนซึง่ จะลดการถายเทความรอนจากกาซเสียสูไอนำ้ และเพ่มิ อุณหภมู ิของทอ การปองกันการสะสมของขี้เถา หลอมเหลวเปน เรอ่ื งยาก แตมีอุปกรณท่ีสามารถลดการสะสมของข้ีเถาไดคอื เครอื่ งเปา ฝุน (sootblower) ทอ ของเครือ่ งทำไอน้ำยวดย่งิ และเคร่ืองใหความรอนซ้ำที่มีจำนวนหลายทอมักวางระยะหางที่มากพอท่ีจะทำใหเครื่องเปา ฝุนทำงานอยา งสะดวกโดยระยะหา งระหวา งทอ จะเพิม่ ขึน้ ตามอณุ หภูมิของกาซเสีย นอกจากน้ีทอ เหลา น้ีมกั เปนทอ เรียบเพ่อื ใหก ารกำจัดขี้เถา เปนไปอยา งมีประสิทธภิ าพ ถึงแมวา ทอท่ีมีครบี จะมีประสิทธผิ ลสูงกวา ในการแลกเปล่ยี นความรอ นแตมีความลำบากในการกำจดั ขี้เถาทีส่ ะสมท่ีครีบดว ยเครื่องเปา ฝนุ6.7 การควบคมุ อุณหภูมิไอนำ้ ถึงแมว า อุณหภมู ิของไอนำ้ ท่ีออกจากเคร่อื งทำไอนำ้ ยวดยงิ่ เขา สูเครอื่ งกังหนั จะถกู ออกแบบใหมีคาเหมาะสมทส่ี ดุ แตในความเปนจรงิ อณุ หภมู ิไอนำ้ จะแปรเปลย่ี นตามปจจัยตาง ๆ เชน อณุ หภูมิเตาเผาอตั ราการผลติ ไอนำ้ ความดนั ไอนำ้ ปรมิ าณอากาศสวนเกินในการเผาไหมเชื้อเพลิง ชนิดของเชอ้ื เพลงิอณุ หภูมิของนำ้ ปอ น ความสะอาดของผวิ อุปกรณแลกเปลี่ยนความรอนในระบบ เปน ตน ถา ปลอยใหเครอื่ งกำเนิดไอน้ำทำงานโดยปราศจากการควบคมุ อุณหภูมิ อณุ หภูมไิ อน้ำก็อาจจะข้ึนลงในชว งอุณหภมู ิกวา ง ๆ ซงึ่ การจำกดั ใหอณุ หภูมิไมสงู เกนิ ไปจนสง ผลเสียอปุ กรณตา ง ๆ ในระบบรวมท้ังเคร่อื งกงั หันหมายถึงอุณหภมู ิเฉลย่ี ที่ตำ่ ลง อนั เปน ส่ิงท่ีไมพึงประสงคเนอ่ื งจากมันจะทำใหประสทิ ธิภาพของโรงไฟฟาลดลง นอกจากน้ีการเปลี่ยนแปลงของอณุ หภูมิไอน้ำในชวงกวา งยงั จะทำใหการออกแบบเชงิ กลของอุปกรณตาง ๆ ในระบบซบั ซอนขน้ึ เน่ืองจากการขยายตัวตามอุณหภมู ิของชน้ิ สว นอุปกรณจะเกิดขนึ้ ในชวงกวางเชน กัน ดังนน้ั อณุ หภูมิไอน้ำจงึ ควรถูกควบคมุ ใหมีคาไมมากกวาและไมตำ่ กวาอุณหภูมิท่ีเหมาะสมที่สดุ เกิน 5◦C การควบคุมอณุ หภมู ิไอน้ำอาจแบง เปน 4 วิธีไดแก การใชเครื่องทำไอน้ำยวดย่ิงแบบรับรังสีความรอ นและพาความรอ น การลดเอนทลั ปของไอนำ้ (attemperation) การเลอื กปด หัวเผาหรือการเอียงระดับหวั เผาขนึ้ ลง และการไหลวนของกา ซเสยี (gas recirculation) 1. การใชเครอ่ื งทำไอน้ำยวดย่งิ แบบรบั รังสีความรอนควบคูกับแบบพาความรอนสามารถควบคมุ อณุ หภมู ิไอนำ้ ไดเนื่องจากทัง้ สองแบบมีคณุ สมบัติที่ตา งกัน กลาวคือเคร่อื งทำไอน้ำยวดย่ิงแบบ แรกจะใหไอน้ำอุณหภูมิที่ตำ่ ลงถา อัตราการผลิตไอนำ้ เพ่ิมข้นึ อันเปน ผลมาจากการท่ีอุณหภูมิใน เตาเผาไมเปลีย่ นแปลงมากนักเมอ่ื มีการเผาไหมเชื้อเพลงิ เพ่มิ ข้ึน ในขณะท่ีปริมาณไอน้ำเพ่ิมขึน้ ในทางตรงขามเคร่อื งทำไอนำ้ ยวดย่งิ แบบหลังจะใหไอนำ้ อุณหภูมิที่สูงขน้ึ ตามอตั ราการผลติ ไอ น้ำเพมิ่ ข้นึ เพราะอตั ราการไหลที่เพ่มิ ขน้ึ ของกา ซเสียจะทำใหการแลกเปล่ยี นความรอนจากกาซ เสยี สูไอนำ้ เพมิ่ ขน้ึ ตามไปดวย ดงั นน้ั การใชคอื เครอ่ื งทำไอน้ำยวดยิง่ ท้งั สองแบบรวมกันจะชวย
106 บทที่ 6. เครอ่ื งกำเนิดไอน้ำ ทำใหอุณหภมู ิของไอนำ้ ท่ีผลติ ไดไมเปลี่ยนแปลงมากนักตามอัตราการผลติ ไอนำ้ ดงั แสดงในรปู ท่ี 6.9 อยา งไรก็ตามโรงไฟฟาสวนใหญมกั มีเคร่ืองทำไอนำ้ ยวดยงิ่ แบบพาความรอ นมากกวา แบบ รบั รงั สีความรอน ดังนนั้ จงึ ยังคงมีการเพม่ิ ขน้ึ ของอุณหภมู ิไอนำ้ เมื่ออัตราการผลิตไอน้ำเพม่ิ และ ตองอาศยั การควบคมุ วิธอี ืน่ มาเสรมิรูปที่ 6.9: ผลของการควบคมุ อุณหภูมิไอน้ำโดยใชเครื่องทำไอนำ้ ยวดยิ่งแบบรบั รังสีความรอนและพาความรอ น 2. การใชแอตเทมเพอเรเทอร (attemperator) ลดเอนทลั ปของไอนำ้ โดยการพนละอองน้ำปน เขา ไปในไอน้ำตามรปู ท่ี 6.10 ละอองนำ้ จะระเหยเปน ไอพรอมกบั ดูดกลนื ความรอนจากไอน้ำอัน จะทำใหอุณหภูมิไอน้ำลดลงได ถา ทราบอัตราการไหลของไอน้ำ เอนทัลปของละอองน้ำสเปรย เอนทลั ปของไอน้ำที่ไหลเขา และเอนทลั ปของไอนำ้ ที่ไหลออก อัตราการไหลของนำ้ (m˙ w) ท่ี ตองการสามารถคำนวณไดจ าก m˙ shs1 + m˙ whw = (m˙ s + m˙ w)hs2 การควบคุมอุณหภูมิไอนำ้ วธิ ีนี้ใหผลตอบสนองที่รวดเร็วแตมีขอ ควรระวงั คือ ละอองน้ำจะตอง มีความบรสิ ทุ ธ์ิสูง คือมีสารแปลกปลอมเจอื ปนนอยท่สี ุด ไมเชนนน้ั แลวมันจะทำใหเกิดคราบ ตะกรนั ทผ่ี วิ ทอเคร่ืองทำไอน้ำยวดยง่ิ และเครอื่ งใหค วามรอ นซ้ำได 3. การเลอื กปด หัวเผาหรอื การเอียงระดบั หวั เผาข้ึนลงควบคมุ อณุ หภมู ิไอน้ำโดยการเปลี่ยนแปลง การดูดกลืนความรอนในเตาเผาและสงผลใหอณุ หภูมิไอน้ำเปล่ียนแปลงตามได สมดลุ พลงั งาน ความรอ นในรปู ที่ 6.11 แสดงใหเหน็ วาพลงั งานจากการเผาไหมในเตาเผา (Q) เทา กบั ผลรวม ของพลังงานที่ดดู กลืนโดยเคร่อื งระเหย (Qa) พลังงานของกา ซเสียท่ีออกจากเตาเผา (Qg) และ พลังงานจากการแผร ังสีความรอ นจากเตาเผาไปยงั เคร่ืองทำไอน้ำยวดยิ่ง (Qr) เตาเผาของโรง
6.7. การควบคมุ อุณหภมู ไิ อนำ้ 107 รปู ที่ 6.10: แอตเทมเพอเรเทอรไฟฟาบางแหง มีหวั เผาหลายหัวที่สามารถเลอื กเปดปด ไดและอาจปรับระดับของหัวเผาได การลดสัดสว นความรอ นท่ีถูกดดู กลนื โดยเคร่ืองระเหยอาจกระทำไดโดยการปด หวั เผาในสว นลา งของเตาเผาหรอื ปรบั ระดับของหัวเผาใหเอียงข้นึ การกระทำเชนน้ีจะทำใหกาซเสียที่เขาเครอื่ งทำไอน้ำยวดยิ่งก็จะมีอุณหภูมิสงู ขนึ้ และไอนำ้ ที่ไดจากเครอ่ื งทำไอนำ้ ยวดยิง่ มีอุณหภมู ิสูงขึน้ ในทางกลบั กนั ถาปด หัวเผาในสวนบนของเตาเผาหรือเอียงหัวเผาลงจะทำใหสดั สวนของความรอนที่ถูกดูดกลนื โดยเครือ่ งระเหยเพ่มิ ขึน้ และจะทำใหกาซเสียท่ีออกจากเตาเผามีอุณหภมู ิตำ่ ซึ่งสงผลใหเครอ่ื งทำไอน้ำยวดยิ่งผลิตไอนำ้ ที่มีอุณหภมู ิตำ่ ตามไปดวย การควบคมุ อุณหภูมิไอน้ำโดยการเลือกเปดปดหวั เผาและการปรบั หวั เผาเปน การควบคมุ ท่ีไมซับซอน ใหผลตอบสนองที่แมนยำและรวดเรว็ และการควบคุมสามารถกระทำไดใ นชวงอตั ราการผลิตไอนำ้ ที่กวาง รปู ที่ 6.11: สมดุลพลงั งานทเี่ ตาเผา4. การไหลวนของกาซเสยี คอื การทำใหกาซเสยี ท่ีออกจากเครอื่ งกำเนดิ ไอน้ำไปแลว ไหลยอ นกลบั เตาเผาอีกครั้ง การไหลวนของกา ซเสียสามารถใชลดการดูดกลืนพลังงานโดยเครื่องระเหยและ เพมิ่ พลงั งานความรอนในกาซเสยี กระบวนการถายเทความรอ นหลกั จากเตาเผาสูเครื่องระเหย คือ การแผรงั สีความรอ น ดงั นั้นอุณหภมู ิในเตาเผาจงึ เปนปจจัยท่ีสำคญั มาก การไหลวนของกาซ เสยี ทำใหอณุ หภมู ิในเตาเผาลดลง การดูดกลนื ความรอ นโดยเครอ่ื งระเหยก็จะลดลงตามไปดวย ผลที่ตามมาคอื กาซเสียท่ีออกจากเตาเผาก็จะมีพลังงานความรอนเพิ่มข้นึ และทำใหไดไอนำ้ ที่มี อุณหภมู ิเพ่ิมขนึ้เนื่องจากการใชแอตเทมเพอเรเทอรและการไหลวนของกา ซเสียเปนการควบคมุ อณุ หภูมิไอน้ำสอง
108 บทที่ 6. เครอ่ื งกำเนิดไอนำ้วิธีท่ีใหผลตา งกัน ท้ังสองวธิ ีจงึ อาจถูกใชรวมกนั เพือ่ ทำใหไอนำ้ มีอุณหภมู ิคงที่กลา วคอื ถาอตั ราการผลติไอนำ้ เพ่มิ ข้ึนก็ใหใชวธิ ีพน สเปรยน้ำลดอณุ หภูมิไอนำ้ แตถา อัตราการผลิตไอน้ำลดลงก็ใหใชวิธีนำกา ซเสียไหลยอนกลบั เตาเผา รปู ท่ี 6.12 แสดงใหเหน็ วา การกระทำเชนนี้จะทำใหอุณหภมู ิไอนำ้ ไมเปลย่ี นแปลงตามอตั ราการผลิตไอน้ำ รปู ท่ี 6.12: การควบคุมอณุ หภูมิไอนำ้ โดยการใชแอตเทมเพอเรเทอรและการไหลวนของกาซเสยี6.8 เครื่องประหยดั เช้ือเพลิง กาซเสียท่ีออกจากเครือ่ งทำไอนำ้ ยวดยิ่งและเครื่องใหความรอนซ้ำมีอุณหภูมิสงู การปลอ ยกา ซเสียออกสูส่งิ แวดลอ มทันทีจงึ เปน การสูญเสียพลงั งานในกา ซเสยี ไปโดยเปลาประโยชน จากการพจิ ารณาวฏั จกั รแรงคนิ จะพบวานำ้ ปอนเขาหมอไอน้ำควรมีอุณหภมู ิสงู เพอ่ื ลดความตองการเชอื้ เพลงิ ในการทำใหน ำ้ ปอนกลายเปนไอ ดังนน้ั ความรอ นในกาซเสยี จงึ ควรถกู ถา ยเทสูนำ้ ปอน อนั จะสง ผลใหประสิทธ-ิภาพโดยรวมของโรงไฟฟา เพ่มิ ข้นึ นอกจากนี้การท่นี ้ำปอนมีอณุ หภมู ิสูงยงั ชวยลดความเคนเชิงความรอ น(thermal stress) ในถังพักไอน้ำดว ยโดยการลดความแตกตางอุณหภูมิผวิ ของถังพักไอนำ้ อุปกรณสำหรับแลกเปล่ยี นความรอ นระหวา งกาซเสียกับน้ำปอนมีชือ่ วา เครอื่ งประหยัดเช้ือเพลงิซ่งึ ประกอบดวยกลุมทอ จำนวนมากวางขนานกนั ตำแหนง ของเครื่องประหยัดเชอ้ื เพลิงอยูถดั จากเคร่อื งใหความรอนซ้ำ นำ้ ปอนจะไหลในทอของเครื่องใหความรอ นซำ้ และออกไปยังถงั พกั ไอนำ้ สว นกาซเสยี จะไหลนอกทอ เครอ่ื งประหยดั เชื้อเพลิงไมไดออกแบบใหผลติ ไอนำ้ ดังนัน้ นำ้ ปอนท่ีออกจากเคร่อื งประหยัดเชอ้ื เพลงิ ควรมีอณุ หภมู ิตำ่ กวา จดุ เดอื ดประมาณ 30◦C เพื่อไมใหมีการเปล่ยี นสถานะของน้ำการท่ีของเหลวไหลในทอ ของเครอื่ งประหยัดเช้ือเพลิงทำใหอุณหภูมิของทอใกลเคยี งกบั อณุ หภมู ิของนำ้ปอนเพราะสัมประสิทธ์ิการถา ยเทความรอนของน้ำภายในทอสูงกวา ของกา ซเสียภายนอกทอมาก ดงั นัน้
6.9. เครอ่ื งอุนอากาศ 109จึงไมม ีปญหาเรอื่ งอณุ หภมู ิทอ สงู เกนิ ไปในเครอ่ื งประหยดั เชือ้ เพลิงเหมอื นในเครื่องทำไอนำ้ ยวดยิ่งและเครอ่ื งใหความรอนซ้ำ ทิศทางการไหลของน้ำและกาซเสยี ในเครื่องประหยดั เชอ้ื เพลิงจงึ เปน แบบสวนทางกันเพอ่ื ใหประสทิ ธผิ ลของการแลกเปลี่ยนความรอนระหวางกา ซเสียกบั นำ้ ปอนสูงทส่ี ดุ ปญ หาท่ีอาจเกดิ ขน้ึ กับเครือ่ งประหยดั เช้ือเพลิงคอื การกัดกรอ นโดยอนภุ าคในกาซเสยี ดังนน้ัความเรว็ ของกาซเสยี จงึ ถูกจำกดั อยูที่ 10-12 m/s ถา ปรมิ าณเถาในเชือ้ เพลิงมีนอย แตถา เชอ้ื เพลิงมีสดั สว นของเถามากความเร็วของกา ซเสยี อาจตอ งตำ่ กวาน้ี ปญหาตอ คือ การควบแนนของไอน้ำบนผิวทอ ซ่งึ มีอาจมีอณุ หภมู ิต่ำกวาจุดนำ้ คาง ปญหานี้มักเกิดข้นึ ในชวงเรมิ่ เดินเครอ่ื งซงึ่ ทอ ยงั มีอณุ หภมู ิต่ำอยูการแกปญหาอาจทำไดโดยการปลอยใหกา ซเสียไหลผานทอ ในขณะท่ียงั ไมม ีน้ำไหลเขา เพอ่ื เพิ่มอุณหภูมิของทอ ใหสงู กวา จุดนำ้ คาง ปญหาสุดทา ยท่ีเกดิ ข้ึนคอื การสะสมของขี้เถาบนผิวทอ ของเครื่องประหยดัเช้อื เพลงิ เพ่อื แกปญหานี้กลมุ ทอ จะตองมีระยะหา งระหวา งทอที่มากพอที่จะใหเคร่อื งเปา ฝุนทำงานโดยสะดวก นอกจากนี้ทอ ท่ีใชควรเปนทอเรยี บ อยางไรกต็ ามถา เชื้อเพลงิ เปนกาซธรรมชาติหรือเชอ้ื เพลงิสะอาดอ่นื ๆ กส็ ามารถใชทอ ตดิ ครบี เพือ่ เพมิ่ ประสทิ ธิผลของการแลกเปลี่ยนความรอนและลดขนาดของเคร่ืองประหยดั เช้อื เพลงิ ได6.9 เครือ่ งอนุ อากาศ จากการท่ีอุณหภมู ิกา ซเสยี ท่ีไหลออกจากเคร่อื งประหยัดเชื้อเพลงิ ยังคงสูงอยู กาซเสียจงึ สามารถนำไปแลกเปล่ียนความรอ นกบั อากาศท่ีจะเขา เตาเผาโดยใชเครอ่ื งอุนอากาศเพ่ือเพ่มิ อุณหภูมิอากาศอากาศที่รอนขึ้นจะทำใหประสทิ ธภิ าพของเคร่อื งกำเนิดไอนำ้ เพ่ิมขนึ้ และความตองการเช้ือเพลงิ ลดลงอาจกลา วโดยประมาณไดวา อุณหภมู ิของอากาศท่ีเพมิ่ ข้ึน 110◦C ชวยประหยัดเช้ือเพลิงได 4% และอุณหภมู ิของอากาศท่ีเพ่มิ ขนึ้ 280◦C ชวยประหยัดเช้อื เพลงิ ไดมากกวา 11% นอกจากนี้อากาศรอ นอุณหภมู ิ 150-420◦C ยงั เปน สง่ิ ท่ีจำเปน สำหรับลดความชน้ื ในผงถา นหินแหง ในระบบที่ใชหวั เผาและเครื่องบดละเอียด เครื่องอนุ อากาศมกั ถกู ออกแบบใหเพิม่ อุณหภูมิของอากาศเปน 280-400◦C โดยท่ีกา ซเสียจะมีอณุ หภูมิลดลงเหลือ 135-180◦C ซึง่ เปนอุณหภมู ิที่สูงกวา จุดน้ำคางของกา ซเสียเพ่อื หลกีเลย่ี งการควบแนนของไอนำ้ ในกาซเสียทท่ี ำใหเ กดิ กรดซัลฟูรกิ เครือ่ งอุน อากาศแบง ออกเปน สองแบบตามลกั ษณะการทำงานคือ รีคูปเพอเรเตอร (recuperator)และรีเจนเนอเรเตอร (regenerator) รีคูปเพอเรเตอรเปน อุปกรณแลกเปลย่ี นความรอนแบบไหลตดั กันซง่ึ ประกอบดวยทอจำนวนมากโดยทออาจอยูในแนวตัง้ หรือแนวนอนดังแสดงในรูปท่ี 6.13 เปน ท่ีนาสังเกตวากา ซเสยี ไหลในแนวต้งั ในขณะที่อากาศไหลในแนวนอนโดนกาซเสยี ไหลในทอในรปู ที่ 6.13(ก)แตไหลตดั กบั ทอในรปู ที่ 6.13(ข) เหตุผลท่ีกาซเสียไหลในแนวต้งั คือ กาซเสยี มีข้ีเถาและฝุนปนอยู ข้ีเถาและฝุนจะไปสะสมบนทอ แตการสะสมจะถกู จำกดั โดยการไหลของกาซเสยี และแรงโนม ถว งของโลกขี้เถา และฝนุ บางสว นจึงตกลงสูถงั เก็บ (hopper) สมั ประสิทธ์ิการถา ยเทความรอนรวมของรีคูปเพอ-เรเตอรมีคาอยูระหวา ง 30-60 W/m2.◦C ซึง่ นับวา ต่ำเนอ่ื งจากของไหลในระบบมีสถานะเปน กาซท้งั คูดังนั้นทอจึงควรมีขนาดเล็กและมีจำนวนมากเพอื่ เพ่มิ พ้ืนที่ถา ยเทความรอน ทอ อาจติดครบั ในกรณีที่เชอื้เพลงิ ท่ีใชเผาไหมเปน เชอ้ื เพลงิ สะอาด โดยทว่ั ไปขนาดเสน ผาศูนยกลางนอกของทอ อยูประมาณ 50-65mm
110 บทที่ 6. เครอื่ งกำเนิดไอน้ำ รูปท่ี 6.13: เคร่อื งอนุ อากาศประเภทรคี ูปเพอเรเตอรท ีม่ ี (ก) ทอในแนวตง้ั และ (ข) ทอ ในแนวนอน เครอ่ื งอนุ อากาศแบบรีเจนเนอเรเตอรมีลกั ษณะเปน วงลอ ที่บรรจุวัสดุพรุนซง่ึ มีคา ความจุความรอนท่สี ูงเรียกวา เมทรกิ ซ (matrix) กา ซเสยี และอากาศไหลสวนทางกันและคนละซกี ของวงลอ เมทรกิ ซจะดูดกลืนความรอนบางสวนจากกา ซเสยี เมอ่ื กา ซเสียไหลผา นและสะสมความรอนนี้ไว เมทริกซจะคายความรอ นนี้ใหอากาศที่ไหลผานและทำใหอากาศมีอุณหภูมิสงู ข้นึ เมทรกิ ซเปนสวนประกอบที่สำคัญมากของรีเจนเนอเรเตอร รีเจนเนอเรเตอรจะทำงานไดก็ตอ เม่อื จะตองมีการไหลของกา ซเสยี สลับกับการไหลของอากาศท่ีแตล ะซกี ของวงลอ กลไกการทำงานของรีเจนเนอเรเตอรจึงแบง เปน สองแบบ กลไกแบบแรกเปนการหมนุ ของวงลอโดยกาซเสยี และอากาศมีทิศทางการไหลคงท่ี กลไกแบบที่สองเปนการเปลี่ยนตำแหนงการไหลของกา ซเสยี และอากาศโดยวงลอ อยูนิ่ง รปู ท่ี 6.14 แสดงใหเหน็ การทำงานของรี-เจนเนอเรเตอรแบบจุงสทรัม (Ljungstrom regenerator) ซึ่งทำงานดว ยกลไกแบบแรกและรีเจนเนอ-เรเตอรแบบโรเทอมุลเลอ (Rothemuhle regenerator) ซงึ่ ทำงานดว ยกลไกแบบทส่ี อง รีเจนเนอเรเตอรมีขอ ไดเปรยี บหลายประการเม่ือเทยี บกบั รีคูปเพอเรเตอร รีเจนเนอเรเตอรมีพืน้ ท่ีแลกเปลีย่ นความรอ นมากกวา รีคูปเพอเรเตอร ดงั นั้นรีเจนเนอเรเตอรจงึ มีขนาดเลก็ กวา รีคูปเพอ-เรเตอรท่ีมีสมรรถนะเทากัน รีเจนเนอเรเตอรมีประสิทธิผล (effectiveness) สูงกวา รีคูปเพอเรเตอรกลาวคือรีเจนเนอเรเตอรสามารถอนุ อากาศใหมีอณุ หภมู ิสูงกวารีคูปเพอเรเตอร สวนท่ีตอ งทนอุณหภมู ิสูงของรีเจนเนอเรเตอรคือ เมทรกิ ซซึ่งอาจทำดว ยวสั ดุที่ทนความรอ นไดสูงเชน เซรามกิ นอกจากน้ีร-ีเจนเนอเรเตอรยงั มีคณุ สมบัติในการทำความสะอาดตัวเอง (self-cleaning) เน่ืองจากการไหลสลบั กนัของกาซเสียและอากาศทัว่ เมทรกิ ซ อยา งไรกต็ ามสามารถทนอุณหภมู ิสงู กวา รีคูปเพอเรเตอรเพราะท่ีท่ีออกจากเปลย่ี นความรอ นสามารถถกู ออกแบบใหมีปริมาณมาโดยการใชวสั ดุที่มีรูพรนุ และความหนาแนน สูง อยา งไรกต็ ามรเี จนเนอเรเตอรม ขี อ เสยี คือ วสั ดุพรุนในเมทริกซท ำใหเ กิดความดนั สูญเสยี ของกา ซเสียและอากาศท่ีไหลผา น รีเจนเนอเรเตอรจงึ ตอ งการพัดลมที่มีกำลงั งานสูง การไหลสลับกนั ของกาซรอนและอากาศเยน็ ทำใหเกิดความเคนเชิงความรอ นในเมทรกิ ซซึง่ อาจลดอายุการใชงานของเมทรกิ ซ
6.10. เคร่ืองเปา ฝุน 111รูปที่ 6.14: รีเจนเนอเรเตอร (ก) แบบจุงสทรัมและ (ข) แบบโรเทอมลุ เลอ เสนทบึ แสดงสวนที่หมุนรอบแกนแนวต้ังนอกจากนี้ปญหาที่สำคญั ของรีเจนเนอเรเตอรคือ การรว่ั ไหลมาผสมกันของกาซเสียและอากาศ โรงไฟฟา ท่ีมีขนาดมากกวา 120 MW นิยมติดต้ังรีเจนเนอเรเตอร โดยรีเจนเนอเรเตอรอาจมีความยาวเสนผาศนู ยก ลางถึง 10 m และมคี วามเรว็ รอบของวงลออยรู ะหวา ง 0.5-3 rpm6.10 เครื่องเปาฝุน กา ซเสียมกั มีจึงมีฝุนปะปนอยูเสมอ ท่ีมาของฝุนคอื เถาซึง่ เปนสวนประกอบเชื้อเพลงิ ท่ีไมเผาไหมและจะกลายเปน เถา ลอยท่ีปนไปกับกา ซเสยี ถาเถามีอุณหภมู ิหลอมเหลวสูง นอกจากน้ียังมีเชือ้ เพลงิ บางสว นท่ีเผาไหมไมสมบูรณและกลายเปน เขมาปะปนไปกับกาซเสยี เชนกัน การไหลของกาซเสียในเคร่อื งกำเนดิ ไอนำ้ เปน การไหลผา นสงิ่ กีดขวางซึ่งก็คอื อุปกรณแลกเปลย่ี นความรอ นตาง ๆ แมว า กา ซสามารถไหลผา นส่ิงกดี ขวางไดแตฝุนมกั ถูกดกั ไวไมใหไหลผานไปได ผลที่ตามมาคอื การสะสมของฝนุ บนผวิทอของอุปกรณแลกเปลย่ี นความรอ น ฝนุ มีคาการนำความรอ นต่ำและจะลดคา สมั ประสัมประสิทธิ์การถา ยเทความรอนรวมของอุปกรณแลกเปล่ียนความรอ น สมรรถนะของอปุ กรณแลกเปลยี่ นความรอ นจงึลดลงตามการสะสมของฝนุ ที่เพิ่มขึน้ ถาไมม ีการกำจัดฝุนออกไปอณุ หภูมิของกาซเสียท่ีไหลออกจากเครื่องกำเนดิ ไอนำ้ จะเพมิ่ ขึน้ ในขณะที่อณุ หภูมิของไอนำ้ จะจะลดลงซง่ึ จะทำใหประสทิ ธภิ าพของเครือ่ งกำเนิดไอนำ้ ลดลงเชนกัน ถาโรงไฟฟามีกำหนดปดซอมบำรุงทุกปหรือสองปฝุน อาจถูกกำจดั โดยการชะลางฝุนออกจากผวิทอ หลงั จากเคร่อื งกำเนิดไอนำ้ หยดุ การทำงาน แตวธิ ีนี้เหมาะสมถากา ซเสียมีฝนุ นอ ยซ่งึ หมายความวาเชอ้ื เพลงิ มีสัดสวนของเถาตำ่ และมีการเผาไหมไมสมบรู ณเกิดขึน้ นอย แตถา เช้อื เพลงิ เปนเช้อื เพลิงแข็ง
112 บทที่ 6. เครอื่ งกำเนดิ ไอน้ำการสะสมของฝุน บนผวิ ทอ จะมีปริมาณมากเกินกวาท่ีจะรอทำความสะอาดทกุ ปหรือสองปได การกำจัดฝนุ ควรกระทำบอยคร้ังขนึ้ แตโรงไฟฟา ไมสามารถหยดุ การทำงานบอย ๆ ได ดังนน้ั การกำจัดฝนุ จงึ ตอ งกระทำขณะที่เคร่อื งกำเนดิ ไอนำ้ กำลังทำงานอยูโดยใชอปุ กรณที่เรียกวาเครือ่ งเปาฝนุ (soot blower)หลักการทำงานของเครื่องเปาฝนุ คือ ใชการพน ไอน้ำหรอื อากาศสลายข้ีเถา ที่สะสมบนผิวทอ ไอน้ำและอากาศตา งก็มีขอ ดีและขอ เสีย ไอน้ำในโรงไฟฟามีปริมาณไมจำกดั และมีความดนั สงู อยูแลว จงึ ไมตอ งมีอุปกรณเพมิ่ ความดนั เคร่ืองเปา ฝุนท่ีใชไอนำ้ จึงมีคา ใชจา ยในการเดินเคร่ืองตำ่ ขอเสยี ของเคร่ืองเปา ฝนุท่ีใชไอน้ำคือ ตองมีระบบกำจดั น้ำควบแนน ท่ีเกดิ ข้ึนจากไอนำ้ ซึ่งจะเพม่ิ คา บำรุงรกั ษา นอกจากน้ีเครอ่ื งเปาฝุนอาจไมสามารถทำงานไดอยา งมีประสิทธผิ ลในชว งที่โรงไฟฟาเรม่ิ เดนิ เครอ่ื งเพราะปรมิ าณไอนำ้ยงั ไมมากพอ เครอื่ งเปา ฝนุ ท่ีใชอากาศสามารถทำงานไดตลอดเวลาและมีคา บำรงุ รักษาต่ำ แตจะมีคา ใชจา ยในการเดนิ เครอ่ื งคอนขางสงู เพราะตอ งมีเครื่องอัดอากาศเพื่อเพม่ิ ความดันใหอากาศสำหรับเปา ฝนุเคร่ืองเปา ฝนุ อาจแบงเปน เครอ่ื งเปา ฝุนแบบหลายหัวฉดี (multi-nozzle soot blower) และเครอื่ งเปาฝนุ แบบยืดหดได (retractable soot blower) เครอ่ื งเปา ฝนุ แบบหลายหวั ฉีดประกอบดว ยทอ ขนาดเสน ผาศูนยก ลาง 50-64 mm ท่ีเจาะรูใหไอน้ำหรืออากาศที่มีความดันสงู พน ออกมาไดโดยมีรัศมีทำงานของเครือ่ งประมาณ 2 m ตำแหนงของรูจะอยูระหวางแถวของทออุปกรณแลกเปล่ยี นความรอน เครอื่ งเปาฝนุ แบบน้ีหมนุ ไดเพื่อใหสามารถพน ไอน้ำหรืออากาศหลายทิศทาง เครื่องเปา ฝนุ แบบหลายหวั ฉดี อาจมีหลายทอ วางขนานกันโดยทอ สวนหนึ่งพนไอน้ำหรืออากาศขน้ึ บนและทอ อกี สวนหนึง่ พนไอน้ำหรอื อากาศลงลางและแตล ะทอ หมนุ ได 180◦ ซ่ึงจะทำใหสามารถกำจัดฝนุ ไดอยา งท่ัวถงึ รปู ท่ี 6.15 แสดงเคร่อื งเปา ฝุน แบบนี้ ขอ จำกดั ของเคร่ืองเปา ฝนุแบบหลายหวั ฉีดคือ การทำงานในสภาวะท่ีมีอณุ หภูมิสงู ตลอดเวลา อุณหภมู ิจึงไมควรเกนิ 1000◦C การใชงานจึงจำกดั อยทู ีเ่ ครื่องประหยดั เชื้อเพลิงและเครอื่ งอนุ อากาศ รูปท่ี 6.15: เคร่ืองเปาฝุนแบบหลายหัวฉดี เคร่ืองเปา ฝุนแบบยืดหดไดประกอบดว ยทอ ท่ีฝง อยูในผนงั ของเครื่องกำเนิดไอน้ำเม่ือไมไดใชงานและจะยน่ื ออกมาเมอื่ มีความตอ งการกำจัดฝนุ ดา นปลายของเคร่ืองมีหวั ฉีดสำหรบั พนไอนำ้ หรืออากาศ
6.11. การไหลเวียนของอากาศและกาซเสีย 113ที่มีความดันสูง หัวฉีดอาจมีสองหวั ฉดี เพ่อื ลดแรงปฏกิ ิรยิ าขณะพนไอนำ้ หรอื อากาศซ่ึงอาจทำใหทอโคงงอ ทอสามารถหมนุ ไดร อบทศิ รูปท่ี 6.16 แสดงใหเ หน็ วา การพนไอน้ำหรอื อากาศขณะหมุนและยน่ื ออกทำใหไอน้ำหรอื อากาศเคล่ือนที่เปน รปู เกลียวและทำใหสามารถทำความสะอาดทอ อปุ กรณแลกเปลี่ยนความรอ นอยางท่วั ถงึ การเคลื่อนท่ีของหัวฉดี อาจทำใหหัวฉีดพน ไอนำ้ หรอื อากาศไปที่ทออปุ กรณแลกเปลยี่ นความรอนโดยตรงไดซง่ึ อาจนำไปสูการสึกกรอ นของทอ ดงั นนั้ เครอ่ื งเปาฝนุ จงึ ควรอยูหางจากทออยา งนอย 50 cm เคร่อื งเปาฝุนแบบน้ีทำงานไดในสภาวะท่ีมีอณุ หภูมิสูงเนื่องจากเคร่อื งทำงานในชว งเวลาส้ัน ๆ และจะถกู เกบ็ เมื่อไมใชงาน อยา งไรก็ตามเครอ่ื งเปาฝนุ แบบน้ีตองการพน้ื ท่ีเก็บเม่อื ฝงตัวในผนัง รูปที่ 6.16: เครอ่ื งเปา ฝุน แบบยืดหดได6.11 การไหลเวียนของอากาศและกาซเสีย เคร่อื งกำเนิดไอนำ้ ตอ งการอากาศปริมาณมหาศาลใหไหลเขา และกาซเสียในปริมาณที่มากกวาใหไหลออกโดยผา นอปุ กรณแลกเปลย่ี นความรอ น การไหลของอากาศและกาซเสยี จะเกดิ ขึ้นไดก็ตอ เมื่อมีผลตางระหวางความดนั ของระบบกับความดนั ของสิง่ แวดลอ ม ซงึ่ ผลตา งที่วา นี้เรียกวาดราฟต (draft)ดราฟตท ่เี กิดขึ้นในโรงไฟฟาแบงออกตาม 2 วิธีสำหรับทำใหเกิดดราฟตไดแ ก ดราฟตธ รรมชาติ (naturaldraft) และดราฟตเ ชงิ กล (mechanical draft)6.11.1 ดราฟตธ รรมชาติ เนื่องจากกา ซเสยี มีอุณหภมู ิสงู กวา อากาศของส่งิ แวดลอ มมนั จงึ เบากวาและจะลอยขึน้ เองตามธรรมชาติหรือกลา วอกี นัยหนงึ่ ก็คือความหนาแนน ที่ตางกนั ของกา ซเสยี กบั อากาศทำใหเกดิ ดราฟตโครงสรา งของโรงไฟฟามกั ประกอบไปดวยปลอง (stack) ในรูปท่ี 6.17 เพือ่ สงเสรมิ การเกดิ ดราฟต ถา
114 บทที่ 6. เครอื่ งกำเนิดไอน้ำความสงู ของปลองเทากบั H ดราฟตที่เกิดขึ้น (∆p) มีคา แปรผนั ตาม H และความหนาแนน ของกาซเสยี ในปลอ ง ถาสมมุติวา กาซเสยี เปน กาซในอดุ มคติ ดราฟตธรรมชาติจะแปรผนั ตามอุณหภูมิกา ซเสียแตถา กาซเสยี มีอณุ หภูมิสงู ก็หมายความวา ประสิทธภิ าพของโรงไฟฟา ตำ่ เพราะมีการสญู เสียพลงั งานไปมากผานทางความรอนในกา ซเสยี ดงั นั้นจงึ ตองกำหนดอณุ หภูมิที่เหมาะสมทีส่ ุดของกา ซเสียโดยคำนึงถงึ ปจ จัยตา ง ๆ ควบคูกัน นอกจากทำหนาท่ีเพิ่มดราฟตแลว ปลองยงั ทำหนาที่แพรกระจายกา ซเสียสูส่งิแวดลอมท่คี วามสงู อนั เหมาะสมที่ไมสง ผลเสียตอ ชมุ ชนใกลโรงไฟฟา รปู ที่ 6.17: ระบบดราฟตธ รรมชาติ ระบบที่ใชดราฟตธรรมชาติมีไดเปรียบท่ีคาบำรงุ รักษาระบบตำ่ ไมม ีความตอ งการพลงั งานขับเคลือ่ นอุปกรณ ความงา ยในการออกแบบ อายุการใชงานยาว และความสามารถแพรกระจายกาซเสยีในที่สูง ๆ แตดราฟตธรรมชาติก็มีขอ เสียตรงท่ีมันจะเปล่ียนแปลงไปตามสภาวะของส่งิ แวดลอม และท่ีสำคัญทสี่ ุดมันใหดราฟตท ี่นอยกวา ความตอ งการของโรงไฟฟา ขนาดใหญ6.11.2 ดราฟตเชิงกล ถามีการใชอุปกรณจำพวกพดั ลมมาชว ยใหเกิดการไหลเวียนของอากาศและกาซเสีย ดราฟตที่เกิดข้นึ เรยี กวาดราฟตเชิงกล ดราฟตเชิงกลจงึ ไมข้นึ อยูกบั สงิ่ แวดลอม และไมมีความจำเปนตอ งมีปลอ งสงูเหมือนกับระบบท่ีใชดราฟตธรรมชาติ ระบบท่ีใชดราฟตเชิงกลยังขอ ดีอ่นื ๆ เชน ควบคมุ ไดงา ยกวา และไมตองปลอยกาซเสยี อุณหภมู ิสงู ออกจากระบบเพ่อื เพม่ิ ดราฟต แตก็มีคา ใชจายสูงในการดแู ลรกั ษาและปฏบิ ตั ิการ อยางไรก็ตามโรงไฟฟา ขนาดใหญตอ งใชระบบนี้เพราะดราฟตธรรมชาติไมเพยี งพอท่ีจะเอาชนะการสูญเสียความดนั ปริมาณมากที่มีสาเหตุมาจากอปุ กรณหลายชนิดและโครงสรา งอันซบั ซอ นของโรงไฟฟา ดราฟตเชงิ กลแบงออกเปนดราฟตจากการเปา (forced draft) และดราฟตจากการดดู (induceddraft) ในแบบแรกพดั ลมจะทำหนา ท่ีเปาอากาศสูเตาเผา จึงทำใหเตาเผามีความดันสงู กวาสง่ิ แวดลอมในกรณีท่ีตอ งการทำใหเกิดดราฟตปริมาณ ∆p กำลงั งานท่ีใหกบั พัดลม (PFD) สามารถคำนวณไดจาก
6.11. การไหลเวยี นของอากาศและกาซเสีย 115สูตรตอไปน้ี PF D = m˙ f .AF RA.va.∆p (6.5) ηF Dโดยที่ va คอื ปรมิ าตรจำเพาะของอากาศและ ηFD คือประสิทธภิ าพของพัดลมเปาอากาศ ขอดีของดราฟตจากการเปาคอื พดั ลมท่ีมีขนาดเลก็ และไมตองหลอ เยน็ เนือ่ งจากมันใชเปาอากาศท่ีมีอุณหภูมิและปรมิ าตรจำเพาะตำ่ นอกจากนี้การท่ีเตาเผามีความดันสงู หมายความวาไมมีอากาศร่วั ไหลเขาสูเตาเผาได ซ่งึ อากาศท่ีร่ัวไหลเขา จะทำใหประสิทธิภาพของเครือ่ งกำเนดิ ไอนำ้ ลดลง แตในทางกลบั กันการที่เตาเผามีความดนั สงู ก็เปนขอเสียของดราฟตจากการเปาเพราะเปลวไฟอาจรว่ั ออกนอกเตาเผาไดซึ่งจะเปน อนั ตรายตอผคู วบคุมเคร่อื งกำเนิดไอน้ำ ดราฟตจากการดดู เกดิ ในกรณีท่ีพดั ลมถกู ตดิ ตัง้ ระหวา งเครอื่ งกำเนิดไอนำ้ และปลอง โดยพัดลมจะทำหนาที่ดูดกา ซเสยี ออกจากเครอื่ งกำเนิดไอนำ้ เขาสูปลอ ง จงึ ทำใหเครื่องกำเนดิ ไอน้ำโดยรวมมีความดนั ตำ่ กวา สง่ิ แวดลอ ม กำลังงานท่ใี หกับพัดลม (PID) เพอื่ ผลิตดราฟต ∆p คอื PI D = m˙ f (1 + AF RA)vg.∆p ηI Dโดยที่ vg คอื ปริมาตรจำเพาะของกา ซเสยี และ ηID คอื ประสทิ ธภิ าพของพัดลมดูดอากาศ พัดลมท่ีใชผลิตดราฟตจากการดดู ตองทำงานที่อุณหภูมิสงู กำลังงานที่ตอ งใหพดั ลมจึงมากกวา ในกรณีของดราฟตจากการเปา นอกจากนี้พดั ลมยงั ตอ งผจญขี้เถาในกา ซเสยี อายุการใชงานของมันจงึ สั้นกวา พดั ลมเปาอากาศ แตพัดลมดดู อากาศมีความปลอดภยั เพราะจะไมมีการรว่ั ไหลของกาซเสียและเปลวไฟออกนอกเตาเผา เนอื่ งจากดราฟตทง้ั สองชนดิ มีทง้ั ขอ ดีและขอ เสยี โรงไฟฟา จึงมกั ใชทง้ั สองชนดิ รว มกนั กลา วคอืพดั ลมจะถูกติดต้งั ทท่ี างเขาและทางออกของเครอื่ งกำเนิดไอนำ้ อันจะทำใหภายในเตาเผามีความดันตำ่กวาส่งิ แวดลอ มเพียงเล็กนอย ดราฟตท ีไ่ ดจ งึ เรยี กวา ดราฟตสมดุล (balanced draft)6.11.3 พดั ลม พัดลมทำหนาท่ีเพิม่ ความดันสถิตหรือความเร็วใหอากาศหรือกา ซ ดงั น้นั พดั ลมจงึ เปน อปุ กรณท่ีมีความสำคญั มากในระบบถายเทอากาศและกาซเสีย เน่ืองจากพัดลมตองติดตั้งที่ตำแหนง ตา ง ๆ กันการเลอื กใชพ ดั ลมจึงตองคำนงึ ถงึ ความเหมาะสมตอการใชงาน พดั ลมที่ใชใ นโรงไฟฟา มีสองแบบคือ แบบไหลตามแนวแกน (axial type) และแบบแรงเหว่ยี ง (centrifugal type) พดั ลมแบบแรกทำงานโดยหลักการเดยี วกับพัดลมตงั้ โตะ อากาศจะไหลเขาและออกจากพัดลมตามแนวแกน พัดลมแบบไหลตามแนวแกนจงั หวะเดียว (single-stage axial fan) ใชสำหรบั เปาอากาศ สวนพดั ลมตามแนวแกนสองจังหวะ (two-stage axial fan) ใชสำหรบั ดูดกาซเสีย พัดลมแบบไหลตามแนวแกนมีประสิทธิภาพสงู ที่ชว งอัตราการไหลของอากาศท่ีกวาง ดังนั้นจึงไมตองควบคุมการทำงานของพดั ลมอยางใกลชิด อยา งไรกต็ ามพดั ลมแบบน้ีมีราคาแพงและตองไดรบั การดูแลรกั ษาอยา งดี จึงเหมาะกบั การใชงานในภาวะท่ีไมม ีฝนุ ละอองหรือขี้เถา ซง่ึ ก็คือการเปาอากาศ ถา จะใชพัดลมในการดูดกาซเสีย ตองมน่ั ใจวาอนภุ าคในกาซเสยี ถูกกำจดั ไปเกอื บหมดโดยระบบกำจดั ฝุน ไมเชนน้นั แลว พัดลมจะเสียหายไดเนื่องจากมันไมสามารถทนตอฝุน ในกา ซเสียไดด ี
116 บทที่ 6. เครื่องกำเนิดไอน้ำ หลักการทำงานของพัดลมแบบแรงเหวี่ยงคอื อากาศทม่ี คี วามดันต่ำหรอื ความเร็วต่ำจะไหลเขากลางพดั ลมและมีความดันหรือความเร็วเพิม่ จากแรงเหวีย่ งของการหมนุ ของพดั ลมซงึ่ ทำใหอากาศที่ออกมีความดนั สูงหรือความเรว็ สงู พดั ลมแบบแรงเหว่ยี งประกอบดวยใบพัดท่ีตอ กับแกนหมุน การทำงานของพัดลมขน้ึ อยูกบั ลักษณะของใบพดั ซ่งึ แบง เปน ใบโคงเอียงหนา (forward-curved) ซึง่ การโคงเอยี งของใบพัดมีทิศทางเดียวกบั ทิศทางการหมนุ ของพดั ลม ใบตรง (flat) และใบโคง เอียงหลัง (backward-curved) ซ่งึ การโคง เอียงของใบพัดมีทิศทางสวนกับทศิ ทางการหมนุ ของพดั ลม รปู ที่ 6.18 แสดงลกั ษณะของใบพัดท้ังสามแบบ ถาความเรว็ ของอากาศหรือกา ซเสียท่ีออกจากปลายใบพัดเทากนั ท้งั สามกรณีความเรว็ ของใบพัดโคงไปขางหนา จะมีคานอ ยทสี่ ดุ และความเรว็ ของใบพดั โคงไปขา งหลังจะมีคามากท่ีสุด ตารางท่ี 6.1 เปรยี บเทยี บใบพดั ท้ังสามแบบ จะเห็นวาพดั ลมแบบใบโคงเอียงหลงั เหมาะสำหรบักวา พดั ลมแบบอนื่ ขอ เสียท่ีสำคัญของพดั ลมแบบน้ีคอื ความทนทานตอฝนุ ต่ำเมื่อใชพดั ลมแบบนี้ดดูอากาศ ซงึ่ ขอเสียเปรียบน้ีสามารถแกไ ขไดถามีระบบกำจัดฝนุ ที่มีประสิทธิผลกอนกาเสียไหลเขา พัดลมอยางไรกต็ าม ในกรณีท่ีมีฝนุ ปรืมาณมากในกา ซเสีย อาจจำเปนตองใชพดั ลมแบบใบตรงซง่ึ มีโครงสรางแข็งแรงและสามารถสรางใหมีความทนทานตอฝุนที่สูงมากได ถึงแมว า ประสิทธภิ าพของพัดลมแบบน้ีจะต่ำกวาพดั ลมแบบใบโคงเอียงหลงั พดั ลมแบบใบโคงเอยี งหนามขี อเสียหลายประการ จงึ ไมเ หมาะกบั การใชงานในโรงไฟฟา พดั ลมแบบน้ีนิยมใชในระบบปรบั อากาศโดยทำหนา ที่เปนพัดลมระบายอากาศขนาดเล็ก รูปที่ 6.18: พัดลมชนิดแรงเหวี่ยงแบบใบโคงเอียงหนา, ใบตรง และใบโคง เอียงหลงั พารามเิ ตอรที่กำหนดสมรรถนะของพดั ลมคอื อัตราการไหล ความดันสถิตและกำลังงาน ความดนัสถติ หมายถึงความดันสถติ ท่ีพดั ลมเพมิ่ ใหอากาศท่ีไหลผา น มีเสน โคง ท่ีแสดงความสัมพันธระหวา งความดนั สถิตกบั อตั ราการไหลสองเสน เสนโคงแรกคือ เสนโคง ลกั ษณะเฉพาะ (characteristic curve) ซึ่งไดจากการทดสอบพัดลม เสน โคงนี้จึงเปน ลกั ษณะเฉพาะของพดั ลมแตล ะเครอ่ื ง เสน โคงท่ีสองคือ เสนโคงความตา นทานของระบบ (system resistance curve) ซ่ึงแสดงวาอากาศตองไดรบั ความดันสถติ มากขึน้ เม่อื มีอัตราการไหลเพมิ่ ขึน้ เนอ่ื งจากระบบมีความตา นทานการไหลเพมิ่ ขนึ้ เม่ือนำพัดพัดลมไปทำงานในระบบจดุ ทำงานของพัดลมจะเปน จุดตัดของเสน โคงทัง้ สองเสนดงั แสดงในรปู ท่ี 6.19 พดั ลมมกั ไดรับการออกแบบใหมีประสทิ ธภิ าพสงู สดุ ที่จุดทำงาน อยา งไรกต็ ามเปน เรื่องยากที่จะเลือกจุดทำงานไดอยา งแมน ยำในข้ันตอนการเลือกพดั ลม ในทางปฏบิ ัติพดั ลมท่ีเลอื กใชมักมีสมรรถนะสูงกวาความตองการใช
6.11. การไหลเวยี นของอากาศและกาซเสยี 117ตารางที่ 6.1: เปรยี บเทียบสมรรถนะของใบพัดสามแบบของพัดลมแรงเหวยี่ งขนาดของพัดลม ใบโคง เอียงหนา ใบโคง เอยี งหลัง ใบตรงประสิทธิภาพ เลก็ ปานกลาง ปานกลางเสถียรภาพ 84-91% 70-72%ความเร็วพดั ลม 78-83% ดีความทนตอ ฝนุ ไมดี สงู ดี ตำ่ ต่ำ ปานกลาง ปานกลาง สูงงานจรงิ กลา วคือพดั ลมที่เลอื กใชจะมีประสทิ ธภิ าพสูงสดุ ท่ีอัตราการไหลสงู กวา อตั ราการไหลท่ีตอ งการเหตุผลท่ที ำเชน น้ีคอื • ความตา นทานของระบบอาจมากกวา ที่ออกแบบไวเนอื่ งจากการสะสมของฝุน และสแลกบนพื้น ผิวของอุปกรณตาง ๆ ในเครื่องกำเนิดไอนำ้ • ระบบการไหลของอากาศและกาซเสียอาจมีการร่วั ซึ่งทำใหตอ งเลือกพัดลมที่ใหอัตราการไหลสูง เพือ่ ชดเชยการรวั่ • ระบบอาจตองการอากาศสว นเกนิ มากกวาที่คาดวา จะตองการ รูปท่ี 6.19: จุดทำงานของพดั ลม การควบคุมอัตราการไหลสามารถกระทำไดโดยวิธีควบคุมแบบปรบั มุมของใบพดั นำ (inlet vanecontrol) ใบพัดนำเปนใบพัดนง่ิ ท่ีติดต้งั กอนใบพดั หมุน รูปที่ 6.20 แสดงผลของการควบคุมพัดลมดว ยวิธีน้ี การปรบั มมุ ของใบพดั นำทำใหเสน โคง ความดันสถิตของพัดลมเปลย่ี นจากเสน sp1 เปนเสน sp2และจากเสน sp2 เปนเสน sp3 นอกจากนี้เสน โคงกำลงั งานก็เปล่ยี นจากเสน p1 เปนเสน p2 และจาก
118 บทท่ี 6. เครือ่ งกำเนิดไอน้ำเสน p2 เปนเสน p3 อยางไรกต็ ามเสนโคงความตา นทานของระบบไมเปลี่ยน ดงั นัน้ การควบคุมพดั ลมดวยวิธีน้จี ึงทำใหจุดทำงานของพดั ลมเปล่ยี นจากจดุ a เปนจุด b และจากจดุ b เปนจุด c เปน ท่ีนา สงั เกตวา การลดลงของอัตราการไหลทำใหกำลงั งานของพดั ลมลงจากจุด a′ บนเสน p1 เปน จดุ b′ บนเสน p2และจากจุด b′ บนเสน p2 เปน จุด c′ บนเสน p3 รปู ที่ 6.20: วิธคี วบคมุ พัดลมแบบปรบั มุมของใบพดั นำ อีกวิธีหน่ึงที่ใชควบคมุ การทำงานของพัดลมไดคอื วิธีควบคุมแบบปรับความเรว็ (variable-speedcontrol) เสน โคง sp1 และ p1 เปน เสนโคง ของพัดลมความเรว็ สูง เสนโคง sp2 และ p2 เปน เสน โคงของพดั ลมความเร็วปานกลาง เสน โคง sp3 และ p3 เปนเสนโคง ของพดั ลมความเร็วต่ำ จะเห็นวา การลดความเรว็ พดั ลมทำใหอตั ราการไหลและกำลงั งานของพดั ลมลดลงตามไปดวย เมอื่ เปรยี บวิธีควบคมุ แบบหลายความเรว็ กบั วิธีควบคุมแบบปรับมมุ ของใบพดั นำจะพบวา วธิ ีควบคุมแบบหลายความเรว็ ทำใหกำลงังานของพัดลมลดลงมากกวาวธิ ีควบคุมแบบปรบั มมุ ของใบพดั นำ รปู ที่ 6.21: วธิ คี วบคุมพัดลมแบบปรับความเรว็
6.11. การไหลเวยี นของอากาศและกาซเสยี 119คำถามทายบท 1. ทำไมอตั ราการผลิตไอน้ำทีล่ ดลงจึงสง ผลใหต องใชอ ากาศสว นเกินมากขน้ึ 2. ทำไมหมอ ไอน้ำแบบทอไฟจึงมขี นาดเล็กเมื่อเทยี บกับหมอ ไอน้ำแบบทอ น้ำ 3. ผนงั น้ำหมายถึงอะไร 4. ทำไมทอ น้ำข้นึ จึงมขี นาดเลก็ กวา ทอนำ้ ลง 5. ถงั พกั ไอนำ้ ทำหนาทีอ่ ะไรในเครอื่ งกำเนดิ ไอน้ำ 6. ละอองนำ้ ท่ีปะปนไปกับไอนำ้ ท่ีออกจากถังพกั ไอนำ้ จะสงผลเสียตอเคร่ืองกำเนดิ ไอน้ำอยางไร 7. อะไรจะเปนผลเสยี ที่เกดิ ข้ึนถา ไมมีการถา ยนำ้ ออกจากถงั พกั ไอน้ำ 8. ไซโคลนทำหนา ที่อะไรในถงั พักไอน้ำ 9. เครอ่ื งประหยดั เชอ้ื เพลงิ ทำหนา ท่อี ะไร10. อะไรคอื สาเหตุสำคญั นอกจากราคาทอ ท่ีทำใหทอของเครอื่ งทำไอนำ้ ยวดย่งิ ของโรงไฟฟา ถา นหิน ไมนยิ มติดครบี ทัง้ ๆ ที่การถา ยเทความรอนจะดขี ึ้น11. เครือ่ งอุน อากาศมกี ีแ่ บบ อะไรบา ง12. การไหลวนของกา ซเสยี สง ผลอยา งไรตอ อุณหภูมไิ อน้ำทอ่ี อกจากเครือ่ งทำไอนำ้ ยวดย่งิ13. อธิบายการควบคมุ อณุ หภมู ิไอน้ำโดยการเอียงระดบั หัวเผาขึ้นลงมาพอสงั เขป14. ทำไมการใชเครอ่ื งทำไอนำ้ ยวดยง่ิ แบบแผรังสีควบคูกับแบบพาความรอ นจึงควบคมุ อณุ หภมู ิไอ น้ำได15. บอกขอ เสยี สองขอ ของการท่ีอุณหภมู ิไอนำ้ ทีไ่ หลเขา เครอื่ งกงั หันเปล่ยี นแปลงในชว งกวาง ๆ16. อธบิ ายการใชการไหลเวยี นของกา ซเสยี รวมกบั การลดเอนทลั ปไอนำ้ เพ่อื ควบคมุ อณุ หภูมิของไอ นำ้17. อะไรคือขอ เสียของระบบดราฟทเชงิ กลจากการเปา18. พัดลมแบบแรงเหวี่ยงมีก่ีแบบ อะไรบา ง19. ถาเปรยี บเทยี บกำลังงานท่ีตอ งใหกบั พัดลมเปา และกำลงั งานที่ตองใหกับพัดลมดดู ของระบบ ดราฟทเชงิ กลเดียวกัน อยางไหนตองการกำลงั งานมากกวา20. ทำไมพัดลมเปา อากาศจึงมีขนาดเลก็ กวา พดั ลมดดู กา ซเสีย
120 บทที่ 6. เครื่องกำเนิดไอนำ้
บทที่ 7เครอื่ งกังหันไอน้ำ7.1 หลกั การทำงาน ไอนำ้ ที่ไหลเขาเครอ่ื งกงั หันไอนำ้ มีความดันและอณุ หภูมิสงู การไหลผานเครอ่ื งกังหนั ไอน้ำทำใหความดันของไอนำ้ ลดลง ซง่ึ สง ผลใหเอนทลั ปลดลง ผลตา งระหวางเอนทลั ปของไอนำ้ ทางเขา และทางออกของเคร่ืองกังหนั ไอนำ้ มีคาเทากบั งานที่ไดจากเคร่อื งกังหนั ไอน้ำซ่ึงอยูในรปู ของพลังงานกลจากการหมนุ เครือ่ งกงั หนั ไอน้ำอาจแบง เปนสองประเภทหลกั คือ เครอื่ งกงั หันแบบไหลตามแนวรศั มี(radial-flow turbine) และเครอื่ งกังหนั แบบไหลตามแนวแกน (axial-flow turbine) เคร่อื งกังหันไอน้ำทง้ั สองประเภทประกอบดว ยโรเตอรท่ีมีใบพัดจำนวนมาก ความดันท่ีสงู ของไอน้ำสงแรงกระทำตอใบพัดซึ่งทำใหโรเตอรหมุนดว ยความเรว็ สูงและเกิดการแปลงพลังงานของไอนำ้ เปน พลงั งานกลจากการหมนุ ของเพลา ขอแตกตางที่เห็นไดชดั ระหวางเครอื่ งกังหนั ไอน้ำทง้ั สองประเภทคอื ทิศทางการไหลของไอน้ำ ในกรณีของเคร่ืองกังหนั แบบไหลตามแนวรัศมี ไอน้ำไหลเขาโรเตอรของทางรัศมีนอกของโรเตอรไหลผา นโรเตอรตามแนวรัศมี และไหลออกจากโรเตอรทางรศั มีใน ในกรณีของเครอื่ งกงั หันแบบไหลตามแนวแกน ไอนำ้ ไหลเขา และออกจากโรเตอรตามแนวแกนของเพลา เครื่องกังหันแบบไหลตามแนวรัศมีมีขอจำกัดที่ขนาดเลก็ และอตั ราการไหลของไอน้ำตำ่ จงึ ไมเหมาะกบั การใชในโรงไฟฟา ในทางตรงกันขาม เคร่อื งกงั หนั แบบไหลตามแนวแกนสามารถออกแบบใหมีขนาดใหญและอตั ราการไหลของไอนำ้ สูงเคร่อื งกังหันไอน้ำในโรงไฟฟาเกอื บทง้ั หมดเปน ประเภทนี้ สวนประกอบสำคัญของเคร่อื งกงั หันไอน้ำคือใบพัดที่จัดเรียงเปน แถวโดยมีแถวของใบพดั นง่ิ หรือสเตเตอร (stator) สลบั กับแถวของใบพัดหมุนหรอื โรเตอร (rotor) ตามรูปที่ 7.1 ใบพัดนง่ิ จะยึดตดิ กบัโครงหมุ ของเครอื่ งกงั หนั ในขณะท่ีใบพดั หมนุ จะยึดตดิ กบั แกนหมนุ โดยฐานของใบพดั นิง่ และใบพัดหมนุมีลกั ษณะเปนสลักเพ่ือใหการยึดตดิ มีความมนั่ คง ใบพดั นงิ่ อาจถูกออกแบบใหเปล่ียนไอนำ้ ความดันสูงและความเรว็ ตำ่ เปนไอนำ้ ความดนั ต่ำและความเร็วสูง ใบพัดหมุนถกู ออกแบบแปลงพลงั งานของไอน้ำเปน พลงั งานกลจากการหมุนของใบพดั
122 บทท่ี 7. เคร่อื งกงั หันไอน้ำ รปู ที่ 7.1: สเตเตอรและโรเตอรของเคร่อื งกังหันไอน้ำ7.2 ขน้ั ทำงาน หน่ึงขน้ั ทำงาน (stage) ของเครอ่ื งกังหันไอน้ำหมายถงึ สเตเตอรกบั โรเตอร หน่งึ ข้ันทำงานสามารถใหกำลังงานไมมากนัก เครื่องกงั หนั ไอน้ำจงึ ตอ งประกอบดวยหลายขนั้ ทำงานโดยไอนำ้ จะขยายตวั ในแตล ะขั้นทำงาน รปู ที่ 7.2 แสดงการเปลีย่ นแปลงความดันของไอน้ำท่ีไหลผาน 4 ขนั้ ทำงาน จะเห็นวามีการลดลงของเอนทัลปควบคูกับการลดลงของความดัน ขน้ั ทำงานของเครื่องกงั หนั ไอนำ้ แบง เปนสองแบบตามลักษณะของใบพดั น่งิ และใบพัดหมุนไดแกข้ันทำงานแรงดล (impulse stage) และขนั้ ทำงานแรงปฏกิ ิริยา (reaction stage) รปู ท่ี 7.2: การขยายตวั ของไอน้ำในเครื่องกงั หนั ไอน้ำท่ีมี 5 ขน้ั ทำงาน
7.2. ข้นั ทำงาน 1237.2.1 ข้นั ทำงานแรงดล ในข้นั ทำงานแรงดลไอน้ำความดันสูงและความเร็วต่ำจะมีความดนั ลดลงและความเรว็ สงู เม่ือไหลผานใบพัดนิ่งซ่ึงทำหนาท่ีเปน หวั ฉีด หลังจากน้นั ไอนำ้ จะเขาปะทะกบั ใบพัดหมนุ ซ่ึงทำใหโมเมนตมั ของไอน้ำลดลง และสง ผลใหเกิดแรงกระทำตอ ใบพดั และพลังงานกลของเคร่อื งกงั หัน รูปท่ี 7.3 แสดงใบพัดในข้ันทำงานแรงดลและการเปลี่ยนแปลงของความดันและความเรว็ ไอนำ้ ในการไหลผานข้นั ทำงานแรงดล เปน ท่ีนาสังเกตวา ใบพดั ในโรเตอรมีลักษณะสมมาตรคลายเกอื กมาซงึ่ ทำใหมุมเขา และมมุ ออกของใบพดั เทากัน รูปที่ 7.3: ขน้ั ทำงานแรงดล ขั้นทำงานแรงดลที่นำมาตอ กันเรยี กวา ขั้นทำงานแรงดลความดันผสม (pressure compoundstage) รูปท่ี 7.4 แสดงใบพัดและการเปล่ยี นแปลงความดันและความเร็วไอนำ้ ในการไหลผานสองขั้นทำงานของขนั้ ทำงานแรงดลความดันผสม เปนท่นี า สงั เกตวา โพรไฟลความเร็วในแตละขัน้ ทำงานเหมือนกนั และโพรไฟลความดนั ในแตละขั้นทำงานแตกตางกันเพียงระดบั ความดนั แตการเปลีย่ นแปลงความดันระหวางการไหลผา นใบพัดคลายกัน ดงั น้นั เอนทลั ปท่ีลดลงในการไหลผานหัวฉดี ในแถวที่หนึ่งจงึเทา กับเอนทลั ปท ี่ลดลงในแถวที่สามและโรเตอรใ นแถวท่ีสองและส่ีใหกำลงั งานเทากนั ถา แถวที่สามของขั้นทำงานในรปู ที่ 7.4 ไมไดทำหนา ท่ีเปนหวั ฉดี แตทำหนา ที่เปลี่ยนทิศทางการไหลของไอน้ำโดยไมไดลดความดันและเพ่ิมความเรว็ ของไอนำ้ ขัน้ ทำงานจะเปลีย่ นเปนข้ันทำงานแรงดลความเรว็ ผสม (velocity compound stage) ดังแสดงในรปู ที่ 7.5 ขัน้ ทำงานแบบนี้มีหวั ฉีดในแถวแรกเพียงแถวเดยี ว ความดันของไอน้ำจึงลดลงในแถวแรกและคงทีต่ ลอดการไหลทเ่ี หลือ โพรไฟลค วามเร็วไอนำ้ ในโรเตอรแ ถวทสี่ องและสม่ี ีลกั ษณะคลายกนั แตระดับความเร็วในโรเตอรแ ถวท่ีสองมากกวา7.2.2 ขั้นทำงานแรงปฏกิ ิรยิ า ขอ แตกตางระหวา งขน้ั ทำงานแรงปฎิกริ ยิ ากับขนั้ ทำงานแรงดลคือ การเปลยี่ นแปลงของความดันไอนำ้ ท่ีไหลผา นใบพดั หมนุ ความดนั คงท่ีเมอื่ ไอน้ำไหลผานใบพดั หมุนของข้นั ทำงานแรงดล แตความดนั ลดลงเมอ่ื ไอน้ำไหลผานใบพัดหมนุ ของข้ันทำงานแรงปฏิกิริยา ซงึ่ ทำใหเอนทลั ปลดลงตามไปดว ย
124 บทท่ี 7. เครื่องกังหันไอนำ้รปู ที่ 7.4: ขนั้ ทำงานแรงดลความดันผสมใบพัดหมนุ ของขนั้ ทำงานแรงปฏิกิรยิ าทำหนา ท่ีเปนหวั ฉดี ท่ีหมนุ รอบแกนดว ยความเร็วสูง งานที่กระทำโดยโรเตอรของข้นั ทำงานแรงปฏกิ ริ ิยาจึงไดมาจากแรงดันของไอนำ้ และพลงั งานจลนของไอน้ำ สดั สว นของงานที่ไดจากแรงดนั ของไอนำ้ เทยี บกับงานท่ีไดทั้งหมดคอื ระดบั ปฏิกริ ยิ า (reaction degree) ซ่งึสามารถเขียนเปนสูตรดังนี้R = ∆hr (7.1) ∆hs + ∆hrโดยท่ี ∆hs เปน เอนทลั ปท่ีลดลงในสเตเตอรและ ∆hr เปนเอนทลั ปที่ลดลงในโรเตอร ระดบั ปฏิกิริยามีคา ระหวา ง 0 ถงึ 1 ขนึ้ กับการออกแบบใบพัดน่งิ และใบพัดหมุน ข้ันทำงานแรงปฏิกิริยา 50% หมายถึงข้ันทำงานท่ีมีการลดลงของเอนทลั ปในสเตเตอรและโรเตอรเทา กันซงึ่ มีใบพดั นิ่งและใบพดั หมุนที่เหมอื นกนั รูปท่ี 7.6 แสดงใบพดั ในขนั้ ทำงานแรงปฏกิ ริ ยิ าและการเปลยี่ นแปลงของความดันและความเร็วไอนำ้ในการไหลผานข้ันทำงานแรงปฏกิ ิริยา 50% เปนท่ีนา สังเกตวา ใบพดั ในโรเตอรของขั้นทำงานปฏิกิริยามีลกั ษณะคลายแพนอากาศ (air foil)7.3 ประสทิ ธิภาพหัวฉดี การไหลผานข้ันทำงานของไอนำ้ จะทำใหเอนทัลปของไอน้ำ อุปกรณท่ีทำหนาที่ลดเอนทัลปคือหวั ฉีด (nozzle) หัวฉีดในสเตเตอรของขน้ั ทำงานแรงดลและขน้ั ทำงานแรงปฏิกริ ยิ าเปน หัวฉีดที่อยูกับ
7.3. ประสิทธภิ าพหวั ฉีด 125 รปู ท่ี 7.5: ขน้ั ทำงานแรงดลความเรว็ ผสม รูปท่ี 7.6: ขัน้ ทำงานแรงปฏกิ ิริยา 50%ท่ี หวั ฉดี ในโรเตอรของขั้นทำงานแรงปฏกิ ริ ยิ าเปนหวั ฉดี ท่ีหมนุ ดวยความเร็วสงู หวั ฉดี ในอุดมคติจะลดเอนทัลปของไอนำ้ โดยไมเปล่ยี นเอนโทรป แตการไหลของไอนำ้ ผา นหัวฉีดจริงจะมีการเพม่ิ ขึ้นของเอนโทรปเน่อื งจากความเสยี ดทานระหวางไอนำ้ กับหวั ฉดี ประสทิ ธิภาพหัวฉดี (nozzle efficiency) คืออัตราสวนระหวางเอนทลั ปท่ีลดลงจรงิ ในการไหลผา นหัวฉดี กับเอนทลั ปท่ีจะลดลงถา การไหลเปนแบบ
126 บทที่ 7. เครอ่ื งกงั หนั ไอน้ำไอเซนโทรปก (isentropic flow) ∆h (7.2) ηN = ∆hs เอนทลั ปท่ีลดลงสง ผลใหความดันไอน้ำลดลงและความเรว็ ไอน้ำเพ่ิมข้ึน ในกรณีของหวั ฉดี ในสเตเตอร ความสัมพนั ธระหวางเอนทลั ป (h0) กับความเรว็ (V0) ไอน้ำที่เขาหัวฉดี และเอนทัลป (h1)กบั ความเรว็ (V1) ไอนำ้ ทอ่ี อกจากหวั ฉดี เปน ไปตามกฎการอนุรักษพลังงาน h0 + V02 = h1 + V12 2 2 =⇒ ∆h = h0 − h1 = V12 − V02 2 2โดยทัว่ ไป V0 นอยกวา V1 มาก ดงั นน้ั ∆h = V12 (7.3) √2 (7.4) V1 = 2∆h ตวั อยา ง ไอน้ำอิ่มตวั ความดนั 0.4 MPa ไหลเขา หัวฉดี ดว ยความเรว็ นอ ยมาก และออกจากหัวฉดี ที่ความดนั 0.1 MPa ถาประสิทธภิ าพของหวั ฉีดเทากบั 90% จงหาความเร็วของไอน้ำที่ไหลออกจากหัวฉดี วธิ ที ำ จากแผนภมู ิไอนำ้ พบวา ที่ความดนั 0.4 MPa ไอน้ำอ่มิ ตัวมีคาเอนทลั ป h0 = 2740 kJ/kg ท่ีความดัน 0.1 MPa และ s1s = s0 ไอน้ำมีคา เอนทัลป h1s = 2500 kJ/kg คา ∆h คำนวณจากสมการ (7.2)แทนคา ∆h ในสมการ (7.4) ∆h = 0.90(2740 − 2500) × 103 = 2.16 × 105 J/kg √ V1 = 2 × 2.16 × 105 = 657 m/s7.4 สามเหลย่ี มความเรว็ เครือ่ งมือในการวิเคราะหการไหลของไอน้ำผานใบพดั หมุนซง่ึ ทำใหเกดิ แรงกระทำตอใบพัดหมนุและกำลงั งานที่ไดจากใบพดั หมนุ คอื สามเหล่ียมความเร็ว (velocity triangle) ซึ่งแสดงใหเหน็ เวกเตอร
7.4. สามเหล่ียมความเรว็ 127ความเร็วสามเวกเตอรท่ีเก่ียวขอ งกับการไหลชองไอนำ้ ผา นใบพดั หมุน V⃗ หมายถึงเวกเตอรความเร็วสมั บูรณ (absolute velocity) U⃗ หมายถงึ ความเร็วของใบพดั หมุนและ W⃗ หมายถึงความเรว็ สมั พัทธไอนำ้ เทียบกบั ใบพัด ความสัมพันธระหวา งเวกเตอรค วามเร็วทง้ั สามคอื V⃗ = W⃗ + U⃗ (7.5) รูปที่ 7.7 แสดงสามเหล่ยี มความเร็วทางเขา สูใบพัดหมุนและทางออกจากใบพดั หมุน จะเหน็ วาความเร็วใบพัดมีคาคงที่ในขณะท่ีความเรว็ สัมบรู ณและความเร็วสมั พทั ธอาจเปลี่ยนแปลง มมุ ของความเรว็ สมั บูรณทางเขาหรอื V1 เรียกวา มมุ หวั ฉดี (nozzle angle) เนอื่ งจากไอนำ้ ที่ไหลเขาใบพัดหมนุ ก็คือไอน้ำทไ่ี หลออกจากหัวฉดี หรือสเตเตอรท่ีมุมนี้ นอกจากนมี้ มุ เขา (ϕ1) และมุมออก (ϕ2) ของใบพดั เทากบัมมุ เขา และมุมออกของความเรว็ สัมพัทธเน่ืองจากใบพดั มกั ถูกออกแบบใหความเรว็ สัมพัทธเขา และออกจากใบพัดในทิศทางสัมผสั กับใบพดัรูปที่ 7.7: สามเหล่ียมความเรว็ ทางเขา (บน) และสามเหลย่ี มความเร็วทางออก (ลาง) เปนที่นา สังเกตวาความเรว็ ใบพัดในสามเหลยี่ มความเรว็ ทางเขาและทางออกมีคาเทา กนั และมีทศิ ทางเดียวกันคือ ต้ังฉากกับแกนหมุนของโรเตอรเน่ืองจากเครอ่ื งกงั หันไอน้ำเปน แบบไหลตามแนวแกน สามเหลยี่ มความเรว็ ทางเขา และทางออกจงึ สามารถเขียนซอ นกนั โดยใชวกเตอรของความเรว็ ใบพัดเปน ฐานรวมกัน ความเร็วใบพดั สามารถคำนวณจากความเร็วรอบของโรเตอรด งั น้ี U = ωr (7.6)โดย ω คอื ความเรว็ รอบซ่ึงมีหนว ยเปน rad/s และ r คือ ระยะจากจุดศูนยกลางโรเตอรถึงตำแหนงท่ีคำนวณความเร็วใบพดั ถา กำหนดความเรว็ รอบ N ซึง่ มหี นวยเปน rpm มาให ω คำนวณไดจาก 2πN (7.7) ω= 60
128 บทที่ 7. เครอ่ื งกังหนั ไอนำ้ความเรว็ ใบพัดมีคา สูงสุดท่ียอดของใบพดั และมีคาตำ่ สดุ ท่ีฐานของใบพัด ในกรณีท่ีความยาวใบพัดไมมาก การวเิ คราะหใบพดั หมุนอาจกระทำโดยใชความเรว็ ใบพัดท่ีคำนวณจากตำแหนงกลางใบพดั แตถาใบพัดมคี วามยาวมาก การวเิ คราะหใบพดั หมนุ อาจตอ งกระทำทีแ่ ตล ะตำแหนง ของใบพัดแยกจากกนั การวเิ คราะหใบพัดหมุนโดยใชสามเหลยี่ มความเร็วมีวัตถปุ ระสงคที่จะคำนวณงานที่ไดจากใบพดัหมนุ แรงทกี่ ระทำตอใบพดั เทากับผลตา งระหวางโมเมนตัมของไอนำ้ ทเี่ ขา สแู ละออกจากใบพัดในทศิ ทางขนานกบั แถวใบพัดหมนุ F = m˙ (V1 cos θ1 + V2 cos θ2) (7.8)โดยท่ี m˙ คือ อตั ราการไหลเชงิ มวลของไอนำ้ ผลคณู ของแรงกบั ความเรว็ ใบพัดคอื กำลงั งานที่ไดจากใบพัดหมนุ ของโรเตอร P = m˙ U (V1 cos θ1 + V2 cos θ2) (7.9)อีกรูปหนงึ่ ของกำลังงานไดจากการใชกฎขอท่ีหนง่ึ ของพลศาสตรความรอน กำลังงานที่กระทำตอใบพัดเทากบั อตั ราการลดลงของเอนทลั ปและพลังงานจลนข องไอน้ำท่ีไหลผา นใบพัด ดงั นน้ั P = [ − h2 + 1 ( − )] (7.10) m˙ h1 2 V12 V22ผูสงั เกตการณที่เคล่ือนที่พรอมกับใบพดั จะเห็นวาความเร็วไอนำ้ เขา และออกคือ W1 และ W2 ตามลำดับ และกำลังงานที่คำนวณไดในกรอบอา งอิงน้ีจะเปน ศูนยเน่อื งจากใบพัดไมเคลือ่ นท่ีสมั พทั ธกบักรอบอา งองิ 0 = [ − h2 + 1 ( − )] m˙ h1 2 W12 W22=⇒ h1 − h2 = − 1 ( − ) (7.11) 2 W12 W22แทนคา h1 − h2 ลงไปในสมการ (7.10) P = m˙ [( − ) − ( − )] (7.12) 2 V12 V22 W12 W22สมการ (7.12) อาจเขียนใหมโ ดยใชความสัมพนั ธเชงิ ตรโี กณมิตติ อไปน้ี V12 = W12 + U 2 + 2W1U cos ϕ1 (7.13) V22 = W22 + U 2 − 2W2U cos ϕ2ซง่ึ ทำใหส มการ (7.12) กลายเปน P = m˙ U (W1 cos ϕ1 + W2 cos ϕ2)
7.4. สามเหลย่ี มความเร็ว 129 ถา นำสามเหลี่ยมความเร็วทางเขา ใบพดั หมนุ และสามเหลี่ยมความเร็วทางออกในรปู ท่ี 7.7 มาวางซอนกันโดยทง้ั สองสามเหลยี่ มมีฐานเดียวกนั จะพบวา นพิ จนในวงเล็บของสมการ (7.9) และ (7.13) คือระยะหา งระหวางจุดยอด (vertex) ของสามเหล่ยี มทง้ั สอง รปู ท่ี 7.8 เปรียบเทยี บสามเหลยี่ มความเรว็ ของขน้ั ทำงานแรงดลและขัน้ ทำงานแรงปฏิกิริยา 50%ใบพดั หมนุ ของขั้นทำงานแรงดลเปน ใบพัดสมมาตร ดงั นั้น ϕ1 = ϕ2 ในรูปดานซาย ในทางตรงขามใบพดัหมนุ ของข้ันทำงานแรงปฏิกริ ิยา 50% มีมุมเขาไมเทา กบั มุมออก อยา งไรก็ตาม การที่ผลตางเอนทลั ปในสเตเตอรและโรเตอรของขัน้ ทำงานแรงปฏกิ ิรยิ า 50% มีคา เทา กันทำใหสามเหล่ยี มความเรว็ ทางเขา และทางออกเหมือนกัน ดงั น้ัน ϕ1 = θ2 และ ϕ2 = θ1 ในรูปดา นขวา นอกจากน้ี W1 = V2 และ W2 = V1รปู ที่ 7.8: สามเหลี่ยมความเรว็ ของข้ันทำงานแรงดล (ซา ย) และข้นั ทำงานแรงปฏกิ ริ ยิ า 50% (ขวา) กำลังงานของโรเตอรไดจากไอน้ำท่ีไหลเขา โรเตอรดว ยความเร็วสงู ไอน้ำนี้เปน ไอนำ้ ความดนั ต่ำซง่ึ มาจากไอนำ้ ความดนั สูงที่ไหลเขาหวั ฉดี ดังนนั้ จึงมีการแปลงพลงั งานศักยของไอน้ำเปนพลังงานกลของโรเตอรในการไหลผานข้นั ทำงานของเครื่องกงั หันไอนำ้ ประสิทธิภาพของการแปลงพลงั งานคอืประสทิ ธภิ าพใบพัด (blade efficiency) P (7.14) ηB = m˙ ∆hในกรณีของขน้ั ทำงานแรงดล ∆h คือ เอนทัลปที่ลดลงในหวั ฉดี ของสเตเตอรตามสมการ (7.3) แทนคาในสมการ (7.14) จะไดประสทิ ธภิ าพใบพดั ของขัน้ ทำงานแรงดล ηB = P (7.15) 1 m˙ V12 2ในกรณีของขนั้ ทำงานแรงปฏิกริ ยิ า ∆h เปน ผลรวมของเอนทัลปท่ีลดลงในสเตเตอร (h0 − h1) และเอนทลั ปที่ลดลงในโรเตอร (h1 − h2) เอนทัลปท ีล่ ดลงในสเตเตอรหรือหวั ฉีดคอื V12/2 ตามสมการ (7.3)ดงั น้ัน สว นเอนทัลปท่ีลดลงในโรเตอรค ือ h1 − h2 ในสมการ (7.11) ดงั นนั้ ∆h = 1 [V12 + (W22 − W12)] (7.16) 2และประสิทธภิ าพใบพดั ของขนั้ ทำงานแรงปฏิกริ ยิ าคอื ηB = P (7.17) 1 m˙ [V12 + (W22 − W12)] 2
130 บทที่ 7. เครอ่ื งกังหันไอนำ้ ตวั อยาง ข้ันทำงานแรงดลของเคร่อื งกงั หนั ไอน้ำมีความเรว็ รอบ 3000 rpm รัศมีของฐานใบพดัหมนุ คอื 600 mm รัศมีของยอดใบพดั หมุนคอื 800 mm จงหาความเรว็ ใบพัดทกี่ ลางใบพดั วิธที ำ รศั มเี ฉลย่ี (rm) ทกี่ ลางใบพดั เทากับ (600+800)/2 = 700 mm คำนวณความเรว็ ใบพดั จากสมการ(7.6) และ (7.7) U = 2πN rm 60 = 2π × 3000 × 0.7 = 220 m/s 60 ตวั อยาง เครื่องกงั หนั ไอนำ้ ประกอบดว ยแรงปฏกิ ริ ยิ า 50% หน่งึ ขั้น มมุ ของหัวฉีดเทา กับ 20◦Cความเรว็ สมั บรู ณของไอนำ้ ทไ่ี หลเขา โรเตอรเ ทา กับ 50 m/s และความเร็วใบพดั เทา กบั 30 m/s ถา ไอนำ้มีอตั ราการไหล 8 kg/s จงหากำลงั งานของเครื่องกังหนั และประสิทธภิ าพใบพดัวธิ ที ำข้นั ตอนแรกคือ การหามุมเขา ของใบพัด (ϕ1) ซง่ึ หาไดจ ากมมุ ของหัวฉีด (θ1) ที่โจทยระบคุ ามาใหW1 sin ϕ1 = V1 sin θ1W1 cos ϕ1 = tVtaa1nn−−co11s[[θ1V501−Vcc5ooU10ssss2θiinn01θ2◦−10−◦U3]0 ϕ1 = = ] = 45.2◦ข้นั ตอนตอมาคอื การคำนวณ W1 ไดจ าก W1 = V1 sin θ1 sin ϕ1 50 sin 20◦ = sin 45.2◦ = 24.1 m/s ข้นั ตอนสดุ ทายคอื การคำนวณ P จากสมการ (7.11) และ ηB จากสมการ (7.15) โดยใชลักษณะเฉพาะของขนั้ ทำงานแรงปฏิกริ ยิ า 50% (ϕ2 = θ1 และ W2 = V1) P = 8 × 30(24.1 sin 45.2◦ + 50 sin 20◦) = 15.4 kW
7.5. ความเรว็ ทเ่ี หมาะสมทส่ี ดุ 131ηB = 1.54 × 104 1 × 8[502 + (502 − 24.12)] 2 = 0.877.5 ความเร็วท่เี หมาะสมทีส่ ุด ในกรณีที่ไมม ีการสูญเสียพลงั งานจากการไหลแบบปน ปวนและการไหลปะปนของละอองนำ้ Pactเทากับ P ในสมการ (7.10) กำลังงานของข้นั ทำงานจะข้ึนกบั ความเรว็ ไอนำ้ ความเร็วใบพดั และมมุใบพดั กำลังงานจะมีคาสูงสดุ ถาตวั แปรเหลา น้ีมีคาท่ีเหมาะสม ถากำหนดความเรว็ ไอน้ำและมุมใบพัดมาให กำลังงานจะขึ้นกบั ความเร็วใบพัดโดยจะมีคาสูงสดุ เม่ือความเรว็ ใบพดั มีคา เหมาะสมทสี่ ดุ คา หนงึ่ความเร็วใบพัดทเี่ หมาะสมทสี่ ดุ มคี าตา งกันในขน้ั ทำงานแรงดลและข้นั ทำงานแรงปฏกิ ิริยา7.5.1 ขน้ั ทำงานแรงดล ในกรณีของขน้ั ทำงานแรงดลในอุดมคติ ไอนำ้ ผานใบพดั หมนุ ท่ีสมมาตร (ϕ1 = ϕ2) และไมมีความเสียดทาน (W1 = W2) ความเร็วใบพัดที่เหมาะสมทส่ี ุดจะทำใหสว นประกอบแนวนอนของ V2 มีคาเปนศูนย ดงั นนั้ สามเหลย่ี มความเรว็ ทางออกจากใบพดั เปนสามเหลีย่ มมุมฉาก (θ2 = 90◦) ดังแสดงในรูปที่7.9 สามเหล่ียมความเรว็ ทางออกแสดงใหเห็นวา ความเรว็ ใบพัดที่เหมาะสมทีส่ ดุ (Uopt) มีความสัมพนั ธกบั ความเร็วสัมพัทธท างออกดังน้ี Uopt = W2 cos ϕ2นอกจากน้สี ามเหลีย่ มความเรว็ ทางเขาแสดงใหเหน็ วา V1 cos θ1 = W1 cos ϕ1 + Uoptสมการท้งั สองสมการขา งตนใหคา ความเร็วใบพัดที่เหมาะสมท่ีสุดทข่ี ้ึนกบั ความเรว็ สัมบูรณของไอน้ำ Uopt = V1 cos θ1 (7.18) 2แทนคา Uopt ลงในสมการ (7.1) จะพบวา กำลังงานสงู สุดคือ Pmax = m˙ (V1 cos θ1)2 (7.19) 2 (7.20)แทนคา Pmax ในสมการ (7.13) จะไดประสทิ ธิภาพใบพัดสงู สดุ ของข้นั ทำงานแรงดล ηB,max = cos2 θ1
132 บทที่ 7. เครอ่ื งกังหนั ไอน้ำสมการ (7.16) บอกวา ประสทิ ธิภาพใบพดั สูงสุดมคี าเทากับ 1 ถา θ1 = 0◦ กลา วคือใบพัดหมุนมีรปู คลายเกอื กมา แตการออกแบบสเตเตอรเพอ่ื พนไอน้ำสูใบพัดหมุนดังกลาวจะประสบความยากลำบากอยางยงิ่ดงั นนั้ ในทางปฏบิ ตั ิ θ1 จงึ มากกวา 0◦ ขั้นทำงานแรงดลมคี วามเร็วใบพัดสูงมากซึ่งทำใหโ รเตอรตอ งหมุนเร็วเชน กนั ผลเสียท่เี กิดข้นึ คือ การสูญเสยี พลังงานเนอ่ื งจากจะมีความเสียดทานมากและความเคน ในโรเตอรที่เกิดจากแรงหนีศนู ยก ลางก็จะมากเชนกัน การลดความเรว็ ใบพดั ที่เหมาะสมท่ีสุดสามารถกระทำไดโดยการใชข้นั ทำงานแรงดลมากกวาหน่ึงขน้ั รปู ที่ 7.10 แสดงสามเหลย่ี มความเรว็ ของข้นั ทำงานแรงดลความเรว็ ผสมสองขัน้ ที่ใบพัดมีความเร็วที่เหมาะสมทีส่ ุด สามเหลยี่ มความเร็วทางออกของขน้ั ทำงานท่ีสองแสดงใหเหน็ วา ความเรว็ ใบพดั ท่ีเหมาะสมทส่ี ดุ (Uopt) มีความสมั พนั ธกับความเร็วสมั พัทธท างออกดงั น้ีUopt = W4 cos ϕ2นอกจากนี้สามเหล่ยี มความเรว็ ทางเขา ของข้ันทำงานทสี่ องแสดงใหเห็นวาV3 cos θ2 = W3 cos ϕ2 + Uoptสมมุติวา ใบพัดของขั้นทำงานทสี่ องไมม ีความเสยี ดทาน (W3 = W4) ดงั นัน้ (7.21) V3 cos θ2 = 2Uoptรปู ท่ี 7.5 แสดงใหเห็นวาระหวา ง V2 และ V3 มีใบพดั นงิ่ ซึง่ เปน ใบพัดสมมาตรทำหนาที่เปลย่ี นทศิ ทางการไหลของไอน้ำ สมมุตวิ า ไมมีความเสียดทานในใบพัดนี้ (V2 = V3) ดังนน้ัV2 cos θ2 = 2Uopt (7.22)รปู ท่ี 7.9: สามเหล่ียมความเรว็ ในโรเตอรของข้ันทำงานแรงดลที่ใบพดั มีความเร็วท่ีเหมาะสมที่สดุ
7.5. ความเร็วที่เหมาะสมทีส่ ดุ 133รูปที่ 7.10: สามเหลี่ยมความเร็วในโรเตอรของขั้นทำงานแรงดลความเร็วผสมสองข้นั ที่ใบพดั มีความเร็วทีเ่ หมาะสมทส่ี ุดสามเหลย่ี มความเร็วทางออกของขน้ั ทำงานทีห่ นง่ึ แสดงใหเ หน็ วา Uopt มคี วามสัมพันธกับ W2 ดังนี้ W2 cos ϕ1 = V2 cos θ2 + Uopt = 3Uoptสามเหลย่ี มความเร็วทางเขาของข้นั ทำงานที่หนง่ึ แสดงใหเ ห็นวา V1 cos θ1 = W1 cos ϕ1 + Uoptสมมุติวาใบพัดของขั้นทำงานท่ีสองไมม ีความเสยี ดทาน (W1 = W2) ดังน้ัน (7.23) V1 cos θ1 = 4Uoptคา ความเรว็ ใบพัดที่เหมาะสมทสี่ ดุ ท่ขี น้ึ กบั ความเร็วสัมบรู ณข องไอน้ำจึงเทากับ Uopt = V1 cos θ1 4 การวิเคราะหหาคา ความเร็วใบพัดที่เหมาะสมทีส่ ดุ ในกรณีของขน้ั ทำงานแรงดลความเร็วผสมท่ีมี nขนั้ ทำงานอาจใชวธิ ีเหมือนกบั การวิเคราะหข า งตน ผลทไี่ ดคอื Uopt = V1 cos θ1 (7.24) 2n
134 บทที่ 7. เคร่อื งกงั หนั ไอน้ำ ถงึ แมว าข้ันทำงานแรงดลความเร็วผสมสามารถลดความเร็วท่ีเหมาะสมท่สี ดุ ของใบพดั ไดอยางมากแตใบพัดหมุนในแตล ะขน้ั จะทำงานไมเทา กนั ในกรณีท่ีมีสองขนั้ ทำงาน กำลงั งานในขัน้ ทำงานท่ีหน่งึ(P1) และขน้ั ทำงานที่สอง (P2) ตามสมการ (7.7) คอืP1 = m˙ Uopt(V1 cos θ1 + V2 cos θ2)P2 = m˙ Uopt(V3 cos θ2)แทนคา V1 cos θ1, V2 cos θ2 และ V3 cos θ2 จากสมการ (7.21), (7.20) และ (7.19) ตามลำดบั P1 = 6m˙ Uo2pt (7.25) P2 = 2m˙ Uo2pt (7.26)ดังนน้ั อัตราสว นของงานที่ทำโดยขน้ั ทำงานที่หน่งึ ตองานที่ทำโดยข้ึนทำงานท่ีสองเทา กับ 3 : 1 การที่แตล ะขั้นของขน้ั ทำงานแรงดลความเร็วผสมทำงานไมเทา กนั นบั เปน ขอ เสียเปรียบของข้นั ทำงานแรงดลความเรว็ ผสมเนือ่ งจากคา ใชจา ยของแตล ะขน้ั ทำงานใกลเคยี งกนั แตขั้นทำงานทายกลับใหงานท่ีนอ ยมากเมือ่ เทยี บกบั ขั้นทำงานแรก ในกรณีที่มี 3 ขัน้ ทำงาน การวเิ คราะหแสดงใหเหน็ วาอตั ราสว นของงานที่ทำในแตล ะข้ันคือ 5 : 3 : 1 ดงั นน้ั การใชข ั้นทำงานแรงดลความเรว็ ผสมมากกวา 2 ขนั้ ทำงานจงึ ไมเปนท่ีนิยม เพ่อื ลดความเร็วใบพัดและแบง งานใบพัดใหเทา ๆ กนั การลดความเร็วท่ีเหมาะสมที่สดุ อาจใชขัน้ทำงานแรงดลความดนั ผสม ตามท่ีไดกลาวกอ นหนา นี้วาแตละขน้ั ทำงานของข้นั ทำงานแรงดลความดนัผสมประกอบดว ยหวั ฉีดและใบพดั หมุนเหมอื นกนั ดังนัน้ เอนทลั ปจงึ ลดลงเทา กับในแตล ะข้นั ทำงานถาเอนทลั ปไอนำ้ ลดลงรวมทั้งส้ิน ∆h จากการไหลผานขั้นทำงานแรงดลความดนั ผสมมี n ขั้นทำงานเอนทัลปที่ลดลงในแตละข้นั จะเทากับ ∆h/n ความเรว็ สัมบรู ณของไอนำ้ ที่ไหลเขา โดรเตอรในแตล ะขัน้ทำงานจงึ มีคา เทากับ √ (7.27) 2∆h V1 = nเม่อื คำนวณความเรว็ ใบพัดที่เหมาะสมทสี่ ดุ ดวยสมการ (7.16) จะพบวา Uopt ลดลงตาม n แตลดลงในอัตราท่ีนอ ยกวา ขน้ั ทำงานแรงดลความเร็วผสมท่ีมีจำนวนข้ันทำงานเทากัน นอกจากน้ีรูปท่ี 7.4 ยงัแสดงใหเห็นวา มีความดนั ตกครอ มหัวฉดี ในแตละขั้นทำงานของข้นั ทำงานแรงดลความดันผสมซึง่ ทำใหไอนำ้ บางสวนอาจไหลออ มหัวฉดี สง่ิ นี้เปน สาเหตุหน่ึงของการสญู เสยี พลังงานและนับเปนขอเสียของขั้นทำงานแรงดลความดันผสม7.5.2 ขั้นทำงานแรงปฏิกิริยา ขั้นทำงานแรงปฏิกิรยิ าท่ีมีอตั ราสว นปฏิกริ ยิ า 50% มีสามเหล่ยี มความเรว็ เขาเหมือนกับสามเหล่ยี มความเรว็ ออก ในกรณีที่ความเร็วใบพัดมีคา เหมาะสมที่สดุ ทง้ั สามเหลีย่ มความเรว็ เขาและออกเปนสามเหล่ยี มมุมฉากดังแสดงในรปู ที่ 7.11 ซงึ่ ทำใหความเร็วใบพดั ทเี่ หมาะสมทีส่ ดุ มีคาเทา กบั Uopt = V1 cos θ1 (7.28)
7.5. ความเรว็ ที่เหมาะสมที่สุด 135แทนคา Uopt และ θ2 = 90◦ ในสมการ (7.11) จะพบวากำลงั งานสูงสดุ คือ Pmax = m˙ (V1 cos θ1)2 (7.29)ประสทิ ธิภาพสูงสุดไดจากการแทนคา Pmax จากสมการ (7.27) ในสมการ (7.15) หลงั จากการจัดรูปสมการท่ีไดพบวา ηB,max = 2 cos2 θ1 (7.30) 1 + cos2 θ1รปู ที่ 7.11: สามเหลี่ยมความเรว็ ในข้นั ทำงานแรงปฏกิ ริ ิยา 50% เมือ่ ความเรว็ ใบพัดมีคาเหมาะสมท่ีสดุ ขั้นทำงานแรงปฏิกิรยิ ามีขอเสียเหมือนข้ันทำงานแรงดลความดนั ผสมคอื ความดันท่ีลดลงในใบพัดน่งิ และใบพัดหมุนจะทำใหไอนำ้ ร่วั ผา นใบพดั แตปญ หานี้ขัน้ ทำงานแรงปฏกิ ริ ิยาจะรนุ แรงกวา ดังนน้ั ขั้นทำงานแรงปฏกิ ิริยาจงึ นยิ มใชกับไอนำ้ ความดนั ต่ำที่ปองกนั การรวั่ ไหลไดงา ย และจากการที่ไอนำ้ มีความดันต่ำ ความหนาแนน ก็ต่ำตามไปดวย ใบพัดของขน้ั ทำงานแรงปฏกิ ริ ิยาจึงตองมีความสงู พอสมควรเพ่ือใหมีพน้ื ท่ีสำหรบั ไอนำ้ ไหลผา นมากพอ ผลท่ีตามมาคอื ความเร็วใบพดั จะเปลี่ยนแปลงคอนขางมากจากฐานของโรเตอรสูยอดของโรเตอร กลา วคอื ความเร็วใบพดั ท่ียอดอาจเปนสองเทาของความเรว็ ใบพัดที่ฐาน ในขณะที่ความเร็วสมั บรู ณไอน้ำคงท่ี ดงั นน้ั เพอื่ ใหประสทิ ธภิ าพของใบพัดมีคา สงู สดุ ตลอดความสูงของใบพดั ใบพัดจึงควรบดิ ตวั ใหม มุ ทางเขาใบพัดเพม่ิ ขนึ้ จากฐานใบพัดสยู อดใบพดั ตวั อยาง ใบพดั หมนุ ของขนั้ ทำงานแรงดลมีความเสียดทานซง่ึ ทำให W2 = kW1 โดยที่ k < 1 ถามุมหวั ฉีดคือ θ1 จงหาความเรว็ ใบพัดที่เหมาะสมที่สดุ และประสิทธิภาพใบพดั วธิ ีทำ
136 บทที่ 7. เครือ่ งกังหันไอน้ำรูปท่ี 7.13 แสดงสามเหลย่ี มความเรว็ ในกรณที ่ใี บพดั หมนุ มคี วามเร็วที่เหมาะสมท่สี ุดV1 cos θ1 = W1 cos ϕ1 + UoptUopt = W2 cos ϕ2 = kW1 cos ϕ1V1 cos θ1 = Uopt + Uopt (k ) k=⇒ Uopt = k+1 V1 cos θ1รปู ท่ี 7.12: แผนภาพของปญ หาตัวอยา งกำลังงานและประสิทธภิ าพหาไดจากสมการ (7.7) และ (7.13) ตามลำดับP = m˙ U(opt(V1 cos θ1) k ) k+1 = m˙ (V1 cos θ1)2 () kηB = 2 k+1 cos2 θ17.6 ประสิทธิภาพขน้ั ทำงาน กำลังงานสูงสุดท่ีจะไดจากข้ันทำงานคือ m˙ ∆hs โดย ∆hs คือ เอนทลั ปที่ลดลงในขัน้ ทำงานโดยไมมีการเปล่ียนแปลงของเอนโทรป กำลงั งานที่ไดจริงจะนอยกวาน้ีเน่อื งจากมีการสญู เสยี พลังงานในขนั้ทำงานจากสาเหตดุ งั ตอไปน้ี 1. ภายในหัวฉดี มีความเสยี ดทานระหวา งไอนำ้ กบั ผนังของหัวฉีดและมีการไหลแบบปนปวน (tur- bulence) ซ่งึ สง ผลเอนทลั ปท ีล่ ดลงในหวั ฉดี นอยกวา m˙ ∆hs 2. ไอน้ำที่ออกจากขน้ั ทำงานจะมีความเรว็ และพลงั งานจลนเหลอื อยู ซึ่งหมายความวา เอนทัลปท่ี ลดลงในขนั้ ทำงานไมส ามารถแปลงเปนพลังงานกลไดท ง้ั หมด
7.6. ประสิทธภิ าพข้นั ทำงาน 1373. การไหลของไอน้ำในโรเตอรไมใ ชการไหลสองมิติดังแสดงในรปู ท่ี 7.7 การไหลจรงิ จะเปนการไหล แบบปนปวน นอกจากนี้ ความเสยี ดทานระหวางใบพัดกบั ไอน้ำอาจทำใหเกดิ การไหลวนภายใน ชอ งวางระหวา งใบพดั การไหลจริงจึงมีการสญู เสียพลงั งานของไอน้ำซึง่ ทำใหกำลังงานท่ีไดจรงิ จากข้นั ทำงาน (PS) นอยกวา P จากสมการ (7.7) หรอื (7.11)4. ความดนั ครอ มใบพดั ทำใหไอนำ้ บางสว นไมไหลผานใบพัด แตไหลออ มผานชองวา งระหวา งปลาย ใบพัดกบั โครงหมุ กำลงั งานที่ไดจากเครอ่ื งกังหนั นอยกวาที่ควรจะเปน เนื่องจากกำลงั งานของ เครื่องกงั หันแปรผันตามอัตราการไหลของไอน้ำผานใบพดั5. การควบแนนของไอน้ำซึ่งทำใหมีละอองนำ้ ไหลปะปนไปกับไอน้ำ ละอองน้ำมีความเรว็ ต่ำกวา ไอน้ำ ดงั นน้ั ความเรว็ สมั พัทธของไอนำ้ และละอองน้ำจึงไมเทา กัน รูปที่ 7.12 แสดงใหเหน็ วา ความเรว็ สัมพทั ธของไอนำ้ (W) มีทิศทางเดยี วกับมมุ เขาของใบพัด ใขณะท่ีความเรว็ สัมพทั ธของ ละอองนำ้ (Wm) มีทศิ ทางตรงขา มกับทศิ ทางการหมุนของใบพดั ซ่ึงทำใหละอองน้ำขัดขวางการ หมุนของโรเตอรและทำให PS นอยกวา P นอกจากน้ีการปะทะใบพดั ของละอองน้ำหลายครั้ง ยงั จะกดั เซาะใบพัดอกี ดวยรูปที่ 7.13: สามเหล่ยี มความเรว็ ในโรเตอรของไอนำ้ ทีม่ ลี ะอองนำ้ ปะปน ประสทิ ธภิ าพขน้ั ทำงาน (stage efficiency) คอื อตั ราสวนของกำลังงานท่ีไดจริงจากข้ันทำงานตอกำลงั งานสงู สุดท่ีจะไดจ ากขนั้ ทำงาน ηS = PS (7.31) m˙ ∆hsสมการ (7.29) อาจเขียนใหมดงั น้ี ( )( )( ) ∆h P PS ηS = ∆hs . m˙ ∆h . Pทกุ พจนทางดา นขวาของสมการหมายถงึ การสูญเสียพลงั งานท่กี ลาวถงึ ขา งตน พจนแ รกคอื ประสิทธิภาพหวั ฉีดซง่ึ หมายถงึ การสญู เสียพลังงานจากสาเหตุที่ 1 พจนที่สองคือ ประสิทธภิ าพใบพดั ซ่งึ หมายถงึ การ
138 บทที่ 7. เครอ่ื งกังหันไอนำ้สูญเสยี พลังงานจากสาเหตุที่ 2 พจนที่สามหมายถงึ การสูญเสยี พลังงานจากสาเหตุที่ 3-5 ซึ่งสามารถเขียนเปนสมการไดดังนี้ PS = 1 − fL (7.32) Pโดย fL คือ แฟกเตอรการสูญเสียพลงั งาน (energy loss factor) เพราะฉะนัน้ ηS = ηN ηB(1 − fL) (7.33) การหาคา ηS จาก ηN, ηB และ fL อาจไมสะดวกในทางปฏบิ ตั ิ แตสามารถกระทำงายกวาดวยการคำนวณ ∆hs และการวัดความเร็วรอบ (ω) และแรงบดิ ของเครื่องกังหัน (τ) สตู รคำนวณ PS/m˙ คอื PS = τ ω (7.34) m˙ดงั นั้น τω (7.35) ηS = ∆hs ตัวอยา ง ไอน้ำทมี่ ีความดนั 0.7 MPa และอณุ หภมู ิ 800 K ไหลเขา ขัน้ ทำงานหน่งึ ของเครอ่ื งกังหนัไอนำ้ ไอนำ้ ท่ีไหลออกมีความดัน 0.4 MPa จากการทดสอบข้ันทำงานน้ี พบวา มีความเรว็ รอบ 1500rpm และแรงบดิ 1000 N.m จงหาประสิทธภิ าพขั้นทำงาน วธิ ีทำ จากแผนภมู ิไอน้ำพบวา ที่ความดนั 0.7 MPa ไอน้ำยวดยิง่ มีคาเอนทลั ป h0 = 3540 kJ/kg ที่ความดนั 0.1 MPa และ s1s = s0 ไอนำ้ มคี าเอนทลั ป h1s = 3340 kJ/kg ดงั นั้น ∆hs = (3540 − 3340) × 105 = 2.00 × 105 J/kgความเรว็ รอบ (N) มีหนวยเปน rpm แปลงเปน ω ดังน้ี ω = 2πN = 157 rad/s 60ประสิทธภิ าพข้ันทำงานคำนวณจากสมการ (7.33) 1000 × 157 ηS = 2.00 × 105 = 0.785
7.7. เคร่อื งกังหันไอน้ำหลายข้นั ทำงาน 1397.7 เครื่องกงั หันไอนำ้ หลายขัน้ ทำงาน กำลังงานท่ีไดจากข้นั ทำงานหน่งึ ของเครอ่ื งกังหันไอนำ้ ถกู จำกัดโดยความเร็วรอบและขนาดของเครื่อง เคร่ืองกังหันไอนำ้ ท่ีมีเพยี งข้นั ทำงานเดยี วจงึ ใหมีกำลังงานนอ ย เครื่องกังหนั ไอนำ้ ในโรงไฟฟาพลังความรอ นมีขนาดใหญ จงึ ตองประกอบดวยหลายขนั้ ทำงาน ถา กำลงั งานของเครื่องกังหนั คอื PTและเครอ่ื งกังหนั ประกอบดวยหลายขน้ั ทำงานที่ใหกำลงั งานเทา กนั จำนวนขน้ั ทำงานของเคร่ืองกงั หันจะเทา กับ n = PT (7.36) PSนอกจากนี้ ถาทุกขนั้ ทำงานมีประสทิ ธภิ าพขั้นทำงานเทากัน ประสิทธิภาพเคร่อื งกังหันไอนำ้ สามารถคำนวณไดจาก ηS สมมตุ ิวา จำนวนขัน้ ทำงานเทา กบั 4 และไอนำ้ ขยายตวั ในเคร่ืองกงั หนั ดังแสดงในรูปท่ี 7.14 ถา การขยายตวั ของไอน้ำเปนแบบทเี่ อนโทรปค งท่ี ไอนำ้ จะขยายตัวจาก 1 ไป 2s, 3ss, 4ss และ5ss แตในความเปนจริง ไอนำ้ ขยายตัวจาก 1 ไป 2, 3, 4 และ 5 ประสทิ ธภิ าพของเครื่องกงั หันจงึ มีคาดงั น้ี ηT = PT (7.37) m˙ (h1 − h5ss)PT เปน ผลรวมของกำลังงานท่ีไดจ าก 4 ขั้นทำงาน ดงั นัน้ PT = PS1 + PS2 + PS3 + PS4สมมตุ ิวา ทุกขน้ั ทำงานมี ηS เทา กันPT = m˙ ηS [(h1 − h2s) + (h2 − h3s) + (h3 − h4s) + (h4 − h5s)]แทนคา PT ในสมการ (7.35) [] (h1 − h2s) + (h2 − h3s) + (h3 − h4s) + (h4 − h5s)ηT = ηS h1 − h5ssเน่อื งจากเสน ความดันคงทีใ่ นแผนภูมิไอนำ้ มีลกั ษณะลอู อกดงั จะเหน็ ไดจากรูปท่ี 7.14 ดังนั้น(h1 − h2s) + (h2 − h3s) + (h3 − h4s) + (h4 − h5s) > h1 − h5ssซ่งึ หมายความวา เคร่ืองกังหนั ไอนำ้ หลายขนั้ ทำงานมีประสิทธิภาพสงู กวา เครื่องกังหันไอน้ำขัน้ ทำงานเดยี ว หรอื อาจกลา วไดว า ประสทิ ธภิ าพของเครอื่ งกังหันไอนำ้ เพม่ิ ขนึ้ เม่ือจำนวนขนั้ ทำงานมากขึ้น ความสัมพนั ธร ะหวาง ηT ของเครื่องกงั หนั หลายขั้นทำงานกับ ηS ของแตล ะขนั้ ทำงานอาจเขียนดงั นี้ ηT = fRηS (7.38)โดยที่ fR คอื แฟกเตอรก ารใหความรอ นซ้ำ (reheat factor) ซึง่ มีคามากกวา 1
140 บทที่ 7. เครื่องกงั หันไอนำ้รูปท่ี 7.14: การขยายตัวของไอนำ้ ในเครื่องกงั หันทมี่ ี 4 ข้นั ทำงาน เครอ่ื งกงั หนั ไอนำ้ ควรประกอบดวยขนั้ ทำงานท่ีใหกำลงั งานมากเพราะจะทำใหเคร่อื งกงั หันไอน้ำมีจำนวนขัน้ ทำงานนอย นอกจากนี้ขั้นทำงานควรมีประสทิ ธิภาพสงู ขัน้ ทำงานของเครื่องกงั หนั ไอน้ำมีหลายแบบ แตล ะแบบมีขอไดเปรียบและเสยี เปรียบดานกำลงั งานและประสิทธิภาพที่ตางกัน ดงันั้นเครอ่ื งกังหันไอนำ้ มกั จะไมไดประกอบดวยข้นั ทำงานเพยี งแบบเดยี ว แตจะมีข้ันทำงานแบบตาง ๆทำงานรวมกัน กำหนดใหเคร่อื งกังหันไอนำ้ สามเคร่ืองประกอบดว ยขน้ั ทำงานสามแบบ เคร่ืองที่หนึง่ ประกอบดวยขั้นทำงานแรงดลความดันผสม 2 ขน้ั ทำงาน เคร่ืองท่ีสองประกอบดว ยขั้นทำงานแรงดลความเร็วผสม 2ข้นั ทำงาน และเคร่ืองทส่ี ามประกอบดว ยขน้ั ทำงานแรงปฏกิ ิรยิ า 50% 2 ขนั้ ทำงาน เครื่องกงั หันไอน้ำท้ังสามเคร่ืองมีมมุ หัวฉีด (θ1) เทา กนั และความเรว็ รอบเทากัน นอกจากนี้ความเร็วใบพัดหมุนของทุกเครอื่ งเปนความเร็วที่เหมาะสมทส่ี ุดซ่ึงทำใหประสทิ ธภิ าพของเครอ่ื งกังหันแตละเครือ่ งมีคา สงู สดุ เครื่องกังหนัไอนำ้ ทั้งสามเครอ่ื งจะแตจ ะใหก ำลังงานตางกันดงั นี้ • เอนทลั ปไอน้ำลดลง ∆h(1) เม่ือไหลผาน 2 ข้ันทำงานของเครอื่ งกงั หนั ไอนำ้ เคร่ืองท่ีหน่ึงโดย แตละขนั้ ทำงานมีเอนทัลปล ดลง ∆h(1)/2 ความเรว็ สัมบูรณของไอนำ้ มีคาตามสมการ (7.4) √ V1 = ∆h(1)ความเรว็ ใบพัดหมนุ ทเี่ หมาะสมท่สี ุดคอื สมการ (7.16) ดังน้นั V1 = 2U ∆h(1) = cos θ1 )2 ( U=⇒ 4 cos θ1• เอนทัลปไอนำ้ ลดลง ∆h(2) เมอ่ื ไหลผานข้นั ทำงานแรกของเคร่ืองกงั หนั ไอนำ้ เครอื่ งที่สอง ความเร็วสมั บูรณข องไอน้ำมคี าตามสมการ (7.4) √ V1 = 2∆h(2)
7.7. เครือ่ งกงั หันไอนำ้ หลายข้ันทำงาน 141ความเร็วใบพัดหมุนทีเ่ หมาะสมท่ีสดุ คำนวณจากสมการ (7.22) V1 = 4U ∆h(2) = cos θ1 )2 ( U =⇒ 8 cos θ1• เอนทลั ปไอน้ำลดลง ∆h(3) เมอ่ื ไหลผานเครื่องกังหนั ไอน้ำเครือ่ งท่ีสามโดยเอนทลั ปลดลง ∆h(3)/2 ในแตล ะขัน้ ทำงาน สำหรับขัน้ ทำงานแรงปฏิกริ ิยา 50% คร่ึงหน่ึงของเอนทลั ปไอน้ำที่ ลดลงในแตละข้ันทำงานลดลงในสเตเตอร ดงั น้ัน √ V1 = ∆h(3) 2ความเร็วใบพดั หมนุ ทเี่ หมาะสมทส่ี ุดคอื สมการ (7.23) ดงั นน้ั V1 = U ∆h(3) = cos θ1 )2 ( U =⇒ 2 cos θ1 อตั ราสว น ∆h(1) : ∆h(2) : ∆h(3) = 2 : 4 : 1 แสดงใหเหน็ วาเครอ่ื งกงั หันไอน้ำที่ใชข้ันทำงานแรงดลความเร็วผสมใหกำลังงานมากทส่ี ดุ รองลงมาคอื เครอ่ื งกังหนั ไอน้ำที่ใชขน้ั ทำงานแรงดลความดนัผสม สวนเครอ่ื งกังหันไอนำ้ ที่ใชข้นั ทำงานแรงปฎิกิรยิ า 50% ใหกำลังงานนอ ยที่สดุ ถา ตองการใหเครื่องกงั หนั ไอน้ำทั้งสามแบบผลิตกำลงั งานเทากัน เครอื่ งกงั หันไอน้ำท่ีใชขั้นทำงานแรงปฎิกริ ิยา 50% จะตองมขี นาดใหญท่สี ดุ และเครื่องกงั หันไอน้ำทีใ่ ชข ั้นทำงานแรงดลความเร็วผสมจะมีขนาดเล็กทส่ี ดุ นอกเหนือจากกำลงั งานของขน้ั ทำงาน อีกส่งิ หน่งึ ท่ีตอ งพจิ ารณาในการเลอื กใชขน้ั ทำงานในเคร่อื งกงั หันไอน้ำคือ ประสิทธิภาพขนั้ ทำงาน รปู ท่ี 7.15 เปรยี บเทยี บประสทิ ธิภาพของขัน้ ทำงานแรงดล ขัน้ทำงานแรงดลความเร็วผสม และข้ันทำงานแรงปฏกิ ริ ิยา ปจจัยสำคัญที่ทำใหสง ผลตอ ประสิทธิภาพของขนั้ ทำงานแรงปฏกิ ิรยิ าสูงกวาประสิทธภิ าพของขน้ั ทำงานแรงดลคือ การออกแบบเชิงอากาศพลศาสตรของใบพัดหมนุ ในขัน้ ทำงานแรงปฎิกริ ยิ าดีกวา ของใบพัดหมุนในขน้ั ทำงานแรงดล อยา งไรกต็ ามขนั้ทำงานแรงปฏกิ ิรยิ ามีขอ เสยี เปรยี บท่ีมีการรวั่ ของไอนำ้ เมือ่ ไหลผานใบพัดหมนุ มากกวาข้ันทำงานแรงดลรปู ท่ี 7.15 เปรียบเทียบประสทิ ธภิ าพขัน้ ทำงานในกรณีที่ใบพัดหมนุ ของขัน้ ทำงานมีความยาวมากพอที่จะทำใหผลกระทบของการร่ัวของไอน้ำตอ ประสทิ ธิภาพขัน้ ทำงานไมมากนัก ถาใบพัดหมุนมีความยาวไมมากพอ ประสิทธภิ าพของข้นั ทำงานแรงปฏกิ ิรยิ าก็จะต่ำกวาประสิทธภิ าพของขัน้ ทำงานแรงดลได ดังนนั้ ข้ันทำงานในชว งความดนั สูงจงึ ควรเปนขั้นทำงานแรงดลซง่ึ มีปญหาการร่ัวของไอน้ำนอ ยกวา ขน้ั ทำงานแรงปฎิกริ ิยามีความเหมาะสมในชวงความดันต่ำเพราะใบพัดไดรับการออกแบบใหมีประสิทธิภาพสูง และการท่ีใบพดั มีความยาวมากทำใหการรัว่ ของไอน้ำมีสดั สว นนอ ยเมอ่ื เทียบกบั อตั ราการไหลของไอน้ำและไมสง ผลมากนกั ตอประสทิ ธิภาพ เครื่องกังหันไอนำ้ ท่ีใชโรงไฟฟา สมยั ใหมจึงประกอบดว ยข้ัน
142 บทท่ี 7. เคร่อื งกังหนั ไอน้ำทำงานแรงดลและขนั้ ทำงานแรงปฏิกิรยิ า ขัน้ ทำงานแรงดลความเรว็ ผสมเปน ขน้ั ทำงานแรก ๆ ซง่ึ มีความดันสงู และขนั้ ทำงานแรงปฏิกิริยาในข้นั ทาย ๆ ซงึ่ มีความดนั ตำ่ การใชขน้ั ทำงานแรงดลความเร็วผสมชวยลดจำนวนข้ันทำงานและลดขนาดของโรเตอร การใชขัน้ ทำงานแรงปฏกิ ิริยาในข้ันทา ย ๆ ชว ยเพมิ่ประสิทธิภาพใหเคร่อื งกงั หันไอนำ้รปู ที่ 7.15: ประสิทธภิ าพขั้นทำงานของขน้ั ทำงานสามแบบ7.8 แรงดนั แนวแกน กำลังงาน P เกดิ จากแรง F ที่กระทำตอใบพดั ในทิศทางขนานกบั แถวใบพดั หมนุ แตการไหลผานข้ันทำงานของไอน้ำทำใหเกดิ แรงที่ตั้งฉากกับแถวใบพัดหมุนหรอื ขนานกบั เพลาของเครือ่ งกังหนั แรงน้ีเรียกวาแรงดนั แนวแกน (axial thrust) แรงดนั แนวแกนประกอบดวยสองสวนคือ ผลตางระหวา งแรงดนั ทางดา นเขาและดานออกจากใบพัดหมุน และผลตา งระหวา งโมเมนตมั ของไอนำ้ ที่เขาสูและออกจากใบพัดหมนุ ในทิศทางตั้งฉากกับแถวใบพดั หมุนT = (p1 − p2)A − m˙ (W1 sin ϕ1 − W2 sin ϕ2) (7.39)โดย A ตอื พืน้ ที่หนาตัดของใบพดั หมุนในโรเตอร นพิ จนท่ีสองในสมการ (7.31) มีคา นอยมากเมอื่ เทียบกบั นิพจนแรก ในกรณีของขนั้ ทำงานแรงดล รปู ท่ี 7.3 แสดงใหเห็นวา p1 มีคา ใกลเคยี งกับ p2 ดังนน้ั
Search
Read the Text Version
- 1
- 2
- 3
- 4
- 5
- 6
- 7
- 8
- 9
- 10
- 11
- 12
- 13
- 14
- 15
- 16
- 17
- 18
- 19
- 20
- 21
- 22
- 23
- 24
- 25
- 26
- 27
- 28
- 29
- 30
- 31
- 32
- 33
- 34
- 35
- 36
- 37
- 38
- 39
- 40
- 41
- 42
- 43
- 44
- 45
- 46
- 47
- 48
- 49
- 50
- 51
- 52
- 53
- 54
- 55
- 56
- 57
- 58
- 59
- 60
- 61
- 62
- 63
- 64
- 65
- 66
- 67
- 68
- 69
- 70
- 71
- 72
- 73
- 74
- 75
- 76
- 77
- 78
- 79
- 80
- 81
- 82
- 83
- 84
- 85
- 86
- 87
- 88
- 89
- 90
- 91
- 92
- 93
- 94
- 95
- 96
- 97
- 98
- 99
- 100
- 101
- 102
- 103
- 104
- 105
- 106
- 107
- 108
- 109
- 110
- 111
- 112
- 113
- 114
- 115
- 116
- 117
- 118
- 119
- 120
- 121
- 122
- 123
- 124
- 125
- 126
- 127
- 128
- 129
- 130
- 131
- 132
- 133
- 134
- 135
- 136
- 137
- 138
- 139
- 140
- 141
- 142
- 143
- 144
- 145
- 146
- 147
- 148
- 149
- 150
- 151
- 152
- 153
- 154
- 155
- 156
- 157
- 158
- 159
- 160
- 161
- 162
- 163
- 164
- 165
- 166
- 167
- 168
- 169
- 170
- 171
- 172
- 173
- 174
- 175
- 176
- 177
- 178
- 179
- 180
- 181
- 182
- 183
- 184
- 185
- 186
- 187
- 188
- 189
- 190
- 191
- 192
- 193
- 194
- 195
- 196
- 197
- 198
- 199
- 200
- 201
- 202
- 203
- 204
- 205
- 206
- 207
- 208
- 209
- 210
- 211
- 212
- 213
- 214
- 215
- 216
- 217
- 218
- 219
- 220
- 221
- 222
- 223
- 224
- 225
- 226
- 227
- 228
- 229
- 230
- 231
- 232
- 233
- 234
- 235
- 236
- 237
- 238
- 239
- 240
- 241
- 242
- 243
- 244
- 245
- 246
- 247
- 248
- 249
- 250
- 251
- 252
- 253
- 254
- 255
- 256
- 257
- 258
- 259
- 260
- 261
- 262
- 263
- 264
- 265
- 266
- 267
- 268
- 269
- 270
- 271
- 272
- 273
- 274
- 275
- 276
- 277
- 278
- 279
- 280
- 281
- 282
- 283
- 284
- 285
- 286
- 287
- 288
- 289
- 290
- 291
- 292
- 293