Important Announcement
PubHTML5 Scheduled Server Maintenance on (GMT) Sunday, June 26th, 2:00 am - 8:00 am.
PubHTML5 site will be inoperative during the times indicated!

Home Explore pplant

pplant

Published by ptittipatt, 2018-12-13 02:22:21

Description: pplant

Search

Read the Text Version

5.7. ระบบผลิตพลังงานรว ม 93คำถามทา ยบท1. ถาไอน้ำที่ออกจากเคร่ืองกงั หันมคี วามชื้นมากเกนิ ไปจะเกิดผลเสยี อยา งไร2. อะไรคอื ขอจำกดั ของการเพ่ิมประสทิ ธิภาพของวฏั จักรแรงคนิ โดยการลดความดันในเครอ่ื งควบ แนน3. การทำรีเจนเนอเรชันเพิม่ ประสิทธภิ าพใหว ัฏจักรแรงคินไดอ ยางไร4. จงเขยี นแผนภาพของวฏั จกั รแรงคินท่ีมีเครือ่ งอุน น้ำปอ นแบบเปดหน่งึ เคร่อื ง โดยแสดงอปุ กรณ สำคญั และทศิ ทางการไหลในแผนภาพดว ย5. ทำไมน้ำในเครื่องควบแนน ของวัฏจกั รแรงคนิ จงึ ไมสามารถมีอณุ หภูมิที่ตำ่ มาก ๆ ไดทั้ง ๆ ท่ีจะ เปนการเพม่ิ ประสิทธิภาพใหว ัฏจกั ร6. วฏั จกั รแรงคินท่ีมีการทำรีเจนเนอเรชันจะตองมีอปุ กรณใดเพิม่ เติมจากอุปกรณหลกั (ซึ่งไดแ ก เครือ่ งสูบ, เคร่ืองกำเนดิ ไอน้ำ, เคร่ืองกงั หนั และเครื่องควบแนน )7. นอกจากทำหนา ทเี่ พิ่มอณุ หภูมิใหนำ้ ปอ นแลว เครอ่ื งอุนนำ้ ปอ นแบบเปดยังทำหนา ทอ่ี ะไรอีก8. เครื่องอนุ น้ำปอนแบบปดแบงออกเปน กแ่ี บบ อะไรบา ง9. จงเขยี นแผนภมู ิ T-s ของวัฏจกั รแรงคินที่มีการใหความรอนซำ้ หนงึ่ ครง้ั แตไมม ีการทำรีเจนเนอ- เรชนั10. เครื่องอุน นำ้ ปอนสามารถเพ่มิ ประสิทธิภาพของวัฏจกั รแรงคินไดอยางไร11. จงเขียนแผนภูมิ T-s ของวฏั จกั รแรงคินทมี่ เี คร่ืองอุนนำ้ ปอนแบบเปดหนึ่งเครือ่ ง12. จงเขียนแผนภาพของวฏั จักรแรงคินทมี่ ีเครอื่ งอุนนำ้ ปอ นแบบปด หนึง่ เครือ่ ง โดยน้ำควบแนนไหล กลับไปที่เครื่องควบแนน แสดงอุปกรณท กุ อุปกรณแ ละทศิ ทางการไหลในแผนภาพดวย13. ไอน้ำท่มี ีความดนั 6 MPa และอณุ หภมู ิ 850 K มเี อนทัลปประมาณเทา ไร14. ไอนำ้ ที่มีอุณหภูมิ 900 K และความดัน 12 MPa ไหลเขา เครอื่ งอุน น้ำปอ นแบบปดซง่ึ ออกแบบ ใหมีคา TTD เทากับ 5 K อยากทราบวา นำ้ ปอ นที่ไหลออกจากเคร่อื งจะมีอุณหภูมิเทาไร15. วฏั จกั รแรงคินมีเคร่ืองอนุ นำ้ ปอ นแบบเปด ความดันและอณุ หภูมิของไอนำ้ ท่ีเขา เครื่องกงั หนั ไอ น้ำเทากบั 10 MPa และ 700 K ไอน้ำท่ีดงึ จากเคร่อื งกังหันมีความดัน 3 MPa และความดนั ใน เครือ่ งควบแนน เทากบั 0.01 MPa จงหาประสิทธิภาพของวัฏจกั ร (สมมตุ ิวา งานที่ใหเครอื่ งสูบ นอยมาก)

94 บทที่ 5. เทอรโมไดนามิกสข องโรงไฟฟา พลังความรอ น 16. วฏั จักรแรงคินหน่งึ มีเครือ่ งอุนน้ำปอ นแบบปดโดยท่ีนำ้ ระบายถกู สูบและสงไปผสมกับน้ำปอ นท่ี จะไหลเขาเครื่องกำเนดิ ไอนำ้ ความดันและอุณหภูมิของไอน้ำที่เขา เครอื่ งกังหนั เทากับ 8 MPa และ 850 K ไอน้ำท่ีดงึ จากเครือ่ งกังหนั มีความดัน 0.8 MPa และความดันในเคร่อื งควบแนน เทากบั 0.01 MPa เครอื่ งอุนน้ำปอ นไมมีเครื่องทำใหนำ้ ระบายเยน็ (drain cooler) คา TTD ของเครื่องเทากับ 5◦C จงหาประสิทธภิ าพของวัฏจักร (สมมตุ วิ า งานที่ใหเ คร่อื งสบู นอยมาก) 17. โรงไฟฟา แหง หนึ่งมีอัตราความรอนเทากบั 9000 kJ/kW.h จงหาประสทิ ธิภาพรวมของโรงไฟฟา แหงน้ี 18. จงหาประสิทธิภาพของหมอไอน้ำท่ีผลติ ไอน้ำในอตั รา 180 ton/h ท่ีความดนั 4 MPa และ อุณหภูมิ 800 K โดยน้ำปอ นที่ไหลเขาหมอ ไอนำ้ เปน นำ้ ท่ีมีอณุ หภมู ิ 450 K หมอไอน้ำนี้ใชเชอ้ื เพลิงทม่ี คี าความรอน 15000 kJ/kg และอตั ราการใชเชอื้ เพลงิ คือ 10 kg/s 19. ในการเผาไหมเชอ้ื เพลงิ แขง็ ชนดิ หน่ึงซ่งึ มสี ดั สวนโดยมวลของคารบอนเทากับ 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 ผาไหมจนหมด อยากทราบวาเชอ้ื เพลงิ 1 kg จะใหกา ซเสียแหง เทา ไร 20. เช้ือเพลิงในขอที่แลวใชผลติ ไอนำ้ ในหมอไอน้ำ ถา เช้อื เพลิงดงั กลา วมีคา ความรอ นสูงเทา กบั 19600 kJ/kg ประสทิ ธภิ าพของหมอไอนำ้ จะลดลงเทาไรจากการเผาไหมไมสมบูรณซงึ่ ทำใหเกิด CO (คา HHV ของ CO คอื 10080 kJ/kg)

บทท่ี 6เครอื่ งกำเนดิ ไอนำ้6.1 ประเภทของหมอ ไอนำ้ หมอ ไอน้ำเปนอปุ กรณที่พบเหน็ ทัว่ ไปในโรงไฟฟา โรงงานอตุ สาหกรรม และอาคารธรุ กจิ หมอ ไอน้ำมีหลายขนาด ตง้ั แตขนาดเล็กที่มีอตั ราการผลติ ไอน้ำตำ่ และความดนั ต่ำซ่ึงสามารถหาซื้อไดในทอ งตลาด ไปจนถงึ ขนาดใหญท่ีมีอตั ราการผลิตไอนำ้ สงู และความดนั สูงซง่ึ ตองกอสรางในสถานท่ีใชงานหมอ ไอน้ำในกระบวนการผลิต (process boiler) หมายถงึ หมอ ไอน้ำที่ใชผลิตไอน้ำความดนั ต่ำเพ่ือใชในกระบวนการผลติ ของโรงงานอุตสาหกรรมหรือใชเพอ่ื วตั ถปุ ระสงคอื่น ๆ ในโรงแรม โรงพยาบาล หรืออาคารขนาดใหญอืน่ ๆ หมอ ไอนำ้ ประเภทนี้มีขนาดเล็กและความสามารถในการผลติ ไอน้ำไมสูงมากนักหมอ ไอน้ำยูทิลิต้ี (utility boiler) หมายถงึ หมอไอน้ำที่ใชผลติ ไอนำ้ ความดันสงู ในโรงไฟฟา หมอ ไอน้ำหมอไอน้ำยทู ลิ ติ ม้ี ขี นาดใหญและมีกำลงั การผลติ ไอนำ้ สงู การจำแนกหมอ ไอนำ้ ยังอาจกระทำไดโดยพิจารณาจากหลักการผลิตไอน้ำซ่งึ แบง หมอ ไอนำ้ เปน 2ประเภทคือ หมอ ไอนำ้ แบบทอไฟ (fire-tube boiler) และหมอไอน้ำแบบทอนำ้ (water-tube boiler)หมอ ไอนำ้ แบบทอไฟเปน ท่ีรูจกั กันมาตงั้ แตเรมิ่ มีการผลิตไอนำ้ เพอ่ื ใชประโยชนในดานตาง ๆ ซ่ึงรวมถงึการใชพลังไอน้ำขบั เคล่อื นขบวนรถไฟ ถึงแมวาในปจจุบันการใชประโยชนจากหมอ ไอน้ำแบบน้ีจะลดลงมามาก แตมนั ก็ยงั มีความสำคัญในกรณีท่ีความตองการความดนั ไอนำ้ ไมเกนิ 18 bar และกำลงั การผลติไอนำ้ ไมเกนิ 6.2 kg/s หมอไอนำ้ แบบทอ ไฟมีขอไดเปรียบท่ีมีขนาดเล็ก ราคาท่ีไมสงู นกั ความงา ยในการใชงาน ความงายในการดแู ลรกั ษา และการตอบสนองท่ีรวดเร็วตอ ความตองการไอนำ้ ที่เปล่ียนแปลงสวนประกอบสำคญั ของหมอไอนำ้ แบบทอ ไฟคือเปลือกหมอ ไอนำ้ (boiler shell) ทอ เตาเผา และวาลวนริ ภยั กาซเสยี ที่มีอณุ หภมู ิสงู ที่ไดจากการเผาไหมในเตาเผาจะไหลในทอ และถายเทความรอนใหน้ำท่ีอยูนอกทอและภายในเปลอื กหมอไอนำ้ ความดันของไอนำ้ ถูกควบคุมไมใหสูงเกนิ ไปโดยวาลวนริ ภัยซึง่จะเปดออกเพื่อลดความดันของไอน้ำที่สูงเกินไปใหต่ำลงมาอยูในระดับที่ปลอดภยั ขอจำกดั ที่สำคัญของหมอ ไอน้ำแบบทอไฟคือ ขนาดและความดนั ถกู จำกัดโดยความเคนดึง (tensile stress) สงู สุดท่ีโลหะของหมอ ไอน้ำสามารถทนไดซึง่ คำนวณจาก pD (6.1) σ= 2t

96 บทที่ 6. เครอื่ งกำเนิดไอน้ำโดยท่ี σ คอื ความเคนดงึ p คือ ความดันไอนำ้ D คอื ความยาวเสน ผาศูนยกลางของหมอไอนำ้ และ t คือความหนาของเปลือกหมอ ไอนำ้ ถา ตอ งการผลิตไอน้ำท่ีมีความดันสูงขึน้ โดยไมเปลยี่ นกำลังการผลติ ไอน้ำ (D คงท่ี) ความหนาของเปลือกหมอ จะตองเพม่ิ เพื่อควบคมุ ไมใ หความเคนดงึ มากเกินไป ความหนาท่ีเพ่ิมข้นึ หมายถึงนำ้ หนักและราคาของหมอไอน้ำท่เี พมิ่ ตามไปดว ย หมอ ไอนำ้ แบบทอ น้ำมีหลักการทำงานตรงขามกบั หมอ ไอนำ้ แบบทอ ไฟ กลา วคือ นำ้ และไอนำ้ จะไหลในทอ โดยรับความรอนจากกา ซเสยี ที่ไหลนอกทอ และการแผร ังสีจากเปลวไฟที่เกดิ จากการเผาไหมเชอื้ เพลิง หมอไอน้ำแบบทอนำ้ มีขอไดเปรียบอยางเห็นไดชดั เมอื่ เปรยี บเทียบกบั หมอไอน้ำแบบทอ ไฟคือความสามารถในการผลติ ไอนำ้ ท่ีมีความดนั สงู และอตั ราการไหลสูง ในการออกแบบหมอ ไอน้ำแบบทอนำ้ ใหทนความดันสงู ความยาวเสนผาศูนยก ลางของทอตอ งไมมากเกนิ ไปและความหนาของทอ จะตอ งมีคาที่เหมาะสมเพื่อใหความเคนดึงท่ีเกิดข้ึนไมเกินกวา โลหะของทอ จะทนทานได ถงึ แมว า การจำกดั ความยาวเสนผา ศูนยกลางของทอ จะจำกดั อตั ราการผลิตไอน้ำในทอไปดว ย แตการเพิม่ อตั ราการผลิตไอน้ำของหมอไอน้ำสามารกระทำไดโดยการเพม่ิ จำนวนทอ ขอ ไดเปรยี บของหมอไอนำ้ แบบทอน้ำดังกลา วน้ีทำใหโ รงไฟฟา ผลติ ไอน้ำดวยหมอ ไอนำ้ แบบทอ นำ้6.2 หลักการทำงานของเครือ่ งกำเนดิ ไอน้ำ หมอไอนำ้ แบบทอ น้ำท่ีใชในโรงไฟฟาทำงานรว มกับอปุ กรณอืน่ ๆ ในการผลิตไอน้ำความดันสงูและอณุ หภูมิสูงเพอ่ื ปอ นสูเคร่อื งกังหนั ไอน้ำ หมอ ไอน้ำและอุปกรณเหลานี้จึงมกั มชี อื่ เรียกรวมวา เครอื่ งกำเนิดไอนำ้ (steam generator) เคร่ืองกำเนดิ ไอนำ้ สามารถแบง เปนสองแบบคอื เคร่อื งกำเนิดไอนำ้แบบมีถงั พกั ไอน้ำ (drum-type steam generator) และเครอ่ื งกำเนดิ ไอน้ำแบบไหลผานครง้ั เดียว(once-through steam generator) รูปที่ 6.1 แสดงสว นประกอบที่สำคัญของเคร่อื งกำเนดิ ไอน้ำแบบแรกซงึ่ ไดแก เตาเผา (furnace) เคร่อื งระเหย (evaporator) ถังพักไอนำ้ (drum) เครอ่ื งทำไอน้ำยวดยงิ่(superheater) เครื่องใหความรอ นซำ้ (reheater) เคร่ืองประหยัดเชอื้ เพลงิ (economizer) และเครื่องอนุ อากาศ (air heater) ความรอนจากการเผาไหมเชอื้ เพลิงในเตาเผาจะทำใหนำ้ ปอ นกลายเปนไอนำ้ โดยการแผรงั สีความรอนและการพาความรอน นำ้ ปอนจะไหลเขาเครือ่ งประหยัดเชื้อเพลิงเพ่ือเพิ่มอุณหภมู ิใหใกลจุดเดือดกอนที่จะเขา เครอ่ื งระเหยเพื่อเปล่ียนสถานะเปน ไอนำ้ มีน้ำบางสวนเทานนั้ ท่ีกลายเปนไอ ดงั น้นั ของไหลที่ออกจากเครอื่ งระเหยจึงเปน สว นผสมของไอนำ้ กบั นำ้ ซึ่งจะไหลเขาถังพักไอนำ้ เพ่ือแยกน้ำออกจากไอน้ำอ่มิ ตวั โดยนำ้ จะไหลเขาเครือ่ งระเหยใหมในขณะที่ไอน้ำอิม่ ตัวจะไหลเขาเคร่ืองทำไอนำ้ ยวดยิ่งกอนท่ีจะถกู สง ไปท่ีเคร่ืองกังหันความดันตำ่ ไอน้ำท่ีออกจากเคร่อื งกงั หันความดันต่ำจะไหลกลบั มาท่ีเคร่ืองใหความรอ นซ้ำเพื่อเพ่มิ อณุ หภมู ิใหเทา กบั อณุ หภูมิไอนำ้ ท่ีไหลเขา เครื่องกังหนั ความดนั ต่ำกอ นไหลเขา เคร่อื งกงั หนั ความดันสูง ขอจำกดั ที่สำคัญของเครอื่ งกำเนดิ ไอน้ำแบบมีถังพกั ไอน้ำคือความสามารถในการแยกไอน้ำออกจากน้ำของถงั พกั ไอนำ้ ลดลงเมอื่ ความดันของไอนำ้ เพม่ิ ข้นึ ท่ีความดนั วิกฤต 22.1 bar เคร่อื งกำเนิดไอน้ำแบบน้ีจะไมสามารถทำงานไดเนื่องจากไอนำ้ จะมีความหนาแนนใกลเคยี งกับนำ้ เครื่องกำเนิดไอนำ้ แบบไหลผานคร้ังเดยี วใชงานในวัฏจักรแรงคินเหนือวิกฤต (รูปที่ 5.11) ถงึ แมว าเครอื่ งกำเนิดไอนำ้ แบบนี้จะมีคา กอสรางสงู กวา เครอื่ งกำเนิดไอนำ้ แบบมีถงั พกั ไอน้ำ แตวัฏจกั รแรงคินเหนอื วกิ ฤตมีประสทิ ธภิ าพสูงกวา วฏั จักรแรงคินแบบธรรมดา จึงอาจมีความคุมคาเชิงเศรษฐศาสตรใน

6.3. เตาเผาและเครือ่ งระเหย 97 รปู ที่ 6.1: สว นประกอบทีส่ ำคัญของเครอ่ื งกำเนิดไอน้ำแบบมีถังพักไอนำ้การกอสรางโรงไฟฟาท่ีทำงานดว ยวฏั จักรแรงคินเหนอื วิกฤต สว นประกอบที่สำคัญของเครอื่ งกำเนิดไอน้ำแบบไหลผานคร้งั เดียวคลายกบั ที่แสดงในรูปท่ี 6.1 แตไมม ีถงั พักไอน้ำ อุปกรณแลกเปลี่ยนความรอ นในเครือ่ งกำเนิดไอน้ำแบบไหลผา นคร้ังเดียวเปนกลุมทอ ที่มีไอนำ้ และนำ้ ไหลภายใน นำ้ จะคอย ๆเปลยี่ นสถานะเปนไอนำ้ จากการไหลผานอุปกรณตา ง ๆ ซ่ึงไดรับความรอ นจากการแผร ังสีความรอนและการพาความรอ น เครอื่ งแยกไอน้ำ (steam separator) ทำหนาท่ีคลายถงั พกั ไอน้ำ แตมีขนาดเลก็กวามากเนื่องจากความช้นื ที่ปะปนมากกับไอน้ำที่ไหลเขา เครอ่ื งแยกไอน้ำมีปรมิ าณนอ ย ความชืน้ จะแยกออกจากไอนำ้ แหง ซงึ่ จะถูกสง ตอ ไปยังเครอ่ื งทำไอนำ้ ยวดย่งิ โดยน้ำถูกแยกออกมาจะสงกลับไปท่ีเครือ่ งประหยัดเชือ้ เพลงิ เคร่อื งกำเนิดไอน้ำแบบไหลผานครัง้ เดียวตอ งการนำ้ ปอ นท่ีมีการเจือปนของเกลือแรนอยมากเน่ืองจากเกลือแรจะตกคางอยูภายในเครื่องและจะทำใหประสทิ ธิภาพของการผลติ ไอนำ้ ถดถอยลง6.3 เตาเผาและเครอ่ื งระเหย เตาเผาทำหนา ท่ีผลิตพลังงานความรอ นจากการเผาไหมเชือ้ เพลิง โดยความรอ นสวนหนึ่งจะถายเทสูผนังของเตาเผาโดยการแผรงั สีความรอน ความรอนสวนท่ีเหลือจะอยูในกาซเสียอณุ หภมู ิสงู ท่ีไหลออกจากเตาเผา นอกจากนี้เตาเผายงั ทำหนาที่สะสมขี้เถาไวท่ีดานเตาเผากอ นถกู เคล่ือนยา ยออกไป การออกแบบเตาเผาตองคำนึงถงึ ลักษณะขเี้ ถาที่เกิดขึน้ วาจะหลอมเหลวทอี่ ุณหภูมิไหน ผนังของเตาเผามีท้งั วสั ดุทนไฟ (refractory) และทอนำ้ เลก็ ๆ หลายทอ วางเรยี งกนั ในแนวตั้ง เรยี ก

98 บทที่ 6. เครอื่ งกำเนิดไอนำ้วาผนงั นำ้ (water wall) รปู ท่ี 6.2 แสดงโครงสรางโดยครา ว ๆ ของผนงั น้ำ ทอ หลายทอเรียงตวั เปน แถวและเช่อื มตอ ดวยเมมเบรน (membrane) ซง่ึ ทำจากโลหะ แถวของทอ วางชิดกบั วสั ดทุ นไฟ ผนังนำ้ ทำใหความรอนจากการแผร งั สีมาถงึ วัสดุทนไฟนอ ยลงซง่ึ จะชวยยดื อายุการใชงานของวสั ดุทนไฟ ความรอนที่ดูดกลนื โดยผนงั นำ้ ทำใหนำ้ ในทอ กลายเปนไอ ดงั น้ันผนงั น้ำจงึ ทำหนา ที่เปน เครอื่ งระเหย นำ้ อ่ิมตัวไหลเขา เครื่องระเหยทางดา นลา งและไอน้ำปนนำ้ ไหลออกทางดา นบน รปู ที่ 6.2: โครงสรา งของผนังนำ้ น้ำที่ไหลเขา ทอจะเปล่ียนสถานะตลอดการไหลเน่ืองจากทอ ไดรบั ความรอนจากการแผร งั สีความรอ นของเปลวไฟ กา ซรอน เขมาและข้ีเถา ในเตาเผา สถานะของนำ้ เปนของเหลวอมิ่ ตวั ตรงทางเขา ทอและจะกลายเปน น้ำผสมไอน้ำจากการไดรบั ความรอ นโดยสัดสวนของไอนำ้ จะเพม่ิ ขน้ึ เรื่อย ๆ ตามทศิ ทางการไหลของนำ้ รูปที่ 6.3 แสดงใหเห็นวา ความรอ นท่ีน้ำไดรับทำใหรปู แบบการไหลของนำ้เปลีย่ นแปลงตลอดการไหล การไหลผานทอ ท่ีไดรบั ความรอนสามารถแบง ออกเปนชว ง ๆ ในชว งแรกน้ำยังไมเปลี่ยนสถานะเปน ไอเรยี กวา ชว งการพาความรอ น (convection) เมอื่ ไหลไประยะหน่งึ จะเริ่มเกิดฟองไอนำ้ ในของเหลวโดยที่ฟองเร่ิมกอ ตัวทผ่ี นงั ทอ ชวงการไหลนี้เรียกวาการไหลพรอ มฟองไอ (bubblyflow) ขนาดของฟองไอจะใหญขึน้ เรอื่ ย ๆ จนกระทง่ั ฟองไอรวมตวั กันเปน กอ นไอและการไหลจะเปน การไหลพรอ มกอ นไอ (slug flow) เม่อื มีการเปลยี่ นสถานะเพิม่ ขนึ้ อีก การไหลจะกลายเปนการไหลแบบวงแหวน (annular flow) ซง่ึ เปนการไหลท่ีมีฟล ม ของเหลวไหลชิดผนังทอ และมีไอไหลท่ีแกนของทอขนานกับของเหลว ไอในชว งน้ีจะไหลดว ยความเร็วสงู ซึ่งทำใหการเปล่ียนสถานะเปนไอเกดิ ขึ้นอยางตอเนอ่ื งและสง ผลใหฟลม ของเหลวบางลงตามทศิ ทางการไหล ในทสี่ ดุ ของเหลวจะระเหยจนหมด ชว งการไหลสดุ ทายจึงเปนการไหลพรอมละออง (mist flow) รูปที่ 6.3 แสดงการเปลี่ยนแปลงของสมั ประสทิ ธิ์การถายเทความรอน (h) ตลอดทกุ ชว งการไหล h จะเพ่มิ ขน้ึ อยา งรวดเรว็ เม่อื มีการเกดิ ฟองไอในชวงการไหลพรอ มฟองไอ หลงั จากนัน้ h เพิ่มขน้ึ อยา งตอ เนือ่ ง แตเมือ่ ฟลม ของเหลวเหอื ดแหงไปหมดในชว งทายของการไหลแบบวงแหวน h จะลดลงอยา งรวดเรว็ ถึงแมวาหนาที่ของเครอื่ งระเหยคอื การผลิตไอนำ้ แตการปลอ ยใหก ารไหลอยูในชว งการไหลพรอมละอองเปนส่ิงท่ีไมพึงปรารถนาเน่ืองจากคา h ในชวงการไหลน้ีตำ่ มาก ความรอ นที่สะสมในทอเปน ผลตางระหวางความรอ นท่ีทอไดรับกบั การพาความรอนจากทอ สูน้ำในทอบวกกับ ความรอ นท่ีสะสมในทอสง ผลโดยตรงตออณุ หภูมิของทอ ถา การพาความรอ นมีคานอยเกนิ ไป อณุ หภูมิของทอ อาจเพ่มิ ขนึ้ จนทำใหทอ เสียหายได ดงั นัน้ จึงควรออกแบบเคร่ืองระเหยใหคา h เฉล่ยี ซึง่ แปรผันตามคาการพาความรอ นในทอ มีคามากพอไมม ีชว งการไหลพรอมละออง ผลท่ีตามมาคอื ไอนำ้ ที่ไหลออกจากเคร่ืองระเหยจะไมใชไอน้ำแหง แตมีความชื้นปนอยูซงึ่ ทำใหตองมีการแยกความชนื้ ออกจากไอนำ้ กอนสงไอนำ้ อมิ่ ตวั ไปยัง

6.4. ถงั พักไอนำ้ 99 รปู ที่ 6.3: ลักษณะการไหลของน้ำภายในทอ ที่ไดร บั ความรอ นจากภายนอกเครื่องทำไอนำ้ ยวดย่ิง6.4 ถงั พกั ไอนำ้ ถังพกั ไอน้ำเปนอุปกรณท ีท่ ำงานภายใตค วามสงู (pressure vessel) ขนาดและความหนาของถังพกัไอน้ำจงึ ตอ งออกแบบตามสมการ (6.1) โดยทัว่ ไปถังพกั ไอน้ำมีรปู ทรงกระบอกซึ่งมคี วามยาวมากกวา 30m เสนผาศนู ยก ลางยาวกวา 4.5 m มีทางออกของไอนำ้ ประมาณ 30 แหง และตอกบั ทอ จำนวนมากซึง่ประกอบดวย ทอ น้ำขึ้น (riser) ทอนำ้ ลง (downcomer) ทอ สงน้ำปอ นเขา และทอ สงไอนำ้ อ่ิมตัวออกรูปท่ี 6.4 แสดงแผนภาพของถังพักไอนำ้ จะเหน็ วา ถงั พกั ไอน้ำทำหนา ท่ีแยกไอน้ำอ่ิมตวั ออกจากนำ้ อิ่มตัว โดยไอนำ้ อิ่มตวั จะถูกสง ตอไปท่เี ครอื่ งทำไอนำ้ ยวดย่ิง ไอนำ้ อ่มิ ตวั ท่ีออกจากถงั ไอน้ำควรเปนไอนำ้ แหงหรือไอนำ้ ที่ไมม ีละอองนำ้ ปะปนมาดว ยความชืน้ ซงึ่มีเกลอื ละลายปนอยูท่ีถูกสง กบั ไอนำ้ ไปยงั เคร่ืองทำไอน้ำยวดยง่ิ จะทำใหเกดิ คราบเกลอื บนผิวของเครื่องทำไอนำ้ ยวดย่งิ คราบเกลอื จะทำใหทอ ของเคร่อื งทำไอนำ้ ยวดย่ิงนำความรอนแยลง ถายเทความรอนสูไอนำ้ ไดนอยลง และทำใหทอมีอุณหภูมิสงู ขน้ึ ถาหากอณุ หภมู ิทอสูงเกินไปทอ ก็จะเสยี หายได วิธีที่งายท่ีสดุ ในการแยกไอนำ้ ออกจากน้ำคอื ใชแรงโนม ถว งของโลก โดยไอน้ำจะลอยขนึ้ และน้ำเดือดจะอยูดานลางถงั พกั ไอนำ้ วธิ ีนี้เหมาะสมกับกรณีท่ีอัตราการผลิตไอน้ำตำ่ และความดันของระบบไมสงู มากนกัเพราะความเร็วของไอน้ำท่ีต่ำจะทำใหละอองนำ้ ปนมากบั ไอน้ำมีปริมาณนอ ย และความหนาแนนของไอนำ้ และน้ำเดอื ดจะตางกนั มากท่ีความดันตำ่ แตในกรณีของเครือ่ งกำเนิดไอน้ำที่มีกำลังการผลติ สงู และความดนั สูง การแยกไอนำ้ ตอ งอาศยั วธิ ีเชงิ กล ซ่ึงหลักการทำงานมีสองข้นั ตอน ขั้นตอนแรกคอื การแยกไอน้ำออกจากน้ำ ขัน้ ตอนท่ีสองคอื การแยกความชน้ื ออกจากไอน้ำซง่ึ ทำใหไ ดไ อนำ้ แหง

100 บทท่ี 6. เครื่องกำเนิดไอนำ้ รปู ที่ 6.4: วงจรการไหลเวยี นของน้ำและไอนำ้ ผานถงั พักไอน้ำ รูปที่ 6.5 แสดงถงั พักไอนำ้ ท่ีติดตงั้ แผนกัน้ (baffle) สำหรบั การแยกไอนำ้ ออกจากนำ้ ในขั้นตอนแรกและตะแกรง (screen) สำหรับการทำใหไอนำ้ แหง ในข้นั ตอนท่ีสอง แผนกน้ั ทำหนา ท่ีเปลย่ี นทิศทางการไหลของไอนำ้ ละอองน้ำที่ลอยปะปนมากับไอนำ้ จะมีความเฉ่ือยสูงกวาไอนำ้ และไมสามารถเปล่ียนทิศทางการไหลไดเหมือนไอน้ำ ดงั น้นั ไอน้ำจะไหลแยกตวั ออกจากละอองน้ำเมอ่ื ไหลผานแผนก้นัตะแกรงทำดว ยตาขา ยลวดวางเรียงตวั กนั หลายชั้น ลวดแตล ะเสน จะดงึ ดูดและขัดขวางการไหลผานของความช้ืนในไอน้ำ เมอื่ น้ำสะสมที่ตะแกรงมีปริมาณมากก็จะหยดลงกลบั คนื สูถงั พกั ไอนำ้ อยางไรก็ตามในกรณีท่ีความดันในถงั พักไอนำ้ สงู มาก ความแตกตา งระหวา งความหนาแนน ของไอน้ำและนำ้ เดอื ดจะนอ ยมาก แผนก้ันอาจทำหนาที่ไดไมดีเทาทคี่ วร จึงตอ งใชแรงหนีศูนยกลางมาชวยแยกไอน้ำจากนำ้ เดอื ดซงึ่ อุปกรณที่ทำงานโดยหลกั การน้ีคือ เครอ่ื งแยกแบบไซโคลน (cyclone separator) ของผสมระหวา งไอนำ้ กับละอองน้ำจะไหลเขาสูเครอื่ งแยกและจะไหลวนในเคร่อื ง ละอองน้ำท่ีมีความหนาแนน มากกวาไอน้ำถกู เหวีย่ งไปกระทบผนังของเคร่อื งและไหลลงดา นลางในขณะที่ไอนำ้ จะไหลข้นึ หลังจากน้ันไอนำ้จะไหลผานตะแกรงเพอ่ื แยกเอาความช้ืนออกไปกอนไหลออกจากถังพักไอนำ้ การไหลเขา ออกของนำ้ และไอนำ้ ในถงั พักไอน้ำมีปรมิ าณนอ ยกวาการไหลเวียนของน้ำและไอน้ำในทอน้ำลงและทอ น้ำขน้ึ ภายในทอน้ำลงจะมีแตน้ำอิ่มตัว สว นภายในทอ น้ำขน้ึ จะมีไอน้ำผสมกบั น้ำ ทอนำ้ ลงสงน้ำผานทอรวมเขา ผนังน้ำ ในขณะท่ีทอ นำ้ ข้นึ รบั ไอน้ำผสมนำ้ ผานทอ รวมของผนงั น้ำ สถานะของนำ้ ท่ีแตกตา งในชว งการไหลลงและการไหลขึ้นทำใหมีความแตกตางกนั ของความหนาแนน เฉลีย่ในทอน้ำลง (ρd) และความหนาแนน เฉลยี่ ในทอน้ำขน้ึ และผนังน้ำ (ρr) ซงึ่ นำไปสูความดนั ขับเคล่อื น(∆p) สำหรับการไหลเวียนของน้ำ โดย ∆p แปรผันตามความสูงของถังพกั ไอนำ้ จากระดับพื้น (H) และρd − ρr ระบบไหลเวยี นแบบแบบธรรมชาติ (natural circulation) เปน ระบบท่ีอาศัยเพียงความแตกตา งระหวา ง ρd และ ρr ระบบน้ีจะทำงานไดก็ตอ เมอ่ื ความดนั ขบั เคลอ่ื นมีคา มากพอท่ีจะเอาชนะการสูญเสียความดนั ในระบบ การเพ่มิ ความขบั เคลื่อนอาจทำไดโดยเพิม่ H เพิ่ม ρr ดวยการเพม่ิ สดั สว นของไอน้ำในทอนำ้ ขึน้ หรอื ลด ρd ดว ยการลดปรมิ าณฟองอากาศในทอ น้ำลง ฟองอากาศมีความหนาแนน

6.5. การถายนำ้ ออก 101 รูปท่ี 6.5: ลกั ษณะภายในถังพักไอน้ำนอ ยกวา น้ำและจะลอยข้ึนไปขัดขวาง ดงั นนั้ ผลดีอกี ประการหนึ่งของการลดปรมิ าณฟองอากาศคือ การไหลในทอนำ้ ลงสะดวกข้นึ วิธีเหลา น้ีตางก็มีขอจำกัด H ถูกจำกัดโดยคา ใชจา ยในการวางระบบทอ ρrถูกจำกดั โดยปรมิ าณไอน้ำท่ีออกจากทอน้ำข้ึน และ ρd ถกู จำกดั โดยคา ความหนาแนน ของนำ้ อม่ิ ตัวในกรณีท่ีไมมีฟองอากาศในทอนำ้ ลงเลย การลดความดันสูญเสยี ในระบบอาจทำไดโดยเพิม่ ความยาวเสนผา ศูนยก ลางของทอ นำ้ ลงซึ่งทำใหความหนาของทอ ตองเพ่ิมตามไปดวย อยางไรก็ตามระบบไหลเวยี นแบบธรรมชาตมิ ปี ระสิทธผิ ลลดลงเมอื่ ความดันของระบบเพม่ิ ข้นึ เนื่องจากผลตางระหวา ง ρd และ ρr จะลดลง ระบบน้ไี มส ามารถทำงานไดเมือ่ ความดนั สูงถงึ 180 bar ระบบทใ่ี ชในกรณีทคี่ วามดันระบบมคี าสูงคอื ระบบไหลเวียนแบบบงั คับ (forced circulation) ซึง่ ใชเครอ่ื งสูบท่ีตดิ ตั้งท่ีทอ นำ้ ลงเพ่มิ ความดันขบัเคล่อื นใหระบบ ถงึ แมวาระบบน้ี มีคาใชจายในการติดตง้ั เครอื่ งสูบ แตก็มีขอไดเ ปรยี บที่ H มีคาลดลงไดและทำใหสามารถใชทอ นำ้ ลงมีความยาวเสน ผา ศูนยกลางลดลงและความหนาลดลงเม่ือเทยี บกบั ระบบไหลเวยี นแบบธรรมชาติ6.5 การถายน้ำออก นำ้ ปอ นท่ีไหลเขา ถงั พักไอนำ้ จะตอ งถกู กำจัดเอาสิ่งเจอื ปนออกเสียกอ นเพื่อจะไดไมม ีสารตกคา งในถงั พักไอน้ำ อยางไรก็ตามน้ำปอนมกั ไมบรสิ ุทธ์ิรอยเปอรเซน็ ต โดยจะมีสารแปลกปลอม (total dis-solved solid, TDS) จำพวกเกลือละลายปนอยู การวัดความเขมขนของสารแปลกปลอมอาจใชหนวยppm (part per million) ซึง่ หมายถงึ หนึ่งสวนโดยน้ำหนักของสารแปลกปลอมตอหน่งึ ลานสว นของน้ำ

102 บทที่ 6. เครื่องกำเนิดไอนำ้เน่ืองจากมีการไหลออกของไอน้ำจากถังพักไอนำ้ อยูตลอดเวลาความเขมขน ของสารแปลกปลอมในนำ้เดือดทีเ่ หลืออยูจงึ เพิ่มข้ึนตลอดเวลาเชน กัน การถายน้ำออก (blowdown) และทดแทนดวยน้ำปอ นใหมจงึ เปนสงิ่ จำเปนในการควบคมุ ไมใหค วามเขม ขนสงู เกนิ ไปการถายน้ำออกอาจกระทำอยา งตอ เน่อื ง (continuous blowdown) หรือกระทำเปนชวง ๆ (inter-mitten blowdown) การถายนำ้ ออกอยางตอ เนอ่ื งมีขอ ไดเปรยี บหลายประการเชน ปรมิ าณสารแปลกปลอมมีคา คงท่ีและระดบั นำ้ ในถงั พักไอนำ้ คงท่ี อัตราการไหลของน้ำคงที่ซ่งึ ทำใหเครอ่ื งสบู ขนาดเล็กและระบบควบคมุ มีความซับซอนนอยกวา ปรมิ าณนำ้ ท่ีถา ยออกสามารถคำนวณไดจากการทำสมดุลมวลของสง่ิ แปลกปลอมในนำ้ ปอ น รปู ท่ี 6.6 แสดงการไหลเขาออกในถังพกั ไอน้ำโดยไมพจิ ารณาการไหลในทอนำ้ ขน้ึ และทอนำ้ ลงเนื่องจากเปนการไหลเวียนภายในระบบ ถากำหนดให xd เปนความเขม ขนของสารแปลกปลอมในถงั พักไอน้ำ xw เปน ความเขมขน ของสารแปลกปลอมในนำ้ ปอน xs เปน ความเขมขนของสารแปลกปลอมในไอนำ้ ออกจากถงั พกั ไอนำ้ และ m˙ s เปนอตั ราการไหลของไอนำ้ อัตราการไหลของน้ำถา ยออกจะมคี าดงั นี้ () xw − xs (6.2) m˙ b = m˙ s xd − xwโดยทัว่ ไปความเขม ขนของสารแปลกปลอมในไอน้ำมคี า นอยมาก (xs = 0) สมการ (6.2) กลายเปน () xw (6.3) m˙ b = m˙ s xd − xwรูปที่ 6.6: การไหลเขาออกของถงั พกั ไอนำ้ การถายนำ้ ออกเปนชว ง ๆ ทำใหอัตราการถายนำ้ ออกมีคาเทากบั m˙ b ในชวงเวลา d และจะไมมีการถายนำ้ ออกในชวงเวลาท่ีเหลือ (t) ผลที่ตามมาคือ ความเขมขน ของสารแปลกปลอมในถังพกั ไอน้ำมีคา เพม่ิ ขึน้ จาก xd1 เปน xd2 ในชวงเวลาท่ีไมมีการถา ยนำ้ ออกและมีคาลดลงจาก xd2 เปน xd1 ในชว งเวลาท่มี กี ารถา ยนำ้ ออกดงั แสดงในรปู ที่ 6.7 อัตราการถายน้ำออกคำนวณไดด 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 แบบตอเนือ่ งและ xd1 = xd2 = xd สมการ (6.4) จะกลายเปนสมการ (6.2)รปู ที่ 6.7: การเปลยี่ นแปลงของอัตราการถา ยนำ้ ออกและความเขม ขนของสารแปลกปลอมในการถายนำ้ ออกเปน ชว ง ๆ6.6 เครอ่ื งทำไอนำ้ ยวดยงิ่ และเครือ่ งใหความรอ นซ้ำ เคร่ืองทำไอนำ้ ยวดย่งิ และเครอื่ งใหความรอ นซ้ำเปน กลุม ทอ ท่ีมีไอน้ำไหลภายในทอ และกาซเสยีไหลภายนอกทอ ไอนำ้ ไดรบั ความรอ นจากการแผรังสีหรือการพาความรอ นจากกาซเสียท่ีมีอุณหภูมิสูงผานทอซ่งึ ทำดวยโลหะที่สามารถนำความรอนไดดี เคร่ืองทำไอนำ้ ยวดยิ่งทำหนาที่เพม่ิ อณุ หภูมิใหไอน้ำอิม่ ตวั จากถงั พักไอน้ำกลายเปนไอนำ้ ยวดย่ิง สว นเคร่อื งใหความรอนซำ้ ทำหนา ที่เพ่ิมอณุ หภมู ิใหไอนำ้ ท่ีสญู เสียเอนทลั ปบางสวนไปในเคร่อื งกงั หนั ไอนำ้ กอนไหลกลบั เขา ไปยังเครื่องกังหันไอน้ำอกี ครั้ง เครื่องใหความรอ นซำ้ มกั พบในโรงไฟฟาท่ีมีกำลงั การผลิตมากกวา 100 MW และไมคุมคาแกการติดตัง้ ในโรงไฟฟา ขนาดเลก็ ซึง่ จะมเี พียงเครือ่ งทำไอนำ้ ยวดยง่ิ การจำแนกเคร่อื งทำไอนำ้ ยวดยิง่ อาจกระทำไดโดยพจิ ารณาลักษณะการถายเทความรอ น เครอ่ื งทำไอนำ้ ยวดยิง่ แบบรับรงั สคี วามรอน (radiant superheater) ตดิ ตง้ั อยูเ หนือเตาเผาเพือ่ รับการแผร งั สจี ากเปลวไฟและอนุภาคทลี่ กุ โชนและมีอณุ หภูมสิ งู เครื่องทำไอนำ้ ยวดยง่ิ แบบรับการพาความรอน (convec-tive superheater) ติดตัง้ อยใู นบริเวณทีก่ ารแผรังสคี วามรอนไปไมถ ึง จงึ ไดร ับความรอนโดยการพาจากกาซเสยี ที่ไหลออกมาจากเตาเผา เครือ่ งใหความรอนซำ้ มักติดตั้งถดั จากเครอ่ื งทำไอนำ้ ยวดยิ่งแบบรบัการพาความรอ น ดังนัน้ เครือ่ งใหความรอนซ้ำจงึ ไดรับความรอนจากการพาความรอนเชนกัน สิ่งสำคัญที่ตอ งคำนึงถงึ ในการออกแบบเครื่องทำไอน้ำยวดยง่ิ และเครอ่ื งใหความรอ นซ้ำคอื ความสามารถในการทนอุณหภูมิและความดัน ความสามารถในการทนอณุ หภมู ิสงู ของเครอ่ื งทำไอน้ำยวดยิ่งและเครื่องใหความรอ นซ้ำข้นึ กับโลหะท่ีใชทำทอโดยโลหะที่ทนอุณหภูมิไดสูงกวา ยอ มจะมีราคาแพงกวา การออกแบบทอ ของเครอ่ื งทำไอนำ้ ยวดย่ิงและเคร่ืองใหความรอนซำ้ เพอื่ ลดอุณหภมู ิของทอจะ

104 บทท่ี 6. เครื่องกำเนดิ ไอน้ำสามารถชวยประหยดั คา ใชจายดา นวัสดุได รูปที่ 6.8 แสดงการไหลของกา ซเสยี ผานทอ และไอนำ้ ในทอสองแบบ แบบแรกเปนการไหลแบบขนานกัน (parallel flow) แบบที่สองเปน การไหลแบบสวนทางกนั(counter-flow) สมั ประสิทธ์ิการถายเทความรอ นของไอน้ำภายในทอ และของกา ซเสียภายนอกทอมีคาใกลเคยี งกนั ดงั นัน้ อุณหภูมิของทอจึงมีคาโดยประมาณเทากบั คาเฉลี่ยของอุณหภมู ิไอน้ำกับอุณหภูมิกา ซเสีย รปู ที่ 6.8 แสดงใหเห็นวา การไหลแบบขนานกันทำใหอณุ หภูมิของทอต่ำกวาการไหลแบบสวนทางกัน อยางไรก็ตามการไหลแบบขนานกันมีประสทิ ธภิ าพเชงิ ความรอ นดอ ยกวา การไหลแบบสวนทางซงึ่ หมายความวา ทอ ที่การไหลแบบขนานกันถายเทความรอนไดนอ ยกวาทอที่การไหลแบบสวนทางกนัการเลอื กรปู แบบการไหลของเครอ่ื งทำไอน้ำยวดย่ิงและเครื่องใหความรอ นซำ้ จึงตองคำนึงถึงอุณหภมู ิของทอ ควบคกู บั ประสทิ ธิผลของการแลกเปลี่ยนความรอนรปู ที่ 6.8: การไหลแบบขนานกันและการไหลแบบสวนทางกันในเครื่องทำไอน้ำยวดยง่ิ และเคร่ืองใหความรอนซ้ำ ทอของเครอ่ื งทำไอนำ้ ยวดยง่ิ และเครอื่ งใหความรอ นซำ้ ไดรับการออกแบบใหทนความดันสงู ไดตามสมการ (6.1) ในกรณีท่ีเคร่อื งกำเนิดไอน้ำไดรับการเพิม่ สมรรถนะใหทำงานที่ความดันสูงข้นึ ทอของเครือ่ งทำไอนำ้ ยวดย่งิ และเคร่ืองใหความรอนซำ้ จะตอ งถกู เปลยี่ นใหสามารถทนความดนั ที่สูงข้นึอยา งไรกต็ ามทอ ที่มีขนาดเล็กซง่ึ ทนความดันไดสงู และมีพนื้ ท่ีมากในการรบั ความรอนมีขอเสยี เปรยี บเนื่องจากความดันสญู เสียของไอนำ้ ที่ไหลในทอจะเพม่ิ ขึ้นตามความยาวเสนผาศูนยกลางของทอท่ีลดลงปจจยั เหลาน้ีจงึ ตอ งนำมาพิจารณาในการเลอื กขนาดทอ ถา เปรยี บเทยี บทอ ของเครือ่ งทำไอนำ้ ยวดยง่ิและเครือ่ งใหความรอ นซ้ำ จะพบวา ไอนำ้ ในเครื่องใหความรอ นซำ้ มีความดนั ตำ่ กวา ไอนำ้ ในเคร่อื งทำไอนำ้ ยวดยิง่ ดงั น้นั ทอเครอ่ื งใหความรอนซำ้ จงึ ทนกับความเคน ท่ีตำ่ กวา และสามารถมีความยาวเสนผาศนู ยกลางทม่ี ากกวาเพ่ือลดการสญู เสียความดันไอนำ้ ที่ไหลผา น นอกจากนี้เคร่ืองใหความรอ นซ้ำยังสามารถทนอณุ หภูมิสงู กวาเครือ่ งทำไอน้ำยวดย่งิ อณุ หภูมิไอนำ้ ที่ออกจากเครอ่ื งใหความรอนซ้ำจงึ อาจ

6.7. การควบคมุ อณุ หภมู ไิ อนำ้ 105สูงกวา อุณหภูมิไอน้ำท่ีออกจากเครือ่ งทำไอนำ้ ยวดย่งิ 20-30◦C การที่เครอ่ื งทำไอน้ำยวดยง่ิ และเคร่ืองใหความรอนซ้ำทำงานท่ีอณุ หภมู ิสูงมากทำใหมีโอกาสท่ีข้ีเถาจะหลอมเหลวและไปเกาะที่ผิวของทอ โรงไฟฟาที่ใชถานหนิ ที่มีสัดสวนของเถามากและอุณหภมู ิเถาหลอมเหลวตำ่ มักประสบปญหาดงั กลาว ขี้เถามีคาการนำความรอนต่ำและกลายเปน ฉนวนความรอนซึง่ จะลดการถายเทความรอนจากกาซเสียสูไอนำ้ และเพ่มิ อุณหภมู ิของทอ การปองกันการสะสมของขี้เถา หลอมเหลวเปน เรอ่ื งยาก แตมีอุปกรณท่ีสามารถลดการสะสมของข้ีเถาไดคอื เครอื่ งเปา ฝุน (sootblower) ทอ ของเครือ่ งทำไอน้ำยวดย่งิ และเคร่ืองใหความรอนซ้ำที่มีจำนวนหลายทอมักวางระยะหางที่มากพอท่ีจะทำใหเครื่องเปา ฝุนทำงานอยา งสะดวกโดยระยะหา งระหวา งทอ จะเพิม่ ขึน้ ตามอณุ หภูมิของกาซเสีย นอกจากน้ีทอ เหลา น้ีมกั เปนทอ เรียบเพ่อื ใหก ารกำจัดขี้เถา เปนไปอยา งมีประสิทธภิ าพ ถึงแมวา ทอท่ีมีครบี จะมีประสิทธผิ ลสูงกวา ในการแลกเปล่ยี นความรอ นแตมีความลำบากในการกำจดั ขี้เถาทีส่ ะสมท่ีครีบดว ยเครื่องเปา ฝนุ6.7 การควบคมุ อุณหภูมิไอนำ้ ถึงแมว า อุณหภมู ิของไอนำ้ ท่ีออกจากเคร่อื งทำไอนำ้ ยวดยงิ่ เขา สูเครอื่ งกังหนั จะถกู ออกแบบใหมีคาเหมาะสมทส่ี ดุ แตในความเปนจรงิ อณุ หภมู ิไอนำ้ จะแปรเปลย่ี นตามปจจัยตาง ๆ เชน อณุ หภูมิเตาเผาอตั ราการผลติ ไอนำ้ ความดนั ไอนำ้ ปรมิ าณอากาศสวนเกินในการเผาไหมเชื้อเพลิง ชนิดของเชอ้ื เพลงิอณุ หภูมิของนำ้ ปอ น ความสะอาดของผวิ อุปกรณแลกเปลี่ยนความรอนในระบบ เปน ตน ถา ปลอยใหเครอื่ งกำเนิดไอน้ำทำงานโดยปราศจากการควบคมุ อุณหภูมิ อณุ หภูมไิ อน้ำก็อาจจะข้ึนลงในชว งอุณหภมู ิกวา ง ๆ ซงึ่ การจำกดั ใหอณุ หภูมิไมสงู เกนิ ไปจนสง ผลเสียอปุ กรณตา ง ๆ ในระบบรวมท้ังเคร่อื งกงั หันหมายถึงอุณหภมู ิเฉลย่ี ที่ตำ่ ลง อนั เปน ส่ิงท่ีไมพึงประสงคเนอ่ื งจากมันจะทำใหประสทิ ธิภาพของโรงไฟฟาลดลง นอกจากน้ีการเปลี่ยนแปลงของอณุ หภูมิไอน้ำในชวงกวา งยงั จะทำใหการออกแบบเชงิ กลของอุปกรณตาง ๆ ในระบบซบั ซอนขน้ึ เน่ืองจากการขยายตัวตามอุณหภมู ิของชน้ิ สว นอุปกรณจะเกิดขนึ้ ในชวงกวางเชน กัน ดังนน้ั อณุ หภูมิไอน้ำจงึ ควรถูกควบคมุ ใหมีคาไมมากกวาและไมตำ่ กวาอุณหภูมิท่ีเหมาะสมที่สดุ เกิน 5◦C การควบคุมอณุ หภมู ิไอน้ำอาจแบง เปน 4 วิธีไดแก การใชเครื่องทำไอน้ำยวดย่ิงแบบรับรังสีความรอ นและพาความรอ น การลดเอนทลั ปของไอนำ้ (attemperation) การเลอื กปด หัวเผาหรือการเอียงระดับหวั เผาขนึ้ ลง และการไหลวนของกา ซเสยี (gas recirculation) 1. การใชเครอ่ื งทำไอน้ำยวดย่งิ แบบรบั รังสีความรอนควบคูกับแบบพาความรอนสามารถควบคมุ อณุ หภมู ิไอนำ้ ไดเนื่องจากทัง้ สองแบบมีคณุ สมบัติที่ตา งกัน กลาวคือเคร่อื งทำไอน้ำยวดย่ิงแบบ แรกจะใหไอน้ำอุณหภูมิที่ตำ่ ลงถา อัตราการผลิตไอนำ้ เพ่ิมข้นึ อันเปน ผลมาจากการท่ีอุณหภูมิใน เตาเผาไมเปลีย่ นแปลงมากนักเมอ่ื มีการเผาไหมเชื้อเพลงิ เพ่มิ ข้ึน ในขณะท่ีปริมาณไอน้ำเพ่ิมขึน้ ในทางตรงขามเคร่อื งทำไอนำ้ ยวดย่งิ แบบหลังจะใหไอนำ้ อุณหภูมิที่สูงขน้ึ ตามอตั ราการผลติ ไอ น้ำเพมิ่ ข้นึ เพราะอตั ราการไหลที่เพ่มิ ขน้ึ ของกา ซเสียจะทำใหการแลกเปล่ยี นความรอนจากกาซ เสยี สูไอนำ้ เพมิ่ ขน้ึ ตามไปดวย ดงั นน้ั การใชคอื เครอ่ื งทำไอน้ำยวดยิง่ ท้งั สองแบบรวมกันจะชวย

106 บทที่ 6. เครอ่ื งกำเนิดไอน้ำ ทำใหอุณหภมู ิของไอนำ้ ท่ีผลติ ไดไมเปลี่ยนแปลงมากนักตามอัตราการผลติ ไอนำ้ ดงั แสดงในรปู ท่ี 6.9 อยา งไรก็ตามโรงไฟฟาสวนใหญมกั มีเคร่ืองทำไอนำ้ ยวดยงิ่ แบบพาความรอ นมากกวา แบบ รบั รงั สีความรอน ดังนนั้ จงึ ยังคงมีการเพม่ิ ขน้ึ ของอุณหภมู ิไอนำ้ เมื่ออัตราการผลิตไอน้ำเพม่ิ และ ตองอาศยั การควบคมุ วิธอี ืน่ มาเสรมิรูปที่ 6.9: ผลของการควบคมุ อุณหภูมิไอน้ำโดยใชเครื่องทำไอนำ้ ยวดยิ่งแบบรบั รังสีความรอนและพาความรอ น 2. การใชแอตเทมเพอเรเทอร (attemperator) ลดเอนทลั ปของไอนำ้ โดยการพนละอองน้ำปน เขา ไปในไอน้ำตามรปู ท่ี 6.10 ละอองนำ้ จะระเหยเปน ไอพรอมกบั ดูดกลนื ความรอนจากไอน้ำอัน จะทำใหอุณหภูมิไอน้ำลดลงได ถา ทราบอัตราการไหลของไอน้ำ เอนทัลปของละอองน้ำสเปรย เอนทลั ปของไอน้ำที่ไหลเขา และเอนทลั ปของไอนำ้ ที่ไหลออก อัตราการไหลของนำ้ (m˙ w) ท่ี ตองการสามารถคำนวณไดจ าก m˙ shs1 + m˙ whw = (m˙ s + m˙ w)hs2 การควบคุมอุณหภูมิไอนำ้ วธิ ีนี้ใหผลตอบสนองที่รวดเร็วแตมีขอ ควรระวงั คือ ละอองน้ำจะตอง มีความบรสิ ทุ ธ์ิสูง คือมีสารแปลกปลอมเจอื ปนนอยท่สี ุด ไมเชนนน้ั แลวมันจะทำใหเกิดคราบ ตะกรนั ทผ่ี วิ ทอเคร่ืองทำไอน้ำยวดยง่ิ และเครอื่ งใหค วามรอ นซ้ำได 3. การเลอื กปด หัวเผาหรอื การเอียงระดบั หวั เผาข้ึนลงควบคมุ อณุ หภมู ิไอน้ำโดยการเปลี่ยนแปลง การดูดกลืนความรอนในเตาเผาและสงผลใหอณุ หภูมิไอน้ำเปล่ียนแปลงตามได สมดลุ พลงั งาน ความรอ นในรปู ที่ 6.11 แสดงใหเหน็ วาพลงั งานจากการเผาไหมในเตาเผา (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: แอตเทมเพอเรเทอรไฟฟาบางแหง มีหวั เผาหลายหัวที่สามารถเลอื กเปดปด ไดและอาจปรับระดับของหัวเผาได การลดสัดสว นความรอ นท่ีถูกดดู กลนื โดยเคร่ืองระเหยอาจกระทำไดโดยการปด หวั เผาในสว นลา งของเตาเผาหรอื ปรบั ระดับของหัวเผาใหเอียงข้นึ การกระทำเชนน้ีจะทำใหกาซเสียที่เขาเครอื่ งทำไอน้ำยวดยิ่งก็จะมีอุณหภูมิสงู ขนึ้ และไอนำ้ ที่ไดจากเครอ่ื งทำไอนำ้ ยวดยิง่ มีอุณหภมู ิสูงขึน้ ในทางกลบั กนั ถาปด หัวเผาในสวนบนของเตาเผาหรือเอียงหัวเผาลงจะทำใหสดั สวนของความรอนที่ถูกดูดกลนื โดยเครือ่ งระเหยเพ่มิ ขึน้ และจะทำใหกาซเสียท่ีออกจากเตาเผามีอุณหภมู ิตำ่ ซึ่งสงผลใหเครอ่ื งทำไอน้ำยวดยิ่งผลิตไอนำ้ ที่มีอุณหภมู ิตำ่ ตามไปดวย การควบคมุ อุณหภูมิไอน้ำโดยการเลือกเปดปดหวั เผาและการปรบั หวั เผาเปน การควบคมุ ท่ีไมซับซอน ใหผลตอบสนองที่แมนยำและรวดเรว็ และการควบคุมสามารถกระทำไดใ นชวงอตั ราการผลิตไอนำ้ ที่กวาง รปู ที่ 6.11: สมดุลพลงั งานทเี่ ตาเผา4. การไหลวนของกาซเสยี คอื การทำใหกาซเสยี ท่ีออกจากเครอื่ งกำเนดิ ไอน้ำไปแลว ไหลยอ นกลบั เตาเผาอีกครั้ง การไหลวนของกา ซเสียสามารถใชลดการดูดกลืนพลังงานโดยเครื่องระเหยและ เพมิ่ พลงั งานความรอนในกาซเสยี กระบวนการถายเทความรอ นหลกั จากเตาเผาสูเครื่องระเหย คือ การแผรงั สีความรอ น ดงั นั้นอุณหภมู ิในเตาเผาจงึ เปนปจจัยท่ีสำคญั มาก การไหลวนของกาซ เสยี ทำใหอณุ หภมู ิในเตาเผาลดลง การดูดกลนื ความรอ นโดยเครอ่ื งระเหยก็จะลดลงตามไปดวย ผลที่ตามมาคอื กาซเสียท่ีออกจากเตาเผาก็จะมีพลังงานความรอนเพิ่มข้นึ และทำใหไดไอนำ้ ที่มี อุณหภมู ิเพ่ิมขนึ้เนื่องจากการใชแอตเทมเพอเรเทอรและการไหลวนของกา ซเสียเปนการควบคมุ อณุ หภูมิไอน้ำสอง

108 บทที่ 6. เครอ่ื งกำเนิดไอนำ้วิธีท่ีใหผลตา งกัน ท้ังสองวธิ ีจงึ อาจถูกใชรวมกนั เพือ่ ทำใหไอนำ้ มีอุณหภมู ิคงที่กลา วคอื ถาอตั ราการผลติไอนำ้ เพ่มิ ข้ึนก็ใหใชวธิ ีพน สเปรยน้ำลดอณุ หภูมิไอนำ้ แตถา อัตราการผลิตไอน้ำลดลงก็ใหใชวิธีนำกา ซเสียไหลยอนกลบั เตาเผา รปู ท่ี 6.12 แสดงใหเหน็ วา การกระทำเชนนี้จะทำใหอุณหภมู ิไอนำ้ ไมเปลย่ี นแปลงตามอตั ราการผลิตไอน้ำ รปู ท่ี 6.12: การควบคุมอณุ หภูมิไอนำ้ โดยการใชแอตเทมเพอเรเทอรและการไหลวนของกาซเสยี6.8 เครื่องประหยดั เช้ือเพลิง กาซเสียท่ีออกจากเครือ่ งทำไอนำ้ ยวดยิ่งและเครื่องใหความรอนซ้ำมีอุณหภูมิสงู การปลอ ยกา ซเสียออกสูส่งิ แวดลอ มทันทีจงึ เปน การสูญเสียพลงั งานในกา ซเสยี ไปโดยเปลาประโยชน จากการพจิ ารณาวฏั จกั รแรงคนิ จะพบวานำ้ ปอนเขาหมอไอน้ำควรมีอุณหภมู ิสงู เพอ่ื ลดความตองการเชอื้ เพลงิ ในการทำใหน ำ้ ปอนกลายเปนไอ ดังนน้ั ความรอ นในกาซเสยี จงึ ควรถกู ถา ยเทสูนำ้ ปอน อนั จะสง ผลใหประสิทธ-ิภาพโดยรวมของโรงไฟฟา เพ่มิ ข้นึ นอกจากนี้การท่นี ้ำปอนมีอณุ หภมู ิสูงยงั ชวยลดความเคนเชิงความรอ น(thermal stress) ในถังพักไอน้ำดว ยโดยการลดความแตกตางอุณหภูมิผวิ ของถังพักไอนำ้ อุปกรณสำหรับแลกเปล่ยี นความรอ นระหวา งกาซเสียกับน้ำปอนมีชือ่ วา เครอื่ งประหยัดเช้ือเพลงิซ่งึ ประกอบดวยกลุมทอ จำนวนมากวางขนานกนั ตำแหนง ของเครื่องประหยัดเชอ้ื เพลิงอยูถดั จากเคร่อื งใหความรอนซ้ำ นำ้ ปอนจะไหลในทอของเครื่องใหความรอ นซำ้ และออกไปยังถงั พกั ไอนำ้ สว นกาซเสยี จะไหลนอกทอ เครอ่ื งประหยดั เชื้อเพลิงไมไดออกแบบใหผลติ ไอนำ้ ดังนัน้ นำ้ ปอนท่ีออกจากเคร่อื งประหยัดเชอ้ื เพลงิ ควรมีอณุ หภมู ิตำ่ กวา จดุ เดอื ดประมาณ 30◦C เพื่อไมใหมีการเปล่ยี นสถานะของน้ำการท่ีของเหลวไหลในทอ ของเครอื่ งประหยัดเช้ือเพลิงทำใหอุณหภูมิของทอใกลเคยี งกบั อณุ หภมู ิของนำ้ปอนเพราะสัมประสิทธ์ิการถา ยเทความรอนของน้ำภายในทอสูงกวา ของกา ซเสียภายนอกทอมาก ดงั นัน้

6.9. เครอ่ื งอุนอากาศ 109จึงไมม ีปญหาเรอื่ งอณุ หภมู ิทอ สงู เกนิ ไปในเครอ่ื งประหยดั เชือ้ เพลิงเหมอื นในเครื่องทำไอนำ้ ยวดยิ่งและเครอ่ื งใหความรอนซ้ำ ทิศทางการไหลของน้ำและกาซเสยี ในเครื่องประหยดั เชอ้ื เพลิงจงึ เปน แบบสวนทางกันเพอ่ื ใหประสทิ ธผิ ลของการแลกเปลี่ยนความรอนระหวางกา ซเสียกบั นำ้ ปอนสูงทส่ี ดุ ปญ หาท่ีอาจเกดิ ขน้ึ กับเครือ่ งประหยดั เช้ือเพลิงคอื การกัดกรอ นโดยอนภุ าคในกาซเสยี ดังนน้ัความเรว็ ของกาซเสยี จงึ ถูกจำกดั อยูที่ 10-12 m/s ถา ปรมิ าณเถาในเชือ้ เพลิงมีนอย แตถา เชอ้ื เพลิงมีสดั สว นของเถามากความเร็วของกา ซเสยี อาจตอ งตำ่ กวาน้ี ปญหาตอ คือ การควบแนนของไอน้ำบนผิวทอ ซ่งึ มีอาจมีอณุ หภมู ิต่ำกวาจุดนำ้ คาง ปญหานี้มักเกิดข้นึ ในชวงเรมิ่ เดินเครอ่ื งซงึ่ ทอ ยงั มีอณุ หภมู ิต่ำอยูการแกปญหาอาจทำไดโดยการปลอยใหกา ซเสียไหลผานทอ ในขณะท่ียงั ไมม ีน้ำไหลเขา เพอ่ื เพิ่มอุณหภูมิของทอ ใหสงู กวา จุดนำ้ คาง ปญหาสุดทา ยท่ีเกดิ ข้ึนคอื การสะสมของขี้เถาบนผิวทอ ของเครื่องประหยดัเช้อื เพลงิ เพ่อื แกปญหานี้กลมุ ทอ จะตองมีระยะหา งระหวา งทอที่มากพอที่จะใหเคร่อื งเปา ฝุนทำงานโดยสะดวก นอกจากนี้ทอ ท่ีใชควรเปนทอเรยี บ อยางไรกต็ ามถา เชื้อเพลงิ เปนกาซธรรมชาติหรือเชอ้ื เพลงิสะอาดอ่นื ๆ กส็ ามารถใชทอ ตดิ ครบี เพือ่ เพมิ่ ประสทิ ธิผลของการแลกเปลี่ยนความรอนและลดขนาดของเคร่ืองประหยดั เช้อื เพลงิ ได6.9 เครือ่ งอนุ อากาศ จากการท่ีอุณหภมู ิกา ซเสยี ท่ีไหลออกจากเคร่อื งประหยัดเชื้อเพลงิ ยังคงสูงอยู กาซเสียจงึ สามารถนำไปแลกเปล่ียนความรอ นกบั อากาศท่ีจะเขา เตาเผาโดยใชเครอ่ื งอุนอากาศเพ่ือเพ่มิ อุณหภูมิอากาศอากาศที่รอนขึ้นจะทำใหประสทิ ธภิ าพของเคร่อื งกำเนิดไอนำ้ เพ่ิมขนึ้ และความตองการเช้ือเพลงิ ลดลงอาจกลา วโดยประมาณไดวา อุณหภมู ิของอากาศท่ีเพมิ่ ข้ึน 110◦C ชวยประหยัดเช้ือเพลิงได 4% และอุณหภมู ิของอากาศท่ีเพ่มิ ขนึ้ 280◦C ชวยประหยัดเช้อื เพลงิ ไดมากกวา 11% นอกจากนี้อากาศรอ นอุณหภมู ิ 150-420◦C ยงั เปน สง่ิ ท่ีจำเปน สำหรับลดความชน้ื ในผงถา นหินแหง ในระบบที่ใชหวั เผาและเครื่องบดละเอียด เครื่องอนุ อากาศมกั ถกู ออกแบบใหเพิม่ อุณหภูมิของอากาศเปน 280-400◦C โดยท่ีกา ซเสียจะมีอณุ หภูมิลดลงเหลือ 135-180◦C ซึง่ เปนอุณหภมู ิที่สูงกวา จุดน้ำคางของกา ซเสียเพ่อื หลกีเลย่ี งการควบแนนของไอนำ้ ในกาซเสียทท่ี ำใหเ กดิ กรดซัลฟูรกิ เครือ่ งอุน อากาศแบง ออกเปน สองแบบตามลกั ษณะการทำงานคือ รีคูปเพอเรเตอร (recuperator)และรีเจนเนอเรเตอร (regenerator) รีคูปเพอเรเตอรเปน อุปกรณแลกเปลย่ี นความรอนแบบไหลตดั กันซง่ึ ประกอบดวยทอจำนวนมากโดยทออาจอยูในแนวตัง้ หรือแนวนอนดังแสดงในรูปท่ี 6.13 เปน ท่ีนาสังเกตวากา ซเสยี ไหลในแนวต้งั ในขณะที่อากาศไหลในแนวนอนโดนกาซเสยี ไหลในทอในรปู ที่ 6.13(ก)แตไหลตดั กบั ทอในรปู ที่ 6.13(ข) เหตุผลท่ีกาซเสียไหลในแนวต้งั คือ กาซเสยี มีข้ีเถาและฝุนปนอยู ข้ีเถาและฝุนจะไปสะสมบนทอ แตการสะสมจะถกู จำกดั โดยการไหลของกาซเสยี และแรงโนม ถว งของโลกขี้เถา และฝนุ บางสว นจึงตกลงสูถงั เก็บ (hopper) สมั ประสิทธ์ิการถา ยเทความรอนรวมของรีคูปเพอ-เรเตอรมีคาอยูระหวา ง 30-60 W/m2.◦C ซึง่ นับวา ต่ำเนอ่ื งจากของไหลในระบบมีสถานะเปน กาซท้งั คูดังนั้นทอจึงควรมีขนาดเล็กและมีจำนวนมากเพอื่ เพ่มิ พ้ืนที่ถา ยเทความรอน ทอ อาจติดครบั ในกรณีที่เชอื้เพลงิ ท่ีใชเผาไหมเปน เชอ้ื เพลงิ สะอาด โดยทว่ั ไปขนาดเสน ผาศูนยกลางนอกของทอ อยูประมาณ 50-65mm

110 บทที่ 6. เครอื่ งกำเนิดไอน้ำ รูปท่ี 6.13: เคร่อื งอนุ อากาศประเภทรคี ูปเพอเรเตอรท ีม่ ี (ก) ทอในแนวตง้ั และ (ข) ทอ ในแนวนอน เครอ่ื งอนุ อากาศแบบรีเจนเนอเรเตอรมีลกั ษณะเปน วงลอ ที่บรรจุวัสดุพรุนซง่ึ มีคา ความจุความรอนท่สี ูงเรียกวา เมทรกิ ซ (matrix) กา ซเสยี และอากาศไหลสวนทางกันและคนละซกี ของวงลอ เมทรกิ ซจะดูดกลืนความรอนบางสวนจากกา ซเสยี เมอ่ื กา ซเสียไหลผา นและสะสมความรอนนี้ไว เมทริกซจะคายความรอ นนี้ใหอากาศที่ไหลผานและทำใหอากาศมีอุณหภูมิสงู ข้นึ เมทรกิ ซเปนสวนประกอบที่สำคัญมากของรีเจนเนอเรเตอร รีเจนเนอเรเตอรจะทำงานไดก็ตอ เม่อื จะตองมีการไหลของกา ซเสยี สลับกับการไหลของอากาศท่ีแตล ะซกี ของวงลอ กลไกการทำงานของรีเจนเนอเรเตอรจึงแบง เปน สองแบบ กลไกแบบแรกเปนการหมนุ ของวงลอโดยกาซเสยี และอากาศมีทิศทางการไหลคงท่ี กลไกแบบที่สองเปนการเปลี่ยนตำแหนงการไหลของกา ซเสยี และอากาศโดยวงลอ อยูนิ่ง รปู ท่ี 6.14 แสดงใหเหน็ การทำงานของรี-เจนเนอเรเตอรแบบจุงสทรัม (Ljungstrom regenerator) ซึ่งทำงานดว ยกลไกแบบแรกและรีเจนเนอ-เรเตอรแบบโรเทอมุลเลอ (Rothemuhle regenerator) ซงึ่ ทำงานดว ยกลไกแบบทส่ี อง รีเจนเนอเรเตอรมีขอ ไดเปรยี บหลายประการเม่ือเทยี บกบั รีคูปเพอเรเตอร รีเจนเนอเรเตอรมีพืน้ ท่ีแลกเปลีย่ นความรอ นมากกวา รีคูปเพอเรเตอร ดงั นั้นรีเจนเนอเรเตอรจงึ มีขนาดเลก็ กวา รีคูปเพอ-เรเตอรท่ีมีสมรรถนะเทากัน รีเจนเนอเรเตอรมีประสิทธิผล (effectiveness) สูงกวา รีคูปเพอเรเตอรกลาวคือรีเจนเนอเรเตอรสามารถอนุ อากาศใหมีอณุ หภมู ิสูงกวารีคูปเพอเรเตอร สวนท่ีตอ งทนอุณหภมู ิสูงของรีเจนเนอเรเตอรคือ เมทรกิ ซซึ่งอาจทำดว ยวสั ดุที่ทนความรอ นไดสูงเชน เซรามกิ นอกจากน้ีร-ีเจนเนอเรเตอรยงั มีคณุ สมบัติในการทำความสะอาดตัวเอง (self-cleaning) เน่ืองจากการไหลสลบั กนัของกาซเสียและอากาศทัว่ เมทรกิ ซ อยา งไรกต็ ามสามารถทนอุณหภมู ิสงู กวา รีคูปเพอเรเตอรเพราะท่ีท่ีออกจากเปลย่ี นความรอ นสามารถถกู ออกแบบใหมีปริมาณมาโดยการใชวสั ดุที่มีรูพรนุ และความหนาแนน สูง อยา งไรกต็ ามรเี จนเนอเรเตอรม ขี อ เสยี คือ วสั ดุพรุนในเมทริกซท ำใหเ กิดความดนั สูญเสยี ของกา ซเสียและอากาศท่ีไหลผา น รีเจนเนอเรเตอรจงึ ตอ งการพัดลมที่มีกำลงั งานสูง การไหลสลับกนั ของกาซรอนและอากาศเยน็ ทำใหเกิดความเคนเชิงความรอ นในเมทรกิ ซซึง่ อาจลดอายุการใชงานของเมทรกิ ซ

6.10. เคร่ืองเปา ฝุน 111รูปที่ 6.14: รีเจนเนอเรเตอร (ก) แบบจุงสทรัมและ (ข) แบบโรเทอมลุ เลอ เสนทบึ แสดงสวนที่หมุนรอบแกนแนวต้ังนอกจากนี้ปญหาที่สำคญั ของรีเจนเนอเรเตอรคือ การรว่ั ไหลมาผสมกันของกาซเสียและอากาศ โรงไฟฟา ท่ีมีขนาดมากกวา 120 MW นิยมติดต้ังรีเจนเนอเรเตอร โดยรีเจนเนอเรเตอรอาจมีความยาวเสนผาศนู ยก ลางถึง 10 m และมคี วามเรว็ รอบของวงลออยรู ะหวา ง 0.5-3 rpm6.10 เครื่องเปาฝุน กา ซเสียมกั มีจึงมีฝุนปะปนอยูเสมอ ท่ีมาของฝุนคอื เถาซึง่ เปนสวนประกอบเชื้อเพลงิ ท่ีไมเผาไหมและจะกลายเปน เถา ลอยท่ีปนไปกับกา ซเสยี ถาเถามีอุณหภมู ิหลอมเหลวสูง นอกจากน้ียังมีเชือ้ เพลงิ บางสว นท่ีเผาไหมไมสมบูรณและกลายเปน เขมาปะปนไปกับกาซเสยี เชนกัน การไหลของกาซเสียในเคร่อื งกำเนดิ ไอนำ้ เปน การไหลผา นสงิ่ กีดขวางซึ่งก็คอื อุปกรณแลกเปลย่ี นความรอ นตาง ๆ แมว า กา ซสามารถไหลผา นส่ิงกดี ขวางไดแตฝุนมกั ถูกดกั ไวไมใหไหลผานไปได ผลที่ตามมาคอื การสะสมของฝนุ บนผวิทอของอุปกรณแลกเปลย่ี นความรอ น ฝนุ มีคาการนำความรอ นต่ำและจะลดคา สมั ประสัมประสิทธิ์การถา ยเทความรอนรวมของอุปกรณแลกเปล่ียนความรอ น สมรรถนะของอปุ กรณแลกเปลยี่ นความรอ นจงึลดลงตามการสะสมของฝนุ ที่เพิ่มขึน้ ถาไมม ีการกำจัดฝุนออกไปอณุ หภูมิของกาซเสียท่ีไหลออกจากเครื่องกำเนดิ ไอนำ้ จะเพมิ่ ขึน้ ในขณะที่อณุ หภูมิของไอนำ้ จะจะลดลงซง่ึ จะทำใหประสทิ ธภิ าพของเครือ่ งกำเนิดไอนำ้ ลดลงเชนกัน ถาโรงไฟฟามีกำหนดปดซอมบำรุงทุกปหรือสองปฝุน อาจถูกกำจดั โดยการชะลางฝุนออกจากผวิทอ หลงั จากเคร่อื งกำเนิดไอนำ้ หยดุ การทำงาน แตวธิ ีนี้เหมาะสมถากา ซเสียมีฝนุ นอ ยซ่งึ หมายความวาเชอ้ื เพลงิ มีสัดสวนของเถาตำ่ และมีการเผาไหมไมสมบรู ณเกิดขึน้ นอย แตถา เช้อื เพลงิ เปนเช้อื เพลิงแข็ง

112 บทที่ 6. เครอื่ งกำเนดิ ไอน้ำการสะสมของฝุน บนผวิ ทอ จะมีปริมาณมากเกินกวาท่ีจะรอทำความสะอาดทกุ ปหรือสองปได การกำจัดฝนุ ควรกระทำบอยคร้ังขนึ้ แตโรงไฟฟา ไมสามารถหยดุ การทำงานบอย ๆ ได ดังนน้ั การกำจัดฝนุ จงึ ตอ งกระทำขณะที่เคร่อื งกำเนดิ ไอนำ้ กำลังทำงานอยูโดยใชอปุ กรณที่เรียกวาเครือ่ งเปาฝนุ (soot blower)หลักการทำงานของเครื่องเปาฝนุ คือ ใชการพน ไอน้ำหรอื อากาศสลายข้ีเถา ที่สะสมบนผิวทอ ไอน้ำและอากาศตา งก็มีขอ ดีและขอ เสีย ไอน้ำในโรงไฟฟามีปริมาณไมจำกดั และมีความดนั สงู อยูแลว จงึ ไมตอ งมีอุปกรณเพมิ่ ความดนั เคร่ืองเปา ฝุนท่ีใชไอนำ้ จึงมีคา ใชจา ยในการเดินเคร่ืองตำ่ ขอเสยี ของเคร่ืองเปา ฝนุท่ีใชไอน้ำคือ ตองมีระบบกำจดั น้ำควบแนน ท่ีเกดิ ข้ึนจากไอนำ้ ซึ่งจะเพม่ิ คา บำรุงรกั ษา นอกจากน้ีเครอ่ื งเปาฝุนอาจไมสามารถทำงานไดอยา งมีประสิทธผิ ลในชว งที่โรงไฟฟาเรม่ิ เดนิ เครอ่ื งเพราะปรมิ าณไอนำ้ยงั ไมมากพอ เครอื่ งเปา ฝนุ ท่ีใชอากาศสามารถทำงานไดตลอดเวลาและมีคา บำรงุ รักษาต่ำ แตจะมีคา ใชจา ยในการเดนิ เครอ่ื งคอนขางสงู เพราะตอ งมีเครื่องอัดอากาศเพื่อเพม่ิ ความดันใหอากาศสำหรับเปา ฝนุเคร่ืองเปา ฝนุ อาจแบงเปน เครอ่ื งเปา ฝุนแบบหลายหัวฉดี (multi-nozzle soot blower) และเครอื่ งเปาฝนุ แบบยืดหดได (retractable soot blower) เครอ่ื งเปา ฝนุ แบบหลายหวั ฉีดประกอบดว ยทอ ขนาดเสน ผาศูนยก ลาง 50-64 mm ท่ีเจาะรูใหไอน้ำหรืออากาศที่มีความดันสงู พน ออกมาไดโดยมีรัศมีทำงานของเครือ่ งประมาณ 2 m ตำแหนงของรูจะอยูระหวางแถวของทออุปกรณแลกเปล่ยี นความรอน เครอื่ งเปาฝนุ แบบน้ีหมนุ ไดเพื่อใหสามารถพน ไอน้ำหรืออากาศหลายทิศทาง เครื่องเปา ฝนุ แบบหลายหวั ฉดี อาจมีหลายทอ วางขนานกันโดยทอ สวนหนึ่งพนไอน้ำหรืออากาศขน้ึ บนและทอ อกี สวนหนึง่ พนไอน้ำหรอื อากาศลงลางและแตล ะทอ หมนุ ได 180◦ ซ่ึงจะทำใหสามารถกำจัดฝนุ ไดอยา งท่ัวถงึ รปู ท่ี 6.15 แสดงเคร่อื งเปา ฝุน แบบนี้ ขอ จำกดั ของเคร่ืองเปา ฝนุแบบหลายหวั ฉีดคือ การทำงานในสภาวะท่ีมีอณุ หภูมิสงู ตลอดเวลา อุณหภมู ิจึงไมควรเกนิ 1000◦C การใชงานจึงจำกดั อยทู ีเ่ ครื่องประหยดั เชื้อเพลิงและเครอื่ งอนุ อากาศ รูปท่ี 6.15: เคร่ืองเปาฝุนแบบหลายหัวฉดี เคร่ืองเปา ฝุนแบบยืดหดไดประกอบดว ยทอ ท่ีฝง อยูในผนงั ของเครื่องกำเนิดไอน้ำเม่ือไมไดใชงานและจะยน่ื ออกมาเมอื่ มีความตอ งการกำจัดฝนุ ดา นปลายของเคร่ืองมีหวั ฉีดสำหรบั พนไอนำ้ หรืออากาศ

6.11. การไหลเวียนของอากาศและกาซเสีย 113ที่มีความดันสูง หัวฉีดอาจมีสองหวั ฉดี เพ่อื ลดแรงปฏกิ ิรยิ าขณะพนไอนำ้ หรอื อากาศซ่ึงอาจทำใหทอโคงงอ ทอสามารถหมนุ ไดร อบทศิ รูปท่ี 6.16 แสดงใหเ หน็ วา การพนไอน้ำหรอื อากาศขณะหมุนและยน่ื ออกทำใหไอน้ำหรอื อากาศเคล่ือนที่เปน รปู เกลียวและทำใหสามารถทำความสะอาดทอ อปุ กรณแลกเปลี่ยนความรอ นอยางท่วั ถงึ การเคลื่อนท่ีของหัวฉดี อาจทำใหหัวฉีดพน ไอนำ้ หรอื อากาศไปที่ทออปุ กรณแลกเปลยี่ นความรอนโดยตรงไดซง่ึ อาจนำไปสูการสึกกรอ นของทอ ดงั นนั้ เครอ่ื งเปาฝนุ จงึ ควรอยูหางจากทออยา งนอย 50 cm เคร่อื งเปาฝุนแบบน้ีทำงานไดในสภาวะท่ีมีอณุ หภูมิสูงเนื่องจากเคร่อื งทำงานในชว งเวลาส้ัน ๆ และจะถกู เกบ็ เมื่อไมใชงาน อยา งไรก็ตามเครอ่ื งเปาฝนุ แบบน้ีตองการพน้ื ท่ีเก็บเม่อื ฝงตัวในผนัง รูปที่ 6.16: เครอ่ื งเปา ฝุน แบบยืดหดได6.11 การไหลเวียนของอากาศและกาซเสีย เคร่อื งกำเนิดไอนำ้ ตอ งการอากาศปริมาณมหาศาลใหไหลเขา และกาซเสียในปริมาณที่มากกวาใหไหลออกโดยผา นอปุ กรณแลกเปลย่ี นความรอ น การไหลของอากาศและกาซเสยี จะเกดิ ขึ้นไดก็ตอ เมื่อมีผลตางระหวางความดนั ของระบบกับความดนั ของสิง่ แวดลอ ม ซงึ่ ผลตา งที่วา นี้เรียกวาดราฟต (draft)ดราฟตท ่เี กิดขึ้นในโรงไฟฟาแบงออกตาม 2 วิธีสำหรับทำใหเกิดดราฟตไดแ ก ดราฟตธ รรมชาติ (naturaldraft) และดราฟตเ ชงิ กล (mechanical draft)6.11.1 ดราฟตธ รรมชาติ เนื่องจากกา ซเสยี มีอุณหภมู ิสงู กวา อากาศของส่งิ แวดลอ มมนั จงึ เบากวาและจะลอยขึน้ เองตามธรรมชาติหรือกลา วอกี นัยหนงึ่ ก็คือความหนาแนน ที่ตางกนั ของกา ซเสยี กบั อากาศทำใหเกดิ ดราฟตโครงสรา งของโรงไฟฟามกั ประกอบไปดวยปลอง (stack) ในรูปท่ี 6.17 เพือ่ สงเสรมิ การเกดิ ดราฟต ถา

114 บทที่ 6. เครอื่ งกำเนิดไอน้ำความสงู ของปลองเทากบั H ดราฟตที่เกิดขึ้น (∆p) มีคา แปรผนั ตาม H และความหนาแนน ของกาซเสยี ในปลอ ง ถาสมมุติวา กาซเสยี เปน กาซในอดุ มคติ ดราฟตธรรมชาติจะแปรผนั ตามอุณหภูมิกา ซเสียแตถา กาซเสยี มีอณุ หภูมิสงู ก็หมายความวา ประสิทธภิ าพของโรงไฟฟา ตำ่ เพราะมีการสญู เสียพลงั งานไปมากผานทางความรอนในกา ซเสยี ดงั นั้นจงึ ตองกำหนดอณุ หภูมิที่เหมาะสมทีส่ ุดของกา ซเสียโดยคำนึงถงึ ปจ จัยตา ง ๆ ควบคูกัน นอกจากทำหนาท่ีเพิ่มดราฟตแลว ปลองยงั ทำหนาที่แพรกระจายกา ซเสียสูส่งิแวดลอมท่คี วามสงู อนั เหมาะสมที่ไมสง ผลเสียตอ ชมุ ชนใกลโรงไฟฟา รปู ที่ 6.17: ระบบดราฟตธ รรมชาติ ระบบที่ใชดราฟตธรรมชาติมีไดเปรียบท่ีคาบำรงุ รักษาระบบตำ่ ไมม ีความตอ งการพลงั งานขับเคลือ่ นอุปกรณ ความงา ยในการออกแบบ อายุการใชงานยาว และความสามารถแพรกระจายกาซเสยีในที่สูง ๆ แตดราฟตธรรมชาติก็มีขอ เสียตรงท่ีมันจะเปล่ียนแปลงไปตามสภาวะของส่งิ แวดลอม และท่ีสำคัญทสี่ ุดมันใหดราฟตท ี่นอยกวา ความตอ งการของโรงไฟฟา ขนาดใหญ6.11.2 ดราฟตเชิงกล ถามีการใชอุปกรณจำพวกพดั ลมมาชว ยใหเกิดการไหลเวียนของอากาศและกาซเสีย ดราฟตที่เกิดข้นึ เรยี กวาดราฟตเชิงกล ดราฟตเชิงกลจงึ ไมข้นึ อยูกบั สงิ่ แวดลอม และไมมีความจำเปนตอ งมีปลอ งสงูเหมือนกับระบบท่ีใชดราฟตธรรมชาติ ระบบท่ีใชดราฟตเชิงกลยังขอ ดีอ่นื ๆ เชน ควบคมุ ไดงา ยกวา และไมตองปลอยกาซเสยี อุณหภมู ิสงู ออกจากระบบเพ่อื เพม่ิ ดราฟต แตก็มีคา ใชจายสูงในการดแู ลรกั ษาและปฏบิ ตั ิการ อยางไรก็ตามโรงไฟฟา ขนาดใหญตอ งใชระบบนี้เพราะดราฟตธรรมชาติไมเพยี งพอท่ีจะเอาชนะการสูญเสียความดนั ปริมาณมากที่มีสาเหตุมาจากอปุ กรณหลายชนิดและโครงสรา งอันซบั ซอ นของโรงไฟฟา ดราฟตเชงิ กลแบงออกเปนดราฟตจากการเปา (forced draft) และดราฟตจากการดดู (induceddraft) ในแบบแรกพดั ลมจะทำหนา ท่ีเปาอากาศสูเตาเผา จึงทำใหเตาเผามีความดันสงู กวาสง่ิ แวดลอมในกรณีท่ีตอ งการทำใหเกิดดราฟตปริมาณ ∆p กำลงั งานท่ีใหกบั พัดลม (PFD) สามารถคำนวณไดจาก

6.11. การไหลเวยี นของอากาศและกาซเสีย 115สูตรตอไปน้ี PF D = m˙ f .AF RA.va.∆p (6.5) ηF Dโดยที่ va คอื ปรมิ าตรจำเพาะของอากาศและ ηFD คือประสิทธภิ าพของพัดลมเปาอากาศ ขอดีของดราฟตจากการเปาคอื พดั ลมท่ีมีขนาดเลก็ และไมตองหลอ เยน็ เนือ่ งจากมันใชเปาอากาศท่ีมีอุณหภูมิและปรมิ าตรจำเพาะตำ่ นอกจากนี้การท่ีเตาเผามีความดันสงู หมายความวาไมมีอากาศร่วั ไหลเขาสูเตาเผาได ซ่งึ อากาศท่ีร่ัวไหลเขา จะทำใหประสิทธิภาพของเครือ่ งกำเนดิ ไอนำ้ ลดลง แตในทางกลบั กันการที่เตาเผามีความดนั สงู ก็เปนขอเสียของดราฟตจากการเปาเพราะเปลวไฟอาจรว่ั ออกนอกเตาเผาไดซึ่งจะเปน อนั ตรายตอผคู วบคุมเคร่อื งกำเนิดไอน้ำ ดราฟตจากการดดู เกดิ ในกรณีท่ีพดั ลมถกู ตดิ ตัง้ ระหวา งเครอื่ งกำเนิดไอนำ้ และปลอง โดยพัดลมจะทำหนาที่ดูดกา ซเสยี ออกจากเครอื่ งกำเนิดไอนำ้ เขาสูปลอ ง จงึ ทำใหเครื่องกำเนดิ ไอน้ำโดยรวมมีความดนั ตำ่ กวา สง่ิ แวดลอ ม กำลังงานท่ใี หกับพัดลม (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 พัดลมท่ีใชผลิตดราฟตจากการดดู ตองทำงานที่อุณหภูมิสงู กำลังงานที่ตอ งใหพดั ลมจึงมากกวา ในกรณีของดราฟตจากการเปา นอกจากนี้พดั ลมยงั ตอ งผจญขี้เถาในกา ซเสยี อายุการใชงานของมันจงึ สั้นกวา พดั ลมเปาอากาศ แตพัดลมดดู อากาศมีความปลอดภยั เพราะจะไมมีการรว่ั ไหลของกาซเสียและเปลวไฟออกนอกเตาเผา เนอื่ งจากดราฟตทง้ั สองชนดิ มีทง้ั ขอ ดีและขอ เสยี โรงไฟฟา จึงมกั ใชทง้ั สองชนดิ รว มกนั กลา วคอืพดั ลมจะถูกติดต้งั ทท่ี างเขาและทางออกของเครอื่ งกำเนิดไอนำ้ อันจะทำใหภายในเตาเผามีความดันตำ่กวาส่งิ แวดลอ มเพียงเล็กนอย ดราฟตท ีไ่ ดจ งึ เรยี กวา ดราฟตสมดุล (balanced draft)6.11.3 พดั ลม พัดลมทำหนาท่ีเพิม่ ความดันสถิตหรือความเร็วใหอากาศหรือกา ซ ดงั น้นั พดั ลมจงึ เปน อปุ กรณท่ีมีความสำคญั มากในระบบถายเทอากาศและกาซเสีย เน่ืองจากพัดลมตองติดตั้งที่ตำแหนง ตา ง ๆ กันการเลอื กใชพ ดั ลมจึงตองคำนงึ ถงึ ความเหมาะสมตอการใชงาน พดั ลมที่ใชใ นโรงไฟฟา มีสองแบบคือ แบบไหลตามแนวแกน (axial type) และแบบแรงเหว่ยี ง (centrifugal type) พดั ลมแบบแรกทำงานโดยหลักการเดยี วกับพัดลมตงั้ โตะ อากาศจะไหลเขาและออกจากพัดลมตามแนวแกน พัดลมแบบไหลตามแนวแกนจงั หวะเดียว (single-stage axial fan) ใชสำหรบั เปาอากาศ สวนพดั ลมตามแนวแกนสองจังหวะ (two-stage axial fan) ใชสำหรบั ดูดกาซเสีย พัดลมแบบไหลตามแนวแกนมีประสิทธิภาพสงู ที่ชว งอัตราการไหลของอากาศท่ีกวาง ดังนั้นจึงไมตองควบคุมการทำงานของพดั ลมอยางใกลชิด อยา งไรกต็ ามพดั ลมแบบน้ีมีราคาแพงและตองไดรบั การดูแลรกั ษาอยา งดี จึงเหมาะกบั การใชงานในภาวะท่ีไมม ีฝนุ ละอองหรือขี้เถา ซง่ึ ก็คือการเปาอากาศ ถา จะใชพัดลมในการดูดกาซเสีย ตองมน่ั ใจวาอนภุ าคในกาซเสยี ถูกกำจดั ไปเกอื บหมดโดยระบบกำจดั ฝุน ไมเชนน้นั แลว พัดลมจะเสียหายไดเนื่องจากมันไมสามารถทนตอฝุน ในกา ซเสียไดด ี

116 บทที่ 6. เครื่องกำเนิดไอน้ำ หลักการทำงานของพัดลมแบบแรงเหวี่ยงคอื อากาศทม่ี คี วามดันต่ำหรอื ความเร็วต่ำจะไหลเขากลางพดั ลมและมีความดันหรือความเร็วเพิม่ จากแรงเหวีย่ งของการหมนุ ของพดั ลมซงึ่ ทำใหอากาศที่ออกมีความดนั สูงหรือความเรว็ สงู พดั ลมแบบแรงเหว่ยี งประกอบดวยใบพัดท่ีตอ กับแกนหมุน การทำงานของพัดลมขน้ึ อยูกบั ลักษณะของใบพดั ซ่งึ แบง เปน ใบโคงเอียงหนา (forward-curved) ซึง่ การโคงเอยี งของใบพัดมีทิศทางเดียวกบั ทิศทางการหมนุ ของพดั ลม ใบตรง (flat) และใบโคง เอียงหลัง (backward-curved) ซ่งึ การโคง เอียงของใบพัดมีทิศทางสวนกับทศิ ทางการหมนุ ของพดั ลม รปู ที่ 6.18 แสดงลกั ษณะของใบพัดท้ังสามแบบ ถาความเรว็ ของอากาศหรือกา ซเสียท่ีออกจากปลายใบพัดเทากนั ท้งั สามกรณีความเรว็ ของใบพัดโคงไปขางหนา จะมีคานอ ยทสี่ ดุ และความเรว็ ของใบพดั โคงไปขา งหลังจะมีคามากท่ีสุด ตารางท่ี 6.1 เปรยี บเทยี บใบพดั ท้ังสามแบบ จะเห็นวาพดั ลมแบบใบโคงเอียงหลงั เหมาะสำหรบักวา พดั ลมแบบอนื่ ขอ เสียท่ีสำคัญของพดั ลมแบบน้ีคอื ความทนทานตอฝนุ ต่ำเมื่อใชพดั ลมแบบนี้ดดูอากาศ ซงึ่ ขอเสียเปรียบน้ีสามารถแกไ ขไดถามีระบบกำจัดฝนุ ที่มีประสิทธิผลกอนกาเสียไหลเขา พัดลมอยางไรกต็ าม ในกรณีท่ีมีฝนุ ปรืมาณมากในกา ซเสีย อาจจำเปนตองใชพดั ลมแบบใบตรงซง่ึ มีโครงสรางแข็งแรงและสามารถสรางใหมีความทนทานตอฝุนที่สูงมากได ถึงแมว า ประสิทธภิ าพของพัดลมแบบน้ีจะต่ำกวาพดั ลมแบบใบโคงเอียงหลงั พดั ลมแบบใบโคงเอยี งหนามขี อเสียหลายประการ จงึ ไมเ หมาะกบั การใชงานในโรงไฟฟา พดั ลมแบบน้ีนิยมใชในระบบปรบั อากาศโดยทำหนา ที่เปนพัดลมระบายอากาศขนาดเล็ก รูปที่ 6.18: พัดลมชนิดแรงเหวี่ยงแบบใบโคงเอียงหนา, ใบตรง และใบโคง เอียงหลงั พารามเิ ตอรที่กำหนดสมรรถนะของพดั ลมคอื อัตราการไหล ความดันสถิตและกำลังงาน ความดนัสถติ หมายถึงความดันสถติ ท่ีพดั ลมเพมิ่ ใหอากาศท่ีไหลผา น มีเสน โคง ท่ีแสดงความสัมพันธระหวา งความดนั สถิตกบั อตั ราการไหลสองเสน เสนโคงแรกคือ เสนโคง ลกั ษณะเฉพาะ (characteristic curve) ซึ่งไดจากการทดสอบพัดลม เสน โคงนี้จึงเปน ลกั ษณะเฉพาะของพดั ลมแตล ะเครอ่ื ง เสน โคงท่ีสองคือ เสนโคงความตา นทานของระบบ (system resistance curve) ซ่ึงแสดงวาอากาศตองไดรบั ความดันสถติ มากขึน้ เม่อื มีอัตราการไหลเพมิ่ ขึน้ เนอ่ื งจากระบบมีความตา นทานการไหลเพมิ่ ขนึ้ เม่ือนำพัดพัดลมไปทำงานในระบบจดุ ทำงานของพัดลมจะเปน จุดตัดของเสน โคงทัง้ สองเสนดงั แสดงในรปู ท่ี 6.19 พดั ลมมกั ไดรับการออกแบบใหมีประสทิ ธภิ าพสงู สดุ ที่จุดทำงาน อยา งไรกต็ ามเปน เรื่องยากที่จะเลือกจุดทำงานไดอยา งแมน ยำในข้ันตอนการเลือกพดั ลม ในทางปฏบิ ัติพดั ลมท่ีเลอื กใชมักมีสมรรถนะสูงกวาความตองการใช

6.11. การไหลเวยี นของอากาศและกาซเสยี 117ตารางที่ 6.1: เปรยี บเทียบสมรรถนะของใบพัดสามแบบของพัดลมแรงเหวยี่ งขนาดของพัดลม ใบโคง เอียงหนา ใบโคง เอยี งหลัง ใบตรงประสิทธิภาพ เลก็ ปานกลาง ปานกลางเสถียรภาพ 84-91% 70-72%ความเร็วพดั ลม 78-83% ดีความทนตอ ฝนุ ไมดี สงู ดี ตำ่ ต่ำ ปานกลาง ปานกลาง สูงงานจรงิ กลา วคือพดั ลมที่เลอื กใชจะมีประสทิ ธภิ าพสูงสดุ ท่ีอัตราการไหลสงู กวา อตั ราการไหลท่ีตอ งการเหตุผลท่ที ำเชน น้ีคอื • ความตา นทานของระบบอาจมากกวา ที่ออกแบบไวเนอื่ งจากการสะสมของฝุน และสแลกบนพื้น ผิวของอุปกรณตาง ๆ ในเครื่องกำเนิดไอนำ้ • ระบบการไหลของอากาศและกาซเสียอาจมีการร่วั ซึ่งทำใหตอ งเลือกพัดลมที่ใหอัตราการไหลสูง เพือ่ ชดเชยการรวั่ • ระบบอาจตองการอากาศสว นเกนิ มากกวาที่คาดวา จะตองการ รูปท่ี 6.19: จุดทำงานของพดั ลม การควบคุมอัตราการไหลสามารถกระทำไดโดยวิธีควบคุมแบบปรบั มุมของใบพดั นำ (inlet vanecontrol) ใบพัดนำเปนใบพัดนง่ิ ท่ีติดต้งั กอนใบพดั หมุน รูปที่ 6.20 แสดงผลของการควบคุมพัดลมดว ยวิธีน้ี การปรบั มมุ ของใบพดั นำทำใหเสน โคง ความดันสถิตของพัดลมเปลย่ี นจากเสน sp1 เปนเสน sp2และจากเสน sp2 เปนเสน sp3 นอกจากนี้เสน โคงกำลงั งานก็เปล่ยี นจากเสน p1 เปนเสน p2 และจาก

118 บทท่ี 6. เครือ่ งกำเนิดไอน้ำเสน p2 เปนเสน p3 อยางไรกต็ ามเสนโคงความตา นทานของระบบไมเปลี่ยน ดงั นัน้ การควบคุมพดั ลมดวยวิธีน้จี ึงทำใหจุดทำงานของพดั ลมเปล่ยี นจากจดุ a เปนจุด b และจากจดุ b เปนจุด c เปน ท่ีนา สงั เกตวา การลดลงของอัตราการไหลทำใหกำลงั งานของพดั ลมลงจากจุด a′ บนเสน p1 เปน จดุ b′ บนเสน p2และจากจุด b′ บนเสน p2 เปน จุด c′ บนเสน p3 รปู ที่ 6.20: วิธคี วบคมุ พัดลมแบบปรบั มุมของใบพดั นำ อีกวิธีหน่ึงที่ใชควบคมุ การทำงานของพัดลมไดคอื วิธีควบคุมแบบปรับความเรว็ (variable-speedcontrol) เสน โคง sp1 และ p1 เปน เสนโคง ของพัดลมความเรว็ สูง เสนโคง sp2 และ p2 เปน เสน โคงของพดั ลมความเร็วปานกลาง เสน โคง sp3 และ p3 เปนเสนโคง ของพดั ลมความเร็วต่ำ จะเห็นวา การลดความเรว็ พดั ลมทำใหอตั ราการไหลและกำลงั งานของพดั ลมลดลงตามไปดวย เมอื่ เปรยี บวิธีควบคมุ แบบหลายความเรว็ กบั วิธีควบคุมแบบปรับมมุ ของใบพดั นำจะพบวา วธิ ีควบคุมแบบหลายความเรว็ ทำใหกำลงังานของพัดลมลดลงมากกวาวธิ ีควบคุมแบบปรบั มมุ ของใบพดั นำ รปู ที่ 6.21: วธิ คี วบคุมพัดลมแบบปรับความเรว็

6.11. การไหลเวยี นของอากาศและกาซเสยี 119คำถามทายบท 1. ทำไมอตั ราการผลิตไอน้ำทีล่ ดลงจึงสง ผลใหต องใชอ ากาศสว นเกินมากขน้ึ 2. ทำไมหมอ ไอน้ำแบบทอไฟจึงมขี นาดเล็กเมื่อเทยี บกับหมอ ไอน้ำแบบทอ น้ำ 3. ผนงั น้ำหมายถึงอะไร 4. ทำไมทอ น้ำข้นึ จึงมขี นาดเลก็ กวา ทอนำ้ ลง 5. ถงั พกั ไอนำ้ ทำหนาทีอ่ ะไรในเครอื่ งกำเนดิ ไอน้ำ 6. ละอองนำ้ ท่ีปะปนไปกับไอนำ้ ท่ีออกจากถังพกั ไอนำ้ จะสงผลเสียตอเคร่ืองกำเนดิ ไอน้ำอยางไร 7. อะไรจะเปนผลเสยี ที่เกดิ ข้ึนถา ไมมีการถา ยนำ้ ออกจากถงั พกั ไอน้ำ 8. ไซโคลนทำหนา ที่อะไรในถงั พักไอน้ำ 9. เครอ่ื งประหยดั เชอ้ื เพลงิ ทำหนา ท่อี ะไร10. อะไรคอื สาเหตุสำคญั นอกจากราคาทอ ท่ีทำใหทอของเครอื่ งทำไอนำ้ ยวดย่งิ ของโรงไฟฟา ถา นหิน ไมนยิ มติดครบี ทัง้ ๆ ที่การถา ยเทความรอนจะดขี ึ้น11. เครือ่ งอุน อากาศมกี ีแ่ บบ อะไรบา ง12. การไหลวนของกา ซเสยี สง ผลอยา งไรตอ อุณหภูมไิ อน้ำทอ่ี อกจากเครือ่ งทำไอนำ้ ยวดย่งิ13. อธิบายการควบคมุ อณุ หภมู ิไอน้ำโดยการเอียงระดบั หัวเผาขึ้นลงมาพอสงั เขป14. ทำไมการใชเครอ่ื งทำไอนำ้ ยวดยง่ิ แบบแผรังสีควบคูกับแบบพาความรอ นจึงควบคมุ อณุ หภมู ิไอ น้ำได15. บอกขอ เสยี สองขอ ของการท่ีอุณหภมู ิไอนำ้ ทีไ่ หลเขา เครอื่ งกงั หันเปล่ยี นแปลงในชว งกวาง ๆ16. อธบิ ายการใชการไหลเวยี นของกา ซเสยี รวมกบั การลดเอนทลั ปไอนำ้ เพ่อื ควบคมุ อณุ หภูมิของไอ นำ้17. อะไรคือขอ เสียของระบบดราฟทเชงิ กลจากการเปา18. พัดลมแบบแรงเหวี่ยงมีก่ีแบบ อะไรบา ง19. ถาเปรยี บเทยี บกำลังงานท่ีตอ งใหกบั พัดลมเปา และกำลงั งานที่ตองใหกับพัดลมดดู ของระบบ ดราฟทเชงิ กลเดียวกัน อยางไหนตองการกำลงั งานมากกวา20. ทำไมพัดลมเปา อากาศจึงมีขนาดเลก็ กวา พดั ลมดดู กา ซเสีย

120 บทที่ 6. เครื่องกำเนิดไอนำ้

บทที่ 7เครอื่ งกังหันไอน้ำ7.1 หลกั การทำงาน ไอนำ้ ที่ไหลเขาเครอ่ื งกงั หันไอนำ้ มีความดันและอณุ หภูมิสงู การไหลผานเครอ่ื งกังหนั ไอน้ำทำใหความดันของไอนำ้ ลดลง ซง่ึ สง ผลใหเอนทลั ปลดลง ผลตา งระหวางเอนทลั ปของไอนำ้ ทางเขา และทางออกของเคร่ืองกังหนั ไอนำ้ มีคาเทากบั งานที่ไดจากเคร่อื งกังหนั ไอน้ำซ่ึงอยูในรปู ของพลังงานกลจากการหมนุ เครือ่ งกงั หนั ไอน้ำอาจแบง เปนสองประเภทหลกั คือ เครอื่ งกงั หันแบบไหลตามแนวรศั มี(radial-flow turbine) และเครอื่ งกังหนั แบบไหลตามแนวแกน (axial-flow turbine) เคร่อื งกังหันไอน้ำทง้ั สองประเภทประกอบดว ยโรเตอรท่ีมีใบพัดจำนวนมาก ความดันท่ีสงู ของไอน้ำสงแรงกระทำตอใบพัดซึ่งทำใหโรเตอรหมุนดว ยความเรว็ สูงและเกิดการแปลงพลังงานของไอนำ้ เปน พลงั งานกลจากการหมนุ ของเพลา ขอแตกตางที่เห็นไดชดั ระหวางเครอื่ งกังหนั ไอน้ำทง้ั สองประเภทคอื ทิศทางการไหลของไอน้ำ ในกรณีของเคร่ืองกังหนั แบบไหลตามแนวรัศมี ไอน้ำไหลเขาโรเตอรของทางรัศมีนอกของโรเตอรไหลผา นโรเตอรตามแนวรัศมี และไหลออกจากโรเตอรทางรศั มีใน ในกรณีของเครอื่ งกงั หันแบบไหลตามแนวแกน ไอนำ้ ไหลเขา และออกจากโรเตอรตามแนวแกนของเพลา เครื่องกังหันแบบไหลตามแนวรัศมีมีขอจำกัดที่ขนาดเลก็ และอตั ราการไหลของไอน้ำตำ่ จงึ ไมเหมาะกบั การใชในโรงไฟฟา ในทางตรงกันขาม เคร่อื งกงั หนั แบบไหลตามแนวแกนสามารถออกแบบใหมีขนาดใหญและอตั ราการไหลของไอนำ้ สูงเคร่อื งกังหันไอน้ำในโรงไฟฟาเกอื บทง้ั หมดเปน ประเภทนี้ สวนประกอบสำคัญของเคร่อื งกงั หันไอน้ำคือใบพัดที่จัดเรียงเปน แถวโดยมีแถวของใบพดั นง่ิ หรือสเตเตอร (stator) สลบั กับแถวของใบพัดหมุนหรอื โรเตอร (rotor) ตามรูปที่ 7.1 ใบพัดนง่ิ จะยึดตดิ กบัโครงหมุ ของเครอื่ งกงั หนั ในขณะท่ีใบพดั หมนุ จะยึดตดิ กบั แกนหมนุ โดยฐานของใบพดั นิง่ และใบพัดหมนุมีลกั ษณะเปนสลักเพ่ือใหการยึดตดิ มีความมนั่ คง ใบพดั นงิ่ อาจถูกออกแบบใหเปล่ียนไอนำ้ ความดันสูงและความเรว็ ตำ่ เปนไอนำ้ ความดนั ต่ำและความเร็วสูง ใบพัดหมุนถกู ออกแบบแปลงพลงั งานของไอน้ำเปน พลงั งานกลจากการหมุนของใบพดั

122 บทท่ี 7. เคร่อื งกงั หันไอน้ำ รปู ที่ 7.1: สเตเตอรและโรเตอรของเคร่อื งกังหันไอน้ำ7.2 ขน้ั ทำงาน หน่ึงขน้ั ทำงาน (stage) ของเครอ่ื งกังหันไอน้ำหมายถงึ สเตเตอรกบั โรเตอร หน่งึ ข้ันทำงานสามารถใหกำลังงานไมมากนัก เครื่องกงั หนั ไอน้ำจงึ ตอ งประกอบดวยหลายขนั้ ทำงานโดยไอนำ้ จะขยายตวั ในแตล ะขั้นทำงาน รปู ที่ 7.2 แสดงการเปลีย่ นแปลงความดันของไอน้ำท่ีไหลผาน 4 ขนั้ ทำงาน จะเห็นวามีการลดลงของเอนทัลปควบคูกับการลดลงของความดัน ขน้ั ทำงานของเครื่องกงั หนั ไอนำ้ แบง เปนสองแบบตามลักษณะของใบพดั น่งิ และใบพัดหมุนไดแกข้ันทำงานแรงดล (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 เม่ือไหลผานใบพัดนิ่งซ่ึงทำหนาท่ีเปน หวั ฉีด หลังจากน้นั ไอนำ้ จะเขาปะทะกบั ใบพัดหมนุ ซ่ึงทำใหโมเมนตมั ของไอน้ำลดลง และสง ผลใหเกิดแรงกระทำตอ ใบพดั และพลังงานกลของเคร่อื งกงั หัน รูปท่ี 7.3 แสดงใบพัดในข้ันทำงานแรงดลและการเปลี่ยนแปลงของความดันและความเรว็ ไอนำ้ ในการไหลผานข้นั ทำงานแรงดล เปน ท่ีนาสังเกตวา ใบพดั ในโรเตอรมีลักษณะสมมาตรคลายเกอื กมาซงึ่ ทำใหมุมเขา และมมุ ออกของใบพดั เทากัน รูปที่ 7.3: ขน้ั ทำงานแรงดล ขั้นทำงานแรงดลที่นำมาตอ กันเรยี กวา ขั้นทำงานแรงดลความดันผสม (pressure compoundstage) รูปท่ี 7.4 แสดงใบพัดและการเปล่ยี นแปลงความดันและความเร็วไอนำ้ ในการไหลผานสองขั้นทำงานของขนั้ ทำงานแรงดลความดันผสม เปนท่นี า สงั เกตวา โพรไฟลความเร็วในแตละขัน้ ทำงานเหมือนกนั และโพรไฟลความดนั ในแตละขั้นทำงานแตกตางกันเพียงระดบั ความดนั แตการเปลีย่ นแปลงความดันระหวางการไหลผา นใบพัดคลายกัน ดงั น้นั เอนทลั ปท่ีลดลงในการไหลผานหัวฉดี ในแถวที่หนึ่งจงึเทา กับเอนทลั ปท ี่ลดลงในแถวที่สามและโรเตอรใ นแถวท่ีสองและส่ีใหกำลงั งานเทากนั ถา แถวที่สามของขั้นทำงานในรปู ที่ 7.4 ไมไดทำหนา ท่ีเปนหวั ฉดี แตทำหนา ที่เปลี่ยนทิศทางการไหลของไอน้ำโดยไมไดลดความดันและเพ่ิมความเรว็ ของไอนำ้ ขัน้ ทำงานจะเปลีย่ นเปนข้ันทำงานแรงดลความเรว็ ผสม (velocity compound stage) ดังแสดงในรปู ที่ 7.5 ขัน้ ทำงานแบบนี้มีหวั ฉีดในแถวแรกเพียงแถวเดยี ว ความดันของไอน้ำจึงลดลงในแถวแรกและคงทีต่ ลอดการไหลทเ่ี หลือ โพรไฟลค วามเร็วไอนำ้ ในโรเตอรแ ถวทสี่ องและสม่ี ีลกั ษณะคลายกนั แตระดับความเร็วในโรเตอรแ ถวท่ีสองมากกวา7.2.2 ขั้นทำงานแรงปฏกิ ิรยิ า ขอ แตกตางระหวา งขน้ั ทำงานแรงปฎิกริ ยิ ากับขนั้ ทำงานแรงดลคือ การเปลยี่ นแปลงของความดันไอนำ้ ท่ีไหลผา นใบพดั หมนุ ความดนั คงท่ีเมอื่ ไอน้ำไหลผานใบพดั หมุนของข้นั ทำงานแรงดล แตความดนั ลดลงเมอ่ื ไอน้ำไหลผานใบพัดหมนุ ของข้ันทำงานแรงปฏิกิริยา ซงึ่ ทำใหเอนทลั ปลดลงตามไปดว ย

124 บทท่ี 7. เครื่องกังหันไอนำ้รปู ที่ 7.4: ขนั้ ทำงานแรงดลความดันผสมใบพัดหมนุ ของขนั้ ทำงานแรงปฏิกิรยิ าทำหนา ท่ีเปนหวั ฉดี ท่ีหมนุ รอบแกนดว ยความเร็วสูง งานที่กระทำโดยโรเตอรของข้นั ทำงานแรงปฏกิ ริ ิยาจึงไดมาจากแรงดันของไอนำ้ และพลงั งานจลนของไอน้ำ สดั สว นของงานที่ไดจากแรงดนั ของไอนำ้ เทยี บกับงานท่ีไดทั้งหมดคอื ระดบั ปฏิกริ ยิ า (reaction degree) ซ่งึสามารถเขียนเปนสูตรดังนี้R = ∆hr (7.1) ∆hs + ∆hrโดยท่ี ∆hs เปน เอนทลั ปท่ีลดลงในสเตเตอรและ ∆hr เปนเอนทลั ปที่ลดลงในโรเตอร ระดบั ปฏิกิริยามีคา ระหวา ง 0 ถงึ 1 ขนึ้ กับการออกแบบใบพัดน่งิ และใบพัดหมุน ข้ันทำงานแรงปฏิกิริยา 50% หมายถึงข้ันทำงานท่ีมีการลดลงของเอนทลั ปในสเตเตอรและโรเตอรเทา กันซงึ่ มีใบพดั นิ่งและใบพดั หมุนที่เหมอื นกนั รูปท่ี 7.6 แสดงใบพดั ในขนั้ ทำงานแรงปฏกิ ริ ยิ าและการเปลยี่ นแปลงของความดันและความเร็วไอนำ้ในการไหลผานข้ันทำงานแรงปฏกิ ิริยา 50% เปนท่ีนา สังเกตวา ใบพดั ในโรเตอรของขั้นทำงานปฏิกิริยามีลกั ษณะคลายแพนอากาศ (air foil)7.3 ประสทิ ธิภาพหัวฉดี การไหลผานข้ันทำงานของไอนำ้ จะทำใหเอนทัลปของไอน้ำ อุปกรณท่ีทำหนาที่ลดเอนทัลปคือหวั ฉีด (nozzle) หัวฉีดในสเตเตอรของขน้ั ทำงานแรงดลและขน้ั ทำงานแรงปฏิกริ ยิ าเปน หัวฉีดที่อยูกับ

7.3. ประสิทธภิ าพหวั ฉีด 125 รปู ท่ี 7.5: ขน้ั ทำงานแรงดลความเรว็ ผสม รูปท่ี 7.6: ขัน้ ทำงานแรงปฏกิ ิริยา 50%ท่ี หวั ฉดี ในโรเตอรของขั้นทำงานแรงปฏกิ ริ ยิ าเปนหวั ฉดี ท่ีหมนุ ดวยความเร็วสงู หวั ฉดี ในอุดมคติจะลดเอนทัลปของไอนำ้ โดยไมเปล่ยี นเอนโทรป แตการไหลของไอนำ้ ผา นหัวฉีดจริงจะมีการเพม่ิ ขึ้นของเอนโทรปเน่อื งจากความเสยี ดทานระหวางไอนำ้ กับหวั ฉดี ประสทิ ธิภาพหัวฉดี (nozzle efficiency) คืออัตราสวนระหวางเอนทลั ปท่ีลดลงจรงิ ในการไหลผา นหัวฉดี กับเอนทลั ปท่ีจะลดลงถา การไหลเปนแบบ

126 บทที่ 7. เครอ่ื งกงั หนั ไอน้ำไอเซนโทรปก (isentropic flow) ∆h (7.2) ηN = ∆hs เอนทลั ปท่ีลดลงสง ผลใหความดันไอน้ำลดลงและความเรว็ ไอน้ำเพ่ิมข้ึน ในกรณีของหวั ฉดี ในสเตเตอร ความสัมพนั ธระหวางเอนทลั ป (h0) กับความเรว็ (V0) ไอน้ำที่เขาหัวฉดี และเอนทัลป (h1)กบั ความเรว็ (V1) ไอนำ้ ทอ่ี อกจากหวั ฉดี เปน ไปตามกฎการอนุรักษพลังงาน h0 + V02 = h1 + V12 2 2 =⇒ ∆h = h0 − h1 = V12 − V02 2 2โดยทัว่ ไป V0 นอยกวา 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 ถาประสิทธภิ าพของหวั ฉีดเทากบั 90% จงหาความเร็วของไอน้ำที่ไหลออกจากหัวฉดี วธิ ที ำ จากแผนภมู ิไอนำ้ พบวา ที่ความดนั 0.4 MPa ไอน้ำอ่มิ ตัวมีคาเอนทลั ป h0 = 2740 kJ/kg ท่ีความดัน 0.1 MPa และ s1s = s0 ไอน้ำมีคา เอนทัลป h1s = 2500 kJ/kg คา ∆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 งมือในการวิเคราะหการไหลของไอน้ำผานใบพดั หมุนซง่ึ ทำใหเกดิ แรงกระทำตอใบพัดหมนุและกำลงั งานที่ไดจากใบพดั หมนุ คอื สามเหล่ียมความเร็ว (velocity triangle) ซึ่งแสดงใหเหน็ เวกเตอร

7.4. สามเหล่ียมความเรว็ 127ความเร็วสามเวกเตอรท่ีเก่ียวขอ งกับการไหลชองไอนำ้ ผา นใบพดั หมุน V⃗ หมายถึงเวกเตอรความเร็วสมั บูรณ (absolute velocity) U⃗ หมายถงึ ความเร็วของใบพดั หมุนและ W⃗ หมายถึงความเรว็ สมั พัทธไอนำ้ เทียบกบั ใบพัด ความสัมพันธระหวา งเวกเตอรค วามเร็วทง้ั สามคอื V⃗ = W⃗ + U⃗ (7.5) รูปที่ 7.7 แสดงสามเหล่ยี มความเร็วทางเขา สูใบพัดหมุนและทางออกจากใบพดั หมุน จะเหน็ วาความเร็วใบพัดมีคาคงที่ในขณะท่ีความเรว็ สัมบรู ณและความเร็วสมั พทั ธอาจเปลี่ยนแปลง มมุ ของความเรว็ สมั บูรณทางเขาหรอื V1 เรียกวา มมุ หวั ฉดี (nozzle angle) เนอื่ งจากไอนำ้ ที่ไหลเขาใบพัดหมนุ ก็คือไอน้ำทไ่ี หลออกจากหัวฉดี หรือสเตเตอรท่ีมุมนี้ นอกจากนมี้ มุ เขา (ϕ1) และมุมออก (ϕ2) ของใบพดั เทากบัมมุ เขา และมุมออกของความเรว็ สัมพัทธเน่ืองจากใบพดั มกั ถูกออกแบบใหความเรว็ สัมพัทธเขา และออกจากใบพัดในทิศทางสัมผสั กับใบพดัรูปที่ 7.7: สามเหล่ียมความเรว็ ทางเขา (บน) และสามเหลย่ี มความเร็วทางออก (ลาง) เปนที่นา สังเกตวาความเรว็ ใบพัดในสามเหลยี่ มความเรว็ ทางเขาและทางออกมีคาเทา กนั และมีทศิ ทางเดียวกันคือ ต้ังฉากกับแกนหมุนของโรเตอรเน่ืองจากเครอ่ื งกงั หันไอน้ำเปน แบบไหลตามแนวแกน สามเหลยี่ มความเรว็ ทางเขา และทางออกจงึ สามารถเขียนซอ นกนั โดยใชวกเตอรของความเรว็ ใบพัดเปน ฐานรวมกัน ความเร็วใบพดั สามารถคำนวณจากความเร็วรอบของโรเตอรด งั น้ี U = ωr (7.6)โดย ω คอื ความเรว็ รอบซ่ึงมีหนว ยเปน rad/s และ r คือ ระยะจากจุดศูนยกลางโรเตอรถึงตำแหนงท่ีคำนวณความเร็วใบพดั ถา กำหนดความเรว็ รอบ N ซึง่ มหี นวยเปน rpm มาให ω คำนวณไดจาก 2πN (7.7) ω= 60

128 บทที่ 7. เครอ่ื งกังหนั ไอนำ้ความเรว็ ใบพัดมีคา สูงสุดท่ียอดของใบพดั และมีคาตำ่ สดุ ท่ีฐานของใบพัด ในกรณีท่ีความยาวใบพัดไมมาก การวเิ คราะหใบพดั หมุนอาจกระทำโดยใชความเรว็ ใบพัดท่ีคำนวณจากตำแหนงกลางใบพดั แตถาใบพัดมคี วามยาวมาก การวเิ คราะหใบพดั หมนุ อาจตอ งกระทำทีแ่ ตล ะตำแหนง ของใบพัดแยกจากกนั การวเิ คราะหใบพัดหมุนโดยใชสามเหลยี่ มความเร็วมีวัตถปุ ระสงคที่จะคำนวณงานที่ไดจากใบพดัหมนุ แรงทกี่ ระทำตอใบพดั เทากับผลตา งระหวางโมเมนตัมของไอนำ้ 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 งานที่ไดจากใบพัดหมนุ ของโรเตอร P = m˙ U (V1 cos θ1 + V2 cos θ2) (7.9)อีกรูปหนงึ่ ของกำลังงานไดจากการใชกฎขอท่ีหนง่ึ ของพลศาสตรความรอน กำลังงานที่กระทำตอใบพัดเทากบั อตั ราการลดลงของเอนทลั ปและพลังงานจลนข องไอน้ำท่ีไหลผา นใบพัด ดงั นน้ั P = [ − h2 + 1 ( − )] (7.10) m˙ h1 2 V12 V22ผูสงั เกตการณที่เคล่ือนที่พรอมกับใบพดั จะเห็นวาความเร็วไอนำ้ เขา และออกคือ W1 และ W2 ตามลำดับ และกำลังงานที่คำนวณไดในกรอบอา งอิงน้ีจะเปน ศูนยเน่อื งจากใบพัดไมเคลือ่ นท่ีสมั พทั ธกบักรอบอา งองิ 0 = [ − h2 + 1 ( − )] m˙ h1 2 W12 W22=⇒ h1 − h2 = − 1 ( − ) (7.11) 2 W12 W22แทนคา h1 − h2 ลงไปในสมการ (7.10) P = m˙ [( − ) − ( − )] (7.12) 2 V12 V22 W12 W22สมการ (7.12) อาจเขียนใหมโ ดยใชความสัมพนั ธเชงิ ตรโี กณมิตติ อไปน้ี V12 = W12 + U 2 + 2W1U cos ϕ1 (7.13) V22 = W22 + U 2 − 2W2U cos ϕ2ซง่ึ ทำใหส มการ (7.12) กลายเปน P = m˙ U (W1 cos ϕ1 + W2 cos ϕ2)

7.4. สามเหลย่ี มความเร็ว 129 ถา นำสามเหลี่ยมความเร็วทางเขา ใบพดั หมนุ และสามเหลี่ยมความเร็วทางออกในรปู ท่ี 7.7 มาวางซอนกันโดยทง้ั สองสามเหลยี่ มมีฐานเดียวกนั จะพบวา นพิ จนในวงเล็บของสมการ (7.9) และ (7.13) คือระยะหา งระหวางจุดยอด (vertex) ของสามเหล่ยี มทง้ั สอง รปู ท่ี 7.8 เปรียบเทยี บสามเหลยี่ มความเรว็ ของขน้ั ทำงานแรงดลและขัน้ ทำงานแรงปฏิกิริยา 50%ใบพดั หมนุ ของขั้นทำงานแรงดลเปน ใบพัดสมมาตร ดงั นั้น ϕ1 = ϕ2 ในรูปดานซาย ในทางตรงขามใบพดัหมนุ ของข้ันทำงานแรงปฏิกริ ิยา 50% มีมุมเขาไมเทา กบั มุมออก อยา งไรก็ตาม การที่ผลตางเอนทลั ปในสเตเตอรและโรเตอรของขัน้ ทำงานแรงปฏกิ ิรยิ า 50% มีคา เทา กันทำใหสามเหล่ยี 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) กำลังงานของโรเตอรไดจากไอน้ำท่ีไหลเขา โรเตอรดว ยความเร็วสงู ไอน้ำนี้เปน ไอนำ้ ความดนั ต่ำซง่ึ มาจากไอนำ้ ความดนั สูงที่ไหลเขาหวั ฉดี ดังนนั้ จึงมีการแปลงพลงั งานศักยของไอน้ำเปนพลังงานกลของโรเตอรในการไหลผานข้นั ทำงานของเครื่องกงั หันไอนำ้ ประสิทธิภาพของการแปลงพลงั งานคอืประสทิ ธภิ าพใบพัด (blade efficiency) P (7.14) ηB = m˙ ∆hในกรณีของขน้ั ทำงานแรงดล ∆h คือ เอนทัลปที่ลดลงในหวั ฉดี ของสเตเตอรตามสมการ (7.3) แทนคาในสมการ (7.14) จะไดประสทิ ธภิ าพใบพดั ของขัน้ ทำงานแรงดล ηB = P (7.15) 1 m˙ V12 2ในกรณีของขนั้ ทำงานแรงปฏิกริ ยิ า ∆h เปน ผลรวมของเอนทัลปท่ีลดลงในสเตเตอร (h0 − h1) และเอนทลั ปที่ลดลงในโรเตอร (h1 − h2) เอนทัลปท ีล่ ดลงในสเตเตอรหรือหวั ฉีดคอื V12/2 ตามสมการ (7.3)ดงั น้ัน สว นเอนทัลปท่ีลดลงในโรเตอรค ื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 อยาง 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 เทากับ (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 อยาง เครื่องกงั หนั ไอนำ้ ประกอบดว ยแรงปฏกิ ริ ยิ า 50% หน่งึ ขั้น มมุ ของหัวฉีดเทา กับ 20◦Cความเรว็ สมั บรู ณของไอนำ้ 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) ที่โจทยระบคุ ามาใหW1 sin ϕ1 = V1 sin θ1W1 cos ϕ1 = tVtaa1nn−−co11s[[θ1V501−Vcc5ooU10ssss2θiinn01θ2◦−10−◦U3]0 ϕ1 = = ] = 45.2◦ข้นั ตอนตอมาคอื การคำนวณ W1 ไดจ าก W1 = V1 sin θ1 sin ϕ1 50 sin 20◦ = sin 45.2◦ = 24.1 m/s ข้นั ตอนสดุ ทายคอื การคำนวณ P จากสมการ (7.11) และ ηB จากสมการ (7.15) โดยใชลักษณะเฉพาะของขนั้ 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 งานจากการไหลแบบปน ปวนและการไหลปะปนของละอองนำ้ Pactเทากับ P ในสมการ (7.10) กำลังงานของข้นั ทำงานจะข้ึนกบั ความเรว็ ไอนำ้ ความเร็วใบพดั และมมุใบพดั กำลังงานจะมีคาสูงสดุ ถาตวั แปรเหลา น้ีมีคาท่ีเหมาะสม ถากำหนดความเรว็ ไอน้ำและมุมใบพัดมาให กำลังงานจะขึ้นกบั ความเร็วใบพัดโดยจะมีคาสูงสดุ เม่ือความเรว็ ใบพดั มีคา เหมาะสมทสี่ ดุ คา หนงึ่ความเร็วใบพัดทเี่ หมาะสมทสี่ ดุ มคี าตา งกันในขน้ั ทำงานแรงดลและข้นั ทำงานแรงปฏกิ ิริยา7.5.1 ขน้ั ทำงานแรงดล ในกรณีของขน้ั ทำงานแรงดลในอุดมคติ ไอนำ้ ผานใบพดั หมนุ ท่ีสมมาตร (ϕ1 = ϕ2) และไมมีความเสียดทาน (W1 = W2) ความเร็วใบพัดที่เหมาะสมทส่ี ุดจะทำใหสว นประกอบแนวนอนของ V2 มีคาเปนศูนย ดงั นนั้ สามเหลย่ี มความเรว็ ทางออกจากใบพดั เปนสามเหลีย่ มมุมฉาก (θ2 = 90◦) ดังแสดงในรูปที่7.9 สามเหล่ียมความเรว็ ทางออกแสดงใหเห็นวา ความเรว็ ใบพัดที่เหมาะสมทีส่ ดุ (Uopt) มีความสัมพนั ธกบั ความเร็วสัมพัทธท างออกดังน้ี Uopt = W2 cos ϕ2นอกจากน้สี ามเหลีย่ มความเรว็ ทางเขาแสดงใหเหน็ วา V1 cos θ1 = W1 cos ϕ1 + Uoptสมการท้งั สองสมการขา งตนใหคา ความเร็วใบพัดที่เหมาะสมท่ีสุดทข่ี ้ึนกบั ความเรว็ สัมบูรณของไอน้ำ Uopt = V1 cos θ1 (7.18) 2แทนคา Uopt ลงในสมการ (7.1) จะพบวา กำลังงานสงู สุดคือ Pmax = m˙ (V1 cos θ1)2 (7.19) 2 (7.20)แทนคา Pmax ในสมการ (7.13) จะไดประสทิ ธิภาพใบพัดสงู สดุ ของข้นั ทำงานแรงดล ηB,max = cos2 θ1

132 บทที่ 7. เครอ่ื งกังหนั ไอน้ำสมการ (7.16) บอกวา ประสทิ ธิภาพใบพดั สูงสุดมคี าเทากับ 1 ถา θ1 = 0◦ กลา วคือใบพัดหมุนมีรปู คลายเกอื กมา แตการออกแบบสเตเตอรเพอ่ื พนไอน้ำสูใบพัดหมุนดังกลาวจะประสบความยากลำบากอยางยงิ่ดงั นนั้ ในทางปฏบิ ตั ิ θ1 จงึ มากกวา 0◦ ขั้นทำงานแรงดลมคี วามเร็วใบพัดสูงมากซึ่งทำใหโ รเตอรตอ งหมุนเร็วเชน กนั ผลเสียท่เี กิดข้นึ คือ การสูญเสยี พลังงานเนอ่ื งจากจะมีความเสียดทานมากและความเคน ในโรเตอรที่เกิดจากแรงหนีศนู ยก ลางก็จะมากเชนกัน การลดความเรว็ ใบพดั ที่เหมาะสมท่ีสุดสามารถกระทำไดโดยการใชข้นั ทำงานแรงดลมากกวาหน่ึงขน้ั รปู ที่ 7.10 แสดงสามเหลย่ี มความเรว็ ของข้นั ทำงานแรงดลความเรว็ ผสมสองขัน้ ที่ใบพัดมีความเร็วที่เหมาะสมทีส่ ุด สามเหลยี่ มความเร็วทางออกของขน้ั ทำงานท่ีสองแสดงใหเหน็ วา ความเรว็ ใบพดั ท่ีเหมาะสมทส่ี ดุ (Uopt) มีความสมั พนั ธกับความเร็วสมั พัทธท างออกดงั น้ีUopt = W4 cos ϕ2นอกจากนี้สามเหล่ยี มความเรว็ ทางเขา ของข้ันทำงานทสี่ องแสดงใหเห็นวาV3 cos θ2 = W3 cos ϕ2 + Uoptสมมุติวา ใบพัดของขั้นทำงานทสี่ องไมม ีความเสยี ดทาน (W3 = W4) ดงั นัน้ (7.21) V3 cos θ2 = 2Uoptรปู ท่ี 7.5 แสดงใหเห็นวาระหวา ง V2 และ V3 มีใบพดั นงิ่ ซึง่ เปน ใบพัดสมมาตรทำหนาที่เปลย่ี นทศิ ทางการไหลของไอน้ำ สมมุตวิ า ไมมีความเสียดทานในใบพัดนี้ (V2 = V3) ดังนน้ัV2 cos θ2 = 2Uopt (7.22)รปู ท่ี 7.9: สามเหล่ียมความเรว็ ในโรเตอรของข้ันทำงานแรงดลที่ใบพดั มีความเร็วท่ีเหมาะสมที่สดุ

7.5. ความเร็วที่เหมาะสมทีส่ ดุ 133รูปที่ 7.10: สามเหลี่ยมความเร็วในโรเตอรของขั้นทำงานแรงดลความเร็วผสมสองข้นั ที่ใบพดั มีความเร็วทีเ่ หมาะสมทส่ี ุดสามเหลย่ี มความเร็วทางออกของขน้ั ทำงานทีห่ นง่ึ แสดงใหเ หน็ วา Uopt มคี วามสัมพันธกับ W2 ดังนี้ W2 cos ϕ1 = V2 cos θ2 + Uopt = 3Uoptสามเหลย่ี มความเร็วทางเขาของข้นั ทำงานที่หนง่ึ แสดงใหเ ห็นวา V1 cos θ1 = W1 cos ϕ1 + Uoptสมมุติวาใบพัดของขั้นทำงานท่ีสองไมม ีความเสยี ดทาน (W1 = W2) ดังน้ัน (7.23) V1 cos θ1 = 4Uoptคา ความเรว็ ใบพัดที่เหมาะสมทสี่ ดุ ท่ขี น้ึ กบั ความเร็วสัมบรู ณข องไอน้ำจึงเทากับ Uopt = V1 cos θ1 4 การวิเคราะหหาคา ความเร็วใบพัดที่เหมาะสมทีส่ ดุ ในกรณีของขน้ั ทำงานแรงดลความเร็วผสมท่ีมี nขนั้ ทำงานอาจใชวธิ ีเหมือนกบั การวิเคราะหข า งตน ผลทไี่ ดคอื Uopt = V1 cos θ1 (7.24) 2n

134 บทที่ 7. เคร่อื งกงั หนั ไอน้ำ ถงึ แมว าข้ันทำงานแรงดลความเร็วผสมสามารถลดความเร็วท่ีเหมาะสมท่สี ดุ ของใบพดั ไดอยางมากแตใบพัดหมุนในแตล ะขน้ั จะทำงานไมเทา 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)แทนคา 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 ตองานที่ทำโดยข้ึนทำงานท่ีสองเทา กับ 3 : 1 การที่แตล ะขั้นของขน้ั ทำงานแรงดลความเร็วผสมทำงานไมเทา กนั นบั เปน ขอ เสียเปรียบของข้นั ทำงานแรงดลความเรว็ ผสมเนือ่ งจากคา ใชจา ยของแตล ะขน้ั ทำงานใกลเคยี งกนั แตขั้นทำงานทายกลับใหงานท่ีนอ ยมากเมือ่ เทยี บกบั ขั้นทำงานแรก ในกรณีที่มี 3 ขัน้ ทำงาน การวเิ คราะหแสดงใหเหน็ วาอตั ราสว นของงานที่ทำในแตล ะข้ันคือ 5 : 3 : 1 ดงั นน้ั การใชข ั้นทำงานแรงดลความเรว็ ผสมมากกวา 2 ขนั้ ทำงานจงึ ไมเปนท่ีนิยม เพ่อื ลดความเร็วใบพัดและแบง งานใบพัดใหเทา ๆ กนั การลดความเร็วท่ีเหมาะสมที่สดุ อาจใชขัน้ทำงานแรงดลความดนั ผสม ตามท่ีไดกลาวกอ นหนา นี้วาแตละขน้ั ทำงานของข้นั ทำงานแรงดลความดนัผสมประกอบดว ยหวั ฉีดและใบพดั หมุนเหมอื นกนั ดังนัน้ เอนทลั ปจงึ ลดลงเทา กับในแตล ะข้นั ทำงานถาเอนทลั ปไอนำ้ ลดลงรวมทั้งส้ิน ∆h จากการไหลผานขั้นทำงานแรงดลความดนั ผสมมี n ขั้นทำงานเอนทัลปที่ลดลงในแตละข้นั จะเทากับ ∆h/n ความเรว็ สัมบรู ณของไอนำ้ ที่ไหลเขา โดรเตอรในแตล ะขัน้ทำงานจงึ มีคา เทากับ √ (7.27) 2∆h V1 = nเม่อื คำนวณความเรว็ ใบพัดที่เหมาะสมทสี่ ดุ ดวยสมการ (7.16) จะพบวา Uopt ลดลงตาม n แตลดลงในอัตราท่ีนอ ยกวา ขน้ั ทำงานแรงดลความเร็วผสมท่ีมีจำนวนข้ันทำงานเทากัน นอกจากน้ีรูปท่ี 7.4 ยงัแสดงใหเห็นวา มีความดนั ตกครอ มหัวฉดี ในแตละขั้นทำงานของข้นั ทำงานแรงดลความดันผสมซึง่ ทำใหไอนำ้ บางสวนอาจไหลออ มหัวฉดี สง่ิ นี้เปน สาเหตุหน่ึงของการสญู เสยี พลังงานและนับเปนขอเสียของขั้นทำงานแรงดลความดันผสม7.5.2 ขั้นทำงานแรงปฏิกิริยา ขั้นทำงานแรงปฏิกิรยิ าท่ีมีอตั ราสว นปฏิกริ ยิ า 50% มีสามเหล่ยี มความเรว็ เขาเหมือนกับสามเหล่ยี มความเรว็ ออก ในกรณีที่ความเร็วใบพัดมีคา เหมาะสมที่สดุ ทง้ั สามเหลีย่ มความเรว็ เขาและออกเปนสามเหล่ยี มมุมฉากดังแสดงในรปู ที่ 7.11 ซงึ่ ทำใหความเร็วใบพดั ทเี่ หมาะสมทีส่ ดุ มีคาเทา กบั Uopt = V1 cos θ1 (7.28)

7.5. ความเรว็ ที่เหมาะสมที่สุด 135แทนคา Uopt และ θ2 = 90◦ ในสมการ (7.11) จะพบวากำลงั งานสูงสดุ คือ Pmax = m˙ (V1 cos θ1)2 (7.29)ประสทิ ธิภาพสูงสุดไดจากการแทนคา Pmax จากสมการ (7.27) ในสมการ (7.15) หลงั จากการจัดรูปสมการท่ีไดพบวา ηB,max = 2 cos2 θ1 (7.30) 1 + cos2 θ1รปู ที่ 7.11: สามเหลี่ยมความเรว็ ในข้นั ทำงานแรงปฏกิ ริ ิยา 50% เมือ่ ความเรว็ ใบพัดมีคาเหมาะสมท่ีสดุ ขั้นทำงานแรงปฏิกิรยิ ามีขอเสียเหมือนข้ันทำงานแรงดลความดนั ผสมคอื ความดันท่ีลดลงในใบพัดน่งิ และใบพัดหมุนจะทำใหไอนำ้ ร่วั ผา นใบพดั แตปญ หานี้ขัน้ ทำงานแรงปฏกิ ริ ิยาจะรนุ แรงกวา ดังนน้ั ขั้นทำงานแรงปฏกิ ิริยาจงึ นยิ มใชกับไอนำ้ ความดนั ต่ำที่ปองกนั การรวั่ ไหลไดงา ย และจากการที่ไอนำ้ มีความดันต่ำ ความหนาแนน ก็ต่ำตามไปดวย ใบพัดของขน้ั ทำงานแรงปฏกิ ริ ิยาจึงตองมีความสงู พอสมควรเพ่ือใหมีพน้ื ท่ีสำหรบั ไอนำ้ ไหลผา นมากพอ ผลท่ีตามมาคอื ความเร็วใบพดั จะเปลี่ยนแปลงคอนขางมากจากฐานของโรเตอรสูยอดของโรเตอร กลา วคอื ความเร็วใบพดั ท่ียอดอาจเปนสองเทาของความเรว็ ใบพัดที่ฐาน ในขณะที่ความเร็วสมั บรู ณไอน้ำคงท่ี ดงั นน้ั เพอื่ ใหประสทิ ธภิ าพของใบพัดมีคา สงู สดุ ตลอดความสูงของใบพดั ใบพัดจึงควรบดิ ตวั ใหม มุ ทางเขาใบพัดเพม่ิ ขนึ้ จากฐานใบพัดสยู อดใบพดั ตวั อยาง ใบพดั หมนุ ของขนั้ ทำงานแรงดลมีความเสียดทานซง่ึ ทำให W2 = kW1 โดยที่ k < 1 ถามุมหวั 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 าพหาไดจากสมการ (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 กำลังงานสูงสุดท่ีจะไดจากข้ันทำงานคือ m˙ ∆hs โดย ∆hs คือ เอนทลั ปที่ลดลงในขัน้ ทำงานโดยไมมีการเปล่ียนแปลงของเอนโทรป กำลงั งานที่ไดจริงจะนอยกวาน้ีเน่อื งจากมีการสญู เสยี พลังงานในขนั้ทำงานจากสาเหตดุ งั ตอไปน้ี 1. ภายในหัวฉดี มีความเสยี ดทานระหวา งไอนำ้ กบั ผนังของหัวฉีดและมีการไหลแบบปนปวน (tur- bulence) ซ่งึ สง ผลเอนทลั ปท ีล่ ดลงในหวั ฉดี นอยกวา m˙ ∆hs 2. ไอน้ำที่ออกจากขน้ั ทำงานจะมีความเรว็ และพลงั งานจลนเหลอื อยู ซึ่งหมายความวา เอนทัลปท่ี ลดลงในขนั้ ทำงานไมส ามารถแปลงเปนพลังงานกลไดท ง้ั หมด

7.6. ประสิทธภิ าพข้นั ทำงาน 1373. การไหลของไอน้ำในโรเตอรไมใ ชการไหลสองมิติดังแสดงในรปู ท่ี 7.7 การไหลจรงิ จะเปนการไหล แบบปนปวน นอกจากนี้ ความเสยี ดทานระหวางใบพัดกบั ไอน้ำอาจทำใหเกดิ การไหลวนภายใน ชอ งวางระหวา งใบพดั การไหลจริงจึงมีการสญู เสียพลงั งานของไอน้ำซึง่ ทำใหกำลังงานท่ีไดจรงิ จากข้นั ทำงาน (PS) นอยกวา P จากสมการ (7.7) หรอื (7.11)4. ความดนั ครอ มใบพดั ทำใหไอนำ้ บางสว นไมไหลผานใบพัด แตไหลออ มผานชองวา งระหวา งปลาย ใบพัดกบั โครงหมุ กำลงั งานที่ไดจากเครอ่ื งกังหนั นอยกวาที่ควรจะเปน เนื่องจากกำลงั งานของ เครื่องกงั หันแปรผันตามอัตราการไหลของไอน้ำผานใบพดั5. การควบแนนของไอน้ำซึ่งทำใหมีละอองนำ้ ไหลปะปนไปกับไอน้ำ ละอองน้ำมีความเรว็ ต่ำกวา ไอน้ำ ดงั นน้ั ความเรว็ สมั พัทธของไอนำ้ และละอองน้ำจึงไมเทา กัน รูปที่ 7.12 แสดงใหเหน็ วา ความเรว็ สัมพทั ธของไอนำ้ (W) มีทิศทางเดยี วกับมมุ เขาของใบพัด ใขณะท่ีความเรว็ สัมพทั ธของ ละอองนำ้ (Wm) มีทศิ ทางตรงขา มกับทศิ ทางการหมุนของใบพดั ซ่ึงทำใหละอองน้ำขัดขวางการ หมุนของโรเตอรและทำให PS นอยกวา P นอกจากน้ีการปะทะใบพดั ของละอองน้ำหลายครั้ง ยงั จะกดั เซาะใบพัดอกี ดวยรูปที่ 7.13: สามเหล่ยี มความเรว็ ในโรเตอรของไอนำ้ ทีม่ ลี ะอองนำ้ ปะปน ประสทิ ธภิ าพขน้ั ทำงาน (stage efficiency) คอื อตั ราสวนของกำลังงานท่ีไดจริงจากข้ันทำงานตอกำลงั งานสงู สุดท่ีจะไดจ ากขนั้ ทำงาน ηS = PS (7.31) m˙ ∆hsสมการ (7.29) อาจเขียนใหมดงั น้ี ( )( )( ) ∆h P PS ηS = ∆hs . m˙ ∆h . Pทกุ พจนทางดา นขวาของสมการหมายถงึ การสูญเสียพลงั งานท่กี ลาวถงึ ขา งตน พจนแ รกคอื ประสิทธิภาพหวั ฉีดซง่ึ หมายถงึ การสญู เสียพลังงานจากสาเหตุที่ 1 พจนที่สองคือ ประสิทธภิ าพใบพดั ซ่งึ หมายถงึ การ

138 บทที่ 7. เครอ่ื งกังหันไอนำ้สูญเสยี พลังงานจากสาเหตุที่ 2 พจนที่สามหมายถงึ การสูญเสยี พลังงานจากสาเหตุที่ 3-5 ซึ่งสามารถเขียนเปนสมการไดดังนี้ PS = 1 − fL (7.32) Pโดย fL คือ แฟกเตอรการสูญเสียพลงั งาน (energy loss factor) เพราะฉะนัน้ ηS = ηN ηB(1 − fL) (7.33) การหาคา ηS จาก ηN, ηB และ fL อาจไมสะดวกในทางปฏบิ ตั ิ แตสามารถกระทำงายกวาดวยการคำนวณ ∆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 มีคาเอนทลั 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) มีหนวยเปน rpm แปลงเปน 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 กำลังงานท่ีไดจากข้นั ทำงานหน่งึ ของเครอ่ื งกังหันไอนำ้ ถกู จำกัดโดยความเร็วรอบและขนาดของเครื่อง เคร่ืองกังหันไอนำ้ ท่ีมีเพยี งข้นั ทำงานเดยี วจงึ ใหมีกำลังงานนอ ย เครื่องกังหนั ไอนำ้ ในโรงไฟฟาพลังความรอ นมีขนาดใหญ จงึ ตองประกอบดวยหลายขนั้ ทำงาน ถา กำลงั งานของเครื่องกังหนั คอื PTและเครอ่ื งกังหนั ประกอบดวยหลายขน้ั ทำงานที่ใหกำลงั งานเทา กนั จำนวนขน้ั ทำงานของเคร่ืองกงั หันจะเทา กับ n = PT (7.36) PSนอกจากนี้ ถาทุกขนั้ ทำงานมีประสทิ ธภิ าพขั้นทำงานเทากัน ประสิทธิภาพเคร่อื งกังหันไอนำ้ สามารถคำนวณไดจาก ηS สมมตุ ิวา จำนวนขัน้ ทำงานเทา กบั 4 และไอนำ้ ขยายตวั ในเคร่ืองกงั หนั ดังแสดงในรูปท่ี 7.14 ถา การขยายตวั ของไอน้ำเปนแบบทเี่ อนโทรปค งท่ี ไอนำ้ จะขยายตัวจาก 1 ไป 2s, 3ss, 4ss และ5ss แตในความเปนจริง ไอนำ้ ขยายตัวจาก 1 ไป 2, 3, 4 และ 5 ประสทิ ธภิ าพของเครื่องกงั หันจงึ มีคาดงั 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 ไดจากรูปท่ี 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 ะหวาง ηT ของเครื่องกงั หนั หลายขั้นทำงานกับ ηS ของแตล ะขนั้ ทำงานอาจเขียนดงั นี้ ηT = fRηS (7.38)โดยที่ fR คอื แฟกเตอรก ารใหความรอ นซ้ำ (reheat factor) ซึง่ มีคามากกวา 1

140 บทที่ 7. เครื่องกงั หันไอนำ้รูปท่ี 7.14: การขยายตัวของไอนำ้ ในเครื่องกงั หันทมี่ ี 4 ข้นั ทำงาน เครอ่ื งกงั หนั ไอนำ้ ควรประกอบดวยขนั้ ทำงานท่ีใหกำลงั งานมากเพราะจะทำใหเคร่อื งกงั หันไอน้ำมีจำนวนขัน้ ทำงานนอย นอกจากนี้ขั้นทำงานควรมีประสทิ ธิภาพสงู ขัน้ ทำงานของเครื่องกงั หนั ไอน้ำมีหลายแบบ แตล ะแบบมีขอไดเปรียบและเสยี เปรียบดานกำลงั งานและประสิทธิภาพที่ตางกัน ดงันั้นเครอ่ื งกังหันไอนำ้ มกั จะไมไดประกอบดวยข้นั ทำงานเพยี งแบบเดยี ว แตจะมีข้ันทำงานแบบตาง ๆทำงานรวมกัน กำหนดใหเคร่อื งกังหันไอนำ้ สามเคร่ืองประกอบดว ยขน้ั ทำงานสามแบบ เคร่ืองที่หนึง่ ประกอบดวยขั้นทำงานแรงดลความดันผสม 2 ขน้ั ทำงาน เคร่ืองท่ีสองประกอบดว ยขั้นทำงานแรงดลความเร็วผสม 2ข้นั ทำงาน และเคร่ืองทส่ี ามประกอบดว ยขน้ั ทำงานแรงปฏกิ ิรยิ า 50% 2 ขนั้ ทำงาน เครื่องกงั หันไอน้ำท้ังสามเคร่ืองมีมมุ หัวฉีด (θ1) เทา กนั และความเรว็ รอบเทากัน นอกจากนี้ความเร็วใบพัดหมุนของทุกเครอื่ งเปนความเร็วที่เหมาะสมทส่ี ุดซ่ึงทำใหประสทิ ธภิ าพของเครอ่ื งกังหันแตละเครือ่ งมีคา สงู สดุ เครื่องกังหนัไอนำ้ ทั้งสามเครอ่ื งจะแตจ ะใหก ำลังงานตางกันดงั นี้ • เอนทลั ปไอน้ำลดลง ∆h(1) เม่ือไหลผาน 2 ข้ันทำงานของเครอื่ งกงั หนั ไอนำ้ เคร่ืองท่ีหน่ึงโดย แตละขนั้ ทำงานมีเอนทัลปล ดลง ∆h(1)/2 ความเรว็ สัมบูรณของไอนำ้ มีคาตามสมการ (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• เอนทัลปไอนำ้ ลดลง ∆h(2) เมอ่ื ไหลผานข้นั 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 ปไอน้ำลดลง ∆h(3) เมอ่ื ไหลผานเครื่องกังหนั ไอน้ำเครือ่ งท่ีสามโดยเอนทลั ปลดลง ∆h(3)/2 ในแตล ะขัน้ ทำงาน สำหรับขัน้ ทำงานแรงปฏิกริ ิยา 50% คร่ึงหน่ึงของเอนทลั ปไอน้ำที่ ลดลงในแตละข้ันทำงานลดลงในสเตเตอร 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 แสดงใหเหน็ วาเครอ่ื งกงั หันไอน้ำที่ใชข้ันทำงานแรงดลความเร็วผสมใหกำลังงานมากทส่ี ดุ รองลงมาคอื เครอ่ื งกังหนั ไอน้ำที่ใชขน้ั ทำงานแรงดลความดนัผสม สวนเครอ่ื งกังหันไอนำ้ ที่ใชข้นั ทำงานแรงปฎิกิรยิ า 50% ใหกำลังงานนอ ยที่สดุ ถา ตองการใหเครื่องกงั หนั ไอน้ำทั้งสามแบบผลิตกำลงั งานเทากัน เครอื่ งกงั หันไอน้ำท่ีใชขั้นทำงานแรงปฎิกริ ิยา 50% จะตองมขี นาดใหญท่สี ดุ และเครื่องกงั หันไอน้ำทีใ่ ชข ั้นทำงานแรงดลความเร็วผสมจะมีขนาดเล็กทส่ี ดุ นอกเหนือจากกำลงั งานของขน้ั ทำงาน อีกส่งิ หน่งึ ท่ีตอ งพจิ ารณาในการเลอื กใชขน้ั ทำงานในเคร่อื งกงั หันไอน้ำคือ ประสิทธิภาพขนั้ ทำงาน รปู ท่ี 7.15 เปรยี บเทยี บประสทิ ธิภาพของขัน้ ทำงานแรงดล ขัน้ทำงานแรงดลความเร็วผสม และข้ันทำงานแรงปฏกิ ริ ิยา ปจจัยสำคัญที่ทำใหสง ผลตอ ประสิทธิภาพของขนั้ ทำงานแรงปฏกิ ิรยิ าสูงกวาประสิทธภิ าพของขน้ั ทำงานแรงดลคือ การออกแบบเชิงอากาศพลศาสตรของใบพัดหมนุ ในขัน้ ทำงานแรงปฎิกริ ยิ าดีกวา ของใบพัดหมุนในขน้ั ทำงานแรงดล อยา งไรกต็ ามขนั้ทำงานแรงปฏกิ ิรยิ ามีขอ เสยี เปรยี บท่ีมีการรวั่ ของไอนำ้ เมือ่ ไหลผานใบพัดหมนุ มากกวาข้ันทำงานแรงดลรปู ท่ี 7.15 เปรียบเทียบประสทิ ธภิ าพขัน้ ทำงานในกรณีที่ใบพัดหมนุ ของขัน้ ทำงานมีความยาวมากพอที่จะทำใหผลกระทบของการร่ัวของไอน้ำตอ ประสทิ ธิภาพขัน้ ทำงานไมมากนัก ถาใบพัดหมุนมีความยาวไมมากพอ ประสิทธภิ าพของข้นั ทำงานแรงปฏกิ ิรยิ าก็จะต่ำกวาประสิทธภิ าพของขัน้ ทำงานแรงดลได ดังนนั้ ข้ันทำงานในชว งความดนั สูงจงึ ควรเปนขั้นทำงานแรงดลซง่ึ มีปญหาการร่ัวของไอน้ำนอ ยกวา ขน้ั ทำงานแรงปฎิกริ ิยามีความเหมาะสมในชวงความดันต่ำเพราะใบพัดไดรับการออกแบบใหมีประสิทธิภาพสูง และการท่ีใบพดั มีความยาวมากทำใหการรัว่ ของไอน้ำมีสดั สว นนอ ยเมอ่ื เทียบกบั อตั ราการไหลของไอน้ำและไมสง ผลมากนกั ตอประสทิ ธิภาพ เครื่องกังหันไอนำ้ ท่ีใชโรงไฟฟา สมยั ใหมจึงประกอบดว ยข้ัน

142 บทท่ี 7. เคร่อื งกังหนั ไอน้ำทำงานแรงดลและขนั้ ทำงานแรงปฏิกิรยิ า ขัน้ ทำงานแรงดลความเรว็ ผสมเปน ขน้ั ทำงานแรก ๆ ซง่ึ มีความดันสงู และขนั้ ทำงานแรงปฏิกิริยาในข้นั ทาย ๆ ซงึ่ มีความดนั ตำ่ การใชขน้ั ทำงานแรงดลความเร็วผสมชวยลดจำนวนข้ันทำงานและลดขนาดของโรเตอร การใชขัน้ ทำงานแรงปฏกิ ิริยาในข้ันทา ย ๆ ชว ยเพมิ่ประสิทธิภาพใหเคร่อื งกงั หันไอนำ้รปู ที่ 7.15: ประสิทธภิ าพขั้นทำงานของขน้ั ทำงานสามแบบ7.8 แรงดนั แนวแกน กำลังงาน P เกดิ จากแรง F ที่กระทำตอใบพดั ในทิศทางขนานกบั แถวใบพดั หมนุ แตการไหลผานข้ันทำงานของไอน้ำทำใหเกดิ แรงที่ตั้งฉากกับแถวใบพัดหมุนหรอื ขนานกบั เพลาของเครือ่ งกังหนั แรงน้ีเรียกวาแรงดนั แนวแกน (axial thrust) แรงดนั แนวแกนประกอบดวยสองสวนคือ ผลตางระหวา งแรงดนั ทางดา นเขาและดานออกจากใบพัดหมุน และผลตา งระหวา งโมเมนตมั ของไอนำ้ ที่เขาสูและออกจากใบพัดหมนุ ในทิศทางตั้งฉากกับแถวใบพดั หมุนT = (p1 − p2)A − m˙ (W1 sin ϕ1 − W2 sin ϕ2) (7.39)โดย A ตอื พืน้ ที่หนาตัดของใบพดั หมุนในโรเตอร นพิ จนท่ีสองในสมการ (7.31) มีคา นอยมากเมอื่ เทียบกบั นิพจนแรก ในกรณีของขนั้ ทำงานแรงดล รปู ท่ี 7.3 แสดงใหเห็นวา p1 มีคา ใกลเคยี งกับ p2 ดังนน้ั


Like this book? You can publish your book online for free in a few minutes!
Create your own flipbook