pplant

9.7. ระบบควบคุมอณุ หภูมิไอน้ำยวดยง่ิ 193ยวดยิง่ ปฐมภมู ิ ในขณะที่ไอน้ำไหลจากเครือ่ งทำไอน้ำยวดยิง่ ปฐมภูมิไปยังเครื่องทำไอน้ำยวดยงิ่ ทตุ ยิ ภมู ิแอตเทมเพอเรเทอร (attempetor) รับไอน้ำจากเคร่ืองทำไอนำ้ ยวดยิง่ ปฐมภูมิและพน ละอองน้ำไปผสมกับไอน้ำกอนสง ไอนำ้ ท่ีมีอณุ หภมู ิลดลงไปยงั เคร่อื งทำไอน้ำยวดย่งิ ทุตยิ ภูมิ น้ำท่ีไหลเขา แอตเทมเพอ-เรเทอรไดมากจากเคร่ืองประหยดั เชือ้ เพลงิ เซน็ เซอรวัดอุณหภมู ิตวั ท่ี 1 ( TT1) ติดต้ังท่ีทางออกจากเครื่องทำไอนำ้ ยวดยงิ่ ทุติยภมู ิ และเซน็ เซอรวดั อุณหภมู ิตัวท่ี 2 (TT2) ติดต้งั ที่ทางออกจากแอตเทม-เพอเรเทอร ตวั ควบคุมอุณหภูมิตวั ที่ 1 (TC1) รับสญั ญาณจาก TT1 คำนวณผลตางระหวา งสัญญาณนี้กับจุดปรับต้ังอุณหภมู ิซึ่งเปนอณุ หภูมิของไอน้ำยวดยิ่งท่ีตองการ และสง สัญญาณควบคุมไปท่ีตัวควบคมุอณุ หภมู ิตัวที่ 2 (TC2) สญั ญาณน้ีคือ จุดปรับตง้ั ของ TC2 ถา มีความแตกตางระหวา งสัญญาณจาก TT2และจุดปรับต้ังดงั กลา ว TC2 จะสง สญั ญาณควบคมุ ไปท่ีอุปกรณควบคุมแอตเทมเพอเรเทอรซึง่ จะปรับอัตราการไหลของน้ำใหเหมาะสมตอไปรปู ท่ี 9.40: ระบบควบคมุ อุณหภมู ไิ อน้ำยวดย่ิง

194 บทท่ี 9. อปุ กรณและระบบควบคมุคำถามทายบท 1. อธบิ ายการทำงานของระบบควบคุมแบบตอ เรียงกัน 2. ในการวัดผลตา งความดันดว ยมาโนมิเตอรครงั้ หนงึ่ พบวา ระดบั นำ้ ในขาสองขางของมาโนมิเตอร ตางกัน 10 cm จงหาผลตางความดนั 3. อธิบายการทำงานของบูรดองเกจ 4. อธิบายการทำงานของเบลโลวเ กจ 5. เคร่อื งวดั ความดนั ใดทำงานโดยอาศยั การเปล่ียนแปลงความตา นทานไฟฟาของขดลวดโลหะตาม ความยาวของขดลวด 6. การวัดระดบั ของเหลวดว ยมาตรวดั ระดบั จะใหคาคลาดเคลือ่ นอยา งไรถาอุณหภูมิของเหลวใน มาตรวัดระดับตำ่ กวาอณุ หภูมิของเหลวในถงั ทีบ่ รรจุของเหลว 7. อธิบายการทำงานของเครอ่ื งวดั ระดบั แบบแทง ลอย 8. อธบิ ายการทำงานของเคร่ืองวัดระดบั ของเหลวแบบผลตางความดนั 9. เคร่ืองวดั อุณหภูมิประเภทใดใชหลักการท่ีโลหะตางชนดิ ขยายตวั ตามอณุ หภูมิไมเ ทากัน 10. อะไรคือขอ แตกตางระหวา ง RTD กับเทอรม สิ เตอร 11. อะไรคือสัญญาณไฟฟา ทีอ่ อกจากเทอรโมคปั เปล 12. เทอรโมเวลทำหนา ทีอ่ ะไร 13. อธบิ ายการทำงานของทอเวนจรู ิในการวดั อตั ราการไหล 14. เครอื่ งวดั อัตราการไหลประเภทใดใชหลักการที่ผลตา งระหวา งความดันรวม (total pressure) กบั ความดันสถติ (static pressure) เทา กับความดนั จลศาสตร (dynamic pressure) 15. อธิบายความแตกตา งระหวา งทอ แอนนบู ารกบั ทอ พโิ ทตเ ฉลยี่ 16. อธิบายการทำงานของเคร่ืองวดั อตั ราการไหลแบบกระแสวน 17. ในระบบควบคุมภาระแบบเครอ่ื งกงั หนั ตามหมอ ไอนำ้ สัญญาณควบคุมจะถูกสง ไปยงั อุปกรณใด เปน ลำดับแรก 18. อธิบายระบบควบคุมการเผาไหมแ บบไขวก นั 19. ระดับนำ้ ท่ีต่ำเกนิ ไปในถงั พักไอนำ้ จะสง ผลเสียอยา งไร 20. อธิบายขอไดเปรยี บของระบบควบคมุ ระดบั ของเหลวแบบสามองคประกอบเมอื่ เทยี บกับระบบ ควบคมุ ระดับของเหลวแบบสององคป ระกอบ

บทท่ี 10โรงไฟฟาพลังความรอนรวม10.1 วัฏจกั รเบรยต ัน วฏั จกั รท่ีผลิตกำลงั งานในโรงไฟฟากังหนั กา ซเรยี กวา วฏั จกั รกงั หันกาซ (gas turbine cycle) รปูท่ี 10.1 แสดงการทำงานของวฏั จกั รน้ี อากาศจะไหลเขา เครื่องอดั กาซ (compressor) ซ่ึงทำหนา ท่ีเพม่ิความดนั และอณุ หภมู ขิ องอากาศ หลงั จากน้ันอาาศจะเผาไหมกบั เช้อื เพลิงในหองเผาไหม (combustor)กา ซเสยี ท่ีไหลออกจากหอ งเผาไหมมีความดันและอณุ หภูมิสูง กังหนั กา ซ (gas turbine) จะผลติ กำลงังานจากกาซเสียนี้ กำลังงานบางสวนจากกังหันกา ซใชเดนิ เครอื่ งอัดกาซและอุปกรณอ ่ืน ๆ กำลงั งานสวนที่เหลือจึงนำมาใชผลติ ไฟฟา กา ซเสยี ทไ่ี หลออกจากกังหันกาซจะถกู ปลอ ยสสู งิ่ แวดลอม รปู ที่ 10.1: วฏั จักรกังหนั กาซ การวเิ คราะหวัฏจักรกงั หนั กา ซคอ นขา งซับซอ นเนื่องจากอตั ราการไหลของกาซและสมบัติทางเคมีของกาซในวฏั จกั รไมคงที่ วัฏจักรที่วเิ คราะหงายกวา และเปนแบบจำลองของวัฏจักรกังหนั กาซคือวัฏจักรเบรยต นั แบบเปด (open Brayton cycle) รปู ที่ 10.2 แสดงใหเ ห็นวา อุปกรณในวัฏจักรเบรยต ันแบบเปดคลายกบั อุปกรณในวฏั จักรกงั หนั กา ซ อปุ กรณที่แตกตา งกนั คือ เครอื่ งทำใหรอน (heater) ซ่งึทำหนา ที่ใหความรอ นแกวฏั จกั รเบรยตันเหมือนกบั หองเผาไหมที่ใหความรอ นแกวฏั จักรกงั หนั กาซ แต

196 บทท่ี 10. โรงไฟฟาพลงั ความรอ นรวมอากาศไมเปลี่ยนสภาพเปนกาซอืน่ และอัตราการไหลของอากาศก็ไมเปลยี่ นแปลงจากการไหลผานเครอื่ งทำใหร อนรปู ท่ี 10.2: วัฏจกั รเบรยต ันแบบเปด รูปที่ 10.3 แสดงวฏั จักรเบรยตันแบบปด (closed Brayton cycle) สิ่งที่เพม่ิ เติมในวฏั จักรน้ีคอืเครอื่ งทำใหเยน็ (cooler) ซง่ึ จะรบั อากาศรอนทอ่ี อกจากกงั หนั กา ซและลดอุณหภูมิของอากาศใหเ ทากบัT1 วฏั จกั รเบรยตันแบบปด มีคา ใชจายสงู กวาวัฏจกั รเบรยตนั แบบเปด เนื่องจากตอ งมีการตดิ ต้งั เครื่องทำใหเย็น อยางไรก็ตาม วัฏจักรเบรยตนั แบบปดมีขอ ไดเปรียบที่ สารทำงานในวัฏจักรอาจเปนกา ซชนิดอืน่ ท่ีมีคณุ สมบัติดีกวาอากาศ นอกจากน้ี วฏั จักรเบรยตนั แบบปด สามารถทำงานที่ความดันต่ำกวาความดนั บรรยากาศไดซงึ่ จะเพ่มิ ประสทิ ธภิ าพของวัฏจักร ในกรณีท่ีวัฏจักรเบรยตันแบบปด และวฏั จักรเบรยตนั แบบเปดมีอากาศเปนสารทำงานเหมอื นกนั และสถานะของอากาศในวัฏจักรท้งั สองเหมอื นกันประสิทธภิ าพและงานสุทธิของทั้งสองวัฏจกั รจะเทา กนั สมมตุ ิวา สารทำงานในวัฏจกั รเบรยตนั แบบปด เปน กาซในอดุ มคติ (ideal gas) การวเิ คราะหวัฏจักรเริ่มจากการเขียนแผนภูมิ T-s ดังแสดงในรปู ที่ 10.3 จะเหน็ วา มี 4 กระบวนการคอื• กระบวนการ 1-2 เครือ่ งอดั กาซเพม่ิ ความดันกา ซโดยเอนโทรปคงที่• กระบวนการ 2-3 กา ซไดรบั ความรอนโดยความดนั คงท่ี• กระบวนการ 3-4 กงั หนั กา ซลดความดันกาซโดยเอนโทรปคงที่• กระบวนการ 4-1 กา ซสญู เสยี ความรอ นโดยความดนั คงที่เนือ่ งจากสารทำงานเปนกาซในอุดมคติ งานสทุ ธิ (wnet) และความรอ นเขา (qin) มคี า ดงั น้ีwnet = cp(T3 − T4) − cp(T2 − T1) (10.1) qin = cp(T3 − T2) (10.2)โดย cp คือ คาความจุความรอนของกา ซ ประสทิ ธิภาพของวัฏจักร (ηB) มีคา เทา กับงานสุทธิหารดวยความรอนเขา ดงั นั้นηB = 1 − T4 − T1 T3 − T2

10.1. วัฏจักรเบรยตนั 197 รปู ที่ 10.3: วัฏจกั รเบรยตันแบบปด = 1 − T1(T4/T1 − 1) T2(T3/T2 − 1)กระบวนการ 1-2 และ 3-4 เปน กระบวนการท่ีเอนโทรปคงท่ีและไมมีความดนั สญู เสยี ในกระบวนการ2-3 และ 4-1 ดังน้ัน T2 = rp(k−1)/k = T3 (10.3) T1 T4โดยทอ่ี ัตราสว นคา ความจคุ วามรอน k = cp/cv และอัตราสว นความดนั rp = p2/p1 ประสิทธภิ าพของวัฏจกั รจึงมีคาดังน้ี ηB = 1 − T1 T2 = 1 − 1 (10.4) rp(k−1)/kสมการ (10.4) แสดงใหเหน็ วา ประสทิ ธิภาพของวฏั จักรเบรยตันเพ่มิ ข้ึนตาม k กา ซท่ีมีคา k สูงคอืกาซเฉื่อยเชน He และ Ar ซึ่งมีคา k เทากบั 1.67 อยา งไรกต็ าม สารทำงานในวฏั จักรเบรยตนั สว นใหญคือ อากาศซง่ึ มีคา k เทากับ 1.4 นอกจากนี้ ประสิทธิภาพของวัฏจักรเบรยตนั เพมิ่ ขน้ึ ตามอัตราสวนความดัน แตถา กำหนดอณุ หภมู ิสงู สุด (T3) และอุณหภมู ิตำ่ สดุ (T1) ใหคงที่แลวเพม่ิ rp เรือ่ ย ๆ ในท่ีสดุrp จะถึงคาสูงสดุ เทากบั rp.max = ( T3 )k/(k−1) (10.5) T1ท่ีคา น้ีวฏั จักรเบรยตนั มีประสทิ ธิภาพเทา กบั วัฏจกั รคารโนตท่ีทำงานระหวา ง T3 และ T1 อยา งไรก็ตามงานสุทธิท่ีไดจะเปนศูนย ถา คำนงึ ถึงงานที่ไดจากวฏั จกั รเบรยตันมากกวาประสิทธิภาพและตอ งการไดงานสุทธิมากท่ีสุดก็จะตอ งหาอตั ราสวนความดนั ที่เหมาะสม แทนคา อัตราสว นอุณหภูมิจากสมการ(10.3) ในสมการ (10.1) [ ( ) )]wnet = cp T3 1 − 1 − T1 ( − 1 (10.6) rp(k−1)/k rp(k−1)/k

198 บทที่ 10. โรงไฟฟาพลังความรอ นรว มคา rp ท่ีทำให wnet ในสมการ (10.6) มีคา สงู สุดคือrp,opt = ( T3 )k/2(k−1) (10.7) T1ทอี่ ตั ราสวนความดนั นี้ งานสุทธิมคี าสูงสุดเทา กบั ( √ )2wmax = cpT3 1 − T1 (10.8) T3 ประสิทธภิ าพสูงสุดและงานสงู สุดในวัฏจกั รเบรยตันในอุดมคติจะไมเกดิ ขึ้นจรงิ เพราะกระบวนการในวัฏจกั รเบรยตันที่เกิดข้นึ จรงิ เปน กระบวนการผวนกลบั ไมได จากรูปท่ี 10.4 จะเห็นวา กระบวนการ1-2 และ 3-4 เปน กระบวนการท่ีเอนโทรปเพ่มิ ในวัฏจกั รเบรยตันท่ีเกิดขน้ึ จรงิ ถา สมมุติวากาซในวฏั จักรเปน กา ซในอดุ มคติ ประสิทธิภาพของเคร่ืองอดั กาซและเครื่องกงั หนั จะมนี ยิ ามดงั นี้ηc = T2s − T1 (10.9) T2 − T1 (10.10)ηt = T3 − T4 T3 − T4sในวฏั จักรเบรยตันจรงิ เคร่ืองอดั กา ซและเครือ่ งกังหนั จะมีประสิทธิภาพไมถงึ 100% ซึง่ ทำใหงานท่ีตองใหแกเครอ่ื งอัดกาซและงานที่ไดจากเครอ่ื งกงั หนั นอยลง งานสทุ ธิจากวฏั จกั รเบรยตันจรงิ จงึ นอ ยกวาจากวัฏจักรเบรยต ันในอุดมคติ รปู ท่ี 10.4: วฏั จกั รเบรยตันท่ีเกดิ ขน้ึ จริง โดยทว่ั ไปประสทิ ธิภาพของวฏั จักรเบรยตนั คอนขา งต่ำเน่อื งจากงานท่ีตองใหเครือ่ งอัดกาซมากเมอื่เทียบกบั งานท่ีไดจากเคร่อื งกังหันกา ซ ในทางตรงขามงานที่ใหเคร่อื งสบู ในวัฏจกั รแรงคินนอ ยกวา งานที่ไดจากเครือ่ งกังหนั ไอนำ้ มาก นอกจากน้ีกาซเสียที่ออกจากเครื่องกงั หันมีอณุ หภมู ิสงู และอัตราการไหลของกา ซก็มากเนือ่ งจากตองใชอากาศปรมิ าณมากในการเผาไหมกา ซธรรมขาติ ดงั นน้ั จึงมีการสญู

10.1. วฏั จักรเบรยตัน 199เสียพลงั งานในปรมิ าณมากตามไปดว ย วธิ ีหนึ่งท่ีใชเพิม่ ประสิทธิภาพของวัฏจักรเบรยตันคือ การเพิม่ ร-ีเจนเนอเรเตอร (regenerator) ในวฏั จักร รีเจนเนอเรเตอรจะทำหนาที่แลกเปลี่ยนความรอ นระหวา งกาซเสยี จากเครอ่ื งกงั หนั และอากาศท่ีกำลังจะเขาไปเผาไหมท่ีเครือ่ งเผาไหม การกระทำเชนนี้จะลดความรอนท่ีตอ งใหแกวฏั จักรแตไมเปลีย่ นงานสทุ ธิที่ได รปู ท่ี 10.5 แสดงแผนภาพอุปกรณและแผนภาพT-s ของวฏั จักรเบรยต ันทม่ี รี เี จนเนอเรชนั รูปท่ี 10.5: วัฏจกั รเบรยตนั ท่มี รี ีเจนเนอเรชนั ถารีเจนเนอเรเตอรในรูปที่ 10.5 เปนรีเจนเนอเรเตอรในอดุ มคติอณุ หภูมิของกาซที่ออกจากร-ีเจนเนอเรเตอร (Tx) จะเทากับอุณหภมู ิของกาซที่ออกจากเครื่องกังหัน (T4) แตในรีเจนเนอเรเตอรจรงิTx จะนอยกวา T4 ความใกลเคียงระหวา งสองอณุ หภูมิบงบอกดวยประสทิ ธผิ ลของรีเจนเนอเรเตอร(regenerator effectiveness, ϵ) ϵ = Tx − T2 (10.11) T4 − T2 ถงึ แมวารีเจนเนอเรชันจะเปน วิธีเพม่ิ ประสทิ ธิภาพของวฏั จักรเบรยตันท่ีไดผล แตก็มีขอจำกัดท่ี T4ตอ งมากกวา T2 พอสมควร ไมเชนน้ัน วิธีนี้จะไมคมุ คา อยางไรกต็ ามมีวธิ ีเพิ่มความแตกตางระหวา งT4 และ T2 คือ การเพิม่ กระบวนการใหความรอ นซำ้ (reheating) และกระบวนการอนิ เตอรคูลลิ่ง(intercooling) ใหว ฏั จกั ร รูปท่ี 10.6 แสดงวัฏจกั รเบรยต นั ที่มีอินเตอรค ูลล่งิ หน่ึงครงั้ มกี ารใหความรอ นซำ้ หนง่ึ คร้ัง และมีรีเจนเนอเรชนั อปุ กรณในวฏั จกั รประกอบดวยเคร่ืองอัดความดันตำ่ (LC) หน่งึ เครอื่ งเคร่ืองอัดความดันสูง (HC) หน่ึงเครือ่ ง เครื่องกงั หันความดันตำ่ (LT) หนง่ึ เครื่อง เครอ่ื งกังหันความดนั

200 บทท่ี 10. โรงไฟฟา พลังความรอนรวมตำ่ (HT) หนึ่งเครอ่ื ง หองเผาไหม รีเจนเนอเรเตอร อนิ เตอรคูลเลอร และเครือ่ งใหความรอ นซ้ำ โดยสามอปุ กรณหลังเปนอุปกรณแลกเปลี่ยนความรอนรูปท่ี 10.6: วัฏจกั รเบรยตันทม่ี รี เี จนเนอเรชัน การใหความรอ นซ้ำ และอนิ เตอรค ลู ลง่ิ ตัวอยาง วัฏจกั รเบรยตันท่ีมีรีเจนเนอเรชันในรปู ท่ี 10.5 มีความดันตำ่ สุด 1 atm อุณหภูมิตำ่ สุด15.6◦C อณุ หภมู ิสูงสดุ 1093.3◦C อตั ราสวนความดนั เทากบั 4 ประสิทธิภาพของเคร่ืองกังหันเทา กับ0.88 ประสิทธิภาพของเครือ่ งอดั กาซเทา กับ 0.85 และประสทิ ธิผลของรีเจนเนอเรเตอรเทา กับ 0.7 จงหาประสทิ ธิภาพของวัฏจักรนี้ สมมุติวา กา ซในวฏั จกั รเปน อากาศทมี่ ี cp = 1.005 kJ/kg.K และ k = 1.4วิธที ำ ( )(k−1)/k p2 T2s = T1 p1 K= 288.6(4)0.4/1.4 = 429 T2s − T1 = ηc = 0.85 T2 − T1 =⇒ T2 = 454 K ( )(k−1)/k p4 T4s = T3 p3

10.2. วัฏจักรผสม 201 K= 1366.3(4)−0.4/1.4 = 919 T3 − T4 = ηt = 0.88 T3 − T4s =⇒ T4 = 973 K ϵ = Tx − T2 = 0.7 T4 − T2 =⇒ Tx = 817 K wc = cp(T2 − T1) = 166 kJ/kg wt = cp(T3 − T4) = 395 kJ/kg qin = cp(T3 − Tx) = 552 kJ/kg η = 395 − 166 = 41.5% 55210.2 วฏั จกั รผสม การเพ่ิมประสิทธภิ าพของวัฏจกั รเบรยตนั กระทำไดโดยการนำวฏั จักรเบรยตันมาทำงานรว มกับวฏั จักรแรงคนิ โดยใหวัฏจกั รเบรยตันทำงานในชวงอณุ หภูมิสูงและวัฏจกั รแรงคินทำงานในชวงอณุ หภมู ิต่ำ ผลท่ีไดค อื วัฏจกั รผสมดังแสดงในรปู ที่ 10.7 ความรอ นทีร่ ะบายออกจากวัฏจกั รเบรยตนั จะใชผ ลติ ไอนำ้ ในวัฏจักรแรงคินโดยใชอ ุปกรณท ่เี รียกวาเครื่องกำเนดิ ไอนำ้ แบบกูค วามรอ น (heat recovery steamgenerator หรอื HRSG) ดังนั้นความรอนที่ใหแกวฏั จกั รผสมจึงเกดิ ขึน้ ท่ีหอ งเผาไหมในสวนของวัฏจกั รเบรยตนั เทา น้นั ประสิทธิภาพของวฏั จกั รผสมสามารถคำนวณไดจากสูตรน้ี ηcc = w˙ B + w˙ R (10.12) q˙inโดยท่ี w˙B เปนกำลงั งานสุทธิจากวัฏจกั รเบรยตัน w˙R เปน กำลงั งานสุทธิจากวฏั จกั รแรงคนิ และ q˙inเปนอตั ราการถา ยเทความรอ นสูวัฏจักรเบรยตัน จากนยิ ามของประสิทธภิ าพของวฏั จักรเบรยตนั (ηB)และวัฏจกั รแรงคนิ (ηR) ทำใหไ ดส มการตอไปน้ี w˙ B = ηBq˙in (10.13) w˙ R = ηR(1 − ηB)q˙inแทนคา w˙B และ w˙R ในสมการ (10.12) ηcc = ηR + ηB − ηRηB

202 บทที่ 10. โรงไฟฟาพลังความรอนรวมสมการนี้แสดงใหเห็นวา ประสิทธภิ าพของวฏั จักรผสมสูงกวา ประสิทธภิ าพของวฏั จกั รเบรยตันหรอื วัฏ-จักรแรงคนิ ถา ηR = 0.33 และ ηB = 0.26 ประสทิ ธภิ าพของวฏั จกั รผสมจะมีคาประมาณ 0.5 ซงึ่ นบัวาสูงมาก แตใ นทางปฏิบัติ ηcc มคี า ระหวาง 0.38 ถงึ 0.42 เทา น้นั รูปที่ 10.7: วฏั จกั รผสม กำลงั งานของเครอ่ื งกังหันไอน้ำในวฏั จกั รผสมแปรผนั ตามอัตราการไหลของไอน้ำในวัฏจกั รแรงคินวิธีเพิ่มกำลังงานของวฏั จักรผสมที่งา ยคอื การเพม่ิ อตั ราการผลติ ไอน้ำใน HRSG วัฏจักรผสมอาจถูกดัดแปลงเปนวฏั จักรในรปู ที่ 10.8 โดยมีการใหความรอนแกเครือ่ งกำเนิดไอนำ้ แบบกูความรอนเพ่ิมเตมิจากการถายเทความรอ นจากกาซเสยี สมมตุ ิวา q˙1 เปน อตั ราการถา ยเทความรอ นเขาสูวัฏจักรเบรยตันและ q˙2 เปน อัตราการถายเทความรอ นเขาสูว ัฏจักรแรงคิน ประสิทธภิ าพของวฏั จักรผสมคำนวณไดด ังน้ี w˙ B = ηBq˙1 w˙ R = ηR[(1 − ηB)q˙1 + q˙2] ηcc = w˙ B + w˙ R q˙1 + q˙2=⇒ ηcc = ηB q˙1 + ηR[(1 − ηB)q˙1 + q˙2] (10.14) q˙1 + q˙2กำหนดให x เปน สดั สว นของอัตราการถา ยเทความรอนเขาสูวฏั จักรแรงคนิ เทยี บกับอตั ราการถา ยเทความรอ นทีเ่ ขาสวู ฏั จกั รผสมทัง้ หมด x = q˙2 q˙1 + q˙2 =⇒ q˙2 = x(q˙1 + q˙2)

10.2. วฏั จักรผสม 203แทนคา q˙2 ในสมการ (10.14) ηcc = ηB + ηR − ηBηR − xηB(1 − ηR) (10.15)ประสทิ ธิภาพน้ีนอยกวา ประสิทธภิ าพของวฏั จกั รผสมแบบท่ีไมมีการเผาไหมในเครื่องกำเนดิ ไอนำ้ แบบกูความรอ น ซ่งึ หมายความวา ถงึ แมวา การผลิตไอน้ำเพิม่ จะเพิ่มกำลงั งานของวฏั จกั รผสม แตก็ทำใหประสิทธภิ าพของวฏั จกั รลดลงรปู ที่ 10.8: วฏั จกั รผสมท่ีมีการใหค วามรอนจากภายนอกวัฏจกั รแก HRSG สมการ (10.13) สำหรับคำนวณประสทิ ธภิ าพวัฏจกั รผสมในอุดมคติไมสามารถใชไ ดกับวฏั จักรผสมจรงิ ในการคำนวณประสทิ ธิภาพ จะตองใชสมการ (10.12) และหาคา w˙B, w˙R และ q˙in ดังนี้ w˙ B = m˙ gcpg(T3 − T4 − T2 + T1) (10.16) w˙ R = m˙ s(ha − hb − hd + hc) (10.17) q˙in = m˙ gcpg(T3 − T2) (10.18)โดยท่ี m˙ g คอื อัตราการไหลของกา ซในวฏั จักรเบรยต นั m˙ s คือ อัตราการไหลของไอนำ้ ในวฏั จักรแรงคนิและ cpg คอื คาความจุความรอ นของกา ซ ขอ มลู เพิ่มเตมิ ท่ีตองทราบคือ อตั ราสว นระหวา ง m˙ g กบั m˙ sขอ มลู นไ้ี ดจ ากสมดุลความรอนใน HRSG สมมตุ วิ าไมมีความรอ นสญู เสยี ใน HRSG อัตราการถา ยเทความรอนจากกาซจะเทา กับอตั ราการถา ยเทความรอนใหน้ำ m˙ gcpg(T4 − T5) = m˙ s(ha − hd) (10.19)

204 บทท่ี 10. โรงไฟฟาพลังความรอ นรว ม ตวั อยา ง โรงไฟฟา แหงหนง่ึ ผลติ ไฟฟาดว ยเปน วัฏจกั รผสมตามรูปท่ี 10.7 โดยอัตราสวนความดันในสวนของวัฏจักรเบรยตนั เทากบั 7.5 อุณหภูมิของอากาศเขา เครอื่ งอดั กาซคือ 15◦C และอุณหภมู ิสูงสดุ ในวฏั จักรคอื 750◦C กาซเสยี ไหลออกจากเครือ่ งกำเนดิ ไอน้ำแบบกูความรอ นที่ 100◦C ในสวนของวัฏจักรแรงคนิ ไอนำ้ ท่ีเขาเคร่ืองกังหนั มีความดนั 50 bar อณุ หภมู ิ 500◦C ความดนั ในเครื่องควบแนนเทา กับ 0.1 bar ถากำลงั งานจากวัฏจกั รผสมเทากับ 200 MW จงหาอัตราการไหลของอากาศและไอนำ้กำลังงานจากวัฏจักรเบรยตันและวัฏจกั รแรงคิน และประสิทธิภาพของวฏั จกั รผสม สมมุติวากา ซในสว นของวัฏจักรเบรยตันเปนอากาศท่ีมีอัตราการไหลคงที่ กำหนดให cpg = 1.1 kJ/kg.K และ k = 1.4 และไมต อ งพจิ ารณางานท่ใี หเครือ่ งสบูวธิ ที ำในสวนของวฏั จกั รเบรยตัน ( )(k−1)/k p2T2 = T1 p1 K= 288 × (7.5)0.4/1.4 = 512.2 ( )(k−1)/k p4T4 = T3 p3 K= 1023 × (7.5)−0.4/1.4 = 620.5คาของ w˙B ไดจากสมการ (10.16) w˙ B = 196.1m˙ g (10.20) (10.21)และคาของ q˙in ไดจ ากสมการ (10.18) q˙in = 561.9m˙ gในสวนของวัฏจกั รแรงคิน แผนภมู ใิ หสมบตั ิของน้ำและไอน้ำดงั น้ีคาของ w˙R ไดจากสมการ (10.17) ha = 3670 kJ/kg hb = 2305 kJ/kg hc = 192 kJ/kg = hd (10.22) w˙ R = 1365m˙ sโจทยก ำหนดคา ของกำลงั งานรวม (w˙B + w˙R) มาให ดงั นั้น (10.23) 196.1m˙ g + 1365m˙ s = 200 × 103

10.3. เครือ่ งกังหันกา ซ 205โปรดสังเกตวา คาท่ีโจทยใหมามีหนวยเปน MW ในขณะที่คา ของ w˙B ในสมการ (10.20) และ w˙R ในสมการ (10.22) มีหนว ยเปน kW ดังนัน้ จึงตองแปลงหนวยของกำลงั งานรวมทีโ่ จทยใหม าเปน kW แทนคา อณุ หภมู ิและเอนทัลปใ นในสมการ (10.19) m˙ s = 0.0712 (10.24) m˙ gแกส มการ (10.23) และ (10.24) เพอื่ หาคา m˙ g และ m˙ s m˙ g = 681.9 kg/s m˙ s = 48.6 kg/sแทนคา m˙ g, m˙ s ลงในสมการ (10.20)-(10.22) และคำนวณประสทิ ธิภาพโดยใชส มการ (10.12) w˙ B = 133.8 MW q˙in = 383.2 MW w˙ R = 66.3 MW ηcc = 0.5210.3 เคร่ืองกงั หนั กา ซ เครอื่ งกงั หนั กาซเคร่ืองแรก ๆ ออกแบบสำหรบั เครอ่ื งบินไอพน ตอมามผี ูทดลองนำเครื่องยนตกังหันกา ซมาผลิตไฟฟา ซึง่ ใหผลเปน ที่นาพอใจ จากนัน้ จึงเรม่ิ มีการออกแบบเครือ่ งยนตกังหนั กาซสำหรับผลิตไฟฟา จนไดรบั ความนิยมมาจนปจ จุบัน การผลิตไฟฟาดว ยเครอ่ื งกงั หันกาซอาจแบงเปนสามรปู แบบรปู แบบแรกเปน โรงไฟฟากงั หันกาซซง่ึ เหมาะกับการใชเปนโรงไฟฟา ภาระสูงสดุ รปู แบบที่สองเปน โรงไฟฟาพลงั ความรอ นรวม ประสิทธภิ าพของโรงไฟฟา พลังความรอนรว มสูงกวาโรงไฟฟา พลงั ความรอ นนอกจากนี้โรงไฟฟา พลงั ความรอนรวมอาจถกู ออกแบบใหสามารถเดนิ เครื่องเปน โรงไฟฟากงั หันกา ซก็ได ดงั นัน้ โรงไฟฟาพลงั ความรอนรว มจงึ เปนไดทั้ง โรงไฟฟา ภาระหลัก โรงไฟฟา ภาระเสริม และโรงไฟฟาภาระสูงสดุ รปู แบบที่สามเปน การผลติ พลงั งานความรอนรว มกบั พลงั งานไฟฟา รปู แบบนี้เหมาะกบั โรงงานอตุ สาหกรรมท่ีตอ งใชความรอ นในกระบวนการผลติ ความรอ นท้งิ จากเครือ่ งกงั หันกาซอาจนำไปใชใ นกระบวนการผลติ ไดแทนท่ีจะปลอ ยทิ้งสบู รรยากาศ10.3.1 ประเภทของเคร่อื งกงั หันกาซ เครอื่ งกงั หันกา ซท่ีมีจำหนายในทองตลาดแบง เปน สองประเภทหลกั ไดแ ก เครอื่ งกงั หนั กาซแบบอนพุ ันธของเครือ่ งยนตไอพน (aeroderivative gas turbine) และเครอ่ื งกังหันกาซแบบอตุ สาหกรรม(industrial gas turbine) เครือ่ งกังหันกา ซแบบอนพุ นั ธของเครือ่ งยนตไอพน พฒั นามาจากเครอื่ งกังหันกา ซท่ีใชเปนเครอื่ งยนตสำหรบั เครอื่ งบนิ ไอพนโดยเปล่ียนโครงหุม ใหมีนำ้ หนักนอ ยลง ดัดแปลงให

206 บทที่ 10. โรงไฟฟาพลงั ความรอนรว มสามารถตดิ ตง้ั บนพ้นื ระนาบได และตดิ ตง้ั อปุ กรณท ีแ่ ปลงพลังงานจลนของไอพนเปนพลงั งานกลจากการหมนุ เคร่ืองกังหันกาซแบบอตุ สาหกรรมออกแบบมาสำหรบั การผลิตไฟฟาโดยตรง จงึ ไมตองออกแบบใหมีน้ำหนักนอ ย และประสิทธภิ าพสงู เหมือนเคร่อื งกังหนั กาซแบบอนพุ ันธของเครอ่ื งยนตไอพน แตออกแบบใหมีราคาถูก ทนทาน และบำรุงรกั ษางาย ตารางที่ 10.1 เปรียบเทยี บเครอื่ งกังหนั กา ซทง้ั สองประเภทตารางที่ 10.1: เปรียบเทียบเครอ่ื งกังหันกาซแบบอนุพนั ธของเคร่ืองยนตไอพนกับเครือ่ งกงั หันกา ซแบบอุตสาหกรรม เครือ่ งกงั หันกา ซ แบบอนุพนั ธข องเครอ่ื งยนตไ อพน แบบอุตสาหกรรมขนาด เลก็ ใหญประสิทธิภาพ สงู ตำ่อตั ราสว นความดัน ไมเ กนิ 30 ไมเกิน 16กำลังงาน ไมเกิน 50 MW ไมเกนิ 300 MWความเร็วรอบ สูง ตำ่ราคาตอกำลังการผลิตไฟฟา มาก นอ ยความตอ งการการบำรงุ รกั ษา มาก นอ ย10.3.2 สวนประกอบหลัก เคร่อื งกังหันกาซทุกยห่ี อ และทกุ รุนมีสว นประกอบหลกั ท่ีเหมือนกนั คือ เครื่องอดั กา ซ (compres-sor) หอ งเผาไหม (combustor) และกังหันกา ซ (turbine) ทั้งสามสวนวางติดกันในอยูโครงหุม (casing)รปู ที่ 10.9 แสดงใหเห็นวา อากาศไหลเขา เครอื่ งกังหันกา ซท่ีเครือ่ งอดั กาซ เชื้อเพลิงไหลเขา ที่หอ งเผาไหม การเผาไหมร ะหวางเช้ือเพลงิ กับอากาศทำใหเกิดกา ซเสยี ท่ไี หลออกกงั หันกา ซสูบรรยากาศเครอ่ื งอดั กาซ เครื่องอดั กา ซมีสามแบบคือ เคร่อื งอัดกา ซแบบบีบอัด (positive displacement) เครอื่ งอดั กาซแบบแรงเหว่ยี ง (centrifugal ) และเคร่อื งอัดกาซแบบไหลตามแกน (axial) ถึงแมวา เครือ่ งอดั กาซสองแบบแรกจะสามารถอัดกาซใหมีความดนั สงู มากได แตเครือ่ งอัดกา ซแบบไหลตามแกนมีขอไดเปรียบคอื สามารถใหอัตราการไหลท่ีสงู กวา นอกจากน้ีการเพมิ่ ความดนั ในเครื่องอดั กา ซแบบไหลตามแกนสามารถกระทำไดโ ดยการเพมิ่ จำนวนข้ันทำงาน หนึ่งขัน้ ทำงานของเคร่ืองอดั กาซซ่งึ ประกอบโรเตอรและสเตเตอร ใบพัดหมุนของโรเตอรยดึ ติดกบั เพลาและใบพดั นิ่งของสเตเตอรยดึ ตดิ กับโครงหุม ใบพดั หมนุและใบพัดนง่ิ มีรปู รางคลา ยปกเครอ่ื งบนิ เพ่อื ใชคณุ สมบตั ิดานอากาศพลศาสตรของใบพดั ในการอดั กาซรูปที่ 10.10 แสดงการไหลปะทะใบพัดหมุนของกา ซซึ่งทำใหเกดิ แรงยก (lift) หรอื ความแตกตา งความดนั ระหวางดา นออก (หรือดา นลางของใบพดั ) กบั ดา นเขา (หรือดา นบนของใบพัด) มุมระหวางความเร็ว

10.3. เครอ่ื งกังหนั กาซ 207 รูปที่ 10.9: เคร่ืองกังหนั กาซสมั พทั ธ (W) กับเสน คอรด (chord line) ของใบพดั หมนุ เรยี กวา มุมปะทะ (α) แรงยกจะเพม่ิ ขึ้นตามมมุปะทะตราบเทาที่มุมปะทะไมมากเกินไป รปู ที่ 10.11 แสดงใหเห็นวา กอนไหลเขาขนั้ ทำงานอากาศจะไหลผานใบพดั นำ (guide vane) ซ่งึ ทำหนาท่ีปรบั ทศิ ทางการไหลของอากาศเพอ่ื ใหมมุ ปะทะมีคาเหมาะสมที่สดุ หลักการทำงานของเครื่องอัดกา ซแบบไหลตามแกนคลายกบั กังหนั แรงปฏิกริ ิยาที่กลา วถงึ ในบทที่ 7 แตท ศิ ทางการไหลตรงขา มกนั ซ่งึ ทำใหความดนั ของอากาศคอ ย ๆ เพมิ่ ข้ึนจากการไหลผานแตล ะข้ันทำงาน อัตราสวนความดันโดยรวมของเครอ่ื งอดั กาซจึงขึน้ กับจำนวนข้นั ทำงานรปู ที่ 10.10: การไหลปะทะใบพดั หมุนของอากาศทำใหเ กิดผลตางความดันระหวางสองดานของใบพดั ปญหาหนึง่ ท่ีอาจเกิดกับเครืองอดั กา ซคอื สภาวะสะดดุ (stall) ที่เกิดจากมุมปะทะที่มากเกนิ ไปจนทำใหแรงยกลดลงอยา งกระทนั หนั แรงยกท่ีลดลงอยา งมากหมายความวา ความดันท้ังสองดา นของใบพดั หมนุ จะใกลเคยี งกันและอตั ราสว นความดนั ก็จะลดลง ดังนน้ั เครื่องอัดกา ซจงึ มีสมรรถนะตำ่ ลงในสภาวะสะดดุ ซ่งึ สงผลลบตอกำลังงานที่ผลิตโดยเครือ่ งกงั หนั กา ซ รูปท่ี 10.12 แสดงใหเหน็ วา

208 บทที่ 10. โรงไฟฟา พลังความรอ นรว ม รปู ท่ี 10.11: ใบพดั นำเปลี่ยนทศิ ทางการไหลของกาซเขาข้ันทำงานของเครอ่ื งอัดกา ซความเร็วสัมบรู ณท่ีลดลงสง ผลใหมุมปะทะเพิ่มขึ้น สภาวะสะดดุ เกิดขึ้นเมอ่ื อัตราการไหลเขา ของอากาศตำ่ เกนิ ไปซงึ่ สงผลใหความเร็วสัมบูรณ (V ) มีคา นอ ยจนมุมปะทะ (α) มีคามากเกินไป แตถา ทศิ ทางของความเร็วสัมบรู ณเปลีย่ นไปอยา งเหมาะสม มมุ ปะทะจะไมเปลยี่ นและสภาวะสะดดุ จะไมเกดิ ข้ึน ทศิ ทางของความเรว็ สมั บรู ณส ามารถเปล่ยี นแปลงไดโดยใชใ บพดั นำทป่ี รับมมุ ได (variable-angle guide vane) รปู ที่ 10.12: การเปลี่ยนแปลงมมุ ปะทะเม่อื ขนาดและทศิ ทางของความเรว็ สัมบรู ณเปลย่ี น เคร่อื งอดั กา ซอยูบนเพลาเดยี วกบั กงั หันกา ซและมีความเร็วรอบเทา กนั การหมนุ ของใบพดั ของกงั หนั กา ซทำใหเกิดการหมุนของใบพัดหมนุ ของเครอื่ งอัดกา ซและกระบวนการอัดกาซทำงานได เครอ่ื งอดั กาซแบบไหลตามแกนในเครอ่ื งกงั หนั กาซขนาดใหญอาจแยกเปน เครอ่ื งอดั กา ซความดนั ต่ำ (low-pressure compressor) และเคร่ืองอดั กาซความดนั สูง (high-pressure compressor) ในกรณีนก้ี งั หนักาซก็จะแยกเปน สองสว นคอื กังหันกาซความดันตำ่ (low-pressure turbine) และกงั หันกาซความดันสงู (high-pressure turbine) เชน เดียวกัน เครอื่ งอดั กา ซความดันตำ่ จะถกู ขับเคลือ่ นโดยกงั หนั กาซความดนั ต่ำ และเครือ่ งอดั กา ซความดนั สูงจะถกู ขับเคลือ่ นโดยกังหันกาซความดนั สูง รปู ท่ี 10.13 แสดงใหเห็นวา เพลาของเครือ่ งอดั กา ซความดนั ตำ่ วางอยูภายในเพลาของเคร่ืองอดั กา ซความดันสงู ดงั นัน้เครอ่ื งอดั กาซความดนั ตำ่ และเครื่องอดั กาซความดนั สงู จะสามารถหมุนที่ความเร็วรอบไมเ ทา กนั ได กอ นไหลเขาเครื่องอัดกา ซอากาศจะไหลผานแผนกรองฝุน เพื่อใหไดอากาศท่ีสะอาดปราศจากฝนุละอองเปนสารทำงานในเครอ่ื งกังหนั กาซ แผน กรองฝนุ จะถกู เปลีย่ นเมอื่ ความดันอากาศท่ีไหลผา นลดลงเกินคาท่ีกำหนดซ่ึงแสดงวา แผนกรองสกปรกเกนิ ไป อยา งไรก็ตามอาจมีสง แปลกปลอมเชน ฝนุ แมลง

10.3. เครอื่ งกงั หนั กา ซ 209 รูปที่ 10.13: เครอื่ งกังหันกาซแบบแยกสวนตวั เลก็ หรือคราบน้ำมันหลอลน่ื เล็ดรอดเขา ไปเกาะที่ผวิ ใบพัดของเครอื่ งอัดกาซได ใบพดั ที่สกปรกจะทำใหอตั ราสวนความดนั ที่ไดจากเครอื่ งอดั กา ซลดลงและจะสงผลใหกำลังงานท่ีไดจากเครือ่ งกงั หนั กา ซลดลงตามไปดว ย ระบบลางเครื่องอัดกาซ (compressor wash) ทำหนาที่กำจัดส่ิงแลกปลอมออกจากผิวใบพัด การทำความสะอาดเครอื่ งอัดกาซอาจกระทำขณะที่เครอ่ื งอดั กา ซกำลงั ทำงานหรือหยดุ ทำงานวธิ หี ลังใหผ ลดกี วาแตเครือ่ งกงั หันกาซตอ งหยดุ ทำงานและโรงไฟฟา ตอ งสูญเสยี กำลังการผลติหอ งเผาไหม หอ งเผาไหมอยูถัดจากเครอื่ งอัดกา ซ อากาศท่ีมีความดันสงู ไหลเขา หอ งเผาไหมโดยมีหวั ฉีดพนเชื้อเพลิงเขา ไปผสมกบั อากาศและทำปฏกิ ิริยาเผาไหมกนั เช้ือเพลงิ ของเครอ่ื งยนตกังหันกา ซเปนเชื้อเพลงิกา ซ (กาซธรรมชาติ, SNG) หรือเชื้อเพลงิ เหลว (นำ้ มนั กาด, นำ้ มนั ดีเซล, น้ำมันเตาเบอร 2) หองเผาไหมแบงเปน 3 แบบคือ แบบทอ (tubular) แบบกงึ่ ทอ กงึ่ วงแหวน (tuboannular) และแบบวงแหวน(annular) ดงั แสดงในรูปที่ 10.14 หองเผาไหมแบบทอแบงเปน หองเผาไหมขนาดเล็กลงเรยี กวา ทอเปลวไฟ (flame tube) หลายทอ วางตามเสนรอบวงของแกนกลาง ทกุ ทอ เชื่อมตอ กันเพื่อใหจายเช้อืเพลงิ ใหไดเทา ๆ กันและจุดระเบิดไดพรอมกนั แตการจา ยอากาศใหแตล ะทอ แยกออกจากกนั หองเผาไหมแบบก่ึงทอกงึ่ วงแหวนคลา ยแบบทอ สิ่งที่ตา งกันคอื การจายอากาศใหแตละทอไมไดแยกออกจากกนั หอ งเผาไหมแบบวงแหวนมีหองเผาไหมหรือทอ เปลวไฟเปนรปู วงแหวนเพยี งทอเดยี วและมีหัวฉดีรอบ ๆ ทอเพ่ือพน เชื้อเพลิงและอากาศเขาทอ รปู ที่ 10.15 แสดงการไหลของอากาศและเชื้อเพลงิ ในหองเผาไหม อากาศบางสวนจะใชในการเผาไหม อากาศท่ีเหลือทำหนาท่ีหลอ เยน็ หองเผาไหม การเผาไหมในหอ งเผาไหมแบง เปนสามเขต เขตแรกคือ เขตไหลวน (recirculation zone) อยูใกลหัวฉีดเปนบริเวณท่ีมีการผสมกนั ระหวา งอากาศกบั เช้ือเพลิงอยางทัว่ ถึงโดยอาศัยการไหลวนอยางปน ปวนของอากาศและเช้อื เพลงิ นอกจากนี้เช้อื เพลงิ บางสวนเผาไหมกบั อากาศในเขตน้ีแตการเผาไหมอาจไมสมบรู ณเพราะปริมาณอากาศไมมากพอ เขตท่ีสองคือเขตเผาไหม (burning zone) อยหู างจากหัวฉดี ออกมาเปนบริเวณท่ไี ดรบั อากาศเพม่ิ เติมซงึ่ ทำใหก ารเผาไหมสมบูรณและไดกา ซเสยี ท่ีมีอุณหภมู ิสูง เขตท่ีสามคอื เขตเจอื จาง (dilution zone) อยูใกลทางออกจากหอ งเผาไหม มีอากาศเขา มาในหองเผาไหมเพิ่มเติมท่ีเขตน้ีเพ่ือลดอณุ ภูมิกา ซเสยี ที่กำลงั จะออกจากหอ งเผาไหม อยางไรก็ตามอณุ หภมู ิในหองเผาไหมอาจสูงมากจนทำใหเกดิ NOx การควบคมุ NOx อาจใชว ธิ พี นนำ้ หรอื ไอน้ำเขา หองเผาไหมเพ่ือลดอุณหภูมเิ ผาไหมและลดการเกดิ NOx

210 บทท่ี 10. โรงไฟฟาพลงั ความรอนรว ม รปู ท่ี 10.14: หอ งเผาไหมสามแบบ รปู ที่ 10.15: เขตเผาไหมใ นหอ งเผาไหมกังหันกาซ กาซทมี่ ีอณุ หภมู ิสูงและความดันสูงจะไหลจากหองเผาไหมเ ขา กังหนั กาซ เคร่ืองกังหนั กาซแบบเพลาเดียว (single-shaft gas turbine) มีเครือ่ งอัดกาซหนึ่งเคร่ืองและกงั หนั กา ซหน่งึ เครือ่ งที่หมุนบนพลาเดยี วกนั รูปแบบการติดต้ังเครือ่ งกังหนั กาซเพอ่ื ผลติ ไฟฟาแบง เปน เครื่องยนตกังหันกาซแบบเพลาเดยี วรูปที่ 10.16 แสดงเครื่องกงั หันกาซแบบสองเพลา (two-shaft gas turbine) ซ่ึงประกอบดวยเคร่อื งอัดกาซหนงึ่ เครอ่ื งและกงั หนั กา ซสองเครอ่ื ง เคร่อื งแรกทำงานท่ีความดันสงู และขบั เคลื่อนเครื่องอัดกา ซเคร่อื งที่สองขับเคล่ือนเคร่อื งกำเนิดไฟฟา เครอ่ื งกงั หนั ท้งั สองเคร่ืองไมอยูบนเพลาเดยี วกันจงึ สามารถทำงานท่ีความรอบตางกนั ได ดงั น้ันเคร่ืองกงั หันกา ซแบบสองเพลาจงึ มีประสทิ ธิภาพสงู กวา แตขอ เสียของเคร่อื งกงั หนั กาซแบบน้ีคอื เครอ่ื งกงั หนั ความดนั ต่ำอาจหมนุ ดวยความเรว็ ท่ีมากจนเครือ่ งเสยี หายได

10.3. เครือ่ งกงั หันกาซ 211เน่อื งจากไมม ีเครื่องอดั กาซทำหนาที่เหมือนเบรกท่คี วบคุมความเร็วรอบดงั เชน เคร่อื งกังหนั ความดนั สงู รปู ท่ี 10.16: เครือ่ งกังหันกาซแบบสองเพลา กงั หนั กา ซประกอบดว ยขั้นทำงานหลายข้นั เหมือนกังหันไอน้ำ ขนั้ ทำงานความดันสงู เปนขน้ั ทำงานแรงดลหรอื ขัน้ ทำงานแรงปฏิกิรยิ าท่ีมีระดับปฏกิ ิรยิ าต่ำ ข้นั ทำงานความดันตำ่ เปนขน้ั ทำงานท่ีมีระดับปฏกิ ริ ยิ าสงู อยางไรกต็ ามขอแตกตางกังหนั กา ซกบั กังหนั ไอนำ้ คอื ใบพดั ของกงั หนั กา ซถูกออกแบบใหสามารถทนกา ซอณุ หภูมิสูงกวาถงึ แมวาอุณหภูมิของกา ซเสยี จะตำ่ กวาจุดหลอมเหลวของโลหะท่ีใชทำใบพดั แตอุณหภูมิก็มากพอท่ีจะสงผลเสียตออายุการใชงานของใบพดั เน่อื งจากการที่ใบพัดตองเผชิญกับความเคนและอุณหภูมิที่สูงเปน เวลานานทำใหเกิดความคืบ (creep) ซงึ่ นำไปสูการยดื ตัวของใบพัดเมือ่เวลาผา นไปและอาจทำใหเกิดการแตกรา วของใบพัดไดในท่ีสุด พารามเิ ตอรที่สามารถใชทำนายอายุการใชงานของใบพัดไดคอื พารามิเตอรลารสันมลิ เลอร (Larson-Miller parameter) ผลการทดลองแสดงใหเ ห็นวาความเคนเปนฟง กชันของ LM และ LM ขน้ึ กบั อุณหภมู ิ (หนว ยเปน K) และอายเุ วลาใชง านกอ นใบพัดแตกรา วจากความคบื (หนวยเปน ช่ัวโมง) ดงั น้ี LM = T (20 + log t) (10.25)ท่ีความเคน เทากนั LM มีคา เทา กนั ถากำหนดใหอณุ หภมู ิตา งกันคือ T1 = 900 K และ T2 = 890K สมการ (10.1) แสดงใหเหน็ วา t1 = 25000 ชว่ั โมงและ T2 = 47000 ชว่ั โมง ซึ่งหมายความวาการอณุ หภูมิลดลงเพียง 10 K ชว ยเพม่ิ อายุเวลาใชงานของใบพัดเกือบเทาตวั ดงั นนั้ การระบายความรอ นใหใบพัดของเครอื่ งกังหนั กาซจงึ มคี วามสำคญั มาก ใบพัดของเครือ่ งกังหันกาซถกู ออกแบบใหอากาศสามารถไหลเขา ออกและภายในใบพัดมีชอ งทางไหลท่ีวกวนเพื่อใหอากาศระบายความรอ นอยา งทั่วถึงภายในใบพดั อากาศท่ีใชหลอ เย็นใบพัดไดมาจากเคร่อื งอัดกาซท่ีไมไดไหลผา นหองเผาไหมจึงยังคงมีอุณหภมู ิไมสงู นักอากาศไหลเขาใบพดั ท่ีฐานใบพัดดังแสดงในรูปท่ี 10.17 ผิวใบพดั มีรูใหอากาศไหลออกไดโดย อากาศบางสวนจะออกจากใบพดั ทางรูเหลา น้ีและเคลอื บใบพดั ไมใหสัมผสั กับกาซรอน

212 บทที่ 10. โรงไฟฟา พลังความรอนรว ม รปู ท่ี 10.17: การระบายความรอนใหใ บพัด10.3.3 ปจ จยั ที่สงผลตอสมรรถนะของเครอ่ื งกงั หนั กา ซ ผูผลติ เคร่ืองกังหันกาซจะระบุกำลังงานของอตั ราความรอนของเครื่องกังหนั กาซทุกรุนที่จำหนา ยโดยผูผลิต สภาวะมาตรฐาน ISO สำหรบั วัดคากำลงั งานและอัตราความรอนคือ ที่อุณหภูมิ 15◦C ความช้นื สัมพทั ธิ์ 60% และความดัน 1 atm การใชงานเครอ่ื งกังหนั กา ซจรงิ อาจใหคา กำลังงานและอัตราความรอ นทีแ่ ตกตา งกบั คานเ้ี น่ืองจากปจ จัยตา ง ๆ ทสี่ งผลตอสมรรถนะของเคร่อื ง ปจจยั ทีส่ ำคญั ไดแก • อุณหภมู ิแวดลอม อัตราการไหลเชิงปริมาตรของอากาศที่ไหลเขาเคร่อื งอัดกาซคอ นขา งคงที่ แต กำลงั งานของเคร่ืองกงั หนั กา ซขน้ึ กับอตั ราการไหลเชิงมวล ดังนนั้ อากาศท่ีมีความหนาแนน มากขน้ึ จะทำใหกำลงั งานเครื่องเพมิ่ ขึ้นตามไปดว ย นอกจากน้ีอตั ราความรอนจะลดลง หรอื ประสทิ ธิภาพของเครื่องจะเพิ่มขึ้นเมือ่ อณุ หภูมิแวดลอมลดลงเนือ่ งจากอตั ราสว นความดันของ เคร่ืองอัดกา ซจะเพิ่มขน้ึ • ความดนั บรรยากาศ กำลังงานของเคร่อื งกงั หันกาซลดลงเม่อื เครือ่ งกงั หนั กาซทำงานที่ระดบั ความสงู เหนือระดับนำ้ ทะเลซงึ่ ความดนั บรรยากาศจะนอ ยกวา 1 atm และความหนาแนน ของ อากาศจะนอ ยลงเมอื่ เทียบกบั ความหนาแนน ท่ีระดับน้ำทะเล อยางไรกต็ ามอัตราความรอ นไม เปล่ยี นแปลงเมื่อความดนั บรรยากาศเปลีย่ นแปลง • ความช้นื สัมพัทธ ไอน้ำมีความหนาแนน นอยกวาอากาศแหง ดงั นนั้ อากาศที่มีความชืน้ สัมพทั ธ เพมิ่ ขึ้นจะมีความหนาแนน ลดลง และสง ผลใหกำลงั งานของเครือ่ งกังหันกา ซลดลงและอัตรา ความรอ นจะเพม่ิ ข้ึน อยางไรก็ตามผลกระทบของความชน้ื สัมพัทธนอยมากเมอ่ื เทียบผลกระทบ ของอุณหภมู แิ วดลอม • ความดนั สญู เสียทางเขา และทางออก กำลังงานและประสทิ ธิภาพที่ระบุโดยผูผลติ เครอื่ งกงั หนั กา ซอยูภายใตเงอื่ นไขวา ไมม ีความดนั สูญเสียทีท่ างเขา และทางออกของเครอื่ ง แตในการใชงาน จรงิ จะมีความดนั สูญเสยี ทท่ี างเขาเนอ่ื งจากมีการติดตง้ั เครอ่ื งกรองฝนุ ละอองและสิ่งแปลกปลอม

10.3. เคร่อื งกงั หันกาซ 213 ในอากาศกอนเขา เครอื่ งอดั กาซ และจะมีความดันสูญเสยี ทท่ี างออกเน่ืองจากมีการตดิ ตั้งทอกา ซ เสยี อุปกรณควบคมุ เสยี งและ ปลอ งระบายกาซเสียที่ทางออก ดังน้ันความดนั ของกาซเสียที่ทาง ออกจงึ ตองมากกวาความดนั บรรยากาศเพ่อื ใหกา ซเสียสามารถไหลจากเคร่ืองสูบรรยากาศได ความดันสญู เสียทางเขา และทางออกสงผลใหกำลงั งานของเครื่องกงั หนั กาซลดลงและอตั รา ความรอนจะเพิ่มขนึ้• การพนน้ำหรอื ไอนำ้ วธิ ีลดการเกิด NOx ที่ไดผลคอื การพนนำ้ หรือไอน้ำเขา ไปในหองเผาไหมซ ึง่ จะทำใหอ ุณหภมู เิ ผาไหมลดลง ผลพลอยไดค อื กำลังงานของเครอื่ งกังหนั กาซจะเพ่มิ ขน้ึ เน่อื งจาก มีอตั ราการไหลเชงิ มวลในกังหนั กา ซมากขึน้ นอกจากน้ีการพน ไอน้ำยงั ทำใหอัตราความรอ นลด ลง แตการพนนำ้ กลับทำใหอตั ราความรอ นเพ่มิ ขนึ้ เนื่องจากเชอ้ื เพลงิ บางสว นตองใชในการทำให น้ำระเหย• ภาระของเครอ่ื ง โรงไฟฟา กงั หนั กาซมักถูกใชงานเปนโรงไฟฟาภาระสูงสุด ซง่ึ หมายความวา กำลงั งานที่ผลติ โดยเครื่องกังหันกาซไมคงท่ี และบอยครั้งท่ีภาระของเคร่ืองไมเต็ม 100% ผู ผลิตเครื่องกงั หนั กา ซมักออกแบบใหเครอื่ งมีประสทิ ธภิ าพสูงสดุ หรืออัตราความรอ นตำ่ สุดเม่อื เดนิ เคร่ืองผลิตไฟฟาเตม็ ที่ อตั ราความรอนจะเพิม่ ขึ้นเม่อื ภาระของเครอ่ื งลดลง10.3.4 การเพ่มิ สมรรถนะใหเ ครอื่ งกังหันกาซ ประเทศไทยมีอณุ หภูมิเกนิ 15◦C เกือบตลอดป ดังนั้นกำลงั งานและประสทิ ธภิ าพของเครือ่ งกังหนักาซที่ใชงานในประเทศไทยจึงนอยกวา คาที่ระบุโดยผูผลิต วธิ ีเพิม่ กำลังงานและประสทิ ธิภาพที่ไดผลคอืการลดอณุ หภูมิอากาศที่ไหลเขาเครอ่ื งอัดกา ซ รูปท่ี 10.18 แสดงใหเห็นวา หลกั การของวธิ ีนี้คือ การตดิตงั้ ระบบทำความเย็นทที่ างเขา เคร่อื งอดั กา ซ ระบบสามารถใชในกรณีนไ้ี ดแก รปู ที่ 10.18: การลดอณุ หภมู ิอากาศท่เี ขา เครื่องกังหันกาซ• ระบบทำความเย็นแบบระเหย (evaporative cooling system) ใชการไหลของอากาศผา นวัสดุ พรุนเปยกลดอณุ หภูมิอากาศพรอมกบั เพิม่ อตั ราการไหลเมือ่ เทยี บกับอากาศแหง ระบบน้ีเหมาะ กับอากาศท่ีมีความชน้ื สัมพัทธตำ่

214 บทท่ี 10. โรงไฟฟา พลังความรอ นรวม • ระบบทำใหเกิดหมอก (fogging system) ใชการพน นำ้ ที่ละอองเลก็ มากจนเหมอื นหมอกไปผสม กบั อากาศ ละอองน้ำจะระเหยและสงผลใหอากาศมีอุณหภูมิลดลง นอกจากนี้อตั ราการไหลของ อากาศชน้ื ท่ีไหลออกจะมากกวาอตั ราการไหลของอากาศแหงที่ไหลเขา ระบบนี้เหมาะกับอากาศ ท่มี คี วามชน้ื สัมพทั ธตำ่ • ระบบทำความเย็นแบบดูดกลนื (absorption cooling system) ใชความรอนขบั เคล่ือนการ ทำงานของระบบซงึ่ อาจมีแอมโมเนียเปนสารทำความเยน็ ระบบน้ีทำงานไดในอากาศที่มีความ ช้นื สมั พทั ธส ูง • ระบบทำความเย็นแบบอดั ไอ (vapor compression system) ใชไฟฟา ขบั เคลื่อนการทำงาน ของระบบ ระบบนีท้ ำงานไดใ นอากาศทม่ี คี วามชื้นสมั พัทธส ูง นอกจากน้ีกำลงั งานและประสิทธภิ าพจะเพม่ิ ขึน้ จากการดัดแปลงวฏั จักรเบรยต ัน รูปที่ 10.19 แสดงแผนภาพของวฏั จักรพนไอนำ้ (steam injection cycle) วัฏจักรน้ีใชความรอ นจากกาซเสียที่ออกจากเครือ่ งกงั หันในการผลติ ไอนำ้ ในเคร่อื งแลกเปลี่ยนความรอ น ไอนำ้ ท่ไี ดจ ะถูกพนเขา หอ งเผาไหมพ รอ มกบัอากาศและเชอ้ื เพลิง ผลที่ไดคอื กำลังงานและประสิทธิภาพที่เพ่ิมขน้ึ เม่อื เทยี บกับวฏั จักรกงั หนักาซในรปูที่ 10.1 รูปที่ 10.19: วัฏจกั รพน ไอนำ้ รปู ที่ 10.20 แสดงแผนภาพของวฏั จักรการระเหย (evaporation cycle) เมอื่ เปรียบเทยี บกบัวฏั จกั รกงั หนั กาซในรปู ที่ 10.1 จะเห็นวา อปุ กรณท่ีเพมิ่ เติมคือ เคร่ืองระเหยและอุปกรณแลกเปล่ยี นความรอ น หลงั จากอากาศความดันสงู ออกจากเคร่ืองอดั กา ซมันจะไหลผา นเครอ่ื งระเหย น้ำท่ีพน เขาเครือ่ งระเหยจะกลายเปนไอเมอ่ื ผสมกบั อากาศซ่งึ ทำใหอัตราการไหลของอากาศชน้ื ที่ออกจากเคร่อื งระเหยมากกวาอตั ราการไหลเขา ของอากาศแหง กอ นไหลเขา หองเผาไหมอากาศจะไดรับความรอนเพม่ิขน้ึ จากการแลกเปล่ยี นความรอ นกบั กาซเสยี ท่ีออกจากเครอื่ งกงั หนั วฏั จักรการระเหยจงึ กำลังงานสทุ ธิและประสทิ ธภิ าพสงู กวา วฏั จักรเบรยตนั

10.4. เคร่อื งกำเนดิ ไอนำ้ แบบกคู วามรอ น 215 รูปที่ 10.20: วัฏจักรการระเหย10.4 เครือ่ งกำเนดิ ไอน้ำแบบกคู วามรอ น เครอ่ื งกำเนิดไอนำ้ แบบกูความรอ นหรือ HRSG ทำหนาท่ีเปลีย่ นน้ำปอนเปน ไอน้ำยวดยงิ่ โดยใชความรอนจากกา ซเสยี ที่ไดจากเคร่อื งกงั หันกาซ HRSG เปนอปุ กรณแลกเปลย่ี นความรอ นที่มีกาซเสยีไหลสวนทางกบั นำ้ และไอนำ้ โพรไฟลของอณุ หภมู ิกา ซเสยี และน้ำแสดงในรูปที่ 10.21 เห็นไดวา ผลตางอุณหภูมิของกาซเสยี และนำ้ เปลีย่ นแปลงตลอดการไหล ผลตางอุณหภูมิท่ีนอยท่ีสดุ เกดิ ขึ้นเม่อื น้ำอิ่มตัวเริ่มเปล่ยี นสถานะท่ีอณุ หภมู ิ Ty ในขณะท่ีกา ซเสยี มีอณุ หภูมิ Tx จุดน้ีซึ่งเรยี กวาจดุ พนิ ช (pinch point)เปนขอจำกัดของการออกแบบ HRSG เนอ่ื งจาก Tx − Ty ตอ งมคี ามากกวา ศนู ย ขนาดของเคร่อื งกำเนิดไอน้ำแบบกูความรอ นจะข้ึนอยูกับจุดพนิ ชกลา วคือถาจดุ พนิ ชท่ีมีคา นอ ยจะสงผลใหก ารแลกเปลย่ี นความรอนใน HRSG มีประสทิ ธผิ ลสูง แต HRSG จะตอ งมีขนาดใหญ โดยทว่ั ไปจุดพินชมีคาอยูระหวาง5-30◦C HRSG มีสามแบบคือ แบบแนวนอน (horizontal) แบบแนวตัง้ (vertical) และแบบไหลผา นครงั้เดียว (once-through) รปู ที่ 10.22 แสดง HRSG แบบแนวนอนซึง่ มีเครอ่ื งประหยัดเชอ้ื เพลงิ เคร่อื งระเหยและเครอ่ื งทำไอนำ้ ยวดยงิ่ วางเรียงกนั ตามแนวนอน ทงั้ หมดเปน กลุม ทอ ซึ่งอาจเปน ทอเรียบหรอืทอติดครีบก็ได ทอติดครบี ไดรบั ความนิยมมากกวา เพราะกาซเสียมีข้ีเถานอ ยจึงไมสรางความสกปรกใหทอ มากนัก กาซเสยี จะไหลจากเครอ่ื งทำไอนำ้ ยวดย่ิงไปเคร่ืองประหยดั เช้อื เพลิง นำ้ ปอ นท่ีไหลเขา เคร่ืองระเหยทางทอนำ้ ขึ้นไมไดกลายเปนไอน้ำทง้ั หมดเมอื่ ออกจากเคร่อื งระเหย ดงั นน้ั จงึ ตองมีถังพกั ไอนำ้แยกไอน้ำอม่ิ ตัวออกจากน้ำซ่ึงจะไหลลงทางทอน้ำลงกอ นไหลเขาทอขึ้นอกี คร้งั การไหลเวยี นของไอน้ำใน HRSG แบบแนวนอนเปน ไปโดยธรรมชาติเนอื่ งจากความหนาแนน ที่ตางกันในทอ น้ำลงและทอ นำ้ ข้นึดังนน้ั HRSG แบบแนวนอนจงึ ไมต อ งมีเคร่ืองสบู

216 บทที่ 10. โรงไฟฟาพลังความรอนรว ม รูปที่ 10.21: โพรไฟลอ ณุ หภมู ิใน HRSG รปู ท่ี 10.23 แสดง HRSG แบบแนวตงั้ เคร่อื งประหยัดเชอื้ เพลงิ เคร่อื งระเหยและเครอื่ งทำไอน้ำยวดยง่ิ วางเรยี งกนั ตามแนวตัง้ กา ซเสียไหลขึ้นจากเครอ่ื งทำไอน้ำยวดย่ิงไปเคร่ืองประหยดั เชือ้ เพลิงแรงลอยตัวของไอน้ำไมเพยี งพอทำใหเกิดการไหลเวยี นของน้ำและไอนำ้ ใน HRSG แบบแนวต้ังไดจึงตองมีเคร่อื งสูบชว ยใหเกิดการไหลเวียนในอัตราท่ีเหมาะสม HRSG แบบแนวตง้ั ตองการพนื้ ที่นอยกวาHRSG แบบแนวนอนซึง่ เปนขอไดเปรียบท่ีสำคญั ของ HRSG แบบแนวตงั้ HRSG แบบไหลผานครงั้ เดียวมีลักษณะท่วั ไปคลาย HRSG แบบแนวต้ังแตไมม ีถังพกั ไอนำ้ และทอ ท้งั หมดเช่ือมตอกันเพอ่ื ใหนำ้ ปอ นท่ีไหลเขาทางดานบนกลายเปนไอนำ้ ยวดยงิ่ เมอื่ ไหลออกทางดา นลาง HRSG ในรปู ที่ 10.22 และ 10.23 เปน แบบความดนั เดยี ว (single-pressure HRSG) เพราะการเปลี่ยนสถานะของนำ้ เปนไอนำ้ เกิดข้นึ ท่ีความดันคา เดียว HRSG อาจถกู ออกแบบใหผลติ ไอนำ้ มากกวาหนง่ึ ความดนั เพื่อเพิม่ ประสทิ ธิผล HRSG แบบสองความดนั (double-pressure HRSG) มเี ครอ่ื งประหยดัเชือ้ เพลิง เครื่องระเหย ถงั พกั ไอน้ำ และเครื่องทำไอนำ้ ยวดยิง่ อยา งละสองชดุ ที่ทำงานที่มีความดนั รปู ที่ 10.22: เคร่ืองกำเนดิ ไอน้ำแบบกคู วามรอ นแนวนอน

10.4. เครอ่ื งกำเนดิ ไอนำ้ แบบกูความรอ น 217 รปู ท่ี 10.23: เครอ่ื งกำเนดิ ไอนำ้ แบบกคู วามรอนแนวตั้งตา งกนั ดังแสดงในรูปที่ 10.24 ไอน้ำยวดยง่ิ ความดันตำ่ ท่ีไดจะไหลเขา เครือ่ งกงั หนั ไอนำ้ ความดันต่ำและไอนำ้ ยวดยิ่งความดันสงู จะไหลเขา เคร่อื งกังหนั ไอนำ้ ความดนั สงู โรงไฟฟาพลงั ความรอ นรวมที่ใชHRSG แบบสองความดนั มีประสทิ ธิภาพสูงกวา โรงไฟฟา พลงั ความรอ นรว มท่ีใช HRSG แบบความดันเดียว อยา งไรกต็ ามโรงไฟฟา พลังความรอ นรวมที่สรางขน้ึ ใหมนยิ มใช HRSG แบบสามความดนั (triple-pressure HRSG) เพ่อื เพิ่มประสิทธิภาพของโรงไฟฟาใหส ูงข้นึ อกี รูปที่ 10.24: HRSG แบบสองความดัน ถึงแมวา HRSG ทำหนา ทผี่ ลติ ไอนำ้ ยวดย่ิงเหมอื นเครื่องกำเนดิ ไอน้ำในโรงไฟฟาพลงั ความรอน และมีสว นประกอบหลกั ท่ีเหมือนกัน แตก็มีขอ แตกตา งสำคญั ระหวางเครอ่ื งกำเนิดไอนำ้ ทง้ั สองแบบหลายประการ ดังนี้ • HRSG ใชกา ซเสยี รอ นผลิตไอน้ำ และอาจมีการเผาไหมเชอื้ เพลิงกา ซเพอื่ ผลิตไอนำ้ เพิ่มเติม สวน เคร่ืองกำเนิดไอนำ้ ในโรงไฟฟาพลงั ความรอ นมกี ารเผาไหมเชือ้ เพลิงแขง็ • HRSG ไมตอ งมพี ัดลมดูดอากาศหรอื พัดลมดดู กาซเสยี

218 บทที่ 10. โรงไฟฟา พลงั ความรอ นรว ม • HRSG สามารถผลติ ไอน้ำหลายความดัน สว นเครื่องกำเนิดไอน้ำในโรงไฟฟาพลงั ความรอ นผลิต ไอน้ำความดันเดยี ว • ความรอนถายเทใน HRSG โดยการพาความรอน สวนการถา ยเทความรอนในเครือ่ งกำเนิดไอน้ำ ในโรงไฟฟา พลงั ความรอนมีทั้งการแผรงั สคี วามรอนและการพาความรอน • HRSG ไมม ีผนงั น้ำ • HRSG ใชทอติดครบี เพ่ือเพิม่ ประสทิ ธิผลของการถา ยเทความรอน สวนเครื่องกำเนดิ ไอน้ำในโรง ไฟฟาพลงั ความรอ นใชท อเรยี บ

10.4. เคร่ืองกำเนดิ ไอนำ้ แบบกคู วามรอ น 219คำถามทายบท1. อะไรคอื ขอ แตกตา งระหวางวัฏจกั รกงั หันกา ซกับวฏั จกั รเบรยต นั แบบเปด2. วัฏจักรเบรยตนั แบบปดมคี วามไดเปรียบอยางไรเมอ่ื เทยี บกับวฏั จกั รเบรยต นั แบบเปด3. รีเจนเนอเรเตอรเพม่ิ ประสทิ ธิภาพของวัฏจกั รเบรยตนั ไดอยา งไร4. เขียนแผนภาพ T-s ของวฏั จกั รเบรยตนั ท่ีมีรีเจนเนอเรชนั การใหความรอนซ้ำ และอนิ เตอรคูล ลง่ิ5. เขยี นแผนภาพอุปกรณข องวัฏจักรผสม6. ถาวฏั จกั รเบรยตันมีประสทิ ธิภาพ ηB และวัฏจักรแรงคินมีประสิทธิภาพ ηR วัฏจกั รผสมใน อุดมคตจิ ะมีประสิทธภิ าพเทา ไร7. การใหความรอ นเพิ่มเตมิ ที่เครอื่ งกำเนิดไอน้ำแบบกูความรอนในวฏั จักรผสมเพอ่ื เพ่ิมอัตราการ ผลิตไอนำ้ จะสงผลอยา งไรตอประสิทธภิ าพของวัฏจกั ร8. เคร่อื งกังหันกา ซแบง เปนกี่แบบ อะไรบา ง9. ระบุลักษณะเฉพาะของเครือ่ งกังหันกาซแบบอนุพนั ธของเครอื่ งยนตไ อพนมาสองขอ10. เคร่อื งอัดกาซท่ีนยิ มใชใ นโรงไฟฟา กงั หันกา ซเปนแบบใด11. อธิบายการเกดิ สภาวะสะดดุ ในเคร่ืองอดั กา ซ12. หองเผาไหมแ บบใดนิยมใชใ นเครือ่ งกงั หันกาซ13. วธิ ใี ดลดปรมิ าณ NOx ในหองเผาไหมข องเคร่อื งกังหนั กา ซได14. เคร่อื งกงั หนั กาซแบบสองเพลาหมายถึงอะไร15. การหลอเยน็ ในใบพัดของกงั หันกาซใชอ ะไรเปนสารหลอเย็น16. สภาวะมาตรฐาน ISO ทใ่ี ชทดสอบเครอ่ื งกังหันกา ซเปน สภาวะทีม่ คี วามชื้นสมั พทั ธเทา ไร17. กำลังงานของเครื่องกงั หนั กาซจะเปล่ียนแปลงอยางไรถา อณุ หภมู อิ ากาศแวดลอมลดลง18. อัตราความรอ นของเครอ่ื งกังหนั กา ซจะเปลี่ยนแปลงหรือไม อยางไร ถาภาระของเครอ่ื งตำ่ กวา ภาระสงู สุด19. การลดอุณหภมู อิ ากาศทไ่ี หลเขาเคร่ืองอัดกาซสงผลอยางไรตอสมรรถนะของเครอื่ ง20. อะไรคอื ขอ จำกดั ของการเพม่ิ สมรรถนะใหเ ครอ่ื งกังหันกาซโดยระบบทำใหเกดิ หมอก

220 บทที่ 10. โรงไฟฟาพลังความรอ นรว ม21. เขยี นแผนภาพอปุ กรณของวฏั จกั รพน ไอน้ำ22. เขียนโพรไฟลของอณุ หภมู ินำ้ และกาซเสียในเครอื่ งกำเนดิ ไอนำ้ แบบกูความรอน พรอ มทง้ั ระบุ ทิศทางการไหล23. ระบุสวนประกอบหลกั ของเคร่ืองกำเนิดไอนำ้ แบบกูความรอน24. รีเจนเนอเรเตอรมีประสทิ ธิผล 50% กา ซเสยี ไหลเขา ท่ีอุณหภมู ิ 300◦C ไหลออกที่อุณหภูมิ 200◦C และอากาศไหลเขาท่ีอุณหภมู ิ 100◦C จงคำนวณหาอณุ หภมู อิ ากาศทไี่ หลออก25. หาประสิทธภิ าพของวฏั จักรเบรยตนั ในอุดมคติท่ีมีอณุ หภมู ิต่ำสดุ 30◦C อุณหภมู ิสูงสุด 2000◦C และอัตราสว นความดนั เทา กับ 426. ถาตอ งการใหประสทิ ธิภาพของวฏั จกั รในคำถามขอที่แลว มีคา เพิ่มขึน้ 50% จะตอ งตดิ ตง้ั รีเจน เนอเรเตอรท ่ีมปี ระสิทธผิ ลเทา ไร (อากาศมีคา k = 1.4, cp = 1.005 kJ/kg.K)27. อากาศไหลเขาเคร่อื งอัดกา ซทอี่ ณุ หภมู ิ 300 K และความดัน 1 atm เครือ่ งอดั กา ซมีประสทิ ธิภาพ 80% จงหาอณุ หภมู ิของอากาศที่ไหลออกถาความดนั ของอากาศท่ีไหลออกเทา กับ 8 atm (อากาศมคี า k = 1.4)28. กาซเสยี ไหลเขา เครื่องกงั หนั กา ซที่อุณหภูมิ 1300 K และความดัน 8 atm เครอ่ื งกังหนั กาซมี ประสิทธภิ าพ 80% จงหาอุณหภมู ิของกาซเสียท่ีไหลออกถา ความดนั ของกา ซเสียที่ไหลออก เทากบั 1 atm (กาซเสียมีคา k = 1.4)29. วัฏจกั รเบรยตันมีอินเตอรคูลล่ิงหนง่ึ ครงั้ และการใหความรอ นซำ้ หน่ึงครงั้ อัตราสว นความดัน √ของเครือ่ งอัดกา ซและกงั หนั กาซเทากบั 2 อุณหภมู ิของอากาศท่ีเขาเครือ่ งอัดกาซแตล ะเคร่ืองเทากบั 300 K อุณหภูมิของอากาศท่ีเขา กงั หนั กา ซแตละเครอื่ งเทา กบั 1300 K วฏั จักรน้ีมีรีเจนเนอเรเตอรท ม่ี คี า ประสิทธผิ ลเทากับ 0.8 จงหาประสิทธิภาพของวฏั จักร (กำหนดให cp = 1.005kJ/kg.K และ k = 1.4)30. วฏั จกั รผสมผลติ กำลังงาน 200 MW โดยวัฏจักรเบรยตนั มีอตั ราสว นความดนั เทากบั 7.5 และ อุณหภูมติ ำ่ สดุ และสูงสุดเทา กบั 15◦C และ 750◦C ตามลำดบั กา ซเสียท่ไี หลออกจากกงั หนั กา ซ ไดรบั ความรอ นเพิ่มเติมเพอ่ื ทำใหอุณหภมู ิเปน 750◦C หลังจากน้นั จงึ ไหลเขา HRSG เพ่ือผลติ ไอนำ้ ยวดยิง่ ท่ีมีความดัน 50 bar และอุณหภมู ิ 600◦C ความดนั ในเคร่ืองควบแนน ของวฏั จักร เทากบั 0.1 bar จงคำนวณหาประสทิ ธภิ าพของวัฏจกั ร (กำหนดให cp = 1.11 kJ/kg.K, k = 1.33 และไมต อ งพิจารณากำลังงานของเครื่องสูบในวัฏจกั รแรงคนิ )

บทที่ 11โรงไฟฟาพลังน้ำ11.1 ลักษณะทัว่ ไป แสงอาทิตยที่สอ งมาบนโลกทำใหน้ำในลำคลอง แมน ำ้ ทะเลและมหาสมทุ รระเหย ความหนาแนนของไอน้ำนอ ยกวาอากาศ ไอน้ำจึงลอยข้นึ ไปที่ระดับความสูงหนงึ่ จากพ้นื ดินและกอตวั เปนเมฆฝน เมือ่เมฆฝนมีขนาดใหญไดพอเหมาะ ฝนก็ตกลงมา ฝนบางสว นตกลงในแหลงน้ำที่ตั้งอยูบนที่สูงหรอื ภูเขาเมอ่ื นำ้ ไหลจากแหลง น้ำน้ีลงสูท่ีต่ำ พลงั งานศักยจะแปรรูปเปนพลงั งานจลนซ่งึ สามารถใชผลิตไฟฟาไดดวยโรงไฟฟา พลงั นำ้ (hydroelectric power plant) เหน็ ไดวา พลงั งานน้ำมีท่ีมาจากพลังงานแสงอาทติ ย การผลติ ไฟฟา จากพลงั งานน้ำก็คอื การใชประโยชนจากพลังงานแสงอาทติ ยทางออมนน่ั เอง โรงไฟฟาพลงั น้ำมีขอ ไดเปรียบหลายประการเมือ่ เปรยี บเทยี บกบั โรงไฟฟา ประเภทอ่ืน กลาวคอื คาใชจายในการผลิตไฟฟา ตำ่ เนือ่ งจากไมมีตน ทนุ คา เชอื้ เพลงิ และดูแลรกั ษางา ย ทนทานตอ การใชงาน เดนิเครอ่ื งโรงไฟฟา และหยดุ การทำงานไดรวดเร็ว อายุการใชงานยาวนาน ประสิทธภิ าพสูง สามารถใชเปนไดทง้ั หนว ยผลิตไฟฟา หลักและหนว ยผลิตไฟฟา สำรอง และไมกอใหเกิดมลภาวะทางอากาศหรอื ทางนำ้โรงไฟฟาพลังนำ้ มีขอ เสียที่ตอ งการการลงุ ทุนกอ สรา งสงู และใชเวลากอสรางนาน แตเมอื่ กอ สรางเสรจ็จนใชงานได การลงทนุ จะคมุ คา อยา งไรก็ตามการกอสรา งโรงไฟฟา พลังน้ำในบางพืน้ ที่อาจไมคุม คา เมื่อคำนึงถึงผลกระทบตอ ระบบนิเวศน โรงไฟฟาพลังนำ้ มหี ลายขนาดต้ังแต 100 kW ถึงมากกวา 30 MW โรงไฟฟา พลงั งานน้ำแบง เปน สามประเภทคือ (1) โรงไฟฟาพลงั งานน้ำแบบไมม ีอา งเก็บนำ้ (run-of-river plant) เปนโรงไฟฟา ขนาดเลก็ท่ีสรางข้นึ ขวางทางนำ้ ไหลในแหลง น้ำเล็ก ๆ ลำธารหรือฝายตาง ๆ (2) โรงไฟฟา พลงั งานน้ำแบบมีอา งเกบ็ น้ำ (impoundment plant) เปน โรงไฟฟาขนาดใหญที่ผลิตไฟฟา จากพลังงานศกั ยของนำ้ ที่มีอยูในแหลง น้ำธรรมชาติหรอื แหลงน้ำท่ีสรางขน้ึ มา และ (3) โรงไฟฟา พลงั งานนำ้ แบบสูบน้ำกลบั (pumped-storage plant) เปน โรงไฟฟาท่ีสามารถผลติ ไฟฟา ไดจ ากพลงั งานศกั ยของนำ้ ในแหลง น้ำและใชไ ฟฟาสบูนำ้ กลับขึ้นไปแหลงนำ้ เพ่ือสะสมพลงั งานศักย โรงไฟฟา สว นใหญในประเทศไทยเปน ประเภททส่ี อง รปู ที่ 11.1 แสดงสวนประกอบหลกั ของโรงไฟฟาพลังน้ำ เขื่อน (dam) ทำหนา ท่กี ักเก็บน้ำและปลอ ยนำ้ สำหรับผลติ ไฟฟา ทอ สง น้ำ (penstock) ทำหนาที่แปลงพลังงานศกั ยของน้ำเปน พลงั งานจลน เคร่ืองกงั หันไฮดรอลิก (hydraulic turbine) ทำหนาที่แปลงพลงั งานจลนของนำ้ เปน พลงั งานงานกลในรปู ของ

222 บทท่ี 11. โรงไฟฟา พลงั นำ้การหมนุ เคร่ืองกงั หัน และเคร่อื งกำเนดิ ไฟฟา (generator) ทำหนาที่แปลงพลงั งานกลจากเคร่อื งกังหนัเปน พลงั งานไฟฟารปู ที่ 11.1: สว นประกอบหลักของโรงไฟฟาพลังนำ้ นำ้ ท่ีระดับความสูง H เมือ่ เทยี บกบั เคร่ืองกังหันและมีอัตราการไหลเชงิ ปรมิ าตร Q จะมีศกั ยภาพในการผลิตไฟฟาได ρgQH โรงไฟฟาพลงั นำ้ มีประสทิ ธิภาพมากกวา 75% ในการแปลงศักยภาพนี้เปนพลงั งานไฟฟา ประสิทธิภาพของโรงไฟฟาพลังนำ้ มีคา เทากบั อตั ราสวนระหวางพลังงานไฟฟา ท่ีไดจากโรงไฟฟา กบั พลงั งานศักยของน้ำในเขื่อน ประสทิ ธภิ าพของโรงไฟฟาพลงั นำ้ ขึ้นกับประสทิ ธิภาพในการแปลงรปู พลงั งานของสว นประกอบตา ง ๆ ของโรงไฟฟาดังนี้η = ηp.ηt.ηg (11.1)โดยท่ี ηp คอื อตั ราสว นระหวางพลังงานจลนข องนำ้ ท่ีออกจากทอสง นำ้ กับ พลังงานศกั ยของน้ำในเข่อื น ηt คือ อตั ราสวนระหวางพลังงานกลจากเครอื่ งกงั หันไฮดรอลกิ กับ พลังงานจลนข องน้ำทอ่ี อกจากทอสงนำ้ ηg คือ อัตราสว นระหวา งพลังงานไฟฟา จากเครอื่ งกำเนดิ ไฟฟากบั พลังงานกลจากเคร่อื งกงั หันไฮดรอลิก11.2 เข่ือน ตน ทุนหลักของการสรางโรงไฟฟาพลงั น้ำมาจากการสรา งเข่ือน ซง่ึ คาใชจายสว นน้ีรวมถงึ คาเวนคนืทีด่ นิ และคาใชจา ยแฝงในรปู ของระบบนิเวศนที่เปลยี่ นไป อยา งไรก็ตามเข่อื นมีประโยชนในดานอืน่ เชนเปนแหลง นำ้ เพ่อื การชลประทาน เปน แหลงเพาะพันธุปลา และเปน สถานทพ่ี กั ผอ น เปนตน เขอ่ื นเปนโครงสรางขนาดใหญท่ีมีคา กอสรา งสงู และตอ งใชพื้นที่มาก ที่ตงั้ ของเขื่อนเปน แหลงน้ำขนาดใหญท่ีมีน้ำ

11.2. เขือ่ น 223ปรมิ าณมากพอและมีน้ำระดบั สงู พอท่ีจะทำใหการสรา งเขื่อนคมุ คา การจำแนกประเภทของเข่ือนอาจจำแนกดว ยวสั ดุที่ใชกอสรางเข่ือนเปน เขอื่ นหนิ ถม (rock-filled dam) เขื่อนดนิ (earth dam) และเข่อื นคอนกรตี นอกจากน้ีเมื่อพจิ ารณาจากโครงสรางเข่อื นคอนกรีตอาจแบง เปนเขอ่ื นถว งนำ้ หนกั (gravitydam) เขอ่ื นโคง (arc dam) และเขอ่ื นครบี (buttress dam) • เข่ือนหนิ ถมเหมาะกบั ทอ งถิน่ ที่มีหนิ จำนวนมากซ่งึ จะลดคา กอสรางเขอ่ื น เขื่อนหนิ ถมไมจำเปน ตองมีฐานรากท่ีแข็งแรงมาก เขื่อนถมมกั มีปญ หาการร่วั ซึมของนำ้ ผานเขือ่ น ดงั นน้ั จึงตอ งมีการ สรา งผนงั กัน้ นำ้ ดา นหนา เขอื่ นหรอื การเสริมตรงกลางเขอ่ื นหรือดว ยวสั ดุกันนำ้ เชน ดินเหนยี ว คอนกรตี หรือยางมะตอย ตวั อยางของเขอื่ นชนิดนี้ในประเทศไทยไดแ ก เขือ่ นศรนี ครนิ ทร เขื่อน วชริ าลงกรณ และเขือ่ นบางลาง เปน ตน • เขื่อนดินมีคณุ สมบัติคลา ยเข่อื นถมหินแตวสั ดุท่ีใชสรา งเข่อื นสวนใหญเปนดิน ตัวอยา งเขอื่ นชนดิ นใ้ี นประเทศไทยไดแ ก เข่อื นสิรกิ ิต์ิ เขอื่ นแกงกระจาน และเขื่อนแมงดั เปน ตน • เขอื่ นถวงนำ้ หนกั มีลักษณะรูปหนา ตัดเปน ส่ีเหลยี่ มคางหมู สามเหล่ยี ม เขอ่ื นชนดิ น้ีเหมาะกับการ กอ สรา งในบริเวณท่ีมีหินฐานรากท่ีแขง็ แรง ตัวเขอ่ื นเปนคอนกรีตท่ีมีความหนาและน้ำหนักมาก พอท่ีจะตา นทานแรงดนั ของน้ำไดโดยอาศัยน้ำหนักของตัวเข่อื นเอง เขื่อนถว งน้ำหนกั ออกแบบ งา ยและมคี วามปลอดภยั สงู แตตองใชคอนกรตี ปริมาณมากในกอ สรา ง จงึ มคี า กอ สรางสูง • เขอ่ื นโคง ถกู ออกแบบใหดานหนาเขือ่ นโคง เขาหาแหลงเกบ็ นำ้ ความโคง ของเขอื่ นจะตานแรงดัน ของน้ำได เข่อื นชนดิ น้ีเหมาะท่ีจะสรา งในบรเิ วณหุบเขาที่มีความกวา งนอ ยกวาความสูงมากและ มีหินฐานรากท่ีแข็งแรง ถาฐานรากไมแข็งแรงพออาจจำเปน ตองปรบั ฐานรากใหมีความแข็งแรง เพม่ิ ขึน้ กอ น แลว จึงสรา งเขือ่ นข้ึนภายหลงั ขอ ดีของเขอ่ื นโคง คอื มีรูปรา งบางกวาเขอ่ื นถวงน้ำ หนักมากซึง่ ทำใหคากอสรา งถกู กวา แตม ขี อ เสียคือ คาใชจ ายในการออกแบบและการดำเนนิ การ ที่แพงกวา ประเทศไทยมีเขอ่ื นโคงเพียงแหง เดียวคือ เข่ือนภมู พิ ลซ่งึ เปน เขื่อนคอนกรีตที่มีขนาด ใหญทสี่ ุดในประเทศ • เขอ่ื นครบี เปน เขือ่ นคอนกรตี เสรมิ เหลก็ มีดา นหนา เปน แบบเรียบหรือแบบโคง ก็ไดและดา นหลัง มีแผน คอนกรตี รปู ครีบ (buttress) หลายอันสำหรบั รับแรงดันของน้ำและถายแรงไปยังฐานราก ของเข่อื น เขอื่ นชนิดน้ีใชวัสดุปริมาณคอนกรตี นอ ยกวา เขอื่ นถวงนำ้ หนกั 20-30% ทำใหมีความ แขง็ แรงนอ ยกวา และความปลอดภยั จะลดลง จงึ ไมน ิยมสรา งเขอื่ นใหมีความสงู มากนักตารางท่ี 11.1 แสดงใหเห็นวาเขือ่ นสวนใหญในประเทศไทยเปนเขอื่ นหินถม เขื่อนที่ใหญทส่ี ดุ ในประเทศไทยคอื เข่อื นศรนี ครินทร แตเขอ่ื นท่มี ีโรงไฟฟาพลงั นำ้ ขนาดใหญทสี่ ุดของประเทศคอื เข่ือนภูมิพล ระดบั น้ำในเขือ่ นอาจสงู จนน้ำลน ขามสันเข่อื นไดในกรณีท่ีมีฝนตกมากและทำใหปริมาณน้ำสะสมในแหลงเก็บน้ำมากเกนิ ไป เพอ่ื ควบคมุ ระดับนำ้ ไมใหสูงเกินไปจึงตอ งมีการกอสรา งชอ งระบายน้ำลน(spillway) ควบคูไปกับเข่อื น ชอ งระบายนำ้ ลนทำหนา ท่ีระบายน้ำทง้ิ ผา นเขื่อน สันของชองระบายน้ำลน จะเทา กับระดับนำ้ เกบ็ กกั ถา ระดับน้ำสูงกวาระดบั เกบ็ กักนำ้ จะระบายออกทางชอ งระบายน้ำลนทันที การระบายน้ำตามปกติในปริมาณท่ีคาดการณไวเมอื่ ออกแบบเข่ือนจะใชชองระบายน้ำลนปกติ

224 บทท่ี 11. โรงไฟฟาพลังนำ้ ตารางท่ี 11.1: เข่ือนที่สำคัญในประเทศไทยเขอื่ น ท่ีตง้ั ประเภท ความจุ กำลังการผลติ ไฟฟา (m3) (MW)ภมู พิ ล ตาก เข่ือนโคง 13462 731ศรนี ครนิ ทร กาญจนบรุ ี เขือ่ นหนิ ถม 17745 720สิริกติ ์ิ อุตรดิตถ เขื่อนดนิ 9510 500วชิราลงกรณ กาญจนบุรี เขื่อนหินถม 8860 300รชั ชประภา สรุ าษฎรธานี เขอื่ นหนิ ถม 3057 240บางลาง ยะลา เขอ่ื นหนิ ถม 1420 72อบุ ลรตั น ขอนแกน เขื่อนหนิ ถม 2263 55สริ นิ ธร อุบลราชธานี เขื่อนหินถม 1967 36(service spillway) แตถาปรมิ าณน้ำเกนิ กวา ท่ีคาดการณไวก็จำเปน ตอ งระบายนำ้ ออกทางชองระบายน้ำลนฉุกเฉิน (emergency spillway) สันของชองระบายน้ำลนฉกุ เฉนิ จะสงู กวา สนั ของชองระบายน้ำปกติเพอื่ ใหนำ้ ไหลผา นชอ งระบายน้ำลน ปกตกิ อนชอ งระบายนำ้ ลน ฉุกเฉิน11.3 ทอสง นำ้ ทอ สงน้ำมีสองสว น สวนแรกเปน ทอ สง น้ำความดันต่ำ (low-pressure conduit) น้ำท่ีออกจากเขือ่ นจะไหลเขาทอสง นำ้ ความดนั ต่ำเปน ลำดบั แรก ทางเขาทอตดิ ตั้งตะแกรง (screen) เพือ่ ปอ งกนั เศษไม, วชั พืช หรือวตั ถุขนาดใหญไหลเขาไปในทอ สง น้ำซงึ่ อาจจะเขาไปสรา งความเสียหายใหใบพัดของเครื่องกังหนั ได ขนาดของชอ งตะแกรงจะตองไมเล็กหรอื ใหญเกนิ ไป ถา เล็กเกนิ ไปจะจำกดั อัตราการไหลของนำ้ ภายในทอสงนำ้ ถา ใหญเ กินไปกจ็ ะไมสามารถปองกนั วัตถขุ นาดใหญไ ด ดา นปลายของทอนจ้ี ะตอกับถงั ลดแรงดันน้ำ (surge tank) ซ่ึงทำหนา ท่ีดูดซบั ความดันนำ้ ที่เพม่ิ อยา งกระทันหันและเพิ่มความดันใหน้ำในกรณีที่ความดันน้ำลดลงอยา งกระทนั หนั สว นที่สองเปน ทอ นำ้ ความดันสงู (penstock) ท่ีลาดลงเพ่อื เพ่ิมความดันของนำ้ ทอสงนำ้ ความดนั ต่ำอาจสรา งจาก PVC หรือโพลีเอตทีลนี (polyethelene)ทอสงนำ้ ความดันสูงอาจสรางจากเหลก็ กลาหรือคอนกรตี เสริมเหล็ก ทอ สง นำ้ อาจวางใตด นิ หรือบนดินกไ็ ด และอาจมขี อตอ การขยาย (expansion joint) เพ่ือรับมือกบั การเคล่ือนตัวของแนวทอเม่ือเวลาผานไป ถา พจิ ารณาสมดุลพลงั งานของทอ สง นำ้ จะไดสมการดังนี้ p1 + 1 V12 + pL = gH (11.2) ρ 2 ρโดยท่ี H คือ ระยะตามแนวต้ังจากระดับนำ้ ในเข่อื นถึงทางออกจากทอสงน้ำ p1 คอื ความดนั น้ำทางออกpL คอื ความดันสญู เสีย (pressure loss) ของการไหลในทอสงน้ำ และ V1 คือ ความเร็วเฉลยี่ ของน้ำท่ี

11.4. กงั หันไฮดรอลิก 225ไหลออกจากทอสง น้ำซึ่งคำนวณจากอตั ราการไหลหารดวยพืน้ ท่ีหนา ตดั ของทอ ประสทิ ธิภาพของทอ สงน้ำคอื ηp = 1 − pL (11.3) ρgHการไหลในทอทำใหเกดิ ความดันสญู เสยี ซง่ึ เปนสาเหตุท่ีทำให ηp นอยกวา 1 ความดันสูญเสยี มีคา ลดลงเม่อื ขนาดของทอเพิม่ ข้ึนและความยาวของทอ ลดลง ดังนั้นทอ สง น้ำมักมีขนาดใหญเพอื่ ลดความดนัสญู เสียและเพมิ่ อตั ราการไหลของน้ำแตขนาดของทอ ถูกจำกดั ดว ยราคา นอกจากน้ีการออกแบบทอ สงนำ้ ควรลดความยาวของทอท่ีไมจำเปนและหลีกเล่ียงการวางทอแบบหักมุมซงึ่ จะเพิ่มความดนั สูญเสยี ในทอ อยา งไรก็ตามทอ สง น้ำมักเปนคาใชจายหลกั ของการกอสรา งโรงไฟฟาพลังนำ้ เนอ่ื งจากทอ สงน้ำมกั มีขนาดใหญแ ละมคี วามยาวมาก การควบคมุ การไหลในทอสงนำ้ ใชวาลว ซง่ึ ติดตั้งใกลทางเขา เครอื่ งกงั หนั ไฮดรอลกิ โรงไฟฟา พลังนำ้ ที่ทำหนา ที่จายไฟใหภาระสูงสดุ ในระบบมีความจำเปนตองเปลีย่ นอัตราการไหลตลอดเวลา ในชว งที่ภาระลดลงตำ่ กวา ภาระสูงสดุ โรงไฟฟาจะหยดุ เดนิ เครอื่ งโดยการปด วาลว การปด วาลวอยางกระทนั หนัทำใหเ กดิ สภาวะคลนื่ กระแทก (water hammer) ซง่ึ เปน สภาวะทค่ี วามดนั น้ำในทอเพม่ิ ข้ึนอยา งรวดเรว็และอาจมากกวา ความดันท่ีทอออกแบบใหรองรบั ได สภาวะดงั กลาวจึงอาจทำใหทอ เสยี หายไดจากการความดันภายใน ในทางกลบั กนั การเปดวาลว อยา งกระทันหนั นำ้ ไหลออกจากทอสงนำ้ อยางรวดเร็วจนอาจเกดิ สภาวะสญุ ญากาศในทอซ่ึงทำใหทอ เสียหายจากการยบุ ตวั ลงไดเชนกัน วธิ ีปองกนั ความเสยีหายจากการเปลยี่ นคลื่นกระแทกและการเกดิ สุญญากาศในทอ คอื การตดิ ตั้งถงั ลดแรงดันน้ำท่ีทอสงน้ำหนา ที่อื่นของถงั ลดแรงดนั น้ำคือ เปนท่ีเก็บนำ้ ท่ีเกนิ ความตอ งการของเครอ่ื งกังหัน จา ยน้ำเพมิ่ เติมใหเครือ่ งกงั หนั เมื่อมีความตอ งการน้ำมากกวาปกตแิ ละลดการเปล่ียนแปลงความดันนำ้ ในทอ สง น้ำ ถงั ลดแรงดันนำ้ มสี ามแบบ ถงั ลดแรงดันนำ้ แบบธรรมดา (simple surge tank) เปนถงั ทรงกระบอกที่มีทางเขา ขนาดเทา หนา ตดั ของถัง ถงั ตองมีความสูงเพียงพอสำหรับรองรบั ปรมิ าณนำ้ ที่ลน ออกมาจากทอสง นำ้ เมื่อปด วาลว ถังแบบน้ีไมสามารถปองกนั การเปล่ียนแปลงความดันในทอ อยา งรวดเร็วได ถังลดแรงดันนำ้ แบบออริฟซ (orifice surge tank) มีทางเขา ขนาดเล็กและสามารถรองรบั การเปล่ยี นแปลงความดันอยา งรวดเร็วในทอ สง นำ้ ไดดี ถังลดแรงดนั นำ้ แบบผลตาง (differential surge tank) เปนแบบผสมโดยมีถังเล็กอยูในถงั ใหญ น้ำไหลจากทอ สงน้ำเขา ถงั เล็กผา นออริฟซ น้ำท่ีลนจากถงั เล็กจะไหลเขาถังใหญ จงึ ไมมกี ารสูญเสียนำ้ เหมือนสองแบบแรก รปู ท่ี 11.2 แสดงถงั ลดแรงดันน้ำทั้งสามแบบ11.4 กังหันไฮดรอลกิ กงั หนั ไฮดรอลิกมีตน กำเนดิ จากกงั หนั น้ำที่ใชเพอ่ื การเกษตร ในเวลาตอมาไดรบั การพฒั นาใหมีประสิทธิภาพสูงและมีขนาดใหญข้ึนจนสามารถใชในโรงไฟฟาพลงั นำ้ ทง้ั ขนาดเล็กและขนาดใหญไดหลกั การทำงานทว่ั ไปของกงั หนั ไฮดรอลิกคลายกบั กงั หันไอน้ำและกงั หนั กาซ แตกังหนั ไฮดรอลิกก็มีลักษณะเฉพาะเนือ่ งจากของไหลในกงั หันไฮดรอลิกเปน นำ้ รปู ที่ 11.3 แสดงการไหลของน้ำท่ีมีความดันสงู (p1) และความเร็วสงู (V1) เขา กังหันไฮดรอลกิ น้ำท่ีไหลออกมีความดนั ตำ่ (p2) และความเร็วสูง (V2) สมมุตวิ า ทางเขาและทางออกอยรู ะดับเดียวกนั และ

226 บทที่ 11. โรงไฟฟา พลังนำ้ รปู ที่ 11.2: ถังลดแรงดันน้ำไมม ีการสูญเสยี พลงั งานภายในกงั หัน สมการสมดุลพลังงานของการไหลผานกังหนั คอื p1 + 1 V12 = p2 + 1 V22 +E (11.4) ρ 2 ρ 2 (11.5) (11.6)งานในอดุ มคติที่ไดจากกังหันไฮดรอลกิ จงึ มคี าดังน้ีE = p1 − p2 + 1 ( − ) ρ 2 V12 V22ประสทิ ธภิ าพของกงั หันคำนวณจาก ηt = Eact Eโดยท่ี Eact คือ งานที่ไดจ ากกังหนั จริงรูปที่ 11.3: สมดุลพลงั งานในกังหันไฮดรอลิก11.4.1 ประเภทของกงั หนั ไฮดรอลกิ สมการ (11.5) แสดงใหเหน็ วา งานที่ไดจากกังหันไฮดรอลิกมาจากสองสว นคอื ผลตา งความดันและผลตา งพลังงานจลน ระดับปฏกิ ริ ยิ า (reaction degree) ของกงั หนั คอื อตั ราสวนของงานสว นแรกตองานรวม R = (p1 − p2)/ρ (11.7) E

11.4. กงั หนั ไฮดรอลกิ 227คา R เปนตัวกำหนดประเภทของกังหนั ไฮดรอลกิ กงั หันแรงดล (impulse turbine) มคี า R เทา กบั ศนู ยกังหันแรงปฏกิ ิรยิ า (reaction turbine) มคี า R มากกวาศนู ย กงั หนั แรงดลผลิตงานพลงั งานจลนของน้ำ นำ้ ท่ีไหลเขากงั หันแรงดลมีความดันบรรยากาศและความเรว็ สูง นำ้ ท่ีไหลออกมีความเร็วตำ่ กงั หนั แรงดลที่สำคัญคอื กงั หนั เพลตัน (Pelton turbine) รูปท่ี11.4 แสดงลกั ษณะทั่วไปของกงั หันเพลตนั กังหันเปนวงลอ ขนาดใหญซ ึ่งประกอบยึดตดิ อยกู ับเพลาทตี่ อกับเคร่อื งกำเนดิ ไฟฟา ตามเสน รอบวงกังหนั มีใบพดั รปู ถวยหลายใบ ลำน้ำจากทอสง นำ้ ไหลมายังหัวฉดี(nozzle) และพงุ ออกไปปะทะใบพดั ทำใหเกิดแรงกระทำตอ ใบพดั ซง่ึ ทำใหกงั หันหมุนได จำนวนหวั ฉดีมักมีมากกวาหน่งึ แตก็มีจำนวนไมมากเพราะลำนำ้ ท่ีพุงออกจากหัวฉดี หนงึ่ จะปะทะกับลำน้ำจากอกี หวัฉดี ถาอยูใกลกนั เกินไป หัวฉดี จะวางอยูใกลตัวกงั หนั เพ่ือใหลดการกระจายของน้ำใหนอยที่สดุ วาลว เข็มฉดี (needle valve) ทำหนา ท่ีควบคมุ อตั ราการไหลของนำ้ ที่ออกจากหัวฉีด อยางไรกต็ ามการปดวาลวอยา งรวดเรว็ จะทำใหเกิดคลน่ื กระแทกในทอ สงน้ำ การหยุดการทำงานของกังหนั อยา งกระทนั หันจึงไมใชวาลวเข็มฉีดเพยี งอยา งเดียว แตตอ งใชดีเฟล็กเตอร (deflector) เบนลำนำ้ ไปทิศทางอ่นื แลวจงึ คอ ยๆ ปดวาลว กอ นทจี่ ะนำดเี ฟล็กเตอรก ลบั สตู ำแหนงเดมิ รปู ที่ 11.4: กังหนั เพลตนั ใบพดั ของกังหันเพลตันถกู ออกแบบใหมีสันตรงกลางดังแสดงในรูปท่ี 11.5 นำ้ จากหวั ฉดี จะพุง ตรงไปที่สันใบพดั และไหลออกไปทางซายและขวาเทา ๆ กัน ผวิ ดานในท่ีรบั น้ำของใบพัดเปน รปู เวา โคงในลักษณะท่ที ำใหน ้ำท่มี าปะทะไหลกลบั ทิศทาง พลงั งานจลนใ นน้ำจะถา ยเทใหใบพัดในรปู ของพลังงานกลจากการหมนุ ของวงลอ ถาการถายเทพลงั งานเปน ไปอยา งสมบูรณและ θ = 180◦ ความเร็วของนำ้ เมือ่วกกลับจะลดลงเปน ศูนย (V2 = 0) ซึง่ หมายความวาไมม ีพลงั งานจลนหลงเหลอื ในน้ำที่ไหลออก และการแปลงพลังงานจลนของน้ำเปน พลงั งานกลของกังหนั เปน ไปอยา งสมบรู ณ อยา งไรก็ตาม มมุ 180◦ทำใหเกิดปญหาในทางปฏิบตั ิคอื ลำน้ำออกจะปะทะกับลำนำ้ เขา ดงั น้นั ใบพัดจงึ ถูกออกแบบให θ มีคาประมาณ 170◦ เทา นั้น ผลท่ีตามมาคือประสิทธิภาพสงู สดุ ของกงั หันเพลตนั จะนอ ยกวา 1 เนอื่ งจากน้ำทไ่ี หลออกยงั คงมีพลังงานจลนหลงเหลอื อยู (V2 > 0)

228 บทที่ 11. โรงไฟฟา พลงั นำ้ รปู ที่ 11.5: ใบพดั ของกงั หนั เพลตนั การที่ลำน้ำจากหัวฉดี พุงชนใบพัดอยางรนุ แรงตอ เน่ืองเชน น้ีจะทำใหเกดิ ความเคนสงู ในโลหะท่ีใชเปนวสั ดุใบพัด ในขณะเดยี วกนั ใบพัดเองก็จะมีแรงเหวย่ี งหนีศูนยก ลางที่พยายามแยกใบพัดออกจากวงลอ และแกนเพลา ดังน้ันวสั ดุที่นำมาใชทำใบพัดจงึ ตองเปน วัสดุอยางดีที่ทนตอ การสกึ กรอน นอกจากน้ีผวิ ดานที่สมั ผัสกบั นำ้ ของใบพัดควรเรยี บท่ีสดุ เพอื่ ลดความเสียดทานในขณะที่น้ำไหลวกกลบั กังหันแรงปฏกิ ิริยาผลิตงานจากผลตางความดันและพลงั งานจลนของน้ำ ดงั น้ันนำ้ ที่ไหลเขากังหนัจึงตองเปนนำ้ ท่ีมีความดันสงู กังหนั จมน้ำอยูในโครงหมุ (casing) ส่ิงนี้เปน ขอ แตกตา งที่สำคัญระหวางกังหันแรงปฏิกริ ยิ ากบั กังหนั แรงดล กังหนั แรงปฏิกิริยาท่ีสำคัญคอื กังหนั ฟรานซสิ (Francis turbine)และกังหนั คาปลาน (Kaplan turbine) รูปที่ 11.6 แสดงลกั ษณะของกังหนั ฟรานซสิ เห็นไดวา กงั หันฟรานซิสจมอยูในนำ้ ขณะทำงานและอยูในเปลือกหุม ในทางตรงขา มกงั หนั เพลตันไมจมน้ำและไมมีอะไรหมุ สวนประกอบสำคัญของกังหันฟรานซิสคือ (1) โครงหมุ ทส่ี ามารถทนความดนั สูง (2) ใบพัดนำ (guide vane) หรอื ประตูนำ้ เขา (wicketgate) ซง่ึ ทำหนา ทเ่ี หมือนวาลว ควบคมุ อตั ราการไหลของนำ้ เขาสูใ บพดั หมนุ นอกจากน้ีหนา ที่อีกประการหนึ่งของใบพัดนำคอื การปรับทิศทางการไหลของน้ำใหเขาปะทะใบพัดหมนุ ที่มมุ ที่เหมาะสม (3) ใบพดัหมุน (runner blade) ซ่งึ ทำหนาที่แปลงพลังงานศกั ยและพลังงานจลนของน้ำเปน พลังงานกลจากการหมนุ น้ำความดันสงู จะไหลเขาใบพัดหมนุ ตามแนวรศั มีรอบวงแหวนของใบพัดหมนุ หลงั จากน้ันน้ำที่ออกจากใบพัดหมนุ จะเปล่ียนทิศทางการไหลเปน ไหลออกตามแนวแกน กังหนั คาปลานมีสวนประกอบหลกั คลายกังหันฟรานซิส แตมีการออกแบบที่แตกตา งกัน ใบพดัหมุนของกงั หนั คาปลานมีลกั ษณะคลา ยใบจกั ร (propeller) ของเรอื เดนิ สมทุ รและมีจำนวนเพียง 4 ถงึ8 ใบพดั ซึง่ นอ ยกวา จำนวนใบพัดหมนุ ของกังหันฟรานซิสที่เรียงตัวอยูรอบลอหมุน รูปท่ี 11.7 แสดงลักษณะของกงั หนั คาปลาน ใบพดั หมนุ ปรับมุมไดโดยใชเซอรโวมอเตอร (servo-motor) น้ำที่ไหลเขากงั หนั ตามแนวรัศมีจะผา นใบพดั นำกอนเปลี่ยนทิศทางการไหลเปนการไหลตามแนวแกนและไหลผานใบพัดหมนุ ของกงั หนั การไหลเชน น้ีแตกตา งจากการไหลในกงั หันฟรานซสิ ซ่งึ นำ้ จะไหลเขา ตามแนวรศั มีแลว จึงไหลออกตามแนวแกนหมนุ ส่ิงหนงึ่ ท่ีปรากฏในรปู ที่ 11.6 และ 11.7 คือ อุโมงคทา ยนำ้ (draft tube) ซ่ึงไมใ ชสวนประกอบของกังหันไฮดรอลิก แตมกั พบวามีการตดิ ตงั้ อโุ มงคทา ยน้ำทท่ี างออกของกงั หนั แรงปฏิกิรยิ า ประโยชนของอุโมงคทา ยน้ำคอื เพ่มิ งานท่ีไดจากกังหนั แรงปฏิกริ ยิ า สมการ (11.5) แสดงใหเห็นวา ถากำหนดให p1

11.4. กงั หันไฮดรอลิก 229 รูปที่ 11.6: กงั หันฟรานซิส รปู ท่ี 11.7: กงั หนั คาปลานและ V1 มีคาคงที่ E จะมีคา เพมิ่ ข้ึนเมอื่ p2 และ V2 มคี าลดลงโดยจะมีคา สงู สุด Emax = p1 + 1 V12 (11.8) ρ 2เมือ่ p2 = 0 และ V2 = 0 ในกรณีท่ีนำ้ ถกู ปลอ ยจากกงั หนั ไฮดรอลิกสูสง่ิ แวดลอมโดยตรง p2 จะเทากับความดันบรรยากาศ นอกจากน้ีดว ยขอจำกัดบางประการ V2 ของกงั หันแรงดลและกงั หนั แรงปฏิกริ ิยาจะมีคามากกวา ศนู ย ดงั น้นั E จะมีคา นอยกวา Emax ขอจำกัดนี้ไมสามารถแกไ ขไดในกรณีของกังหนัแรงดล แตสำหรบั กังหันแรงปฏกิ ิริยา มีความเปน ไปไดท ่ีจะเพิม่ E ใหมีคา ใกลเคยี งกบั Emax โดยใชอโุ มงคทายน้ำ รายละเอยี ดเพม่ิ เตมิ จะกลาวถงึ ในหวั ขอ 11.511.4.2 การเปรียบเทียบประสทิ ธิภาพของกงั หนั กังหันท้ังสามแบบมีคุณลกั ษณะตางกันและเหมาะกับสภาวะการใชงานท่ีตา งกัน เคร่ืองกงั หันไฮ-ดรอลิกถูกเลอื กใชตามสภาวะการใชงานเพื่อใหไดประสิทธิภาพสงู สุด ปจ จัยสำคญั ที่สงผลตอประสิทธิ-

230 บทท่ี 11. โรงไฟฟาพลงั นำ้ภาพของกังหนั ไฮดรอลิกไดแก ระดับนำ้ หรือเฮด (head) ของแหลงน้ำ ความเรว็ จำเพาะ (specificspeed) และภาระของกังหนั• กงั หนั คาปลานเหมาะกับเฮดตำ่ (นอยกวา 60 m) กงั หนั ฟรานซิสเหมาะกับเฮดปานกลาง (60- 350 m) และกังหนั เพลตนั เหมาะกบั เฮดสงู (มากกวา 350 m) อยา งไรกต็ ามในบางชวงของเฮด อาจมกี งั หันท่ีเหมาะสมมากกวา หนึ่งแบบ ซ่งึ ตอ งใชป จจัยอื่นประกอบการเลอื กกังหัน• ประสิทธภิ าพของกงั หันไฮดรอลิกข้ึนกับเฮด (H) กำลงั งาน (P) และความเร็วรอบ (N) ตวั แปร เพลานร้ี วมกนั เปนตัวแปรทเี่ รยี กวา ความเร็วจำเพาะ √ (11.9) NPNs = H5/4โดยท่ี N มีหนว ยเปน รอบตอ นาที (rpm) P มีหนว ยเปน kW และ H มีหนวยเปน m ชวงความเร็วจำเพาะของกงั หันไฮดรอลิกอยูระหวา ง 4 ถึง 1100 กงั หนั แตล ะแบบเหมาะกบั การใชงานในชวงความเร็วจำเพาะที่ตา งกัน ความเร็วจำเพาะท่ีสูงหมายถงึ ขนาดเครื่องกงั หัน เคร่ืองกำเนิดไฟฟาและหอ งเครื่องท่ีเล็ก ดงั นน้ั ตามปกติกังหนั ที่เลือกใชควรทำงานไดดีที่ความเร็วจำเพาะสูง รูปท่ี 11.8 แสดงใหเหน็ วาประสิทธิภาพของกังหันขึ้นกบั ความเรว็ จำเพาะ โดยกงั หันเพลตันเหมาะกับความเรว็ จำเพาะต่ำ กังหนั ฟรานซิสเหมาะกับความเรว็ จำเพาะปานกลาง และกงั หันคาปลานเหมาะกบั ความเรว็ จำเพาะสูง รปู ท่ี 11.8: การเปล่ียนแปลงประสทิ ธิภาพของกงั หนั สามประเภทตามความเรว็ จำเพาะ• โรงไฟฟา พลังน้ำอาจถูกใชงานเปนโรงไฟฟา ภาระสงู สดุ ซึง่ หมายความวา กงั หนั จะทำงานที่ภาระ ต่ำกวา 100% ผลกระทบของภาระตอประสิทธิภาพจึงเปนส่งิ ท่ีไมอาจมองขามไดในการพจิ ารณา เปรยี บเทียบกังหัน รปู ท่ี 11.9 แสดงผลของการเปล่ียนภาระของกงั หนั ทมี่ ีตอประสทิ ธภิ าพ กังหัน คาปลานมีประสทิ ธิภาพสูงในชวงภาระที่กวาง กังหนั เพลตันทำงานไดดีในชวงภาระที่แคบกวา ใบจกั ร (propeller) ในรปู น้ีหมายถงึ ใบพดั ท่ีปรับมุมไมได (fixed-blade) ซง่ึ มีประสทิ ธภิ าพต่ำ กวา กังหันหลกั ท้งั สามแบบ

11.5. อุโมงคทา ยน้ำ 231 รปู ที่ 11.9: การเปล่ียนแปลงของประสิทธภิ าพกังหนั ตามภาระ11.4.3 ระบบควบคมุ เคร่ืองกงั หัน เคร่อื งกงั หันไฮดรอลิกที่ปราศจากการควบคุมจะมีความเร็วรอบเพ่มิ ขึ้นเมื่อภาระลดลงจนความเรว็รอบอาจเพิ่มขึน้ ถึงความเรว็ สูงสุด (runaway speed) ซ่งึ อาจทำใหเคร่อื งกงั หนั เสียหายได ในทางตรงขา มภาระท่ีสูงขึ้นจะลดความเร็วรอบของเครอ่ื งกังหนั รปู ที่ 11.10 แสดงระบบควบคุมเครือ่ งกงั หัน (tur-bine governing system) ซง่ึ ทำหนาท่ีควบคมุ ความเรว็ รอบของเคร่อื งกังหนั ใหคงที่เม่อื ภาระเปลย่ี นโดยการเปลี่ยนอัตราการไหลของนำ้ ตวั ควบคมุ ของระบบเรยี กวา กัฟเวอรเนอรความเร็ว (speed gov-ernor) ซง่ึ เปน ตัวควบคุมแบบไฟฟาไฮดรอลิก (electro-hydraulic governor) สญั ญาณไฟฟา จากเซ็นเซอรความเร็ว (speed sensor) ซึ่งวดั ความเรว็ รอบของกงั หันจะถกู สง ไปกัฟเวอรเนอร ถา ความเรว็ที่วัดไดนี้แตกตางกบั ความเร็วของจดุ ปรบั ตัง้ กัฟเวอรเนอรจะสงสัญญาณไฮดรอลกิ ไปท่ีอปุ กรณควบคุม(actuator) ซง่ึ จะขยายสัญญาณไฮดรอลิกที่สงไปยงั เซอรโวมอเตอรใหปรับตำแหนงของวาลวเขม็ ฉดี(สำหรับกงั หันเพลตนั ) หรือใบพดั นำ (สำหรับกังหนั ฟรานซิสและกังหันคาปลาน) เพือ่ ควบคุมอัตราการไหลของน้ำเขาใบพดั หมุน (runner) ระบบน้สี ามารถควบคุมความเรว็ รอบอยา งแมน ยำและมกี ารควบคมุแบบปอนกลบั โดยใชตำแหนง ของวาลว เขม็ ฉดี หรอื ใบพดั นำเพอ่ื ความมีเสถยี รภาพของระบบ11.5 อโุ มงคท ายน้ำ อโุ มงคทายน้ำคือ ทอ ขนาดใหญซง่ึ ทำหนาท่ีรบั นำ้ หลังจากที่น้ำผานออกมาจากกงั หนั เพือ่ นำน้ำออกจากโรงไฟฟา ทอนี้อาจทำเปน ทอ ทรงกรวยตรงหรอื เปน ของอฝง อยูท่ีคอนกรีตก็ได สมการ (11.5) แสดงใหเหน็ วา E จะนอ ยกวา Emax ในสมการ (11.8) ถา นำ้ ถกู ปลอ ยออกจากกงั หนั ไฮดรอลิกสูบรรยากาศเพราะ p2 เทา กับศูนย แต V2 มากกวาศนู ย การปรับปรุงใหกงั หนั แรงปฏิกริ ิยามีสมรรถนะสูงสามารถกระทำไดโดยการติดต้งั อุโมงคทา ยนำ้ ตรงทางออกของกงั หัน รูปท่ี 11.11 แสดงการติดต้งั อโุ มงคทา ยนำ้

232 บทท่ี 11. โรงไฟฟา พลังนำ้รูปท่ี 11.10: ระบบควบคุมเคร่อื งกังหนัท่มี ีความสูง z ดานลา งของกังหนั แรงปฏกิ ริ ิยา กำหนดให 1 คอื น้ำทไี่ หลเขาเครือ่ งกังหัน 2 คอื ตำแหนงของนำ้ ที่ไหลออกจากกงั หนั เขาสูอุโมงคทา ยน้ำ และ 3 คือ ตำแหนงของนำ้ ท่ีไหลออกจากอโุ มงคทายนำ้สมมตุ ิวาไมมีความดันสูญเสยี ในการไหลภายในอุโมงคทา ยน้ำและความเร็วของนำ้ ท่ีไหลออกจากอุโมงคทา ยนำ้ เทา กบั ศนู ย สมดุลพลงั งานระหวาง 1 กับ 3 นำไปสงู านในอุดมคติทไ่ี ดจ ากกังหันE = p1 − p3 + 1 ( − ) (11.10) ρ 2 V12 V32นำ้ ที่ออกจากอโุ มงคทา ยนำ้ มีความดันบรรยากาศ ดังนนั้ p3 = 0 นอกจากน้ีการออกแบบอุโมงคทายนำ้อยางเหมาะสมทำใหค วามเร็วของน้ำท่ไี หลออกจากมคี านอย (V3 ≈ 0) ดงั นั้น E จะมคี าใกลเ คียง Emaxโปรดสงั เกตวา E ไมขึ้นกบั z ดงั นั้นกงั หนั สามารถตดิ ตั้งสูงจากระดบั พืน้ ดินเทา ไรก็ไดเพือ่ ความสะดวกในการเดนิ เครอ่ื งและบำรุงรักษาโดยไมสงผลตอ งานของกังหนัรูปที่ 11.11: การไหลในอุโมงคท ายนำ้การพิจารณาสมดุลพลงั งานระหวาง 2 กบั 3 ใหส มการตอ ไปน้ีp2 + V22 + gz = V32ρ2 2

11.6. โรงไฟฟาพลงั นำ้ แบบสบู กลับ 233 p2 = − [ + 1 ( − )] (11.11) ρgz ρ V22 V32 2สมการ (11.11) แสดงใหเหน็ วา p2 มีคานอยกวาศนู ยเพราะ z มากกวา ศนู ยและ V2 มากกวา V3 การออกแบบอุโมงคทายน้ำเพ่อื ให E มีคามากข้ึนจะสงผลให p2 มคี วามเปนสญุ ญากาศมากข้ึน p2 ไมอ าจมีคา นอยเกนิ ไปไดเ พราะจะทำใหเกิดโพรงในของเหลว (cavitation) นำ้ เปลีย่ นสถานะจากของเหลวเปน ไอเมือ่ ความดันของนำ้ ลดลงถึงความดนั ไอ (vapor pressure)ซึง่ ข้นึ กบั อุณหภมู ิ การทำใหนำ้ เดือดอาจแบง สองวธิ ี วธิ ีแรกคือ เพิ่มอณุ หภมู ิแตไมเปลีย่ นความดนั น้ำท่ีความดนั บรรยากาศ (101.3 kPa) เดือดท่ีอณุ หภมู ิ 100◦C เนอ่ื งจากความดันไอที่อณุ หภมู ิน้ีเทากับความดันบรรยากาศ วธิ ีที่สองคอื ลดความดนั แตไมเปลีย่ นอณุ หภมู ิ สมมตุ ิวาน้ำมีอุณหภูมิ 27◦C ถาลดความดันของน้ำจากความดนั บรรยากาศไปที่ 3.54 kPa นำ้ ก็จะเดอื ดเนอื่ งจากความดันนี้คือความดันไอท่ีอุณหภมู ิ 27◦C โพรงในของเหลวเกิดจากการท่ีความดันของนำ้ นอยมากจนเกดิ ฟองไอเกาะที่ผวิ ของของแข็งซ่งึ อาจเปน ใบพัดของเครอื่ งกังหนั ไฮดรอลกิ แตเม่อื ใบพดั เคลือ่ นที่ไปยังตำแหนงที่ความดันมากกวาความดันไอ ฟองจะยบุ ตัวลงอยา งรวดเรว็ ทำใหมีความดนั สูง ณ จดุ ท่ีฟองยุบตัวซึง่ อาจสูงถงึ 7000 atm ปรากฏการณน้ีเปนตัวกัดกรอนโลหะของกังหนั อีกทง้ั ยังทำใหเกิดเสียงดังและการส่นัสะเทือน นอกจากนี้ฟองไอท่ีหลดุ จากผิวใบพัดก็จะไปขดั ขวางการไหลของน้ำและทำใหอตั ราการไหลของน้ำต่ำกวาทคี่ วรจะเปน ซงึ่ สง ผลใหก ำลังงานท่ีผลติ โดยกังหนั นอยลง ดงั น้นั โพรงในของเหลวจงึ เปนสิ่งท่ีควรปองกันไมใ หเกิดขนึ้ ในกังหนั ไฮดรอลิก จดุ ท่ีความดันตำ่ ทส่ี ดุ ในกงั หันไฮดรอลิกคอื ทางออกจากกงั หนั กังหันแรงดลไมมีปญหาการเกดิโพรงในของเหลวเพราะความดันทางออกมีคา ใกลเคยี งกับความดนั ทางเขา แตกังหันแรงปฏกิ ริ ิยาที่มีการตดิ ต้ังอุโมงคทายน้ำมีความเสย่ี งท่ีจะเกดิ ปญ หาโพรงในของเหลวไดเนื่องจาก p2 อาจมีคานอ ยกวาpv − patm โดย pv คอื ความดันไอ และ patm คอื ความดันบรรยากาศ สมการ (11.11) แสดงใหเห็นวาถา ตองการให p2 มีคามากเพือ่ หลกี เลี่ยงการเกิดโพรงในของเหลว กังหนั แรงปฏิกิริยาจะตอ งอยูที่ระดับทไี่ มสงู มากนกั จากระดบั พ้ืนดินและความเร็วของนำ้ ที่ไหลออกจากอุโมงคท ายน้ำตอ งไมน อ ยเกนิ ไป11.6 โรงไฟฟา พลงั นำ้ แบบสูบกลบั โดยท่ัวไปการสะสมพลังงานไฟฟา โดยโรงไฟฟาไมเ ปน ที่นิยมเพราะมีตนทุนสูง แตก ารสะสมพลงั งานมีขอ ดีท่ีทำใหการใชโรงไฟฟามีประสิทธิภาพมากขน้ึ โรงไฟฟาภาระหลกั ท่ีเดนิ เครือ่ งไมเตม็ ท่ีในชวงความตองการไฟฟาตำ่ เปนสาเหตุท่ีทำใหแฟกเตอรความสามารถของโรงไฟฟา ตำ่ ถา โรงไฟฟา สามารถเดนิเครื่องมากขนึ้ ในชวงเวลาดังกลาวก็จะเพิ่มแฟกเตอรความสามารถและลดตน ทนุ การผลิตไฟฟา ไฟฟาท่ีผลิตไดจะสะสมไวในรูปอนื่ และนำมาใชในชว งเวลาที่ระบบมีความตอ งการไฟฟาสูง การสะสมพลังงานไฟฟาเปนพลังงานศักยของน้ำในท่ีสูงอาจมีความคมุ คาเชิงเศรษฐศาสตรซงึ่ เปนเหตุผลหนงึ่ ท่ีมีการสรา งโรงไฟฟา พลงั นำ้ แบบสูบกลบั หลายแหงในโลกรวมท้งั ในประเทศไทย โรงไฟฟา พลงั นำ้ แบบสบู กลับมีลักษณะท่ัวไปคลา ยโรงไฟฟาพลังนำ้ แบบมีอางเกบ็ น้ำดงั แสดงในรปูที่ 11.12 สวนประกอบท่เี พิม่ เติมขนึ้ มาคอื อางเก็บนำ้ หลงั จากน้ำไหลออกจากเครอ่ื งกงั หนั ไฮดรอลกิ โรงไฟฟา พลังนำ้ แบบสบู กลับอาจมีระบบผลิตไฟฟา ซึง่ มีเครอ่ื งกังหนั และเครอ่ื งกำเนิดไฟฟาแยกจากระบบสูบน้ำซ่ึงมีเครอื่ งสบู และมอเตอรสำหรับการสบู น้ำจากอางเกบ็ นำ้ ดานลา งไปอา งเกบ็ น้ำดา นบน ระบบ

234 บทท่ี 11. โรงไฟฟาพลังน้ำผลติ ไฟฟา และระบบสบู นำ้ ตางก็มีประสทิ ธิภาพไมถึง 100% ซึ่งหมายความวา มีการสูญเสยี พลังงานในระบบทั้งสองและพลงั งานไฟฟา ที่ผลิตไดโดยโรงไฟฟา พลงั น้ำแบบสูบกลบั จะไมเพียงพอกับการสบู น้ำโรงไฟฟา พลังน้ำแบบสูบกลบั จงึ ไมส ามารถทำงานไดด ว ยตวั มนั เองแตต อ งอาศยั พลงั งานจากโรงไฟฟาอน่ื รูปท่ี 11.12 แสดงใหเหน็ วาถา เครอื่ งกังหันทำหนาท่ีเปน เครอ่ื งสบู ไดและเครื่องกำเนิดไฟฟาทำหนาท่ีเปนมอเตอรไดระบบผลิตไฟฟา และระบบสูบน้ำก็จะรวมเปนระบบเดยี วซึ่งใชทอ รว มกนั และทำใหคา ใชจายในการกอสรา งโรงไฟฟา ลดลงอยางมากเนอื่ งจากมีอุปกรณนอ ยลงและใชทอนอยลง อุปกรณที่เปน ไดท้ังเครื่องกงั หันและเครื่องสบู เรียกวา เคร่ืองสบู ผสมเคร่อื งกังหนั (pump-turbine) สว นอปุ กรณท่ีเปน ไดท้ังเครื่องกำเนิดไฟฟาและมอเตอรเ รยี กวา มอเตอรผ สมเครอ่ื งกำเนดิ ไฟฟา (motor-generator) รูปท่ี 11.12: โรงไฟฟาพลังนำ้ แบบสบู กลบั เครอ่ื งสูบผสมเครือ่ งกังหนั มีลักษณะคลายกงั หนั ฟรานซิสแตใบพัดคลายใบพดั ของเคร่ืองสูบแบบหอยโขง (centrifugal pump) จากการที่อุปกรณนี้เปนการผสมผสานระหวางเครอ่ื งกังหนั และเคร่อื งสบู ประสทิ ธภิ าพสงู สดุ ของอุปกรณจงึ นอยกวา ประสทิ ธิภาพของเคร่อื งกงั หนั และเครือ่ งสบู ซึง่ นอกจากน้ีความเรว็ รอบท่ีใหประสิทธิภาพสูงสุดขณะผลติ ไฟฟา ยังนอ ยกวาความเรว็ รอบที่ใหประสทิ ธิภาพสูงสดุขณะสูบน้ำ ความเรว็ รอบที่เลอื กใชจงึ อาจอยูระหวางความเร็วรอบสองคานี้ แตถาใชมอเตอรผสมเครอ่ื งกำเนิดไฟฟา ท่ีทำงานไดท่ีสองความเร็วรอบก็จะแกปญ หานี้ได กลา วคือ เมอ่ื ตอ งการสูบน้ำข้นึ เครื่องสูบและมอเตอรจะทำงานที่ความเรว็ รอบคา หน่งึ และเมื่อตองการผลิตไฟฟา เคร่ืองกงั หันและเครอ่ื งกำเนิดไฟฟา จะทำงานท่คี วามเร็วรอบอีกคา หนึ่ง โรงไฟฟาพลงั นำ้ แบบสูบกลบั ที่ใหญที่สดุ ในประเทศไทยตั้งอยูท่ีเข่ือนลำตะคอง จงั หวดั นครราชสมี าอางเกบ็ นำ้ ตอนบนเปน อางเกบ็ นำ้ ท่ีสรา งข้นึ ใหมโดยใชหนิ ถมลาดดว ยยางมะตอยเพื่อปอ งกนั น้ำซึมออกจากอาง อา งเกบ็ น้ำตอนลางคือ อางเก็บนำ้ ลำตะคองที่มีอยูแลว เฮดอยูระหวา ง 620-660 m โรงไฟฟาตัง้ อยูลึกจากผวิ ดินประมาณ 350 m ภายในโรงไฟฟาตดิ ตง้ั เครื่องสบู ผสมเครอื่ งกงั หนั และมอเตอรผสมเครอ่ื งกำเนิดไฟฟาขนาด 250 MW รวม 4 เคร่อื ง

11.6. โรงไฟฟาพลงั น้ำแบบสูบกลบั 235คำถามทายบท1. ระบุขอ ดีของโรงไฟฟา พลงั นำ้ มาสามขอ2. สวนประกอบใดของโรงไฟฟาพลงั น้ำแปลงพลงั งานศักยของนำ้ เปน พลงั งานจลน3. โรงไฟฟา พลงั นำ้ แหง หน่งึ ไดรับน้ำจากระดบั ความสูง 100 m ถา น้ำไหลผานเคร่ืองกงั หันนำ้ ดว ย อตั ราการไหล 3.6 × 105 kg/h อยากทราบวา โรงไฟฟา แหง น้ีจะผลติ ไฟฟาไดไมเ กนิ เทา ไร4. เขอื่ นสว นใหญในประเทศไทยเปนเขอื่ นแบบใด5. เขอ่ื นเขอ่ื นสริ ิกติ ์เิ ปน เข่อื นประเภทใด6. เขื่อนใดในประเทศไทยมกี ำลงั การผลติ ไฟฟาสูงทีส่ ดุ7. อุปกรณใดทำหนา ท่ปี อ งกันการเปลยี่ นแปลงความดันอยางกระทันหนั ในทอสงน้ำ 8. สภาวะคลื่นกระแทกหมายถงึ อะไร 9. ระบขุ อแตกตางระหวา งกงั หันแรงดลและกงั หันแรงปฏกิ ิริยา10. ใบพดั ของกงั หนั เพลตันมีลกั ษณะอยา งไร11. ดีเฟลกเตอรท ำหนาท่ีอะไรในกังหนั เพลตัน12. อธิบายความแตกตางระหวา งกงั หนั ฟรานซิสกบั กงั หันคาปลาน13. อุปกรณใดทำหนา ที่ควบคมุ อตั ราการไหลของน้ำเขา กงั หันฟรานซิส14. กังหนั แบบใดเหมาะกับการทำงานทีเ่ ฮดต่ำกวา 60 m15. ทำไมกังหนั คาปลานจงึ มปี ระสทิ ธิภาพสูงกวา ใบจกั ร16. สภาวะโพรงในของเหลวสงผลเสยี อยา งไร17. จุดใดในโรงไฟฟา พลงั น้ำท่ีใชกงั หนั แรงปฏกิ ิริยามีความเสีย่ งตอ การเกดิ สภาวะโพรงในของเหลว มากทีส่ ดุ18. อโุ มงคทายน้ำทำหนา ที่อะไร19. เครอ่ื งสบู ผสมเคร่อื งกังหันทใี่ ชใ นโรงไฟฟา พลังน้ำแบบสบู กลบั มีลักษณะคลา ยกังหนั แบบใด20. โรงไฟฟา พลงั นำ้ แบบสบู กลับของประเทศไทยตัง้ อยทู ีใ่ ด

236 บทที่ 11. โรงไฟฟา พลงั นำ้

บทท่ี 12โรงไฟฟานวิ เคลยี ร12.1 สัญลกั ษณน วิ เคลียรแ ละไอโซโทปอะตอมประกอบดว ยนิวเคลียสซึ่งมีขนาดใหญ นำ้ หนกั มากและประจุบวก และอเิ ล็กตรอนซึ่งมีขนาดเล็ก นำ้ หนักเบาและประจุลบ อเิ ลก็ ตรอนโคจรรอบนวิ เคลียส (nucleus) ที่อยูน่งิ ตัวนิวเคลียสเองประกอบดวยนิวตรอนและโปรตอนซึง่ เรียกโดยรวมวา นวิ คลีออน (nucleon) นวิ ตรอนไมมีประจุประจุของโปรตอนมีขนาดเทากับประจุของอิเลก็ ตรอนแตเปน บวก จำนวนโปรตอนในอะตอมเทา กับจำนวนอเิ ล็กตรอน ซง่ึ ทำใหอ ะตอมมสี มบตั ิเปนกลางทางไฟฟา มวลนวิ ตรอน (mn) คือ 1.008665 amuมวลโปรตอน (mp) คือ 1.007277 amu และมวลอิเล็กตรอน (me) คือ 0.0005486 amu โดย amu ยอมาจาก atomic mass unit มีคาเทากบั 1.66 × 10−27 kg โดยประมาณ ดังนน้ั มวลเกอื บทงั้ หมดของอะตอมคอื มวลของนวิ เคลยี สเพราะมวลของนวิ ตรอนและโปรตอนมากกวามวลของอเิ ลก็ ตรอนมากธาตุตา งชนดิ กันมีจำนวนโปรตอนตา งกัน ตัวอยา งเชน H มีโปรตอน 1 ตวั He มีโปรตอน 2 ตัว และC มีโปรตอน 12 ตวั จำนวนของโปรตอนเรยี กวาเลขอะตอม (atomic number หรือ Z) จำนวนของนิว-คลีออนเรยี กวา เลขมวล (mass number หรือ A) ดังนั้นจำนวนนิวตรอนจงึ เทา กับผลตางระหวางเลขมวลกับเลขอะตอม (A −เปZน)สสญั ญั ลลักกั ษษณณนน วิ วิ เคเคลลียียรรข (อnงuไcฮlโeดaรrเจsนym42bHoel)เคปือน สAZัญXลโักดษยทณี่ Xนวิ เปเคนลสยี ญั รขลอกั งษฮณีเลขียอมงธาตุ ตวั อยางเชน 11Hแอลิเละ็ก1ต62รCอนเปมนีสสัญญั ลลักักษษณณ −น10วิ eเคอลเิียลร็กขตอรงอคนารไมบ มอีนนวิ อคนลภุีอาอคนอแื่นตทเล่ีไมขใอชะอตะอตมอเมทกา็มกีับสญั -1ลักหษมณายนคิวเวคาลมียวราเชปนรกะันจุของอเิ ลก็ ตรอนตรงขามกับประจุของโปรตอน นิวตรอนมีสญั ลกั ษณ 01n ซึ่งหมายความวา นวิ ตรอนมีนิวคลีออน 1 ตวั ซึง่ ก็คือ ตัวนวิ ตรอนนนั่ เอง อยางไรก็ตาม ในกรณีของอนภุ าคท่ีไมมีประจุ ไมมีโปรตอนและไมมีนิวตรอน เชน นิวตริโน (neutrino) สัญลกั ษณนวิ เคลยี รคือ 00ν ซึง่ อาจเขยี นแบบไมม ีตวั หอ ยและตัวยกเปน ν เพื่อความสะดวกธาตุทุกชนดิ มีหลายไอโซโทป (isotope) โดยแตละไอโซโทปมีเลขอะตอมเทากนั แตมีเลขมวลตางกนั ตวั อยา งเชน ไฮโดรเจน (11H) มีโปรตอน 1 ตวั แตไมมีนิวตรอน ในขณะที่ดวิ เทอเรียม (12H) ซ่งึ เปนไอโซโทปของไฮโดรเจน มมีโีโปปรรตตออนนแล1ะตนวั ิวแตลระอนนวิอตยราองลนะ2หนต่ึงวั ตัวสญั แลละักทษรณิเทนยีวิ มเค(ลtียriรtiอuาmจ)เข(31ียHน)อซยงึ่า เงปยนออวกีาไอโซโทปของไฮโดรเจนX-Z แตใหความหมายครบถว นเหมอื นสัญลักษณเต็มเนอ่ื งจากธาตุ X มีเลขอะตอมเปน เอกลกั ษณของ

238 บทที่ 12. โรงไฟฟานิวเคลยี รตวั มันเองซง่ึ หาดูไดจากตารางธาตุ (periodical table) ตัวอยางของสญั ลกั ษณนวิ เคลยี รอาจเขยี นอยางยดอิวเไทดอแเกรยี Hมeแ-ล3ะซทงึ่รหิเทมยีามยไถมงึ น32ิยHมeเขแยี ลนะตาUม-ห2ล3กั5ดซังึ่งกหลมาวายแถตึงน 2ยิ 93ม25ใUชต อวั ยอาักงษไรรกD็ตาแมลสะญั Tลตกั าษมณลอำดยับา งยอ ของ ธาตตุ าง ๆ ในธรรมชาติมีไอโซโทปหลกั เพียงหนงึ่ ไอโซโทปซงึ่ มปี ริมาณในธรรมชาติมากกวาไอโซโทปอ่ืนคอนขา งมาก ตัวอยางเชน สัดสวนโดยมวลของ U-235, U-238 และ U-234 ในยเู รเนยี มที่พบในธรรมชาติคือ 99.282%, 0.712% และ 0.006% ตามลำดับ ไอโซโทปบางตวั ไมปรากฏในธรรมชาติแตสงั เคราะหข้นึ มาไดในหองปฏิบตั ิการหรอื ในปฏกิ ิรยิ านิวเคลียร ถงึ แมว าไอโซโทปของยเู รเนียมท่ีพบในธรรมชาติมีเพยี ง 3 ไอโซโทปแตถา รวมท่ีสงั เคราะหข้นึ มาแลว มีต้งั แต U-227 ถึง U-240 ไอโซโทปอาจอยูในรูปของสารประกอบเชน นำ้ ที่พบในธรรมชาติประกอบดวย นำ้ มวลเบา (H2O) และน้ำมวลหนัก(D2O) สดั สวนโดยมวลของนำ้ มวลหนกั ในน้ำธรรมชาติประมาณ 1 สว นใน 3200 สวน ซ่งึ หมายความวาถานำนำ้ จากแหลงธรรมชาตมิ าผานกระบวนแยกเชงิ นวิ เคลยี รจะไดน้ำมวลหนักประมาณ 0.03% ไอโซโทปท่ีตางกันของธาตุเดยี วกนั มีสมบัติทางเคมีเหมอื นกัน แตน้ำหนกั ตา งกัน โมเลกลุ ท่ีเกิดจากไอโซโทปท่ีตา งกันของธาตุเดียวกันก็มีสมบัติทางเคมีเหมือนกัน แตสมบัติทางกายภาพจะแตกตางกันตวั อยา งเชน H2O และ D2O มีสมบัติทางเคมีที่เหมือนกนั ทุกประการ แตสิ่งที่ตางกนั คือ จดุ เยอื กแข็งจดุ เดอื ด ความหนาแนน ความหนืด เปนตน ดงั นั้นกระบวนการทางเคมีจงึ ไมสามารถแยก D2O ออกจาก H2O ได การแยกนิวเคลียสของไอโซโทปที่ตา งกนั ของธาตุเดียวกัน หรอื การแยกโมเลกลุ ท่ีประกอบดวยไอโซโทปตา งกันตองใชส มบตั ทิ างกายภาพทตี่ า งกนั ของไอโซโทป12.2 ปฏกิ ริ ยิ านิวเคลียรกระบวนการที่โมเลกุลสองโมเลกุลทำปฏิกริ ยิ ากันเปนโมเลกลุ ใหมเรยี กวา ปฏกิ ริ ิยาเคมี ตัวอยา งเชน C + O2 −→ CO2เปน ปฏิกริ ยิ าเคมีระหวา ง C และ O2 จะเห็นท้ังสองโมเลกุลเกดิ การเปลยี่ นแปลงทางเคมีจากการรวมตัวกนั เปนโมเลกลุ ใหม การรวมตัวกนั น้ีแทท่ีจรงิ เปนการแลกเปล่ยี นอเิ ลก็ ตรอนในวงโคจรนอกสุดหรอื วาเลนซอเิ ล็กตรอน (valence electron) แตไมมีการเปล่ยี นแปลงท่ีนวิ เคลยี ส ดังนนั้ จึงไมม ีการเปลยี่ นแปลงของธาตใุ นปฏกิ ริ ิยาเคมี ผลที่ตามมาก็คือมวลของสารตั้งตนและเทา กับมวลของสารผลผลติในปฏกิ ิรยิ านิวเคลียรมีการเปลีย่ นแปลงระดบั นิวเคลยี ส ทำใหธาตุผลผลิตตา งจากธาตุต้ังตน ตัวอยา งเชน KA1 ทำปฏกิ ริ ยิ านวิ เคลยี รก บั LA2 ได M และ N A3 A4 Z1 Z2 Z3 Z4 K L M NA1 Z1 +AZ22 −→AZ33 +AZ44ปฏิกริ ิยานิวเคลยี รไมมีการอนุรักษมวลเหมือนปฏกิ ริ ยิ าเคมี อยางไรกต็ ามผลรวมของเลขอะตอมและผลรวมของเลขมวลจะไมเ ปลีย่ นแปลงในปฏกิ ริ ยิ านิวเคลียร ดงั นัน้ การทำสมดลุ จงึ ใชสมการตอ ไปนี้ Z1 + Z2 = Z3 + Z4 A1 + A2 = A3 + A4

12.3. เสถียรภาพทางนวิ เคลยี ร 239ตวั ทำปฏกิ ิริยาและผลผลิตของปฏิกริ ยิ านิวเคลยี รอาจเปน อนภุ าคอน่ื ที่ไมใ ชนวิ เคลียสของอะตอมตวั อยาง อยากทราบวาธาตุ X ในปฏกิ ิริยานวิ เคลยี รขางลา งนคี้ ืออะไร 27 Al + He4 −→3140 Si + AZ X 13 2วิธที ำ 13 + 2 = 14 + Z Z =1 27 + 4 = 30 + A A=1ธาตุที่มีเลขมวล 1 และเลขอะตอม 1 คอื 11H หรอื ไอโซโทปหลกั ไฮโดรเจนน่นั เอง บางครง้ั เราอาจเรียก11H วา โปรตอนซ่งึ มสี ญั ลักษณ 11p12.3 เสถียรภาพทางนิวเคลียร มวลของนวิ คลอี อนของอะตอมหนึ่งรวมกนั จะมคี า มากกวามวลของอะตอมนน้ั ผลตางของมวลเรยี กวามวลพรอง (mass defect) ในกรณขี อง AZX มวลพรองมีคาเทา กบั ∆m = (A − Z)mn + Z(mp + me) − mX (12.1)มวลพรอ งนเ้ี ทยี บเทากับพลังงานตามกฎของไอนสไตน (Einstein’s law) ∆E = ∆mc2 (12.2)โดยท่ี ∆m มีหนว ยเปน kg และ c คือความเรว็ แสงในสุญญากาศซึง่ เทากับ 3.00 × 108 m/s โดยประมาณ พลังงาน ∆E น้เี รียกวาพลงั งานยดึ เหน่ยี ว (binding energy) ของนิวเคลียสเพราะมนั ทำหนายึดโปรตอนและนิวตรอนเขา ดว ยกนั ถา ตองการแยกโปรตอนและนวิ ตรอนของนวิ เคลยี สใดใหเปน อสิ ระก็ตอ งใหพลังงานยดึ เหนีย่ วแกนวิ เคลยี สนัน้ เพ่อื ใหมันสลายตวั เนื่องจาก 1 amu = 1.66 × 10−27 kgมวลพรอง 1 amu จงึ เทียบเทา กบั 1.494 ×10−11 J หรือ 931 MeVพลงั งานยดึ เหนีย่ วตอนวิ คลีออนกำหนดเสถยี รภาพของนวิ เคลยี ส ในกรณีของ He มวลของนิว- 4 2เคลยี สเทา กับ 4.00277 amu ดังนน้ั ∆m เทา กบั 0.03037 amu ซ่งึ เทยี บเทา กบั ∆E = 27.1 MeVเน่ืองจาก 24He มีนวิ คลีออน 4 ตัว ดังนัน้ พลงั งานยึดเหนย่ี วตอนิวคลีออนเทากับ 6.78 MeV รปู ท่ี12.1 เปรยี บเทียบพลังงานยดึ เหน่ียวตอนวิ คลีออนของนิวเคลียสตา ง ๆ พลงั งานยึดเหน่ยี วตอ นวิ คลีออนจะเพิ่มขึน้ อยางรวดเร็วตามเลขมวลจนมีคามากสุดท่ีเลขมวลประมาณ 40 กอนที่จะลดลงอยา งชา ๆนวิ เคลียสท่ีมีพลงั งานยดึ เหนีย่ วตอนิวคลีออนสงู จะมีเสถยี รภาพสูงกวานิวเคลียสท่ีมีพลังงานยดึ เหนย่ี วตอ นิวคลีออนต่ำ ดงั น้นั ธาตทุ มี่ เี ลขมวลปานกลางเชน Fe, Co และ Ni จึงมเี สถยี รภาพสูง ในทางตรงขา ม

240 บทท่ี 12. โรงไฟฟานิวเคลยี ร รูปท่ี 12.1: พลงั งานยดึ เหนีย่ วตอ นวิ คลีออนของธาตุตา ง ๆธาตุท่ีมีเลขมวลสูง ๆ จะมีคา พลงั งานยดึ เหนยี่ วตอ นิวคลีออนคอ นขางตำ่ คอื นอ ยกวา 7.5 MeV โดยประมาณ นวิ เคลยี สของธาตุเหลาน้ีตองการพลังงานกระตุนเพียง 7.5 MeV เพอื่ ใหนิวตรอนแยกตวั ออกมา 11H มีพลงั งานยดึ เหนี่ยวเปน ศนู ยเพราะมีนิวคลีออนเพยี งหนึง่ ตัว ดังน้ัน 11H จึงอาจรวมตวั กันเพ่อืเปน He ซ่ึงมีเสถียรภาพมากข้นึ กระบวนการน้ีเรยี กวา ฟว ช่ัน (fusion) ฟวชั่นทำใหมีพลงั งานถูก 4 2ปลดปลอยออกมา ซง่ึ หลกั การผลิตพลงั งานนิวเคลยี รจาก 11H พลังงานแสงอาทิตยมีท่ีมาจากฟว ชน่ั ในดวงอาทิตย แตการทำใหเกิดฟว ช่ันบนโลกเพ่ือผลิตพลังงานในปรมิ าณมากยังไมประสบความสำเร็จกระบวนการที่ตรงขามกบั ฟวชนั่ คือ ฟชชั่น (fission) ซ่ึงหมายถึงการแตกตัวของธาตุหนักท่ีมีเสถียรภาพต่ำเปน ธาตุขนาดกลางสองธาตุท่ีมีเสถียรภาพมากขึ้น ฟชช่นั ใหพลังงานในปริมาณมากและสามารถควบคมุ ใหผ ลิตพลังงานไฟฟา ได โรงไฟฟานิวเคลียรทกุ โรงผลิตไฟฟา ดว ยฟชชน่ั12.4 กัมมนั ตภาพรังสี โดยท่ัวไปไอโซโทปหลกั ของธาตเุ บาจะมีเสถยี รภาพสงู ในขณะที่ไอโซโทปอืน่ ทม่ี ีอยนู อ ยในธรรมชาติจะมีเสถยี รภาพตำ่ นอกจากนี้ ไอโซโทปทุกตัวของธาตุหนกั ก็มีเสถียรภาพตำ่ เชน กัน นวิ เคลยี สท่ีมีพลังงานยึดเหนย่ี วตอ นิวคลีออนตำ่ มีสมบัติเปน สารกัมมนั ตรงั สี (radioactive matter) จะแผกมั มันต-ภาพรังสีเพอื่ จะไดกลายเปน นวิ เคลยี สท่ีมีเสถียรภาพมากขนึ้ การแผกมั มันตภาพรงั สีจะเกิดขึ้นพรอ มกบั การปลดปลอยพลังงานเน่อื งจากมีมวลบางสว นหายไป และกลายเปนพลงั งานตามกฎของไอนสไตนกัมมนั ตภาพรังสีท่สี ำคัญไดแ ก 1. รงั สีแกมมา (gamma ray)

12.4. กมั มันตภาพรงั สี 241รังสีแกมมานับเปนคล่นื แมเ หลก็ ไฟฟา ท่ีมีความยาวคลื่นต่ำและพลังงานสงู นวิ เคลียสท่ีอยูในสภาวะถูกกระตนุ (excited state) จะแผรังสีแกมมา ออกมาเพือ่ กลบั สูสภาวะปกติ (groundstate) X( )∗ −→ A X + γ A Z Z รงั สีแกมมา มีความสามารถในการทะลทุ ะลวงสูงสุดเน่ืองจากไมม ีมวล2. รังสเี บตา (beta ray) รังสีเบตาคือ อเิ ลก็ ตรอนที่มีความเร็วสูง แตความสามารถในการทะลุทะลวงของรังสีเบตา ตำ่ กวารงั สีแกมมา การปลดปลอ ยอิเลก็ ตรอนทำใหเลขอะตอมของนิวเคลียสเพม่ิ 1 แตเลขมวลไม เปลย่ี น รงั สีเบตา มักถูกปลดปลอยออกมาพรอมกับอนภุ าคนวิ ตรโิ นและรงั สีแกมมา เชน 6207Co −→ 2680Ni +−01 e + ν + γ กมั มนั ตภาพรงั สีในปฏิกิรยิ านี้มีทง้ั รงั สีเบตาและรงั สีแกมมา อนุภาคนวิ ตริโนไมทำปฏิกิริยากบั สสารใด จึงไมจดั เปน กมั มันตภาพรงั สี3. รังสีอัลฟา (alpha ray) รงั สีอัลฟาคือ นวิ เคลียสของฮีเลียม รงั สีอลั ฟามกั เกิดข้ึนพรอ มกับรงั สีแกมมา เชน 29349Pu −→ U235 +42 He + γ 92เนอ่ื งจากนวิ เคลยี สของฮีเลยี มมีขนาดใหญกวา อิเลก็ ตรอน รงั สีอลั ฟาจงึ มีความสามารถในการทะลุทะลวงต่ำกวารังสเี บตา อตั ราการแผกัมมนั ตรงั สีขน้ึ อยูกับจำนวนนวิ เคลียสกัมมนั ตรงั สีที่เวลานั้น แตไมขน้ึ กับปจ จัยอ่ืนเชนอุณหภมู ิ ความดัน หรอื สถานะของสาร กำหนดให N(t) เปน จำนวนนิวเคลียสกมั มันตรงั สที ่เี วลา t − dN = λN (12.3) dtโดยที่ λ คอื คาคงที่การสลายตัว (decay constant) มีหนว ยเปน s−1 ผลเฉลยของสมการ (12.3) คอื N (t) = N (0)e−λt (12.4)โดยท่ี N(0) เปน จำนวนเริ่มตน นวิ เคลียสกมั มันตรงั สี อัตราการสลายตวั มกั บง บอกดวยครึ่งชวี ิต (half-life) ของนิวเคลียสกมั มันตรงั สี คร่งึ ชีวิตคอื เวลาที่ใชในการสลายตัวของนวิ เคลยี สกมั มันตรังสีจำนวนครงึ่ หน่งึ ของจำนวนนวิ เคลยี สเรม่ิ ตน ครง่ึ ชวี ติสามารถคำนวณไดจากสมการ (12.4) โดยให t = t1/2 ซง่ึ เปน ครง่ึ ชวี ิตและ N(t1/2) = 0.5N0 0.5N0 = N (0)eλt1/2

242 บทที่ 12. โรงไฟฟา นวิ เคลียรตารางที่ 12.1: ตัวอยางของนิวเคลียสกัมมันตรงั สีนวิ เคลยี ส ครึง่ ชีวิต กมั มันตภาพรงั สี พลังงานท่ไี ด (MeV)C-14 5715 ป เบตา 0.156N-16 7.13 วนิ าที เบตา, แกมมา 4.24 (เบตา), 6.129 (แกมมา)P-32 14.28 วนั เบตา 1.170K-40 1.25 ×109 ป เบตา 1.312Co-60 5.271 ป เบตา , แกมมา 0.315 (เบตา), 1.332 (แกมมา)Sr-90 29.1 ป เบตา 0.546I-131 8.021 วัน เบตา, แกมมา 0.606 (เบตา ), 0.364 (แกมมา)Xe-135 9.10 ชว่ั โมง เบตา , แกมมา 0.910 (เบตา), 0.250 (แกมมา )Cs-137 30.2 ป เบตา, แกมมา 0.514 (เบตา), 0.662 (แกมมา)Rn-222 3.823 วนั อัลฟา, แกมมา 5.490 (อลั ฟา), 0.510 (แกมมา)U-235 7.40 ×108 ป อัลฟา 4.152U-238 4.47 ×109 ป อลั ฟา 4.040Pu-239 2.41 ×104 ป อัลฟา 5.055 =⇒ t1/2 = 0.6931 (12.5) λผลที่ไดแสดงใหเหน็ วาครงึ่ ชวี ิตเปนสัดสวนผกผันกับคาคงที่การสลายตวั ไอโซโทปตางกันมีคา λ และt1/2 ตางกนั ตารางท่ี 12.1 แสดงครง่ึ ชีวติ ของนวิ เคลียสกมั มนั ตรังสบี างตัว กัมมันภาพรงั สที เ่ี กิดข้นึ และพลงั งานทไ่ี ดจ ากแผกมั มนั ตภาพรังสี ตัวอยาง จงหาจำนวนนวิ เคลยี สของ Co-60 หลงั จากเวลาผานไป 3 ป ถาจำนวนเร่ิมตนคอื 1000นวิ เคลยี สวธิ ที ำตารางที่ 12.1 แสดงใหเห็นวา t1/2 ของ Co-60 คือ 5.271 ป คา λ ไดจ ากสมการ (12.5)แทนคา λ ในสมการ (12.4) 0.6931 λ= t1/2 () N (t) = N (0) exp −0.6931t t1/2 () = 1000 × exp −0.6931 × 3 5.271 = 674