Combined Cycle System (ระบบผลิตไฟฟ้าพลังความร้อนร่วม)

ก๊าซไอเสีย (Hot Flue gas) ของก๊าซเทอร์ไบน์แบบ Simple open cycle จะมีอุณหภูมิสูง จึงมีพลังงานความร้อนที่สามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้ เมื่อนำความร้อนกลับมาใช้โดยนำไปคายความร้อนให้หม้อไอน้ำแบบ Waste-heat boiler หรือใช้เป็นอากาศสำหรับเผาไหม้ในหม้อไอน้ำโดยเป่าพ่นเชื้อเพลิงเข้าไปเผาไหม้ในก๊าซไอเสียนี้ เพื่อผลิตไอน้ำแล้ว จะทำให้ระบบมีประสิทธิภาพรวมสูงขึ้นมาก กรณีที่นำไอน้ำนี้ไปใช้ในกระบวนการผลิตจะเรียกระบบนี้ว่า Cogeneration แต่หากนำไปขับกังหันไอน้ำเพื่อผลิตไฟฟ้าจะเรียกว่า ระบผลิตพลังงานไฟฟ้าร่วม Combined Cycle

รูป หลักการทำงานของ Combined cycle และตัวอย่างสมดุลความร้อน

การกำเนิดไฟฟ้าด้วยคอมไบน์ไซเคิล (Combined Cycle) เป็นวิธีที่สามารถเพิ่มประสิทธิภาพความร้อนได้อย่างมาก ในขณะที่การเพิ่มประสิทธิภาพความร้อนด้วยการเพิ่มอุณหภูมิและความดันเริ่มเข้าใกล้ขีดจำกัดเข้าไปเรื่อยๆ ด้วยเหตุนี้ เทคโนโลยีข้างต้นจึงแพร่หลายอย่างรวดเร็วในฐานะที่เป็นเทคโนโลยีที่สามารถตอบสนองความต้องการของยุคสมัยได้ ปัจจุบันกลายเป็นวิธีหลักในการผลิตไฟฟ้าพลังความร้อนแล้ว กล่าวคือ ประสิทธิภาพความร้อนของคอมไบน์ไซเคิลนั้นแม้จะใช้ก๊าซเทอร์ไบน์เดิมๆ แบบ Simple open cycle ที่มีอุณหภูมิก๊าซขาเข้าเทอร์ไบน์ 1,100°C ก็ยังมีประสิทธิภาพประมาณ 43% หากใช้ก๊าซเทอร์ไบน์ประสิทธิภาพสูงอุณหภูมิ 1,350°C จะมีประสิทธิภาพสูงได้ถึงประมาณ 48% ยิ่งกว่านั้นปัจจุบันกำลังมีการพัฒนาก๊าซเทอร์ไบน์รุ่นใหม่อุณหภูมิ 1,500°C ซึ่งจะทำให้ไซเคิลมีประสิทธิภาพสูงถึง 53%

นอกจากนี้ปัจจุบัน ยังมีแนวคิดที่จะนำเครื่องยนต์เจ็ตสำหรับเครื่องบินมาใช้ในการผลิตไฟฟ้าอีกด้วย ก๊าซเทอร์ไบน์สำหรับเครื่องบินแต่เดิมเคยนำมาใช้สำหรับรองรับภาระสูงสุดเป็นระยะเวลาสั้น ๆ หรือใช้ในกรณีฉุกเฉิน อย่างไรก็ตาม เครื่องบินซึ่งต้องการแรงขับดันอย่างมากนั้นเป็นเครื่องยนต์ที่มีอัตราส่วนความดันสูงถึง 30 เท่า เครื่องยนต์เดี่ยว ๆ เองก็มีประสิทธิภาพสูงถึง 37-40% ในอนาคตเครื่องยนต์เดี่ยวๆ จะมีประสิทธิภาพ 40-44 % เมื่อนำมาใช้ในคอมไบน์ไซเคิลจะทำให้ได้ประสิทธิภาพถึง 50-55% ขึ้นไป จึงมีโครงการที่จะนำมาใช้ ยิ่งไปกว่านั้น ในโรงไฟฟ้าคอมไบน์ไซเคิลประสิทธิภาพสูงเหล่านี้ ยังถูกคาดหวังว่าอนาคตจะไปใช้ร่วมกับโรงไฟฟ้าแบบ Coal gasification กลายเป็นระบบกำเนิดไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพสูงและสะอาด

เมื่อมีภาระไม่เต็มพิกัด ปริมาณไอเสียของก๊าซเทอร์ไบน์จะลดลง อัตราความสิ้นเปลืองความร้อนของโรงไฟฟ้าคอมไบน์ไซเคิลจึงลดลงอย่างมาก แต่ถ้าโรงไฟฟ้าประกอบด้วยก๊าซเทอร์ไบน์หลายตัว แล้วใช้วิธีควบคุมจำนวนเครื่องจะมีข้อดีคือสามารถรักษาประสิทธิภาพสูงขณะที่มีภาระไม่เต็มพิกัดได้ วิธีกำเนิดไฟฟ้าแบบคอมไบน์ไซเคิลที่ใช้อยู่ในปัจจุบัน แบ่งเป็น 2 แบบ ได้แก่ แบบเพลาเดี่ยวซึ่งก๊าซเทอร์ไบน์จะต่อกับกังหันไอน้ำโดยตรงบนเพลาเดียวกัน แต่นำมาเรียงกันหลายๆ ชุด กับแบบหลายเพลาซึ่งประกอบด้วยก๊าซเทอร์ไบน์หลายตัวกับกังหันไอน้ำ 1 ตัว แบบเพลาเดี่ยวสามารถตรวจซ่อมแต่ละเพลาได้โดยไม่ต้องหยุดโรงไฟฟ้า เหมาะสำหรับเดินเครื่องรับโหลดค่ากลางๆ ส่วนแบบสองเพลาในการตรวจซ่อมกังหันไอน้ำจะไม่สามารถกำเนิดไฟฟ้าได้ เหมาะสำหรับเดินเครื่องรับ Base load

ชนิดของ Combined Cycle

แนวคิดเรื่องการกำเนิดไฟฟ้าแบบคอมไบน์ไซเคิลโดยใช้ก๊าซเทอร์ไบน์ไม่ใช่แนวคิดใหม่ซึ่งมีการใช้อยู่ในปัจจุบัน  รูปแบบของระบบ Combined สามรถออกแบบได้หลากหลาย ซึ่งจะแนะนำ รูปแบบระบบที่มีความนิยมใช้ในปัจจุับน ทั้งหมด  4 รูปแบบ ดังนี้

รูปแบบที่ 1 : นำไอเสียมาอุ่นน้ำเลี้ยง

หลักการทำงาน : นำความร้อนทิ้งจากก๊าซเทอร์ไบน์มาให้ความร้อนแก่น้ำเลี้ยงของโรงไฟฟ้าพลังไอน้ำ มีโครงสร้างไม่ซับซ้อน แต่ไม่สามารถคาดหวังประสิทธิภาพได้มากนัก

รูป ภาพโครงสร้างของระบบรูปแบบ 1

รูปแบบที่ 2 : นำไอเสียมาเผาไหม้ซ้ำ

หลักการทำงาน : นำความร้อนทิ้งจากก๊าซเทอร์ไบน์มาใช้เป็นอากาศสำหรับเผาไหม้ของหม้อไอน้ำเพื่อนำความร้อนทิ้งกลับมาใช้  ในไอเสียจากก๊าซเทอร์ไบน์ จะมีออกซิเจนเหลืออยู่ประมาณ 14-16% หากนำก๊าซนี้ไปใช้เป็นอากาศสำหรับเผาไหม้ในหม้อไอน้ำเดิม จะทำได้ด้วยต้นทุนต่ำ อย่างไรก็ตาม โดยมากไอเสียนี้มักจะมีปริมาณออกซิเจนไม่เพียงพอกับที่หม้อไอน้ำต้องการ ดังนั้น จึงต้องเดินเครื่อง Forced draft fan ควบคู่ไปด้วย วิธีนี้สามารถนำความสูญเสียในไอเสียของก๊าซเทอร์ไบน์กลับมาใช้ใหม่ได้จำนวนมาก

รูป ภาพโครงสร้างของระบบรูปแบบ 2

รูปแบบที่ 3 : นำไอเสียมาเติมเชื้อเพลิง

หลักการทำงาน : ระหว่างทางที่นำก๊าซไอเสียจากก๊าซเทอร์ไบน์ไปที่หม้อไอน้ำแบบ waste-heat boiler จะทำการเผาไหม้เชื้อเพลิงเสริม เพื่อปรับปรุงสภาวะของไอน้ำให้ดีขึ้น และเพิ่มกำลังขาออกของกังหันไอน้ำ

รูป ภาพโครงสร้างของระบบรูปแบบ 3

รูปแบบที่ 4 : นำความร้อนทิ้งกลับมาใช้

หลักการทำงาน : นำไอเสียของก๊าซเทอร์ไบน์มาให้ความร้อนแก่หม้อไอน้ำแบบ waste-heat boiler แล้วใช้ไอน้ำที่เกิดขึ้นไปขับกังหันไอน้ำ

รูป ภาพโครงสร้างของระบบรูปแบบ 4