ระบบผลิตไฟฟ้าและความร้อนร่วม

Cogeneration System 

ระบบโคเจเนอเรชั่น (Cogeneration System) เป็น Hybrid system ที่สามารถผลิตและจ่ายพลังงานทุติยภูมิตั้งแต่ 2 ชนิดขึ้นไปจากแหล่งพลังงานปฐมภูมิชนิดเดียว โดยทั่วไปจะเป็นระบบที่ผลิตพลังงานทุติยภูมิที่เป็นแรงขับเคลื่อน (รวมถึงพลังงานไฟฟ้า) และความร้อนพร้อมๆ กัน เรียกว่า “Dual-purpose electricity and steam generation”

ในระยะหลัง โรงงานและอาคารต่างๆ มีการนำระบบโคเจนเนอเรชั่น  มาใช้ติดตั้งกันแพร่หลายมากขึ้น ระบบโคเจนเนอเรชั่นเป็นระบบที่นำความร้อนมาใช้งานแบบคาสเคด คำว่า คาสเคด หมายถึง น้ำตกที่มีลักษณะเป็นชั้นๆ เราจะนำพลังงานความร้อนคุณภาพสูงซึ่งได้จากการเผาไหม้เชื้อเพลิง มาแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้าและแรงขับเคลื่อนก่อน แล้วนำความร้อนทิ้งซึ่งมีคุณภาพต่ำลง มาใช้ในวัตถุประสงค์ที่ต้องการอุณหภูมิต่ำกว่า เช่น ไอน้ำที่ใช้ในกระบวนการผลิต การปรับอากาศร้อน-เย็นหรือการจ่ายน้ำร้อนในอาคาร เป็นต้น การนำความร้อนมาใช้งานจากระดับอุณหภูมิสูงไล่ลงไปตามลำดับเช่นนี้ เรียกว่า “การนำความร้อนมาใช้งานแบบคาสเคด” วิธีการนี้สามารถนำพลังงานเคมีที่มีอยู่ในเชื้อเพลิงฟอสซิล มาใช้งานตามลำดับโดยมีเอ็กเซอร์จีสูญเสียไปน้อยที่สุด กล่าวได้ว่าเป็นระบบในอุดมคติสำหรับการแปลงพลังงาน

รูป การนำความร้อนมาใช้งานแบบคาสเคด

รูป ตัวอย่างโครงสร้างของระบบโคเจเนอเรชั่น

ในทางปฏิบัติแล้ว โรงงานและอาคารต่างๆ จะใช้ก๊าซธรรมชาติหรือน้ำมันหนักเป็นเชื้อเพลิงของเครื่องจักรผลิตกำลัง เช่น เครื่องยนต์ใช้ก๊าซ ก๊าซเทอร์ไบน์ เครื่องยนต์ดีเซล เพื่อขับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าหรือคอมเพรสเซอร์ แล้วนำพลังงานไฟฟ้าและพลังงานกลที่ได้ไปใช้ในโรงงานหรืออาคาร พร้อมกับนำความร้อนทิ้งที่นำกลับมาได้จากไอน้ำหรือน้ำร้อนจากเครื่องจักรพลังความร้อน ไปใช้ในงานที่ต้องการความร้อน

รูป การเปรียบเทียบสมดุลพลังงานระหว่างมีและไม่มีระบบโคเจนเนอเรชั่น

จากการประเมินอย่างง่ายเปรียบเทียบสมดุลพลังงานจากเชื้อเพลิงที่ใช้เครื่องยนต์ใช้ก๊าซ ระหว่างมีและไม่มีระบบโคเจนเนอเรชั่น พลังงานไฟฟ้าเมื่อไม่มีระบบโคเจนเนอเรชั่นนั้น สมมติว่าได้รับพลังงานไฟฟ้าจากโรงไฟฟ้าของผู้ผลิตไฟฟ้าทั่วไปที่มีประสิทธิภาพการกำเนิดไฟฟ้าที่ด้านผู้ใช้เท่ากับ 35.1 % และได้รับพลังงานความร้อนจากหม้อไอน้ำที่มีประสิทธิภาพ 80 %

ถ้าให้พลังงานขาเข้าในกรณีของระบบโคเจนเนอเรชั่นซึ่งมีการนำความร้อนทิ้งกลับมาใช้เป็น 100 หน่วยแล้ว พลังงานขาเข้าในกรณีที่ไม่มีระบบโคเจนเนอเรชั่น จะต้องใช้ถึง 133 หน่วย จะเห็นว่าระบบโคเจนเนอเรชั่นจะมีข้อได้เปรียบมากกว่า

รูปแบบของระบบโคเจเนอเรชั่น

ระบบโคเจเนอเรชั่นมีรูปแบบต่างๆ ขึ้นอยู่กับอุปกรณ์ผลิตกำลังขับเคลื่อนและวิธีใช้ประโยชน์จากความร้อนและกำลังขับเคลื่อน ซึ่งจะมีการเลือกใช้ระบบที่เหมาะสมที่สุดให้สอดคล้องกับสภาพของโรงงานและสถานประกอบการในอุตสาหกรรมที่ใช้ไอน้ำเป็นจำนวนมาก เช่น การกลั่นน้ำมันดิบ, การผลิตกระดาษ เป็นต้น

ตั้งแต่อดีตมาจะมีระบบผลิตไฟฟ้าเองด้วยหม้อไอน้ำความดันสูงและกังหันไอน้ำอยู่แล้ว แล้วนำไอน้ำที่ระบายออกจากกังหันไปใช้เป็นไอน้ำสำหรับกระบวนการผลิตลักษณะนี้ก็เป็นโคเจเนอเรชั่นชนิดหนึ่ง แต่ต่อไปนี้จะอธิบายระบบโคเจเนอเรชั่นแบบใช้เครื่องยนต์สันดาปภายในที่กำลังเริ่มแพร่หลายมากขึ้นซึ่งสามารถรองรับอุปสงค์พลังงานขนาดเล็กกว่าได้

ตาราง ระบบโคเจเนอเรชั่น

คุณลักษณะของเครื่องยนต์สำหรับระบบโคเจเนอเรชั่น

คุณลักษณะของเครื่องยนต์ชนิดต่าง ๆ ที่ใช้ในระบบโคเจนอเรชั่น แสดงไว้ในตารางด้านล่างนี้

ตาราง คุณลักษณะของเครื่องยนต์ที่ใช้ในระบบโคเจนอเรชัน

- เครื่องยนต์ดีเซล มีข้อดีที่มีประสิทธิภาพการผลิตไฟฟ้าสูง ค่าติดตั้งต่ำ และสามารถใช้เชื้อเพลิงราคาถูกได้ แต่เนื่องจากมีฝุ่นละอองในไอเสียมากและมีอัตราส่วนอากาศสูง จึงไม่สามารถใช้ 3-way catalytic converter ในการกำจัด NOx ได้ รวมทั้งยังมีปัญหาเรื่องประสิทธิภาพการนำความร้อนจากไอเสียกลับมาใช้จะมีค่าต่ำอีกด้วย

- เครื่องยนต์แก็ส จะมีไอเสียที่มีอุณหภูมิสูง และใช้เชื้อเพลิงที่สะอาด ไอเสียจึงสะอาดไปด้วย สามารถใช้เป็นแหล่งความร้อนของเครื่องทำความเย็นแบบดูดกลืนได้โดยตรง นอกจากนี้ ยังสามารถกำจัด NOx และไฮโดรคาร์บอนในไอเสียได้ค่อนข้างง่าย

- ก๊าซเทอร์ไบน์ ไม่จำเป็นต้องใช้น้ำระบายความร้อนจำนวนมาก มีโครงสร้างไม่ซับซ้อน และสามารถทำให้มีขนาดใหญ่ได้ ระยะหลังนี้ยังมีการพัฒนาและผลิตก๊าซเทอร์ไบน์ขนาดเล็กขึ้นอีกด้วย ยิ่งเพิ่มอุณหภูมิขาเข้าเทอร์ไบน์มากเท่าใด ประสิทธิภาพความร้อนก็จะมีค่าสูงขึ้นเท่านั้น จึงมีการวิจัยและพัฒนากังหันเพื่อเพิ่มการทนความร้อนให้สูงขึ้น เช่น เทอร์ไบน์เซรามิก เป็นต้น นอกจากนี้ ไอเสียของก๊าซเทอร์ไบน์ยังมีอุณหภูมิสูง สามารถใช้ waste-heat boiler ผลิตไอน้ำความดันสูงซึ่งสะดวกในการขนส่งความร้อนได้ ดังนั้นจึงเหมาะกับโรงงานที่มีความต้องการความร้อนอุณหภูมิสูง และสถานที่ที่ใช้งานมีลักษณะกระจายกัน กรณีที่มีอุปสงค์ความร้อนต่ำ เช่น ในหน้าร้อน และต้องการเพิ่มปริมาณการผลิตไฟฟ้า ก็สามารถปรับอัตราส่วนระหว่างการผลิตความร้อน-ไฟฟ้าได้ด้วยการนำไอน้ำที่เกิดขึ้นกลับไปป้อนให้ทางเข้าก๊าซเทอร์ไบน์ (cheng cycle) ในทางกลับกัน กรณีที่กำเนิดไอน้ำไม่พอใช้ จะใช้เชื้อเพลิงเผาไหม้ช่วยในหม้อไอน้ำ waste-heat boiler เพื่อปรับปริมาณไอน้ำ เซลเชื้อเพลิงมีการทดสอบสาธิตกันอยู่บ้าง แต่ยังมีปัญหาเรื่องการลดต้นทุน

การอนุรักษ์พลังงานและความคุ้มทุนของระบบโคเจเนอเรชั่น

เทียบกับระบบที่ได้รับกำลังไฟฟ้าจากเครือข่ายของการไฟฟ้า และกำเนิดแหล่งความร้อน เช่น ไอน้ำ ฯลฯ แยกต่างหากด้วยหม้อไอน้ำ ฯลฯ เพื่อนำไปใช้แล้ว ระบบที่ผลิตและใช้ประโยชน์จากกำลังขับเคลื่อนและความร้อนจากเชื้อเพลิงโดยอาศัยเครื่องจักรชนิดเดียวกัน เรียกว่า ระบบโคเจเนอเรชั่น (CGS หรือ CHP)

ในโรงไฟฟ้าที่ผลิตไฟฟ้าเพียงอย่างเดียว แม้จะใช้ระบบกำเนิดไฟฟ้าแบบคอมไบน์ไซเคิลโดยใช้ก๊าซเทอร์ไบน์และกังหันไอน้ำร่วมกันก็ตาม ความร้อนที่ถูกทิ้งไปในเครื่องควบแน่นก็ยังมีปริมาณมาก ประสิทธิภาพความร้อนจะมีค่าประมาณ 50 % และยังต้องลบด้วยความสูญเสียในการจ่ายไฟฟ้าอีกเกือบ 6 % แต่ในระบบโคเจเนอเรชั่นซึ่งจะติดตั้งที่ด้านอุปสงค์ แล้วใช้ความร้อนอุณหภูมิสูงที่ได้จากการเผาไหม้เชื้อเพลิงในการผลิตกำลังขับเคลื่อน และใช้ความร้อนอุณหภูมิต่ำในการให้ความร้อนแล้ว ประสิทธิภาพการผลิตไฟฟ้าเท่ากับ 25-45 % แต่หากสามารถนำความร้อนไปใช้ประโยชน์ได้จะมีประสิทธิภาพความร้อนรวมสูงได้ถึง 70-80% ดังจะแสดงให้เห็นในตัวอย่างต่อไป นอกจากนี้ การติดตั้งระบบโคเจเนอเรชั่น จะช่วยให้สามารถควบคุมกำลังไฟฟ้าสูงสุดได้ จึงสามารถลดสัญญาการใช้ไฟฟ้าฐานได้

นอกจากนี้ระบบโคเจเนอเรชั่นยังสามารถใช้ประโยชน์เป็นแหล่งจ่ายไฟฉุกเฉินได้ จึงมีข้อได้เปรียบที่สามารถทำสัญญาปรับแรงดันไฟฟ้าฉุกเฉินได้อีกด้วย

รูป ตัวอย่างโครงสร้างของระบบที่สามารถปรับสัดส่วนไฟฟ้ากับความร้อนได้

ข้อควรระวังในการเลือกใช้ระบบโคเจเนอเรชั่น

ความคุ้มทุนของระบบโคเจเนอเรชั่นขึ้นอยู่กับว่าสามารถเพิ่ม utilization factor ของระบบได้อย่างไร และจะสามารถใช้ความร้อนทั้งหมดได้อย่างไร ดังนั้น ก่อนการนำมาใช้จึงต้องวางแผนระบบโดยตรวจสอบรูปแบบของอุปสงค์ความร้อนและไฟฟ้าของแต่ละฤดูกาลและช่วงเวลาให้ถี่ถ้วน ในตัวอย่างที่1 ทั้งๆ ที่ประสิทธิภาพพลังงานสูงสุดมีค่าถึง 75 % แต่ประสิทธิภาพเฉลี่ยทั้งปีมีค่าเพียง 52-54 % และในตัวอย่างที่ 2 เทียบกับฤดูร้อนและฤดูหนาวแล้ว ในช่วงระหว่างฤดูทั้งสองประสิทธิภาพรวมจะลดลง 10 %

การปรับการเดินเครื่องเพื่อให้รับการเปลี่ยนแปลงของอุปสงค์ไฟฟ้าเป็นเรื่องที่ยุ่งยาก ดังนั้น โดยทั่วไปจะเชื่อมต่อระบบกับระบบของการไฟฟ้าเพื่อรับการเปลี่ยนแปลงนี้ เนื่องจากถ้าไฟดับแล้วมีกำลังไฟฟ้าส่งย้อนกลับเข้าไปในระบบไฟฟ้าสาธารณะจะเกิดอันตรายขึ้นได้ ในการเชื่อมต่อจะต้องติดตั้งอุปกรณ์ป้องกันตามแนวทางข้อกำหนดทางวิศวกรรมเกี่ยวกับการเชื่อมต่อระบบไฟฟ้าที่ประกาศโดยกระทรวงเศรษฐกิจและอุตสาหกรรมแห่งประเทศญี่ปุ่น(สำหรับประเทศไทยก็มีข้อกำหนดดังกล่าวเช่นกัน) ถ้าอุปสงค์มีภาระเปลี่ยนแปลงค่อนข้างน้อย และสามารถยอมให้หยุดเครื่องได้ชั่วคราวเป็นระยะเวลาสั้นๆ เช่น ระบบปรับอากาศ ฯลฯ บางครั้งอาจจะจัดทำระบบที่เป็นอิสระจากไฟฟ้าสาธารณะเฉพาะอุปสงค์นั้นก็ได้

เพื่อรองรับการเสียที่ไม่คาดคิดหรือการซ่อมบำรุงตามวาระ จะต้องพิจารณาการแบ่งแยกระบบไฟฟ้าและระบบไฟฟ้าสำรองด้วย

เครื่องยนต์สันดาปภายในจะต้องสัมผัสกับอุณหภูมิสูงและสิ่งแปลกปลอมในเชื้อเพลิง เมื่อเดินเครื่องเป็นระยะเวลานานจะเกิดการสึกหรอและการปนเปื้อนขึ้น ดังนั้น จึงต้องมีการตรวจซ่อมบำรุงอย่างเป็นระบบเพื่อให้สามารถเดินเครื่องได้อย่างมีเสถียรภาพและรักษาประสิทธิภาพเอาไว้ได้

อ้างอิง

สำนักพัฒนาทรัพยากรบุคคลด้านพลังงาน. (2004).การอนุรักษ์พลังงานในระบบความร้อน . Retrieved from DEDE:http: www2.dede.go.th/bhrd/old/Download/file_handbook/Pre_Heat/pre_heat_9.pdf

ienergyguru.com
0 replies

Leave a Reply

Want to join the discussion?
Feel free to contribute!

ใส่ความเห็น

อีเมลของคุณจะไม่แสดงให้คนอื่นเห็น ช่องที่ต้องการถูกทำเครื่องหมาย *

Advertisements