Boiler Equipment (อุปกรณ์เสริมที่สำคัญของหม้อไอน้ำ)

อุปกรณ์เสริมที่สำคัญของหม้อไอน้ำ (Boiler Equipment) คืออุปกรณที่ติดตั้งในระบบผลิตไอน้ำเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ และเพิ่มความเถียรของระบบผลิตไอน้ำ ซึ่งอุปกรณ์เสริมที่จะนำเสนอ ได้แก่  Superheater และ Reheater, Economizer, Boiler Controls และ Steam accumulator

Superheater และ Reheater

ไอน้ำที่ใช้กับกังหันไอน้ำ (Steam Turbine) โดยทั่วไปจะใช้ไอดง (Superheated steam) เพื่อให้ไอน้ำมีอุณหภูมิสูงจะได้มีประสิทธิภาพของ Cycle สูง และเพื่อป้องกันไอน้ำกลายเป็นไอน้ำเปียกที่ทางออกกังหัน ซึ่งอาจทำให้ใบพัดของกังหันเสียหายจากการเซาะกร่อนได้ อุปกรณ์ที่ให้ความร้อนแก่ไอน้ำอิ่มตัวที่ได้จากหม้อไอน้ำภายใต้ความดันคงที่ เพื่อให้กลายเป็นไอดง เรียกว่า Superheater ยิ่งไอน้ำมีอุณหภูมิสูง ประสิทธิภาพก็จะเพิ่มขึ้น อย่างไรก็ตาม เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ความแข็งแรงของท่อไอน้ำจะลดลง ดังนั้น การเพิ่มอุณหภูมิจึงมีขีดจำกัด โรงไฟฟ้าพลังความร้อนในปัจจุบันจะใช้ไอน้ำที่มีอุณหภูมิ 538-593°C แล้วแต่ความดันของไอน้ำ

รูป  ลักษณะการไหลของ Superheater

เครื่อง Superheater ประกอบด้วยท่อสำหรับให้ความร้อนไอน้ำและเฮดเดอร์สำหรับมัดรวมท่อเหล่านี้เข้าด้วยกัน เครื่อง Superheater แบ่งออกตามความสัมพันธ์ของทิศทางการไหลของไอน้ำและก๊าซเผาไหม้ได้เป็นแบบ Parallel flow แบบ Reverse flow และแบบ Mixed flow ซึ่งจะเลือกใช้ร่วมกันโดยคำนึงการทนความร้อนของท่อและอิทธิพลของการเปลี่ยนแปลงภาระของหม้อไอน้ำที่จะมีต่ออุณหภูมิของไอน้ำ นอกจากนี้ยังสามารถแบ่งตามวิธีการถ่ายเทความร้อนได้เป็นแบบการพาความร้อน แบบการแผ่รังสี และแบบการพาความร้อนร่วมกับการแผ่รังสี โดยทั่วไปเมื่ออัตราการผลิตไอน้ำของหม้อไอน้ำสูงขึ้น เครื่อง Superheater แบบการพาความร้อนจะมีแนวโน้มให้ความร้อนได้มากขึ้น แต่แบบการแผ่รังสีจะให้ความร้อนได้น้อยลง เมื่อนำมาใช้ร่วมกันจะสามารถลดการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิไอน้ำเมื่อภาระของหม้อไอน้ำเปลี่ยนแปลงไปได้

อุปกรณ์ที่นำไอดงความดันสูงที่ขยายตัวแล้วที่กังหันไอน้ำ กลับมาที่หม้อไอน้ำเพื่อมาให้ความร้อนใหม่ เรียกว่า Reheater อุปกรณ์นี้จะทำให้ไอน้ำซึ่งมีสภาพใกล้เคียงกับไอน้ำอิ่มตัวกลับไปเป็นไอดงอีกครั้ง และนำไปขยายตัวที่กังหันไอน้ำช่วงต่อไป ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของ Cycle และป้องกันการเซาะกร่อนของใบพัดกังหันไอน้ำเนื่องจากไอน้ำเปียก อุปกรณ์นี้มีโครงสร้างเหมือนกับ Superheater

Economizer

Economizer เป็นอุปกรณ์ที่นำความร้อนทิ้งในก๊าซเผาไหม้ที่ผ่าน Superheater และ Reheater มาแล้วกลับมาใช้ในการ Preheat น้ำเลี้ยงหม้อไอน้ำ นอกจากนี้ ยังมีผลในการลดผลต่างของอุณหภูมิระหว่างน้ำในหม้อกับน้ำเลี้ยง จึงช่วยลดความเค้นจากความร้อนที่กระทำต่อ Drum อีกด้วย เนื่องจากก๊าซไอเสียมีอุณหภูมิต่ำ จึงต้องใช้พื้นที่ถ่ายเทความร้อนมาก บางครั้งก็ใช้พื้นผิวที่มีครีบ หากติดตั้ง Economizer แล้วทำให้อุณหภูมิของก๊าซไอเสียลดลงประมาณ 20°C จะสามารถเพิ่มประสิทธิภาพให้หม้อไอน้ำได้ประมาณ 1 %

รูป  ลักษณะการทำงานของ Economizer

Source: www.globalspec.com, (2015)

กรณีที่ใช้เชื้อเพลิงที่มีกำมะถัน (Sulphur) รวมอยู่ด้วย หากลดอุณหภูมิของก๊าซไอเสียมากเกินไป จะมีกรดซัลฟูริกมาควบแน่นที่ผิวหน้าของ Economizer ทำให้เกิดการกัดกร่อน (Low temperature corrosion) จึงต้องระวังไม่ให้น้ำเข้า Economizer มีอุณหภูมิต่ำเกินไป

Air preheater

เครื่อง Air preheater เป็นอุปกรณ์นำความร้อนทิ้งมาใช้ใหม่ โดยใช้ความร้อนทิ้งในก๊าซท่อไอเสียมาอุ่น (Preheat) อากาศสำหรับการเผาไหม้ในหม้อไอน้ำ การทำให้อากาศสำหรับเผาไหม้มีอุณหภูมิสูงขึ้น จะทำให้เชื้อเพลิงติดไฟง่ายขึ้นและประสิทธิภาพการเผาไหม้สูงขึ้น จึงสามารถลดความร้อนสูญเสียจากเชื้อเพลิงไม่เผาไหม้และลดอัตราอากาศส่วนเกินได้ โดยทั่วไปเครื่อง Air preheater ส่วนใหญ่จะติดตั้งไว้หลังจาก Enonomizer ในหม้อไอน้ำขนาดเล็ก แค่ Economizer อย่างเดียวก็เพียงพอที่จะนำความร้อนทิ้งในก๊าซไอเสียกลับมาใช้ได้อย่างมาก แต่สำหรับหม้อไอน้ำขนาดใหญ่ เช่น ในโรงไฟฟ้า ฯลฯ ก๊าซที่ทางออก Economizer ยังมีอุณหภูมิสูง จึงต้องนำความร้อนที่ปล่อยออกกลับมาใช้ด้วยเครื่อง Air preheater

รูป  ลักษณะการทำงานของ Air preheater

Source: www.globalspec.com, (2015)

เครื่อง Air preheater แบ่งเป็นแบบถ่ายเทความร้อนกับแบบ Regenerative โดยแบบนี้มีลักษณะถ่ายเทความร้อนเหมือนกับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนทั่วไปที่ถ่ายเทความร้อนจากก๊าซไอเสียให้แก่อากาศผ่านผนังโลหะ ส่วนแบบ Recuperative จะนำแผ่นโลหะหนาประมาณ 1 mm ไปสัมผัสกับก๊าซไอเสียเป็นระยะเวลาหนึ่งเพื่อให้ดูดกลืนความร้อน หลังจากนั้นจึงนำไปสัมผัสกับอากาศสำหรับเผาไหม้เป็นระยะเวลาหนึ่งเพื่อให้คายความร้อน

Boiler Controls

เราสามารถพิจารณาได้ว่า หม้อไอน้ำเป็นระบบควบคุมหลายตัวแปรที่ซับซ้อน ประกอบด้วยการเปลี่ยนแปลงต่างๆ เช่น การเผาไหม้ การถ่ายเทความร้อน อุณหภูมิ ฯลฯ ที่ดำเนินไปพร้อมกันและมีความสัมพันธ์เกี่ยวข้องกัน ซึ่งหมายความว่าต้องควบคุมทั้งสมดุลพลังงานและสมดุลมวลสารภายในหม้อไอน้ำ อย่างไรก็ตาม เมื่อแบ่งตัวแปรต่างๆ ออกเป็นปริมาณที่ต้องการควบคุม (Controlled variables) และปริมาณที่สามารถจัดการได้ (Manipulated variable) จะได้ว่า Controlled variable คือ ปริมาณไอน้ำ ความดันไอน้ำ อุณหภูมิไอน้ำ ฯลฯ ส่วน Manipulated variable คือ ปริมาณเชื้อเพลิง ปริมาณอากาศ ปริมาณน้ำเลี้ยง เป็นต้น

1 การควบคุมน้ำเลี้ยง (FWC : Feed water control) 

การควบคุมน้ำเลี้ยง หมายถึง การควบคุมการจ่ายน้ำเลี้ยงให้เหมาะสมกับภาระของหม้อไอน้ำ ตัวแปรสถานะในการควบคุมนี้ สำหรับ Cylindrical boiler ได้แก่ ระดับน้ำของส่วนที่เป็นน้ำ สำหรับ Drum boiler ได้แก่ ระดับน้ำใน Drum การควบคุมจากจะกระทำโดยการวัดระดับน้ำ แล้วปรับปริมาณน้ำเลี้ยงให้แปรผันตามผลต่างระหว่างค่าที่วัดได้กับระดับน้ำมาตรฐาน เรียกว่า 1-Element control ซึ่งใช้กับหม้อไอน้ำขนาดเล็กต่างๆ สำหรับหม้อไอน้ำขนาดกลางและขนาดใหญ่ น้ำใน Drum จะมีฟองก๊าซจำนวนมาก การเปลี่ยนแปลงปริมาตรของน้ำจึงกลายเป็นการรบกวนทำให้การควบคุมไม่มีเสถียรภาพได้ วิธีแก้ไขทำได้โดยใช้ 2-Element control โดยเพิ่มปริมาณไอน้ำเข้าไปเป็นค่าล่วงหน้าของการเปลี่ยนแปลงภาระ หรือใช้ 3-Element control โดยเพิ่มการควบคุมที่หาผลต่างระหว่างปริมาณไอน้ำกับปริมาณน้ำเลี้ยง หากผลต่างไม่เท่ากับศูนย์ก็ทำการปรับปริมาณน้ำเลี้ยง

รูป  ลักษณะการทำงานของ Feed water control

Source: www.marineengineeringonline.com, (2015)

2 การควบคุมการเผาไหม้ (ACC : Automatic combustion control)

การควบคุมการเผาไหม้บางครั้งก็เรียกว่า การควบคุมความดันไอน้ำ เป็นการควบคุมเพื่อปรับเชื้อเพลิงเพื่อให้ไอน้ำมีความดันคงที่ รวมทั้งทำการควบคุมการป้อนอากาศที่ต้องใช้ในการเผาไหม้เข้าไปในหม้อไอน้ำด้วยอัตราส่วนอากาศที่เหมาะสมไปพร้อมกันอีกด้วย หากอากาศสำหรับเผาไหม้มีปริมาณน้อยเกินไปเทียบกับปริมาณเชื้อเพลิงแล้ว จะเกิดความสูญเสียไปกับเชื้อเพลิงที่ไม่เผาไหม้เนื่องจากการเผาไหม้กระทำได้ไม่ดี และอาจเกิดปัญหาไฟดับได้ นอกจากนี้ หากอากาศสำหรับเผาไหม้มีปริมาณมากเกินไป ความสูญเสียในก๊าซเผาไหม้จะเพิ่มขึ้นทำให้ประสิทธิภาพของหม้อไอน้ำลดลง ดังนั้น จึงจำเป็นต้องควบคุมอัตราส่วนอากาศให้เหมาะสม

รูป  ลักษณะการทำงานของ Automatic combustion control

Source: www.yokogawa.com, (2015)

Steam accumulator

กรณีที่ปริมาณการใช้ไอน้ำเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเมื่อโรงงานเริ่มทำงาน หรือกรณีที่มีความต้องการไอน้ำปริมาณมากเป็นครั้งคราว หรือในกระบวนการผลิตที่ความต้องการไอน้ำไม่สม่ำเสมอบ่อยๆ ทั้งในแง่ปริมาณและเวลา เพื่อป้องกันปัญหาที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ มักจะมีการติดตั้ง Steam accumulator

Steam accumulator แบ่งตามวัตถุประสงค์การใช้งานและสถานที่ที่ใช้งานได้เป็นแบบความดันไม่คงที่และแบบความดันคงที่ โดย Steam accumulator ขนาดใหญ่โดยทั่วไปมักจะเป็นแบบแรก ขณะที่แบบหลังจะใช้กับวัตถุประสงค์ค่อนข้างเฉพาะ เช่น น้ำจ่ายให้หม้อไอน้ำ เป็นต้น

Steam accumulator แบบความดันไม่คงที่จะติดตั้งไว้ระหว่างอุปกรณ์จ่ายไอน้ำกับภาระไอน้ำ เมื่อภาระไอน้ำเพิ่มขึ้นและความดันของระบบไอน้ำลดต่ำลง น้ำร้อนอิ่มตัวในภาชนะความดันสูงจะกลายเป็นไอด้วยตัวเอง ปล่อยความร้อนที่เทียบเท่ากับผลต่างจากอุณหภูมิอิ่มตัวที่ความดันที่ลดต่ำลงนั้น ทำให้มีความดันลดลงขณะที่จ่ายไอน้ำอิ่มตัวให้ ในทางกลับกันเมื่อภาระไอน้ำลดลงและความดันของระบบไอน้ำเพิ่มสูงขึ้น ไอน้ำความดันสูงจะจ่ายออกมาจากหม้อไอน้ำ ไอน้ำจะถูกพ่นเข้าไปหาน้ำร้อนในภาชนะ น้ำร้อนอิ่มตัวจะดูดกลืนความร้อนนั้นทำให้มีความดันและอุณหภูมิเพิ่มขึ้น กล่าวคือ เป็นการเก็บสะสมความร้อนนั่นเอง ใน Steam accumulator แบบความดันไม่คงที่นี้ ความดันในภาชนะจะมีการเปลี่ยนแปลงเมื่อมีการสะสมและคายความร้อน การที่จะทำงานเช่นนี้ได้ความดันที่สามารถจ่ายได้กับความดันต่ำสุดที่ผู้ใช้ต้องการจะต้องมีผลต่างความดันสูงเพียงพอ ยิ่งมีผลต่างความดันสูง Steam accumulator ตัวเดียวกันจะยิ่งกำเนิดไอน้ำได้มากขึ้น กล่าวคือ การทำให้ Steam accumulator มีขนาดเล็กและความจุ (Capacity) สูง ความดันของ Steam accumulator กับความดันไอน้ำใช้งานจะต้องมีผลต่างความดันสูง

รูป  ลักษณะการทำงานของ Steam accumulator แบบความดันไม่คงที่

Steam accumulator ที่ติดตั้งร่วมกับหม้อไอน้ำที่ทำงานด้วยอุปกรณ์ควบคุมการเผาไหม้อัตโนมัติ (Automatic Combustion Control System) โดยทั่วไปจะมีระบบปรับภาระไอน้ำโดย Steam accumulator จะปรับการเปลี่ยนแปลงไอน้ำทางด้านผู้ใช้ไอน้ำ ทำให้หม้อไอน้ำไม่ได้รับผลของการเปลี่ยนแปลงภาระรุนแรงเกินไป และสามารถเดินเครื่องต่อเนื่องได้โดยมีประสิทธิภาพสูง และหม้อไอน้ำจะปรับการทำงานให้สอดคล้องกับการเปลี่ยนแปลงภาระไอน้ำอย่างนุ่มนวล

ดังนั้น หากมีการใช้งาน Steam accumulator อย่างเหมาะสม จะส่งผลดีให้แก่ระบบผลิตไอน้ำดังต่อไปนี้

1) การเดินเครื่องหม้อไอน้ำจะมีเสถียรภาพ ด้วยการปรับอัตราส่วนอากาศอย่างละเอียด จะสามารถเผาไหม้ด้วย O₂ ต่ำได้ ซึ่งทำให้สามารถประหยัดค่าเชื้อเพลิงและลด NO_x ได้

2) สามารถรองรับภาระที่พุ่งสูงเกินกว่าพิกัดของหม้อไอน้ำไปชั่วขณะได้

3) สามารถจ่ายไอน้ำได้แม้หม้อไอน้ำจะหยุดทำงานชั่วขณะ

4) ลดจำนวนครั้งในการเริ่มเดินเครื่องและหยุดเครื่องหม้อไอน้ำ ทำให้ลดความร้อนสูญเสียจากการกระทำดังกล่าวได้

อ้างอิง

สำนักพัฒนาทรัพยากรบุคคลด้านพลังงาน. (2004).Thermal system and steam utilizing equipment . Retrieved from DEDE:http: www2.dede.go.th/bhrd/old/Download/file_handbook/Pre_Heat/pre_heat_9.pdf