องค์ประกอบของโรงไฟฟ้าพลังน้ำ
(Hydroelectric Power Plant Configurations)
ในบทความนี้จะกล่าวถึงองค์ประกอบในส่วนต่าง ๆ ของโรงไฟฟ้าพลังงานน้ำ ซึ่งมีส่วนประกอบที่สำคัญดังนี้
คลองส่งน้ำ (Canal)
คลองส่งน้ำคือ ทางนํ้า หรือคลองนํ้าที่รับนํ้าจากแหล่งนํ้า หรืออ่างเก็บนํ้าส่วนใหญ่มีลักษณะเป็นคลองดาดคอนกรีตรูปสี่เหลี่ยมคางหมูมีท่อส่งนํ้าติดตั้งในระดับท้องคลองส่งนํ้าเพื่อให้นํ้าไหลเข้าสู่ท่อส่งนํ้า
คลองส่งน้ำ (Canal)
Source : http://yasothon.rid7.com/LMC-Pipe.JPG
อ่างลดแรงดัน, ถังลดแรงดัน(fore bay, surge tank)
อ่างลดแรงด้นคืออาคารหรือถังที่สร้างขึ้นเพื่อลดแรงดันที่เกิดขึ้นในท่อขณะที่มีการเปลี่ยนแปลงความเร็วของน้ำหรือแรงกระแทกในท่อย่างกะทันหัน ซึ่งอาจทำให้ท่อหรือหัวฉีดนํ้าเสียหายได้ สร้างอยู่ระหว่างตัวเขื่อนกับโรงไฟฟ้า ถ้าโรงไฟฟ้าอยู่ใกล้กับตัวเขื่อนอยู่แล้ว ก็ไม่จำเป็นต้องมีอ่างหรือถังลดแรงดันน้ำนี้ โดยทั้งนี้การใช้อ่างหรือถังลดแรงดันจะขึ้นอยู่กับลักษณะแต่ละพื้นที่
ระบบผันนํ้า (Headrace)
นํ้าจากอาคารรับนํ้าจะถูกส่งไปยังโรงไฟฟ้าโดยระบบผันนํ้าอาจเป็นคลองส่งนํ้าหรือท่อส่งนํ้าแรงดันตํ่า ซึ่งมีความลาดชันตํ่า ความยาวของระบบผันนํ้าขึ้นอยู่กับความต้องการของความสูงหัวนํ้าสำหรับใช้ในการผลิตกระแสไฟฟ้าซึ่งขึ้นอยู่กับสภาพภูมิประเทศ การก่อสร้างโครงการไฟฟ้าพลังนํ้าขนาดเล็ก ชนิดที่มีฝายทดนํ้ามีความจำเป็นต้องมีระบบผันนํ้าดังกล่าว
อาคารรับนํ้า (Intake)
อาคารรับน้ำส่วนมากเป็นอาคารโครงสร้างคอนกรีตสำหรับรับนํ้าจากลำนํ้าหน้าฝายทดนํ้าหรือหน้าเขื่อน เข้าสู่ระบบผันนํ้า และระบบส่งนํ้า โดยปกติจะวางแนวอยู่ในทิศตั้งฉากกับทิศทางการไหลของลำนํ้า ซึ่งสามารถควบคุมปริมาณการไหลของนํ้าที่จะใช้ประโยชน์โดยติดตั้งระบบเปิด-ปิดด้วยบานประตู ติดตั้งตะแกรงป้องกันเศษขยะที่ลอยมากับนํ้า และมีประตูระบายตะกอนทราย ที่สามารถระบายตะกอนทรายซึ่งไหลมากับนํ้าไม่ให้เข้าสู่ระบบผันนํ้าได้ อาคารรับนํ้าอาจก่อสร้างใกล้กับฝายทดนํ้าหรือเขื่อน หรืออาจแยกกันขึ้นอยู่กับสภาพภูมิประเทศ
โครงการไฟฟ้าพลังน้ำห้วยขุ่น จังหวัดเชียงราย
ท่อส่งน้ำ (Penstock)
ท่อส่งน้ำคือ ท่อที่รับนํ้าจากอ่างเก็บนํ้า หรือด้านเหนือเขื่อน ส่งไปยังอาคารโรงไฟฟ้าเป็นทางนํ้าผ่านเพื่อหมุนเครื่องกังหันนํ้าและเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ความยาวและขนาดท่อขึ้นอยู่กับปริมาณนํ้าและตำแหน่งที่ตั้งโรงไฟฟ้า
อาคารโรงไฟฟ้า (Powerhouse)
อาคารโรงไฟฟ้าเป็นอาคารสำหรับควบคุมดูแลอุปกรณ์และระบบการทำงานของการผลิตกระแสไฟฟ้าด้วยพลังนํ้า ภายในอาคารโรงไฟฟ้าประกอบด้วย เครื่องกังหันนํ้า เครื่องกำเนิดไฟฟ้า เครื่องควบคุมความเร็วรอบ ตู้แผง และอุปกรณ์ควบคุม
เครื่องกำเนิดไฟฟ้า(Generator)
เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเป็นอุปกรณ์ที่ทำหน้าที่แปลงพลังงานกลเป็นพลังงานไฟฟ้าโดยอาศัยการเหนี่ยวนำของแม่เหล็กตามหลักการของ ไมเคิล ฟาราเดย์ คือ การเคลื่อนที่ของขดลวดตัวนำผ่านสนามแม่เหล็ก หรือการเคลื่อนที่แม่เหล็กผ่านขดลวดตัวนำทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำขึ้นในขดลวดตัวนำนั้น สำหรับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ใช้งานในเชิงอุตสาหกรรมนั้น โดยมากจะเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าชนิดกระแสสลับซึ่งมีทั้งแบบ 1 เฟส และแบบ 3 เฟส เครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาดใหญ่ที่ใช้ตามโรงไฟฟ้าเป็นเครื่องกำเนิดแบบ 3 เฟสทั้งหมด เนื่องจากสามารถผลิตและจ่ายกำลังไฟฟ้าได้เป็นสามเท่าของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบ 1 เฟส
เครื่องควบคุมความเร็วรอบ (Governor)
อุปกรณ์ควบคุมความเร็วรอบให้คงที่เพื่อการผลิตไฟฟ้าให้ได้ระดับแรงดัน และความถี่อยู่ในเกณฑ์กำหนด ถ้าความเร็วรอบลดลงก็จะส่งสัญญาณไปยังแหล่งต้นกำลังงาน ให้เพิ่มกำลังในการหมุนมากขึ้นเพื่อเข้าสู่สภาวะปกติต่อไป
ตู้แผงและอุปกรณ์ควบคุม (Control switchboard)
ตู้ควบคุมระบบไฟฟ้า แผงวงจรหรือแผงสวิตช์ อาจเป็นแผงเดี่ยวขนาดใหญ่หรือหลายแผงประกอบเข้าด้วยกัน ใช้ติดตั้งอุปกรณ์ต่างๆ ทางด้านหน้า หรือด้านหลัง หรือทั้งสองด้านอุปกรณ์ที่ติดตั้งไว้ภายในประกอบด้วย ชุดควบคุม ชุดเครื่องมือวัดชุดป้องกัน และหลอดแสดงสัญญาณ เป็นต้น
เครื่องกังหันนํ้า (Water turbine)
เครื่องกังหันน้ำ คือ เครื่องจักรกลที่ทำงานโดยอาศัยแรงปะทะของนํ้าที่ไหลมาจากท่อทางนํ้ากับใบกังหันแรงของนํ้ามีมากพอ พอที่จะทำให้กังหันนํ้าหมุนเป็นการแปลงพลังงานของนํ้าที่ไหลตกลงมาปะทะใบกังหันโดยอิสระในรูปพลังงานจลน์ให้เป็นพลังงานกลหมุนแกนของกังหันซึ่งต่อกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
1. กังหันแบบแรงกระแทก (Impulse turbine)
กังหันแบบแรงกระแทกเป็นกังหันที่หมุนโดยอาศัยแรงฉีดของนํ้าจากท่อส่งนํ้าที่รับนํ้าจากที่สูง หรือหัวนํ้า (water head) สูง ไหลลงมาตามท่อที่ลดขนาดลงมายังหัวฉีดกระแทกกังหันให้หมุน และต่อแกนกับเครื่องกำเนิดผลิตไฟฟ้า แบ่งออกเป็น 3 ชนิด คือ
- แบบใช้กับตัวน้ำต่ำ กำลังผลิตน้อย เรียก แบบแบงกี (Banki type) เหมาะกับนํ้าที่มีหัวนํ้าตํ่า และให้กำลังการผลิตค่อนข้างน้อยปัจจุบันไม่เป็นที่นิยม
- แบบใช้กับหัวน้ำปานกลาง เรียก แบบเทอร์โก (Turgo type) กังหันที่พัฒนาจากกังหันแบบเพลตัน จะใช้ถ้วยรับนํ้าแบบเดี่ยวและค่อนข้างตื้น กังหันนํ้านี้เหมาะสำหรับแหล่งนํ้าที่มีหัวนํ้าสูงปานกลางเพราะสามารถใช้กับลำนํ้าที่ผ่านหัวฉีดซึ่งมีความเร็วไม่มากนัก
- แบบใช้กับหัวนํ้าสูง กำลังผลิตมาก เรียก แบบเพลตัน (Pelton type) มีลักษณะคล้ายถ้วย 2 ใบทำจากโลหะ วางเป็นวงกลมยึดติดแน่นกับวงล้อ ผลิตพลังงานกลจากเพลา และการเคลื่อนไหวของการหมุนกังหันเพลาจะถูกส่งโดยเครื่องกำเนิดไฟฟ้า โดยทั่วไปกังหันนํ้านี้เหมาะสำหรับการผลิตไฟฟ้าจากแหล่งนํ้าที่ระดับหัวนํ้าสูงกว่า 250 เมตร หรือน้อยกว่าก็ได้ในกรณีที่เป็นระบบเล็ก การทำให้กังหันนํ้านี้หมุน อาจใช้ความเร็วของลำนํ้าที่ผ่านหัวฉีดไม่ต้องมีความเร็วสูงนัก
2. กังหันแบบแรงโต้(Reaction turbine)
กังหันแบบแรงโต้เป็นกังหันที่หมุนโดยใช้แรงดันของนํ้าที่เกิดจากความต่างระดับของนํ้าด้านหน้า และด้านท้ายของกังหันกระทำต่อใบพัด ระดับด้านท้ายนํ้าจะอยู่สูงกว่าระดับบนของปลายท่อปล่อยนํ้าออกเสมอ กังหันชนิดนี้เหมาะกับอ่างเก็บนํ้าที่มีความสูงปานกลางและตํ่าแบ่งได้เป็น 3 แบบ คือ
2.1) กังหันฟรานซิส (Francis turbine) หลักการทำงาน คือ นํ้าที่ถูกส่งออกมาจากท่อส่งนํ้าจะไหลเข้าสู่ท่อก้นหอยที่ประกอบอยู่รอบๆตัวกังหัน ท่อก้นหอยจะมีขนาดของพื้นที่หน้าตัดเล็กลงตามความยาวของท่อเพื่อเพิ่มแรงดันและความเร็วของนํ้า ภายในท่อก้นหอยจะมีนํ้าเต็มอยู่ตลอดเวลา นํ้าที่ไหลในท่อก้นหอยจะแทรกตัวผ่านลิ้นนำนํ้าเข้า เพื่อเข้าสู่ตัวกังหัน ทำให้วงล้อของกังหันนํ้าหมุนได้
2.2) กังหันคาปลาน (Kaplan turbine) หรือกังหันแบบใบพัดนํ้าจะไหลผ่านใบพัดในทิศทางขนานกับแกนของกังหัน ใช้กับงานที่มีหัวนํ้าตํ่า ใบพัดของกังหันคาปลานเป็นใบพัดที่สามารถปรับได้ตามมุมของซี่ใบพัดโดยอัตโนมัติตามแรงอัดหรือแรงฉีดแรงนํ้า โดยจะสัมพันธ์กับความแรงที่หัวฉีดนํ้าเหมาะกับแหล่งนํ้าที่มีความสูงหัวนํ้าตํ่าตั้งแต่ 1-70 เมตร
2.3) กังหันเดเรียซ (Deriaz turbine) หรือกังหันแบบที่มีการไหลของนํ้าในทิศทางทแยงมุมกับแกน กังหันแบบนี้ใช้กับกรณีที่มีหัวนํ้าสูง ส่วนของใบพัดจะเคลื่อนที่ได้เมื่อมีนํ้าไหลผ่านและมีลักษณะคล้ายกับกังหันฟรานซิส
ประตูระบายทราย (Sand sluice)
ประตูระบายทรายเป็นสิ่งก่อสร้างที่ทำหน้าที่ช่วยในการระบายทรายที่ตกทับถมบริเวณหน้าฝายโดยมากมักจะสร้างติดกับฝายทางด้านที่มีประตูหรือท่อปากคลองส่งนํ้า ลักษณะเป็นช่องระบายซึ่งมีระดับพื้นตํ่ากว่าพื้นของประตูหรือท่อปากคลองส่งนํ้า โดยจะมีขนาดความกว้างตามปริมาณของตะกอนทรายที่คาดว่าจะต้องระบายทิ้งไป หรือตามปริมาณนํ้าส่วนหนึ่งที่ต้องการระบายในฤดูนํ้าหลากนั้น
สถานีไฟฟ้าย่อยแปลงแรงดันสูง, ลานไกไฟฟ้า (Step-up substation, switch yard)
สถานที่ติดตั้งอุปกรณ์ควบคุมและป้องกันความผิดปกติ ซึ่งอาจเกิดขึ้นระหว่างระบบผลิตกำลังไฟฟ้ากับระบบส่งกำลังไฟฟ้ามีหน้าที่หลัก คือ แปลงแรงดันจากระบบผลิตให้สูงขึ้นในระดับต่างๆ เพื่อเข้าสู่ระบบส่งกำลังไฟฟ้าต่อไป
ตะแกรงกันขยะ(Trash rack)
ตะแกรงหรือลูกกรงเหล็กที่ติดตั้งบริเวณก่อนทางเข้าท่อส่งนํ้าหรือพื้นที่รับนํ้าเพื่อดักสิ่งที่ลอยมากับนํ้า เช่น เศษกิ่งไม้ วัชพืชหรือของลอยนํ้าอื่นๆ ป้องกันไม่ให้นํ้าพัดพาเข้าสู่ท่อส่งนํ้าทำอันตรายต่อกังหันได้ ขนาดของตะแกรงขึ้นอยู่กับขนาดท่อหรือพื้นที่รับนํ้า โดยเป็นส่วนประกอบของอาคารรับนํ้า
ทางนํ้าทิ้ง (Tailrace)
ทางสำหรับปล่อยนํ้าที่ไหลออกจากกังหันนํ้าลงสู่ลำนํ้าด้านท้ายเขื่อน ติดตั้งที่ระดับตํ่ากว่า คลองส่งนํ้า โดยเป็นส่วนประกอบของอาคารโรงไฟฟ้า
สายส่งไฟฟ้า (Transmission line)
ระบบจ่ายกระแสไฟฟ้า ประกอบด้วยหม้อแปลงและระบบสายส่ง โดยหม้อแปลงทำหน้าที่แปลงแรงดันไฟฟ้าที่ผลิตได้จากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าให้เป็นไฟฟ้าที่มีแรงดันสูง ส่งเข้าสู่ระบบสายส่ง โดยจ่ายกระแสไฟฟ้าที่ผลิตได้ไปยังผู้ใช้ หรืออาจเชื่อมต่อกับระบบจำหน่ายของการไฟฟ้าส่วนภูมิภาค ความยาวของสายไฟจากอาคารโรงไฟฟ้าจะขึ้นอยู่กับระยะทาง ส่วนความสามารถของการจ่ายไฟขึ้นอยู่กับแหล่งนํ้า
Bibliography
กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน. (2557). ไฟฟ้าพลังน้ำ. In กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน, สารานุกรมพลังงานทดแทน (pp. 250-257, 260, 263-265). กรุงเทพมหานคร,ประเทศไทย.
