โรงไฟฟ้าพลังงานก๊าซ ( Gas turbine ) 
โรงไฟฟ้าพลังไอน้ำนั้น ได้มีการมาเป็นเวลานานเกือบปีมาแล้ว และมีการพัฒนาจนสามารถใช้งานได้ดี จ่ายกำลังไฟฟ้าได้สูงกว่า โรงไฟฟ้าที่ใช้ต้นกำลังอื่นขับหลายชนิด สำหรับโรงไฟฟ้าพลังงานก๊าซ ถูกคิดค้นเพื่อนำมาใช้งานเมื่อไม่นานมาเท่าไรนัก สาเหตุที่นำระบบก๊าซมาใช้ก็เนื่องจากว่า การสร้างโรงไฟฟ้าพลังงานไอน้ำ จำเป็นต้องหาแหล่งน้ำที่ต้องใช้ปริมาณมากบางครั้งทำได้ลำบาก อาจจะต้องสร้างอ่างเก็บน้ำขนาดใหญ่ขึ้นมา ทำให้สิ้นเปลืองค่าใช้จ่าย ตลอดจนปัญหาเรื่องหม้อน้ำ ซึ่งเปลืองพื้นที่ในการติดตั้ง และมักมีข้อขัดข้องเกิดขึ้น เมื่อเปรียบเทียบขนาดของโรงงานไฟฟ้าที่มีกำลังจ่ายไฟฟ้าเท่ากัน โรงไฟฟ้าพลังงานก๊าซจะมีขนาดเล็กกะทัดรัดกว่าโรงไฟฟ้าพลังไอน้ำ
1. หลักการทำงานของเครื่องกังหันก๊าซ
การทำงานของเครื่องกังหันก๊าซ คล้ายกับกังหันไอน้ำ โดยกังหันไอน้ำจะใช้พลังงาน
จากไอน้ำเป็นตัวขับกังหัน แล้วเปลี่ยนเป็นพลังงานกลขณะที่ไอน้ำวิ่งผ่านใบพัด พร้อมกับขยายตัวเป็นช่วง ๆ จนเข้าสู่เครื่องควบแน่น ( condenser ) ส่วนกังหันก๊าซนั้นตัวที่ขับกังหันจะเป็นก๊าซร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้ของเชื้อเพลิงภายในห้องเผาไหม้ แล้วส่งเข้าตัวกังหัน
การทำงานของเครื่องกังหันก๊าซ โดยมีเครื่องอัดอากาศ ( compressor ) ต่ออยู่บนเพลาเดียวกับชุดกังหัน และต่อตรงไปยังเครื่องกำเนิดไฟฟ้า เมื่อเริ่มเดินเครื่อง อากาศจะถูกดูดจากภายนอกเข้าหาเครื่องอัดอากาศทางด้านล่าง ถูกอัดจนมีความดันและอุณหภูมิสูงขึ้น แล้วถูกส่งไปยังห้องเผาไหม้ ซึ่งใช้เชื้อเพลิงเป็นก๊าซธรรมชาติหรือน้ำมัน จะถูกเผาไหม้และให้ความร้อนแก่อากาศ ก๊าซร้อนที่ออกจากห้องเผาไหม้ จะถูกส่งไปยังตัวกังหัน ทำให้กังหันหมุนเกิดงานขึ้น ไปขับเครื่องอัดอากาศและขณะเดียวกันก็ขับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าด้วย ความดันของก๊าซเมื่อผ่านตัวกังหันจะลดลงและผ่านออกมาที่บรรยากาศ
ปกติห้องเผาไหม้จะสร้างด้วยโลหะทนความร้อนสูง แต่เนื่องจากอุณหภูมิของก๊าซร้อนที่เข้าไปขับตัวกังหันมีขีดจำกัด ดังนั้นอากาศประมาณ 1/6 ของอากาศอัดทั้งหมดจะถูกใช้ในห้องเผาไหม้ส่วนที่เหลือ ก็จะทำหน้าที่ผสมกับก๊าซร้อน แล้วจึงนำเข้าไปยังเรือนกังหัน อุณหภูมิของเปลวไฟในห้องเผาไหม้อยู่ระหว่าง 3,000 – 4,000 องศาฟาเร็นไฮท์ แต่ก๊าซร้อนมีอุณหภูมิประมาณ 1,000 – 1,500 องศาฟาเร็นไฮท์ ก่อนเข้าสู่เรือนกังหัน เพื่อขับกังหันต่อไป พลังงานที่ผลิตจากเครื่องกังหันก๊าซ จะนำไปขับเครื่องอัดอากาศประมาณ 60% ส่วนที่เหลือจะนำไปขับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและอุปกรณ์ประกอบช่วยงานอย่างอื่น
2 การใช้งานของเครื่องกังหันก๊าซ
ปกติโรงไฟฟ้าพลังงานก๊าซ มักเป็นเครื่องจ่ายไฟสำรอง ( stand by ) และช่วยเสริมการผลิต เมื่อเกิดความต้องการใช้ไฟฟ้าสูงสุด ( peak load ) มีกำลังการผลิตตั้งแต่ 1 – 60 เมกกะวัตต์ นอกจากจะใช้เป็นเครื่องต้อนกำลังในการผลิตไฟฟ้าแล้ว เครื่องกังหันก๊าซยังใช้งานอย่างอื่นอีก เช่นใช้เป็นเครื่องต้นกำลังขับปั๊มขนาดใหญ่
- ขับเครื่องรถยนต์ที่มีเร็วสูง
- ขับเครื่องเรือที่มีความเร็วสูง
- ใช้เป็นเครื่องยนต์ สำหรับรถบรรทุก รถโดยสาร และรถแทรกเตอร์
- ใช้เป็นเครื่องต้อนกำลังสำหรับเครื่องบินไอพ่น ( jet plane)
ข้อดีของเครื่องกังหันก๊าซ
1. ต้นทุนการสร้างต่ำ
2. มีนำหนักเบา
3. สามารถเริ่มเดินเครื่องได้รวดเร็ว ใช้เวลาเพียง 40 –60 วินาทีเท่านั้น
4. อุปกรณ์ประกอบอื่น ๆ มีน้อย และประกอบอยู่ในชุดเดียวกัน
5. สามารถเคลื่อนย้ายไปติดตั้งในที่ที่ต้องการได้สะดวก รวดเร็ว ใช้เวลาเพียงไม่กี่สัปดาห์ ก็สามารถเดินเครื่องจ่ายไฟฟ้า แต่ถ้าเป็นโรงไฟฟ้า พลังงานไอน้ำจะต้องใช้เวลาในการออกแบบสร้าง และทดลองเดินเครื่องนานประมาณ 5 ปี
เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากังหันก๊าซ
ข้อเสียของเครื่องกังหันก๊าซ
1. ความร้อนสูง ทำให้เกิดความเค้นต่อชิ้นส่วนภายในตัวกังหันสูงมาก จึงต้องมีการตรวจซ่อมบ่อย ๆ
2. ค่าใช้จ่ายในการผลิตสูง สิ้นเปลืองเชื้อเพลิงต่อหน่วยกิโลวัตต์ – ชั่วโมง มาก
3. มีประสิทธิ ภาพต่ำ เพราะกำลังที่ได้จ่ายเครื่องกังหันส่วนหนึ่งจะต้องนำไปใช้ขับเครื่องอัดอากาศ
3. เครื่องกังหันก๊าซระบบ 2 เพลา
จากวงจรการทำงานของเครื่องกังหันก๊าซระบบเพลาเดียว พลังงานที่เกิดขึ้นสามารถควบคุมได้ด้วยการปรับปริมาณเชื้อเพลิง ที่จ่ายเข้าไปในห้องเผาไหม้ ซึ่งเป็นการควบคุมอุณหภูมิของก๊าซร้อนก่อนเข้าสู่ตัวกังหัน ถ้าเชื้อเพลิงน้อย ความร้อนจากก๊าซที่เผาไหม้ และงานที่ได้จากตัวกังหันก็จะน้อยตามไปด้วย
ในระบบเพลาเดียว ทั้งเครื่องอัดอากาศและเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะถูกออกแบบให้หมุนด้วยความเร็วรอบคงที่ 3,000 รอบ / นาที บางครั้งการออกแบบ ต้องการแยกเครื่องอัดอากาศ และเครื่องกำเนิดไฟฟ้าให้อยู่คนละเพลา เพราะว่าเครื่องกังหัน จำเป็นจะต้องใช้อุปกรณ์ที่มีความเร็วรอบต่างกันไปอีก เช่น ปั๊มขนาดใหญ่ อุปกรณ์ช่วยเหลืออย่างอื่น ฯลฯ
การแยกเครื่องอัดอากาศ และเครื่องกำเนิดไฟฟ้าออกจากกันโดยใช้ระบบ 2 เพลา ซึ่งจะต้องมีกังหัน 2 ชุด คือ ชุดที่หนึ่ง ขับเครื่องอัดอากาศ ชุดที่สองขับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า อุปกรณ์ที่รวมกันอยู่ในเส้นประเรียกว่า ก๊าซเจนเนอเรเตอร์ ( gas generator ) หรือ ก๊าซซิไฟเออร์ ( gasifier) พลังงานที่ขับโดยเครื่องกังหันตัวที่ 1 จะต้องขับเครื่องอัดอากาศอย่างเดียว หมุนด้วยความเร็วสูง 5,000 – 6,000 รอบ / นาที พลังงานส่วนที่เหลือจากการเผาไหม้จะออกจากเครื่องกังหันเป็นอากาศร้อน เข้าสู่เครื่องกังหันตัวที่ 2 ที่ใช้ขับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าโดยตรง หมุนด้วยความเร็ว 3,000 รอบ /นาที ซึ่งเรียกว่า เพาเวอร์ เทอร์ไบน์ ( power turbine )
สำหรับเครื่องกังหันก๊าซระบบ 2 เพลา เป็นเครื่องขนาดใหญ่ที่ใช้กันแพร่หลายสามารถติดตั้งประกอบรวมกันได้หลายลักษณะ ดังรูป 4-4 เป็นแบบ 2 เพลา มีเพาเวอร์ เทอร์ไบน์ 2 เครื่อง รวมกันขับเตรื่องกำเนิดไฟฟ้าตัวเดียว และรูปที่ 4-5 เป็นแบบใช้ชุด ก๊าซซิไฟเออร์ 2 ชุด ร่วมกันขับเพาเวอร์เทอร์ไบน์ 1 เครื่อง และจะใช้เพาเวอร์เทอร์ไบน์ทั้งหมด 4 เครื่อง ร่วมกันขับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาดใหญ่เพียงเครื่องเดียว ข้อดี ของระบบนี้คือ มีความอ่อนตัวในการจ่ายโหลด เป็นส่วน ๆ ได้อย่างเหมาะสม ชุดก๊าซซิไฟเออร์บางชุด สามารถหยุดใช้งานได้ ถ้าโหลดลดต่ำลง เป็นการเพิ่มประสิทธิภาพในการใช้งานของเครื่องให้สูงขึ้น
4. เครื่องอัดอากาศ
หน้าที่หลักของเครื่องอัดอากาศ คือ อัดอากาศให้มีความดันสูง เพื่อนำไปใช้ผสมกับเชื้อเพลิงในห้องเผาไหม้ โดยการดูดอากาศผ่านแผ่นกรอง ทางช่องรับอากาศเข้า เพื่อแยกฝุ่นละอองออก เป็นการป้องกันชิ้นส่วนภายในของเครื่องกังหัน ไม่ให้เกิดการกัดกร่อน หรือสึกกร่อนได้ ปริมาณของอากาศที่ผ่านเข้าไปในเครื่องอัดอากาศ ของเครื่องกังหันก๊าซที่มีกำลังผลิตไฟฟ้าขนาด 20 เมกกะวัตต์ จะใช้ประมาณ 500,000 ลูกบาศก์ฟุต / นาที เครื่องอัดอากาศที่นิยมใช้มี 2 ชนิด คือ
1. แบบแรงเหวี่ยง ( centrifugal compressor ) ทำงานลักษณะเดียวกับปั๊มแรงเหวี่ยง มีใบพัดเรียงจากเล็กไปใหญ่ เหมาะที่จะใช้กับเครื่องกังหันก๊าซขนาดเล็กเท่านั้น
2. แบบอัดในแนวแกน(axial compressor ) มีลักษณะคล้ายตัวกังหัน ประกอบด้วยใบพัดที่ติดอยู่บนเพลาเป็นแถวๆ ระหว่างแถวของใบพัดจะมีใบพัดติดอยู่ที่ตัวเรือนสลับกันเป็นแถว ๆ เช่นเดียวกัน เมื่ออากาศถูกดูดพร้อมกับอัดผ่านแต่ละแถวของใบพัดที่อยู่กับที่ และใช้ใบพัดหมุนที่ประกอบติดอยู่บนเพลาแล้ว ปริมาณของมันจะลดลง ดังนั้นขนดและความยาวของใบพัดก็จะลดลงตามทิศทางการไหลของอากาศเป็นสัดส่วนเรื่อยไป
5. ห้องเผาไหม้
ห้องเผาไหม้ที่ใช้กับเครื่องกังหันก๊าซ มีลักษณะเป็นรูปทรงกระบอกสองชั้น ประกอบซ้อนกันอยู่ ชั้นนอกเป็นทิศทางเดินของอากาศอัด ที่ส่งมาจากเครื่องอัดอากาศ ขั้นในเป็นช่องทางที่มีอากาศร้อนจากการเผาไหม้เชื้อเพลิง ส่งเข้าไปที่ตัวกังหัน ด้านเหนือของทรงกระบอกชั้นใน จะมีห้องเผาไหม้ ห้องผสมอากาศ รวมทั้งหัวฉีดเชื้อเพลิงประกอบอยู่ส่วนด้านบนสุดของห้องเผาไหม้จะมีแท่น ( platform)สำหรับขึ้นไปตรวจซ่อมอุปกรณ์ต่าง ๆ
วงจรการทำงาน คือ เมื่อเครื่องอัดอากาศ ดูดอากาศและอัดจนได้แรงดันตามพิกัดแล้ว จะถูกส่งเข้าไปทางช่องระหว่างห้องผสมอากาศและปลอกหุ้มห้องเผาไหม้ ( pressure jacket ) ขึ้นไปเข้าด้านบนที่ท่อเปลวไฟ ( flame tube) โดยผ่านตัวหมุน ( diagonal swirler ) ซึ่งจะทำให้อากาศอัดที่ไหลผ่านเกิดการหมุนวน เข้าผสมกับเชื้อเพลิงที่ฉีดตัวหัวฉีดได้ดี เพื่อให้การเผาไหม้เกิดขึ้นได้อย่างสมบูรณ์และกระจายกว้าง จากนั้นก๊าซร้อนจากการเผาไหม้ จะผ่านเข้าไปยังห้องผสมอากาศ ซึ่งมีอากาศอัดส่วนหนึ่ง ถูกส่งเข้ามาผสมกับก๊าซร้อนนี้ เพื่อลดอุณหภูมิของก๊าซร้อนให้ได้ความร้อนตามต้องการ แล้วจึงผ่านออกไปขับเครื่องกังหันต่อไป
ที่ด้านล่างของห้องเผาไหม้จะมีช่องสำหรับเปิดเข้าไปตรวจสภาพซ่อมแซม ดูแลรักษา อุปกรณ์ต่าง ๆ ภายในห้องเผาไหม้ ที่บริเวณใกล้เคียงกันจะมีช่อง (inspectiontube ) สำหรับดูสภาพการเผาไหม้ภายในเตาได้ การเผาไหม้จะเริ่มขึ้นด้วยการจุด จากหัวจุดไฟฟ้าเพียงครั้งเดียง หลังจากนั้นการเผาไหม้ เชื้อเพลิงจะเป็นไปอย่างต่อเนื่อง ถ้าหากการดเผาไหม้ไม่สมบูรณ์ จะด้วยเหตุใดก็ตาม จะมีอุปกรณ์ทำหน้าที่ส่งสัญญาณตัดการส่งเชื้อเพลิงเข้าหัวฉีดทันที
6. ความสามารถในการทำงาน
การทำงานของเครื่องกันหันก๊าซ จะมีประสิทธิภาพดีมากหรือน้อย ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบดังนี้ คือ
1. ความดันขอองอากาศที่จ่ายออกจากเครื่องอัดอากาศ โดยปกติความดันของอากาศจะลดลงเพียงเล็กน้อย เมื่อไหลผ่านเข้าห้องเผาไหม้เข้าสู่เครื่องกังหัน
2.อุณหภูมิของก๊าซร้อน ที่เข้าเครื่องกังหันและของอากาศก่อนเข้าเครื่องอัดอากาศ
3.ประสิทธิภาพของเครื่องจักรที่เปลี่ยนแปลงไป
ก่อนจะทราบเรื่องความสามารถในการทำงานของเครื่องกังหันก๊าซจะขอทำความเข้าใจกับความหมายของศัพท์ต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้องต่อไปนี้คือ
1.อัตราส่วนความดัน หมายถึง อัตราส่วนของความดันของอากาศที่ออกจากเครื่องอัดอากาศต่อความดันของอากาศที่เข้าเครื่องอัดอากาศ เช่น อัตราส่วนความดันเท่ากับ 10 หมายถึง ความดันของอากาศที่ออกจากเครื่องอัดอากาศมีค่าเท่ากับ 10 x 14.7 =147 ปอนด์ / ตารางนิ้ว
2. ประสิทธิภาพของเครื่องจักร หมายถึง ประสิทธิภาพของเครื่องอัดอากาศ และเครื่องกังหัน
3.ประสิทธิภาพความร้อน หมายถึง อัตราส่วนของงานที่ได้ออกมาจากเครื่องกังหันต่อพลังงานเชื้อเพลิงที่ป้อนเข้าไป
4. อัตราอากาศ หมายถึง น้ำหนักของอากาศที่เครื่องอัดอากาศดูดเข้าไป ต่อหน่วยของงานที่ต้องการ
5. อัตราส่วนงาน หมายถึง อัตราส่วนของงานที่ได้ต่องานทั้งหมดที่เครื่องกังหันจ่ายออกมา
เนื่องจากประสิทธิภาพของเครื่องจักร และอุณหภูมิของก๊าซร้อนที่เข้าเครื่องกังหัน จะเห็นการเลี่ยนแปลงประสิทธิภาพความร้อน ต่อการเปลี่ยนแปลงประสิทธิภาพของเครื่องจักร และการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิด้วย โดยประสิทธิภาพความร้อนจะเพิ่มขึ้นเมื่อประสิทธิภาพของเครื่องจักร และอุณหภูมิของก๊าซสูงขึ้น
พิจารณาจากกราฟ จะเห็นว่าเมื่อเพิ่มประสิทธิภาพของเครื่องจักรที่ละ 10% ประสิทธิภาพความร้อน สำหรับอุณหภูมิของก๊าซร้อน 1500 องศาฟาเร็นไฮน์จะเพิ่มขึ้นมากกว่าคือ จาก 2.5 เป็น 10 , 20 , 35 และ 75% ตามลำดับ การเพิ่มอุณหภูมิของก๊าซร้อนที่เข้าเครื่องกังหัน จะทำให้ประสิทธิภาพความร้อนเพิ่มขึ้น แต่ก็มีขีดจำกัด เพราะวัสดุที่นำมาใช้ทำตัวกังหันจะต้องทนต่อแรงเครียดเนื่องจากอุณหภูมิสูง และแรงเหวี่ยงหนีศูนย์ขณะที่มันหมุนไป วัสดุจะอ่อนตัวลง ความต้านทานต่อแรงเครียดก็ลดลงด้วย ดังนั้นจึงไม่เหมาะที่จะใช้อุณหภูมิสูงเกินไป
7. การเพิ่มประสิทธิภาพของเครื่องกังหันก๊าซ
ประสิทธิภาพของเครื่องกังหันก๊าซ ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบ 3 อย่าง คือ อุณหภูมิของก๊าซร้อน ก่อนเข้าเครื่องกังหัน ความดันของอากาศอัดก่อนเข้าห้องเผาไหม้ และประสิทธิภาพของเครื่องจักรที่แปรเปลี่ยนไป ดังที่เคยกล่าวมาแล้ว แต่ละองค์ประกอบต่างก็มีขีดจำกัดอยู่ในตัวทั้งสิ้น เช่น ถ้าเพิ่มอุณหภูมิของก๊าซร้อนก่อนเข้าเครื่องกังหันสูงมากไป ก็จะเป็นอันตรายต่อตัวเครื่องกังหัน ถ้าเพิ่มความดันของอากาศที่ออกจากเครื่องอัดอากาศมากไป ก็จะทำให้เครื่องอัดอากาศทำงานหนัก ต้องใช้พลังงานจากเครื่องกังหันมากเกินไป ดังนั้นเพื่อเป็นการหลีกเลี่ยงปัญหาต่าง ๆ จึงมีวิธีการเพิ่มประสิทธิภาพของเครื่องกังหันก๊าซได้ โดยวิธีต่อไปนี้คือ
1. การแลกเปลี่ยนความร้อน ( regenerating )
การต่อเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเข้าตรงบริเวณที่อากาศจากเครื่องอัดอากาศถูกส่งออกมาก่อนเข้าสู่ห้องเผาไหม้ โดยการให้อากาศอัดไหลผ่านภายในท่อ ส่วนอากาศร้อนที่ออกจากเครื่องกังหัน จะไหลผ่านพื้นผิวนอกท่อ ทำให้เกิดการถ่ายเทความร้อนอากาศอัดภายในท่อจนร้อนมากขึ้นก่อนที่จะเข้าห้องเผาไหม้ เพื่อทำให้เชื้อเพลิงในการเผาไหม้น้อยลง ประสิทธิภาพความร้อนของโรงจักรจะสูงมากขึ้น
เปรียบเทียบค่าประสิทธิภาพความร้อนของวงจรธรรมดากับวงจรใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน จะเห็นได้ว่าในวงจรธรรมดาที่อุณหภูมิของก๊าซร้อนก่อนเข้าเครื่องกังหัน 1,000 องศาฟาเร็นไฮน์ ประสิทธิภาพสูงสุดมีค่า 15 % ที่อัตราส่วนเท่ากับ 5 แต่ถ้าใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ประสิทธิภาพความร้อนจะเพิ่มขึ้นเป็น 24 % ที่อัตราส่วนความดันเท่ากับ 3 หรือถ้าเพิ่มอุณหภูมิของก๊าซร้อนก่อนเข้าเครื่องกังหันเป็น 1,500 องศาฟาเร็นไฮน์ ในวงจรธรรมดาจะได้ค่าประสิทธิภาพความร้อนสูงสุด 27 % ที่อัตราส่วนความดันเท่ากับ 11 แต่ถ้าใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนประสิทธิภาพความร้อนจะเพิ่มขึ้นเป็น 35 % ที่อัตราส่วนความดันเท่ากับ 5
ดังนั้นการเพิ่มประสิทธิภาพของเครื่องกังหันก๊าซ โดยการแลกเปลี่ยนความร้อนมีจุดประสงค์เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพความร้อน หรือเพื่อประหยัดเชื้อเพลิงเท่านั้น แต่อัตราส่วนงานและอัตราอากาศจะไม่มีการเปลี่ยนแปลงแต่อย่างใด
2. การเพิ่มความร้อน ( reheating )
การต่อวงจรเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของเครื่องกังหันก๊าซ โดยวิธีการเพิ่มความร้อน ซึ่งจะมีการเพิ่มห้องเผาไหม้และเครื่องกังหันเข้าในวงจร 1 ชุด เรียกว่า 2 ขั้น ( stage ) ถ้าเพิ่ม 2 ชุด เรียกว่า 3 ขั้น จุดประสงค์เพื่อเพิ่มอุณหภูมิของก๊าซร้อนที่ออกจากเครื่องกังหัน ตัวแรกให้สูงขึ้นก่อนเข้าตัวที่สอง และเพิ่มอุณหภูมิของก๊าซร้อนที่ออกจากเครื่องกังหันตัวที่สองให้สูงขึ้นก่อนเข้าเครื่องกังหันตัวที่สองให้สูงขึ้นก่อนเข้าเครื่องกังหันตัวที่สาม วิธีนี้ประสิทธิภาพความร้อนจะเพิ่มขึ้นขั้นละ 0.5 % เท่านั้นแต่อัตราส่วนงาน และอัตราอากาศจะดีขึ้น
ความสัมพันธ์ระหว่างประสิทธิภาพความร้อนกับอัตราส่วนความดันของอากาศที่ออกจากเครื่องอัดอากาศ ในช่วงระยะต้น ที่อัตราส่วนความดันมีค่าต่ำ อัตราการเพิ่มประสิทธิภาพความร้อนทุก ๆ ขั้นของวงจรจะมีค่าเท่ากัน จะเริ่มแตกต่างกันขั้นละ 0.5 % ที่อัตราส่วนความดันเท่ากับ 11 ซึ่งเป็นจุดที่มีประสิทธิภาพความร้อนมีค่าสูงสุด
การเปลี่ยนแปลงของอัตราส่วนงานที่เกิดขึ้นเมื่อมีการเพิ่มชุดกังหันและห้องเผาไหม่เข้าไป 1 ชุด และ 2 ชุด ที่อัตราส่วนความดันเท่ากับ 11 ในวงจรธรรมดา 1 ขั้น จะได้อัตราส่วนงาน 28 % แต่เมื่อเพิ่มเป็นวงจร 2 ขั้น อัตราส่วนจะเพิ่มขึ้นเป็นวงจร 3 ขั้น อัตราส่วนงานจะเพิ่มขึ้นถึง 45 %
การเปลี่ยนแปลงของอัตราที่เกิดขึ้นเมื่อมีการเพิ่มชุดเครื่องกังหันและห้องเผาไหม้เข้าไปในวงจร โดยพิจารณา อัตราอากาศต่ำสุดที่เครื่องอัดอากาศดูดเข้าระบบ จะเห็นได้ว่าในวงจรธรรมดา 1 ขั้น จะใช้อากาศ 50 ปอนด์ / กิโลวัตต์ – ชั่วโมง และถ้าเพิ่มเป็นวงจร 3 ขั้น อากาศที่ใช้จะเหลือเพียง 35 ปอนด์ / กิโลวัตต์ – ชั่วโมง เท่านั้น
ดังนั้นการเพิ่มประสิทธิภาพของเครื่องกังหันก๊าซ โดยวิธีการเพิ่มความร้อนมีจุดประสงค์เพื่อทำให้อัตราส่วนของงานดีขึ้น และลดปริมาณการใช้อากาศให้น้อยลง ส่วนในเรื่องการประหยัดเชื้อเพลิงหรือการเพิ่มประสิทธิภาพความร้อยนั้นเกือบไม่มีการเปลี่ยนแปลงเลย
3. การลดอุณหภูมิของเครื่องอัดอากาศ ( intercooling )
การต่อวงจรเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของเครื่องกังหันก๊าซ โดยวิธีลดอุณหภูมิของอากาศอัดออกจากเครื่องอัดอากาศ ซึ่งมีการเพิ่มเครื่องอัดอากาศ พร้อมเครื่องระบบความร้อน (intercooler ) เขข้าไปในวงจรที่ละชุด ถ้าเพิ่มชุดเดียวเรียกว่า วงจร 2 ขั้น ถ้าเพิ่ม 2 ชุด เรียกว่า 3 ขั้น
การทำงานของวงจรคือ เมื่ออากาศที่มีความดันและอุณหภูมิสูงออกจากเครื่องอัดอากาศตัวแรก จะถูกส่งเข้าเครื่องระบายความร้อน เพื่อลดอุณหภูมิ โดยใช้น้ำเย็นผ่านนอกท่อ ส่วนอากาศอัดเดินในท่อจะเย็นตัวลง ความดันยังอยู่คงที่ จากนั้นอากาศอัดจะถูกส่งยังเครื่องอัดอากาศตัวที่สอง เพื่อเพิ่มความดันให้สูงขึ้น ขณะเดียวกันอุณหภูมิจะกลับเพิ่มสูงขึ้นอีก เมื่อออกจากเครื่องอัดอากาศตัวที่สอง ก็จะถูกส่งเข้าเครื่องระบายความร้อนตัวที่สอง เพื่อลดอุณหภูมิอีกครั้งหนึ่งก่อนจะถูกส่งเข้าเครื่องอัดอากาศตัวที่สามเพื่อเพิ่มความดันขั้นสุดท้ายให้ได้ตามความต้องการ แล้วจึงนำเข้าสู่ห้องเผาไหม้ การลดอุณหภูมิของอากาศอัดคือ การทำให้อากาศอัดเย็นตัวลงก่อนเข้าสู่เครื่องอัดอากาศ ทำให้ลดงานที่ต้องใช้ ในการขับเครื่องอัดอากาศ การที่เพิ่มเครื่องอัดอากาศ เข้าไปในวงจรมิใช่หมายความว่า เครื่องกังหันจะต้องทำงานหนักมากขึ้นกว่าที่มีเครื่องอัดอากาศเพียงตัวเดียวนั้น เครื่องกังหันจะต้องทำหน้าที่ขับเครื่องอัดอากาศ จนกว่าจะได้ความดันตามต้องการ ( สมมติว่าอัตราส่วนความดันเท่ากับ 12 ) ซึ่งอากาศอัดจะมีอุณหภูมิสูงขึ้นเรื่อย ๆ ทำให้เครื่องอัดอากาศร้อน เครื่องกังหันจะทำงานหนัก
ส่วนในกรณีที่เพิ่มเครื่องอัดอากาศเข้าไปในวงจรอีก 1-2 ตัวนั้น เครื่องอัดอากาศจะมีขนาดเล็กลง จุดประสงค์คือ ต้องการความดันสุดท้ายก่อนเข้ห้องเผาไหม้เท่ากับวงจรที่มีเครื่องอัดอากาศตัวเดียวคือ อัตราส่วนความดันเท่ากับ 12 ดังนั้นโดยเฉลี่ยเครื่องอัดอากาศจะทำหน้าที่อัดอากาศให้มีอัตราส่วนความดันเท่ากับ 4 เท่านั้น ซึ่งจะทำให้เครื่องกังหันทำงานเบาลง การเพิ่มประสิทธิภาพโดยวิธีลดอุณหภูมิของอากาศอัดนี้จะได้ประโยชน์ คล้ายกับวิธีเพิ่มความร้อนให้กับก๊าซร้อนที่ออกจากเครื่องกังหันดังกล่าวมาแล้ว คือ ประสิทธิภาพของความร้อนจะเพิ่มขึ้นเพียงเล็กน้อย แต่จะได้อัตราส่วนงานเพิ่มมากขึ้นและอัตราอากาศลดลงมาก
4.การเพิ่มประสิทธิภาพแบบผสม ( compound )
การเพิ่มประสิทธิภาพของเครื่องกังหันแบบผสม คือ การนำเอาทั้งสามวิธีที่กล่าวมาแล้วรวมกัน ที่ปรับปรุงประสิทธิภาพ และความสามารถของเครื่องกังหันก๊าซให้ดียิ่งขึ้น
ประสิทธิภาพความร้อนของวงจรผสมที่แสดงด้วนเส้นทึบและกราฟประสิทธิภาพความร้อนของวงจรธรรมดาที่แสดงด้วยเส้นประ จะเห็นค่าที่แตกต่างกันอย่างมาก โดยเริ่มตั้งแต่วงจรธรรมดา 1 ขั้น มีค่าประสิทธิภาพความร้อนสูงสุด 25 % แต่วงจรผสม 1 ขั้น มีค่าประสิทธิภาพสูงสุด 35 % วงจรธรรมดา 2 ขั้น มีค่าประสิทธิภาพความร้อนสูงสุด 30 % วงจรผสม 2 ขั้น มีค่าประสิทธิภาพสูงสุด 33 % วงจรผสม 3 ขั้น มีประสิทธิภาพความร้อนสูงสุด 43 %
4.8 เครื่องกังหันก๊าซแบบวงจรปิด
เครื่องกังหันก๊าซแบบวงจรปิด แตกต่างกันแบบวงจรปิดคือ จะไม่มีห้องเผาไหม้ในวงจรการทำงาน แต่จะใช้เครื่องทำอากาศร้อน (air heater ) แทนห้องเผาไหม้ โดยจะมีเตาเผาไหม้แยกจากวงจรการทำงานของเครื่องกังหันก๊าซ เมื่อเพิ่มอุณหภูมิของอากาศอัด ก่อนที่จะส่งเข้าเครื่องกังหัน ดังนั้น อาการร้อนที่เข้าเครื่องกังหันจะสะอาดไม่มีสิ่งสกปรกเจือปนที่จะทำให้เกิดอันตรายต่อเครื่องกังหัน
เมื่ออากาศร้อนเกิดจากเครื่องกังหันก๊าซ จะไม่ปล่อยออกสู่บรรยากาศเหมือนแบบวงจรเปิด แต่จะนำมาระบายความร้อนที่เหลืออยู่ออกที่เครื่องทำให้อากาศเย็น (precooler ) แล้วจึงส่งกลับเข้าเครื่องอัดอากาศใหม่อีกครั้งหนึ่ง ในระบบวงจรปิด จะต้องมีน้ำหล่อเย็นที่เครื่องทำให้อากาศเย็น และต้องมีเครื่องทำอากาศร้อนเพิ่มขึ้น ดังนั้นพื้นที่ผิวที่ถ่ายความร้อน โดยเฉพาะที่ท่อของอากาศอัดก่อนเข้าเครื่องกังหัน จะต้องทำงานที่อุณหภูมิสูงอยู่ตลอดเวลา จึงจำเป็นต้องใช้วัสดุที่ทนต่อความร้อน และเป็นตัวนำความร้อนที่ดี ทำให้มีราคาแพง เชื้อเพลิงที่ใช้ในการเผาไหม้ จะใช้เชื้อเพลิงชนิดใดก็ได้ไม่จำกัดชนิด เพราะก๊าซร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้ หรือเถ้าถ่าน ไม่ได้เข้ารวมกับอากาศอัดเหมือนระบบเปิด จึงไม่เกิดปัญหาเรื่องเชื้อเพลิงแต่อย่างใด
ข้อดีของเครื่องกังหันก๊าซวงจรเปิด เมื่อเทียบกับวงจรปิด
1. ไม่มีปัญหาในเรื่องการหาแหล่งน้ำ เพราะไม่มีการใช้น้ำในระบบการทำงาน
2. ไม่มีการสูญเสียความร้อน เนื่องจากไม่มีการส่งผ่านความร้อนเหมือนระบบวงจรปิด
3. วงจรง่ายไม่ยุ่งยาก ปัญหาเรื่องการหล่อลื่น, การสั่นสะเทือนมีน้อย ระบบจุดระเบิดเป็นไปในลักษณะต่อเนื่อง คือ เมื่อเชื้อเพลิงถูกจุดในครั้งแรก ต่อไปจะเป็นการจุดระเบิดเอง
4. ไม่ต้องใช้เวลาในการอุ่นเครื่องนาน หลังจากเครื่องกังหันเริ่มเดินเครื่องเรียบร้อย ก็สามารถจ่ายโหลดเข้าสู่สภาวะเต็มพิกัดได้ทันที
ข้อเสียของเครื่องกังหันก๊าซวงจรเปิด เมื่อเทียบกับบวงจรปิด
1. ขนาด และน้ำหนักมากกว่า
2. เชื้อเพลิงที่ใช้ถูกจำกัดชนิด จะมีเศษสกปรก หรือเถ้าถ่านไม่ได้ เพราะความร้อนที่เกิดจากการเผ่าไหม้ของเชื้อเพลิงจะผสมกับอากาศอัดเข้าสู่เครื่องกังหันโดยตรง
3. ประสิทธิภาพของเครื่องเปลี่ยนแปลงไปได้ง่าย เพราะอากาศที่ถูกเครื่องอัดอากาศดูดเข้าไปในวงจรการทำงาน จะมีความชื้น ไอน้ำประปนอยู่รวมทั้งความหนาแน่นและอุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงไป ทำให้เครื่องอัดอากาศทำงานไม่คงที่แน่นอน
ข้อดีของเครื่องกังหันก๊าซเมื่อเทียบกับเครื่องกังหันไอน้ำ
1. สามารถเดินเครื่องได้ง่าย รวดเร็ว เพราะอุปกรณ์น้อยชิ้นกว่า
2. ไม่มีปัญหาเรื่องการกลั่นน้ำและการหาแหล่งน้ำ เพราะไม่ต้องใช้น้ำเป็นจำนวนมาก เหมือนเครื่องกังหันไอน้ำ
3. ออกแบบสร้างได้ง่าย ค่าลงทุน และค่าดำเนินงานถูกกว่าเมื่อคิดที่กำลังการผลิตกำลังไฟฟ้าเท่ากัน
4. ค่าซ่อมแซมบำรุงรักษาต่ำกว่า
5. ความดันใช้การต่ำกว่า ทำให้ลดความเครียดที่แบริ่งลงและการสึกหรอน้อยกว่า
ข้อเสียของความกังหันก๊าซเมื่อเทียบกับเครื่องกังหันไอน้ำ
1. จะต้องมีต้นกำลังในการเริ่มเดินเครื่อง มิฉะนั้นจะไม่สามารถทำงานได้
2. ประสิทธิภาพในการทำงานต่ำ เพราะงานที่ได้จากเครื่องกังหันส่วนหนึ่ง จะต้องนำไปขับเครื่องอัดอากาศ ทำให้เหลืองานที่จะนำไปขับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าน้อยลง
โรงไฟฟ้าพลังงานก๊าซ
1 กังหันก๊าซ (Gas Turbine)
กังหันก๊าซถูกคิดค้นและจดทะเบียนสิทธิบัตรไว้โดย นายจอห์น บาร์เบอร์ ( John Barber ) ชาวอังกฤษ ในปี พ.ศ 2334 ต่อมาได้พัฒนาขึ้นใช้กันอย่างแพร่หลาย เริ่มแรกกังหันก๊าซถูกนำไปใช้กับเครื่องบินเรือเดินทะเล และเป็นต้นกำลังในการผลิตกระแสไฟฟ้า ต่อมาได้ถูกนำไปใช้กับงานต่างๆ อีกมากมาย เช่น รถยนต์ รถแข่ง รถบรรทุก รถรางความเร็วสูง ระบบตู้เย็นกังหันก๊าซ คนเหาะ (Flying Man )
2 ส่วนประกอบของกังหันก๊าซ
กังหันก๊าซมีส่วนประกอบหลักอยู่ 3 ส่วน คือ
1. เครื่องอัดอากาศ ( Air Compressor )
2. ห้องเผาไหม้ ( Combustion Chamber )
3. เครื่องกังหัน ( Turbine )
หลักการทำงานเบื้องต้นของกังหันก๊าซ
1.เครื่องอัดอากาศจะอัดอากาศให้มีความดันสูง 8-10 เท่า
2.อากาศความดันสูงจะถูกส่งเข้าไปยังห้องเผาไหม้ที่มีเชื้อเพลิงก๊าซ(หรือน้ำมันดีเซล) ทำการเผาไหม้
3.อากาศร้อนในห้องเผาไหม้เกิดการขยายตัว ทำให้มีความดันและอุณหภูมิสูง
4.ส่งอากาศนี้ไปดันกังหันก๊าซ
5.เพลาของกังหันก๊าซจะอยู่แกนเดียวกันกับอุปกรณ์ต่างๆ ที่จะนำไปใช้งาน เช่น เครื่องกำเนิดไฟฟ้า ฯลฯ
3 เครื่องอัดอากาศ ( Air Compressor )
เครื่องอัดอากาศ แบ่งออกเป็น 3 ชนิด คือ
1.เครื่องอัดอากาศแบบลูกสูบ ( Reciprocating Air Compressor )
2.เครื่องอัดอากาศแบบลูกสูบหลายขั้น ( Multistage Reciprcration Compressor )
3.เครื่องอัดอากาศแบบโรตารี ( Rotary Air Compressor )
3.1 เครื่องอัดอากาศแบบลูกสูบ
เครื่องอัดอากาศแบบลูกสูบ ประกอบด้วยลูกสูบที่เคลื่อนที่ในกระกระบอกสูบ โดยรับกำลังขับผ่านก้านสูบและข้อเหวี่ยงที่ประกอบอยู่ในเพลาห้องข้อเหวี่ยง มีลิ้นอุดอากาศและลิ้นส่งติดอยู่ตอนบนของหัวสูบ ลิ้นแบบนี้ทำงานโดยความดันแตกต่างกันระหว่างหน้าและหลังลิ้น ขณะที่ลูกสูบเคลื่อนที่ลงอากาศที่ถูกอัดในจังหวะก่อนหน้าที่ยังหลงเหลืออยู่จะขยายตัวจนมีความดันต่ำกว่าความดันดูดเข้าเล็กน้อยซึ่งอากาศด้านนอกของลิ้นดูดจะสูงกว่าด้านในตัวนั้น ลิ้นจะเปิดให้อากาศเข้าในระหว่างจังหวะนี้ ลิ้นส่งจะปิดเพราะขณะนี้ความดันด้านนอกของลิ้นส่งจะสูงกว่าความดันภายในกระบอกสูบ ขณะนี้ลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้น ในช่วงแรกของจังหวะเคลื่อนขึ้น ความดันในกระบอกสูบจะสูงขึ้นเล็กน้อยพอเพียงที่จะทำให้ลิ้นดูดปิด ความดันของอากาศภายในกระบอกสูบจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว เมื่อถูกปิดอยู่ในกระบอกสูบอย่างสนิทจนมีความดันสูงกว่าความดันด้านนอกของลิ้นส่ง ซึ่งจะทำให้ลิ้นส่งเปิดทำให้อากาศความดันสูงออกจากกระบอกสูบ และลิ้นส่งจะปิดในที่สุดเมื่อสุดจังหวะอัด ลูกสูบก็จะเริ่มเลื่อนลงในกระบอกสูบ ลิ้นดูดก็จะเลื่อนออกอีกครั้งหนึ่ง และจะเป็นวัฏจักรเช่นนี้ซ้ำๆ กัน
อากาศที่ถูกปิดอยู่ในกระบอกสูบของเครื่องอัดอากาศแบบนี้จะสามารถอัดให้ความดันได้สูงมากทั้งนี้ขึ้นอยู่กับความแข็งแรงของวัสดุที่ทำชิ้นส่วนของอัดและกำลังขับของมอเตอร์ ในเครื่องอัดอากาศแบบลูกสูบนี้ การไหลของอากาศจะมีการหยุดทำงานเป็นจังหวะๆ
3.2 เครื่องอัดอากาศแบบลูกสูบหลายขั้น
เครื่องอัดอากาศแบบลูกสูบหลายขั้น มีหลักการทำงานคือ เมื่อการส่งอากาศออกของเครื่องอากาศแบบลูกสูบเดียวถูกกีดขวางย่อมจะทำให้ความดันยิ่งเพิ่มขึ้น ถ้าความดันของอากาศส่งออกสูงมากเกินไปก็จะมีข้อเสียเกิดขึ้น เครื่องอัดอากาศแบบขั้นเดียว ถ้าต้องการอัดอากาศให้ได้ความดันสูงๆ ก็จำเป็นจะต้องให้มีโครงสร้างแข็งแรงมาก รวมทั้งต้องให้ชิ้นส่วนประกอบที่แข้งแรงพอเพื่อแก้ปัญหาเรื่องการสมดุล และเมื่อมีแรงบิดตอนเริ่มสตาร์ทสูงก็ต้องใช้ข้อเหวี่ยงให้มีขนานโตขึ้นด้วย จากข้อเสียต่างๆ ของเครื่องอัดอากาศแบบขั้นเดียวนี้จึงได้มีการปรับปรุงและหันมาใช้เครื่องอัดอากาศแบบหลายขั้น ซึ่งประกอบด้วยกระบอกสูบหลายกระบอกต่อเนื่องกัน โดยอากาศที่ส่งออกจากกระบอกสูบหนึ่งจะวิ่งไปเข้ากระบอกสูบตัวถัดไป แสดงการต่อกระบอกสูบของเครื่องอัดแบบ 3 ขั้นอัตราส่วนความดันต่ำในกระบอกสูบความดันต่ำหมายถึงการขยายตัวของปริมาตรของอากาศที่หัวสูบจะลดลงซึ่งจะทำให้ปริมาตรแทนที่จริงในกระบอกสูบเพิ่มขึ้น ซึ่งสูบนี้จะทำหน้าที่ควบคุมมวลของอากาศที่ไหลผ่านเครื่องอัดอากาศทั้งหมด เพราะกระบอกสูบนี้ทำหน้าที่ดูดอากาศเข้ามาในเครื่องเพียงสูบเดียว ดังนั้น เครื่องอัดอากาศแบบหลายขั้นจึงสามารถส่งมวลผ่านเครื่องอัดได้มากกว่าเครื่องแบบขั้นเดียว
เพื่อที่จะลดอุณหภูมิของอากาศที่ออกจากเครื่องอัดจึงได้มีการติดตั้งอุปกรณ์หล่อเย็นระหว่างสูบเอาไว้ การลดอุณหภูมิ หมายถึง การลดพลังงานภายในของอากาศที่ออกจากเครื่องอัดด้วย และเมื่อพลังนี้ได้มาจากพลังงานที่ใช้ในการอัดของเครื่องอัดอากาศ ผลอันนี้จึงเป็นการช่วยลดงานที่ต้องใช้ในการอัดลง เครื่องอัดแบบหลายขั้น สามารถปรับความสมดุลได้ง่าย และมีแรงบิดต่ำกว่าแบบขั้นเดียว จะสังเกตเห็นว่า ขนาดของกระบอกสูบจะลดลงเมื่อความดันเพิ่มขึ้น ทั้งนี้เนื่องจากว่าเมื่อความดันเพิ่มขึ้นปริมาตรของอากาศที่กำหนดมวลมาให้จะลดลงเมื่อกระบอกสูบต่อเนื่องกัน มวลของอากาศก็จะไหลต่อเนื่องกันไปตลอดเครื่องอัด และเมื่อลูกสูบชุดต่อไปมีปริมาตรอากาศเข้าน้อยเนื่องจากความดันสูงขึ้น จึงทำให้ขนาดของกระบอกสูบเล็กลงตามลำดับ
3.3 เครื่องอัดแบบโรตารี
เครื่องอัดอากาศแบบนี้มีพื้นฐานอยู่ 3 แบบด้วยกัน คือ แบบเหวี่ยงออกตามแนวรัศมีรอบตัว หรือแบบใช้แรงเหวี่ยง (Radial or Centifugal Compressor) แบบไหลตามแนวแกน และแบบขับออกทางบวกหรือพัดลม ลักษณะโดยทั่วๆ ไปของเครื่องอัดอากาศ แบบเหวี่ยงตามแนวรัศมี ซึ่งประกอบด้วยใบพัดที่หมุนได้รอบตัว โดยปกติจะมีความเร็วรอบสูง ( 20,000 – 30,000 ริบต่อนาที ) อยู่ภายใน เครื่องใบพัดประกอบด้วยจานติดใบเมื่อใบหมุนอากาศซึ่งอยู่ในร่องใบก็จะหมุนไปด้วย แรงเหวี่ยงจะผลักให้อากาศออกทางปลายใบพัด ซึ่งเรียกว่าตาของใบพัด ( Eye of Impeller ) อากาศจะไหลจากปลายด้านนอกของใบพัดผ่านแหวนจ่ายลมซึ่งทำให้กระบอกเข้าไปในก้นหอยโข่ง ( Evolute ) ได้ดียิ่งขึ้น ที่แหวนจ่ายลม อากาศจะลดอัตราความเร็วลง ซึ่งมีผลให้ความดันของอากาศก่อตัวสูงขึ้น ในทางทฤษฎีถือว่าไม่มีพลังงานสูญเสีย
ก้นหอยเป็นส่วนที่ทำหน้าที่รวมอากาศของเครื่องอัดซึ่งพื้นที่หน้าตัดจะโตขึ้นเรื่อยๆ โดยรอบเครื่องอัด เหตุผลสำหรับอันนี้ก็คืออากาศที่รวมตัวกันอยู่รอบๆ ก้นหอยจะมากขึ้นเรื่อยๆ ซึ่งต้องใช้พื้นที่หน้าตัดโตขึ้น ต่อไปก็จะมีท่อต่อลมอัดออกไปใช้งาน เครื่องอัดอากาศแบบนี้เป็นแบบการไหลต่อเนื่อง ใช้ในการอัดอากาศเป็นจำนวนมากๆ ผ่านช่วงความดันปานกลางโดยทั่วๆ ไป มีอัตราส่วนการอัดประมาณ 4 ถึง 6 : 1
เครื่องอัดอากาศแบบการไหลตามแนวแกน เครื่องอัดอากาศแบบนี้มีใบพัดแบบอยู่กับที่และแบบเคลื่อนที่หลายๆ ชุดต่อเนื่องกัน ใบชุดอยู่กับที่จะติดอยู่กับเครื่อง ส่วนใบพัดชุดเคลื่อนที่ติดอยู่ที่แกนมีเพลาหมุนรอบตัว ใบชุดเคลื่อนที่นั้นมีลักษณะใบพัดลมหลายๆ อันประกอบเข้าเป็นชุดเดียวกัน ใบพัดเหล่านี้จะช่วยส่งอากาศให้ผ่านเข้าเครื่องอัดอากาศ มุมของใบพัดทุก
ชุดจะจัดไว้พอดีก็ทำให้อากาศผ่านจากใบพัดชุดหนึ่งได้อย่างราบเรียบ อากาศจะวิ่งผ่านตามแนวแกนที่มีความเร็วสูงประมาณ 10,000 – 30,000 รอบต่อนาที ใช้อัดอากาศในปริมาณมากๆ มีอัตราส่วนความดันถึง 10 : 1 หรือมากกว่า ซึ่งเครื่องอัดอากาศแบบนี้จะนำไปใช้กับเครื่องกังหันก๊าซของเครื่องบินและเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
4. กังหันก๊าซ
กังหันก๊าซจะทำงานได้ต้องมีส่วนประกอบ 3 อย่างดังที่กล่าวมาแล้วข้างต้น คือ เครื่องอัดอากาศห้องเผาไหม้ และตัวกังหัน โดยมีการทำงานดังนี้ คือ อากาศจะถูกอัดด้วยเครื่องอัดอากาศให้มีความดันสูง 8 – 10 เท่า โดยใช้เครื่องอัดอากาศแบบโรตารี แบบอากาศไหลตามแนวแกนหรือไหลตามแนวรัศมี
อากาศความดันสูงจะส่งเข้าไปยังห้องเผาไหม้โดยผ่านท่อลม ในห้องเผาไหม้จะมีหัวฉีดเชื้อเพลิงเข้าไปอย่างต่อเนื่อง เมื่ออากาศผ่านเข้าไปยังห้องเผาไหม้จะทำให้เกิดอุณหภูมิสูงขึ้นและเกิดการขยายตัวทำให้มีความดันเพิ่มขึ้นไปขับดันกังหันให้หมุนโดยเพลาของกังหันสามารถต่อไปใช้งานได้ เช่น เครื่องกำเนิดไฟฟ้า หรือเรือเดินสมุทร ส่วนเครื่องบินไม่ส่งกำลังออกที่เพลา แต่จะมีกังหันก๊าซและเครื่องอัดอากาศขนาดใหญ่ที่ให้กำลังและความเร็วสูงมาก ในการผลักดันเครื่องบินให้เคลื่อนที่ภายในอากาศได้ การเผาไหม้อย่างต่อเนื่องจะทำให้อุณหภูมิของห้องเผาไหม้และเครื่องอัดอากาศมีความร้อนสูง จึงต้องมีการระบายความร้อนให้กับเครื่อง
ข้อดีของเครื่องกังหันก๊าซคือ มีการสั่นสะเทือนน้อย ออกแบบง่าย มีประสิทธิภาพการทำงานสูง
กังหันก๊าซเป็นเครื่องที่ไม่สามารถเริ่มเดินเครื่องด้วยตัวเองได้เหมือนเครื่องยนต์ลูกสูบทั่วๆ ไป จึงต้องมีเครื่องช่วยหมุนจนได้ความเร็วรอบระดับหนึ่ง จึงจะทำการจุดเชื้อเพลิงในห้องเผาไหม้ เครื่องช่วยหมุนนี้อาจใช้มอเตอร์ไฟฟ้า หรือกังหันก๊าซเล็กๆ โดยออกแบบให้มีถังเชื้อเพลิงและชุดอัดอากาศ สำหรับกังหันก๊าซตัวเล็กนี้จะใช้เฟืองหรือชุดเกียร์ขับที่เพลากังหันเมื่อเดินเครื่องได้แล้ว ชุดเกียร์จะถอยออกมา
5. การเพิ่มประสิทธิภาพของกังหันก๊าซ
ก๊าซที่ออกจากกังหันจะยังคงมีอุณหภูมิและพลังงานหลงเหลืออยู่อีกมากจึงนำก๊าซร้อนนี้ไปเข้าเครื่องถ่ายเทความร้อน ( Heat Exchange ) ก่อนที่จะส่งเข้าไปยังเครื่องอัดอากาศ ทำให้อากาศที่ถูกอัดมีอุณหภูมิสูงขึ้นและส่งต่อไปยังห้องเผาไหม้ ทำให้ได้พลังงานเพิ่มขึ้น 20 – 30 เปอร์เซ็นต์ อากาศถูกดูดเข้าเครื่องอัดอากาศ เพิ่มความดันให้สูงขึ้น 8 – 10 เท่า ส่งเข้าไปยังห้องเผาไหม้ที่มีก๊าซหรือน้ำมันดีเซลเป็นเชื้อเพลิง อากาศจะขยายตัวมีความดันสูงขึ้น ไปขับเคลื่อนใบพัดของกังหันก๊าซให้หมุน ซึ่งแกนของกังหันต่อเชื่อมเข้ากับแกนของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าผลิตแรงดันไฟฟ้าจ่ายออกไป ส่วนไอเสียที่ขับดันกังหันแล้วจะยังคงมีอุณหภูมิสูงอยู่ จึงนำก๊าซร้อนนี้ไปถ่ายเทความร้อนเพิ่มให้กับอากาศที่ถูกอัด ทำให้ประสิทธิภาพของอากาศสูงขึ้นกว่าปกติเมื่อเข้าไปสันดาปในห้องเผาไหม้
6. กังหันก๊าซแบบวงจรปิด ( Close Cycle Gas Turbine )
กังหันก๊าซแบบวงจรปิดโดยมีโครงสร้างและหลักการทำงานเช่นเดียวกับกังหันก๊าซแบบเปิดโดยทั่วไป ๆ ไป ส่วนที่แตกต่างคือ ใช้อากาศจำนวนเดียวกันหมุนเวียนใช้งานอยู่ในวงจรปิดตลอดเวลา เว้นแต่จะมีการซ่อมบำรุงหรือการรั่วไหลจึงจะเปลี่ยนอากาศ
การทำงานก็คือ เมื่ออากาศถูกอัดด้วยเครื่องอัดอากาศจะถูกส่งเข้าห้องให้ความร้อนสูง ( Heater ) เกิดการขยายตัวเพิ่มอุณหภูมิและความดันไปหมุนกังหัน หลังจากนั้นจะถูกระบายความร้อนด้วยน้ำทำให้เย็นลง และไหลกลับไปยังเครื่องอัดอากาศ อากาศในวงจรด้านความดันต่ำของวงจรจะถูกอัดความดันให้สูงขึ้นเป็นวงจรเช่นนี้ตลอดไป
กังหันก๊าซแบบวงจรปิดนี้ มีข้อดีคือสามารถใช้กับเชื้อเพลิงทุกประเภท เช่น ของแข็ง ของเหลวและก๊าซ การให้ความร้อนในห้องให้ความร้อน จะไม่ผสมโดยตรงกับอากาศที่ทำงานในวงจร โดยใช้วิธีการนี้ดัดแปลงไปใช้กับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ได้ โดยก๊าซนี้ใช้หมุนเวียนในวงจรอาจเปลี่ยนเป็นก๊าซอื่น เช่น ฮีเลียม แต่ข้อเสียของวงจรแบบนี้คือ ต้องใช้ปริมาณน้ำหล่อเย็นมาระบายความร้อนเป็นจำนวนมาก
7. ห้องเผาไหม้ ( Combustion Chamber )
ห้องเผาไหม้เป็นโลหะรูปทรงกระบอกมีสองชั้นประกอบกันอยู่ ชั้นนอกเป็นช่องทางเข้าของอากาศความดันสูงที่ถูกอัดเข้ามาจากเครื่องอัดอากาศ ชั้นในเป็นท่อโลหะซ้อนกันอยู่โดยเจาะรูเล็กๆ ไว้เป็นระยะๆ เพื่อให้อากาศความดันสูงเข้าไปผสมกับเชื้อเพลิงทำให้เกดการลุกไหม้ขยายตัวมีอุณหภูมิและความดันสูงส่งเข้าไปขับเคลื่อนกังหัน ท่อภายในห้องเผาไหม้ที่ถูกถอดออกมาตรวจสอบและบำรุงรักษาตามระยะเวลาที่กำหนด โดยจะทำความสะอาดรูที่ท่อซึ่งอาจมีสิ่งสกปรก เช่น เศษเขม่า หรือผงถ่านสะสมตกค้างอยู่ เป็นการเพิ่มประสิทธิภาพในการเผาไหม้อีกวิธีหนึ่ง
ห้องเผาไหม้นี้ส่วนมากจะติดตั้งอยู่ตรงกลางระหว่างเครื่องอัดอากาศและกังหันตรงส่วนหัวของห้องเผาไหม้จะมีหัวฉีดเชื้อเพลิง ( ก๊าซหรือน้ำมันดีเซล ) ซึ่งห้องเผาไหม้จะมีหัวฉีดเชื้อเพลิงตั้งแต่ 6 – 18 หัว และจะมีหัวฉีดเชื้อเพลิงให้ลุกไหม้โดยควบคุมด้วยระบบอิเล็กทรอนิกส์เพื่อให้การเผาไหม้สมบรูณ์ เป็นไปอย่างต่อเนื่องและมีประสิทธิภาพ
แหล่งอ้างอิงคือ http://www.eei.co.th/thai/cogeneration.php
โรงไฟฟ้าพลังไอน้ำนั้น ได้มีการมาเป็นเวลานานเกือบปีมาแล้ว และมีการพัฒนาจนสามารถใช้งานได้ดี จ่ายกำลังไฟฟ้าได้สูงกว่า โรงไฟฟ้าที่ใช้ต้นกำลังอื่นขับหลายชนิด สำหรับโรงไฟฟ้าพลังงานก๊าซ ถูกคิดค้นเพื่อนำมาใช้งานเมื่อไม่นานมาเท่าไรนัก สาเหตุที่นำระบบก๊าซมาใช้ก็เนื่องจากว่า การสร้างโรงไฟฟ้าพลังงานไอน้ำ จำเป็นต้องหาแหล่งน้ำที่ต้องใช้ปริมาณมากบางครั้งทำได้ลำบาก อาจจะต้องสร้างอ่างเก็บน้ำขนาดใหญ่ขึ้นมา ทำให้สิ้นเปลืองค่าใช้จ่าย ตลอดจนปัญหาเรื่องหม้อน้ำ ซึ่งเปลืองพื้นที่ในการติดตั้ง และมักมีข้อขัดข้องเกิดขึ้น เมื่อเปรียบเทียบขนาดของโรงงานไฟฟ้าที่มีกำลังจ่ายไฟฟ้าเท่ากัน โรงไฟฟ้าพลังงานก๊าซจะมีขนาดเล็กกะทัดรัดกว่าโรงไฟฟ้าพลังไอน้ำ
1. หลักการทำงานของเครื่องกังหันก๊าซ
การทำงานของเครื่องกังหันก๊าซ คล้ายกับกังหันไอน้ำ โดยกังหันไอน้ำจะใช้พลังงาน
จากไอน้ำเป็นตัวขับกังหัน แล้วเปลี่ยนเป็นพลังงานกลขณะที่ไอน้ำวิ่งผ่านใบพัด พร้อมกับขยายตัวเป็นช่วง ๆ จนเข้าสู่เครื่องควบแน่น ( condenser ) ส่วนกังหันก๊าซนั้นตัวที่ขับกังหันจะเป็นก๊าซร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้ของเชื้อเพลิงภายในห้องเผาไหม้ แล้วส่งเข้าตัวกังหัน
การทำงานของเครื่องกังหันก๊าซ โดยมีเครื่องอัดอากาศ ( compressor ) ต่ออยู่บนเพลาเดียวกับชุดกังหัน และต่อตรงไปยังเครื่องกำเนิดไฟฟ้า เมื่อเริ่มเดินเครื่อง อากาศจะถูกดูดจากภายนอกเข้าหาเครื่องอัดอากาศทางด้านล่าง ถูกอัดจนมีความดันและอุณหภูมิสูงขึ้น แล้วถูกส่งไปยังห้องเผาไหม้ ซึ่งใช้เชื้อเพลิงเป็นก๊าซธรรมชาติหรือน้ำมัน จะถูกเผาไหม้และให้ความร้อนแก่อากาศ ก๊าซร้อนที่ออกจากห้องเผาไหม้ จะถูกส่งไปยังตัวกังหัน ทำให้กังหันหมุนเกิดงานขึ้น ไปขับเครื่องอัดอากาศและขณะเดียวกันก็ขับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าด้วย ความดันของก๊าซเมื่อผ่านตัวกังหันจะลดลงและผ่านออกมาที่บรรยากาศ
ปกติห้องเผาไหม้จะสร้างด้วยโลหะทนความร้อนสูง แต่เนื่องจากอุณหภูมิของก๊าซร้อนที่เข้าไปขับตัวกังหันมีขีดจำกัด ดังนั้นอากาศประมาณ 1/6 ของอากาศอัดทั้งหมดจะถูกใช้ในห้องเผาไหม้ส่วนที่เหลือ ก็จะทำหน้าที่ผสมกับก๊าซร้อน แล้วจึงนำเข้าไปยังเรือนกังหัน อุณหภูมิของเปลวไฟในห้องเผาไหม้อยู่ระหว่าง 3,000 – 4,000 องศาฟาเร็นไฮท์ แต่ก๊าซร้อนมีอุณหภูมิประมาณ 1,000 – 1,500 องศาฟาเร็นไฮท์ ก่อนเข้าสู่เรือนกังหัน เพื่อขับกังหันต่อไป พลังงานที่ผลิตจากเครื่องกังหันก๊าซ จะนำไปขับเครื่องอัดอากาศประมาณ 60% ส่วนที่เหลือจะนำไปขับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและอุปกรณ์ประกอบช่วยงานอย่างอื่น
2 การใช้งานของเครื่องกังหันก๊าซ
ปกติโรงไฟฟ้าพลังงานก๊าซ มักเป็นเครื่องจ่ายไฟสำรอง ( stand by ) และช่วยเสริมการผลิต เมื่อเกิดความต้องการใช้ไฟฟ้าสูงสุด ( peak load ) มีกำลังการผลิตตั้งแต่ 1 – 60 เมกกะวัตต์ นอกจากจะใช้เป็นเครื่องต้อนกำลังในการผลิตไฟฟ้าแล้ว เครื่องกังหันก๊าซยังใช้งานอย่างอื่นอีก เช่นใช้เป็นเครื่องต้นกำลังขับปั๊มขนาดใหญ่
- ขับเครื่องรถยนต์ที่มีเร็วสูง
- ขับเครื่องเรือที่มีความเร็วสูง
- ใช้เป็นเครื่องยนต์ สำหรับรถบรรทุก รถโดยสาร และรถแทรกเตอร์
- ใช้เป็นเครื่องต้อนกำลังสำหรับเครื่องบินไอพ่น ( jet plane)
ข้อดีของเครื่องกังหันก๊าซ
1. ต้นทุนการสร้างต่ำ
2. มีนำหนักเบา
3. สามารถเริ่มเดินเครื่องได้รวดเร็ว ใช้เวลาเพียง 40 –60 วินาทีเท่านั้น
4. อุปกรณ์ประกอบอื่น ๆ มีน้อย และประกอบอยู่ในชุดเดียวกัน
5. สามารถเคลื่อนย้ายไปติดตั้งในที่ที่ต้องการได้สะดวก รวดเร็ว ใช้เวลาเพียงไม่กี่สัปดาห์ ก็สามารถเดินเครื่องจ่ายไฟฟ้า แต่ถ้าเป็นโรงไฟฟ้า พลังงานไอน้ำจะต้องใช้เวลาในการออกแบบสร้าง และทดลองเดินเครื่องนานประมาณ 5 ปี
เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากังหันก๊าซ
ข้อเสียของเครื่องกังหันก๊าซ
1. ความร้อนสูง ทำให้เกิดความเค้นต่อชิ้นส่วนภายในตัวกังหันสูงมาก จึงต้องมีการตรวจซ่อมบ่อย ๆ
2. ค่าใช้จ่ายในการผลิตสูง สิ้นเปลืองเชื้อเพลิงต่อหน่วยกิโลวัตต์ – ชั่วโมง มาก
3. มีประสิทธิ ภาพต่ำ เพราะกำลังที่ได้จ่ายเครื่องกังหันส่วนหนึ่งจะต้องนำไปใช้ขับเครื่องอัดอากาศ
3. เครื่องกังหันก๊าซระบบ 2 เพลา
จากวงจรการทำงานของเครื่องกังหันก๊าซระบบเพลาเดียว พลังงานที่เกิดขึ้นสามารถควบคุมได้ด้วยการปรับปริมาณเชื้อเพลิง ที่จ่ายเข้าไปในห้องเผาไหม้ ซึ่งเป็นการควบคุมอุณหภูมิของก๊าซร้อนก่อนเข้าสู่ตัวกังหัน ถ้าเชื้อเพลิงน้อย ความร้อนจากก๊าซที่เผาไหม้ และงานที่ได้จากตัวกังหันก็จะน้อยตามไปด้วย
ในระบบเพลาเดียว ทั้งเครื่องอัดอากาศและเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะถูกออกแบบให้หมุนด้วยความเร็วรอบคงที่ 3,000 รอบ / นาที บางครั้งการออกแบบ ต้องการแยกเครื่องอัดอากาศ และเครื่องกำเนิดไฟฟ้าให้อยู่คนละเพลา เพราะว่าเครื่องกังหัน จำเป็นจะต้องใช้อุปกรณ์ที่มีความเร็วรอบต่างกันไปอีก เช่น ปั๊มขนาดใหญ่ อุปกรณ์ช่วยเหลืออย่างอื่น ฯลฯ
การแยกเครื่องอัดอากาศ และเครื่องกำเนิดไฟฟ้าออกจากกันโดยใช้ระบบ 2 เพลา ซึ่งจะต้องมีกังหัน 2 ชุด คือ ชุดที่หนึ่ง ขับเครื่องอัดอากาศ ชุดที่สองขับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า อุปกรณ์ที่รวมกันอยู่ในเส้นประเรียกว่า ก๊าซเจนเนอเรเตอร์ ( gas generator ) หรือ ก๊าซซิไฟเออร์ ( gasifier) พลังงานที่ขับโดยเครื่องกังหันตัวที่ 1 จะต้องขับเครื่องอัดอากาศอย่างเดียว หมุนด้วยความเร็วสูง 5,000 – 6,000 รอบ / นาที พลังงานส่วนที่เหลือจากการเผาไหม้จะออกจากเครื่องกังหันเป็นอากาศร้อน เข้าสู่เครื่องกังหันตัวที่ 2 ที่ใช้ขับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าโดยตรง หมุนด้วยความเร็ว 3,000 รอบ /นาที ซึ่งเรียกว่า เพาเวอร์ เทอร์ไบน์ ( power turbine )
สำหรับเครื่องกังหันก๊าซระบบ 2 เพลา เป็นเครื่องขนาดใหญ่ที่ใช้กันแพร่หลายสามารถติดตั้งประกอบรวมกันได้หลายลักษณะ ดังรูป 4-4 เป็นแบบ 2 เพลา มีเพาเวอร์ เทอร์ไบน์ 2 เครื่อง รวมกันขับเตรื่องกำเนิดไฟฟ้าตัวเดียว และรูปที่ 4-5 เป็นแบบใช้ชุด ก๊าซซิไฟเออร์ 2 ชุด ร่วมกันขับเพาเวอร์เทอร์ไบน์ 1 เครื่อง และจะใช้เพาเวอร์เทอร์ไบน์ทั้งหมด 4 เครื่อง ร่วมกันขับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาดใหญ่เพียงเครื่องเดียว ข้อดี ของระบบนี้คือ มีความอ่อนตัวในการจ่ายโหลด เป็นส่วน ๆ ได้อย่างเหมาะสม ชุดก๊าซซิไฟเออร์บางชุด สามารถหยุดใช้งานได้ ถ้าโหลดลดต่ำลง เป็นการเพิ่มประสิทธิภาพในการใช้งานของเครื่องให้สูงขึ้น
4. เครื่องอัดอากาศ
หน้าที่หลักของเครื่องอัดอากาศ คือ อัดอากาศให้มีความดันสูง เพื่อนำไปใช้ผสมกับเชื้อเพลิงในห้องเผาไหม้ โดยการดูดอากาศผ่านแผ่นกรอง ทางช่องรับอากาศเข้า เพื่อแยกฝุ่นละอองออก เป็นการป้องกันชิ้นส่วนภายในของเครื่องกังหัน ไม่ให้เกิดการกัดกร่อน หรือสึกกร่อนได้ ปริมาณของอากาศที่ผ่านเข้าไปในเครื่องอัดอากาศ ของเครื่องกังหันก๊าซที่มีกำลังผลิตไฟฟ้าขนาด 20 เมกกะวัตต์ จะใช้ประมาณ 500,000 ลูกบาศก์ฟุต / นาที เครื่องอัดอากาศที่นิยมใช้มี 2 ชนิด คือ
1. แบบแรงเหวี่ยง ( centrifugal compressor ) ทำงานลักษณะเดียวกับปั๊มแรงเหวี่ยง มีใบพัดเรียงจากเล็กไปใหญ่ เหมาะที่จะใช้กับเครื่องกังหันก๊าซขนาดเล็กเท่านั้น
2. แบบอัดในแนวแกน(axial compressor ) มีลักษณะคล้ายตัวกังหัน ประกอบด้วยใบพัดที่ติดอยู่บนเพลาเป็นแถวๆ ระหว่างแถวของใบพัดจะมีใบพัดติดอยู่ที่ตัวเรือนสลับกันเป็นแถว ๆ เช่นเดียวกัน เมื่ออากาศถูกดูดพร้อมกับอัดผ่านแต่ละแถวของใบพัดที่อยู่กับที่ และใช้ใบพัดหมุนที่ประกอบติดอยู่บนเพลาแล้ว ปริมาณของมันจะลดลง ดังนั้นขนดและความยาวของใบพัดก็จะลดลงตามทิศทางการไหลของอากาศเป็นสัดส่วนเรื่อยไป
5. ห้องเผาไหม้
ห้องเผาไหม้ที่ใช้กับเครื่องกังหันก๊าซ มีลักษณะเป็นรูปทรงกระบอกสองชั้น ประกอบซ้อนกันอยู่ ชั้นนอกเป็นทิศทางเดินของอากาศอัด ที่ส่งมาจากเครื่องอัดอากาศ ขั้นในเป็นช่องทางที่มีอากาศร้อนจากการเผาไหม้เชื้อเพลิง ส่งเข้าไปที่ตัวกังหัน ด้านเหนือของทรงกระบอกชั้นใน จะมีห้องเผาไหม้ ห้องผสมอากาศ รวมทั้งหัวฉีดเชื้อเพลิงประกอบอยู่ส่วนด้านบนสุดของห้องเผาไหม้จะมีแท่น ( platform)สำหรับขึ้นไปตรวจซ่อมอุปกรณ์ต่าง ๆ
วงจรการทำงาน คือ เมื่อเครื่องอัดอากาศ ดูดอากาศและอัดจนได้แรงดันตามพิกัดแล้ว จะถูกส่งเข้าไปทางช่องระหว่างห้องผสมอากาศและปลอกหุ้มห้องเผาไหม้ ( pressure jacket ) ขึ้นไปเข้าด้านบนที่ท่อเปลวไฟ ( flame tube) โดยผ่านตัวหมุน ( diagonal swirler ) ซึ่งจะทำให้อากาศอัดที่ไหลผ่านเกิดการหมุนวน เข้าผสมกับเชื้อเพลิงที่ฉีดตัวหัวฉีดได้ดี เพื่อให้การเผาไหม้เกิดขึ้นได้อย่างสมบูรณ์และกระจายกว้าง จากนั้นก๊าซร้อนจากการเผาไหม้ จะผ่านเข้าไปยังห้องผสมอากาศ ซึ่งมีอากาศอัดส่วนหนึ่ง ถูกส่งเข้ามาผสมกับก๊าซร้อนนี้ เพื่อลดอุณหภูมิของก๊าซร้อนให้ได้ความร้อนตามต้องการ แล้วจึงผ่านออกไปขับเครื่องกังหันต่อไป
ที่ด้านล่างของห้องเผาไหม้จะมีช่องสำหรับเปิดเข้าไปตรวจสภาพซ่อมแซม ดูแลรักษา อุปกรณ์ต่าง ๆ ภายในห้องเผาไหม้ ที่บริเวณใกล้เคียงกันจะมีช่อง (inspectiontube ) สำหรับดูสภาพการเผาไหม้ภายในเตาได้ การเผาไหม้จะเริ่มขึ้นด้วยการจุด จากหัวจุดไฟฟ้าเพียงครั้งเดียง หลังจากนั้นการเผาไหม้ เชื้อเพลิงจะเป็นไปอย่างต่อเนื่อง ถ้าหากการดเผาไหม้ไม่สมบูรณ์ จะด้วยเหตุใดก็ตาม จะมีอุปกรณ์ทำหน้าที่ส่งสัญญาณตัดการส่งเชื้อเพลิงเข้าหัวฉีดทันที
6. ความสามารถในการทำงาน
การทำงานของเครื่องกันหันก๊าซ จะมีประสิทธิภาพดีมากหรือน้อย ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบดังนี้ คือ
1. ความดันขอองอากาศที่จ่ายออกจากเครื่องอัดอากาศ โดยปกติความดันของอากาศจะลดลงเพียงเล็กน้อย เมื่อไหลผ่านเข้าห้องเผาไหม้เข้าสู่เครื่องกังหัน
2.อุณหภูมิของก๊าซร้อน ที่เข้าเครื่องกังหันและของอากาศก่อนเข้าเครื่องอัดอากาศ
3.ประสิทธิภาพของเครื่องจักรที่เปลี่ยนแปลงไป
ก่อนจะทราบเรื่องความสามารถในการทำงานของเครื่องกังหันก๊าซจะขอทำความเข้าใจกับความหมายของศัพท์ต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้องต่อไปนี้คือ
1.อัตราส่วนความดัน หมายถึง อัตราส่วนของความดันของอากาศที่ออกจากเครื่องอัดอากาศต่อความดันของอากาศที่เข้าเครื่องอัดอากาศ เช่น อัตราส่วนความดันเท่ากับ 10 หมายถึง ความดันของอากาศที่ออกจากเครื่องอัดอากาศมีค่าเท่ากับ 10 x 14.7 =147 ปอนด์ / ตารางนิ้ว
2. ประสิทธิภาพของเครื่องจักร หมายถึง ประสิทธิภาพของเครื่องอัดอากาศ และเครื่องกังหัน
3.ประสิทธิภาพความร้อน หมายถึง อัตราส่วนของงานที่ได้ออกมาจากเครื่องกังหันต่อพลังงานเชื้อเพลิงที่ป้อนเข้าไป
4. อัตราอากาศ หมายถึง น้ำหนักของอากาศที่เครื่องอัดอากาศดูดเข้าไป ต่อหน่วยของงานที่ต้องการ
5. อัตราส่วนงาน หมายถึง อัตราส่วนของงานที่ได้ต่องานทั้งหมดที่เครื่องกังหันจ่ายออกมา
เนื่องจากประสิทธิภาพของเครื่องจักร และอุณหภูมิของก๊าซร้อนที่เข้าเครื่องกังหัน จะเห็นการเลี่ยนแปลงประสิทธิภาพความร้อน ต่อการเปลี่ยนแปลงประสิทธิภาพของเครื่องจักร และการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิด้วย โดยประสิทธิภาพความร้อนจะเพิ่มขึ้นเมื่อประสิทธิภาพของเครื่องจักร และอุณหภูมิของก๊าซสูงขึ้น
พิจารณาจากกราฟ จะเห็นว่าเมื่อเพิ่มประสิทธิภาพของเครื่องจักรที่ละ 10% ประสิทธิภาพความร้อน สำหรับอุณหภูมิของก๊าซร้อน 1500 องศาฟาเร็นไฮน์จะเพิ่มขึ้นมากกว่าคือ จาก 2.5 เป็น 10 , 20 , 35 และ 75% ตามลำดับ การเพิ่มอุณหภูมิของก๊าซร้อนที่เข้าเครื่องกังหัน จะทำให้ประสิทธิภาพความร้อนเพิ่มขึ้น แต่ก็มีขีดจำกัด เพราะวัสดุที่นำมาใช้ทำตัวกังหันจะต้องทนต่อแรงเครียดเนื่องจากอุณหภูมิสูง และแรงเหวี่ยงหนีศูนย์ขณะที่มันหมุนไป วัสดุจะอ่อนตัวลง ความต้านทานต่อแรงเครียดก็ลดลงด้วย ดังนั้นจึงไม่เหมาะที่จะใช้อุณหภูมิสูงเกินไป
7. การเพิ่มประสิทธิภาพของเครื่องกังหันก๊าซ
ประสิทธิภาพของเครื่องกังหันก๊าซ ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบ 3 อย่าง คือ อุณหภูมิของก๊าซร้อน ก่อนเข้าเครื่องกังหัน ความดันของอากาศอัดก่อนเข้าห้องเผาไหม้ และประสิทธิภาพของเครื่องจักรที่แปรเปลี่ยนไป ดังที่เคยกล่าวมาแล้ว แต่ละองค์ประกอบต่างก็มีขีดจำกัดอยู่ในตัวทั้งสิ้น เช่น ถ้าเพิ่มอุณหภูมิของก๊าซร้อนก่อนเข้าเครื่องกังหันสูงมากไป ก็จะเป็นอันตรายต่อตัวเครื่องกังหัน ถ้าเพิ่มความดันของอากาศที่ออกจากเครื่องอัดอากาศมากไป ก็จะทำให้เครื่องอัดอากาศทำงานหนัก ต้องใช้พลังงานจากเครื่องกังหันมากเกินไป ดังนั้นเพื่อเป็นการหลีกเลี่ยงปัญหาต่าง ๆ จึงมีวิธีการเพิ่มประสิทธิภาพของเครื่องกังหันก๊าซได้ โดยวิธีต่อไปนี้คือ
1. การแลกเปลี่ยนความร้อน ( regenerating )
การต่อเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเข้าตรงบริเวณที่อากาศจากเครื่องอัดอากาศถูกส่งออกมาก่อนเข้าสู่ห้องเผาไหม้ โดยการให้อากาศอัดไหลผ่านภายในท่อ ส่วนอากาศร้อนที่ออกจากเครื่องกังหัน จะไหลผ่านพื้นผิวนอกท่อ ทำให้เกิดการถ่ายเทความร้อนอากาศอัดภายในท่อจนร้อนมากขึ้นก่อนที่จะเข้าห้องเผาไหม้ เพื่อทำให้เชื้อเพลิงในการเผาไหม้น้อยลง ประสิทธิภาพความร้อนของโรงจักรจะสูงมากขึ้น
เปรียบเทียบค่าประสิทธิภาพความร้อนของวงจรธรรมดากับวงจรใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน จะเห็นได้ว่าในวงจรธรรมดาที่อุณหภูมิของก๊าซร้อนก่อนเข้าเครื่องกังหัน 1,000 องศาฟาเร็นไฮน์ ประสิทธิภาพสูงสุดมีค่า 15 % ที่อัตราส่วนเท่ากับ 5 แต่ถ้าใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ประสิทธิภาพความร้อนจะเพิ่มขึ้นเป็น 24 % ที่อัตราส่วนความดันเท่ากับ 3 หรือถ้าเพิ่มอุณหภูมิของก๊าซร้อนก่อนเข้าเครื่องกังหันเป็น 1,500 องศาฟาเร็นไฮน์ ในวงจรธรรมดาจะได้ค่าประสิทธิภาพความร้อนสูงสุด 27 % ที่อัตราส่วนความดันเท่ากับ 11 แต่ถ้าใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนประสิทธิภาพความร้อนจะเพิ่มขึ้นเป็น 35 % ที่อัตราส่วนความดันเท่ากับ 5
ดังนั้นการเพิ่มประสิทธิภาพของเครื่องกังหันก๊าซ โดยการแลกเปลี่ยนความร้อนมีจุดประสงค์เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพความร้อน หรือเพื่อประหยัดเชื้อเพลิงเท่านั้น แต่อัตราส่วนงานและอัตราอากาศจะไม่มีการเปลี่ยนแปลงแต่อย่างใด
2. การเพิ่มความร้อน ( reheating )
การต่อวงจรเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของเครื่องกังหันก๊าซ โดยวิธีการเพิ่มความร้อน ซึ่งจะมีการเพิ่มห้องเผาไหม้และเครื่องกังหันเข้าในวงจร 1 ชุด เรียกว่า 2 ขั้น ( stage ) ถ้าเพิ่ม 2 ชุด เรียกว่า 3 ขั้น จุดประสงค์เพื่อเพิ่มอุณหภูมิของก๊าซร้อนที่ออกจากเครื่องกังหัน ตัวแรกให้สูงขึ้นก่อนเข้าตัวที่สอง และเพิ่มอุณหภูมิของก๊าซร้อนที่ออกจากเครื่องกังหันตัวที่สองให้สูงขึ้นก่อนเข้าเครื่องกังหันตัวที่สองให้สูงขึ้นก่อนเข้าเครื่องกังหันตัวที่สาม วิธีนี้ประสิทธิภาพความร้อนจะเพิ่มขึ้นขั้นละ 0.5 % เท่านั้นแต่อัตราส่วนงาน และอัตราอากาศจะดีขึ้น
ความสัมพันธ์ระหว่างประสิทธิภาพความร้อนกับอัตราส่วนความดันของอากาศที่ออกจากเครื่องอัดอากาศ ในช่วงระยะต้น ที่อัตราส่วนความดันมีค่าต่ำ อัตราการเพิ่มประสิทธิภาพความร้อนทุก ๆ ขั้นของวงจรจะมีค่าเท่ากัน จะเริ่มแตกต่างกันขั้นละ 0.5 % ที่อัตราส่วนความดันเท่ากับ 11 ซึ่งเป็นจุดที่มีประสิทธิภาพความร้อนมีค่าสูงสุด
การเปลี่ยนแปลงของอัตราส่วนงานที่เกิดขึ้นเมื่อมีการเพิ่มชุดกังหันและห้องเผาไหม่เข้าไป 1 ชุด และ 2 ชุด ที่อัตราส่วนความดันเท่ากับ 11 ในวงจรธรรมดา 1 ขั้น จะได้อัตราส่วนงาน 28 % แต่เมื่อเพิ่มเป็นวงจร 2 ขั้น อัตราส่วนจะเพิ่มขึ้นเป็นวงจร 3 ขั้น อัตราส่วนงานจะเพิ่มขึ้นถึง 45 %
การเปลี่ยนแปลงของอัตราที่เกิดขึ้นเมื่อมีการเพิ่มชุดเครื่องกังหันและห้องเผาไหม้เข้าไปในวงจร โดยพิจารณา อัตราอากาศต่ำสุดที่เครื่องอัดอากาศดูดเข้าระบบ จะเห็นได้ว่าในวงจรธรรมดา 1 ขั้น จะใช้อากาศ 50 ปอนด์ / กิโลวัตต์ – ชั่วโมง และถ้าเพิ่มเป็นวงจร 3 ขั้น อากาศที่ใช้จะเหลือเพียง 35 ปอนด์ / กิโลวัตต์ – ชั่วโมง เท่านั้น
ดังนั้นการเพิ่มประสิทธิภาพของเครื่องกังหันก๊าซ โดยวิธีการเพิ่มความร้อนมีจุดประสงค์เพื่อทำให้อัตราส่วนของงานดีขึ้น และลดปริมาณการใช้อากาศให้น้อยลง ส่วนในเรื่องการประหยัดเชื้อเพลิงหรือการเพิ่มประสิทธิภาพความร้อยนั้นเกือบไม่มีการเปลี่ยนแปลงเลย
3. การลดอุณหภูมิของเครื่องอัดอากาศ ( intercooling )
การต่อวงจรเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของเครื่องกังหันก๊าซ โดยวิธีลดอุณหภูมิของอากาศอัดออกจากเครื่องอัดอากาศ ซึ่งมีการเพิ่มเครื่องอัดอากาศ พร้อมเครื่องระบบความร้อน (intercooler ) เขข้าไปในวงจรที่ละชุด ถ้าเพิ่มชุดเดียวเรียกว่า วงจร 2 ขั้น ถ้าเพิ่ม 2 ชุด เรียกว่า 3 ขั้น
การทำงานของวงจรคือ เมื่ออากาศที่มีความดันและอุณหภูมิสูงออกจากเครื่องอัดอากาศตัวแรก จะถูกส่งเข้าเครื่องระบายความร้อน เพื่อลดอุณหภูมิ โดยใช้น้ำเย็นผ่านนอกท่อ ส่วนอากาศอัดเดินในท่อจะเย็นตัวลง ความดันยังอยู่คงที่ จากนั้นอากาศอัดจะถูกส่งยังเครื่องอัดอากาศตัวที่สอง เพื่อเพิ่มความดันให้สูงขึ้น ขณะเดียวกันอุณหภูมิจะกลับเพิ่มสูงขึ้นอีก เมื่อออกจากเครื่องอัดอากาศตัวที่สอง ก็จะถูกส่งเข้าเครื่องระบายความร้อนตัวที่สอง เพื่อลดอุณหภูมิอีกครั้งหนึ่งก่อนจะถูกส่งเข้าเครื่องอัดอากาศตัวที่สามเพื่อเพิ่มความดันขั้นสุดท้ายให้ได้ตามความต้องการ แล้วจึงนำเข้าสู่ห้องเผาไหม้ การลดอุณหภูมิของอากาศอัดคือ การทำให้อากาศอัดเย็นตัวลงก่อนเข้าสู่เครื่องอัดอากาศ ทำให้ลดงานที่ต้องใช้ ในการขับเครื่องอัดอากาศ การที่เพิ่มเครื่องอัดอากาศ เข้าไปในวงจรมิใช่หมายความว่า เครื่องกังหันจะต้องทำงานหนักมากขึ้นกว่าที่มีเครื่องอัดอากาศเพียงตัวเดียวนั้น เครื่องกังหันจะต้องทำหน้าที่ขับเครื่องอัดอากาศ จนกว่าจะได้ความดันตามต้องการ ( สมมติว่าอัตราส่วนความดันเท่ากับ 12 ) ซึ่งอากาศอัดจะมีอุณหภูมิสูงขึ้นเรื่อย ๆ ทำให้เครื่องอัดอากาศร้อน เครื่องกังหันจะทำงานหนัก
ส่วนในกรณีที่เพิ่มเครื่องอัดอากาศเข้าไปในวงจรอีก 1-2 ตัวนั้น เครื่องอัดอากาศจะมีขนาดเล็กลง จุดประสงค์คือ ต้องการความดันสุดท้ายก่อนเข้ห้องเผาไหม้เท่ากับวงจรที่มีเครื่องอัดอากาศตัวเดียวคือ อัตราส่วนความดันเท่ากับ 12 ดังนั้นโดยเฉลี่ยเครื่องอัดอากาศจะทำหน้าที่อัดอากาศให้มีอัตราส่วนความดันเท่ากับ 4 เท่านั้น ซึ่งจะทำให้เครื่องกังหันทำงานเบาลง การเพิ่มประสิทธิภาพโดยวิธีลดอุณหภูมิของอากาศอัดนี้จะได้ประโยชน์ คล้ายกับวิธีเพิ่มความร้อนให้กับก๊าซร้อนที่ออกจากเครื่องกังหันดังกล่าวมาแล้ว คือ ประสิทธิภาพของความร้อนจะเพิ่มขึ้นเพียงเล็กน้อย แต่จะได้อัตราส่วนงานเพิ่มมากขึ้นและอัตราอากาศลดลงมาก
4.การเพิ่มประสิทธิภาพแบบผสม ( compound )
การเพิ่มประสิทธิภาพของเครื่องกังหันแบบผสม คือ การนำเอาทั้งสามวิธีที่กล่าวมาแล้วรวมกัน ที่ปรับปรุงประสิทธิภาพ และความสามารถของเครื่องกังหันก๊าซให้ดียิ่งขึ้น
ประสิทธิภาพความร้อนของวงจรผสมที่แสดงด้วนเส้นทึบและกราฟประสิทธิภาพความร้อนของวงจรธรรมดาที่แสดงด้วยเส้นประ จะเห็นค่าที่แตกต่างกันอย่างมาก โดยเริ่มตั้งแต่วงจรธรรมดา 1 ขั้น มีค่าประสิทธิภาพความร้อนสูงสุด 25 % แต่วงจรผสม 1 ขั้น มีค่าประสิทธิภาพสูงสุด 35 % วงจรธรรมดา 2 ขั้น มีค่าประสิทธิภาพความร้อนสูงสุด 30 % วงจรผสม 2 ขั้น มีค่าประสิทธิภาพสูงสุด 33 % วงจรผสม 3 ขั้น มีประสิทธิภาพความร้อนสูงสุด 43 %
4.8 เครื่องกังหันก๊าซแบบวงจรปิด
เครื่องกังหันก๊าซแบบวงจรปิด แตกต่างกันแบบวงจรปิดคือ จะไม่มีห้องเผาไหม้ในวงจรการทำงาน แต่จะใช้เครื่องทำอากาศร้อน (air heater ) แทนห้องเผาไหม้ โดยจะมีเตาเผาไหม้แยกจากวงจรการทำงานของเครื่องกังหันก๊าซ เมื่อเพิ่มอุณหภูมิของอากาศอัด ก่อนที่จะส่งเข้าเครื่องกังหัน ดังนั้น อาการร้อนที่เข้าเครื่องกังหันจะสะอาดไม่มีสิ่งสกปรกเจือปนที่จะทำให้เกิดอันตรายต่อเครื่องกังหัน
เมื่ออากาศร้อนเกิดจากเครื่องกังหันก๊าซ จะไม่ปล่อยออกสู่บรรยากาศเหมือนแบบวงจรเปิด แต่จะนำมาระบายความร้อนที่เหลืออยู่ออกที่เครื่องทำให้อากาศเย็น (precooler ) แล้วจึงส่งกลับเข้าเครื่องอัดอากาศใหม่อีกครั้งหนึ่ง ในระบบวงจรปิด จะต้องมีน้ำหล่อเย็นที่เครื่องทำให้อากาศเย็น และต้องมีเครื่องทำอากาศร้อนเพิ่มขึ้น ดังนั้นพื้นที่ผิวที่ถ่ายความร้อน โดยเฉพาะที่ท่อของอากาศอัดก่อนเข้าเครื่องกังหัน จะต้องทำงานที่อุณหภูมิสูงอยู่ตลอดเวลา จึงจำเป็นต้องใช้วัสดุที่ทนต่อความร้อน และเป็นตัวนำความร้อนที่ดี ทำให้มีราคาแพง เชื้อเพลิงที่ใช้ในการเผาไหม้ จะใช้เชื้อเพลิงชนิดใดก็ได้ไม่จำกัดชนิด เพราะก๊าซร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้ หรือเถ้าถ่าน ไม่ได้เข้ารวมกับอากาศอัดเหมือนระบบเปิด จึงไม่เกิดปัญหาเรื่องเชื้อเพลิงแต่อย่างใด
ข้อดีของเครื่องกังหันก๊าซวงจรเปิด เมื่อเทียบกับวงจรปิด
1. ไม่มีปัญหาในเรื่องการหาแหล่งน้ำ เพราะไม่มีการใช้น้ำในระบบการทำงาน
2. ไม่มีการสูญเสียความร้อน เนื่องจากไม่มีการส่งผ่านความร้อนเหมือนระบบวงจรปิด
3. วงจรง่ายไม่ยุ่งยาก ปัญหาเรื่องการหล่อลื่น, การสั่นสะเทือนมีน้อย ระบบจุดระเบิดเป็นไปในลักษณะต่อเนื่อง คือ เมื่อเชื้อเพลิงถูกจุดในครั้งแรก ต่อไปจะเป็นการจุดระเบิดเอง
4. ไม่ต้องใช้เวลาในการอุ่นเครื่องนาน หลังจากเครื่องกังหันเริ่มเดินเครื่องเรียบร้อย ก็สามารถจ่ายโหลดเข้าสู่สภาวะเต็มพิกัดได้ทันที
ข้อเสียของเครื่องกังหันก๊าซวงจรเปิด เมื่อเทียบกับบวงจรปิด
1. ขนาด และน้ำหนักมากกว่า
2. เชื้อเพลิงที่ใช้ถูกจำกัดชนิด จะมีเศษสกปรก หรือเถ้าถ่านไม่ได้ เพราะความร้อนที่เกิดจากการเผ่าไหม้ของเชื้อเพลิงจะผสมกับอากาศอัดเข้าสู่เครื่องกังหันโดยตรง
3. ประสิทธิภาพของเครื่องเปลี่ยนแปลงไปได้ง่าย เพราะอากาศที่ถูกเครื่องอัดอากาศดูดเข้าไปในวงจรการทำงาน จะมีความชื้น ไอน้ำประปนอยู่รวมทั้งความหนาแน่นและอุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงไป ทำให้เครื่องอัดอากาศทำงานไม่คงที่แน่นอน
ข้อดีของเครื่องกังหันก๊าซเมื่อเทียบกับเครื่องกังหันไอน้ำ
1. สามารถเดินเครื่องได้ง่าย รวดเร็ว เพราะอุปกรณ์น้อยชิ้นกว่า
2. ไม่มีปัญหาเรื่องการกลั่นน้ำและการหาแหล่งน้ำ เพราะไม่ต้องใช้น้ำเป็นจำนวนมาก เหมือนเครื่องกังหันไอน้ำ
3. ออกแบบสร้างได้ง่าย ค่าลงทุน และค่าดำเนินงานถูกกว่าเมื่อคิดที่กำลังการผลิตกำลังไฟฟ้าเท่ากัน
4. ค่าซ่อมแซมบำรุงรักษาต่ำกว่า
5. ความดันใช้การต่ำกว่า ทำให้ลดความเครียดที่แบริ่งลงและการสึกหรอน้อยกว่า
ข้อเสียของความกังหันก๊าซเมื่อเทียบกับเครื่องกังหันไอน้ำ
1. จะต้องมีต้นกำลังในการเริ่มเดินเครื่อง มิฉะนั้นจะไม่สามารถทำงานได้
2. ประสิทธิภาพในการทำงานต่ำ เพราะงานที่ได้จากเครื่องกังหันส่วนหนึ่ง จะต้องนำไปขับเครื่องอัดอากาศ ทำให้เหลืองานที่จะนำไปขับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าน้อยลง
โรงไฟฟ้าพลังงานก๊าซ
1 กังหันก๊าซ (Gas Turbine)
กังหันก๊าซถูกคิดค้นและจดทะเบียนสิทธิบัตรไว้โดย นายจอห์น บาร์เบอร์ ( John Barber ) ชาวอังกฤษ ในปี พ.ศ 2334 ต่อมาได้พัฒนาขึ้นใช้กันอย่างแพร่หลาย เริ่มแรกกังหันก๊าซถูกนำไปใช้กับเครื่องบินเรือเดินทะเล และเป็นต้นกำลังในการผลิตกระแสไฟฟ้า ต่อมาได้ถูกนำไปใช้กับงานต่างๆ อีกมากมาย เช่น รถยนต์ รถแข่ง รถบรรทุก รถรางความเร็วสูง ระบบตู้เย็นกังหันก๊าซ คนเหาะ (Flying Man )
2 ส่วนประกอบของกังหันก๊าซ
กังหันก๊าซมีส่วนประกอบหลักอยู่ 3 ส่วน คือ
1. เครื่องอัดอากาศ ( Air Compressor )
2. ห้องเผาไหม้ ( Combustion Chamber )
3. เครื่องกังหัน ( Turbine )
หลักการทำงานเบื้องต้นของกังหันก๊าซ
1.เครื่องอัดอากาศจะอัดอากาศให้มีความดันสูง 8-10 เท่า
2.อากาศความดันสูงจะถูกส่งเข้าไปยังห้องเผาไหม้ที่มีเชื้อเพลิงก๊าซ(หรือน้ำมันดีเซล) ทำการเผาไหม้
3.อากาศร้อนในห้องเผาไหม้เกิดการขยายตัว ทำให้มีความดันและอุณหภูมิสูง
4.ส่งอากาศนี้ไปดันกังหันก๊าซ
5.เพลาของกังหันก๊าซจะอยู่แกนเดียวกันกับอุปกรณ์ต่างๆ ที่จะนำไปใช้งาน เช่น เครื่องกำเนิดไฟฟ้า ฯลฯ
3 เครื่องอัดอากาศ ( Air Compressor )
เครื่องอัดอากาศ แบ่งออกเป็น 3 ชนิด คือ
1.เครื่องอัดอากาศแบบลูกสูบ ( Reciprocating Air Compressor )
2.เครื่องอัดอากาศแบบลูกสูบหลายขั้น ( Multistage Reciprcration Compressor )
3.เครื่องอัดอากาศแบบโรตารี ( Rotary Air Compressor )
3.1 เครื่องอัดอากาศแบบลูกสูบ
เครื่องอัดอากาศแบบลูกสูบ ประกอบด้วยลูกสูบที่เคลื่อนที่ในกระกระบอกสูบ โดยรับกำลังขับผ่านก้านสูบและข้อเหวี่ยงที่ประกอบอยู่ในเพลาห้องข้อเหวี่ยง มีลิ้นอุดอากาศและลิ้นส่งติดอยู่ตอนบนของหัวสูบ ลิ้นแบบนี้ทำงานโดยความดันแตกต่างกันระหว่างหน้าและหลังลิ้น ขณะที่ลูกสูบเคลื่อนที่ลงอากาศที่ถูกอัดในจังหวะก่อนหน้าที่ยังหลงเหลืออยู่จะขยายตัวจนมีความดันต่ำกว่าความดันดูดเข้าเล็กน้อยซึ่งอากาศด้านนอกของลิ้นดูดจะสูงกว่าด้านในตัวนั้น ลิ้นจะเปิดให้อากาศเข้าในระหว่างจังหวะนี้ ลิ้นส่งจะปิดเพราะขณะนี้ความดันด้านนอกของลิ้นส่งจะสูงกว่าความดันภายในกระบอกสูบ ขณะนี้ลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้น ในช่วงแรกของจังหวะเคลื่อนขึ้น ความดันในกระบอกสูบจะสูงขึ้นเล็กน้อยพอเพียงที่จะทำให้ลิ้นดูดปิด ความดันของอากาศภายในกระบอกสูบจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว เมื่อถูกปิดอยู่ในกระบอกสูบอย่างสนิทจนมีความดันสูงกว่าความดันด้านนอกของลิ้นส่ง ซึ่งจะทำให้ลิ้นส่งเปิดทำให้อากาศความดันสูงออกจากกระบอกสูบ และลิ้นส่งจะปิดในที่สุดเมื่อสุดจังหวะอัด ลูกสูบก็จะเริ่มเลื่อนลงในกระบอกสูบ ลิ้นดูดก็จะเลื่อนออกอีกครั้งหนึ่ง และจะเป็นวัฏจักรเช่นนี้ซ้ำๆ กัน
อากาศที่ถูกปิดอยู่ในกระบอกสูบของเครื่องอัดอากาศแบบนี้จะสามารถอัดให้ความดันได้สูงมากทั้งนี้ขึ้นอยู่กับความแข็งแรงของวัสดุที่ทำชิ้นส่วนของอัดและกำลังขับของมอเตอร์ ในเครื่องอัดอากาศแบบลูกสูบนี้ การไหลของอากาศจะมีการหยุดทำงานเป็นจังหวะๆ
3.2 เครื่องอัดอากาศแบบลูกสูบหลายขั้น
เครื่องอัดอากาศแบบลูกสูบหลายขั้น มีหลักการทำงานคือ เมื่อการส่งอากาศออกของเครื่องอากาศแบบลูกสูบเดียวถูกกีดขวางย่อมจะทำให้ความดันยิ่งเพิ่มขึ้น ถ้าความดันของอากาศส่งออกสูงมากเกินไปก็จะมีข้อเสียเกิดขึ้น เครื่องอัดอากาศแบบขั้นเดียว ถ้าต้องการอัดอากาศให้ได้ความดันสูงๆ ก็จำเป็นจะต้องให้มีโครงสร้างแข็งแรงมาก รวมทั้งต้องให้ชิ้นส่วนประกอบที่แข้งแรงพอเพื่อแก้ปัญหาเรื่องการสมดุล และเมื่อมีแรงบิดตอนเริ่มสตาร์ทสูงก็ต้องใช้ข้อเหวี่ยงให้มีขนานโตขึ้นด้วย จากข้อเสียต่างๆ ของเครื่องอัดอากาศแบบขั้นเดียวนี้จึงได้มีการปรับปรุงและหันมาใช้เครื่องอัดอากาศแบบหลายขั้น ซึ่งประกอบด้วยกระบอกสูบหลายกระบอกต่อเนื่องกัน โดยอากาศที่ส่งออกจากกระบอกสูบหนึ่งจะวิ่งไปเข้ากระบอกสูบตัวถัดไป แสดงการต่อกระบอกสูบของเครื่องอัดแบบ 3 ขั้นอัตราส่วนความดันต่ำในกระบอกสูบความดันต่ำหมายถึงการขยายตัวของปริมาตรของอากาศที่หัวสูบจะลดลงซึ่งจะทำให้ปริมาตรแทนที่จริงในกระบอกสูบเพิ่มขึ้น ซึ่งสูบนี้จะทำหน้าที่ควบคุมมวลของอากาศที่ไหลผ่านเครื่องอัดอากาศทั้งหมด เพราะกระบอกสูบนี้ทำหน้าที่ดูดอากาศเข้ามาในเครื่องเพียงสูบเดียว ดังนั้น เครื่องอัดอากาศแบบหลายขั้นจึงสามารถส่งมวลผ่านเครื่องอัดได้มากกว่าเครื่องแบบขั้นเดียว
เพื่อที่จะลดอุณหภูมิของอากาศที่ออกจากเครื่องอัดจึงได้มีการติดตั้งอุปกรณ์หล่อเย็นระหว่างสูบเอาไว้ การลดอุณหภูมิ หมายถึง การลดพลังงานภายในของอากาศที่ออกจากเครื่องอัดด้วย และเมื่อพลังนี้ได้มาจากพลังงานที่ใช้ในการอัดของเครื่องอัดอากาศ ผลอันนี้จึงเป็นการช่วยลดงานที่ต้องใช้ในการอัดลง เครื่องอัดแบบหลายขั้น สามารถปรับความสมดุลได้ง่าย และมีแรงบิดต่ำกว่าแบบขั้นเดียว จะสังเกตเห็นว่า ขนาดของกระบอกสูบจะลดลงเมื่อความดันเพิ่มขึ้น ทั้งนี้เนื่องจากว่าเมื่อความดันเพิ่มขึ้นปริมาตรของอากาศที่กำหนดมวลมาให้จะลดลงเมื่อกระบอกสูบต่อเนื่องกัน มวลของอากาศก็จะไหลต่อเนื่องกันไปตลอดเครื่องอัด และเมื่อลูกสูบชุดต่อไปมีปริมาตรอากาศเข้าน้อยเนื่องจากความดันสูงขึ้น จึงทำให้ขนาดของกระบอกสูบเล็กลงตามลำดับ
3.3 เครื่องอัดแบบโรตารี
เครื่องอัดอากาศแบบนี้มีพื้นฐานอยู่ 3 แบบด้วยกัน คือ แบบเหวี่ยงออกตามแนวรัศมีรอบตัว หรือแบบใช้แรงเหวี่ยง (Radial or Centifugal Compressor) แบบไหลตามแนวแกน และแบบขับออกทางบวกหรือพัดลม ลักษณะโดยทั่วๆ ไปของเครื่องอัดอากาศ แบบเหวี่ยงตามแนวรัศมี ซึ่งประกอบด้วยใบพัดที่หมุนได้รอบตัว โดยปกติจะมีความเร็วรอบสูง ( 20,000 – 30,000 ริบต่อนาที ) อยู่ภายใน เครื่องใบพัดประกอบด้วยจานติดใบเมื่อใบหมุนอากาศซึ่งอยู่ในร่องใบก็จะหมุนไปด้วย แรงเหวี่ยงจะผลักให้อากาศออกทางปลายใบพัด ซึ่งเรียกว่าตาของใบพัด ( Eye of Impeller ) อากาศจะไหลจากปลายด้านนอกของใบพัดผ่านแหวนจ่ายลมซึ่งทำให้กระบอกเข้าไปในก้นหอยโข่ง ( Evolute ) ได้ดียิ่งขึ้น ที่แหวนจ่ายลม อากาศจะลดอัตราความเร็วลง ซึ่งมีผลให้ความดันของอากาศก่อตัวสูงขึ้น ในทางทฤษฎีถือว่าไม่มีพลังงานสูญเสีย
ก้นหอยเป็นส่วนที่ทำหน้าที่รวมอากาศของเครื่องอัดซึ่งพื้นที่หน้าตัดจะโตขึ้นเรื่อยๆ โดยรอบเครื่องอัด เหตุผลสำหรับอันนี้ก็คืออากาศที่รวมตัวกันอยู่รอบๆ ก้นหอยจะมากขึ้นเรื่อยๆ ซึ่งต้องใช้พื้นที่หน้าตัดโตขึ้น ต่อไปก็จะมีท่อต่อลมอัดออกไปใช้งาน เครื่องอัดอากาศแบบนี้เป็นแบบการไหลต่อเนื่อง ใช้ในการอัดอากาศเป็นจำนวนมากๆ ผ่านช่วงความดันปานกลางโดยทั่วๆ ไป มีอัตราส่วนการอัดประมาณ 4 ถึง 6 : 1
เครื่องอัดอากาศแบบการไหลตามแนวแกน เครื่องอัดอากาศแบบนี้มีใบพัดแบบอยู่กับที่และแบบเคลื่อนที่หลายๆ ชุดต่อเนื่องกัน ใบชุดอยู่กับที่จะติดอยู่กับเครื่อง ส่วนใบพัดชุดเคลื่อนที่ติดอยู่ที่แกนมีเพลาหมุนรอบตัว ใบชุดเคลื่อนที่นั้นมีลักษณะใบพัดลมหลายๆ อันประกอบเข้าเป็นชุดเดียวกัน ใบพัดเหล่านี้จะช่วยส่งอากาศให้ผ่านเข้าเครื่องอัดอากาศ มุมของใบพัดทุก
ชุดจะจัดไว้พอดีก็ทำให้อากาศผ่านจากใบพัดชุดหนึ่งได้อย่างราบเรียบ อากาศจะวิ่งผ่านตามแนวแกนที่มีความเร็วสูงประมาณ 10,000 – 30,000 รอบต่อนาที ใช้อัดอากาศในปริมาณมากๆ มีอัตราส่วนความดันถึง 10 : 1 หรือมากกว่า ซึ่งเครื่องอัดอากาศแบบนี้จะนำไปใช้กับเครื่องกังหันก๊าซของเครื่องบินและเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
4. กังหันก๊าซ
กังหันก๊าซจะทำงานได้ต้องมีส่วนประกอบ 3 อย่างดังที่กล่าวมาแล้วข้างต้น คือ เครื่องอัดอากาศห้องเผาไหม้ และตัวกังหัน โดยมีการทำงานดังนี้ คือ อากาศจะถูกอัดด้วยเครื่องอัดอากาศให้มีความดันสูง 8 – 10 เท่า โดยใช้เครื่องอัดอากาศแบบโรตารี แบบอากาศไหลตามแนวแกนหรือไหลตามแนวรัศมี
อากาศความดันสูงจะส่งเข้าไปยังห้องเผาไหม้โดยผ่านท่อลม ในห้องเผาไหม้จะมีหัวฉีดเชื้อเพลิงเข้าไปอย่างต่อเนื่อง เมื่ออากาศผ่านเข้าไปยังห้องเผาไหม้จะทำให้เกิดอุณหภูมิสูงขึ้นและเกิดการขยายตัวทำให้มีความดันเพิ่มขึ้นไปขับดันกังหันให้หมุนโดยเพลาของกังหันสามารถต่อไปใช้งานได้ เช่น เครื่องกำเนิดไฟฟ้า หรือเรือเดินสมุทร ส่วนเครื่องบินไม่ส่งกำลังออกที่เพลา แต่จะมีกังหันก๊าซและเครื่องอัดอากาศขนาดใหญ่ที่ให้กำลังและความเร็วสูงมาก ในการผลักดันเครื่องบินให้เคลื่อนที่ภายในอากาศได้ การเผาไหม้อย่างต่อเนื่องจะทำให้อุณหภูมิของห้องเผาไหม้และเครื่องอัดอากาศมีความร้อนสูง จึงต้องมีการระบายความร้อนให้กับเครื่อง
ข้อดีของเครื่องกังหันก๊าซคือ มีการสั่นสะเทือนน้อย ออกแบบง่าย มีประสิทธิภาพการทำงานสูง
กังหันก๊าซเป็นเครื่องที่ไม่สามารถเริ่มเดินเครื่องด้วยตัวเองได้เหมือนเครื่องยนต์ลูกสูบทั่วๆ ไป จึงต้องมีเครื่องช่วยหมุนจนได้ความเร็วรอบระดับหนึ่ง จึงจะทำการจุดเชื้อเพลิงในห้องเผาไหม้ เครื่องช่วยหมุนนี้อาจใช้มอเตอร์ไฟฟ้า หรือกังหันก๊าซเล็กๆ โดยออกแบบให้มีถังเชื้อเพลิงและชุดอัดอากาศ สำหรับกังหันก๊าซตัวเล็กนี้จะใช้เฟืองหรือชุดเกียร์ขับที่เพลากังหันเมื่อเดินเครื่องได้แล้ว ชุดเกียร์จะถอยออกมา
5. การเพิ่มประสิทธิภาพของกังหันก๊าซ
ก๊าซที่ออกจากกังหันจะยังคงมีอุณหภูมิและพลังงานหลงเหลืออยู่อีกมากจึงนำก๊าซร้อนนี้ไปเข้าเครื่องถ่ายเทความร้อน ( Heat Exchange ) ก่อนที่จะส่งเข้าไปยังเครื่องอัดอากาศ ทำให้อากาศที่ถูกอัดมีอุณหภูมิสูงขึ้นและส่งต่อไปยังห้องเผาไหม้ ทำให้ได้พลังงานเพิ่มขึ้น 20 – 30 เปอร์เซ็นต์ อากาศถูกดูดเข้าเครื่องอัดอากาศ เพิ่มความดันให้สูงขึ้น 8 – 10 เท่า ส่งเข้าไปยังห้องเผาไหม้ที่มีก๊าซหรือน้ำมันดีเซลเป็นเชื้อเพลิง อากาศจะขยายตัวมีความดันสูงขึ้น ไปขับเคลื่อนใบพัดของกังหันก๊าซให้หมุน ซึ่งแกนของกังหันต่อเชื่อมเข้ากับแกนของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าผลิตแรงดันไฟฟ้าจ่ายออกไป ส่วนไอเสียที่ขับดันกังหันแล้วจะยังคงมีอุณหภูมิสูงอยู่ จึงนำก๊าซร้อนนี้ไปถ่ายเทความร้อนเพิ่มให้กับอากาศที่ถูกอัด ทำให้ประสิทธิภาพของอากาศสูงขึ้นกว่าปกติเมื่อเข้าไปสันดาปในห้องเผาไหม้
6. กังหันก๊าซแบบวงจรปิด ( Close Cycle Gas Turbine )
กังหันก๊าซแบบวงจรปิดโดยมีโครงสร้างและหลักการทำงานเช่นเดียวกับกังหันก๊าซแบบเปิดโดยทั่วไป ๆ ไป ส่วนที่แตกต่างคือ ใช้อากาศจำนวนเดียวกันหมุนเวียนใช้งานอยู่ในวงจรปิดตลอดเวลา เว้นแต่จะมีการซ่อมบำรุงหรือการรั่วไหลจึงจะเปลี่ยนอากาศ
การทำงานก็คือ เมื่ออากาศถูกอัดด้วยเครื่องอัดอากาศจะถูกส่งเข้าห้องให้ความร้อนสูง ( Heater ) เกิดการขยายตัวเพิ่มอุณหภูมิและความดันไปหมุนกังหัน หลังจากนั้นจะถูกระบายความร้อนด้วยน้ำทำให้เย็นลง และไหลกลับไปยังเครื่องอัดอากาศ อากาศในวงจรด้านความดันต่ำของวงจรจะถูกอัดความดันให้สูงขึ้นเป็นวงจรเช่นนี้ตลอดไป
กังหันก๊าซแบบวงจรปิดนี้ มีข้อดีคือสามารถใช้กับเชื้อเพลิงทุกประเภท เช่น ของแข็ง ของเหลวและก๊าซ การให้ความร้อนในห้องให้ความร้อน จะไม่ผสมโดยตรงกับอากาศที่ทำงานในวงจร โดยใช้วิธีการนี้ดัดแปลงไปใช้กับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ได้ โดยก๊าซนี้ใช้หมุนเวียนในวงจรอาจเปลี่ยนเป็นก๊าซอื่น เช่น ฮีเลียม แต่ข้อเสียของวงจรแบบนี้คือ ต้องใช้ปริมาณน้ำหล่อเย็นมาระบายความร้อนเป็นจำนวนมาก
7. ห้องเผาไหม้ ( Combustion Chamber )
ห้องเผาไหม้เป็นโลหะรูปทรงกระบอกมีสองชั้นประกอบกันอยู่ ชั้นนอกเป็นช่องทางเข้าของอากาศความดันสูงที่ถูกอัดเข้ามาจากเครื่องอัดอากาศ ชั้นในเป็นท่อโลหะซ้อนกันอยู่โดยเจาะรูเล็กๆ ไว้เป็นระยะๆ เพื่อให้อากาศความดันสูงเข้าไปผสมกับเชื้อเพลิงทำให้เกดการลุกไหม้ขยายตัวมีอุณหภูมิและความดันสูงส่งเข้าไปขับเคลื่อนกังหัน ท่อภายในห้องเผาไหม้ที่ถูกถอดออกมาตรวจสอบและบำรุงรักษาตามระยะเวลาที่กำหนด โดยจะทำความสะอาดรูที่ท่อซึ่งอาจมีสิ่งสกปรก เช่น เศษเขม่า หรือผงถ่านสะสมตกค้างอยู่ เป็นการเพิ่มประสิทธิภาพในการเผาไหม้อีกวิธีหนึ่ง
ห้องเผาไหม้นี้ส่วนมากจะติดตั้งอยู่ตรงกลางระหว่างเครื่องอัดอากาศและกังหันตรงส่วนหัวของห้องเผาไหม้จะมีหัวฉีดเชื้อเพลิง ( ก๊าซหรือน้ำมันดีเซล ) ซึ่งห้องเผาไหม้จะมีหัวฉีดเชื้อเพลิงตั้งแต่ 6 – 18 หัว และจะมีหัวฉีดเชื้อเพลิงให้ลุกไหม้โดยควบคุมด้วยระบบอิเล็กทรอนิกส์เพื่อให้การเผาไหม้สมบรูณ์ เป็นไปอย่างต่อเนื่องและมีประสิทธิภาพ
แหล่งอ้างอิงคือ http://www.eei.co.th/thai/cogeneration.php
เม้นท์จร้าคนสย
ตอบลบเนื้อหาเยอะได้ใจ 55+