บทที่ 14 — วัฏจักร Brayton

14.1 Gas Turbine และ 4 กระบวนการของ Brayton (GT & the Four Processes)

วัฏจักร Brayton คือแบบจำลองทางเทอร์โมไดนามิกส์ต้นแบบของ GT (Gas Turbine — กังหันก๊าซ) ทุกเครื่อง ประกอบด้วย 4 กระบวนการต่อเนื่องกัน โดยแต่ละกระบวนการเกิดขึ้นในอุปกรณ์คนละชิ้นเช่นเดียวกับ Rankine cycle: กระบวนการ 1→2 คือ compressor (คอมเพรสเซอร์) อัดอากาศให้มีความดันสูงขึ้นแบบ isentropic ในอุดมคติ (adiabatic และ reversible ไม่มี entropy เพิ่ม); กระบวนการ 2→3 คือ combustor (ห้องเผาไหม้) ฉีดเชื้อเพลิงเข้าเผาไหม้กับอากาศที่ความดันคงที่ (constant pressure) จนอุณหภูมิพุ่งสูงมาก; กระบวนการ 3→4 คือ turbine (กังหัน) ขยายตัวก๊าซร้อนความดันสูงปลดปล่อยพลังงานออกมาเป็นงานเชิงกล; และกระบวนการ 4→1 คือการทิ้งความร้อนสู่บรรยากาศ ซึ่งในโรงไฟฟ้าจริงไม่มีอุปกรณ์ทำหน้าที่นี้แยกต่างหาก เพราะไอเสียที่ออกจาก turbine เพียงแค่ถูกปล่อยสู่ชั้นบรรยากาศ (หรือส่งต่อเข้า HRSG ในกรณี combined cycle) แล้วอากาศบรรยากาศใหม่ก็จะถูกดูดเข้า compressor แทนที่ในรอบถัดไป

ข้อแตกต่างสำคัญจาก Rankine cycle ที่เป็นวัฏจักรวงปิด (closed cycle) คือโรงไฟฟ้า gas turbine เกือบทั้งหมดใช้ open cycle (วัฏจักรวงเปิด) — อากาศใหม่จากบรรยากาศถูกดูดเข้าตลอดเวลา ไม่มีการหมุนเวียนสารทำงานกลับมาใช้ซ้ำเหมือนน้ำ/ไอน้ำใน Rankine cycle แต่ในการวิเคราะห์ทางทฤษฎี วิศวกรยังคงใช้ air-standard assumption (สมมติฐานมาตรฐานอากาศ) ซึ่งสมมติว่าสารทำงานคืออากาศบริสุทธิ์ที่ประพฤติตัวเป็น ideal gas (ก๊าซอุดมคติ) ตลอดวัฏจักร เสมือนเป็นวัฏจักรวงปิด ทำให้สามารถวิเคราะห์ open cycle จริงด้วยสมการเดียวกับวัฏจักรปิดในทางทฤษฎีได้ — เป็นเทคนิคเดียวกับที่ใช้วิเคราะห์เครื่องยนต์สันดาปภายในทั่วไป

ทั้งสามอุปกรณ์หลัก — compressor, combustor, turbine — ถูกจัดเรียงบนเพลาเดียวกันในเครื่อง single-shaft gas turbine ทั่วไป โดย turbine ทำหน้าที่ผลิตงานสองส่วนพร้อมกัน คือขับ compressor ให้หมุนอัดอากาศต่อไปเรื่อย ๆ และขับ generator (เครื่องกำเนิดไฟฟ้า) ที่ต่ออยู่ปลายเพลาอีกด้านเพื่อผลิตไฟฟ้าออกสู่ระบบ เฉพาะงานส่วนที่เหลือหลังหักงานขับ compressor แล้วเท่านั้นที่กลายเป็น w_net (งานสุทธิ) ซึ่งเป็นประเด็นสำคัญที่จะกล่าวถึงละเอียดในหัวข้อ 14.4

ตัวเลข typical ของ heavy-duty GT (กังหันก๊าซขนาดใหญ่แบบใช้งานหนักในโรงไฟฟ้า ต่างจาก aeroderivative GT ที่ดัดแปลงมาจากเครื่องยนต์เจ็ตเครื่องบิน) อยู่ที่ pressure ratio (อัตราส่วนความดัน) ประมาณ 15–25 เท่า, TIT (Turbine Inlet Temperature — อุณหภูมิก๊าซเข้ากังหัน) ของรุ่น F-class อยู่ที่ราว 1,400°C ส่วนรุ่น H-class และ J-class ซึ่งเป็นเทคโนโลยีใหม่กว่าดันขึ้นไปถึง 1,500–1,600°C และไอเสียที่ทิ้งออกจาก turbine ยังคงร้อนถึง 550–650°C ตัวเลข TIT ที่สูงขนาดนี้เป็นไปได้ก็เพราะเทคโนโลยี blade cooling (การระบายความร้อนใบพัด) ที่ซับซ้อน ซึ่งจะกล่าวถึงต่อไปในหัวข้อนี้

ประสิทธิภาพของ simple cycle (วัฏจักรเดี่ยว ไม่ผสมกับวัฏจักรไอน้ำ) ของ GT สมัยใหม่อยู่ที่ประมาณ 35–43% เท่านั้น ซึ่งต่ำกว่า combined cycle มาก เพราะพลังงานเชื้อเพลิงส่วนใหญ่ถูกทิ้งไปกับไอเสียร้อนมหาศาลตามที่กล่าวข้างต้น แต่ข้อดีเชิงปฏิบัติการของ GT ที่ Rankine cycle ทำไม่ได้คือความเร็วในการ start (เดินเครื่อง) ซึ่งใช้เวลาเพียง 10–30 นาทีจนถึง full load เทียบกับโรงไอน้ำที่ใช้เวลาหลายชั่วโมงถึงเป็นวัน รวมถึง power density (กำลังผลิตต่อขนาดเครื่อง) ที่สูงกว่ามาก ทำให้ GT เหมาะสำหรับบทบาท peaking (จ่ายไฟช่วงโหลดสูงสุด) เป็นพิเศษ — รายละเอียดตัวเครื่อง gas turbine เชิงลึกจะกล่าวถึงในบทที่ 25

1. Inlet guide vanes — ใบพัดนำอากาศเข้าชุดแรกสุดก่อนถึง compressor stage แรก ทำหน้าที่ปรับมุมกระแสอากาศให้เข้าใบพัดหมุนได้อย่างมีประสิทธิภาพ และใช้ปรับมวลอากาศไหลตอนโหลดต่ำหรือช่วง start-up
2. Axial compressor stages — ชุดใบพัด compressor แบบไหลตามแนวแกน (axial) เรียงต่อกันหลายสิบชั้น แต่ละชั้นอัดความดันเพิ่มขึ้นทีละน้อย รวมกันจนได้ pressure ratio 15–25 เท่าตามที่กล่าวในเนื้อหา
3. Transition piece — ท่อเปลี่ยนรูปหน้าตัดที่นำก๊าซร้อนจาก combustor can แต่ละอันไปรวมเข้าสู่วง annulus ก่อนเข้า turbine stage แรก ต้องทนอุณหภูมิสูงมากและมักเคลือบ thermal barrier coating
4. Combustion system — ส่วนห้องเผาไหม้ที่ฉีดเชื้อเพลิงผสมกับอากาศจาก compressor แล้วจุดระเบิดต่อเนื่อง เป็นจุดกำเนิดอุณหภูมิ TIT ที่ป้อนเข้า turbine
5. Turbine stages — ชุดใบพัด turbine หลายชั้นที่ขยายตัวก๊าซร้อนความดันสูงออกมาเป็นงานเชิงกล ใบพัดชั้นแรกสัมผัสอุณหภูมิสูงสุดจึงต้องมีระบบระบายความร้อนภายในตามที่จะกล่าวถึงต่อไป
6. Exhaust casing — ผนังหุ้มด้านปลายทางออกของ turbine ที่รวบรวมก๊าซไอเสียก่อนส่งต่อเข้าปล่อง exhaust diffuser duct (ดูรูปหัวข้อ 14.6)
7. Fuel injector — หัวฉีดเชื้อเพลิงเข้าสู่ combustion system ควบคุมอัตราการจ่ายเชื้อเพลิงให้สอดคล้องกับโหลดที่ต้องการ
8. Turbine support and bearing — ฐานรองรับและตลับลูกปืนรองรับเพลา turbine ให้หมุนได้อย่างมั่นคงตลอดความเร็วรอบใช้งาน
9. Main casing (upper half removed) — ฝาครอบหลักของทั้งเครื่อง ในรูปนี้ถูกยกออกครึ่งบนเพื่อการบำรุงรักษา ทำให้มองเห็นภายในตั้งแต่ compressor จนถึง turbine ได้ในภาพเดียว

ภายในห้องเผาไหม้ของ GT ขนาดใหญ่มักใช้การออกแบบแบบ can-annular (แคน-แอนนูลาร์) ซึ่งประกอบด้วย combustor can หลายใบเรียงเป็นวงรอบเพลา แต่ละใบมี fuel nozzle และ ignition plug ของตัวเอง ก่อนที่เปลวไฟร้อนจากทุกใบจะไหลรวมผ่าน transition piece เข้าสู่วง annulus เดียวกันก่อนถึง turbine stage แรก

1. Outer Casing — ผนังหุ้มด้านนอกสุดของระบบ combustor รับแรงดันจากอากาศ compressor discharge ที่ห่อหุ้มรอบ combustor can ทั้งหมด
2. Diffuser — ท่อขยายหน้าตัดที่ชะลอความเร็วอากาศจาก compressor discharge ก่อนเข้าสู่โซนเผาไหม้ เพื่อลดการสูญเสียความดันและช่วยให้เปลวไฟเสถียร
3. Compressor Discharge — ทางเข้าอากาศความดันสูงจาก compressor stage สุดท้าย ซึ่งคืออากาศที่สถานะ 2 ตามแผนภาพ T-s/P-v ด้านบน
4. Combustor Basket (One of Many) — กระบอกเผาไหม้แต่ละใบในวง can-annular ภายในเกิดปฏิกิริยาเผาไหม้เชื้อเพลิงกับอากาศอย่างต่อเนื่อง ในเครื่องหนึ่งเครื่องมีหลายใบเรียงรอบเพลา
5. Fuel Nozzle (One of Many) — หัวฉีดเชื้อเพลิงประจำ combustor basket แต่ละใบ ควบคุมอัตราส่วนเชื้อเพลิงต่ออากาศให้เผาไหม้สมบูรณ์และคุมอุณหภูมิเปลวไฟไม่ให้สูงเกินขีดจำกัดวัสดุ
6. Ignition Plug (One of Many) — หัวจุดระเบิดที่ใช้เฉพาะตอน start-up เพื่อจุดไฟครั้งแรก เมื่อเปลวไฟติดต่อเนื่องแล้วจะหยุดทำงาน เพราะการเผาไหม้ต่อเนื่องอาศัยความร้อนที่มีอยู่แล้วเป็นตัวจุดไฟเอง
7. Combustor Liner — ผนังชั้นในของ combustor basket ที่สัมผัสเปลวไฟโดยตรง มีรูเล็ก ๆ ระบายอากาศเย็นมาห่อหุ้มผนังป้องกันความร้อนทำลายวัสดุ
8. Cooling Holes — รูระบายอากาศเย็นจาก compressor discharge เข้าห่อหุ้มผนัง liner และ transition piece เป็นฟิล์มอากาศเย็นบาง ๆ ป้องกันโลหะสัมผัสเปลวไฟโดยตรง
9. Combusor Front Plate — แผ่นหน้าที่ยึด fuel nozzle และ ignition plug ของแต่ละ basket เข้ากับโครงสร้างหลัก
10. Transition Piece — ท่อเปลี่ยนรูปหน้าตัดจากทรงกระบอกของแต่ละ basket ไปเป็นวง annulus ต่อเนื่องก่อนเข้า turbine ตามที่กล่าวถึงในรูปก่อนหน้า
11. Turbine Inlet Guide Vanes — ใบพัดนำก๊าซร้อนชุดแรกที่ปรับมุมการไหลก่อนกระทบใบพัด turbine stage แรก เพื่อให้ดึงงานออกมาได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด
12. Turbine Rotor Shaft — เพลาหมุนที่รับงานจาก turbine stage ต่าง ๆ ส่งต่อไปขับ compressor และ generator ตามที่อธิบายในหัวข้อนี้

คำถามที่ตามมาคือทำไม TIT จึงพุ่งขึ้นไปถึง 1,500–1,600°C ได้ในเครื่องรุ่นใหม่ ทั้งที่จุดหลอมเหลวของโลหะผสมพิเศษที่ใช้ทำใบพัด turbine (superalloy) อยู่ที่ประมาณ 1,300–1,400°C เท่านั้น คำตอบอยู่ที่เทคโนโลยี blade cooling (การระบายความร้อนใบพัด) ภายในใบพัด turbine stage แรกมีช่องทาง serpentine (คดเคี้ยวไปมา) ให้อากาศเย็นที่ดึงมาจาก compressor discharge (โดยไม่ผ่าน combustor) ไหลผ่านภายในเนื้อใบพัด แล้วระบายออกทางรูเล็ก ๆ บนผิวใบพัดเป็นฟิล์มอากาศเย็นห่อหุ้มผิวนอกไว้อีกชั้น (film cooling) เทคนิคผสมนี้ทำให้ผิวโลหะจริงเย็นกว่าอุณหภูมิก๊าซที่ไหลผ่านรอบตัวมันหลายร้อยองศา และเป็นสิ่งที่ทำให้ TIT ระดับ 1,500°C ขึ้นไปเป็นไปได้ในทางวิศวกรรม

1. Leading edge film cooling holes — รูระบายอากาศเย็นที่ขอบด้านหน้าของใบพัด ซึ่งเป็นจุดที่กระทบก๊าซร้อนโดยตรงก่อนใครและมีความเสี่ยงความร้อนสูงสุดจุดหนึ่ง
2. Pressure side (outer surface) — ผิวด้านความดันสูงของใบพัด (ด้านโค้งนูน) ที่รับแรงดันจากก๊าซไหลผ่าน เป็นด้านที่สร้างแรงยกส่วนใหญ่ให้ใบพัดหมุน
3. Serpentine cooling passages — ช่องทางอากาศเย็นภายในเนื้อใบพัดที่คดเคี้ยวไปมาหลายรอบ ทำให้อากาศเย็นสัมผัสผนังภายในได้นานและระบายความร้อนได้มากก่อนถูกปล่อยออก
4. Internal cooling ribs (turbulators) — สันยื่นเล็ก ๆ ภายในช่องทางที่ทำให้อากาศเย็นไหลปั่นป่วน (turbulent) เพิ่มการถ่ายเทความร้อนระหว่างอากาศกับผนังใบพัดให้ดีขึ้นกว่าการไหลเรียบ
5. Blade root — ฐานล่างของใบพัดที่เชื่อมต่อกับดิสก์ของ turbine ผ่านโครงสร้างหางเหยี่ยว (dovetail)
6. Dovetail fir-tree attachment — จุดยึดรูปหางเหยี่ยว/ต้นสนที่ล็อกใบพัดเข้ากับร่องบนดิสก์ turbine กระจายแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางมหาศาลจากการหมุนความเร็วสูงได้อย่างมั่นคง
7. Tip cap cooling holes (film cooling) — รูระบายอากาศเย็นที่ปลายใบพัด ซึ่งเป็นอีกจุดเสี่ยงความร้อนสูงเพราะอยู่ใกล้ผนัง casing ที่มีช่องว่างรั่วไหลของก๊าซร้อน
8. Film cooling holes on suction side — รูระบายอากาศเย็นด้านผิวความดันต่ำ (ด้านเว้า) สร้างฟิล์มอากาศเย็นห่อหุ้มผิวนอกป้องกันความร้อนจากก๊าซไหลผ่าน
9. Suction side (outer surface) — ผิวด้านความดันต่ำของใบพัด ก๊าซไหลผ่านด้วยความเร็วสูงกว่าฝั่ง pressure side
10. Trailing edge cooling slots — ช่องระบายอากาศเย็นที่ขอบท้ายใบพัด ซึ่งเป็นจุดบางที่สุดของหน้าตัดใบพัดและระบายความร้อนได้ยากกว่าจุดอื่น
11. Coolant exit region (plenum) — ช่องรวมอากาศเย็นภายในโคนใบพัดก่อนกระจายไปตามช่องทาง serpentine ต่าง ๆ
12. Platform (fir-tree) support area — พื้นผิวรองรับที่คั่นระหว่างตัวใบพัดกับฐานยึด ช่วยปิดผนึกไม่ให้ก๊าซร้อนรั่วไหลเข้าไปในช่องดิสก์

14.2 Ideal Brayton และผลของ Pressure Ratio (Ideal Cycle & Pressure Ratio)

การวิเคราะห์ ideal Brayton cycle ใช้ cold-air-standard assumption (สมมติฐานอากาศเย็นมาตรฐาน) คือสมมติว่าอากาศเป็น ideal gas ตลอดวัฏจักร มีค่า c_p (ความจุความร้อนจำเพาะที่ความดันคงที่) คงที่เท่ากับ 1.005 kJ/kg·K และมีค่า k (อัตราส่วนความจุความร้อน, c_p/c_v) เท่ากับ 1.4 ตลอดทั้งวัฏจักร แม้ในความเป็นจริงค่า c_p ของก๊าซจะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิและเปลี่ยนแปลงเมื่อมีการเผาไหม้ผสมเข้าไป แต่สมมติฐานนี้ยังคงให้ผลลัพธ์ที่ใกล้เคียงพอสำหรับความเข้าใจเชิงหลักการ และเป็นจุดตั้งต้นที่ใช้กันทั่วไปในการสอน

ผลลัพธ์ที่โดดเด่นที่สุดของการวิเคราะห์นี้คือ ideal efficiency ของ Brayton cycle ขึ้นกับตัวแปรเดียวเท่านั้นคือ pressure ratio (r_p) — ไม่ขึ้นกับ TIT เลยแม้แต่น้อย ซึ่งต่างจากความรู้สึกโดยสัญชาตญาณที่คนมักคิดว่ายิ่งเผาไหม้ร้อนยิ่งมีประสิทธิภาพสูง ตัวเลขจริงแสดงให้เห็นแนวโน้มชัดเจน: ที่ r_p = 8 ได้ η = 44.8%, ที่ r_p = 12 ได้ η = 50.8%, ที่ r_p = 16 ได้ η = 54.7% และที่ r_p = 20 ได้ η = 57.5% — ยิ่งอัดความดันสูงยิ่งมีประสิทธิภาพสูงขึ้นเรื่อย ๆ แม้อัตราการเพิ่มจะค่อย ๆ ลดลง (diminishing returns) เมื่อ r_p สูงขึ้น

อย่างไรก็ตาม specific work (งานสุทธิต่อหน่วยมวลอากาศ, w_net) ไม่ได้ขึ้นกับ r_p อย่างเดียวเหมือน η แต่ขึ้นกับทั้ง r_p และอัตราส่วน T₃/T₁ (TIT ต่ออุณหภูมิอากาศเข้า) ด้วย และมีลักษณะเป็นจุด optimum (จุดสูงสุด) ไม่ใช่เพิ่มขึ้นตลอด เหตุผลเชิงกายภาพคือ: ถ้า r_p ต่ำเกินไป งานอัดและงานขยายตัวทั้งคู่มีขนาดเล็ก เพราะอัดอากาศน้อยและขยายตัวก๊าซน้อยตามไปด้วย แต่ถ้า r_p สูงเกินไป แม้ turbine จะขยายตัวได้งานมากขึ้น ทว่าอากาศที่ออกจาก compressor ก็ร้อนจัดขึ้นตามไปด้วย (T₂ สูง) จนเหลือช่องว่างให้เติมเชื้อเพลิงเพิ่มอุณหภูมิได้น้อยลงก่อนถึง T₃ ที่กำหนดตายตัว ทำให้พลังงานที่เติมเข้าไปน้อยลงและงานสุทธิลดลงตามไปด้วยเช่นกัน

จุด r_p ที่ให้ specific work สูงสุด (PR_opt) สามารถคำนวณได้จากสมการที่สอง โดยที่ T₁ = 300 K และ T₃ = 1,400 K ซึ่งเป็นค่าทั่วไปของ heavy-duty GT จะได้ PR_opt ≈ 14.8 ซึ่งตรงกับช่วง pressure ratio จริงของ heavy-duty GT ส่วนใหญ่ (15–18) ไม่ใช่เรื่องบังเอิญ แต่เป็นผลจากการออกแบบที่เน้นทั้ง specific work สูงและยังคงเหลือไอเสียร้อนเพียงพอสำหรับป้อน HRSG ในกรณี combined cycle — ถ้าออกแบบเน้น simple cycle efficiency อย่างเดียวโดยไม่สนใจไอเสีย ก็จะเลือก r_p สูงกว่านี้มาก ซึ่งเป็นแนวทางที่ aeroderivative GT (กังหันก๊าซดัดแปลงจากเครื่องยนต์เจ็ตเครื่องบิน) นิยมใช้ โดยเลือก r_p สูงถึง 30–40 หรือมากกว่า ตามแบบเครื่องยนต์เครื่องบินต้นแบบที่เน้นประหยัดเชื้อเพลิงเป็นหลัก

โดย \(r_p\) = pressure ratio = P₂/P₁ (ไม่มีหน่วย), \(k\) = ratio of specific heats ของอากาศ = 1.4, \(T_1/T_2\) = อุณหภูมิสัมบูรณ์เข้า/ออก compressor (K)

โดย \(T_3\) = turbine inlet temperature (K), \(T_1\) = อุณหภูมิอากาศเข้า (K)

14.3 วัฏจักรจริง — ประสิทธิภาพ Compressor/Turbine (Actual Cycle)

วัฏจักรในหัวข้อ 14.2 เป็นอุดมคติที่สมมติ compressor และ turbine เป็น isentropic สมบูรณ์แบบ แต่เครื่องจริงมี irreversibility เสมอ ค่าทั่วไปของ isentropic efficiency ของ compressor (η_c) อยู่ที่ประมาณ 84–89% ส่วนของ turbine (η_t) อยู่ที่ประมาณ 88–92% นอกจากนี้ยังมี combustor pressure drop (ความดันตกคร่อมห้องเผาไหม้) อีกราว 3–5% รวมถึง inlet duct loss (การสูญเสียความดันที่ท่อดูดอากาศเข้า) และ exhaust duct loss (การสูญเสียความดันที่ท่อไอเสีย) ซึ่งล้วนกัดกร่อนประสิทธิภาพของวัฏจักรจริงให้ต่ำกว่าค่า ideal เสมอ

จุดที่น่าสนใจคือ irreversibility ใน compressor ส่งผล "ขยาย" มากกว่าที่คิด เพราะงานที่ compressor ใช้เพิ่มขึ้นจาก η_c ที่ต่ำลงนั้น ต้องถูกหักออกจากงานก้อนใหญ่ที่ turbine ผลิตได้เพื่อให้เหลือเป็น w_net สุดท้าย ดังนั้น η_th ของวัฏจักรจริงจึงไวต่อค่า η_c มากเป็นพิเศษ ยิ่งเมื่อพิจารณาร่วมกับหัวข้อ 14.4 เรื่อง back work ratio ที่สูงอยู่แล้ว การเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยของ η_c จึงส่งผลต่อ w_net และ η_th ของทั้งเครื่องอย่างเห็นได้ชัด มากกว่าการเปลี่ยนแปลงระดับเดียวกันของ η_t เสียอีก

อีกปัจจัยที่มีผลแรงมากต่อสมรรถนะ GT คืออุณหภูมิอากาศ ambient (อุณหภูมิบรรยากาศแวดล้อมที่ดูดเข้า compressor) เพราะอากาศร้อนมีความหนาแน่นต่ำกว่าอากาศเย็น เมื่ออุณหภูมิ ambient สูงขึ้นทุก 10°C มวลอากาศที่ compressor ดูดเข้าได้ในปริมาตรเท่าเดิมจะลดลง ขณะเดียวกันงานอัดต่อหน่วยมวลก็เพิ่มขึ้นด้วย (เพราะ T₁ สูงขึ้นทำให้ T₂ สูงขึ้นตามสัดส่วน) ทั้งสองผลรวมกันทำให้กำลังผลิตของ GT ตกลงประมาณ 5–7% ต่อทุก ๆ 10°C ที่อุณหภูมิ ambient สูงขึ้น ปรากฏการณ์นี้สำคัญมากในประเทศไทยที่อากาศร้อนเกือบตลอดปี และเป็นที่มาของเทคโนโลยี inlet air cooling (การลดอุณหภูมิอากาศก่อนเข้า compressor) เช่น evaporative cooler (เครื่องทำเย็นแบบระเหยน้ำ), fogging (การพ่นละอองน้ำ) หรือ chiller (เครื่องทำความเย็นแบบวงจรอัดไอ) ที่ใช้กันแพร่หลายในโรง GT เขตร้อน

โดย \(\eta_c\) = isentropic efficiency ของ compressor, \(\eta_t\) = ของ turbine (ไม่มีหน่วย), \(c_p\) = ความจุความร้อนจำเพาะ (kJ/kg·K), \(T_{2s}/T_{4s}\) = อุณหภูมิกรณี isentropic (K)

14.4 Back Work Ratio — ทำไม Compressor กินงานเยอะ (Back Work Ratio)

BWR (Back Work Ratio — อัตราส่วนงานย้อนกลับ) คืออัตราส่วนของงานที่ compressor ใช้ต่องานที่ turbine ผลิตได้ทั้งหมด สำหรับ gas turbine ค่านี้อยู่สูงถึง 40–60% ในขณะที่ Rankine cycle ตามที่กล่าวถึงในบทที่ 13 มี back work ratio เพียงประมาณ 0.5–1% เท่านั้น ความแตกต่างมหาศาลนี้ไม่ใช่เรื่องบังเอิญ แต่มีเหตุผลเชิงเทอร์โมไดนามิกส์ที่ชัดเจนรองรับ

เหตุผลอยู่ที่ทั้งกระบวนการอัด (compression) และกระบวนการขยายตัว (expansion) ใน Brayton cycle ล้วนกระทำกับ "ก๊าซ" ทั้งคู่ งานของอุปกรณ์ไหลคงตัวแปรผันตรงกับ ∫v dP (ปริพันธ์ของปริมาตรจำเพาะคูณผลต่างความดัน) และก๊าซมี specific volume (ปริมาตรจำเพาะ) สูงกว่าของเหลวมาก ดังนั้นทั้งงานอัดและงานขยายตัวจึงมีขนาดใหญ่ทั้งคู่ ต่างจาก Rankine cycle ที่กระบวนการอัด (โดย pump) กระทำกับ "ของเหลว" ซึ่งมี v ต่ำมาก ทำให้งานปั๊มเล็กจิ๋วเมื่อเทียบกับงาน turbine — นี่คือข้อได้เปรียบตามธรรมชาติของวัฏจักรที่ใช้ของเหลวเป็นสารทำงานฝั่งอัด ซึ่ง Brayton cycle ไม่มีข้อได้เปรียบนี้เลย

ผลที่ตามมาในทางปฏิบัติคือ GT ขนาด 250 MW ที่จ่ายไฟจริงที่ generator นั้น turbine ภายในเครื่องต้องผลิตงานรวมสูงถึงราว 500–600 MW แต่ในจำนวนนี้ compressor ดึงกลับไปใช้เองถึงประมาณ 300 MW เหลือเป็น w_net ออกมาที่ generator เพียงราวครึ่งเดียว ตัวเลขนี้อธิบายได้ว่าทำไม GT จึงมีขนาดตัวเครื่องใหญ่โตเมื่อเทียบกับกำลังไฟฟ้าสุทธิที่ผลิตได้จริง

BWR ที่สูงยังทำให้ GT ไวต่อสิ่งใดก็ตามที่ทำให้งาน turbine ตกลงเป็นพิเศษ เพราะเมื่องาน turbine ลดลงเพียงเล็กน้อย งานสุทธิ w_net = w_turbine − w_compressor จะลดลงในสัดส่วนที่มากกว่ามาก (เนื่องจากงาน compressor ยังคงสูงอยู่เท่าเดิม) สาเหตุที่พบบ่อยคือ compressor fouling (การเกาะสะสมของฝุ่นและคราบบนใบพัด compressor) และอุณหภูมิ ambient ที่สูงขึ้นตามที่กล่าวถึงในหัวข้อ 14.3 นี่คือเหตุผลที่การล้างทำความสะอาด compressor ทั้งแบบ online (ขณะเดินเครื่อง) และ offline/crank wash (ขณะหยุดเครื่องแล้วหมุนด้วยมอเตอร์ช่วย) จึงกลายเป็นงาน routine (งานประจำ) ที่สำคัญของโรง GT นอกจากนี้ถ้าทั้ง η_c และ η_t ตกลงพร้อมกันจนถึงระดับต่ำมาก เช่นราว 70% ทั้งคู่ งานสุทธิของเครื่องอาจเหลือใกล้ศูนย์ได้เลย เพราะงาน compressor ที่กินไปเกือบเท่ากับงาน turbine ที่ผลิตได้พอดี

โดย \(BWR\) = back work ratio (ไม่มีหน่วย), \(w_{turbine}\) = งานที่ turbine ผลิต (kJ/kg), \(w_{compressor}\) = งานที่ compressor ใช้ (kJ/kg)

1. Front coupling — หน้าแปลนต่อเพลาด้านหน้าของ compressor rotor ที่ใช้เชื่อมต่อกับส่วนอื่นของเพลา turbine-generator ให้หมุนไปพร้อมกัน
2. Stage 1 blades (titanium) — ใบพัด compressor ชั้นแรกสุดที่รับอากาศ ambient เข้ามาโดยตรง ทำจากไทเทเนียมเพราะเบาและแข็งแรง เหมาะกับชั้นแรกที่ยังไม่ร้อนมาก
3. Compressor blade rows (stages decrease in height) — แถวใบพัด compressor หลายสิบชั้นเรียงต่อกัน สังเกตว่าใบพัดแต่ละชั้นสั้นลงเรื่อย ๆ ไปทางขวา เพราะอากาศถูกอัดให้ปริมาตรจำเพาะเล็กลงเรื่อย ๆ ตามที่อธิบายในเนื้อหาข้างต้น
4. Rear journal — ส่วนเพลาด้านหลังที่วางอยู่บน bearing (ตลับลูกปืนรองรับเพลา) รองรับน้ำหนักและแรงจากการหมุน
5. Compressor rotor shaft (forged steel) — แกนเพลาหลักของ rotor ทำจากเหล็กกล้าตีขึ้นรูป (forged steel) ต้องทนแรงบิดและแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางมหาศาลจากการหมุนความเร็วสูงตลอดอายุการใช้งาน
6. Front support stand — ขาตั้งรองรับด้านหน้าที่ใช้วาง rotor ระหว่างการตรวจสอบหรือซ่อมบำรุงในโรงงาน ไม่ใช่ชิ้นส่วนของเครื่องจริงขณะเดินเครื่อง
7. Rear support stand — ขาตั้งรองรับด้านหลังคู่กับขาตั้งด้านหน้า ทำหน้าที่เดียวกันสำหรับปลายเพลาอีกด้าน

14.5 Intercooling, Reheat, Recuperation

เมื่อเข้าใจแล้วว่า back work ratio ของ GT สูงมากเพราะ compressor กินงานหนัก แนวคิดถัดมาคือมีวิธีใดบ้างที่ช่วยลดภาระนี้หรือเพิ่ม w_net ได้ คำตอบมีสามแนวทางหลักที่ใช้กันจริงในอุตสาหกรรม โดยแต่ละแนวทางแทรกเข้าไปแก้ปัญหาคนละจุดของวัฏจักร

แนวทางแรกคือ intercooling (การอัดสองช่วงคั่นด้วยเครื่องทำเย็น) แทนที่จะอัดอากาศจากความดันต่ำสุดไปสูงสุดในขั้นตอนเดียว ให้แบ่งการอัดเป็นสองช่วง คั่นกลางด้วย intercooler (เครื่องทำเย็นอากาศระหว่างช่วงอัด) ที่ลดอุณหภูมิอากาศลงก่อนอัดต่อในช่วงที่สอง เพราะการอัดอากาศเย็นใช้งานน้อยกว่าการอัดอากาศร้อนที่ความดันเริ่มต้น-สิ้นสุดเท่ากัน (ปริมาตรจำเพาะของอากาศเย็นเล็กกว่า) ผลลัพธ์คืองานอัดรวมลดลง ทำให้ w_net เพิ่มขึ้น อย่างไรก็ตาม ถ้าไม่มี recuperator ร่วมด้วย ประสิทธิภาพ η อาจลดลงได้ เพราะอากาศที่ออกจาก compressor เย็นกว่าเดิม (จาก intercooling) ทำให้ต้องเติมเชื้อเพลิงมากขึ้นเพื่อไปถึง TIT เท่าเดิม

แนวทางที่สองคือ reheat ฝั่ง turbine (ต่างจาก reheat ของ Rankine cycle ในบทที่ 13 ที่อุ่นไอน้ำซ้ำที่ boiler แต่หลักการคล้ายกันคือขยายตัวสองช่วง) โดยแบ่งการขยายตัวออกเป็นสองขั้น คั่นกลางด้วย combustor ตัวที่สองที่เผาไหม้เพิ่มอุณหภูมิก๊าซก่อนเข้า turbine ขั้นถัดไป วิธีนี้เรียกอีกชื่อว่า sequential combustion (การเผาไหม้ต่อเนื่องเป็นลำดับ) ซึ่งใช้จริงใน GT บางรุ่น เช่นตระกูล GT24/GT26 ของ Ansaldo/Alstom ผลลัพธ์คือ w_net เพิ่มขึ้นและไอเสียยังร้อนขึ้นอีกด้วย ซึ่งเป็นประโยชน์อย่างมากเมื่อนำไปต่อกับ combined cycle เพราะ HRSG (ที่จะกล่าวถึงในหัวข้อถัดไปและบทที่ 15) ผลิตไอน้ำได้มากขึ้นตามไปด้วย

แนวทางที่สามคือ recuperation ซึ่งใช้ recuperator (เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบทดแทน) ดึงความร้อนจากไอเสียที่ยังร้อนอยู่หลัง turbine มาอุ่นอากาศที่ออกจาก compressor ก่อนเข้า combustor ทำให้ต้องเติมเชื้อเพลิงน้อยลงเพื่อไปถึง TIT เท่าเดิม ประหยัดเชื้อเพลิงและเพิ่ม η ได้จริง แต่วิธีนี้ได้ผลเฉพาะเมื่อ T₄ (อุณหภูมิไอเสียออก turbine) สูงกว่า T₂ (อุณหภูมิอากาศออก compressor) เท่านั้น ซึ่งมักเกิดขึ้นที่ pressure ratio ต่ำ ๆ เพราะ T₂ ยังไม่สูงมาก แต่ที่ pressure ratio สูงอย่างที่ heavy-duty GT ใช้กันในปัจจุบัน T₂ กลับร้อนกว่าไอเสียเสียอีก การใช้ recuperator ในกรณีนั้นจะกลายเป็นผลเสียต่อวัฏจักรแทน (ความร้อนไหลย้อนทางไม่ได้ตามหลักเทอร์โมไดนามิกส์ข้อที่สอง) ในทางปฏิบัติ recuperator effectiveness (ประสิทธิผลของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน) ของจริงอยู่ที่ประมาณ 70–85% และมักใช้เฉพาะในเครื่องขนาดเล็กอย่าง microturbine (กังหันก๊าซขนาดจิ๋ว) เป็นหลัก ส่วนโรงไฟฟ้าขนาดใหญ่มักเลือกไปทาง combined cycle แทน เพราะให้ผลตอบแทนด้าน η ที่คุ้มค่ากว่ามาก

ในทางทฤษฎี หากนำทั้งสามแนวทางมาผสมกันแบบซับซ้อนหลายชั้น (intercool + reheat + recuperate) วัฏจักรจะเข้าใกล้ Ericsson cycle (วัฏจักรอุดมคติอีกแบบหนึ่ง) ซึ่งมี η เข้าใกล้ Carnot efficiency ได้ในทางทฤษฎี แต่ในทางปฏิบัติเครื่องจะซับซ้อนและแพงเกินความคุ้มค่า จึงไม่ค่อยพบการผสมทั้งสามแนวทางพร้อมกันในโรงไฟฟ้าจริง ส่วนใหญ่จะเลือกใช้เพียงหนึ่งหรือสองแนวทางตามความเหมาะสมของแต่ละโครงการ

โดย \(\varepsilon\) = recuperator effectiveness (ไม่มีหน่วย), \(T_2\) = อุณหภูมิอากาศออก compressor (K), \(T_4\) = อุณหภูมิไอเสียออก turbine (K), \(T_5\) = อุณหภูมิอากาศหลัง recuperator (K)

14.6 ไอเสียร้อน 550–650°C — สะพานสู่ Combined Cycle (Hot Exhaust → Combined Cycle)

เมื่อพิจารณาสมดุลพลังงานของ simple cycle GT ทั้งเครื่อง จะพบว่าพลังงานจากเชื้อเพลิงที่ป้อนเข้าไปมีเพียงประมาณ 35–40% เท่านั้นที่กลายเป็นไฟฟ้าออกมา ส่วนที่เหลืออีกราว 60% ถูกทิ้งไปพร้อมไอเสียร้อน 550–650°C ที่มีมวลไหลมหาศาล — GT ขนาด 250 MW ระบายไอเสียออกมาถึงประมาณ 600–650 kg/s ตัวเลขนี้สะท้อนให้เห็นว่ายังมีพลังงานมูลค่ามหาศาลเหลืออยู่ในไอเสียที่รอการนำไปใช้ประโยชน์ต่อ

จุดที่น่าสนใจอีกจุดหนึ่งคือไอเสียของ GT ยังมีออกซิเจน (O₂) เหลืออยู่ประมาณ 13–15% ซึ่งสูงกว่าไอเสียของหม้อไอน้ำทั่วไปมาก เหตุผลคือ GT เผาไหม้ด้วย excess air (อากาศส่วนเกินเกินความจำเป็นทางเคมี) ในสัดส่วนสูงมากถึง 200–300% เพื่อควบคุมอุณหภูมิเปลวไฟไม่ให้ร้อนเกินขีดจำกัดของใบพัด turbine (ตามที่กล่าวถึงในหัวข้อ 14.1 เรื่อง blade cooling) ออกซิเจนที่เหลือนี้เองเปิดโอกาสให้ทำ supplementary firing (การเผาไหม้เพิ่มเติม) ที่ทางเข้า HRSG ได้อีก เป็นการเพิ่มปริมาณไอน้ำที่ผลิตได้โดยไม่ต้องเพิ่มขนาด GT ซึ่งจะกล่าวถึงรายละเอียดในบทที่ 26

อุณหภูมิไอเสียระดับ 550–650°C นี้สูงพอที่จะผลิตไอน้ำคุณภาพเทียบเท่ากับที่ boiler ของโรงไฟฟ้าพลังไอน้ำทั่วไปผลิตได้ — HRSG สมัยใหม่สามารถผลิต HP steam (ไอน้ำความดันสูง) ที่ความดัน 10–17 MPa และอุณหภูมิ 540–600°C ได้จากความร้อนทิ้งนี้เพียงอย่างเดียว โดยไม่ต้องเผาไหม้เชื้อเพลิงเพิ่มเติมเลย นี่คือเหตุผลที่ GT (วัฏจักร Brayton, topping cycle) และวัฏจักรไอน้ำแบบ Rankine (bottoming cycle) ถูกนำมาต่อกันเป็น combined cycle ทำให้ η รวมของทั้งระบบพุ่งขึ้นไปถึง 58–64% ซึ่งสูงกว่า simple cycle GT หรือโรงไฟฟ้าไอน้ำเดี่ยวอย่างเห็นได้ชัด — รายละเอียดเต็มรูปแบบของ combined cycle จะกล่าวถึงทั้งบทในบทที่ 15 ถัดไป

แนวโน้มการออกแบบ GT รุ่น H-class และ J-class ในปัจจุบันจงใจออกแบบให้ไอเสียร้อนถึง 630–650°C ซึ่งสูงกว่าที่จำเป็นสำหรับ simple cycle เพียงอย่างเดียว เหตุผลคือผู้ผลิตออกแบบโดยคำนึงถึงประสิทธิภาพของทั้ง block รวม (GT + HRSG + steam turbine) เป็นหลัก ไม่ใช่เพียงเพื่อ optimize ตัว GT เดี่ยว ๆ เท่านั้น สะท้อนว่าในอุตสาหกรรมปัจจุบัน GT แทบทุกเครื่องขนาดใหญ่ถูกออกแบบมาโดยคาดหวังว่าจะถูกใช้งานในรูปแบบ combined cycle เป็นหลัก ไม่ใช่ simple cycle

1. Exhaust diffuser duct — ท่อขยายหน้าตัดที่รับไอเสียจาก turbine exhaust casing มาชะลอความเร็วก่อนส่งต่อ ลดการสูญเสียความดันตลอดเส้นทาง
2. Expansion joint — ข้อต่อแบบยืดหยุ่นที่รองรับการขยายตัว-หดตัวของท่อโลหะจากความร้อนสูงถึง 600°C โดยไม่ทำให้ท่อแตกร้าวหรือดันโครงสร้างเสียหาย
3. Insulated ducting — ท่อไอเสียหุ้มฉนวนหนาตลอดแนว ป้องกันการสูญเสียความร้อนก่อนถึง HRSG และป้องกันอันตรายจากผิวท่อร้อนต่อผู้ปฏิบัติงาน
4. Heat recovery steam generator inlet — จุดทางเข้าของไอเสียสู่ HRSG ซึ่งเป็นจุดเริ่มต้นของ bottoming cycle (วัฏจักรไอน้ำ) ที่จะกล่าวถึงเต็มรูปแบบในบทที่ 15
5. Access walkway and handrail — ทางเดินตรวจสอบพร้อมราวกันตกที่ติดตั้งใต้แนวท่อ ใช้สำหรับการตรวจสอบและบำรุงรักษาโครงสร้างรองรับท่อ
6. Duct support structure — โครงเหล็กรองรับน้ำหนักท่อไอเสียขนาดใหญ่ตลอดแนว ต้องออกแบบให้รองรับทั้งน้ำหนักสถิตและแรงจากการขยายตัวเนื่องจากความร้อน

สรุปท้ายบท

ศัพท์เทคนิคในบทนี้

แบบทดสอบท้ายบท