บทที่ 19 — กังหันไอน้ำ

19.1 หน้าที่และการแปลงพลังงาน (Function & Energy Conversion)

กังหันไอน้ำทำหน้าที่แปลงพลังงานผ่านสองขั้นตอนต่อเนื่อง ขั้นแรกคือแปลง enthalpy (เอนทัลปี — พลังงานความร้อนรวมของไอน้ำ) ให้เป็นพลังงานจลน์ผ่าน nozzle หรือ fixed blade (ใบพัดอยู่กับที่) ที่เร่งไอน้ำให้พุ่งเป็นลำเร็ว ขั้นที่สองคือแปลงพลังงานจลน์นั้นให้เป็นงานกลบนเพลาผ่าน moving blade (ใบพัดที่เคลื่อนที่) ซึ่งหมุน generator (เครื่องกำเนิดไฟฟ้า ตามที่จะเรียนรายละเอียดในบทที่ 30) ที่ความเร็ว 3,000 รอบต่อนาที สำหรับระบบ 50 Hz แบบ 2-pole

หน่วยผลิตขนาด 600 MW แบบ subcritical ทั่วไปรับ main steam (ไอน้ำหลัก) ที่ความดันราว 16.7 MPa อุณหภูมิ 538–566°C แล้วส่งกลับไป reheat (อุ่นซ้ำ) ที่ความดันราว 3.8–4.2 MPa อุณหภูมิ 538–566°C ก่อนไอน้ำที่ไหลออกจากกังหันจะเข้าสู่ condenser (เครื่องควบแน่น) ที่ความดันต่ำมากเพียงราว 0.008–0.010 MPa แบบสัมบูรณ์ (absolute) ผลรวม enthalpy drop (ผลต่างเอนทัลปีที่ลดลง) ตลอดทั้งเครื่องรวม reheat อยู่ที่ราว 1,400–1,600 kJ/kg ที่อัตราไหลไอน้ำเต็มพิกัดราว 1,700–1,900 ตันต่อชั่วโมง (คิดเป็นราว 470–530 กิโลกรัมต่อวินาที)

ประสิทธิภาพภายใน (internal efficiency) ของแต่ละ casing ไม่เท่ากัน โดยทั่วไป HP casing อยู่ที่ราว 85–90%, IP casing สูงสุดราว 90–93% ในขณะที่ LP casing ต่ำสุดราว 88–92% เพราะสูญเสียเพิ่มจาก exhaust loss (ความสูญเสียที่ทางออก) และ wetness (ความชื้นของไอน้ำ) ที่ปลาย LP ไอน้ำมีความชื้นสูงถึงราว 8–12% ซึ่งเป็นปัญหาสำคัญ เพราะตามหลัก Baumann rule (กฎของ Baumann) ทุก 1% ของ wetness ที่เพิ่มขึ้นจะลดประสิทธิภาพของ stage นั้นลงประมาณ 1% เช่นกัน

โดย \(P\) คือกำลังไฟฟ้าที่ขั้ว generator (kW), \(\dot{m}\) คืออัตราไหลไอน้ำ (kg/s), \(\Delta h_{actual}\) คือ enthalpy drop จริงรวมทุก casing (kJ/kg), \(\eta_{mech}\) คือประสิทธิภาพทางกล (ประมาณ 0.995) และ \(\eta_{gen}\) คือประสิทธิภาพของ generator (ประมาณ 0.985–0.99)

1. High-pressure (HP) turbine — casing แรกสุดที่รับ main steam ความดันสูงเข้ามาก่อน มีขนาดเล็กที่สุดในบรรดา casing ทั้งหมดเพราะปริมาตรจำเพาะของไอน้ำยังต่ำ
2. Intermediate-pressure (IP) turbine — casing ตัวที่สองที่รับไอน้ำ hot reheat จาก boiler เข้ามา ขนาดใหญ่กว่า HP ตามปริมาตรไอน้ำที่เพิ่มขึ้น
3. Low-pressure (LP) turbine – No. 1 / No. 2 — casing คู่สุดท้ายแบบ double flow ที่รับไอน้ำปริมาตรมหาศาลก่อนระบายลง condenser สังเกตขนาดที่ใหญ่ขึ้นเรื่อย ๆ ตามลำดับจาก HP ถึง LP
4. Generator — เครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ต่อกับปลายเพลา LP ตัวสุดท้าย แปลงพลังงานกลเป็นไฟฟ้า (รายละเอียดในบทที่ 30)
5. Excitation system (inside) — ระบบกระตุ้นสนามแม่เหล็กของ generator ติดตั้งอยู่ภายในตู้ที่ต่อท้ายสุดของแนวเพลา
6. Main steam from boiler — ท่อไอน้ำหลักขนาดใหญ่ที่นำไอน้ำร้อนยวดยิ่งจาก boiler เข้าสู่ HP turbine โดยตรง
7. Steam admission valves — ชุดวาล์วควบคุมการรับไอน้ำเข้า HP turbine ติดตั้งอยู่ด้านหน้า casing
8. Overhead crane — เครนเหนือศีรษะที่ใช้ยกชิ้นส่วนหนักระหว่างการติดตั้งหรือซ่อมบำรุงใหญ่ (major overhaul)
9. Turbine deck (access platform) — ชานพื้นที่ยกระดับที่ผู้ปฏิบัติงานเดินตรวจสอบตลอดแนวกังหัน
10. Lubrication oil system — ระบบน้ำมันหล่อลื่นที่ป้อนน้ำมันไปยัง bearing ทุกตัวตลอดแนวเพลา (รายละเอียดในบทที่ 20)

19.2 Impulse กับ Reaction (Impulse vs Reaction Principle)

stage (ขั้นตอนหนึ่งของกังหัน ประกอบด้วยแถว fixed blade หนึ่งแถวตามด้วย moving blade หนึ่งแถว) แบ่งได้เป็นสองหลักการพื้นฐาน หลักการแรกคือ impulse stage ซึ่งความดันไอน้ำลดลง "เฉพาะใน nozzle หรือ fixed blade" เท่านั้น — ไอน้ำถูกเร่งจนพุ่งเป็น jet (ลำไอความเร็วสูง) ไปชน moving blade ซึ่งเปลี่ยนแปลงเฉพาะทิศทางของไอน้ำเท่านั้น โดยความดันยังคงที่ตลอดที่ไหลผ่าน moving blade หลักการที่สองคือ reaction stage ซึ่งความดันไอน้ำลดลง "ทั้งใน fixed และ moving blade" — moving blade เองก็ทำหน้าที่เหมือน nozzle ในตัวด้วย ไอน้ำยังคงเร่งความเร็วต่อไปขณะไหลผ่าน ทำให้เกิดแรง reaction (แรงปฏิกิริยา) เพิ่มขึ้นมาช่วยขับเพลา

ตัวชี้วัดว่า stage หนึ่งเป็น impulse หรือ reaction มากน้อยเพียงใดคือ degree of reaction หรือ R (ระดับปฏิกิริยา) ซึ่งคือสัดส่วนของ enthalpy drop ที่เกิดขึ้นใน moving blade เทียบกับ enthalpy drop ทั้งหมดของ stage นั้น แบบที่เรียกว่า Parsons ใช้ R = 50% พอดี ซึ่งหมายความว่าโปรไฟล์ของ fixed และ moving blade มีรูปทรงเหมือนกันทุกประการ ค่า blade speed ratio (อัตราส่วนความเร็ว blade ต่อความเร็วไอน้ำ) ที่เหมาะสมก็ต่างกันไปตามหลักการ: impulse stage มีค่า \(u/c_1 = \cos\alpha/2 \approx 0.47\) ในขณะที่ 50% reaction stage มีค่า \(u/c_1 = \cos\alpha \approx 0.9\) สูงกว่าเกือบสองเท่า ผลที่ตามมาคือ reaction stage รับ enthalpy drop ต่อ stage ได้น้อยกว่า จึงต้องใช้จำนวน stage มากกว่าในการรับความดันเท่ากัน

กังหันไอน้ำจริงในโรงไฟฟ้าเป็นแบบผสมทั้งสองหลักการ (hybrid) — stage แรกสุดของ HP มักออกแบบเป็น impulse เพราะทนต่อ pressure drop สูงได้ดีกว่าและควบคุม partial arc admission (การรับไอน้ำเข้าเพียงบางส่วนของเส้นรอบวง ตามที่จะเรียนในบทที่ 20) ได้ง่ายกว่า จากนั้นค่อย ๆ เพิ่มสัดส่วน reaction ขึ้นเรื่อย ๆ จนถึงราว 50% ที่ stage ท้ายสุดของ LP ข้อควรระวังคือ reaction blading มี axial thrust (แรงผลักตามแนวแกน) สูงกว่า impulse มาก เพราะความดันที่ลดลงขณะไหลผ่าน moving blade เองก็สร้างแรงผลักไปตามแนวเพลาด้วย จึงจำเป็นต้องมี balance piston หรือ balance drum (ลูกสูบ/กลองปรับสมดุล ตามที่จะกล่าวถึงในหัวข้อ 19.6) ช่วยหักล้างแรงนี้

โดย \(R\) คือ degree of reaction (ไม่มีหน่วย), \(\Delta h_{moving}\) คือ enthalpy drop ใน moving blade (kJ/kg) และ \(\Delta h_{fixed}\) คือ enthalpy drop ใน fixed blade/nozzle (kJ/kg)

19.3 Compounding — ทำไมต้องแบ่งหลาย Stage

หากออกแบบให้ stage เดียวรับ enthalpy drop ทั้งหมดของกังหัน ไอน้ำจะต้องพุ่งด้วยความเร็วสูงเกิน 1,200 เมตรต่อวินาที ซึ่งต้องการ blade speed ราว 600 เมตรต่อวินาทีที่รัศมีเฉลี่ย เกินขีดจำกัดความแข็งแรงของวัสดุที่ใช้ทำได้จริงไปมาก และยังให้ประสิทธิภาพต่ำอีกด้วย ด้วยเหตุนี้กังหันไอน้ำทุกเครื่องจึงต้องใช้เทคนิคที่เรียกว่า compounding (การแบ่งขั้น) เพื่อกระจายภาระออกเป็นหลาย stage

Compounding มีสามรูปแบบหลัก แบบแรกคือ pressure compounding หรือที่เรียกว่าแบบ Rateau ซึ่งแบ่ง pressure drop ทั้งหมดออกเป็น impulse stage หลายชุดต่ออนุกรมกัน ทำให้ความเร็วไอน้ำในแต่ละ stage ไม่สูงเกินไป เป็นพื้นฐานของกังหันขนาดใหญ่ในปัจจุบันแทบทั้งหมด แบบที่สองคือ velocity compounding หรือแบบ Curtis ซึ่งใช้ nozzle เพียงชุดเดียวลดความดันครั้งใหญ่ทีเดียว แล้วใช้ moving blade สองแถวคั่นด้วย fixed guide row (แถวใบนำทางอยู่กับที่) เพื่อดูดซับพลังงานจลน์ที่สูงมากนั้นเป็นขั้น ๆ ค่า blade speed ratio ที่เหมาะสมสำหรับ 2 แถวคือ \(u/c_1 = \cos\alpha/(2n) \approx 0.23\) ซึ่งต่ำกว่าแบบ impulse ธรรมดามาก ให้ประสิทธิภาพต่ำกว่าแต่มีขนาดกะทัดรัด จึงนิยมใช้เป็น control stage (stage แรกที่ควบคุมการรับไอน้ำ) หรือใช้ในกังหันขนาดเล็ก เช่น กังหันขับ BFP (Boiler Feed Pump — ปั๊มน้ำป้อนหม้อไอน้ำ) หรือปั๊มดับเพลิง แบบที่สามคือ pressure-velocity compounding ซึ่งผสมทั้งสองแบบเข้าด้วยกัน โดยใช้ Curtis wheel นำหน้าแล้วตามด้วย Rateau stages หลายชุด

กังหันขนาด 600 MW โดยทั่วไปมี stage รวมกันราว 25–40 stage แบ่งเป็น HP ราว 8–12 stage, IP ราว 6–10 stage และ LP ราว 2×(5–8) stage ต่อทางไหล (เนื่องจาก LP เป็นแบบ double flow แยกไอน้ำออกสองทาง)

โดย \(u\) คือ blade speed (m/s), \(c_1\) คือความเร็วไอน้ำที่ออกจาก nozzle (m/s), \(\alpha\) คือมุม nozzle เทียบแนวสัมผัส (ประมาณ 14–20°) และ \(n\) คือจำนวนแถว moving blade ใน velocity-compounded stage นั้น

19.4 โครงสร้างกังหัน: Casing, Rotor, Blade (Turbine Construction)

HP casing (เปลือกความดันสูง) มักออกแบบเป็นแบบ double shell (เปลือกสองชั้น — เปลือกในและเปลือกนอก) เพื่อลด thermal stress (ความเค้นจากความร้อน) และลดความหนาผนังที่ต้องใช้ IP casing มักเป็น double shell ร่วมกับ double flow (สองทางไหล) หรือแบบ single flow (ทางไหลเดียว) แล้วแต่การออกแบบ ส่วน LP casing เป็นแบบ double flow เสมอ อาจมี 1–3 ชุด สร้างจากเหล็กแผ่นประกอบ (fabricated steel) เพื่อลด axial thrust และแบ่งรับปริมาตรไอน้ำมหาศาลที่ปลายทางออก

Rotor (ตัวเพลาหมุน) ของกังหันสมัยใหม่เป็นแบบ monoblock forging (ตีขึ้นรูปเป็นชิ้นเดียวทั้งแท่ง) ใช้เหล็กผสม Cr-Mo-V สำหรับ HP/IP และ Ni-Cr-Mo-V สำหรับ LP ส่วนแบบ shrunk-on disc (จานสวมอัดร้อน) ที่เคยนิยมในอดีตเลิกใช้ไปแล้วเพราะพบปัญหา stress corrosion cracking (การแตกร้าวจากความเค้นร่วมกับการกัดกร่อน) ที่ตำแหน่ง keyway (ร่องลิ่ม) รูปทรงของ blade เปลี่ยนไปตามตำแหน่ง stage อย่างชัดเจน — HP blade สั้นเพียงราว 25–80 มิลลิเมตร มีหน้าตัดคงที่ตลอดความยาว (cylindrical) ในขณะที่ LP blade ยาวขึ้นเรื่อย ๆ และต้อง "บิด" (twisted หรือ vortex design) เพราะความเร็ว u เปลี่ยนแปลงไปตามรัศมีอย่างมาก ทำให้มุมที่ root (โคนใบ) กับ tip (ปลายใบ) ต่างกันมาก

Last-stage blade หรือ LSB (ใบพัดแถวสุดท้าย) ของกังหันความเร็ว 3,000 rpm ยาวได้ถึงราว 850–1,220 มิลลิเมตร มีพื้นที่หน้าตัดวงแหวนต่อการไหล (annulus area) ราว 7–11 ตารางเมตร และมี tip speed (ความเร็วที่ปลายใบ) สูงถึงราว 550–620 เมตรต่อวินาที ซึ่งเหนือความเร็วเสียงในไอน้ำ แรงที่กระทำต่อ LSB มีสามแบบเรียงตามความรุนแรง แรงที่เด่นที่สุดคือแรงหนีศูนย์กลาง (centrifugal force) ที่ปลายใบซึ่งมีความเร่งสูงถึงราว 15,000–20,000 g ทำให้ blade เพียงใบเดียวต้องรับแรงดึงหลายร้อยตัน รองลงมาคือแรง bending (การดัดโค้ง) จากแรงไอน้ำที่กระทบ และสุดท้ายคือ vibration (การสั่นสะเทือน) ซึ่งตรวจสอบด้วย Campbell diagram (แผนภาพวิเคราะห์ความถี่ธรรมชาติเทียบความเร็วรอบ) และลดการสั่นด้วย shroud (แถบครอบปลายใบ), lashing wire (ลวดร้อยยึด) หรือ snubber (ตัวหน่วงการสั่น)

วัสดุที่ใช้ทำ blade ทั่วไปคือเหล็กกล้าไร้สนิม 12% Cr เช่นเกรด X20CrMoV12-1 หรือ AISI 403/410 ส่วน LSB ที่ยาวเป็นพิเศษมักใช้ titanium alloy (โลหะผสมไทเทเนียม) เช่นเกรด Ti-6Al-4V ซึ่งเบากว่าเหล็กถึงราว 40% ช่วยลดแรงหนีศูนย์กลางลงได้มาก ขอบด้าน leading edge (ขอบรับไอน้ำ) ของ LSB มักฝัง stellite (โลหะผสมแข็งพิเศษ) หรือชุบผิวให้แข็งขึ้นเพื่อป้องกัน water droplet erosion (การกัดกร่อนจากหยดน้ำที่ปนมากับไอน้ำชื้น)

โดย \(\sigma_c\) คือ centrifugal stress โดยประมาณที่โคนใบ (Pa), \(\rho_b\) คือความหนาแน่นของวัสดุ blade (kg/m³), \(\omega\) คือความเร็วเชิงมุม (rad/s), \(r_m\) คือรัศมีเฉลี่ยของ blade (m) และ \(l\) คือความยาวของ blade (m)

1. HP Casing — เปลือกความดันสูงตัวแรกสุดที่รับ main steam เข้ามาก่อน เห็น blade แถวสั้น ๆ เรียงกันหนาแน่นตามที่อธิบายในเนื้อหา
2. IP Casing — เปลือกความดันปานกลางตัวที่สอง รับ reheat steam กลับเข้ามา blade เริ่มมีขนาดใหญ่ขึ้นกว่า HP
3. LP Casing — เปลือกความดันต่ำตัวสุดท้ายแบบ double flow เห็น blade ยาวและบิดตัวชัดเจนตามที่อธิบายในเนื้อหาเรื่อง LSB
4. Main Steam Inlet — ท่อรับไอน้ำหลักเข้าสู่ HP casing ที่ความดันและอุณหภูมิสูงสุดของทั้งระบบ
5. Reheat Steam From Boiler — ท่อรับไอน้ำที่ผ่านการอุ่นซ้ำจาก boiler แล้วเข้าสู่ IP casing
6. Double-Flow LP (Upper Flow Path) / (Lower Flow Path) — สองทางไหลของไอน้ำใน LP casing ที่แยกออกจากกึ่งกลางไปทั้งสองด้าน ช่วยลด axial thrust และรองรับปริมาตรไอน้ำมหาศาลตามที่อธิบายในเนื้อหา
7. Exhaust (To Condenser) — ปลายทางออกของไอน้ำจาก LP casing ที่ส่งต่อไปยัง condenser
8. HP–IP Coupling / IP–LP Coupling — จุดต่อเพลาระหว่าง casing แต่ละคู่ ให้ทั้งหมดหมุนเป็นเพลาเดียวกัน (tandem compound ตามที่จะกล่าวถึงในหัวข้อ 19.7)
9. Thrust Bearing — แบริ่งรับแรงตามแนวแกนที่ปลายเพลาฝั่ง HP กำหนดตำแหน่ง axial ของทั้งเพลา (รายละเอียดในหัวข้อ 19.6)
10. Journal Bearing — แบริ่งรับน้ำหนักแนวรัศมีที่ปลายเพลาฝั่ง LP

1. Turbine rotor (HP section) — แท่งเพลาที่ตีขึ้นรูปเป็นชิ้นเดียว (monoblock forging) พร้อมแถว blade สั้นเรียงตาม stage ตามที่อธิบายในเนื้อหา
2. Rotor blades (HP stages) — แถว blade ความยาวสั้นสม่ำเสมอเรียงต่อกันหลาย stage ตามหน้าตัดคงที่ (cylindrical) ของ HP blade
3. Coupling flange — หน้าแปลนที่ปลายเพลาสำหรับต่อเชื่อมกับ casing ถัดไปหรือเพลาอื่น
4. Overhead crane — เครนเหนือศีรษะที่ใช้ยก rotor ทั้งชุดออกจาก casing ระหว่าง major overhaul
5. Lifting sling — สายสลิงที่คล้องรับน้ำหนัก rotor จากเครน
6. Rigging (shackle and pin) — ชุดอุปกรณ์เชื่อมต่อระหว่างสลิงกับ rotor (ภาพต้นฉบับสะกดคลาดเคลื่อนเป็น "Riigging" แต่คำที่ถูกต้องคือ rigging)
7. Lower casing (open) — เปลือกครึ่งล่างของ casing ที่เปิดออกเพื่อให้ยก rotor ออกมาตรวจสอบได้

1. LP last stage blade — ใบพัดแถวสุดท้ายของ LP turbine ความยาวราวหนึ่งเมตร บิดตัวจาก root ถึง tip ตามที่อธิบายในเนื้อหาเรื่อง LSB
2. Rotor — ดุมกลางของแถว blade สุดท้าย จุดที่โคนใบทุกใบยึดติดอยู่
3. Blade root (dovetail) — จุดยึดโคนใบรูปทรงหางเหยี่ยว (dovetail) ที่รับแรงหนีศูนย์กลางมหาศาลตามที่คำนวณในตัวอย่าง 19.3
4. Blade tip (clearance region) — บริเวณปลายใบที่ต้องเว้นระยะห่างจาก casing เล็กน้อย เป็นจุดที่มี tip speed สูงสุดในทั้งเครื่อง
5. Exhaust casing — โครงเปลือกด้านนอกที่ล้อมรอบแถว blade สุดท้าย เป็นจุดเชื่อมต่อไปยัง condenser
6. Seal strip (location) — ตำแหน่งแถบซีลที่ขอบ exhaust casing ป้องกันไอน้ำรั่วผ่านช่องว่างรอบปลายใบ

19.5 การซีลไอน้ำ: Labyrinth Gland (Shaft & Interstage Sealing)

Labyrinth seal (ซีลแบบเขาวงกต) ประกอบด้วยครีบ (fin) เรียงต่อกันหลายสิบซี่ สร้างการ throttling (การหรี่/ลดความดัน) อย่างต่อเนื่อง — ไอน้ำถูกเร่งให้ไหลผ่านช่องแคบระหว่างครีบแต่ละซี่ แล้วเกิดความปั่นป่วนสูญเสียพลังงานในห้องถัดไปก่อนจะไหลผ่านช่องแคบซี่ถัดไปอีก กลไกนี้ลด leakage (การรั่วไหล) ได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยที่ครีบไม่ต้องสัมผัสกับเพลาเลย

ระยะห่างตามแนวรัศมี (radial clearance) ระหว่างครีบกับเพลาโดยทั่วไปอยู่ที่ราว 0.4–0.8 มิลลิเมตร ครีบทำจากวัสดุที่ค่อนข้างอ่อน เช่น leaded bronze (ทองแดงผสมตะกั่ว) หรือ ferritic steel บาง ๆ (เหล็กกล้าเฟอร์ริติกบาง) เพื่อให้ยอมสึกก่อนเมื่อเกิดการเสียดสี (rub) แทนที่จะทำให้เพลาซึ่งมีราคาแพงกว่ามากเสียหาย บางแบบยังออกแบบเป็น spring-backed segment (ส่วนครีบที่มีสปริงรองรับด้านหลัง) ที่ถอยหนีได้เมื่อมีการเสียดสีเกิดขึ้น

ตำแหน่งที่ต้องติดตั้ง labyrinth seal มีหลายจุด ได้แก่ shaft gland (ซีลที่ปลายเพลา) ของทุก casing, interstage seal หรือ diaphragm gland (ซีลระหว่าง stage ที่แผ่น diaphragm), blade tip seal (ซีลที่ปลายใบพัด) และ spill strip (แถบกันรั่วเหนือ shroud) สำหรับ shaft gland ของ HP/IP นั้น ไอน้ำที่รั่วผ่านขั้นแรกซึ่งยังมีความดันค่อนข้างสูงจะถูกนำไปใช้ประโยชน์ต่อผ่านท่อ leak-off (ท่อดักไอรั่ว) ไปยังจุดที่ต้องการความดันต่ำกว่า เช่น ป้อนเข้า IP หรือส่งไปยัง feedwater heater ในขณะที่ขั้นสุดท้ายจะต่อเข้าสู่ gland steam system (ระบบไอน้ำซีล) โดยตรง สำหรับ LP gland ซึ่งอยู่ในสภาวะสุญญากาศ จำเป็นต้องอัด sealing steam (ไอน้ำซีล) เข้าไปเพื่อป้องกันไม่ให้อากาศจากภายนอกรั่วเข้าไปปนกับไอน้ำใน condenser (รายละเอียดระบบ gland steam เต็มรูปแบบอยู่ในบทที่ 20)

Leakage ที่รั่วผ่านซีลทั้งหมดรวมกันคิดเป็นความสูญเสียราว 0.5–1.5% ของ output ทั้งเครื่อง และหาก clearance สึกหรอเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าจากค่าออกแบบ heat rate (อัตราการใช้ความร้อนต่อหน่วยไฟฟ้าที่ผลิตได้) จะแย่ลงอย่างเห็นได้ชัดเจน นี่คือเหตุผลหลักที่โรงไฟฟ้าต้องทำการทดสอบประสิทธิภาพ (efficiency test) ของ HP/IP ทั้งก่อนและหลังการ overhaul ทุกครั้ง เพื่อยืนยันว่าสภาพซีลยังอยู่ในเกณฑ์ที่ยอมรับได้

19.6 Bearings และ Axial Thrust (Journal & Thrust Bearings)

Journal bearing (แบริ่งรองรับแนวรัศมี) ทำหน้าที่รับน้ำหนักของ rotor ในแนวตั้งฉากกับเพลา มีสองแบบหลักคือแบบ elliptical (lemon bore — รูรูปทรงรี) หรือแบบ tilting pad (แผ่นปาดเอียงได้) ผิวเคลือบด้วย babbitt หรือ white metal (โลหะขาวผสมดีบุก-แอนติโมนี) ทำงานบนชั้นฟิล์มน้ำมันแบบ hydrodynamic (การหล่อลื่นด้วยแรงดันน้ำมันที่เกิดจากการหมุน) หนาเพียงราว 0.05–0.12 มิลลิเมตร ซึ่งหมายความว่าโลหะสองชิ้นไม่ได้สัมผัสกันโดยตรงเลยขณะเครื่องหมุนตามปกติ

อุณหภูมิของโลหะ bearing ในสภาวะทำงานปกติอยู่ที่ราว 70–90°C ค่า alarm (แจ้งเตือน) อยู่ที่ราว 105–113°C และค่า trip (ตัดการทำงาน) อยู่ที่ราว 120–130°C ขึ้นกับผู้ผลิตแต่ละราย น้ำมันหล่อลื่นที่ป้อนเข้า bearing มีอุณหภูมิราว 38–45°C (รายละเอียดระบบน้ำมันหล่อลื่นเต็มรูปแบบอยู่ในบทที่ 20) ส่วน thrust bearing (แบริ่งรับแรงตามแนวแกน) แบบ tilting pad ที่นิยมใช้กันคือแบบ Kingsbury หรือ Michell ซึ่งมีเพียงตัวเดียวสำหรับทั้งเพลา ทำหน้าที่กำหนดตำแหน่ง axial (ตามแนวแกน) ของ rotor เทียบกับ casing และรับแรง axial thrust สุทธิที่เหลือจากการหักล้างแล้ว

การหักล้างแรง thrust ทำได้หลายวิธีร่วมกัน ได้แก่การจัดให้ HP และ IP ไหลสวนทางกัน (opposed flow — แรงจากทั้งสองฝั่งหักล้างกันเอง), การออกแบบ LP แบบ double flow ที่สมมาตร (แรงจากทั้งสองทางไหลหักล้างกันเองในตัว) และการใช้ balance piston หรือ dummy piston (ลูกสูบปรับสมดุล) สำหรับ stage ที่เป็น reaction blading ซึ่งมี axial thrust สูงกว่าปกติตามที่กล่าวถึงในหัวข้อ 19.2 ค่า thrust position หรือ axial displacement (ระยะเลื่อนตามแนวแกนของเพลา) มีค่า alarm อยู่ที่ราว ±0.5–0.8 มิลลิเมตร และค่า trip อยู่ที่ราว ±1.0–1.2 มิลลิเมตร เพราะหาก pad ของ thrust bearing สึกหรอจนมากเกินไป rotor จะเลื่อนตำแหน่งตามแนวแกนจน blade ไปเสียดสีกับ diaphragm (แผ่นกั้นระหว่าง stage) ซึ่งจะสร้างความเสียหายรุนแรงต่อทั้งเครื่องได้

ที่ฐานรองรับ bearing แต่ละตัว (bearing pedestal) จะติดตั้งเซนเซอร์ไว้ครบชุด ได้แก่ shaft vibration (การสั่นสะเทือนของเพลา วัดด้วย proximity probe แบบ X-Y สองแกน), bearing housing vibration (การสั่นสะเทือนของเปลือก bearing เอง), metal temperature RTD (เซนเซอร์วัดอุณหภูมิโลหะ) และ oil drain temperature (อุณหภูมิน้ำมันที่ระบายออก) เพื่อเฝ้าระวังสภาพของ bearing ตลอดเวลาที่เดินเครื่อง

1. Shaft — เพลาหลักของกังหันที่ผ่านกึ่งกลางชุด thrust bearing
2. Thrust collar (fixed to shaft) — ปลอกยึดติดกับเพลาแน่นสนิท หมุนไปพร้อมเพลา เป็นตัวส่งผ่านแรง axial thrust จากเพลาไปยัง pad
3. Tilting pad — แผ่นปาดที่เอียงตัวได้เล็กน้อยตามสภาวะการทำงาน สร้างลิ่มฟิล์มน้ำมัน (oil wedge) รับแรงตามหลักการ hydrodynamic lubrication ที่อธิบายในเนื้อหา
4. Pad pivot — จุดหมุนของแต่ละ tilting pad ที่ให้แผ่นปาดเอียงตัวปรับมุมได้เอง
5. Pad shoe — ตัวฐานของแผ่น pad ที่รองรับผิว babbitt ไว้
6. Upper babbitt face (load carrying surface) — ผิวโลหะขาว (babbitt) ด้านบนที่สัมผัสกับฟิล์มน้ำมันและรับน้ำหนักจริง
7. Lower babbitt face (load carrying surface) — ผิว babbitt ด้านล่างที่ทำหน้าที่เดียวกัน รับแรง thrust จากทิศตรงข้าม
8. Oil supply (from pump) — ทางเข้าน้ำมันหล่อลื่นจากปั๊มน้ำมันหลักของระบบ
9. Oil supply passage to upper pads / to lower pads — ช่องทางน้ำมันที่แยกไปเลี้ยง pad แต่ละแถวทั้งบนและล่างอย่างทั่วถึง
10. Oil return (to sump) / (from lower pads) — ทางระบายน้ำมันที่ใช้แล้วกลับสู่ถังพักน้ำมัน (sump)
11. Centering springs — สปริงเล็กที่ช่วยจัดตำแหน่งชุด pad ให้อยู่กึ่งกลางก่อนเริ่มเดินเครื่อง
12. Bearing housing (upper half) / (lower half) — เปลือกนอกที่หุ้มชุด thrust bearing ทั้งหมด แยกเป็นครึ่งบนและครึ่งล่างเพื่อให้ประกอบ/ถอดได้

19.7 ชนิดของกังหันไอน้ำ (Turbine Types)

กังหันไอน้ำแบ่งชนิดได้หลายมุมมอง มุมมองแรกคือปลายทางของไอน้ำที่ออกจากกังหัน — condensing turbine (กังหันแบบควบแน่น) ระบายไอน้ำลง condenser ที่ความดันต่ำมากราว 0.008–0.01 MPa แบบสัมบูรณ์ ทำให้ได้งานต่อกิโลกรัมไอน้ำสูงที่สุด ใช้ในโรงไฟฟ้าที่ผลิตไฟฟ้าล้วน ในขณะที่ back-pressure turbine (กังหันแบบระบายไอความดันสูง) ระบายไอน้ำที่ความดันสูงกว่าบรรยากาศ เช่น 0.3–1.5 MPa แล้วส่งไอน้ำนั้นไปใช้ต่อใน process (กระบวนการผลิตของโรงงาน) โดยไม่มี condenser เลย นิยมใช้ในโรงงานอุตสาหกรรมหรือระบบ cogeneration (การผลิตไฟฟ้าและไอน้ำร่วมกัน) ซึ่งปริมาณไฟฟ้าที่ผลิตได้จะขึ้นกับความต้องการไอน้ำของกระบวนการเป็นหลัก

มุมมองที่สองคือ extraction turbine (กังหันแบบดึงไอกลางทาง) ซึ่งดึงไอน้ำบางส่วนออกระหว่างทางก่อนถึงปลายกังหัน แบ่งเป็น controlled extraction (การดึงไอแบบควบคุม — มีวาล์วรักษาความดันไอที่ดึงออกให้คงที่ สำหรับส่งไปใช้ใน process) กับ uncontrolled หรือ bleed extraction (การดึงไอแบบไม่ควบคุม — ความดันแปรผันตามโหลด ใช้ส่งไปยัง feedwater heater ตามที่จะเรียนในบทที่ 23) มุมมองที่สามคือ reheat turbine (กังหันแบบอุ่นไอซ้ำ) ซึ่งไอน้ำที่ออกจาก HP จะถูกส่งกลับไปอุ่นซ้ำใน boiler ก่อนเข้า IP ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวมได้ราว 4–5% และช่วยลดความชื้นที่ LP ลงด้วย (ตามที่เรียนรายละเอียดในบทที่ 13)

มุมมองสุดท้ายคือการจัดวางเพลา ซึ่งแบ่งเป็น tandem compound (การจัดเพลาเดียว — ทุก casing อยู่บนเพลาเดียวกันขับ generator ตัวเดียว) ซึ่งเป็นมาตรฐานของโรงไฟฟ้าสมัยใหม่แทบทั้งหมด กับ cross compound (การจัดสองเพลา — แยกเป็นสองเพลาสอง generator) ซึ่งเคยใช้ในหน่วยผลิตขนาดใหญ่มากหรือระบบ 60 Hz ในยุคก่อน กังหันมักมีรหัสเรียกที่บอกโครงสร้างในตัว เช่น TC4F-40 หมายถึง Tandem Compound (จัดเพลาเดียว), 4 Flows (มี LP แบบ double flow สองชุด รวมเป็น 4 ทางไหล) และ LSB ยาว 40 นิ้ว

1. Steam turbine — ตัวกังหันไอน้ำแบบ back-pressure casing เดียวขนาดกะทัดรัด ต่างจากกังหันขนาดใหญ่หลาย casing ที่เห็นในหัวข้อก่อนหน้า
2. Inlet steam (from boiler) — ท่อไอน้ำหุ้มฉนวนที่รับไอน้ำจาก boiler เข้าสู่กังหันจากด้านบน
3. Process steam outlet (to process) — ท่อไอน้ำขาออกที่ยังมีความดันเหลืออยู่ ส่งต่อไปใช้ใน process ของโรงงานตามหลักการ back-pressure ที่อธิบายในเนื้อหา
4. Coupling — ข้อต่อเพลาสีส้มที่เชื่อมกังหันเข้ากับ gearbox
5. Gearbox — เกียร์ทดรอบสีน้ำเงินที่ปรับความเร็วรอบจากกังหันให้เหมาะกับอุปกรณ์ที่ขับ เนื่องจากกังหันขนาดเล็กมักหมุนเร็วกว่าความเร็วที่อุปกรณ์ปลายทางต้องการ
6. Driven equipment (generator or pump) — อุปกรณ์ปลายทางที่ถูกขับ อาจเป็น generator ผลิตไฟฟ้าหรือปั๊มขนาดใหญ่ก็ได้แล้วแต่การใช้งาน
7. Baseframe — ฐานเหล็กร่วมที่รองรับทั้งกังหัน เกียร์ และอุปกรณ์ที่ขับให้อยู่ในแนวเดียวกัน
8. Turbine lube oil system — ชุดระบบน้ำมันหล่อลื่นขนาดเล็กสำหรับกังหันตัวนี้โดยเฉพาะ

19.8 Steam Path ของหน่วย 600 MW (Typical 3-Casing Steam Path)

เส้นทางไอน้ำของหน่วยผลิต 600 MW ทั่วไปเริ่มจาก main steam ความดัน 16.7 MPa อุณหภูมิ 538°C ไหลผ่าน MSV/GV (Main Stop Valve / Governor Valve — วาล์วหยุดฉุกเฉินหลัก/วาล์วควบคุมการรับไอน้ำ) เข้าสู่ HP turbine แล้วออกมาเป็น cold reheat (ไอน้ำก่อนอุ่นซ้ำ) ที่ความดันราว 4.2 MPa อุณหภูมิราว 330°C กลับไปยัง boiler เพื่ออุ่นซ้ำเป็น hot reheat (ไอน้ำหลังอุ่นซ้ำ) ที่ความดัน 3.8 MPa อุณหภูมิ 538°C แล้วไหลผ่าน RSV/IV (Reheat Stop Valve / Intercept Valve — วาล์วหยุดไอน้ำอุ่นซ้ำ/วาล์วสกัดกั้น) เข้าสู่ IP turbine จากนั้นไอน้ำไหลผ่าน crossover pipe (ท่อข้ามที่ความดันราว 0.8–1.0 MPa อุณหภูมิราว 300°C) เข้าสู่ LP turbine ซึ่งเป็นแบบ double flow (แยกไอน้ำสองทาง) ก่อนระบายลง condenser ที่ความดันเพียง 0.009 MPa แบบสัมบูรณ์

ตลอดเส้นทางนี้มีจุด extraction (การดึงไอน้ำออกกลางทาง) รวม 7–8 จุด แบ่งเป็น HP 1 จุด (ส่งไปยัง HP heater ตัวสุดท้าย), cold reheat และ IP รวม 2–3 จุด และ LP อีก 3–4 จุด (รายละเอียดเต็มรูปแบบเรื่อง feedwater heater อยู่ในบทที่ 23) อุณหภูมิผนังโลหะของ HP inner casing (เปลือกในของ HP) จะใกล้เคียงกับอุณหภูมิไอน้ำที่ราว 530–560°C ซึ่งเป็นตัวจำกัด ramp rate (อัตราการเพิ่มโหลด) ในช่วงเริ่มเดินเครื่อง เพราะต้องรอให้ metal warming (การอุ่น casing) เป็นไปอย่างสม่ำเสมอก่อนเร่งโหลดเร็ว (รายละเอียดเรื่องการอุ่นเครื่องอยู่ในบทที่ 20)

สำหรับ gross output 600 MW ต้องใช้ steam flow ราว 1,800 ตันต่อชั่วโมง โดยแบ่งสัดส่วนงานคร่าว ๆ ได้ HP ราว 30%, IP ราว 30% และ LP ราว 40% ข้อควรระวังสำคัญที่ปลายทาง LP คือ exhaust loss (ความสูญเสียที่ทางออก LP annulus) ซึ่งอยู่ที่ราว 20–40 kJ/kg ขึ้นกับปริมาตรการไหล หากเดินเครื่องที่โหลดต่ำมากในขณะที่ vacuum ของ condenser ยังดีอยู่ อาจเกิดปรากฏการณ์ flow reversal (การไหลย้อนกลับ) และเกิดความร้อนจาก windage (แรงต้านอากาศจากการหมุนในสภาวะไอน้ำเบาบาง) ที่ LSB ได้ ซึ่งในสภาวะนี้ระบบ exhaust hood spray (การฉีดน้ำหล่อเย็นที่ปลอกทางออก) จะทำงานเพื่อป้องกันความเสียหาย

สรุปท้ายบท

ศัพท์เทคนิคในบทนี้

แบบทดสอบท้ายบท