บทที่ 20 — ระบบช่วยกังหันไอน้ำ
Steam Turbine Auxiliaries
บทที่ 19 พาเรียนโครงสร้างและหลักฟิสิกส์ของกังหันไอน้ำเองไปแล้ว ตั้งแต่ impulse/reaction stage ไปจนถึง casing HP (High Pressure — ความดันสูง), IP (Intermediate Pressure — ความดันปานกลาง) และ LP (Low Pressure — ความดันต่ำ) แต่กังหันตัวเปล่า ๆ ไม่สามารถทำงานได้ด้วยตัวเองเลยแม้แต่นาทีเดียว — มันต้องพึ่งพาระบบช่วยจำนวนมากที่ทำงานเงียบ ๆ อยู่รอบตัวเครื่องตลอดเวลา ตั้งแต่ก่อน start จนถึงหลัง shutdown บทนี้จะพาไล่ดูระบบเหล่านั้นทีละระบบ: ระบบ governing ที่ตัดสินใจว่าจะป้อนไอน้ำเข้ากังหันเท่าไร ระบบน้ำมันหล่อลื่นที่ป้องกัน bearing ไหม้ ระบบ gland steam ที่ซีลปลายเพลาไม่ให้ไอรั่วออกหรืออากาศรั่วเข้า ระบบ turning gear ที่กันเพลาโก่งตอนเครื่องยังร้อน ระบบป้องกันที่ตัดไอน้ำทันทีเมื่อเกิดเหตุผิดปกติ และสุดท้ายคือการเฝ้าดูการขยายตัวของโลหะขณะเครื่องร้อนขึ้นเรื่อย ๆ ผู้เรียนที่เข้าใจบทนี้จะเห็นภาพว่าทำไมการเดินเครื่อง/หยุดเครื่องกังหันไอน้ำขนาดใหญ่ถึงต้องใช้เวลาเป็นชั่วโมงหรือเป็นวัน ไม่ใช่กดสวิตช์แล้วเดินได้ทันที และเนื้อหาเรื่อง lube oil, gland steam, protection ในบทนี้ยังเป็นพื้นฐานที่จะเชื่อมต่อไปยังบทที่ 21 เรื่อง condenser และระบบสุญญากาศโดยตรง
- อธิบายหลักการ governing ของกังหัน (throttle vs nozzle governing) และการทำงานของ electro-hydraulic governor (EHC) ได้
- ไล่วงจร lube oil system ครบทั้ง MOP/AOP/EOP, oil cooler และ jacking oil พร้อมบอกลำดับการทำงานเมื่อความดันน้ำมันตกได้
- อธิบายหน้าที่ของ gland steam system และการเปลี่ยนโหมด self-sealing ได้
- อธิบายเหตุผลที่ต้องเดิน turning gear ก่อนและหลังเดินเครื่อง และผลของ rotor bow ได้
- ระบุ turbine protection หลักทุกตัว (overspeed, low vacuum, thrust, vibration, low lube oil) พร้อมค่า setting ทั่วไปได้
- อธิบายการ warming/drain กังหันเพื่อป้องกัน water induction และการเฝ้าดู expansion / differential expansion ได้
20.1 ระบบ Governing: ควบคุมความเร็วและโหลด (Governing System)
Governor (ระบบกำกับความเร็ว) ทำหน้าที่ควบคุมปริมาณไอน้ำที่เข้ากังหันผ่าน Control Valve (CV — วาล์วควบคุม) เพื่อรักษาความเร็วรอบให้คงที่ 3,000 rpm สำหรับระบบ 50 Hz ในช่วงที่เครื่องยังไม่ขนานเข้าระบบไฟฟ้า (no-load) และเปลี่ยนบทบาทไปควบคุมโหลดแทนเมื่อเครื่องขนานเข้าระบบแล้ว (รายละเอียดเรื่อง load-frequency จะกล่าวถึงในบทที่ 31) วิธีป้อนไอน้ำเข้าเครื่องมีอยู่สองแนวทางหลัก แนวทางแรกคือ throttle governing ซึ่ง CV ทุกตัวหรี่ตัวลงพร้อมกัน ไอน้ำถูก throttle (บีบให้ความดันตกโดย enthalpy คงที่) ทำให้เสีย availability (พลังงานที่นำไปใช้งานได้จริง) ไปส่วนหนึ่งเสมอ วิธีนี้เหมาะกับการเดินโหลดคงที่หรือแบบ sliding pressure ที่ปรับความดัน boiler ตามโหลดแทนการหรี่ valve มาก แนวทางที่สองคือ nozzle governing หรือ partial-arc governing ซึ่งแบ่ง nozzle แถวแรกสุดของกังหันออกเป็น 4–6 กลุ่ม เรียกว่า nozzle box แต่ละกลุ่มมี CV ของตัวเอง แล้วเปิดทีละตัวตามลำดับเมื่อโหลดเพิ่มขึ้น วิธีนี้ให้ประสิทธิภาพที่โหลดบางส่วนดีกว่า throttle governing มาก เพราะ valve ที่เปิดเต็มที่ไม่มี throttling loss เลย แต่ข้อเสียคือ stage แรกสุดต้องรับแรงกระแทกจากไอน้ำที่ไม่สม่ำเสมอรอบเส้นรอบวง (เพราะรับไอเพียงบางส่วนโค้ง) จึงต้องออกแบบเป็น control stage แบบ impulse ที่แข็งแรงเป็นพิเศษ (ดูหลักการ impulse stage ในบทที่ 19)
ตัวแปรสำคัญของ governor คือ speed droop (การหย่อนความเร็วตามโหลด) ซึ่งโดยทั่วไปตั้งไว้ราว 4–5% หมายความว่าเมื่อความถี่ของระบบไฟฟ้าตกลงเล็กน้อยจากการที่โหลดรวมทั้งระบบเพิ่มขึ้นกะทันหัน governor จะเพิ่มโหลดของเครื่องนี้ขึ้นเองโดยอัตโนมัติตามสัดส่วนที่ตั้งไว้ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า primary frequency response ซึ่งเป็นกลไกแรกที่ช่วยพยุงความถี่ของทั้งระบบไฟฟ้าไว้ก่อนที่มนุษย์จะเข้าไปปรับเปลี่ยนอะไรเลย ในอดีตกังหันใช้ Mechanical-Hydraulic Control (MHC) ซึ่งอาศัยตุ้มเหวี่ยง (flyball) ที่หมุนตามเพลาไปขับ pilot valve เชิงกลล้วน ๆ แต่โรงไฟฟ้าในปัจจุบันแทบทั้งหมดเปลี่ยนมาใช้ Electro-Hydraulic Control (EHC หรือบางผู้ผลิตเรียก Digital Electro-Hydraulic Control — DEH) แทน โดยมี speed pickup แบบ magnetic หรือ toothed wheel ติดตั้งแบบ 2oo3 (two-out-of-three — ใช้ตัวรับสัญญาณ 3 ตัวแล้วโหวตเอาค่าที่ตรงกันอย่างน้อย 2 ใน 3 เพื่อความน่าเชื่อถือ) ส่งสัญญาณความเร็วเข้าตัวควบคุมอิเล็กทรอนิกส์ ตัวควบคุมนี้จะคำนวณแล้วสั่ง servo valve ไปขับ hydraulic actuator ของ CV แต่ละตัวโดยตรง พร้อมมี LVDT (Linear Variable Differential Transformer — เซนเซอร์วัดตำแหน่งเชิงเส้นแบบไม่สัมผัส) ติดที่ก้าน actuator ป้อนตำแหน่งจริงกลับเข้าตัวควบคุมตลอดเวลาเพื่อยืนยันว่า valve เปิดตรงตามที่สั่งจริง
น้ำมันที่ใช้ในระบบ EHC เป็นคนละชนิดกับน้ำมันหล่อลื่นเพลาโดยสิ้นเชิง เป็นของเหลวทนไฟ (fire-resistant fluid) ประเภท phosphate ester ที่ความดันระบบสูงถึงราว 11–16 MPa เหตุผลที่ต้องแยกอิสระออกจาก lube oil เพราะท่อน้ำมัน EHC ต้องเดินผ่านใกล้ท่อไอน้ำร้อนที่มีอุณหภูมิเกิน 500°C ตลอดแนว หากใช้น้ำมันไฮดรอลิกทั่วไปที่ติดไฟง่ายและเกิดรั่วซึมขึ้นมา ความเสี่ยงเรื่องเพลิงไหม้จะสูงมาก ชุด valve หลักบนเส้นทางไอน้ำที่ระบบ governing ควบคุมอยู่มีสี่ชนิดเรียงตามตำแหน่ง: หน้า HP มี Main Stop Valve (MSV — วาล์วปิดกั้นไอน้ำหลักซึ่งเปิด/ปิดเต็มที่เท่านั้น) ต่อด้วย Control Valve (CV) ที่หรี่ได้ต่อเนื่องตามที่ governor สั่ง ส่วนหน้า IP มี Reheat Stop Valve (RSV — วาล์วปิดกั้นไอน้ำ reheat) ต่อด้วย Intercept Valve (ICV — วาล์วสกัดไอน้ำ) ประเด็นที่ผู้เรียนมักสงสัยคือทำไมต้องมี ICV ทั้งที่ปิด CV ได้อยู่แล้ว คำตอบคือไอน้ำที่ยังค้างอยู่ใน reheater และท่อ hot reheat ทั้งเส้นมีปริมาณและพลังงานมากพอที่จะเร่งความเร็ว rotor ให้เกินระดับ trip ได้ แม้ CV จะปิดสนิทไปแล้วก็ตาม ICV จึงต้องปิดพร้อมกันเพื่อตัดไอน้ำส่วนที่ค้างอยู่นี้ไม่ให้ไหลเข้า IP ต่อ
$$\text{droop} = \frac{\Delta f / f_{rated}}{\Delta P / P_{rated}} \times 100\%$$โดย \(\Delta f\) คือความถี่ที่เปลี่ยนไป (Hz), \(f_{rated}\) คือความถี่พิกัด 50 Hz, \(\Delta P\) คือโหลดที่เปลี่ยนตาม governor (MW) และ \(P_{rated}\) คือกำลังพิกัดของเครื่อง (MW)
- Hydraulic actuator (main stop valve) — ชุดกระบอกไฮดรอลิกที่ขับก้าน MSV ให้เปิด/ปิดเต็มที่ ทำงานด้วยน้ำมัน EHC ความดันสูง เมื่อ trip oil header ถูก dump ความดันจะลดลงทันทีให้สปริงในตัว actuator ดันวาล์วปิดเอง (fail-safe)
- Hydraulic actuator (control valve) — ชุดกระบอกไฮดรอลิกของ CV ที่รับสัญญาณจาก servo valve ให้เปิดหรี่ต่อเนื่องตามคำสั่งของ EHC controller ไม่ใช่เปิด/ปิดเต็มที่เหมือน MSV
- Main stop valve — วาล์วปิดกั้นไอน้ำหลักที่เปิดเต็มที่เพียงอย่างเดียวเมื่อเดินเครื่องปกติ และปิดสนิททันทีเมื่อมีคำสั่ง trip โดยไม่ใช้หรี่ควบคุมโหลด
- Control valve — วาล์วที่หรี่/เปิดต่อเนื่องเพื่อควบคุมปริมาณไอน้ำเข้าตาม governor สั่ง เป็นตัวที่กำหนดโหลดของเครื่องจริง ๆ ในสภาวะเดินเครื่องปกติ
- Steam chest (HP inlet) — เปลือกหุ้มรูปโดมที่ห่อ MSV และ CV ไว้ด้วยกัน เป็นจุดที่ไอน้ำหลักความดันสูงและอุณหภูมิสูงสุดของทั้งเครื่องไหลผ่านก่อนเข้ากังหัน จึงหุ้มฉนวนหนาเป็นพิเศษดังที่เห็นผิวนอกเป็นลายตาราง
- HP turbine casing — เปลือก HP ที่ต่อจาก steam chest เข้าไป เห็นเป็นรูปทรงกระบอกโค้งมนขนาดใหญ่ด้านหลังชุดวาล์ว
- From main steam line — ท่อไอน้ำหลักจาก boiler ที่ต่อเข้าด้านล่างของ steam chest แต่ละชุด
โจทย์: เครื่อง 600 MW ตั้ง droop 5% เดินอยู่ที่ 450 MW ความถี่ระบบตกจาก 50.00 เหลือ 49.80 Hz governor จะเพิ่มโหลดเท่าไร (ยังไม่ชน valve limit)
วิธีทำ: Δf/f = 0.20/50 = 0.004 = 0.4% → ΔP/P_rated = 0.4%/5% = 0.08 → ΔP = 0.08 × 600 = 48 MW
คำตอบ: เพิ่มขึ้น 48 MW → เดินที่ ~498 MW
วิศวกรควบคุมจะเห็นค่า droop ของแต่ละเครื่องแสดงในหน้าจอ DCS พร้อมค่า MW actual เทียบกับ setpoint ตลอดเวลา เมื่อระบบไฟฟ้าทั้งประเทศมีโหลดเปลี่ยนกะทันหัน (เช่น โรงไฟฟ้าอื่นหลุดออกจากระบบ) เครื่องทุกเครื่องที่ยังขนานอยู่จะขยับโหลดตาม droop ของตัวเองพร้อมกันโดยอัตโนมัติภายในไม่กี่วินาที ก่อนที่ศูนย์ควบคุมระบบกำลังไฟฟ้าจะเข้ามาสั่งปรับเพิ่มเติมในภายหลัง
20.2 ระบบน้ำมันหล่อลื่น (Lube Oil System)
ระบบน้ำมันหล่อลื่นของกังหันไอน้ำมีหน้าที่หลักสามอย่าง คือหล่อลื่น journal bearing และ thrust bearing (ตามที่เรียนไปในบทที่ 19) โดยสร้าง oil film (ฟิล์มน้ำมัน) หนาเพียง ~0.03–0.1 มิลลิเมตรคั่นระหว่างผิวโลหะไม่ให้สัมผัสกันโดยตรง ระบายความร้อนที่เกิดจากแรงเสียดทานภายใน bearing ออกไป และในเครื่องรุ่นเก่าที่ใช้ MHC ยังทำหน้าที่เป็นน้ำมันควบคุม (control oil) อีกด้วย น้ำมันที่ใช้เป็น turbine oil เกรด ISO VG 32 หรือ 46 (ISO — International Organization for Standardization กำหนดมาตรฐานเกรดความหนืด Viscosity Grade ของน้ำมันอุตสาหกรรม)
ปั๊มน้ำมันหล่อลื่นมีสามชนิดทำงานคนละหน้าที่ Main Oil Pump (MOP — ปั๊มน้ำมันหลัก) เป็นปั๊มแรงเหวี่ยงที่ขับตรงจากปลายเพลากังหันเองที่ front pedestal จ่ายน้ำมันได้เต็มอัตราเฉพาะเมื่อเครื่องหมุนใกล้ความเร็วพิกัด (โดยทั่วไปมากกว่า ~90% ของ rated speed) ส่วน Auxiliary Oil Pump (AOP — ปั๊มน้ำมันสำรอง) เป็นปั๊มขับด้วยมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ ใช้งานช่วง start-up และ shutdown ที่ MOP ยังจ่ายน้ำมันไม่พอ และจะ auto-start ทันทีเมื่อความดันน้ำมันหลักตกลง ส่วนตัวสุดท้ายคือ Emergency Oil Pump (EOP — ปั๊มน้ำมันฉุกเฉิน) ขับด้วยมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงจากแบตเตอรี่สำรองของสถานี (รายละเอียดจะกล่าวถึงในบทที่ 37) ทำงานเฉพาะเมื่อไฟฟ้ากระแสสลับทั้งหมดของโรงไฟฟ้าดับ จ่ายน้ำมันได้เพียงพอสำหรับการ coast-down (ปล่อยให้เพลาหมุนช้าลงจนหยุดเองอย่างปลอดภัย) เท่านั้น ไม่ได้ออกแบบให้เดินเครื่องต่อเนื่องได้
ลำดับเหตุการณ์เมื่อความดันน้ำมันหล่อลื่นเริ่มตกลงเรื่อย ๆ (ตัวเลขตัวอย่างของระบบทั่วไปอยู่ที่ราว 1.0–2.0 bar g ที่ bearing header) เป็นลำดับขั้นที่ออกแบบไว้อย่างรัดกุม: ขั้นแรกเมื่อความดันตกถึงระดับหนึ่งจะเกิด alarm พร้อมสั่ง AOP ให้ auto-start ทันที ถ้าความดันยังตกต่อไปอีกจนถึงขั้นที่สองระบบจะสั่ง turbine trip โดยอัตโนมัติ ถ้าตกต่อไปอีกจนถึงขั้นที่สาม EOP จะเริ่มทำงาน และถ้าความดันตกถึงระดับต่ำสุดจะมีการล็อกห้ามเดิน turning gear ไว้เด็ดขาดเพื่อป้องกัน bearing ไหม้จากการหมุนโดยไม่มีฟิล์มน้ำมันรองรับ ระบบระบายความร้อนของน้ำมันใช้ oil cooler แบบ 2×100% (จะเป็นชนิด plate หรือ shell-and-tube ก็ได้) ควบคุมอุณหภูมิน้ำมันที่ไหลเข้า bearing ให้อยู่ราว 38–45°C ในขณะที่น้ำมันที่ไหลออกจาก bearing (หลังรับความร้อนจากแรงเสียดทานแล้ว) จะอยู่ราว 60–75°C อุณหภูมิผิวโลหะของ bearing เองมี alarm อยู่ที่ราว 90°C และ trip ที่ราว 105–115°C ขึ้นกับผู้ผลิตแต่ละราย
Main oil tank (ถังน้ำมันหลัก) ออกแบบให้มี retention time (เวลาพักตัวของน้ำมันในถัง) ราว 5–8 นาทีของอัตราไหลรวมทั้งระบบ เพื่อให้ฟองอากาศและตะกอนมีเวลาแยกตัวออกก่อนน้ำมันจะถูกดูดกลับไปใช้ซ้ำ ถังยังมี vapour extractor (พัดลมดูดไอน้ำมัน) คอยดูดไอที่ระเหยออกจากผิวน้ำมันในถังให้ภายในถังเป็นสุญญากาศอ่อน ๆ อยู่ตลอด ซึ่งช่วยป้องกันไม่ให้น้ำมันรั่วซึมออกตามซีลต่าง ๆ ของถัง และมีชุด purifier หรือ centrifuge (เครื่องปั่นแยก) ทำงานแยกน้ำที่ปนอยู่ในน้ำมันออกอย่างต่อเนื่อง เพราะน้ำที่ปนในน้ำมันแม้เพียงเล็กน้อยกว่า 0.1% ก็สามารถทำให้โลหะ babbitt ที่บุผิว bearing เสียหายได้ ส่วนสุดท้ายที่สำคัญคือ jacking oil หรือ lift oil (น้ำมันยกเพลา) ซึ่งใช้ปั๊มความดันสูงมากราว 100–300 bar อัดน้ำมันเข้าไปในโพรงเล็ก ๆ ใต้ journal bearing โดยตรงเพื่อยกเพลาให้ลอยขึ้นจากผิว bearing เพียง ~0.02–0.05 มิลลิเมตรก่อนเริ่มเดิน turning gear เหตุผลที่ต้องมีขั้นตอนนี้คือที่ความเร็วรอบต่ำมาก ๆ oil film แบบ hydrodynamic (ฟิล์มน้ำมันที่เกิดจากความเร็วผิวเพลาปั่นน้ำมันขึ้นมารองรับเอง) ยังไม่สามารถก่อตัวได้ หากไม่มี jacking oil ช่วยยกเพลาไว้ก่อน ผิวเพลาจะเสียดสีกับผิว bearing แบบโลหะต่อโลหะโดยตรงในช่วงที่หมุนช้า ซึ่งจะทำให้ bearing สึกหรออย่างรวดเร็ว
- Main Oil Tank — ถังน้ำมันหลักที่เก็บน้ำมันหล่อลื่นสำรองไว้ทั้งระบบ ออกแบบให้มี retention time ราว 5–8 นาทีเพื่อให้ฟองอากาศและตะกอนตกตะกอนก่อนนำน้ำมันไปใช้ซ้ำ
- Twin AC/DC Oil Pumps — ปั๊มคู่ที่ติดตั้งบนฝาถัง ในภาพนี้คือ AOP (มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ) และ EOP (มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงจากแบตเตอรี่สถานี) ที่ทำหน้าที่สำรองต่อจาก MOP เมื่อความดันน้ำมันตก
- Oil Level Indicator — หลอดแก้ววัดระดับน้ำมันในถัง ใช้ตรวจสอบด้วยตาว่าน้ำมันในถังยังอยู่ในช่วงปกติหรือไม่
- Tank Drain — วาล์วระบายน้ำมัน/น้ำที่ปนอยู่ก้นถังออกเป็นระยะ
- Oil Suction Line to Pumps — ท่อดูดน้ำมันจากถังป้อนเข้าปั๊มแต่ละตัว
- Pressure Control & Relief Valves — ชุดวาล์วคุมความดันและวาล์วนิรภัยระบายความดันส่วนเกินของระบบน้ำมัน
- Oil Coolers (Plate Type) — เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่น (plate) คุมอุณหภูมิน้ำมันขาเข้า bearing ให้อยู่ราว 38–45°C ก่อนส่งต่อไปหล่อลื่น
- Oil Supply Line to Turbine — ท่อน้ำมันที่ผ่านการทำความเย็นแล้ว ส่งต่อไปยัง bearing header ของกังหัน
- Motor-driven positive displacement pumps — ปั๊มลูกสูบขนาดเล็กหลายตัวขับด้วยมอเตอร์ไฟฟ้า สร้างความดันสูงมากราว 100–300 bar เพื่ออัดน้ำมันเข้าโพรงใต้ journal bearing (หมายเหตุ: ป้ายในรูปสะกดเพี้ยนเล็กน้อยเป็น "dispHacement" — คือ "displacement" ตามที่ถูกต้อง อ่านเข้าใจความหมายได้ ไม่กระทบการตีความ)
- Accumulator bottles — ถังสะสมความดัน (accumulator) ช่วยรักษาความดัน jacking oil ให้คงที่แม้ปั๊มทำงานเป็นจังหวะ
- Pressure gauge — เกจวัดความดันน้ำมัน jacking oil ที่หัวจ่าย ใช้ตรวจสอบว่าความดันถึงเกณฑ์ยกเพลาก่อนเปิดใช้งาน
- Electrical control panel — ตู้ควบคุมไฟฟ้าของชุดปั๊ม จัดลำดับการสตาร์ทและอินเตอร์ล็อกกับระบบ turning gear
- High pressure stainless steel tubing — ท่อสแตนเลสความดันสูงที่นำน้ำมันจาก skid ไปยังจุดฉีดใต้ journal bearing แต่ละตำแหน่งบนเพลา
- High pressure manifold — จุดรวมท่อความดันสูงก่อนแยกไปแต่ละ bearing
- Pump skid base — ฐานเหล็กที่ยึดปั๊มและอุปกรณ์ทั้งชุดเป็นหน่วยเดียว ติดตั้งใกล้ฐานกังหัน
- Spill containment tray — รางรองรับน้ำมันที่อาจหกหรือรั่วซึมจาก skid กันน้ำมันไหลลงพื้นโรงงาน
- Steam turbine foundation — ฐานคอนกรีตของกังหันไอน้ำที่ชุด jacking oil ติดตั้งอยู่ข้าง ๆ
20.3 ระบบ Gland Steam (Gland Steam / Seal Steam System)
ปลายเพลาทุกจุดที่ทะลุผ่าน casing ของกังหัน (ตามที่เรียนเรื่อง labyrinth gland ในบทที่ 19) จำเป็นต้องมีการซีลอย่างรัดกุม เพราะความดันด้านในและด้านนอกของแต่ละ casing ต่างกันคนละทิศทาง ที่ฝั่ง HP และ IP ความดันภายในสูงกว่าบรรยากาศมาก ไอน้ำจึงมีแนวโน้ม "รั่วออก" ตามแนวเพลา ในขณะที่ฝั่ง LP อยู่ภายใต้สุญญากาศของ condenser อากาศภายนอกจึงมีแนวโน้ม "รั่วเข้า" แทน ระบบ gland steam ถูกออกแบบมาเพื่อจัดการทั้งสองทิศทางนี้พร้อมกัน โดยมี sealing steam header (ท่อรวมไอน้ำซีล) คุมความดันให้สูงกว่าบรรยากาศเพียงเล็กน้อยราว 0.03–0.1 bar g (คิดเป็นความดันสัมบูรณ์ประมาณ 1.03–1.11 bar) แล้วป้อนเข้าห้องกลางของ gland ทุกตัว ที่ LP gland ไอน้ำซีลนี้ทำหน้าที่กันไม่ให้อากาศรั่วเข้า condenser ส่วนที่ HP/IP gland ในช่วงโหลดต่ำไอน้ำซีลก็ช่วยเสริมการซีลเช่นเดียวกัน
ไอน้ำส่วนที่รั่วออกมาจากขั้นนอกสุดของ gland ทุกตัวจะถูกดูดรวมไปที่ Gland Steam Condenser (GSC — เครื่องควบแน่นไอน้ำซีล) ซึ่งมี exhaust fan (พัดลมดูดไอ) รักษาสุญญากาศอ่อน ๆ ไว้ราว −25 ถึง −50 mbar g เพื่อดูดไอที่ปนอากาศเข้ามา แล้วควบแน่นด้วย condensate ที่ไหลผ่านฝั่ง tube ของ GSC ผลพลอยได้ที่ดีคือได้น้ำกลับเข้าวัฏจักรและช่วยอุ่น condensate ไปพร้อมกันในตัว หาก exhaust fan ของ GSC หยุดทำงานโดยไม่ทราบสาเหตุ สัญญาณที่สังเกตได้ชัดเจนคือจะเห็นไอน้ำพ่นออกมาตามปลายเพลาโดยตรง และน้ำมัน bearing บริเวณใกล้เคียงอาจมีน้ำปนเข้าไปได้ ที่มาของไอน้ำซีลก็แตกต่างกันไปตามสภาวะการเดินเครื่อง ในช่วง start-up ไอน้ำซีลมาจาก auxiliary steam (ไอน้ำช่วยของโรงไฟฟ้า) แต่เมื่อโหลดสูงขึ้นถึงระดับหนึ่ง (ราว 40–60% ของโหลดพิกัด) ไอน้ำที่รั่วออกมาจาก HP/IP gland เองก็มีปริมาณมากพอที่จะจ่ายให้ LP gland ได้โดยไม่ต้องพึ่ง auxiliary steam อีกต่อไป เรียกสภาวะนี้ว่า self-sealing (ซีลตัวเอง) โดยมี spillover valve (วาล์วระบายส่วนเกิน) คอยระบายไอน้ำส่วนที่เกินความต้องการไปยัง condenser โดยตรง
อุณหภูมิของไอน้ำซีลต้องเหมาะสมกับช่วงที่ผู้ผลิตกำหนดไว้ โดยทั่วไปอยู่ราว 150–260°C หากไอน้ำที่ป้อนเข้าเย็นหรือร้อนเกินไปจะทำให้เกิด differential expansion (การขยายตัวไม่เท่ากันระหว่างชิ้นส่วน ตามที่จะกล่าวถึงในหัวข้อ 20.7) เฉพาะจุดบริเวณ gland และอาจทำให้เพลาโก่งตัวชั่วคราวได้ ข้อกำหนดที่สำคัญที่สุดข้อหนึ่งของระบบนี้คือต้องเปิดไอน้ำซีลก่อนเริ่มดึงสุญญากาศของ condenser เสมอ และต้องคงไอน้ำซีลไว้จนกว่าสุญญากาศจะสลายหมดในขั้นตอน shutdown เพราะหากไม่ซีลปลายเพลา LP ไว้ก่อน อากาศจากภายนอกจะรั่วเข้า condenser ตลอดเวลา ทำให้ไม่สามารถดึงสุญญากาศขึ้นมาได้ตามเป้าหมาย หรือแม้ดึงขึ้นได้ก็จะมีออกซิเจนปนเข้าไปในน้ำ condensate อย่างต่อเนื่อง
ก่อนเริ่มดึงสุญญากาศ condenser ทุกครั้ง operator ต้องยืนยันว่าเปิดไอน้ำซีลและความดัน sealing steam header นิ่งตามค่าที่ตั้งไว้แล้วเท่านั้น เพราะถ้าเริ่มดึง vacuum ก่อนไอน้ำซีลจะทำให้อากาศไหลเข้าตามแนวเพลา LP ตลอดเวลาจนสูบลมออกไม่ทัน วิศวกรบำรุงรักษามักใช้ค่าความดัน GSC และเสียงลมที่ดังผิดปกติบริเวณปลายเพลาเป็นสัญญาณเตือนแรกว่า exhaust fan หรือ gland seal มีปัญหา
20.4 Turning Gear: ทำไมต้องหมุนช้าๆ (Turning Gear / Barring Gear)
เมื่อกังหันไอน้ำที่ร้อนจัดจอดหมุนนิ่งอยู่กับที่ ปัญหาที่ตามมาคือ casing (เปลือกหุ้ม) ส่วนบนจะสะสมความร้อนไว้มากกว่าส่วนล่างเสมอ เพราะอากาศร้อนภายในลอยขึ้นด้านบนตามธรรมชาติ ผลคือเพลาจะโก่งตัวขึ้นเล็กน้อยในทิศทางขึ้น เรียกปรากฏการณ์นี้ว่า hogging และถ้าจอดนิ่งเป็นเวลานานหลายสัปดาห์ เพลาก็อาจแอ่นตัวลงตามน้ำหนักของตัวมันเองแทน เรียกว่า sagging ประเด็นที่น่าตกใจคือแค่เพลาโก่งเพียง ~0.05–0.1 มิลลิเมตร ก็เพียงพอที่จะทำให้เกิดการเสียดสี (rub) ระหว่างเพลากับ seal ต่าง ๆ และทำให้เครื่องสั่นสะเทือนรุนแรงผิดปกติทันทีที่เริ่ม start ครั้งถัดไป
Turning gear (หรือเรียกอีกชื่อว่า barring gear) คือชุดมอเตอร์ไฟฟ้าต่อผ่านชุดเฟืองทดรอบ ทำหน้าที่หมุนเพลากังหันอย่างต่อเนื่องด้วยความเร็วต่ำมากราว 1–60 rpm (ค่าที่พบบ่อยในทางปฏิบัติอยู่ราว 3–50 rpm ขึ้นกับผู้ผลิตแต่ละราย) เพื่อให้อุณหภูมิรอบเส้นรอบวงของเพลากระจายสม่ำเสมอ ไม่สะสมเป็นจุดร้อนจุดเย็นที่ตำแหน่งใดตำแหน่งหนึ่งนานเกินไป ก่อนเริ่ม start เครื่องทุกครั้งจึงต้องเดิน turning gear ล่วงหน้าอย่างน้อยหลายชั่วโมง (โดยทั่วไปราว 4–8 ชั่วโมง หรือจนกว่าค่า eccentricity จะเข้าเกณฑ์ที่กำหนด) โดยเกณฑ์ทั่วไปคือค่า shaft eccentricity (ความเยื้องศูนย์ของเพลา) ต้องต่ำกว่าราว 0.05–0.08 มิลลิเมตร หรือตามเส้น baseline เฉพาะของเครื่องนั้น ๆ จึงจะเริ่ม roll เครื่องด้วยไอน้ำได้อย่างปลอดภัย
ในทางกลับกัน หลังจากเครื่อง trip หรือ shutdown ขณะที่ยังร้อนอยู่ turning gear ต้อง auto-engage (เข้าทำงานอัตโนมัติ) ทันทีที่เพลาหยุดหมุน และต้องเดินต่อเนื่องไปเรื่อย ๆ จนกว่าอุณหภูมิผิวโลหะของ HP/IP casing จะลดต่ำกว่าราว 150–200°C ซึ่งอาจใช้เวลานานถึง 1–3 วันขึ้นกับขนาดของเครื่อง ข้อกำหนดด้านความปลอดภัยที่สำคัญคือต้องมีทั้ง lube oil (จาก AOP) และ jacking oil เดินอยู่ก่อนเสมอจึงจะ engage turning gear ได้ เป็น interlock (การล็อกเงื่อนไข) มาตรฐานของทุกเครื่อง หากเกิดไฟดับทั้งโรงไฟฟ้าจนไม่มีไฟฟ้าขับ turning gear ได้เลย วิธีแก้ปัญหาชั่วคราวตามคู่มือคือการหมุนเพลาด้วยมือเป็นช่วง ๆ ทีละประมาณ 180 องศาตามระยะเวลาที่กำหนด (hand barring) เพื่อไม่ให้จุดใดจุดหนึ่งของเพลาสัมผัสความร้อนนานเกินไปฝ่ายเดียว ข้อควรระวังที่สำคัญที่สุดคือถ้า turning gear เกิดเสียหายในขณะที่เครื่องยังร้อนอยู่ ห้ามเริ่ม start เครื่องเด็ดขาดจนกว่าจะพิสูจน์ได้ว่าค่า eccentricity กลับสู่ภาวะปกติแล้ว เพราะการฝืน start ทั้งที่เพลายังโก่งตัวอยู่คือสาเหตุคลาสสิกที่สุดของการเกิด rub รุนแรงจนกังหันเสียหายทั้งเครื่อง
- Electric Motor (Turning Gear Motor) — มอเตอร์ไฟฟ้าขนาดเล็กที่ขับชุดเฟืองทดให้หมุนเพลากังหันช้า ๆ ต่อเนื่อง กำลังของมอเตอร์นี้ต่ำกว่ามอเตอร์ขับปั๊มหรืออุปกรณ์อื่นมาก เพราะแค่ต้องเอาชนะแรงเสียดทานของเพลาที่หมุนช้า
- Reduction Gearbox — ชุดเฟืองทดรอบที่ลดความเร็วจากมอเตอร์ลงมาให้เหลือเพียงไม่กี่รอบต่อนาทีที่เพลากังหัน พร้อมเพิ่มแรงบิดให้พอเอาชนะแรงเสียดทานและน้ำหนักของเพลาทั้งชุด
- Engaging Pinion — เฟืองตัวเล็กที่เลื่อนเข้าไปขบกับ bull gear เมื่อต้องการ engage turning gear และเลื่อนถอยออกเมื่อเครื่องเดินด้วยไอน้ำเองที่ความเร็วสูง เพื่อไม่ให้เฟืองทดต้องรับความเร็วสูงเกินออกแบบ
- Bull Gear (Ring Gear) — เฟืองวงแหวนขนาดใหญ่ที่ยึดติดกับเพลากังหันโดยตรง เป็นจุดที่ pinion เข้าไปขบเพื่อถ่ายแรงหมุน
- Turbine Shaft (Rotor) — เพลาของกังหันไอน้ำที่ turning gear ทำหน้าที่หมุนอย่างต่อเนื่องช้า ๆ ก่อนและหลังการเดินเครื่องด้วยไอน้ำ เพื่อป้องกัน rotor bow
- Turbine Housing (Cutaway) — ภาพตัดแสดงโครงเปลือกหุ้มบริเวณที่ bull gear และ pinion ขบกันอยู่ภายใน
- Bearing Pedestal (NDE) — ฐานรอง bearing ด้านที่ไม่ต่อกับ generator (Non-Drive End)
- Bearing Pedestal (DE) — ฐานรอง bearing ด้านที่ต่อกับ generator (Drive End)
- Turbine Base / Foundation — ฐานรากที่รองรับมอเตอร์ เฟืองทด และ pedestal ทั้งชุดให้อยู่แนวเดียวกันอย่างมั่นคง
ห้องควบคุมจะมี alarm แยกต่างหากทันทีที่ turning gear หลุด (disengage) โดยไม่ได้ตั้งใจขณะเครื่องยังร้อน เพราะถือเป็นเหตุการณ์ที่ต้องรีบแก้ไขก่อนเพลาจะเริ่มโก่งตัว วิศวกรบำรุงรักษามักตรวจสอบเสียงและกระแสมอเตอร์ turning gear เป็นระยะระหว่างที่เครื่องเย็นตัวหลัง trip เพื่อยืนยันว่าเฟืองยังขบกันอยู่จริงและไม่มีสิ่งกีดขวางการหมุน
20.5 ระบบป้องกันกังหัน (Turbine Protection)
ระบบ trip ของกังหันไอน้ำถูกออกแบบให้ตัดไอน้ำทั้งหมดโดยปิด MSV, CV, RSV และ ICV พร้อมกันภายในเวลาสั้นมากเพียงราว 0.15–0.3 วินาที ผ่านกลไก dump น้ำมัน trip header (ท่อน้ำมัน trip) ให้ความดันลดลงทันที เมื่อความดันน้ำมันในระบบ trip หายไป สปริงภายใน actuator ของแต่ละ valve จะดันวาล์วให้ปิดสนิทเอง หลักการนี้เรียกว่า fail-safe (ปลอดภัยแม้ระบบล้มเหลว) เพราะแม้ไฟฟ้าหรือระบบควบคุมจะขัดข้อง วาล์วก็ยังปิดได้ด้วยกลไกกลไกทางกลล้วน ๆ
เงื่อนไข trip ที่อันตรายที่สุดคือ overspeed (ความเร็วเกินพิกัด) ซึ่งตั้งค่า trip ไว้ที่ราว 110–112% ของความเร็วพิกัด หรือคิดเป็นราว 3,300–3,360 rpm ที่ความเร็วพิกัด 3,000 rpm ระบบตรวจจับมีสองแบบ แบบกลไกใช้ eccentric bolt หรือ eccentric ring (ลูกเบี้ยว/วงแหวนเยื้องศูนย์) ที่เหวี่ยงตัวออกด้วยแรงหนีศูนย์กลางเมื่อความเร็วเกินกำหนดไปกระแทกกระเดื่อง trip ส่วนแบบอิเล็กทรอนิกส์ใช้ speed probe แบบ 2oo3 voting ตรวจจับความเร็วสามตัวแล้วโหวตร่วมกัน เหตุผลที่ต้องตั้ง trip สูงถึงระดับนี้เกี่ยวข้องกับพฤติกรรมของเครื่องเมื่อเกิด full load rejection (การหลุดโหลดเต็มพิกัดกะทันหัน เช่น generator breaker เปิดโดยไม่คาดคิด) ซึ่งความเร็วของเครื่องจะพุ่งขึ้นสูงสุดได้เองตามธรรมชาติราว 7–9% ก่อนที่ governor จะเข้าคุมได้ทัน การตั้ง trip เผื่อไว้เหนือระดับนี้จึงป้องกันไม่ให้เครื่อง trip โดยไม่จำเป็นทุกครั้งที่มีการหลุดโหลด แต่ยังทันการณ์ก่อนที่ความเร็วจะสูงจนอันตราย
เหตุผลที่ overspeed อันตรายมากคือ centrifugal stress (ความเค้นจากแรงหนีศูนย์กลาง) ใน blade และ rotor แปรผันตรงกับกำลังสองของความเร็วรอบ ที่ความเร็ว 120% ของพิกัด ความเค้นจะเพิ่มขึ้นเป็น 1.44 เท่าของค่าปกติ ซึ่ง last-stage blade (LSB — ใบพัดแถวสุดท้ายของ LP ตามที่เรียนในบทที่ 19) มีความเสี่ยงขาดออกจากโรเตอร์ก่อนชิ้นส่วนอื่นเสมอ เพราะมีขนาดใหญ่และมวลมากที่สุด ด้วยเหตุนี้การทดสอบ overspeed trip จริงจึงต้องทำอย่างระมัดระวังเป็นพิเศษตามวาระที่กำหนด หรือใช้วิธี simulate ผ่าน Automatic Turbine Tester (ATT — ชุดทดสอบระบบ trip อัตโนมัติที่จำลองสัญญาณโดยไม่ต้องเร่งความเร็วเครื่องจริง) แทนในงานประจำเพื่อลดความเสี่ยง
นอกจาก overspeed แล้วยังมี trip อีกหลายเงื่อนไขที่คอยเฝ้าระวังคู่ขนานกันไป Low condenser vacuum (สุญญากาศ condenser ต่ำผิดปกติ หรือ back pressure สูงผิดปกติ) ทำให้อุณหภูมิบริเวณ exhaust hood สูงขึ้นและ LSB สั่นสะเทือนหรือเกิด flutter ได้ โดยทั่วไปตั้ง alarm ที่ back pressure ราว 0.15–0.20 bar absolute และ trip ที่ราว 0.25–0.30 bar absolute (รายละเอียดจะกล่าวถึงเพิ่มเติมในบทที่ 21) Thrust bearing wear หรือ axial displacement (การสึกของ thrust bearing หรือเพลาเลื่อนตามแนวแกน) ตั้ง alarm ที่ราว ±0.5 มิลลิเมตร และ trip ที่ราว ±1.0–1.2 มิลลิเมตร เพราะถ้า thrust bearing พังจริง เพลาจะเลื่อนตามแนวแกนจนใบพัดชนกับ diaphragm ทันทีโดยไม่มีสัญญาณเตือนล่วงหน้านาน High vibration (การสั่นสะเทือนสูงผิดปกติ) วัดค่า shaft relative vibration ตั้ง alarm ราว 120–165 ไมโครเมตร peak-to-peak และ trip ราว 240–260 ไมโครเมตร peak-to-peak (อ้างอิงมาตรฐาน ISO 7919-2) ส่วนค่า bearing housing velocity ตั้ง alarm ราว 7.1–11 มิลลิเมตรต่อวินาที rms (อ้างอิงมาตรฐาน ISO 10816-2) และยังมี trip เงื่อนไขอื่นอีก ได้แก่ low lube oil pressure (ความดันน้ำมันหล่อลื่นต่ำ ตามที่กล่าวไปในหัวข้อ 20.2), high LP exhaust hood temperature (อุณหภูมิ exhaust hood ของ LP สูงผิดปกติ ตั้ง alarm ราว 110–120°C พร้อมเปิดสเปรย์น้ำ exhaust hood spray ลดอุณหภูมิ), fire protection (ระบบป้องกันอัคคีภัย), generator หรือ electrical trip ที่ส่งสัญญาณมาสั่ง trip กังหันด้วย (รายละเอียดในบทที่ 36) และสุดท้ายคือ manual trip (การกดปุ่ม trip ด้วยมือ) ซึ่งติดตั้งไว้ทั้งที่ front pedestal และในห้องควบคุม
$$\frac{\sigma_2}{\sigma_1} = \left(\frac{N_2}{N_1}\right)^2$$โดย \(\sigma\) คือ centrifugal stress ใน blade/rotor (MPa) และ \(N\) คือความเร็วรอบ (rpm) — ความเค้นแปรผันตามกำลังสองของความเร็วรอบ
- Mechanical overspeed trip mechanism housing — เปลือกหุ้มกลไก eccentric bolt/ring ที่เหวี่ยงตัวออกด้วยแรงหนีศูนย์กลางเมื่อความเร็วเพลาเกิน ~110–112% ของพิกัด แล้วไปกระแทกกระเดื่อง trip ให้ dump น้ำมัน trip header
- Manual trip lever — คันโยกสำหรับสั่ง trip เครื่องด้วยมือโดยตรงที่ front pedestal ใช้ในกรณีฉุกเฉินที่ต้องหยุดเครื่องทันทีโดยไม่รอสัญญาณอัตโนมัติ
- Speed probes — เซนเซอร์วัดความเร็วรอบเพลาแบบ magnetic/toothed wheel ติดตั้งเป็นชุด 2oo3 ป้อนสัญญาณให้ทั้งระบบ governing และระบบ trip อิเล็กทรอนิกส์
- Conduit — ท่อร้อยสายไฟฟ้าที่นำสัญญาณจาก speed probes ไปยังตู้ควบคุม ป้องกันสายสัมผัสความร้อนและความชื้นโดยตรง
- Front bearing pedestal — ฐานรอง bearing ตัวหน้าสุดของกังหัน เป็นตำแหน่งที่ติดตั้งกลไก trip และ MOP ที่ขับตรงจากปลายเพลา
- Turbine casing — เปลือกหุ้ม HP turbine ที่ต่อเนื่องมาจาก front pedestal เห็นผิวฉนวนสีขาวด้านซ้ายของภาพ
โจทย์: เครื่อง 3,000 rpm ตั้ง overspeed trip ที่ 111% จงหาความเร็ว trip และ centrifugal stress ใน blade ที่จุด trip เทียบกับที่ rated speed
วิธีทำ: N_trip = 1.11 × 3,000 = 3,330 rpm; σ ∝ N² → σ_trip/σ_rated = (1.11)² = 1.2321
คำตอบ: trip ที่ 3,330 rpm; stress สูงขึ้นเป็น ~1.23 เท่า (เพิ่มขึ้นราว 23%)
20.6 Drains และการ Warming กังหัน (Turbine Drains & Warming)
Water induction (การมีน้ำเข้าไปในกังหัน) คือภาวะที่น้ำ ไม่ว่าจะเป็นไอน้ำที่ condense กลับเป็นของเหลวหรือน้ำที่หลุดมาจากระบบอื่น เล็ดลอดเข้าไปในกังหันขณะที่เครื่องยังร้อนหรือกำลังหมุนอยู่ ผลที่ตามมาคือ thermal shock (การเปลี่ยนอุณหภูมิฉับพลัน) เพลาโก่งตัว และใบพัดเสียหาย ซึ่งเป็นเหตุการณ์ที่รุนแรงมากพอที่วงการวิศวกรรมโรงไฟฟ้าทั่วโลกต้องกำหนดมาตรฐานเฉพาะขึ้นมาป้องกัน คือมาตรฐาน ASME (American Society of Mechanical Engineers) TDP-1 ว่าด้วยแนวทางป้องกัน water induction โดยเฉพาะ แหล่งที่มาของน้ำที่อาจเล็ดลอดเข้ากังหันมีอยู่หลายทาง ได้แก่ ท่อ main steam หรือ reheat steam ที่ยังเย็นอยู่ (ไอน้ำ condense เป็นหยดน้ำในท่อที่ยังไม่อุ่น) attemperator spray (การฉีดน้ำลดอุณหภูมิไอน้ำ ตามที่เรียนในบทที่ 16) ที่รั่วซึม feedwater heater (เครื่องอุ่นน้ำป้อน ตามที่จะเรียนในบทที่ 23) ที่มีระดับน้ำสูงผิดปกติจนไหลย้อนกลับเข้า extraction line (ท่อดึงไอน้ำ) และสุดท้ายคือ gland steam ที่เปียกเกินไป
เพื่อป้องกันปัญหานี้ กังหันทุกเครื่องจึงมี drain valve (วาล์วระบายน้ำ) ติดตั้งอยู่ที่จุดต่ำสุดของทุกจุดที่น้ำอาจสะสมได้ ได้แก่ ท่อ main steam ก่อนถึง MSV, casing ของ HP และ IP, ท่อ cold reheat และ hot reheat, และ extraction line ทุกเส้น วาล์วเหล่านี้จะเปิดอัตโนมัติในช่วง start-up หรือช่วงที่โหลดต่ำกว่าราว 15–20% ของพิกัด และจะเปิดทันทีเมื่อเครื่อง trip แล้วปิดกลับเมื่อโหลดสูงขึ้นเพียงพอ นอกจากนี้ extraction line ทุกเส้นยังมี Non-Return Valve (NRV — วาล์วกันไหลย้อน) แบบ power-assisted (มีกำลังช่วยปิด) ที่ปิดตัวได้อย่างรวดเร็วทันทีที่เครื่อง trip เพื่อป้องกันทั้งไอน้ำหรือน้ำจาก heater ไหลย้อนกลับมาเร่งความเร็ว rotor และป้องกัน water induction ไปพร้อมกันในคราวเดียว
ก่อนเริ่ม roll เครื่องด้วยไอน้ำทุกครั้ง จำเป็นต้อง warming (อุ่นเครื่อง) ท่อ main steam, steam chest และ casing ตามขั้นตอนที่กำหนดไว้อย่างเป็นระบบ โดยจำกัดอัตราการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิผิวโลหะไว้โดยทั่วไปราว 1.5–3°C ต่อนาที (ช้าที่สุดในกรณี cold start) เพื่อควบคุม thermal stress (ความเค้นจากความร้อน) ที่ผิวด้านในของ rotor bore และ valve chest ไม่ให้สูงเกินขีดจำกัดของวัสดุ โรงไฟฟ้าที่ใช้ DCS (Distributed Control System — ระบบควบคุมแบบกระจายศูนย์) รุ่นใหม่จะมีการคำนวณค่า rotor stress margin (ระยะห่างจากขีดจำกัดความเค้นของ rotor) แบบ online ให้ผู้ควบคุมดูตลอดกระบวนการ start-up ระยะเวลาที่ใช้ในการ roll เครื่องจนถึงโหลดเต็มพิกัดขึ้นอยู่กับว่าเครื่องเย็นแค่ไหนก่อนเริ่ม โดย cold start (อุณหภูมิผิวโลหะต่ำกว่าราว 150°C) ใช้เวลานานที่สุดราว 4–8 ชั่วโมง warm start ใช้เวลาราว 2–4 ชั่วโมง ในขณะที่ hot start (อุณหภูมิผิวโลหะสูงกว่าราว 400°C) ใช้เวลาเพียงราว 1–1.5 ชั่วโมงเท่านั้น ตัวเลขเหล่านี้แตกต่างกันไปตามผู้ผลิตแต่ละราย แต่หลักการพื้นฐานเหมือนกันเสมอคือยิ่งโลหะเย็นเท่าไร ยิ่งต้องอุ่นเครื่องช้าลงเท่านั้น
สถิติเหตุการณ์ water induction ส่วนใหญ่ในอุตสาหกรรมมาจากกรณี feedwater heater level สูงผิดปกติแล้วไหลย้อนเข้า extraction line มากกว่าสาเหตุอื่น วิศวกรบำรุงรักษาจึงให้ความสำคัญเป็นพิเศษกับการทดสอบว่า NRV บน extraction line และระบบป้องกันระดับน้ำสูงของ heater ทำงานได้จริงทุกครั้งที่มีการหยุดซ่อมบำรุงใหญ่ (outage) ไม่ปล่อยผ่านแม้จะดูเหมือนเป็นขั้นตอนย่อยที่ไม่สำคัญ
20.7 Expansion และ Differential Expansion (Expansion Monitoring)
ตลอดกระบวนการ start-up เครื่องจะร้อนขึ้นจากอุณหภูมิห้องไปจนถึงอุณหภูมิใช้งานจริงที่สูงกว่า 500°C ทำให้ทั้ง casing และ rotor ต้อง "ขยายตัวได้อย่างอิสระแต่ถูกบังคับทิศทาง" ไม่เช่นนั้นชิ้นส่วนจะบิดงอหรือแตกร้าวจากความเค้นสะสม วิธีแก้ปัญหาทางวิศวกรรมคือให้ casing วางอยู่บน sliding foot และ keys (ฐานเลื่อนและร่องนำ) ที่ปล่อยให้เลื่อนไปมาได้ตามแนวแกน โดยมี fixed point (จุดยึดตายตัว) เพียงจุดเดียวมักอยู่แถว LP แล้วปล่อยให้ casing ทั้งชุดขยายตัวออกไปในทิศทางเดียวคือไปทาง front pedestal ระยะขยายตัวสัมบูรณ์ (absolute expansion) ที่ front pedestal ของเครื่องขนาดใหญ่อาจสูงถึงราว 25–50 มิลลิเมตร ส่วน rotor นั้นถูกยึดตำแหน่งตามแนวแกนไว้ที่ thrust bearing เพียงจุดเดียวเท่านั้น (ตามที่เรียนในบทที่ 19) ส่วนที่เหลือทั้งหมดของเพลาจึงขยายตัวได้อย่างอิสระ และเนื่องจาก rotor มีมวลน้อยกว่า casing มาก จึงร้อนขึ้นและขยายตัวเร็วกว่า casing เสมอในช่วง start-up
ความแตกต่างของอัตราการขยายตัวระหว่าง rotor กับ casing นี้เรียกว่า differential expansion หรือ DE (การขยายตัวต่างกัน) ซึ่งวัดที่ตำแหน่งใดตำแหน่งหนึ่งของแต่ละ casing โดยเปรียบเทียบระยะขยายของ rotor กับ casing ณ จุดนั้น ถ้า DE เป็นค่าบวกมาก เรียกว่า "rotor long" หมายถึง rotor ขยายตัวมากกว่า casing ซึ่งมักเกิดในช่วง start-up หรือช่วงที่เพิ่มโหลดเร็วเกินไป ในทางกลับกันถ้า casing ขยายตัวมากกว่า rotor เรียกว่า "rotor short" ซึ่งมักเกิดในช่วงลดโหลดเร็วหรือมีไอน้ำเย็นเข้าไปในเครื่องกะทันหัน ไม่ว่าจะเป็นทิศทางใด หาก DE วิ่งเกินขีดจำกัดที่กำหนดไว้ ระยะห่างตามแนวแกน (axial clearance) ระหว่าง moving blade กับ diaphragm หรือ gland จะหมดลง และเกิดการเสียดสี (rub) ขึ้นทันที ตำแหน่งที่วัด DE ได้กว้างที่สุดมักอยู่ที่ LP เพราะอยู่ไกลจาก thrust bearing มากที่สุด จึงสะสมผลต่างการขยายตัวของเพลาทั้งเส้นไว้ที่จุดนั้น ค่าขีดจำกัดจริงแตกต่างกันมากตามรุ่นเครื่อง เช่น HP อาจอยู่ในระดับ ±3–5 มิลลิเมตร ในขณะที่ LP อาจกว้างถึง +10 ถึง +25 มิลลิเมตร ซึ่งต้องอ้างอิงเส้นโค้ง (curve) เฉพาะของผู้ผลิตแต่ละราย ไม่มีค่ามาตรฐานตายตัว
เครื่องมือวัดชุด Turbine Supervisory Instruments (TSI — เครื่องมือเฝ้าระวังกังหัน) ทำหน้าที่ตรวจวัดค่าสำคัญเหล่านี้ทั้งหมดพร้อมกัน ได้แก่ ความเร็วรอบ, ความเยื้องศูนย์ของเพลา (eccentricity), การสั่นสะเทือนของเพลาและ bearing, ตำแหน่งตามแนวแกน (axial position), ค่า differential expansion ของแต่ละ casing, ค่า casing absolute expansion และอุณหภูมิผิวโลหะจุดต่าง ๆ ค่าทั้งหมดนี้จะแสดงผลและถูกบันทึกไว้ใน DCS (รายละเอียดเรื่องเครื่องมือวัดจะกล่าวถึงเพิ่มเติมในบทที่ 38) ข้อควรระวังสำคัญคือระหว่าง start-up หาก DE เริ่มวิ่งเข้าใกล้ขีดจำกัดที่ตั้งไว้ ผู้ควบคุมต้องหยุดค้างโหลดหรือความเร็วไว้ชั่วขณะ เรียกว่า soak (แช่รอ) เพื่อให้ casing มีเวลาตามทันอัตราการขยายตัวของ rotor ห้ามฝืนเร่งความเร็วหรือโหลดต่อไปโดยเด็ดขาดในสถานการณ์เช่นนี้
$$\Delta L = \alpha\,L\,\Delta T$$โดย \(\Delta L\) คือระยะขยายตัว (m), \(\alpha\) คือสัมประสิทธิ์ขยายตัวเชิงเส้นของเหล็ก rotor (ราว 12–13×10⁻⁶ 1/°C), \(L\) คือความยาวส่วนที่ร้อน (m) และ \(\Delta T\) คืออุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นเฉลี่ย (°C)
- Rack identification — ป้ายชื่อบนสุดของตู้ระบุว่าเป็นตู้ Turbine Supervisory Instrumentation ระบุหน้าที่ของแร็คทั้งชุด
- Bargraph displays — จอแสดงผลแบบแท่งบอกค่าความสั่นสะเทือน (amplitude) ของแต่ละช่องวัด พร้อมตัวเลข mm/s กำกับ ผู้ปฏิบัติงานใช้เปรียบเทียบกับค่า alarm/trip ได้อย่างรวดเร็วด้วยสายตา
- Vibration monitoring modules — โมดูลตรวจวัดความสั่นสะเทือนต่อเนื่อง พร้อมไฟสถานะ OK/ALERT/DANGER และช่องต่อสัญญาณจากเซนเซอร์แต่ละตัว
- Processor module — โมดูลประมวลผลกลางที่รวบรวมข้อมูล จัดการตรรกะ alarm และสื่อสารกับระบบควบคุมส่วนกลาง มีหน้าจอ LCD แสดงสถานะ "SYSTEM NORMAL / NO ACTIVE ALARMS"
- Alarm and relay modules — โมดูลที่ให้สัญญาณ alarm และ relay output ส่งต่อไปยังระบบควบคุมของโรงไฟฟ้า
- Field wiring terminals — แถบขั้วต่อสายไฟด้านล่างตู้ที่เชื่อมต่อกับ vibration probe, speed pickup และสัญญาณ I/O อื่นจากสนาม
โจทย์: ส่วนร้อนของ rotor HP–IP ยาวรวม 12 m อุณหภูมิเฉลี่ยเพิ่มจาก 30°C เป็น 430°C (ΔT = 400°C), α = 12.5×10⁻⁶ 1/°C จงหาระยะขยายตัว
วิธีทำ: ΔL = αLΔT = 12.5×10⁻⁶ × 12 × 400 = 0.060 m
คำตอบ: ขยายตัวราว 60 mm — จึงต้องมี sliding foot, thrust bearing จุดเดียว และเฝ้าดู DE ระหว่าง start-up
วิศวกรควบคุมมักเฝ้าดูกราฟ DE เทียบเวลาบนหน้าจอ DCS ระหว่าง start-up ทุกครั้งควบคู่ไปกับความเร็วรอบและโหลด หากเห็นแนวโน้ม DE พุ่งเข้าใกล้เส้น alarm เร็วกว่าปกติ จะสั่งหยุดเพิ่มโหลดหรือความเร็วทันทีเพื่อรอให้ casing อุ่นตามทัน แทนที่จะรอให้ alarm ดังขึ้นจริงก่อนค่อยตอบสนอง
สรุปท้ายบท
- Governing ควบคุมไอน้ำผ่าน CV เพื่อรักษาความเร็ว/โหลด — throttle governing หรี่ทุก valve พร้อมกัน (เสีย availability), nozzle governing เปิด CV ทีละกลุ่ม nozzle (ประสิทธิภาพ part-load ดีกว่า); EHC ใช้ speed pickup 2oo3 → controller → servo valve → actuator พร้อม LVDT feedback, น้ำมัน EHC แยกอิสระจาก lube oil
- Lube oil system: MOP (shaft-driven) / AOP (AC) / EOP (DC) เรียงลำดับ backup ตามความดันน้ำมันที่ตก, oil cooler คุมอุณหภูมิ 38–45°C ขาเข้า / 60–75°C ขาออก, jacking oil 100–300 bar ยกเพลาก่อน turning gear
- Gland steam ซีลปลายเพลาทั้งสองทิศทาง (ไอรั่วออกที่ HP/IP, อากาศรั่วเข้าที่ LP) ผ่าน sealing steam header และ self-sealing ที่โหลด ~40–60%; leak-off ถูกดูดไป GSC
- Turning gear หมุนเพลาช้า ๆ (~1–60 rpm) กัน rotor bow ทั้งก่อน start และหลัง trip จนกว่า metal temperature จะเย็นพอ — ต้องมี lube oil + jacking oil ก่อนจึง engage ได้
- Turbine protection: overspeed 110–112% อันตรายสุด (stress ∝ N²), low vacuum, thrust/axial displacement, high vibration (ISO 7919-2 / ISO 10816-2), low lube oil, high exhaust hood temp — ทุก trip ปิด MSV/CV/RSV/ICV ภายใน <0.3 s
- Drain valve ที่จุดต่ำสุดทุกจุด + NRV บน extraction line ป้องกัน water induction (ASME TDP-1); warming จำกัดอัตราขึ้นอุณหภูมิ ~1.5–3°C/min ตามความเย็นของเครื่อง (cold/warm/hot start)
- Casing ขยายตัวจาก fixed point (มักใต้ LP), rotor ยึดที่ thrust bearing จุดเดียว — DE = rotor − casing วัดโดย TSI; ΔL = αLΔT; DE เกิน limit → rub ที่ blade/diaphragm
ศัพท์เทคนิคในบทนี้
| English | ไทย / ความหมาย |
|---|---|
| Throttle / Nozzle governing | หรี่ CV พร้อมกันทุกตัว / เปิด CV ทีละกลุ่ม nozzle |
| Speed droop | สัดส่วนที่ governor เพิ่มโหลดเมื่อความถี่ตก (~4–5%) |
| EHC / DEH | Electro-Hydraulic (Digital) Control — ระบบควบคุมไฟฟ้า-ไฮดรอลิก |
| MSV / CV / RSV / ICV | Main Stop / Control / Reheat Stop / Intercept Valve |
| MOP / AOP / EOP | Main / Auxiliary / Emergency Oil Pump |
| Jacking oil | น้ำมันความดันสูงยกเพลาก่อน turning gear |
| Gland steam condenser (GSC) | เครื่องควบแน่นไอน้ำซีลปลายเพลา |
| Self-sealing | ไอรั่ว HP/IP gland จ่ายให้ LP gland เองที่โหลดสูง |
| Turning gear / Barring gear | ชุดหมุนเพลาช้า ๆ กัน rotor bow |
| Rotor bow (hogging/sagging) | เพลาโก่งขึ้น/แอ่นลงขณะจอดนิ่งร้อน |
| Overspeed trip | ตัดไอน้ำเมื่อความเร็วเกิน ~110–112% |
| Water induction | น้ำเข้ากังหันขณะร้อน/หมุน — ป้องกันตาม ASME TDP-1 |
| Non-return valve (NRV) | วาล์วกันไหลย้อนบน extraction line |
| Differential expansion (DE) | ผลต่างการขยายตัวของ rotor เทียบ casing |
| Turbine Supervisory Instruments (TSI) | ชุดเครื่องมือเฝ้าระวังกังหันทั้งหมด |