บทที่ 22 — ระบบหล่อเย็น

22.1 Once-through กับ Closed Loop (Cooling System Configurations)

น้ำหล่อเย็นหมุนเวียน (CW — Circulating Water) ที่ไหลผ่าน tube ของ condenser ต้องมาจากที่ใดที่หนึ่งเสมอ และโรงไฟฟ้าทั่วโลกเลือกใช้วิธีจัดหาน้ำนี้อยู่สามรูปแบบหลัก รูปแบบแรกคือ once-through หรือ open cycle คือสูบน้ำจากแหล่งธรรมชาติ เช่น ทะเลหรือแม่น้ำ ผ่าน condenser เพียงรอบเดียวแล้วปล่อยคืนกลับสู่แหล่งน้ำเดิม วิธีนี้เรียบง่ายที่สุดในเชิงระบบ ปั๊มต้องการเฮดต่ำเพราะไม่มีหอเย็นให้ยกน้ำขึ้น และที่สำคัญคือให้ vacuum ที่ดีที่สุดในบรรดาสามวิธี เพราะน้ำจากแหล่งธรรมชาติมักเย็นกว่าน้ำที่ผ่านหอเย็นมาแล้วเสมอ ข้อแลกเปลี่ยนคือต้องการแหล่งน้ำปริมาณมหาศาลอย่างต่อเนื่อง เครื่องขนาด 600 MW อาจต้องการน้ำราว 70,000–90,000 ลูกบาศก์เมตรต่อชั่วโมง ซึ่งมีเพียงโรงไฟฟ้าริมทะเลหรือแม่น้ำสายใหญ่เท่านั้นที่มีแหล่งน้ำมากพอ

ข้อจำกัดของ once-through ไม่ได้มีแค่เรื่องปริมาณน้ำ แต่ยังมีกฎหมายสิ่งแวดล้อมที่ควบคุมอุณหภูมิน้ำทิ้ง (thermal discharge) อย่างเข้มงวด โดยทั่วไปกำหนดให้น้ำทิ้งอุ่นกว่าน้ำเข้าไม่เกินราว 3–10°C หรือกำหนดเป็นค่าสัมบูรณ์ตามใบอนุญาตของแต่ละโรง เพราะน้ำอุ่นที่ปล่อยกลับสู่แหล่งน้ำธรรมชาติส่งผลต่อระบบนิเวศทางน้ำโดยตรง นอกจากนี้ยังมีปัญหาสิ่งมีชีวิตขนาดเล็กถูกดูดเข้าไปพร้อมน้ำที่ intake และการกัดกร่อนจากน้ำทะเลที่รุนแรงกว่าปกติ ด้วยข้อจำกัดเหล่านี้ once-through จึงเหมาะกับโรงไฟฟ้าที่ตั้งอยู่ริมทะเลหรือแม่น้ำใหญ่ที่มีอัตราไหลธรรมชาติมากพอจะเจือจางความร้อนที่ปล่อยออกไปได้เท่านั้น

รูปแบบที่สองคือ closed loop หรือ recirculating system ซึ่งให้น้ำวนเวียนอยู่ระหว่าง condenser กับ cooling tower (หอเย็น) โดยหอเย็นทำหน้าที่ระบายความร้อนที่น้ำรับมาจาก condenser ทิ้งสู่อากาศแทนที่จะทิ้งลงแหล่งน้ำธรรมชาติ เพราะน้ำหมุนเวียนอยู่ในวงจรปิดเกือบสมบูรณ์ ระบบนี้จึงต้องการน้ำ makeup (น้ำเติมทดแทนส่วนที่สูญเสียไป) เพียงราว 1.5–3% ของอัตราไหลหมุนเวียนต่อชั่วโมงเท่านั้น ทำให้สามารถสร้างโรงไฟฟ้าในพื้นที่ที่ห่างไกลจากแหล่งน้ำขนาดใหญ่ได้ ราคาที่ต้องจ่ายแลกกับความยืดหยุ่นนี้คือสมรรถนะ เพราะน้ำที่ผ่านหอเย็นทำได้เพียงเข้าใกล้อุณหภูมิ wet-bulb ของอากาศเท่านั้น ไม่มีวันเย็นถึงระดับนั้นได้จริง ทำให้ condenser vacuum ของระบบ closed loop แย่กว่า once-through เสมอ อีกทั้งยังมีค่าใช้จ่ายเพิ่มเติมทั้งค่าไฟฟ้าพัดลม ค่าน้ำ makeup และค่าเคมีปรับสภาพน้ำที่ once-through ไม่ต้องมี

ส่วนรูปแบบที่สามซึ่งจะกล่าวถึงรายละเอียดในหัวข้อ 22.7 คือระบบแห้งล้วนๆ ที่เรียกว่า air-cooled condenser (ACC — Air-Cooled Condenser, เครื่องควบแน่นระบายความร้อนด้วยอากาศ) ซึ่งไม่ใช้น้ำหล่อเย็นเลยแม้แต่หยดเดียว ใช้เฉพาะในพื้นที่ที่ขาดแคลนน้ำอย่างแท้จริง เพราะแลกมาด้วย vacuum ที่แย่ที่สุดในบรรดาสามระบบ

22.2 ทฤษฎีหอเย็น: Evaporative Cooling (Cooling Tower Theory)

หอเย็นแบบเปียก (wet cooling tower) ที่ใช้กันแพร่หลายในโรงไฟฟ้าอาศัยกลไกหลักคือการระเหยของน้ำ ไม่ใช่การถ่ายเทความร้อนแบบสัมผัสอากาศเย็นอย่างที่หลายคนเข้าใจผิด เมื่อน้ำร้อนถูกกระจายลงมาสัมผัสกับอากาศที่ไหลสวนทางขึ้น น้ำเพียงส่วนน้อยราว 1–2% ของอัตราไหลทั้งหมดจะระเหยกลายเป็นไอ และการระเหยนี้ต้องดึงความร้อนแฝง (latent heat) จำนวนมากราว 2,420 kJ ต่อน้ำที่ระเหย 1 kg ออกมาจากน้ำส่วนที่เหลือ ทำให้น้ำส่วนที่เหลือเย็นลง คิดเป็นสัดส่วนแล้วความร้อนที่ถูกถ่ายออกทางกลไกการระเหย (latent) อยู่ที่ราว 75–90% ของความร้อนทั้งหมดที่หอเย็นระบายได้ ส่วนที่เหลือเป็นการถ่ายเทความร้อนแบบสัมผัส (sensible) ให้กับอากาศโดยตรงเพียงส่วนน้อยเท่านั้น

เพราะกลไกหลักอาศัยการระเหย ขีดจำกัดทางทฤษฎีของอุณหภูมิน้ำเย็นที่หอเย็นสามารถทำได้จึงไม่ใช่อุณหภูมิอากาศทั่วไปที่วัดด้วยเทอร์โมมิเตอร์ธรรมดา (dry-bulb temperature) แต่คือ wet-bulb temperature (Twb) ของอากาศขาเข้า ซึ่งเป็นอุณหภูมิที่วัดได้เมื่อหุ้มกระเปาะเทอร์โมมิเตอร์ด้วยผ้าชุบน้ำแล้วปล่อยให้น้ำระเหยจนอากาศรอบกระเปาะอิ่มตัว ยิ่งอากาศชื้นมาก (ความชื้นสัมพัทธ์สูง) Twb ก็จะยิ่งใกล้เคียงกับ dry-bulb และหอเย็นจะทำงานได้แย่ลง แม้อุณหภูมิอากาศที่วัดด้วยเทอร์โมมิเตอร์ปกติจะเท่าเดิมก็ตาม เพราะอากาศที่ชื้นจัดรับไอน้ำเพิ่มได้น้อย การระเหยจึงเกิดขึ้นช้าลง ค่าออกแบบทั่วไปสำหรับพื้นที่ภาคกลางของไทยอยู่ที่ Twb ราว 27–29°C ซึ่งสูงกว่าประเทศเขตหนาวมาก และเป็นเหตุผลหนึ่งที่โรงไฟฟ้าในไทยมักได้ vacuum ที่ด้อยกว่าโรงไฟฟ้าในเขตอากาศเย็น

เพื่ออธิบายสมรรถนะของหอเย็นให้ชัดเจน วิศวกรใช้สองค่าหลักคือ range และ approach range คือผลต่างระหว่างอุณหภูมิน้ำร้อนที่เข้าหอกับอุณหภูมิน้ำเย็นที่ออกจากหอ ค่านี้ถูกกำหนดโดยปริมาณความร้อนที่ condenser ต้องระบายกับอัตราไหลน้ำหมุนเวียนเป็นหลัก ไม่ใช่ตัวหอเย็นเอง ค่าออกแบบทั่วไปอยู่ที่ 7–12°C ส่วน approach คือผลต่างระหว่างอุณหภูมิน้ำเย็นที่ออกจากหอกับ wet-bulb temperature ของอากาศ ค่านี้ต่างหากที่บ่งบอก "ฝีมือ" หรือประสิทธิภาพที่แท้จริงของตัวหอเย็น ค่าออกแบบทั่วไปอยู่ที่ 4–8°C และยิ่งต้องการ approach ที่แคบเท่าไร หอเย็นก็ยิ่งต้องใหญ่และแพงขึ้นแบบไม่เป็นเชิงเส้น จนต่ำกว่าราว 2.8°C แทบไม่คุ้มค่าลงทุนสร้างอีกต่อไป ประสิทธิผลของหอเย็น (ε) นิยามจากอัตราส่วน range ต่อผลรวมของ range กับ approach ซึ่งค่าทั่วไปอยู่ที่ราว 55–70%

การออกแบบหอเย็นในเชิงลึกอาศัยสมการ Merkel ซึ่งเชื่อมโยงค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทมวล-พื้นที่ผิว (KaV/L) เข้ากับอัตราส่วนของเหลวต่ออากาศ (L/G ratio) ซึ่งทั่วไปอยู่ที่ราว 0.75–1.5 ในระดับแนวคิดที่ผู้เรียนควรจำได้คือ หอเย็นที่ดีต้องมีพื้นที่สัมผัสระหว่างน้ำกับอากาศมากและให้เวลาสัมผัสกันนานพอ ซึ่งเป็นหน้าที่ของ fill หรือ packing ภายในหอที่จะกล่าวถึงในหัวข้อ 22.4

โดย \(T_{hot}\) คืออุณหภูมิน้ำร้อนเข้าหอ (°C) และ \(T_{cold}\) คืออุณหภูมิน้ำเย็นออกหอ (°C)

โดย \(T_{wb}\) คือ wet-bulb temperature ของอากาศขาเข้า (°C)

โดย \(\varepsilon\) คือประสิทธิผลของหอเย็น (ไม่มีหน่วย มักอยู่ราว 0.55–0.70)

22.3 Natural Draft กับ Mechanical Draft (Tower Types)

หอเย็นแบบเปียกแบ่งตามวิธีสร้างการไหลของอากาศเป็นสองตระกูลใหญ่ ตระกูลแรกคือ natural draft cooling tower (NDCT — Natural Draft Cooling Tower, หอเย็นแบบดึงอากาศตามธรรมชาติ) ซึ่งมีรูปทรงเป็นปล่องคอนกรีตทรง hyperbolic สูงตระหง่านราว 100–200 เมตร ที่หลายคนเห็นเป็นสัญลักษณ์ของโรงไฟฟ้าพลังความร้อน หอชนิดนี้ไม่ใช้พัดลมเลยแม้แต่ตัวเดียว แต่อาศัยหลัก stack effect เดียวกับที่อธิบายไว้ในบทที่ 18 เรื่องอุปกรณ์ช่วยหม้อไอน้ำ คืออากาศชื้นและอุ่นภายในปล่องมีความหนาแน่นต่ำกว่าอากาศเย็นภายนอก จึงลอยตัวขึ้นเองและดึงอากาศใหม่เข้ามาแทนที่อย่างต่อเนื่อง ทรง hyperbolic ที่คอดตรงกลางไม่ได้เลือกเพื่อความสวยงาม แต่เพื่อความแข็งแรงทางโครงสร้างต่อแรงลมและเพื่อเร่งความเร็วอากาศให้ไหลผ่านคอหอได้ดีขึ้นตามหลักการไหลแบบ venturi

NDCT เหมาะกับโรงไฟฟ้าขนาดใหญ่ระดับฐานโหลด (>500 MW) เพราะแม้ค่าลงทุนก่อสร้างครั้งแรกจะสูงมาก แต่เมื่อสร้างเสร็จแล้วไม่มีค่าไฟฟ้าพัดลมเลยตลอดอายุการใช้งาน และมีค่าบำรุงรักษาต่ำเพราะไม่มีชิ้นส่วนกลไกให้เสียหาย ข้อเสียคือควบคุมอุณหภูมิน้ำเย็นไม่ได้เลย เพราะสมรรถนะขึ้นอยู่กับสภาพอากาศภายนอกล้วนๆ ไม่มีทางปรับแต่งเพิ่มเติมเหมือนหอที่ใช้พัดลม

ตระกูลที่สองคือ mechanical draft ซึ่งใช้พัดลมสร้างการไหลของอากาศแทนการพึ่งพาธรรมชาติ แบ่งย่อยเป็นสองแบบตามตำแหน่งพัดลม แบบที่พบมากที่สุดคือ induced draft (ID — Induced Draft, พัดลมดูดอากาศออกจากด้านบน) ซึ่งติดตั้งพัดลมไว้บนหลังคาหอคอยดูดอากาศออกทางด้านบน ทำให้อากาศไหลผ่านทั่วทั้งหอสม่ำเสมอและลดปัญหาการไหลย้อนของอากาศชื้นที่เพิ่งถูกปล่อยออกกลับเข้าไปในหอใหม่ (recirculation) ส่วนแบบที่สองคือ forced draft (FD — Forced Draft, พัดลมเป่าอากาศเข้าจากด้านล่าง) ซึ่งพบในหอขนาดเล็กกว่า ข้อดีคือมอเตอร์พัดลมอยู่ในโซนอากาศแห้งเย็นด้านนอก ไม่ต้องทนความชื้นสูงเหมือน ID แต่มีความเสี่ยง recirculation สูงกว่าเพราะอากาศไหลออกด้านบนแรงน้อยกว่าและมักถูกลมพัดวนกลับ

หอเย็นแบบ mechanical draft ของโรงไฟฟ้าขนาดใหญ่มักไม่ได้สร้างเป็นหอเดียว แต่แบ่งเป็นหน่วยย่อยเรียกว่า cell เรียงต่อกันเป็นแถวยาว โรงไฟฟ้าขนาดใหญ่อาจใช้ถึง 8–16 cell พัดลมแต่ละ cell มีเส้นผ่านศูนย์กลางราว 8–10 เมตร ขับด้วยมอเตอร์ขนาด 90–250 kW ผ่านเกียร์ทดรอบ (gearbox) เพราะพัดลมขนาดใหญ่ต้องหมุนช้ากว่ามอเตอร์มาก ผู้ควบคุมโรงไฟฟ้าสามารถปรับจำนวน cell ที่เดินเครื่องหรือปรับมุมใบพัด (pitch) ตามฤดูกาลเพื่อควบคุมอุณหภูมิน้ำเย็นให้เหมาะสมกับสภาพอากาศ นอกจากนี้ทิศทางการไหลระหว่างน้ำกับอากาศยังแบ่งเป็นสองแบบคือ counterflow ซึ่งอากาศไหลขึ้นสวนทางกับน้ำที่ตกลงมา ให้ประสิทธิภาพการแลกเปลี่ยนความร้อนดีกว่า และ crossflow ซึ่งอากาศไหลในแนวขวางตัดกับทิศทางน้ำ หอแบบนี้เตี้ยกว่าและบำรุงรักษาง่ายกว่าแม้ประสิทธิภาพจะด้อยกว่าเล็กน้อย

1. Water vapour plume — กลุ่มไอน้ำสีขาวที่ลอยออกจากปากหอ เกิดจากไอน้ำที่ระเหยออกมาจากการทำ evaporative cooling ควบแน่นกลับเป็นละอองเล็กๆ เมื่อกระทบอากาศเย็นด้านนอก ไม่ใช่มลพิษหรือควันจากการเผาไหม้แต่อย่างใด
2. Cooling tower — ตัวปล่องคอนกรีตทรง hyperbolic ทั้งหมด ผนังคอนกรีตหนาต้องออกแบบให้ทนแรงลมและน้ำหนักตัวเองที่สูงถึง 100–200 เมตร โดยไม่ใช้พัดลมช่วยเลย
3. Air inlet (louvres) — ช่องเปิดโดยรอบฐานหอที่อากาศเย็นจากภายนอกไหลเข้าไปแทนที่อากาศอุ่นที่ลอยขึ้น เป็นจุดเริ่มต้นของ stack effect ทั้งระบบ
4. Access road — ถนนรอบโรงไฟฟ้าสำหรับการเข้าถึงพื้นที่หอเย็นและอาคารข้างเคียงเพื่อบำรุงรักษา
5. Circulating water piping — แนวท่อสีเขียวขนาดใหญ่ที่ลำเลียงน้ำหมุนเวียนระหว่างหอเย็นกับ condenser ภายในอาคารโรงไฟฟ้า
6. Cooling water return channel — คลองหรือรางน้ำที่รับน้ำเย็นจากก้นหอเย็นไปยัง CW pump เพื่อส่งกลับเข้า condenser ต่อไป
7. Power plant (boiler building) — อาคารหม้อไอน้ำและกังหันที่ตั้งอยู่ระหว่างหอเย็นทั้งสอง มองเห็นปล่องระบายก๊าซเสียสูงชะลูดข้างอาคาร
8. Warm air discharge — จุดที่อากาศอุ่นชื้นถูกปล่อยออกจากปากหอ สังเกตได้จากไอน้ำที่เริ่มลอยขึ้นบริเวณนี้
9. Cooling tower basin — อ่างคอนกรีตรอบฐานหอที่รองรับน้ำเย็นที่ตกลงมาจากด้านในก่อนไหลออกสู่ return channel

1. Fan stack — ปล่องทรงกรวยครอบพัดลมแต่ละ cell ทำหน้าที่นำอากาศชื้นที่ถูกดูดออกให้พุ่งขึ้นสูงพ้นหลังคา ลดโอกาส recirculation กลับเข้าหอ
2. Air discharge (water vapour) — ไอน้ำที่ลอยออกจากปากปล่องแต่ละ cell เห็นเป็นแนวยาวตลอดทั้งแถวเพราะทุก cell ทำงานพร้อมกัน
3. Fan deck — พื้นดาดฟ้าเหนือแต่ละ cell ที่ใช้เดินตรวจสอบและเข้าถึงมอเตอร์พัดลม เห็นราวกันตกล้อมรอบปล่องแต่ละอัน
4. Fiberglass casing — ผนังภายนอกของหอทำจากไฟเบอร์กลาส ทนการกัดกร่อนจากน้ำและสารเคมีได้ดี น้ำหนักเบากว่าคอนกรีตทำให้ก่อสร้างและซ่อมบำรุงง่ายกว่าหอ natural draft มาก
5. Air inlet louvers — แผงบานเกล็ดตามความยาวผนังด้านล่างที่อากาศไหลเข้าสู่ fill ภายใน เห็นเป็นแถบมืดยาวตลอดผนัง
6. Concrete support structure — โครงเสาคอนกรีตยกตัวหอทั้งหมดขึ้นจากพื้น เว้นช่องว่างด้านล่างสำหรับท่อน้ำและการเข้าถึง basin

22.4 ส่วนประกอบของ Cooling Tower (Tower Components)

ไล่จากบนลงล่าง ส่วนแรกที่น้ำร้อนจาก condenser ไปพบคือระบบจ่ายน้ำร้อน (hot water distribution) ซึ่งเป็นท่อหรือรางจ่ายน้ำวางอยู่ด้านบนสุดของหอ ปล่อยน้ำผ่าน spray nozzle จำนวนมากเพื่อกระจายน้ำให้ทั่วพื้นที่หน้าตัดของ fill ด้านล่าง หาก nozzle บางตัวอุดตันจะทำให้น้ำกระจายไม่ทั่วถึง เกิดโซนที่ approach แย่กว่าปกติเฉพาะจุด ซึ่งเป็นสาเหตุยอดนิยมของปัญหาสมรรถนะหอเย็นที่ตรวจพบได้ยากถ้าไม่เดินขึ้นไปดูบนดาดฟ้าจริง

ถัดลงมาคือ fill หรือ packing ซึ่งถือเป็นหัวใจของหอเย็นทั้งระบบ เพราะเป็นส่วนที่สร้างพื้นที่ผิวสัมผัสระหว่างน้ำกับอากาศให้มากที่สุดเท่าที่จะทำได้ fill แบ่งเป็นสองแบบหลัก แบบแรกคือ film fill ทำจากแผ่น PVC (Polyvinyl Chloride — พลาสติกชนิดหนึ่งที่ทนน้ำและสารเคมีได้ดี) ลอนบางเรียงชิดติดกัน น้ำจะไหลเป็นฟิล์มบางเคลือบผิวแผ่นตลอดความยาว ให้พื้นที่ผิวสัมผัสมากและประสิทธิภาพการแลกเปลี่ยนความร้อนสูงที่สุด แต่ก็อุดตันง่ายที่สุดเช่นกันหากน้ำมีตะกอนหรือสิ่งสกปรกปนมาก แบบที่สองคือ splash fill ซึ่งใช้ซี่ระแนงเรียงเป็นชั้นๆ ให้น้ำที่ตกลงมากระเซ็นแตกเป็นหยดเล็กๆ แทนที่จะไหลเป็นฟิล์ม ประสิทธิภาพต่ำกว่า film fill แต่ทนทานต่อน้ำสกปรกได้ดีกว่ามาก จึงเป็นตัวเลือกหลักสำหรับโรงไฟฟ้าที่ใช้น้ำทะเลหรือน้ำขุ่นเป็นน้ำหล่อเย็น

เหนือชั้น fill ขึ้นไปมี drift eliminator ซึ่งเป็นแผงพลาสติกพับซิกแซกทำหน้าที่ดักละอองน้ำ (drift) ที่ปนมากับกระแสอากาศไม่ให้หลุดลอยออกไปกับไอน้ำ drift ต่างจากไอระเหยตรงที่ drift คือหยดน้ำของเหลวที่พาแร่ธาตุ สารเคมีปรับสภาพน้ำ และในกรณีเลวร้ายคือเชื้อ Legionella ออกไปด้วย ในขณะที่ไอระเหยเป็นไอน้ำบริสุทธิ์ที่ไม่พาสิ่งปนเปื้อนใดๆ ออกไป หอเย็นรุ่นใหม่จำกัด drift ให้เหลือน้อยกว่า 0.005–0.02% ของอัตราไหลทั้งหมดเท่านั้น

ส่วนประกอบอื่นที่สำคัญได้แก่พัดลมพร้อมเกียร์ทดรอบและเพลาส่งกำลัง ซึ่งมักติดตั้ง vibration switch ไว้ตรวจจับความสั่นสะเทือนผิดปกติ, louver ที่ทำหน้าที่ทั้งกันน้ำกระเซ็นออกด้านข้างหอและกันแสงแดดส่องเข้าไปในหอ (ลดการเจริญเติบโตของตะไคร่น้ำภายใน), และ cold water basin ซึ่งเป็นอ่างคอนกรีตก้นหอที่รับน้ำเย็นทั้งหมดที่ไหลผ่านมาจากด้านบน เป็นจุดที่เติมน้ำ makeup เข้าระบบ ติดตั้ง screen ดักเศษวัสดุก่อนน้ำไหลไปยังทางดูดของ CW pump และมีระบบป้องกันตะกอนสะสมที่ก้นอ่าง สำหรับโรงไฟฟ้าในเขตหนาวจะต้องเฝ้าระวังปัญหาน้ำแข็งเกาะ (icing) ที่ louver หรือ fill ในฤดูหนาว แต่ประเทศไทยแทบไม่พบปัญหานี้เลย กลับพบปัญหาตรงข้ามคือ wet-bulb temperature สูงตลอดทั้งปีทำให้หอเย็นทำงานได้ยากกว่า

1. Top surface (water distribution contact area) — พื้นผิวด้านบนของ pack fill ที่รับน้ำจาก spray nozzle เห็นหยดน้ำเกาะทั่วผิว เป็นจุดที่น้ำเริ่มไหลเป็นฟิล์มบางลงสู่ช่องลอน (ป้ายในรูปมีลักษณะตัวอักษร "water" เพี้ยนเล็กน้อยจากฟอนต์ แต่อ่านความหมายได้ชัดเจน ไม่กระทบการสื่อสาร)
2. PVC cross-fluted fill sheet — แผ่น PVC ลอนแต่ละแผ่นที่พับเป็นมุม 45 องศาสลับทิศ (cross-fluted) เพื่อให้น้ำกระจายและปั่นป่วนขณะไหลผ่าน เพิ่มการสัมผัสกับอากาศมากกว่าแผ่นลอนตรงธรรมดา
3. Film pack block — กลุ่มแผ่น fill หลายสิบแผ่นเรียงซ้อนกันเป็นบล็อกสี่เหลี่ยม 1 บล็อกคือหน่วยติดตั้งพื้นฐานที่ยกเข้า-ออกจากโครงหอได้ทั้งก้อน
4. Polyester strapping — สายรัดสีเขียวที่รัดแผ่น fill ทั้งบล็อกให้แน่นเป็นก้อนเดียวระหว่างขนส่งและติดตั้ง ป้องกันแผ่นเลื่อนหลุดจากกัน
5. Timber pallet (support and handling) — พาเลทไม้รองรับน้ำหนักบล็อก fill ระหว่างจัดเก็บและขนย้ายก่อนติดตั้งเข้าไปในหอเย็น

22.5 ระบบน้ำหมุนเวียน (Circulating Water System)

หัวใจของการเคลื่อนน้ำหล่อเย็นทั้งระบบคือ CW pump ซึ่งเป็นปั๊มแนวตั้งชนิด mixed-flow หรือ axial ขนาดใหญ่ ออกแบบมาให้เฮดต่ำ (~15–25 เมตร) แต่อัตราไหลสูงมาก (~10,000–50,000 ลูกบาศก์เมตรต่อชั่วโมงต่อตัว) โรงไฟฟ้าขนาดใหญ่มักติดตั้ง 2–4 ตัวต่อเครื่องเดินขนานกัน ปั๊มกลุ่มนี้จัดเป็นกลุ่มที่กินไฟฟ้า auxiliary มากที่สุดกลุ่มหนึ่งของทั้งโรง อาจสูงถึงหลายเมกะวัตต์ต่อเครื่อง (รายละเอียดหลักการปั๊มจะกล่าวถึงในบทที่ 24)

ทางดูดของ CW pump ต้องผ่านการกรองขยะสองชั้นก่อนเสมอ ชั้นแรกคือ trash rack ซึ่งเป็นตะแกรงเหล็กซี่หยาบดักขยะชิ้นใหญ่ เช่น กิ่งไม้หรือถุงพลาสติก และชั้นที่สองคือ traveling water screen ซึ่งเป็นตะแกรงตาข่ายละเอียดที่หมุนเป็นวงต่อเนื่องพร้อมระบบฉีดน้ำล้างตัวเองไม่ให้เศษขยะสะสมจนอุดตัน หากตะแกรงเหล่านี้อุดตันมากเกินไป ทางดูดของปั๊มจะขาด NPSH (Net Positive Suction Head — ความดันดูดสุทธิที่มีอยู่จริง) จนอาจเกิด cavitation หรือถึงขั้น trip ปั๊มได้

ในหลายโรงไฟฟ้า วงจร condenser ถูกออกแบบให้อยู่สูงกว่าระดับ basin ของหอเย็นเล็กน้อย เพื่ออาศัยหลัก siphon ช่วยลดงานที่ปั๊มต้องทำ เพราะน้ำที่ไหลลงจากที่สูงกว่าจะช่วยดึงน้ำตามมาโดยไม่ต้องใช้พลังงานปั๊มเพิ่ม แต่การอาศัย siphon แบบนี้ต้องมีระบบ priming หรือระบบดูดอากาศที่จุดสูงสุดของ waterbox เพื่อป้องกันไม่ให้ siphon ขาดตอนจากฟองอากาศที่สะสมอยู่

เพื่อควบคุมการเจริญเติบโตของตะไคร่น้ำ หอย และ slime (คราบเมือกจุลินทรีย์) ภายในระบบ โรงไฟฟ้าใช้วิธี chlorination ฉีดคลอรีนเข้าระบบเป็นระยะๆ ซึ่งทำได้สองแบบคือ shock dosing ฉีดปริมาณมากในช่วงสั้นๆ วันละไม่กี่ครั้งให้ residual คลอรีนอยู่ที่ราว 0.5–1 ppm หรือแบบ continuous dosing ฉีดปริมาณต่ำต่อเนื่องตลอดเวลาราว 0.2–0.5 ppm โรงไฟฟ้าที่ใช้น้ำทะเลมักผลิต sodium hypochlorite (โซเดียมไฮโปคลอไรต์) จากน้ำทะเลเองด้วยกระบวนการ electro-chlorination โดยไม่ต้องขนส่งสารเคมีเข้ามา น้ำทิ้งจากระบบยังถูกควบคุมค่า free chlorine residual (คลอรีนอิสระคงเหลือ) ตามที่กฎหมายกำหนดก่อนปล่อยคืนสู่แหล่งน้ำเสมอ

ที่ waterbox ของ condenser ยังมี butterfly valve ขนาดใหญ่ติดตั้งไว้เพื่อแยกระบบก่อนเข้าซ่อมบำรุง วาล์วนี้ต้องเปิด-ปิดอย่างช้าๆ เสมอ เพราะท่อ CW มีเส้นผ่านศูนย์กลางถึง 2–3 เมตร การปิดวาล์วเร็วเกินไปจะทำให้เกิด water hammer (ค้อนน้ำ) แรงกระแทกจากการหยุดกระแสน้ำกะทันหันซึ่งอาจทำลายท่อหรือข้อต่อได้ (รายละเอียดเรื่องวาล์วและท่อจะกล่าวถึงในบทที่ 29)

1. Motor — มอเตอร์ไฟฟ้าขนาดใหญ่ด้านบนสุดของปั๊ม สีเขียว ขับเพลาลงไปหมุนใบพัดที่อยู่ลึกลงไปในบ่อดูดด้านล่าง
2. Vertical mixed-flow pump — ตัวปั๊มแนวตั้งชนิด mixed-flow ทั้งชุด ออกแบบให้เฮดต่ำแต่อัตราไหลสูงมาก เหมาะกับงานสูบน้ำหล่อเย็นปริมาณมหาศาลของโรงไฟฟ้า
3. Elevated pump floor — พื้นคอนกรีตยกระดับที่ติดตั้งฐานปั๊มและมอเตอร์ อยู่สูงกว่าระดับน้ำในบ่อดูดเพื่อป้องกันน้ำท่วมอุปกรณ์ไฟฟ้า
4. Discharge pipe — ท่อจ่ายน้ำขาออกจากปั๊มแต่ละตัว ต่อรวมเข้าสู่ท่อหลักที่ส่งน้ำไปยัง condenser
5. Butterfly valve — วาล์วปีกผีเสื้อขนาดใหญ่ติดตั้งบนท่อจ่ายของปั๊มแต่ละตัว ใช้แยกปั๊มออกจากระบบก่อนเข้าซ่อมบำรุงโดยไม่ต้องหยุดปั๊มตัวอื่น ต้องเปิด-ปิดช้าเสมอเพื่อป้องกัน water hammer
6. Suction bay — บ่อน้ำด้านล่างที่ปั๊มแต่ละตัวจุ่มดูดน้ำเข้า เชื่อมต่อมาจาก cold water basin ของหอเย็นหรือแหล่งน้ำโดยตรง
7. Pump house — อาคารครอบปั๊มทั้งชุด มีเครนยกของสีเหลืองด้านบนสำหรับยกมอเตอร์หรือชิ้นส่วนปั๊มขึ้นลงระหว่างซ่อมบำรุงใหญ่

1. Spray Wash System — แนวหัวฉีดน้ำแรงดันด้านบนที่ฉีดล้างเศษขยะออกจากตะแกรงขณะหมุนผ่าน ทำงานต่อเนื่องอัตโนมัติไม่ต้องหยุดตะแกรงเพื่อล้าง
2. Traveling Water Screen (Rotating Mesh Panels) — แผงตาข่ายโค้งที่หมุนวนต่อเนื่องรอบแกนกลาง ดักเศษวัสดุขนาดเล็กที่หลุดผ่าน trash rack มาได้ ก่อนน้ำจะไหลต่อไปยังทางดูดของ CW pump
3. Flow — ทิศทางการไหลของน้ำจากคลอง intake เข้าสู่ตะแกรง แสดงด้วยลูกศรในภาพ
4. Intake Channel — คลองน้ำคอนกรีตที่นำน้ำจากแหล่งน้ำเข้าสู่บริเวณตะแกรงก่อนถึง CW pump
5. Drive Motor and Gearbox — ชุดมอเตอร์และเกียร์ทดรอบด้านข้างที่ขับให้แผงตาข่ายหมุนวนต่อเนื่องด้วยความเร็วต่ำ
6. Debris Trough — รางรับเศษขยะที่ถูกสะบัดหรือฉีดหลุดออกจากตาข่ายขณะหมุนขึ้นสู่จุดสูงสุด แล้วลำเลียงไปกำจัดต่อไป

22.6 Makeup, Blowdown และ Cycles of Concentration (Water Balance)

เมื่อน้ำในหอเย็นระเหยออกไปเรื่อยๆ แร่ธาตุและสารละลายต่างๆ ที่ปนอยู่ในน้ำจะไม่ระเหยตามไปด้วย เพราะการระเหยพาไปเฉพาะโมเลกุลน้ำบริสุทธิ์ ผลคือความเข้มข้นของแร่ธาตุในน้ำหมุนเวียนจะค่อยๆ สะสมสูงขึ้นเรื่อยๆ หากปล่อยไว้โดยไม่ระบายทิ้ง ในที่สุดจะเกิด scale (คราบตะกรัน) เกาะภายใน tube ของ condenser และเร่งการกัดกร่อนให้รุนแรงขึ้น

ตัวเลขที่ใช้วัดระดับความเข้มข้นนี้เรียกว่า cycles of concentration (COC — Cycles of Concentration, จำนวนรอบความเข้มข้น มักเขียนแทนด้วยตัวแปร N) ซึ่งนิยามเป็นอัตราส่วนระหว่างความเข้มข้นของสารละลายในน้ำหมุนเวียนต่อความเข้มข้นในน้ำ makeup ในทางปฏิบัติวัดค่านี้ได้ง่ายๆ จากอัตราส่วนค่า conductivity (การนำไฟฟ้า) หรือปริมาณ Cl⁻ (คลอไรด์ไอออน) หรือ silica (ซิลิกา) ระหว่างน้ำสองจุดนี้ ค่า COC ที่ใช้งานจริงทั่วไปอยู่ที่ราว 3–7 ขึ้นอยู่กับคุณภาพน้ำ makeup ตั้งต้นและโปรแกรมเคมีน้ำที่ใช้ (รายละเอียดเรื่องเคมีน้ำจะกล่าวถึงในบทที่ 28)

น้ำที่ระเหยออกจากหอเย็นเรียกว่า evaporation (E) ซึ่งประมาณค่าได้จาก heat balance โดยหลักการคร่าวๆ คือถ้าความร้อนทั้งหมดถ่ายออกทางกลไก latent 100% น้ำจะระเหยประมาณ 0.173% ของอัตราไหลหมุนเวียนต่อทุกๆ 1°C ของ range หรือคิดง่ายๆ ว่าราว 1% ต่อทุก 5.8°C ของ range ในทางปฏิบัติต้องคูณด้วยแฟกเตอร์ราว 0.75–0.9 เพราะความร้อนบางส่วนถ่ายทางกลไก sensible ไม่ใช่ latent ทั้งหมด

เพื่อรักษาระดับ COC ให้คงที่ ต้องมีการระบายน้ำทิ้งบางส่วนออกจากระบบอย่างต่อเนื่อง เรียกว่า blowdown (B) ยิ่งยอมให้ COC สูงขึ้นเท่าไร ปริมาณ blowdown ที่ต้องระบายก็ยิ่งลดลง แต่ผลตอบแทนนี้ลดลงแบบ diminishing returns คือเมื่อ COC สูงเกินราว 6–7 การเพิ่ม COC ต่อไปแทบไม่ช่วยประหยัดน้ำเพิ่มขึ้นอีกแล้ว ในขณะที่ความเสี่ยงเรื่อง scale และการกัดกร่อนกลับเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ ส่วนน้ำที่ต้องเติมเข้าระบบทั้งหมดเรียกว่า makeup (M) ซึ่งเท่ากับผลรวมของน้ำที่หายไปทั้งหมด คือ evaporation บวก blowdown บวก drift (D) แต่เพราะ drift มีปริมาณน้อยมากเมื่อเทียบกับสองตัวแรก ในการคำนวณอย่างหยาบจึงมักเหมารวม drift ไว้ในค่า blowdown ไปเลย

โดย \(N\) คือ cycles of concentration (ไม่มีหน่วย), \(C\) คือความเข้มข้นของสารละลาย (ppm หรือ µS/cm), \(M\) คือ makeup (m³/h) และ \(B\) คือ blowdown รวม drift (m³/h)

โดย \(E\) คืออัตราน้ำระเหย (m³/h), \(B\) คือ blowdown รวม drift (m³/h) และ \(M\) คือ makeup (m³/h)

โดย \(f\) คือสัดส่วนความร้อนที่ถ่ายทาง latent (~0.75–0.9), \(\dot{m}_{cw}\) คืออัตราไหลน้ำหมุนเวียน (kg/s), \(c_p\) = 4.19 kJ/kg·°C, \(R\) คือ range (°C) และ \(h_{fg}\) คือ latent heat ~2,420 kJ/kg

22.7 Air-Cooled Condenser เบื้องต้น (ACC Basics)

ในพื้นที่ที่ขาดแคลนน้ำอย่างแท้จริง โรงไฟฟ้าบางแห่งเลือกใช้ air-cooled condenser (ACC) ซึ่งเป็น condenser แบบแห้งล้วนๆ ไม่ใช้น้ำหล่อเย็นเลยแม้แต่หยดเดียวและไม่ต้องมี cooling tower ด้วย หลักการทำงานคือไอน้ำ exhaust ที่ออกจากกังหันจะวิ่งผ่านมัดท่อครีบ (finned tube) จำนวนมากที่จัดเรียงเป็นโครงรูปตัว A (A-frame) พัดลมขนาดใหญ่ด้านล่างจะเป่าอากาศผ่านครีบเหล่านี้เพื่อควบแน่นไอน้ำโดยตรงด้วยอากาศ แทนที่จะใช้น้ำเป็นตัวกลางรับความร้อนแบบระบบทั่วไป

ขีดจำกัดของ ACC คืออุณหภูมิ dry-bulb ของอากาศ ซึ่งสูงกว่า wet-bulb เสมอ และค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนฝั่งอากาศก็ต่ำกว่าฝั่งน้ำมาก การออกแบบจึงต้องใช้ ITD (Initial Temperature Difference — ผลต่างอุณหภูมิเริ่มต้น ระหว่าง Tsat กับ dry-bulb temperature) ที่สูงถึงราว 25–40°C ผลคือ back pressure ของระบบ ACC สูงกว่าระบบน้ำมากอย่างชัดเจน อยู่ที่ราว 0.15–0.30 bar abs เทียบกับ 0.08–0.10 bar abs ของระบบหอเย็นเปียกทั่วไป ทำให้ output และ heat rate ของโรงไฟฟ้าที่ใช้ ACC แย่กว่าระบบน้ำอย่างเห็นได้ชัด โดยเฉพาะช่วงบ่ายของฤดูร้อนที่อุณหภูมิอากาศสูงสุดในรอบวัน

เพราะต้องพึ่งพัดลมเพียงอย่างเดียวในการระบายความร้อนทั้งหมด ACC จึงมีพัดลมขนาดใหญ่จำนวนหลายสิบตัวติดตั้งอยู่ใต้โครง A-frame รวมกำลังไฟฟ้าที่ใช้ราว 1–2% ของกำลังผลิตทั้งเครื่อง มากกว่าพัดลมของหอเย็นเปียกทั่วไปมาก และยังไวต่อสภาพลมภายนอกเป็นพิเศษ ทั้งลมกรรโชกแรงที่รบกวนการไหลของอากาศผ่านครีบ และลมร้อนที่หมุนเวียนกลับเข้าไปในระบบ (recirculation) ซึ่งยิ่งลดสมรรถนะลงไปอีก

ท่อ exhaust duct ที่นำไอน้ำจากกังหันไปยัง ACC ต้องมีขนาดใหญ่มาก เส้นผ่านศูนย์กลางอาจถึง 5–7 เมตร เพราะไอน้ำที่ความดันต่ำมากมีปริมาตรจำเพาะสูงกว่าไอน้ำความดันสูงมาก ด้วยเหตุนี้ ACC จึงมักตั้งอยู่ใกล้กับ turbine hall ให้มากที่สุดเท่าที่จะทำได้ เพื่อลดความยาวท่อ exhaust ที่มีราคาแพงและมี pressure drop สูง ด้วยข้อจำกัดทั้งหมดนี้ ACC จึงถูกเลือกใช้เฉพาะเมื่อไม่มีทางเลือกอื่นจริงๆ เช่น โรงไฟฟ้าในพื้นที่ทะเลทรายที่ไม่มีแหล่งน้ำเลย โรงไฟฟ้าชีวมวลหรือขยะบางแห่งที่ตั้งในพื้นที่ห่างไกลแหล่งน้ำ หรือพื้นที่ที่ค่าน้ำและใบอนุญาตใช้น้ำแพงเสียจนคุ้มกว่าการยอมรับ penalty ด้านประสิทธิภาพที่เกิดจาก ACC

1. Air-cooled condenser (A-frame finned tube bundles) — โครงสร้างหลักของ ACC ทั้งแถว จัดเรียงเป็นรูปตัว A ต่อเนื่องกันหลายหน่วย แต่ละหน่วยรับไอน้ำจาก header ด้านบนแล้วให้ไหลลงผ่านมัดท่อครีบทั้งสองด้านของ A-frame
2. Top header (steam inlet) — ท่อรับไอน้ำที่ยอดของแต่ละ A-frame กระจายไอน้ำลงสู่มัดท่อครีบทั้งสองฝั่งของหน่วยนั้น
3. Finned tubes — ท่อที่มีครีบเพิ่มพื้นที่ผิวรอบนอกจำนวนมาก เพื่อชดเชยค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนฝั่งอากาศที่ต่ำกว่าฝั่งน้ำมาก เห็นเป็นลายเส้นถี่ตลอดผิวลาดของ A-frame
4. Access walkways and railings — ทางเดินพร้อมราวกันตกตามแนวสันบนของโครง A-frame ทั้งแถว ใช้เข้าตรวจสอบและบำรุงรักษา header และ finned tube ด้านบน
5. Axial fans — พัดลมแนวแกนขนาดใหญ่ติดตั้งอยู่ใต้โครง A-frame แต่ละหน่วย เป่าอากาศขึ้นผ่านมัดท่อครีบเพื่อควบแน่นไอน้ำโดยตรงด้วยอากาศ
6. Steel support structure — โครงเสาเหล็กที่ยกโครง A-frame ทั้งแถวขึ้นจากพื้น เว้นพื้นที่ด้านล่างให้พัดลมและอากาศไหลเข้าได้อย่างอิสระ
7. Steam duct (from turbine) — ท่อไอน้ำขนาดใหญ่ที่ลำเลียงไอ exhaust จาก turbine hall มายัง ACC เห็นเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่มากเพราะไอความดันต่ำมีปริมาตรจำเพาะสูง
8. Concrete foundations — ฐานรากคอนกรีตรองรับน้ำหนักเสาเหล็กแต่ละต้นของโครงสร้าง ACC ทั้งระบบ

สรุปท้ายบท

ศัพท์เทคนิคในบทนี้

แบบทดสอบท้ายบท