บทที่ 25 — กังหันก๊าซ

25.1 หลักการและ Layout ของ Gas Turbine (GT Principles & Layout)

กังหันก๊าซทำงานตามวัฏจักร Brayton ที่เรียนไว้ในบทที่ 14 นั่นคืออัดอากาศให้ความดันสูงขึ้น เผาไหม้เชื้อเพลิงที่ความดันคงที่เพื่อเพิ่มอุณหภูมิ แล้วขยายตัวผ่านกังหันเพื่อผลิตงาน ข้อแตกต่างสำคัญจากกังหันไอน้ำคือ GT เป็นเครื่อง internal combustion แบบการไหลต่อเนื่อง กล่าวคือของไหลทำงาน (อากาศและก๊าซร้อน) ไหลผ่านเครื่องเพียงครั้งเดียวแล้วปล่อยออกสู่บรรยากาศหรือเข้า HRSG ไม่ได้หมุนเวียนกลับเป็นวัฏจักรปิดเหมือนไอน้ำ เครื่อง heavy-duty single-shaft ที่ใช้ผลิตไฟฟ้าความถี่ 50 Hz จะหมุนด้วยความเร็วคงที่ 3,000 รอบต่อนาทีและต่อตรงกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าโดยไม่ผ่านเกียร์ทดรอบ ยกเว้นเครื่องขนาดเล็กบางรุ่นที่อาจใช้ gearbox ช่วย

Layout ของเครื่องเรียงตามแนวแกนจากซ้ายไปขวา เริ่มจาก air inlet ที่อากาศไหลเข้า ผ่าน axial compressor ซึ่งมีจำนวน stage มากถึง 14–22 stage อัดความดันขึ้นเรื่อยๆ จากนั้นเข้าสู่ระบบเผาไหม้ (combustion system) แล้วไหลผ่าน turbine section ซึ่งมี 3–4 stage ที่ดึงงานออกจากก๊าซร้อน ก่อนไหลออกทาง exhaust diffuser ไปยัง HRSG ในกรณี combined cycle หรือ bypass stack ในกรณี simple cycle ข้อเท็จจริงที่น่าสนใจคือ compressor เองใช้งานจาก turbine ไปมากถึง 50–60% ของงานที่ turbine ผลิตได้ทั้งหมด เหลือเป็น net output ให้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเพียงราว 40–50% ของงานที่ turbine ผลิต เครื่องระดับ F-class มีกำลังผลิตราว 230–300 MW ในขณะที่เครื่องรุ่นใหม่ระดับ H/J/HA-class ผลิตได้สูงถึง 350–590 MW โดยมีอัตราการไหลอากาศราว 600–1,000 kg/s และ pressure ratio 15–24 สำหรับเครื่อง heavy-duty หรือสูงถึง 30–42 สำหรับเครื่อง aeroderivative ที่พัฒนามาจากเครื่องยนต์อากาศยาน

ประสิทธิภาพของ GT แบบ simple cycle (ไม่มี HRSG ต่อพ่วง) อยู่ที่ราว 35–43% โดยคิดจาก LHV ของเชื้อเพลิง และอุณหภูมิไอเสียที่ปล่อยออกมาอยู่ที่ราว 550–650°C ซึ่งยังมีพลังงานเหลืออยู่มากพอที่จะนำไปผลิตไอน้ำต่อใน HRSG ตามที่เรียนไว้ในบทที่ 15 และจะเรียนรายละเอียดของ HRSG เองในบทที่ 26 ความสัมพันธ์ทางทฤษฎีระหว่างประสิทธิภาพกับ pressure ratio อธิบายได้ด้วยสมการ Brayton cycle อุดมคติ ซึ่งแสดงให้เห็นว่า pressure ratio ที่สูงขึ้นให้ประสิทธิภาพทางทฤษฎีที่สูงขึ้นตามไปด้วย แม้ในทางปฏิบัติจะมี loss หลายจุดที่ทำให้ประสิทธิภาพจริงต่ำกว่าค่าทางทฤษฎีอยู่มาก

โดย \(r_p\) = pressure ratio (ไม่มีหน่วย), \(\gamma\) = อัตราส่วนความร้อนจำเพาะของอากาศ ≈ 1.4 (ไม่มีหน่วย)

โดย \(\dot{m}\) = อัตราการไหลของอากาศ (kg/s), \(c_p\) = ความร้อนจำเพาะ (kJ/kg·K), \(T_1..T_4\) = อุณหภูมิที่จุดต่างๆ ของวัฏจักร (K)

1. Heat recovery steam generator (HRSG) — อุปกรณ์ที่รับความร้อนทิ้งจากไอเสีย GT ไปผลิตไอน้ำต่อ ตั้งอยู่ต่อเนื่องกับ exhaust diffuser ตามที่เรียนรายละเอียดในบทที่ 26
2. Exhaust diffuser — ท่อขนาดใหญ่ที่ก๊าซร้อนไหลออกจาก turbine section ก่อนเข้า HRSG ทำหน้าที่ลดความเร็วก๊าซและกู้คืนความดันบางส่วน
3. Turbine casing — เปลือกหุ้มด้านนอกของ turbine section หุ้มด้วยฉนวนกันความร้อนสีเงินเห็นได้ชัด
4. Generator — เครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ต่อตรงกับเพลา GT ทางด้าน cold end
5. Combustion system — จุดที่ท่อเชื้อเพลิงและอุปกรณ์เผาไหม้เชื่อมต่อกับตัวเครื่อง มองเห็นเป็นกลุ่มท่อและวาล์วด้านบน
6. Air intake — ทางเข้าอากาศของเครื่อง ต่อเนื่องมาจาก filter house ที่จะเรียนในหัวข้อ 25.5
7. Access platform — ทางเดินโลหะรอบตัวเครื่องสำหรับเข้าถึงจุดตรวจสอบและบำรุงรักษา
8. Lube oil system — ระบบน้ำมันหล่อลื่นสำหรับ bearing ของเพลา GT และ generator
9. Base frame / Skid — ฐานเหล็กร่วมที่รองรับน้ำหนักตัวเครื่องทั้งชุด

1. Inlet Bellmouth — ปากทางเข้าอากาศทรงโค้งมนที่ลดความสูญเสียจากการไหลก่อนถึง IGV
2. Inlet Guide Vanes — แผงใบกำหนดทิศทางอากาศชุดแรกที่ปรับมุมได้ ควบคุมปริมาณและทิศทางอากาศเข้า compressor
3. Multi-Stage Axial Compressor (High Pressure Section) — กลุ่มใบพัดหมุนสลับกับใบพัดอยู่กับที่หลายสิบแถว อัดความดันอากาศขึ้นทีละขั้น
4. Compressor Discharge Case — จุดที่อากาศความดันสูงออกจาก compressor ก่อนเข้าสู่ระบบเผาไหม้
5. Can-Annular Combustion Chambers — ห้องเผาไหม้ทรงกระบอกหลายห้องเรียงรอบแนวแกน เห็นเปลวไฟสีส้มส้มภายใน
6. Combustor Support Structure — โครงสร้างรองรับห้องเผาไหม้ให้อยู่ในตำแหน่งที่ถูกต้องรอบแนวแกนเครื่อง
7. Four-Stage Turbine (High, Intermediate, Low Pressure Stages) — ใบพัด turbine 4 แถวที่ดึงงานออกจากก๊าซร้อนตามลำดับความดันที่ลดลง
8. 1st Stage / 2nd Stage / 3rd Stage / 4th Stage — ใบพัด turbine แต่ละแถวเรียงจากรับก๊าซร้อนที่สุด (stage 1) ไปจนถึงเย็นลงที่สุด (stage 4)
9. Turbine Case — เปลือกหุ้มด้านนอกของ turbine section
10. Accessory Drive — ระบบเฟืองขับอุปกรณ์เสริม เช่นปั๊มน้ำมันหล่อลื่น ที่ดึงกำลังจากเพลาหลัก
11. Exhaust Diffuser — ท่อขยายที่ก๊าซไหลออกจาก turbine stage สุดท้าย

25.2 Axial Compressor — Surge, Stall, IGV และ Bleed Valve (Axial Compressor)

Compressor แบบ axial ของ GT มีจำนวน stage มากถึง 14–22 stage แต่ละ stage ประกอบด้วยใบพัดหมุน (rotor) ตามด้วยใบพัดอยู่กับที่ (stator) หนึ่งคู่ ซึ่งเพิ่มความดันได้เพียงราว 1.15–1.3 เท่าต่อ stage เท่านั้น จึงต้องอาศัยจำนวน stage มากเพื่อให้ได้ pressure ratio โดยรวมสูงตามที่ต้องการ อากาศที่ออกจาก compressor discharge มีอุณหภูมิสูงถึงราว 380–450°C จากการอัดตัวล้วนๆ ยังไม่ผ่านการเผาไหม้แต่อย่างใด ที่ทางเข้าของ compressor มีแผง IGV (Inlet Guide Vanes — ใบกำหนดทิศทางอากาศเข้า) ซึ่งปรับมุมได้ในช่วงราว 30–85 องศา ทำหน้าที่สำคัญสองอย่าง คือหนึ่งป้องกัน stall ในช่วงความเร็วรอบต่ำ และสองควบคุมอัตราการไหลอากาศในช่วง part load เพื่อรักษาอุณหภูมิไอเสียให้สูงไว้ ซึ่งส่งผลดีต่อประสิทธิภาพของ HRSG ใน combined cycle ตามที่เรียนไว้ในบทที่ 15

ปรากฏการณ์ที่วิศวกรต้องเข้าใจและป้องกันให้ได้คือ rotating stall และ surge Rotating stall คือการไหลแยกตัว (flow separation) ที่เกิดขึ้นเฉพาะกลุ่มใบพัดบางกลุ่ม แล้วหมุนวนรอบ annulus ด้วยความเร็วราว 20–70% ของความเร็วโรเตอร์ ทำให้เกิดแรงสั่นสะเทือนที่ใบพัดสะสมจนล้าตัว (fatigue) ได้ ส่วน surge คือการไหลย้อนกลับทั้งเครื่องเป็นจังหวะ เกิดขึ้นเมื่อจุดทำงานข้ามเส้น surge line บน compressor map ไป มีอาการเป็นเสียงระเบิดดัง แรงตามแนวแกน (axial thrust) กระชากรุนแรง และสามารถทำให้ใบพัดเสียหายได้ทันที ด้วยความเสี่ยงนี้ วิศวกรจึงออกแบบให้มี surge margin เผื่อไว้ราว 15–25% เหนือ operating line เสมอ โดยช่วงที่เสี่ยง surge มากที่สุดคือช่วง start-up และ shutdown ที่ความเร็วรอบต่ำ ซึ่งเป็นช่วงที่ compressor ทำงานใกล้เส้น surge line มากที่สุด

นอกจาก IGV แล้ว ยังมี bleed valve ติดตั้งอยู่ราว 2–3 ชุดที่ stage กลางๆ ของ compressor เช่นที่ stage 9 หรือ stage 13 ทำหน้าที่เปิดระบายอากาศทิ้งในช่วง start-up และ shutdown เพื่อลดภาระของ stage ท้ายๆ และป้องกัน stall แล้วจะปิดเมื่อความเร็วรอบใกล้ถึง synchronous speed นอกจากการระบายทิ้งแล้ว อากาศที่ดึงออกมาจาก compressor (extraction) บางส่วนยังถูกนำไปใช้เป็น cooling air สำหรับใบพัด turbine และเป็น sealing air ป้องกันก๊าซร้อนรั่วเข้าไปในจุดที่ไม่ต้องการ ซึ่งจะเรียนรายละเอียดในหัวข้อ 25.4

25.3 ระบบเผาไหม้ — Diffusion vs DLN (Combustion System)

ระบบเผาไหม้ของ GT มีรูปแบบหลักสามแบบ คือ can-annular ซึ่งมีห้องเผาไหม้ทรงกระบอกแยกกัน 10–16 อันเรียงรอบแนวแกน (พบมากในเครื่องของ GE) แบบ annular ซึ่งเป็นห้องเผาไหม้วงแหวนต่อเนื่องรอบแนวแกน และแบบ silo ซึ่งเป็นห้องเผาไหม้ขนาดใหญ่ตั้งแยกออกไปจากตัวเครื่อง (พบในรุ่นเก่าของ Siemens) ไม่ว่าจะเป็นแบบใด อุณหภูมิเปลวไฟในโซนเผาไหม้เองสูงถึงราว 1,900–2,000°C ก่อนจะถูกผสมเจือจางด้วยอากาศส่วนที่เหลือให้อุณหภูมิลดลงมาอยู่ในระดับที่ turbine ทนได้

รูปแบบการเผาไหม้แบบดั้งเดิมเรียกว่า diffusion flame ซึ่งเชื้อเพลิงกับอากาศผสมกันขณะกำลังเผาไหม้พร้อมกัน วิธีนี้ให้เปลวไฟที่เสถียรมาก แต่ปัญหาคืออุณหภูมิเปลวไฟสูงเฉพาะจุดตรงบริเวณที่เชื้อเพลิงกับอากาศผสมกันพอดี (stoichiometric) ทำให้เกิด thermal NOx (ออกไซด์ของไนโตรเจนจากอุณหภูมิสูง) ในปริมาณมากถึง 150–200 ppm ขึ้นไป จำเป็นต้องฉีดน้ำหรือไอน้ำเข้าไปช่วยลดอุณหภูมิเปลวไฟ (wet NOx control) เพื่อกดให้ NOx เหลือราว 25–42 ppm เทคโนโลยีที่พัฒนาขึ้นมาแก้ปัญหานี้โดยเฉพาะเรียกว่า DLN หรือ DLE (Dry Low NOx / Dry Low Emissions — ระบบเผาไหม้ปล่อยมลพิษต่ำแบบไม่ใช้น้ำ) ซึ่งผสมเชื้อเพลิงกับอากาศแบบ lean premix ก่อนจุดไฟ ด้วยอัตราส่วนสมมูล (equivalence ratio) ราว 0.45–0.55 ทำให้อุณหภูมิเปลวไฟต่ำลงและสม่ำเสมอกว่ามาก ลด NOx เหลือเพียง 9–25 ppm โดยไม่ต้องฉีดน้ำเลย

DLN ทำงานเป็น staged combustion หลายโหมด กล่าวคือช่วง start-up จะใช้โหมด diffusion pilot ก่อนเพื่อความเสถียร แล้วจึงเปลี่ยนเป็นโหมด premix เมื่อโหลดสูงขึ้น ช่วงเปลี่ยนโหมด (mode transfer) นี้เป็นช่วงที่วิกฤติที่สุดของ combustion dynamics หรือที่เรียกกันว่า "humming" ซึ่งคือการสั่นของความดันที่เกิดจากการ coupling กันระหว่างการปลดปล่อยความร้อนกับคุณสมบัติทางเสียง (acoustics) ของตัว combustor เอง มีความถี่อยู่ในช่วงราว 50–350 Hz จำเป็นต้อง monitor ด้วย dynamic pressure sensor ตลอดเวลา เพราะหาก amplitude เกินขีดจำกัดจะทำให้ liner หรือ transition piece แตกร้าวได้ ปัญหาอีกอย่างที่ระบบควบคุมต้องรับมือคือ lean blowout หรือ LBO ซึ่งคือเปลวไฟแบบ premix ดับลงเมื่อผสมแบบ lean เกินไป ทำให้ต้องรักษาสัดส่วนเชื้อเพลิงระหว่าง fuel manifold หลายชุด (เช่น PM1/PM2/PM3 ของระบบ DLN2.6 ของ GE) ให้อยู่ในหน้าต่างแคบๆ ระหว่างค่า NOx ที่สูงเกินไปกับความเสี่ยง flame out หลักการทางเคมีที่อยู่เบื้องหลังทั้งหมดนี้คือ thermal NOx ขึ้นกับอุณหภูมิเปลวไฟแบบ exponential ตามกลไก Zeldovich การลดอุณหภูมิเปลวไฟลงเพียง 100°C จึงลด NOx ได้หลายเท่าตัว

1. Combustion liner front flange — หน้าแปลนด้านหน้าของ liner ที่ยึดเข้ากับโครงสร้างรองรับห้องเผาไหม้
2. Combustion liner (outer shell) — เปลือกนอกทรงกระบอกของห้องเผาไหม้ ที่ต้องทนความร้อนสูงตลอดอายุการใช้งาน
3. Fuel nozzle assembly — ชุดหัวฉีดเชื้อเพลิงที่ยื่นเข้าไปในห้องเผาไหม้ผ่านทางเข้าตรงกลาง
4. Swirler (air inlet passage) — ช่องอากาศที่ทำให้อากาศหมุนวนก่อนผสมกับเชื้อเพลิง ช่วยให้เปลวไฟเสถียรและผสมได้ทั่วถึง
5. Fuel nozzle tip — ปลายหัวฉีดที่เชื้อเพลิงพ่นออกมาผสมกับอากาศจาก swirler
6. Liner dome (inner liner) — ผนังด้านในที่ห่อหุ้มเปลวไฟโดยตรง สัมผัสความร้อนรุนแรงที่สุด
7. Cooling holes (film cooling) — รูเล็กจำนวนมากทั่วผิว liner ที่พ่นอากาศเย็นคลุมผิวด้านในเป็นฟิล์มกันความร้อน หลักการเดียวกับที่ใช้ในใบพัด turbine ตามหัวข้อ 25.4
8. Combustion liner rear flange — หน้าแปลนด้านหลังที่เชื่อมต่อ liner เข้ากับ transition piece ไปยัง turbine stage แรก

25.4 Turbine Section และ Blade Cooling (Turbine Section & Blade Cooling)

Turbine section ของ GT มี 3–4 stage โดย stage แรกซึ่งอยู่ติดกับ combustor รับก๊าซร้อนที่อุณหภูมิสูงที่สุดในเครื่อง เรียกอุณหภูมินี้ว่า firing temperature หรืออุณหภูมิที่ทางเข้าโรเตอร์ ซึ่งในเครื่องระดับ F-class อยู่ที่ราว 1,400°C ในขณะที่เครื่องระดับ H/J/HA รุ่นใหม่สูงถึง 1,500–1,600°C ปัญหาคือโลหะ superalloy ฐานนิกเกิลที่ใช้ทำใบพัด เช่นเกรด GTD-111 หรือ CMSX-4 แบบ single crystal ทนความร้อนที่ผิวโลหะได้เพียงราว 850–950°C เท่านั้น ซึ่งต่ำกว่าอุณหภูมิก๊าซที่สัมผัสอยู่ถึง 500–600°C จึงจำเป็นต้องมีระบบระบายความร้อนใบพัดที่ซับซ้อนมาก เพื่อให้ใบพัดอยู่รอดได้ในสภาวะที่รุนแรงเช่นนี้

วิธีระบายความร้อนหลักมีสองแบบทำงานร่วมกัน แบบแรกคือ internal cooling ซึ่งอากาศที่ดึงมาจาก compressor ไหลผ่านช่องทางภายในใบพัดที่ออกแบบเป็นทางคดเคี้ยว (serpentine passage) พร้อม turbulator ช่วยเพิ่มการถ่ายเทความร้อน ก่อนไหลออกทาง trailing edge ของใบพัด แบบที่สองคือ film cooling ซึ่งอาศัยรูเล็กจำนวนหลายร้อยรูขนาดเพียง 0.3–1 มิลลิเมตรบนผิวใบพัด พ่นอากาศเย็นออกมาคลุมผิวใบพัดเป็นฟิล์มบางๆ กันไม่ให้ก๊าซร้อนสัมผัสผิวโลหะโดยตรง รวมแล้วอากาศที่ใช้เพื่อการระบายความร้อนและ sealing ทั้งหมดคิดเป็นสัดส่วนสูงถึง 15–25% ของอัตราการไหลอากาศทั้งหมดที่ผ่าน compressor นอกจากนี้ยังมี TBC (Thermal Barrier Coating — สารเคลือบกันความร้อน) ซึ่งเป็นเซรามิก yttria-stabilized zirconia หนาเพียง 0.25–0.5 มิลลิเมตร เคลือบอยู่บน bond coat โลหะผสม MCrAlY ช่วยลดอุณหภูมิที่ผิวโลหะจริงลงไปได้อีกราว 100–170°C

ใบพัด stage แรกของเครื่องบางรุ่นผลิตด้วยกรรมวิธี single-crystal casting ซึ่งไม่มีขอบเกรน (grain boundary) เลยตลอดทั้งชิ้น ทำให้ทนต่อการคืบตัว (creep) ได้ดีที่สุดในบรรดาวิธีการผลิตทั้งหมด ในขณะที่ใบพัด stage ท้ายๆ ซึ่งเผชิญอุณหภูมิต่ำกว่ามักผลิตด้วยวิธี directionally solidified หรือแบบ equiaxed ที่ต้นทุนต่ำกว่า การตรวจสอบสภาพ hot gas path ทำตามจำนวนชั่วโมงใช้งานเทียบเท่า (EOH — Equivalent Operating Hours) และจำนวนครั้ง start โดยทั่วไป combustion inspection ทำทุกราว 8,000–12,000 EOH, hot gas path inspection ทุกราว 24,000 EOH และ major inspection ทุกราว 48,000 EOH แม้ค่าจริงจะขึ้นกับผู้ผลิตและลักษณะการใช้งานของแต่ละเครื่อง

1. Film cooling holes — Coolant exits through holes on the airfoil surface to form a protective film — รูเล็กที่ปลายและผิวด้านบนของใบพัดที่อากาศเย็นพ่นออกมาสร้างฟิล์มป้องกันก๊าซร้อน
2. Leading edge — Stagnation point endures highest heat load — ขอบด้านหน้าของใบพัดที่ก๊าซร้อนปะทะโดยตรงเป็นจุดแรก รับภาระความร้อนสูงที่สุด
3. Trailing edge — Low pressure side of the airfoil — ขอบด้านหลังของใบพัดฝั่งความดันต่ำ
4. Trailing edge cooling slots — Coolant exits through slots to reduce heat load and improve efficiency — ช่องเปิดที่ขอบท้ายใบพัดที่อากาศเย็นซึ่งไหลผ่าน serpentine passage มาแล้วระบายออก
5. Serpentine cooling passages — Coolant flows through internal passages in a serpentine path to maximize heat transfer — ช่องทางคดเคี้ยวภายในใบพัดที่บังคับให้อากาศเย็นไหลผ่านพื้นที่มากที่สุดก่อนออก
6. Internal cooling passage connections — Link between serpentine passages and trailing edge slots — จุดเชื่อมต่อระหว่างช่องคดเคี้ยวภายในกับช่องระบายที่ขอบท้าย
7. Platform — Supports the airfoil and provides sealing surface with the rotor disk — ฐานรองรับใบพัดที่เชื่อมกับแผ่นดิสก์โรเตอร์ ทำหน้าที่กันก๊าซร้อนรั่วเข้าไปในโพรงใต้ใบพัด
8. Dovetail root — Attaches to the rotor disk via a dovetail slot — โคนใบพัดรูปหางนกที่สอดยึดเข้ากับร่องบนแผ่นดิสก์โรเตอร์ รับแรงเหวี่ยงมหาศาลจากการหมุน
9. Nickel superalloy airfoil — High temperature material provides strength and oxidation resistance — เนื้อใบพัดที่ทำจากโลหะผสมฐานนิกเกิลทนความร้อนสูงและทนการเกิดออกไซด์

1. Dovetail root (attachment to disk) — โคนใบพัดรูปหางนกที่สอดยึดกับแผ่นดิสก์โรเตอร์
2. Platform — ฐานรองรับใบพัดที่กันก๊าซร้อนรั่วเข้าโพรงใต้ใบพัด
3. Leading edge — ขอบด้านหน้าที่รับภาระความร้อนสูงสุดจากก๊าซร้อนที่ปะทะโดยตรง
4. Airfoil surface — พื้นผิวหลักของใบพัดที่สัมผัสกับกระแสก๊าซร้อน
5. Film cooling holes (hot gas path) — แถวรูเล็กที่พ่นอากาศเย็นคลุมผิวใบพัดตลอดเส้นทางที่สัมผัสก๊าซร้อน
6. Thermal barrier coating (wear and oxidation) — ผิวเคลือบเซรามิก TBC ที่เห็นร่องรอยการสึกหรอและออกซิเดชันหลังผ่านการใช้งานจริง
7. Tip region — ปลายสุดของใบพัดที่ใกล้กับ casing มากที่สุด ช่องว่าง (clearance) ตรงนี้ที่โตขึ้นตามการใช้งานคือหนึ่งในสาเหตุหลักของ non-recoverable degradation ที่จะเรียนในหัวข้อ 25.8

25.5 ระบบอากาศเข้า (Inlet Air System)

อากาศที่จะเข้าสู่ compressor ต้องผ่าน filter house หลายชั้นก่อนเสมอ เริ่มจาก weather hood หรือ louver พร้อม coalescer ที่กันฝนและละอองน้ำขนาดใหญ่ ตามด้วย pre-filter เกรด G4–F7 และ fine filter หรือ EPA filter เกรด F9–E12 ที่กรองอนุภาคละเอียดออก เหตุผลที่ต้องกรองอย่างเข้มงวดขนาดนี้เพราะ GT กลืนอากาศในปริมาณมหาศาล เครื่องระดับ F-class ดูดอากาศเข้าราว 650 kg/s หรือเทียบเท่าเกือบ 2 ล้านลูกบาศก์เมตรต่อชั่วโมง แม้ฝุ่นจะมีสัดส่วนเพียงระดับ ppm ในอากาศ แต่เมื่อสะสมตลอดทั้งปีก็กลายเป็นน้ำหนักหลายตันได้ ฝุ่นและละอองเกลือที่เล็ดลอดเข้าไปทำให้เกิด compressor fouling หรือคราบเกาะที่ใบพัด ซึ่งลดกำลังผลิตลงราว 2–5% ส่วนอนุภาคแข็งที่มีขนาดใหญ่กว่าจะทำให้เกิด erosion บนใบพัด และเกลือรวมกับกำมะถันในอากาศยังทำให้เกิด hot corrosion ที่ใบพัด turbine ได้อีกด้วย

เมื่อไส้กรองสะสมความสกปรกมากขึ้น ผลต่างความดัน (ΔP) คร่อมไส้กรองจะเพิ่มขึ้นตามไปด้วย เป็นภาระเพิ่มให้ compressor ต้องดูดอากาศแรงขึ้น กฎง่ายๆ ที่จำง่ายคือทุก 1 มิลลิบาร์ (100 Pa) ของ inlet ΔP ที่เพิ่มขึ้น จะลดกำลังผลิตลงราว 0.1–0.2% ผู้ดูแลระบบจึงต้อง monitor ค่า ΔP นี้อย่างสม่ำเสมอและเปลี่ยนไส้กรองตามกำหนดเวลา อีกปัญหาหนึ่งที่ต้องระวังคือการเกิดน้ำแข็งที่ IGV ในสภาพอากาศเย็นและชื้นจัด โดยทั่วไปเมื่ออุณหภูมิต่ำกว่า 5–7°C และความชื้นสัมพัทธ์ (RH — Relative Humidity) สูงกว่า 70–80% เพราะอากาศที่เร่งความเร็วเข้า bellmouth จะมีอุณหภูมิลดลงอีกราว 4–5°C จนเกิดน้ำแข็งเกาะบน IGV ได้ ซึ่งหากหลุดเข้าไปจะทำลายใบพัดอย่างรุนแรง วิธีแก้คือการอุ่นอากาศเข้าด้วยการดึงความร้อนจาก compressor (bleed heat) มาผสม หรือใช้ heating coil ช่วยอุ่น

ในทางกลับกัน สำหรับสภาพอากาศร้อนแห้งซึ่งพบได้ในหลายพื้นที่ การใช้ evaporative cooler หรือระบบ fogging ฉีดละอองน้ำเข้าไปในอากาศก่อนเข้า compressor สามารถลดอุณหภูมิอากาศเข้าได้ราว 5–10°C ซึ่งเพิ่มกำลังผลิตได้ราว 3–7% เทคโนโลยีนี้มีความสำคัญเป็นพิเศษสำหรับโรงไฟฟ้าในประเทศไทยที่อากาศร้อนตลอดปี แม้ผลจะลดลงบ้างในวันที่ความชื้นสัมพัทธ์สูงเพราะน้ำระเหยได้ช้าลง

1. Weather hoods — ฝาครอบรูปทรงเอียงที่ป้องกันฝนและแมลงไม่ให้เข้าสู่ระบบกรองโดยตรง เป็นชั้นกรองหยาบชั้นแรก
2. Filter house — โครงสร้างอาคารที่บรรจุไส้กรองอากาศทุกชั้นก่อนอากาศไหลลงสู่ตัวเครื่อง GT
3. Maintenance platform — ทางเดินสำหรับเข้าถึงและเปลี่ยนไส้กรองแต่ละชุด
4. Access door — ประตูเข้าออกสำหรับบำรุงรักษาภายใน filter house
5. Support steel structure — โครงเหล็กรองรับน้ำหนักของ filter house ทั้งหลัง
6. Inlet plenum (downstream) — ช่องรับอากาศที่ผ่านการกรองแล้วก่อนส่งต่อไปยังท่อ ducting เข้าเครื่อง
7. Ducting to turbine inlet — ท่อขนาดใหญ่ที่นำอากาศที่กรองแล้วจาก filter house ลงสู่ทางเข้า GT
8. Gas turbine building — อาคารที่ตัวเครื่อง GT ตั้งอยู่ รับอากาศจากท่อ ducting นี้โดยตรง

25.6 ระบบเชื้อเพลิง (Fuel Systems)

ก๊าซธรรมชาติเป็นเชื้อเพลิงหลักของ GT ในประเทศไทย โดยมี diesel หรือ distillate #2 เป็นเชื้อเพลิงสำรองในเครื่องที่ออกแบบเป็น dual fuel ซึ่งสามารถสลับเชื้อเพลิงกันได้ขณะเดินเครื่องที่ระดับโหลดที่กำหนดไว้ ก่อนก๊าซจะเข้าสู่ระบบเผาไหม้ ต้องผ่านการปรับสภาพ (fuel gas conditioning) ก่อนเสมอ ประกอบด้วย knock-out drum และ filter/separator ที่กำจัดของเหลวและอนุภาคปนเปื้อนออก ระบบควบคุมความดัน (ซึ่งต้องการความดันราว 25–45 barg ขึ้นกับรุ่นเครื่อง) และ fuel gas heater ที่อุ่นก๊าซให้ร้อนพอ ข้อกำหนดสำคัญที่ขาดไม่ได้คือก๊าซต้องมีอุณหภูมิสูงกว่าจุดกลั่นตัวของไฮโดรคาร์บอนและน้ำ (dew point) อย่างน้อยราว 28°C ตลอดช่วงที่ความดันก๊าซลดลง เพื่อป้องกันไม่ให้มีของเหลวควบแน่นหยดเข้าไปใน combustor ซึ่งจะทำให้เกิด flashback และ liner เสียหายได้

ในโรงไฟฟ้า combined cycle ยังมีเทคนิคที่เรียกว่า performance fuel gas heating คือการอุ่นก๊าซให้ร้อนถึงราว 150–200°C ด้วยน้ำร้อนที่ดึงมาจาก IP economizer ของ HRSG ซึ่งจะเรียนรายละเอียดในบทที่ 26 การอุ่นก๊าซด้วยวิธีนี้ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของ combined cycle ได้อีกราว 0.3–0.7% เพราะลดพลังงานที่ต้องใช้เผาก๊าซให้ถึงอุณหภูมิเผาไหม้ ค่าที่ต้องเฝ้าระวังอีกตัวหนึ่งคือ Wobbe Index หรือ WI ซึ่งเป็นดัชนีที่บ่งบอกคุณสมบัติการเผาไหม้ของก๊าซ ต้องอยู่ในช่วงไม่เกิน ±5% ของค่าที่ออกแบบไว้ เพราะก๊าซจากแหล่งต่างกัน เช่นก๊าซจากอ่าวไทยเทียบกับก๊าซ LNG นำเข้า มักมีค่า WI ต่างกัน ซึ่งส่งผลกระทบต่อ pressure ratio ของหัวฉีดเชื้อเพลิงและ combustion dynamics ได้โดยตรง

สำหรับระบบเชื้อเพลิงเหลวที่ใช้ diesel เป็น backup ประกอบด้วย forwarding pump ที่ส่งน้ำมันจากถังเก็บ, flow divider ที่แบ่งน้ำมันให้ไหลเข้าทุก combustor can ในปริมาณเท่ากัน, atomizing air ที่ช่วยพ่นน้ำมันให้เป็นละอองละเอียดสำหรับการเผาไหม้ และระบบ water injection สำหรับควบคุม NOx เมื่อเดินด้วยน้ำมัน เนื่องจากระบบนี้ไม่ได้ใช้งานเป็นประจำ จึงต้อง flush และทดสอบการสลับเชื้อเพลิง (fuel transfer) เป็นระยะเพื่อไม่ให้ระบบตันหรือน้ำมันเสื่อมสภาพในท่อ

25.7 ระบบสตาร์ท — LCI/SFC (Starting System)

GT ไม่สามารถสตาร์ทตัวเองได้ ต้องอาศัยอุปกรณ์ภายนอกหมุน compressor ให้ได้ความเร็วรอบราว 20–30% ของความเร็วเต็มพิกัดก่อนจึงจะจุดไฟได้ เพราะต้องมีอัตราการไหลอากาศเพียงพอสำหรับการเผาไหม้และไม่เสี่ยงต่อการเกิด surge เครื่องขนาดใหญ่สมัยใหม่นิยมใช้ LCI (Load Commutated Inverter) หรือ SFC (Static Frequency Converter) ซึ่งเป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังที่จ่ายไฟฟ้าความถี่แปรผันเข้าเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ทำให้เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากลับทำหน้าที่เป็นมอเตอร์ synchronous ขับเพลาแทน วิธีนี้ไม่จำเป็นต้องมีมอเตอร์สตาร์ทแยกต่างหาก และ LCI หนึ่งชุดสามารถใช้ร่วมกัน (share) ระหว่างเครื่อง GT หลายเครื่องในโรงไฟฟ้าเดียวกันได้

ลำดับการสตาร์ทโดยทั่วไปเริ่มจาก turning gear ที่หมุนเพลาช้าๆ ราว 3–6 รอบต่อนาที จากนั้น LCI เร่งความเร็วขึ้นไปถึง purge speed ราว 25% ของความเร็วเต็มพิกัด เพื่อทำการ purge หรือไล่ก๊าซเชื้อเพลิงที่อาจตกค้างอยู่ใน turbine และ HRSG ออกให้หมด โดยต้องไล่อากาศผ่านปริมาตรระบบอย่างน้อย 5 เท่าซึ่งใช้เวลาหลายนาที จากนั้นลดความเร็วรอบลงมาที่ ignition speed ราว 15–20% เพื่อจุดไฟและอุ่นเครื่อง (warm-up) แล้ว LCI จะช่วยเร่งความเร็วต่อไปจนถึงราว 60–80% ซึ่งเป็นจุดที่เครื่องเริ่ม self-sustaining คือ turbine ผลิตงานพอขับตัวเองได้แล้ว LCI จึงปลดออก เครื่องไต่ความเร็วต่อไปเองจนถึง full speed no load หรือ FSNL ที่ 3,000 รอบต่อนาที ก่อน synchronize เข้าระบบไฟฟ้าและรับโหลดต่อไป

เวลาที่ใช้ในการสตาร์ทเครื่องระดับ F-class แบบ simple cycle จนถึง base load อยู่ที่ราว 15–30 นาที แต่ในโรงไฟฟ้า combined cycle เวลาสตาร์ทมักถูกจำกัดโดยข้อจำกัดทางความร้อนของ HRSG และกังหันไอน้ำแทน โดย hot start ใช้เวลาราว 60–90 นาที ในขณะที่ cold start อาจใช้เวลานานถึง 3–5 ชั่วโมง ซึ่งจะเรียนรายละเอียดในบทที่ 26 หลังจากเครื่องหยุดเดินแล้ว turning gear หรือระบบ ratchet ยังคงหมุนเพลาช้าๆ ต่อเนื่องอีกหลายชั่วโมงจนกว่าโรเตอร์จะเย็นตัวลง เพื่อป้องกันไม่ให้เพลาโก่งงอจากการเย็นตัวไม่สม่ำเสมอ (rotor bow) ซึ่งเป็นปัญหาเดียวกับที่เรียนไว้ในบทที่ 24 สำหรับ boiler feed pump

25.8 สมรรถนะ GT — Ambient Effect, Degradation, Washing (GT Performance)

GT เป็นเครื่องจักรที่ทำงานแบบ constant volume flow กล่าวคือ compressor ดูดอากาศเข้าด้วยปริมาตรที่ค่อนข้างคงที่โดยประมาณไม่ว่าอากาศจะร้อนหรือเย็น เมื่ออากาศร้อนขึ้นความหนาแน่นจะลดลง ทำให้มวลอากาศ (mass flow) ที่ดูดเข้าได้จริงลดลงตามไปด้วย ส่งผลให้กำลังผลิตลดลงราว 0.5–0.9% ต่อทุกๆ 1°C ที่อุณหภูมิอากาศเพิ่มขึ้น และ heat rate ก็แย่ลงราว 0.1–0.3% ต่อ 1°C เช่นกัน มาตรฐาน ISO (International Organization for Standardization — องค์การมาตรฐานสากล) กำหนดสภาวะอ้างอิงสำหรับ rating ของ GT ไว้ที่อุณหภูมิ 15°C ความชื้นสัมพัทธ์ 60% และความดัน 1.013 bar ทำให้ในสภาพอากาศจริงของประเทศไทยที่อุณหภูมิบ่ายอาจสูงถึง 35°C เครื่องจะผลิตได้เพียงราว 85–90% ของค่า ISO rating เท่านั้น ซึ่งวิศวกรวางแผนกำลังผลิตต้องเผื่อผลกระทบนี้ไว้เสมอ นอกจากอุณหภูมิแล้ว ความดันบรรยากาศหรือความสูงจากระดับน้ำทะเลก็มีผลเช่นกัน โดยกำลังผลิตจะลดลงตามสัดส่วนความดันบรรยากาศที่ลดลง ประมาณ 1% ต่อทุกความสูง 100 เมตร

นอกจากผลจากสภาพอากาศแล้ว สมรรถนะของ GT ยังเสื่อมถอยไปตามการใช้งาน (degradation) ซึ่งแบ่งเป็นสองประเภท ประเภทแรกคือ recoverable degradation เช่น compressor fouling ที่คราบสกปรกเกาะใบพัด ซึ่งล้างคืนสภาพได้ ประเภทที่สองคือ non-recoverable degradation เช่นใบพัดสึกกร่อนจาก erosion ช่องว่าง (clearance) ระหว่างใบพัดกับ casing ที่โตขึ้น หรือ seal ที่สึกหรอ ซึ่งจะคืนสภาพได้เฉพาะตอนเปิดเครื่อง overhaul ใหญ่เท่านั้น รวมทั้งสองประเภทแล้วกำลังผลิตอาจลดลงราว 2–6% ระหว่างช่วง overhaul หนึ่งไปอีกช่วงหนึ่ง วิธีจัดการ compressor fouling ทำได้สองแบบ คือ online water wash ซึ่งฉีดน้ำ demin เข้าไปขณะเครื่องเดินที่ความเร็วเต็มพิกัด ชะลอการสะสมของคราบสกปรกได้แต่ล้างไม่ถึง stage ลึกๆ ส่วน offline หรือ crank wash คือการล้างด้วยน้ำผสมน้ำยาทำความสะอาด (detergent) ขณะหมุนเครื่องด้วยความเร็วต่ำราว 20% ในสภาพเครื่องเย็น ซึ่งคืนกำลังผลิตได้มากกว่าคือราว 2–5% แต่ต้องหยุดเครื่องเพื่อทำ จึงทำเมื่อระบบ monitoring บ่งชี้ว่าคุ้มค่ากับการหยุดเดินเครื่อง

ตัวเลขที่ใช้เปรียบเทียบสมรรถนะและคำนวณต้นทุนเชื้อเพลิงของ GT คือ heat rate ซึ่งมีความสัมพันธ์ผกผันกับประสิทธิภาพทางความร้อนโดยตรง จะเรียนวิธีนำไปใช้วางแผนเดินเครื่องต่อในบทที่ 40

โดย \(P_{net}\) = กำลังผลิตสุทธิ (kW), \(\dot{m}_{fuel}\) = อัตราการไหลเชื้อเพลิง (kg/s), \(LHV\) = ค่าความร้อนต่ำ (kJ/kg), \(HR\) = heat rate (kJ/kWh)

สรุปท้ายบท

ศัพท์เทคนิคในบทนี้

แบบทดสอบท้ายบท