บทที่ 27 — โรงไฟฟ้าพลังน้ำ

27.1 ประเภทโรงไฟฟ้าพลังน้ำ (Types of Hydro Plants)

โรงไฟฟ้าพลังน้ำแบ่งตามลักษณะการเก็บกักน้ำได้เป็นสามประเภทหลัก ประเภทแรกคือ run-of-river ซึ่งใช้น้ำตามที่ไหลมาในแม่น้ำโดยตรง มีความจุเก็บกัก (pondage) น้อยมากหรือแทบไม่มีเลย ทำให้กำลังผลิตแปรผันตามฤดูกาลของปริมาณน้ำในแม่น้ำและควบคุมได้ไม่มากนัก ตัวอย่างในไทยคือเขื่อนปากมูลที่มีกำลังผลิตราว 136 MW แต่ head ต่ำมากเพราะแม่น้ำมูลค่อนข้างราบ ประเภทที่สองคือ reservoir หรือเขื่อนเก็บน้ำ ซึ่งสามารถกักเก็บน้ำข้ามฤดูหรือแม้แต่ข้ามปีได้ ทำให้สั่งเดินเครื่องได้ตามความต้องการ (dispatchable) เหมาะสำหรับงาน peaking และการกู้คืนระบบไฟฟ้า เขื่อนใหญ่ของ กฟผ. เกือบทั้งหมดเป็นแบบนี้ และที่น่าสนใจคือหน้าที่หลักจริงๆ ของเขื่อนเหล่านี้มักเป็นเรื่องชลประทานและการบรรเทาน้ำท่วมเป็นหลัก ส่วนไฟฟ้าเป็นเพียงผลพลอยได้ที่มีค่าทางเศรษฐกิจสูง

ประเภทที่สามคือ pumped storage หรือโรงไฟฟ้าพลังน้ำแบบสูบกลับ ซึ่งทำงานโดยสูบน้ำขึ้นอ่างบนในช่วงที่ค่าไฟฟ้าถูกหรือมีไฟฟ้าเหลือในระบบ แล้วปล่อยน้ำลงมาผลิตไฟฟ้าคืนในช่วงที่ความต้องการไฟฟ้าสูงสุด (peak) ระบบนี้ทำหน้าที่เสมือน "แบตเตอรี่" ขนาดใหญ่ที่สุดที่มีใช้งานเชิงพาณิชย์อยู่ในปัจจุบัน โดยมี round-trip efficiency หรือประสิทธิภาพไปกลับอยู่ที่ราว 70–80% ตัวอย่างสำคัญของไทยคือโรงไฟฟ้าลำตะคองชลภาวัฒนาของ กฟผ. ซึ่งเป็นโรงไฟฟ้าพลังน้ำแบบสูบกลับขนาด 4×250 = 1,000 MW และเป็นโรงไฟฟ้าใต้ดินแห่งแรกของประเทศไทย ใช้อ่างบนบนเขายายเที่ยงและอ่างล่างคืออ่างเก็บน้ำลำตะคอง มี head สูงถึงราว 350 เมตร และใช้เครื่องจักรแบบ reversible Francis pump-turbine ซึ่งเป็นเครื่องเดียวกันที่ทำหน้าที่ได้ทั้งปั๊มและกังหันสลับกัน

ข้อดีสำคัญของโรงไฟฟ้าพลังน้ำต่อระบบไฟฟ้าโดยรวมคือความสามารถเริ่มเดินเครื่องได้เร็วมาก จากหยุดนิ่งถึงเดินเต็มพิกัดใช้เวลาเพียงราว 1–5 นาที ตอบสนองต่อระบบ AGC (Automatic Generation Control) และการควบคุมความถี่ได้ดีเยี่ยม สามารถทำหน้าที่ black start หรือจ่ายไฟเริ่มระบบใหม่ได้เองตามที่จะเรียนรายละเอียดในบทที่ 40 มีอายุใช้งานยาวนานถึง 50–100 ปี และต้นทุนการเดินเครื่องต่ำมากเพราะไม่มีค่าเชื้อเพลิง อย่างไรก็ตาม ข้อจำกัดคือกำลังผลิตขึ้นอยู่กับปริมาณน้ำที่มีและข้อตกลงด้านการชลประทานเป็นหลัก ทำให้ capacity factor ของโรงไฟฟ้าพลังน้ำในไทยค่อนข้างต่ำ อยู่ที่ราว 15–30% เท่านั้น เพราะการปล่อยน้ำต้องเป็นไปตามแผนการเกษตรและการบริหารจัดการน้ำเป็นสำคัญ ไม่ใช่ตามความต้องการไฟฟ้าเพียงอย่างเดียว

1. Reservoir — อ่างเก็บน้ำเหนือเขื่อน เก็บกักน้ำไว้ใช้ผลิตไฟฟ้าและชลประทานตามฤดูกาล
2. Spillway — ทางระบายน้ำล้นที่ปีกซ้ายของเขื่อน ใช้ปล่อยน้ำหลากเกินความจุที่เก็บกักได้ ป้องกันน้ำข้ามสันเขื่อน
3. Dam crest (roadway) — สันเขื่อนที่มักใช้เป็นถนนสัญจรข้ามหุบเขาได้ด้วย
4. Arch dam — ตัวเขื่อนคอนกรีตโค้งที่ถ่ายแรงดันน้ำเข้าผนังหุบเขาทั้งสองข้างแทนการต้านด้วยน้ำหนักตัวเองอย่างเดียว
5. Intake towers — หอรับน้ำที่ดึงน้ำจากอ่างเข้าสู่ penstock ที่ระดับความลึกเหมาะสม
6. Penstock — ท่อรับความดันส่งน้ำจาก intake tower ลงสู่ powerhouse ที่ฐานเขื่อน
7. Powerhouse — อาคารที่ติดตั้งกังหันและเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
8. Access road — ถนนเข้าถึงเขื่อนทางฝั่งขวาของหุบเขา
9. Tailrace (outflow) — ช่องทางน้ำที่ไหลออกจาก powerhouse กลับสู่แม่น้ำท้ายเขื่อน

27.2 จากพลังงานศักย์สู่กำลังไฟฟ้า (Potential Energy to Power)

หลักการพื้นฐานของโรงไฟฟ้าพลังน้ำอธิบายได้ง่ายๆ ด้วยพลังงานศักย์ น้ำมวล m ที่อยู่สูงกว่าระดับอ้างอิง H มีพลังงานศักย์เท่ากับ mgH เมื่อปล่อยน้ำนี้ให้ไหลลงผ่านกังหัน พลังงานศักย์จะถูกแปลงเป็นงานกลที่หมุนเพลากังหัน แล้วเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ต่อกับเพลาเดียวกันจะแปลงงานกลเป็นไฟฟ้าต่อไป กำลังไฟฟ้าที่ผลิตได้คืออัตราการปลดปล่อยพลังงานนี้ต่อหน่วยเวลา ซึ่งขึ้นกับอัตราการไหลของน้ำผ่านกังหันและความสูงที่น้ำตกลงมา แนวคิดสำคัญที่ต้องแยกให้ชัดคือ gross head หรือ head รวม ซึ่งคือผลต่างระดับผิวน้ำระหว่างอ่างบน (headwater) กับท้ายน้ำ (tailwater) กับ net head หรือ head สุทธิ ซึ่งคือ gross head หักลบด้วยความสูญเสียจากแรงเสียดทานและ minor loss ต่างๆ ตลอดทางน้ำ โดยทั่วไปออกแบบให้ loss นี้อยู่ที่ราว 2–5% ของ gross head เท่านั้น

ประสิทธิภาพของแต่ละองค์ประกอบในสายการแปลงพลังงานนี้สูงมากเมื่อเทียบกับโรงไฟฟ้าพลังความร้อน กังหันขนาดใหญ่มีประสิทธิภาพ 90–95% โดยกังหัน Francis ที่จุดทำงานเหมาะสมที่สุด (Best Efficiency Point — BEP) อาจแตะถึง 95% เครื่องกำเนิดไฟฟ้ามีประสิทธิภาพ 97–98.5% และหม้อแปลงไฟฟ้ามีประสิทธิภาพราว 99.5% เมื่อรวมทั้งสายจาก water-to-wire หรือจากน้ำถึงสายส่งจะได้ประสิทธิภาพรวมราว 85–92% ซึ่งสูงกว่าโรงไฟฟ้าพลังความร้อนที่มักอยู่ที่ 35–60% มาก ตัวเลขที่ช่วยให้สัมผัสได้ถึงขนาดคือ น้ำ 1 ลูกบาศก์เมตรต่อวินาทีที่ตกผ่าน head 100 เมตร ด้วยประสิทธิภาพรวม 90% จะให้กำลังไฟฟ้าประมาณ 883 กิโลวัตต์ ดังนั้นโรงไฟฟ้าพลังน้ำขนาดใหญ่ระดับพันเมกะวัตต์จึงต้องการอัตราการไหลระดับหลายร้อยลูกบาศก์เมตรต่อวินาที หรือไม่ก็ต้องมี head สูงระดับหลายร้อยเมตรเพื่อชดเชย

สิ่งที่ผู้เรียนต้องเข้าใจเพิ่มเติมคือระดับน้ำในอ่างเปลี่ยนแปลงตามฤดูกาล ซึ่งทำให้ head เปลี่ยนแปลงตามไปด้วย และกำลังผลิตสูงสุดที่ทำได้จริงก็เปลี่ยนแปลงตาม เขื่อนแบบ reservoir เมื่อถึงปลายฤดูแล้งที่ระดับน้ำลดต่ำ head อาจหายไปหลายสิบเมตรจากระดับปกติ ทำให้ผลิตไฟฟ้าได้ต่ำกว่าค่า nameplate ของเครื่องมาก การวางแผนการผลิตไฟฟ้ารายฤดูจึงต้องคำนึงถึงพลังงานที่สะสมอยู่ในอ่าง ซึ่งคำนวณได้จาก E = ρgVH̄η โดย V คือปริมาตรน้ำใช้งานได้ และ H̄ คือ head เฉลี่ยตลอดช่วงที่ปล่อยน้ำนั้น

โดย P = กำลังไฟฟ้าที่ขั้ว generator (W), ρ = 1,000 kg/m³, g = 9.81 m/s², Q = อัตราการไหลผ่านกังหัน (m³/s), H_net = net head (m), η_t = ประสิทธิภาพกังหัน (ทศนิยม), η_g = ประสิทธิภาพ generator (ทศนิยม)

โดย H_gross = ผลต่างระดับน้ำอ่างบน−ท้ายน้ำ (m), h_loss = ความสูญเสียในทางน้ำทั้งหมด (m)

27.3 ชนิดเขื่อน (Dam Types)

เขื่อนแบ่งตามหลักการรับแรงและวัสดุก่อสร้างได้หลายชนิด ชนิดแรกคือ gravity dam หรือเขื่อนคอนกรีตทึบ ซึ่งต้านแรงดันน้ำมหาศาลด้วยน้ำหนักตัวเองล้วนๆ จึงต้องการฐานรากที่เป็นหินแข็งมากและใช้ปริมาณคอนกรีตมหาศาล ชนิดที่สองคือ arch dam หรือเขื่อนโค้ง ซึ่งใช้หลักการโค้งถ่ายแรงดันน้ำเข้าสู่ผนังหุบเขาทั้งสองข้างแทนที่จะต้านด้วยน้ำหนักอย่างเดียว ทำให้ใช้ปริมาณคอนกรีตน้อยกว่า gravity dam มาก แต่ต้องการหุบเขาที่แคบและมีผนังหินแข็งแรงพอรับแรงถ่ายนี้ได้ เขื่อนภูมิพลเป็นตัวอย่างของ concrete arch dam ที่มีความสูงถึง 154 เมตร ซึ่งเป็นเขื่อนที่สูงที่สุดในประเทศไทย

ชนิดที่สามคือ embankment dam หรือเขื่อนถมวัสดุ ซึ่งแบ่งย่อยเป็น earthfill ที่มีแกนดินเหนียวทึบน้ำอยู่ตรงกลางห่อหุ้มด้วยเปลือกดินหรือหินด้านนอก ตัวอย่างคือเขื่อนสิริกิติ์ที่สูงราว 113.6 เมตร ซึ่งเป็นเขื่อน earthfill ที่ใหญ่ที่สุดในไทย และแบบ rockfill ที่ใช้หินถมเป็นหลักพร้อมแกนดินเหนียวกันน้ำซึม เช่นเขื่อนศรีนครินทร์ที่สูงถึง 140 เมตร เขื่อนถมเหมาะสำหรับพื้นที่ที่ฐานรากไม่แข็งแรงมากนักและสามารถก่อสร้างจากวัสดุที่หาได้ในท้องถิ่น ลดต้นทุนการขนส่งได้มาก ส่วนชนิดที่สี่คือ CFRD หรือ Concrete-Faced Rockfill Dam ซึ่งใช้หินถมเป็นโครงสร้างหลักแต่ดาดผิวหน้าด้านที่รับน้ำด้วยแผ่นคอนกรีตกันซึมแทนแกนดินเหนียว เขื่อนวชิราลงกรณ หรือที่รู้จักกันในชื่อเขื่อนเขาแหลม ที่สูง 92 เมตร เป็น CFRD แห่งแรกของประเทศไทย

ไม่ว่าจะเป็นเขื่อนชนิดใด ทุกเขื่อนต้องจัดการกับปัญหาการซึมของน้ำผ่านฐานราก (seepage) ด้วยวิธีการที่คล้ายกัน คือการทำ grout curtain หรือม่านฉีดปูนใต้ฐานเขื่อนเพื่อลดการซึม ระบบ drainage gallery หรืออุโมงค์ระบายน้ำที่ซึมผ่านมา และการติดตั้ง piezometer เพื่อเฝ้าระวังระดับน้ำภายในตัวเขื่อนอย่างต่อเนื่อง งานด้านความปลอดภัยเขื่อน (dam safety) จึงเป็นงานตรวจสอบต่อเนื่องตลอดอายุการใช้งานของเขื่อน ไม่ใช่งานที่ทำครั้งเดียวแล้วจบ การเลือกชนิดเขื่อนที่เหมาะสมสำหรับแต่ละพื้นที่ขึ้นกับปัจจัยหลายอย่างร่วมกัน ได้แก่ธรณีวิทยาของฐานราก รูปร่างของหุบเขา วัสดุที่หาได้ใกล้พื้นที่ก่อสร้าง และความเสี่ยงแผ่นดินไหวในพื้นที่นั้น จึงไม่มีชนิดเขื่อนใดที่ "ดีที่สุด" ตายตัวสำหรับทุกสถานการณ์

1. Gate hoist mechanism — เครื่องกลไกยกบานประตูที่ติดตั้งบนสันเขื่อนเหนือแต่ละช่องระบายน้ำ ใช้ยก/ลดบาน radial gate
2. Crest of dam — สันเขื่อนส่วนบนสุด
3. Radial gate (fully open) — บานประตูโค้งแบบ Tainter ที่เปิดเต็มที่ในภาพนี้ ปล่อยน้ำผ่านช่อง spillway
4. Spillway approach channel — ช่องทางน้ำก่อนถึงสัน spillway ที่นำน้ำจากอ่างเข้าสู่ช่องระบาย
5. Spillway chute — ทางลาดคอนกรีตที่น้ำไหลผ่านหลังข้ามสัน ก่อนตกลงสู่ท้ายเขื่อน
6. Spillway pier (wing wall) — เสากั้นระหว่างช่องระบายแต่ละช่อง แยกการไหลของแต่ละบานประตู
7. Mist and spray — ละอองน้ำที่เกิดจากแรงกระแทกของน้ำที่ตกลงมาด้วยความเร็วสูง
8. Stilling basin — แอ่งสลายพลังงานที่ท้าย spillway ลดความเร็วน้ำก่อนไหลกลับสู่แม่น้ำ ป้องกันการกัดเซาะท้ายเขื่อน
9. Downstream flow — น้ำที่ไหลต่อไปยังแม่น้ำท้ายเขื่อนหลังผ่าน stilling basin

27.4 ทางน้ำ: Intake, Penstock, Surge Tank และ Water Hammer (Water Conveyance)

ทางน้ำของโรงไฟฟ้าพลังน้ำเริ่มจาก intake หรือปากทางรับน้ำ ซึ่งมี trash rack หรือตะแกรงกันเศษไม้และขยะติดตั้งอยู่เสมอ หากตะแกรงนี้อุดตันจะทำให้ head loss เพิ่มขึ้นทันที จึงจำเป็นต้องมีเครื่องกวาดตะแกรง (trash rack cleaner) ทำงานเป็นประจำ นอกจากนี้ intake ยังมี stoplog หรือ intake gate สำหรับปิดกั้นน้ำเมื่อต้องซ่อมบำรุงทางน้ำด้านล่าง และระดับปากรับน้ำต้องอยู่ลึกพอที่จะไม่ดูดอากาศเข้าไปเป็น vortex ซึ่งจะรบกวนการไหลและลดประสิทธิภาพ ถัดจาก intake คือ penstock หรือท่อรับความดันที่ส่งน้ำเข้ากังหันโดยตรง ทำจากเหล็กหรือคอนกรีตเสริมเหล็ก ออกแบบให้ความเร็วน้ำอยู่ที่ราว 3–6 เมตรต่อวินาที และความหนาของท่อจะเพิ่มขึ้นตามความลึก เพราะต้องรับทั้งความดันสถิตที่เพิ่มขึ้นและเผื่อความดันเพิ่มจาก water hammer อีกราว 20–50%

Water hammer เป็นปรากฏการณ์สำคัญที่วิศวกรออกแบบทางน้ำต้องเข้าใจอย่างลึกซึ้ง เมื่อวาล์วหรือ wicket gate ปิดลงอย่างรวดเร็ว โมเมนตัมของน้ำทั้งท่อจะถูกหยุดกะทันหัน ทำให้เกิดคลื่นความดันวิ่งไปกลับในท่อด้วยความเร็วเสียงในน้ำที่มีท่อล้อมรอบ ซึ่งอยู่ที่ราว 1,000–1,200 เมตรต่อวินาที หากปิดวาล์วเร็วกว่าเวลาวิกฤต t_c = 2L/a จะเกิดความดันเพิ่มขึ้นเต็มที่ตามสมการ Joukowsky คือ Δh = aΔv/g ซึ่งตัวเลขนี้น่าตกใจมาก เพียงแค่น้ำเปลี่ยนความเร็ว 2 เมตรต่อวินาทีก็ทำให้ความดันเพิ่มขึ้นถึงราว 220 เมตรของหัวน้ำ ซึ่งอาจสูงกว่า head ปกติของระบบเสียอีก

อุปกรณ์สำคัญที่ช่วยจำกัดปัญหานี้คือ surge tank หรือถังยกระดับความดัน ซึ่งเป็นถังน้ำเปิด (หรือมี air chamber ปิดในบางแบบ) ติดตั้งแทรกอยู่ใกล้กับ powerhouse เมื่อปิด gate น้ำในอุโมงค์ส่งน้ำที่ยาวจะมีที่ให้ขึ้นไปในถังนี้แทนที่จะถูกหยุดกะทันหันทั้งเส้น ทำให้เกิดการแกว่งของมวลน้ำ (mass oscillation) ที่ช้าแทนที่จะเป็นคลื่นกระแทกรุนแรง และเมื่อเปิด gate เพิ่มโหลด surge tank ก็จะจ่ายน้ำได้ทันทีในช่วงที่รอน้ำในอุโมงค์เร่งความเร็วตาม ผลคือ water hammer ที่รุนแรงจะถูกจำกัดให้เกิดขึ้นเฉพาะในช่วง penstock สั้นๆ หลัง surge tank เท่านั้น ไม่กระทบไปถึงอุโมงค์ส่งน้ำที่ยาวทั้งเส้น เกณฑ์หยาบๆ ที่ใช้พิจารณาว่าต้องมี surge tank หรือไม่คือเมื่อทางน้ำยาวมากเทียบกับ head (อัตราส่วน L/H มากกว่าราว 5) หรือเมื่อ water starting time T_w = ΣLv/(gH) มากกว่าราว 2.5 วินาที ซึ่งจะทำให้ governor คุมความถี่ไม่ทันการเปลี่ยนแปลงโหลด นอกจากนี้ยังมีวิธีป้องกันเพิ่มเติมอื่นๆ เช่นการจำกัดอัตราการปิด wicket gate ให้ช้าลง ติดตั้ง pressure relief valve และสำหรับกังหัน Pelton สามารถใช้ jet deflector เบนน้ำออกจาก bucket ได้ทันทีโดยไม่ต้องปิดวาล์วเลย

โดย Δh = ความดันเพิ่มจาก water hammer (m of water), a = ความเร็วคลื่นความดันในท่อ (m/s, เหล็ก ~1,000–1,200), Δv = ความเร็วน้ำที่เปลี่ยนไป (m/s), L = ความยาวท่อจากผิวน้ำอิสระถึงวาล์ว (m), t_c = critical closure time (s)

1. Upper reservoir (out of view) — อ่างเก็บน้ำต้นทางที่อยู่พ้นขอบภาพขึ้นไปทางซ้ายบน เป็นจุดเริ่มต้นของ penstock
2. Steel penstock — ท่อเหล็กรับความดันสองเส้นที่วางลาดลงตามไหล่เขาสู่ powerhouse ในหุบเขา
3. Penstock anchor — ฐานคอนกรีตยึดท่อไว้กับพื้นเป็นระยะ ป้องกันท่อเลื่อนไถลจากแรงตามแนวแกนขณะน้ำไหล
4. Downstream river — แม่น้ำท้ายน้ำที่รับน้ำจาก tailrace ของโรงไฟฟ้ากลับคืนสู่ธรรมชาติ
5. Hydroelectric powerhouse — อาคารปลายทางของ penstock ที่ติดตั้งกังหันและเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
6. Switchyard — ลานหม้อแปลงและอุปกรณ์ไฟฟ้าแรงสูงที่ส่งไฟฟ้าที่ผลิตได้เข้าสู่ระบบส่ง

27.5 ชนิดกังหันและการเลือก (Turbine Types & Selection)

กังหันน้ำแบ่งเป็นสองตระกูลใหญ่ตามหลักการทำงาน ตระกูลแรกคือ impulse turbine ซึ่งมีตัวแทนหลักคือกังหัน Pelton ทำงานโดยให้ nozzle เปลี่ยน head ทั้งหมดเป็นเจ็ตน้ำความเร็วสูงยิงเข้ากระทบ bucket รูปถ้วยที่ติดรอบล้อหมุน เหมาะกับ head สูงมากถึง 150–1,800 เมตรแต่ flow ไม่มากนัก จุดเด่นคือ runner หมุนอยู่ในอากาศ ไม่มี draft tube ควบคุมโหลดด้วย needle valve ปรับขนาดเจ็ตร่วมกับ jet deflector และมีประสิทธิภาพที่ค่อนข้างแบนคงที่ดีมากแม้เดินที่ part load ตระกูลที่สองคือ reaction turbine ซึ่งน้ำเต็มท่อไหลผ่านทั้งตัวกังหัน แบ่งเป็นกังหัน Francis ที่น้ำไหลผ่าน spiral case เข้า wicket gates แล้วเข้า runner ในทิศทางแนวรัศมี-แกนผสมกัน ครอบคลุมช่วง head กว้างตั้งแต่ 20–700 เมตร เป็นกังหันที่ใช้มากที่สุดในโลกและในเขื่อนใหญ่ของ กฟผ. เกือบทั้งหมด มีประสิทธิภาพสูงสุดถึงราว 95% ที่จุด BEP แต่ประสิทธิภาพจะตกลงค่อนข้างเร็วเมื่อออกห่างจากจุดนั้น

กังหันแบบที่สามในตระกูล reaction คือ Kaplan ซึ่งเป็นกังหันแบบแกน (axial) ที่ใบพัดปรับมุมได้ร่วมกับ wicket gate ที่ปรับได้เช่นกัน เรียกว่า double regulated เหมาะกับ head ต่ำ 2–70 เมตรแต่ flow มาก มีประสิทธิภาพที่ค่อนข้างแบนกว้างตลอดช่วงโหลด และมีแบบ bulb ที่ฝัง generator ไว้ในกระเปาะใต้น้ำสำหรับโรงไฟฟ้า head ต่ำมากหรือแบบ run-of-river การเลือกชนิดกังหันที่เหมาะสมใช้ค่า specific speed n_s = N√P/H^1.25 เป็นตัวช่วยตัดสินใจ โดย Pelton ต่อหนึ่งเจ็ตมีค่า n_s อยู่ที่ราว 12–30, Francis อยู่ที่ราว 60–300 และ Kaplan อยู่ที่ราว 300–1,000 หลักการคร่าวๆ คือ head สูงจะให้ specific speed ต่ำ ซึ่งหมายถึงกังหันหมุนช้าและมีลักษณะแนวรัศมี ในขณะที่ head ต่ำจะให้ specific speed สูง หมายถึงกังหันหมุนเร็วและมีลักษณะแนวแกน

ความเร็วรอบของกังหันต้อง sync กับความถี่ระบบ 50 Hz เสมอ ตามความสัมพันธ์ N = 120f/P ที่จะเรียนรายละเอียดในบทที่ 30 เนื่องจากกังหันน้ำมักหมุนช้าเพียง 100–500 รอบต่อนาที เครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ต่อกับกังหันเหล่านี้จึงต้องมีขั้วแม่เหล็กจำนวนมาก เรียกว่าแบบ salient pole ที่มีขั้วตั้งแต่ 12 ถึง 60 ขั้วเพื่อให้ได้ความถี่ที่ถูกต้องแม้หมุนช้า อีกประเด็นสำคัญที่ต้องคำนึงถึงในการออกแบบคือ runaway speed หรือความเร็วรอบที่กังหันจะพุ่งไปถึงหากโหลดหลุดกะทันหันแต่ gate ยังเปิดอยู่ ซึ่งกังหัน Pelton จะอยู่ที่ราว 1.8 เท่าของรอบปกติ Francis อยู่ที่ 1.8–2.2 เท่า และ Kaplan สูงถึง 2.2–3.2 เท่า โครงสร้างหมุนทั้งหมดของเครื่องจึงต้องออกแบบให้ทนต่อความเร็วรอบนี้ได้โดยไม่เสียหาย

โดย n_s = specific speed ของกังหัน (หน่วยเมตริกตามนิยาม), N = ความเร็วรอบ (rpm), P = กำลังต่อ runner (kW), H = net head (m)

1. Top shroud (crown) — แผ่นครอบด้านบนของ runner ที่ใบพัดทุกใบยึดติดอยู่
2. Runner bucket (blade) — ใบพัดโค้งของ runner ที่น้ำไหลผ่านแล้วถ่ายแรงดันเป็นแรงบิดหมุนเพลา
3. Runner hub — ศูนย์กลางของ runner ที่ใบพัดทุกใบเชื่อมเข้าหากันตรงกลาง
4. Bottom ring — วงแหวนด้านล่างที่ยึดปลายล่างของใบพัดทุกใบไว้ด้วยกัน คู่กับ top shroud ด้านบน
5. Stay vanes region (inside) — บริเวณที่มี stay vane อยู่ด้านในซึ่งมองเห็นเป็นเงาลึกเข้าไปใต้ bottom ring ทำหน้าที่นำน้ำเข้าสู่ wicket gate ก่อนถึง runner
6. Draft cone — กรวยด้านล่างของ runner ที่ต่อเนื่องไปยัง draft tube ทำหน้าที่เริ่มขยายหน้าตัดกู้พลังงานจลน์
7. Runner diameter: approx. 4 meters — ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางจริงของ runner ตัวนี้ แสดงให้เห็นสเกลของเครื่องจักรระดับเขื่อนใหญ่

1. Pelton runner (turbine wheel) — ล้อหมุนทั้งชุดที่มี bucket ติดรอบวง รับพลังงานจากเจ็ตน้ำโดยตรง
2. Double-cup bucket — bucket รูปถ้วยคู่ที่ออกแบบให้เจ็ตน้ำกระทบตรงกลางแล้วแยกไหลออกสองข้างสมมาตร ลดแรงตามแนวแกน
3. Bucket splitter — สันแบ่งกลาง bucket ที่แยกเจ็ตน้ำออกเป็นสองทาง
4. Runner disk — แผ่นดิสก์กลางที่ bucket ทุกอันยึดติดอยู่โดยรอบ
5. Bucket securing bolt — สลักยึด bucket แต่ละอันเข้ากับ runner disk
6. Nozzle (out of frame) — Water jets hit the buckets tangentially — ตำแหน่ง nozzle อยู่นอกภาพ ลูกศรชี้ทิศทางที่เจ็ตน้ำพุ่งเข้ากระทบ bucket ในแนวสัมผัสวงล้อ
7. Runner shaft — เพลาที่ส่งแรงบิดจาก runner ไปยังเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
8. Bearing housing — เรือนแบริ่งรองรับเพลาให้หมุนได้อย่างมั่นคง

27.6 Draft Tube และ Cavitation (Draft Tube & Cavitation)

Draft tube คือท่อขยายหน้าตัด (diffuser) ที่ต่อจากทางออกของ runner ลงสู่ tailrace ทำหน้าที่สำคัญสองอย่างพร้อมกัน หน้าที่แรกคือกู้พลังงานจลน์ที่ยังเหลืออยู่ในน้ำหลังผ่าน runner กลับมาเป็นพลังงานที่ใช้ประโยชน์ได้ ซึ่งสำหรับกังหัน Kaplan อาจมีสัดส่วนสูงถึง 40–50% ของ head ทั้งหมดอยู่ในรูปความเร็วขาออกจาก runner หากไม่มี draft tube พลังงานส่วนนี้จะสูญเปล่าไปเฉยๆ หน้าที่ที่สองคือทำให้สามารถตั้ง runner ให้อยู่สูงกว่าระดับน้ำท้ายเขื่อนได้โดยไม่เสีย head เพราะ draft tube ทำงานเหมือนกาลักน้ำ (siphon effect) ดูดน้ำต่อเนื่องจาก runner ลงสู่ tailrace รูปแบบที่ใช้จริงมากที่สุดคือ elbow draft tube ซึ่งโค้ง 90 องศาแล้วจึงขยายหน้าตัด เพราะช่วยลดความลึกของการขุดฐานรากได้มาก โดยมีประสิทธิภาพในการกู้พลังงานจลน์อยู่ที่ราว 70–85% ของพลังงานจลน์ที่เข้ามา

ความดันภายใน draft tube ต่ำกว่าความดันบรรยากาศเสมอ ทำให้เป็นจุดเสี่ยงต่อการเกิด cavitation ที่บริเวณด้านหลังของใบ runner และทางเข้า draft tube เป็นพิเศษ ยิ่งตั้ง runner สูงเหนือระดับ tailwater มากเท่าไร (ค่า H_s มาก) ก็ยิ่งเสี่ยงต่อ cavitation มากขึ้นเท่านั้น ค่าที่ใช้ประเมินความเสี่ยงนี้อย่างเป็นระบบคือ Thoma cavitation coefficient σ ซึ่งต้องมีค่ามากกว่าค่า σ_critical ของกังหันรุ่นนั้นๆ เสมอ ด้วยเหตุนี้โรงไฟฟ้าที่มี head สูงหลายแห่งจึงจำเป็นต้องฝัง runner ไว้ต่ำกว่าระดับท้ายน้ำ (ทำให้ H_s มีค่าติดลบ) อย่างเช่นโรงไฟฟ้าใต้ดินลำตะคองที่ pump-turbine ต้องจมลึกเป็นพิเศษ เพราะในโหมดปั๊มต้องการค่า NPSH สูงตามหลักการที่เรียนไว้แล้วในบทที่ 24

ปัญหาที่พบบ่อยอีกอย่างหนึ่งของกังหัน Francis คือการเกิด draft tube vortex rope เมื่อเดินเครื่องที่ part load ซึ่งเป็นน้ำวนเป็นเกลียวที่มีความดันกระเพื่อมอยู่ภายใน ทำให้ตัวโรงไฟฟ้าสั่นสะเทือนและมีเสียงครืดผิดปกติ วิธีแก้ไขที่นิยมใช้คือการฉีดอากาศเข้าไป (air admission) ที่บริเวณนั้น หรือหลีกเลี่ยงการเดินเครื่องค้างอยู่ในช่วงโหลด 40–60% ซึ่งเป็นช่วงที่ปัญหานี้รุนแรงที่สุด ความเสียหายจาก cavitation ที่เกิดขึ้นจริงบน runner จะปรากฏเป็นผิวโลหะที่ลอกเป็นรูพรุนบริเวณด้าน suction ของใบพัด การซ่อมทำได้ด้วยการเชื่อมพอกเนื้อโลหะแล้วเจียรตามโปรไฟล์เดิมให้เรียบเนียน ซึ่งเป็นงานประจำที่ทำในช่วง major overhaul ทุกราว 5–10 ปี

โดย σ = Thoma cavitation coefficient (ไร้หน่วย), H_b = barometric head (~10.3 m ที่ระดับน้ำทะเล), H_v = vapor pressure head ของน้ำ (m), H_s = ความสูง runner เหนือระดับ tailwater (m, ติดลบถ้าจมใต้), H = net head (m)

ผังโปรไฟล์ที่แสดงตำแหน่งของ draft tube สัมพันธ์กับส่วนอื่นของโรงไฟฟ้าเป็นภาพเดียวกับที่ใช้ในหัวข้อ 27.2 — ลองย้อนกลับไปดูตำแหน่งของ draft tube และ tailrace เพื่อเห็นภาพว่า H_s วัดจากตำแหน่งใดถึงตำแหน่งใด

27.7 Governor, การคุมความเร็ว และ Spillway (Governor, Speed Regulation & Spillway)

Governor ของโรงไฟฟ้าพลังน้ำทำหน้าที่คุมความเร็วรอบและโหลดโดยปรับ wicket gate สำหรับกังหัน Francis และ Kaplan หรือปรับ needle valve สำหรับกังหัน Pelton ผ่านระบบ hydraulic servo ที่ใช้แรงดันน้ำมันสูงถึงราว 6–16 MPa ในปัจจุบันเป็นระบบ digital PID governor ที่ควบคุมด้วยคอมพิวเตอร์ทั้งหมด การตั้งค่า speed droop อยู่ที่ราว 4–5% เช่นเดียวกับโรงไฟฟ้าพลังความร้อนตามที่จะเรียนในบทที่ 31 หมายความว่าเมื่อความถี่ตกลง 1% โหลดจะเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนที่กำหนดไว้ จุดเด่นของโรงไฟฟ้าพลังน้ำคือตอบสนองต่อระบบ AGC ได้รวดเร็วมาก สามารถ ramp โหลดได้หลายสิบเปอร์เซ็นต์ต่อนาที จึงมักถูกเลือกใช้เป็นเครื่องมือหลักในการคุมความถี่ของระบบไฟฟ้า

ความท้าทายเฉพาะตัวของโรงไฟฟ้าพลังน้ำที่ไม่พบในโรงไฟฟ้าพลังความร้อนคือปรากฏการณ์ water inertia กล่าวคือเมื่อเปิด gate เพิ่มโหลดทันที น้ำในทางน้ำยังไม่ทันเร่งความเร็วตาม ทำให้กำลังที่ผลิตได้กลับ "ตกก่อนขึ้น" ในช่วงแรก ซึ่งเป็นพฤติกรรมแบบ non-minimum phase ทำให้ governor ต้องจูนให้ตอบสนองช้ากว่าโรงไฟฟ้าพลังไอน้ำ ยิ่งค่า water starting time T_w มากเท่าไรก็ยิ่งจูนยากขึ้นเท่านั้น ซึ่งเป็นเหตุผลสำคัญอีกข้อที่ต้องมี surge tank ช่วยลดความยาวประสิทธิผล (effective length) ของทางน้ำลง การทดสอบที่สำคัญมากคือ load rejection test ซึ่งจำลองการปลดโหลดออกทั้งหมดกะทันหัน ความเร็วรอบจะพุ่งสูงขึ้นทันที governor ต้องปิด gate ตามอัตราที่จำกัดไว้อย่างเหมาะสม เพื่อไม่ให้ทั้ง overspeed เกินราว 140–160% ของรอบปกติ และไม่ให้ water hammer เกินขอบเขตที่ออกแบบไว้ด้วย ซึ่งเป็นการ trade-off ที่ต้องจูนกันจริงในช่วง commissioning ของแต่ละเครื่อง

Spillway หรือทางระบายน้ำล้นเป็นอุปกรณ์ความปลอดภัยที่สำคัญที่สุดอย่างหนึ่งของเขื่อน ทำหน้าที่ป้องกันไม่ให้น้ำข้ามสันเขื่อน (overtopping) ซึ่งเป็นโหมดการพังหลักของเขื่อนถมทุกชนิด รูปแบบที่นิยมใช้คือ ogee crest ร่วมกับบานประตูโค้งแบบ radial หรือ Tainter gate ออกแบบให้รับปริมาณน้ำหลากได้ถึงระดับ PMF (Probable Maximum Flood) หรือปริมาณน้ำหลากสูงสุดที่เป็นไปได้ตามหลักสถิติ ปลายทางของ spillway มักมี flip bucket หรือ stilling basin เพื่อสลายพลังงานจลน์มหาศาลของน้ำที่ไหลลงมา ป้องกันการกัดเซาะรุนแรงบริเวณท้ายเขื่อน การบริหารจัดการน้ำหลากใช้ rule curve เป็นเครื่องมือกำหนดระดับเก็บกักที่เหมาะสมตามแต่ละช่วงฤดูกาล เขื่อนใหญ่ของ กฟผ. ทำหน้าที่หน่วงน้ำท่วม (flood attenuation) โดยเก็บกักปริมาณน้ำที่ไหลเข้ามาในช่วงพีคไว้ก่อน แล้วค่อยทยอยปล่อยออกในภายหลัง การตัดสินใจปล่อยน้ำผ่าน spillway จึงเป็นเรื่องที่ต้องร่วมมือกันระหว่างหลายหน่วยงาน ไม่ใช่การตัดสินใจเพื่อการผลิตไฟฟ้าเพียงอย่างเดียว

1. Overhead travelling crane — เครนเคลื่อนที่เหนือหัวที่ใช้ยกชิ้นส่วนหนักของเครื่องจักรระหว่างการติดตั้งหรือซ่อมบำรุงใหญ่
2. High voltage busbars — บัสบาร์แรงสูงที่นำไฟฟ้าจากเครื่องกำเนิดแต่ละชุดไปยังหม้อแปลงและสวิตช์เกียร์
3. Generator hall — ห้องโถงหลักที่ติดตั้งเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเรียงเป็นแถวยาว
4. Control cabinets — ตู้ควบคุมและป้องกันประจำแต่ละเครื่อง วางเรียงข้างผนังห้อง
5. Excitation system — ระบบจ่ายกระแสกระตุ้นสนามแม่เหล็กให้เครื่องกำเนิดไฟฟ้า ตั้งอยู่ข้างตัวเครื่องแต่ละชุด
6. Generator unit — ตัวเครื่องกำเนิดไฟฟ้าทรงกลมขนาดใหญ่ที่ต่อกับเพลากังหันซึ่งฝังอยู่ใต้พื้น
7. Polished floor — พื้นห้องโถงที่ขัดเงา สะท้อนแสงและช่วยให้สังเกตความสะอาด/รอยรั่วน้ำมันได้ง่าย
8. Turbine pit (below floor level) — บ่อที่ฝังตัวกังหันไว้ใต้ระดับพื้นห้องโถง มองเห็นขอบบ่อในมุมภาพด้านล่าง

27.8 โรงไฟฟ้าพลังน้ำ กฟผ. (EGAT Hydro Context)

กฟผ. มีโรงไฟฟ้าพลังน้ำรวมกำลังผลิตประมาณ 3,000 MW กระจายอยู่ในเขื่อนกว่า 20 แห่งทั่วประเทศ แม้สัดส่วนพลังงานไฟฟ้าที่ผลิตได้ (หน่วยเป็น GWh) จะไม่มากนักเมื่อเทียบกับทั้งระบบ แต่มีคุณค่ามหาศาลในด้านการรองรับความต้องการช่วง peak การควบคุมความถี่ และความสามารถ black start ตามที่อธิบายไว้แล้วในหัวข้อต้นบท เขื่อนภูมิพลที่จังหวัดตากบนแม่น้ำปิงเป็นเขื่อน concrete arch สูง 154 เมตร ติดตั้งเครื่องกำเนิดไฟฟ้ารวม 8 เครื่อง กำลังผลิตรวมประมาณ 779 MW โดยเครื่องที่ 8 เป็น pump-turbine ขนาดประมาณ 171 MW ที่สามารถสูบน้ำกลับจากเขื่อนแม่ปิงตอนล่างได้ อ่างเก็บน้ำมีความจุประมาณ 13,000 ล้านลูกบาศก์เมตร ซึ่งใหญ่ที่สุดในประเทศไทย

เขื่อนสิริกิติ์ที่จังหวัดอุตรดิตถ์บนแม่น้ำน่านเป็นเขื่อน earthfill ที่ใหญ่ที่สุดในไทย สูงประมาณ 113.6 เมตร มีเครื่องกำเนิดไฟฟ้า 4 เครื่อง กำลังผลิตรวม 4×125 = 500 MW เขื่อนศรีนครินทร์ที่จังหวัดกาญจนบุรีบนแควใหญ่เป็นเขื่อน rockfill แกนดินเหนียวสูงถึง 140 เมตร กำลังผลิตรวม 720 MW แบ่งเป็นเครื่องที่ 1–3 ซึ่งเป็นกังหัน Francis ขนาด 3×120 MW และเครื่องที่ 4–5 ซึ่งเป็น pump-turbine ขนาด 2×180 MW เขื่อนวชิราลงกรณที่จังหวัดกาญจนบุรีบนแควน้อยเป็น CFRD แห่งแรกของประเทศไทย สูง 92 เมตร กำลังผลิต 3×100 = 300 MW ส่วนเขื่อนรัชชประภาที่จังหวัดสุราษฎร์ธานีมีกำลังผลิต 3×80 = 240 MW

โรงไฟฟ้าลำตะคองชลภาวัฒนาที่จังหวัดนครราชสีมาเป็นโรงไฟฟ้าพลังน้ำแบบสูบกลับขนาด 4×250 = 1,000 MW ที่ตั้งอยู่ใต้ดิน ตามที่กล่าวถึงแล้วในหัวข้อ 27.1 บทบาทใหม่ที่สำคัญของโรงไฟฟ้าประเภทนี้ในปัจจุบันคือการเก็บพลังงานส่วนเกินจากพลังงานหมุนเวียนอย่าง solar และ wind เนื่องจากโครงข่ายไฟฟ้าไทยมีสัดส่วนพลังงานหมุนเวียนเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ ทำให้ลักษณะกราฟโหลด duck curve ชัดเจนขึ้นตามที่จะเรียนรายละเอียดในบทที่ 42 นอกจากนี้ยังมีโครงการโซลาร์ลอยน้ำ (hydro-floating solar hybrid) ที่ผสมผสานแผงโซลาร์เซลล์ลอยน้ำเข้ากับโรงไฟฟ้าพลังน้ำเดิม เริ่มต้นที่เขื่อนสิรินธรและกำลังขยายไปยังเขื่อนอื่นๆ ต่อไป ตัวเลขกำลังผลิตทั้งหมดที่กล่าวมาในบทนี้ควรเข้าใจว่าเป็นค่า "ประมาณ" เนื่องจากกำลังผลิตจริงของแต่ละเขื่อนเปลี่ยนแปลงไปตามการปรับปรุงเพิ่มกำลังผลิต (uprate) และการปรับปรุงเครื่องจักร (retrofit) ในแต่ละยุคสมัย

สรุปท้ายบท

ศัพท์เทคนิคในบทนี้

แบบทดสอบท้ายบท