บทที่ 04 — หัวใจของทุกโรงไฟฟ้า: กังหันและเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

04.1 การค้นพบที่เปลี่ยนโลก: ขยับแม่เหล็ก ได้ไฟฟ้า

บทนี้ขอเปิดด้วยเรื่องเล่าสั้นๆ ย้อนไปเกือบสองร้อยปี ในปี ค.ศ. 1831 นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษชื่อ Michael Faraday (ไมเคิล ฟาราเดย์) ทดลองเอาแท่งแม่เหล็กมาขยับเข้า-ออกใกล้ๆ ขดลวดทองแดงที่ต่อกับเข็มมิเตอร์วัดไฟฟ้า ผลที่เขาเห็นทำให้ทั้งวงการวิทยาศาสตร์ตะลึง ทุกครั้งที่แม่เหล็กขยับ เข็มมิเตอร์จะกระดิกขึ้นทันที ราวกับมีไฟฟ้าเกิดขึ้นเองในเส้นลวด ทั้งที่ไม่มีแบตเตอรี่หรือแหล่งไฟฟ้าใดๆ ต่อเข้าไปเลยสักนิด

สิ่งที่ฟาราเดย์ค้นพบกลายเป็นรากฐานของอุตสาหกรรมไฟฟ้าทั้งโลกมาจนถึงทุกวันนี้ นั่นคือ ไฟฟ้าไม่ได้เกิดจากแม่เหล็กที่วางนิ่งๆ ใกล้ขดลวด แต่เกิดจาก "การเปลี่ยนแปลง" ของสนามแม่เหล็กที่ขดลวดสัมผัสอยู่ ยิ่งสนามแม่เหล็กเปลี่ยนแปลงเร็วเท่าไหร่ ไฟฟ้าที่เกิดขึ้นก็ยิ่งแรงเท่านั้น บทนี้ไม่ต้องอาศัยสูตรคำนวณอะไรเลยแม้แต่น้อย สาระทั้งหมดสรุปได้ในประโยคเดียว: หมุนแม่เหล็กใกล้ขดลวด เท่ากับ ได้ไฟฟ้า และยิ่งหมุนเร็ว แม่เหล็กแรง หรือขดลวดพันมากเท่าไหร่ ก็ยิ่งได้ไฟฟ้าออกมามากขึ้นเท่านั้น

ลองนึกภาพตามแผนภาพด้านล่าง แม่เหล็กอยู่ตรงกลาง หมุนวนอยู่ในวงแหวนของขดลวดที่ล้อมรอบมันไว้ เมื่อแม่เหล็กหมุน สนามแม่เหล็กที่ขดลวดสัมผัสจะเปลี่ยนไปตลอดเวลา เกิดเป็นกระแสไฟฟ้าไหลออกไปตามสายไฟจนถึงหลอดไฟที่ปลายทาง หลักการง่ายๆ นี้เองที่ซ่อนอยู่เบื้องหลังเครื่องกำเนิดไฟฟ้าทุกเครื่องบนโลก ไม่ว่าจะเล็กเท่าไดนาโมจักรยาน หรือใหญ่เท่าตึกหลายชั้นในโรงไฟฟ้าขนาดยักษ์

04.2 ไดนาโมจักรยาน: โรงไฟฟ้าที่เล็กที่สุดในชีวิตจริง

ถ้าอยากเห็นหลักการนี้ทำงานจริงแบบจับต้องได้ ไม่ต้องไปไกลถึงโรงไฟฟ้าเลย แค่มองไปที่จักรยานคันเก่าที่มีไฟหน้าแบบไดนาโมก็พอ ไดนาโมจักรยานคืออุปกรณ์เล็กๆ ที่ถูกกดแนบติดกับยางล้อ เมื่อล้อหมุน ตัวไดนาโมก็หมุนตามไปด้วย ข้างในไดนาโมมีแม่เหล็กหมุนอยู่ใกล้ขดลวดเหมือนในแผนภาพข้างต้นทุกประการ เพียงแต่ย่อส่วนลงมาให้ใส่อยู่ในกระบอกโลหะขนาดเท่าฝ่ามือได้เท่านั้นเอง

ปั่นจักรยานช้าๆ ไฟหน้าจะสลัว ปั่นเร็วขึ้นไฟก็จะสว่างขึ้นตาม หยุดปั่นไฟก็ดับทันที ไม่มีระบบเก็บไฟไว้ล่วงหน้าเลยแม้แต่เสี้ยววินาทีเดียว — กฎของโรงไฟฟ้าแทบทุกข้อที่จะพูดถึงในหนังสือเล่มนี้อยู่ในไดนาโมจักรยานเล็กๆ นี้ครบถ้วนแล้ว มันคือ "โรงไฟฟ้าที่เล็กที่สุดในชีวิตจริง" ที่หลายคนเคยสัมผัสมาตั้งแต่เด็กโดยไม่ทันสังเกต

1. Bicycle tire — ยางล้อจักรยานที่หมุนไปพร้อมกับการปั่น เป็นแหล่งพลังงานกลตั้งต้นทั้งหมดของระบบนี้
2. Dynamo drive roller — ลูกกลิ้งเล็กๆ ที่กดแนบติดกับยางล้อโดยตรง เมื่อล้อหมุน ลูกกลิ้งนี้ก็หมุนตาม ทำหน้าที่เหมือนเพลาที่จะพูดถึงในหัวข้อ 4.3
3. Wheel rim — ขอบล้อโลหะที่รองรับยาง ไม่เกี่ยวกับการผลิตไฟฟ้าโดยตรง แต่ช่วยให้เห็นโครงสร้างล้อทั้งหมด
4. Bottle dynamo — ตัวไดนาโมทรงกระบอกคล้ายขวด ข้างในบรรจุแม่เหล็กหมุนใกล้ขดลวดตามหลักการในหัวข้อ 4.1 — นี่คือ "เครื่องกำเนิดไฟฟ้า" ตัวจริงของจักรยานคันนี้
5. Wheel spokes — ซี่ล้อที่ยึดขอบล้อกับดุมล้อไว้ด้วยกัน ไม่ได้เกี่ยวข้องกับวงจรไฟฟ้าแต่อย่างใด
6. Electrical wires — สายไฟเล็กๆ ที่พาไฟฟ้าจากไดนาโมไปยังไฟหน้า เทียบได้กับสายส่งย่อส่วนที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้
7. Dynamo mounting bracket — ขาจับที่ยึดไดนาโมให้แนบติดกับล้ออยู่ตลอดเวลา ต้องแน่นพอไม่ให้ลื่นหลุดขณะปั่น
8. Headlight mounting bracket — ขาจับที่ยึดไฟหน้าไว้กับตัวจักรยาน
9. Headlight — โคมไฟหน้าที่รับไฟฟ้าจากไดนาโมมาเปลี่ยนเป็นแสงสว่าง คือปลายทางที่พลังงานจากแรงขาถูกใช้งานจริง
10. Light beam — ลำแสงที่ส่องออกมาจากไฟหน้า เป็นหลักฐานที่มองเห็นได้ว่าพลังงานถูกเปลี่ยนรูปมาครบวงจรแล้ว

เรื่องนี้โยงกลับไปถึงสิ่งที่เล่าไว้ในบทที่ 3 ได้พอดิบพอดี ตอนที่คนทั้งเมืองพร้อมใจกันเปิดแอร์ โรงไฟฟ้าทุกแห่งในระบบก็ "ขาหนักขึ้น" แบบเดียวกับตอนเราเปิดไฟหน้าจักรยาน เครื่องกำเนิดไฟฟ้าต้องออกแรงต้านทานมากขึ้นทันทีที่มีคนดึงไฟฟ้าไปใช้มากขึ้น นี่คือเหตุผลที่โรงไฟฟ้าต้อง "เร่งเครื่อง" ทุกครั้งที่ความต้องการไฟฟ้าพุ่งสูงขึ้น เพื่อรักษาความถี่ 50 เฮิรตซ์เอาไว้ให้ได้ตามที่อธิบายไปแล้ว

ทีนี้ลองขยายสเกลจากไดนาโมจักรยานไปเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าในโรงไฟฟ้าจริงดูบ้าง เครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาดใหญ่ในโรงไฟฟ้าแทบทุกแห่งของไทยมีเส้นผ่านศูนย์กลางหลายเมตร ตัวเครื่องหนักหลายร้อยตัน แต่หลักการทำงานข้างในยังคงเป็นเรื่องเดียวกันกับไดนาโมจักรยานเป๊ะๆ เพียงแต่ทำงานหนักกว่ากันมหาศาลเท่านั้น เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเพียงเครื่องเดียวในโรงไฟฟ้าขนาดกลางของไทยผลิตไฟฟ้าได้เทียบเท่าไดนาโมจักรยานที่ปั่นพร้อมกันหลายสิบล้านคัน

04.3 กังหัน: มือที่หมุนเครื่องกำเนิด

คำถามต่อไปคือ แล้วอะไรเป็นตัวหมุนแม่เหล็กในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาดใหญ่พวกนี้ ในเมื่อไม่มีขาคนมาปั่นให้ คำตอบคืออุปกรณ์ที่เรียกว่า กังหัน (turbine) — วงล้อใบพัดขนาดใหญ่ที่ถูก "ของไหล" บางอย่างพัดผลักให้หมุน ของไหลที่ว่านี้อาจเป็นไอน้ำแรงดันสูงจากการต้มน้ำในโรงไฟฟ้าพลังความร้อน เป็นน้ำที่ไหลลงมาจากที่สูงในเขื่อน เป็นก๊าซร้อนจัดจากการเผาไหม้ในกังหันก๊าซ หรือแม้แต่เป็นเพียงลมธรรมดาที่พัดผ่านใบพัดกังหันลม

กังหันกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าถูกต่อเข้าด้วยกันด้วย เพลา (shaft) เป็นแกนเดียวยาวต่อเนื่องกัน เมื่อของไหลผลักให้กังหันหมุน เพลาก็หมุนตาม แล้วดึงให้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ต่ออยู่ปลายอีกด้านหมุนตามไปด้วย ไฟฟ้าจึงถูกผลิตออกมา พูดให้ง่ายที่สุดคือ กังหันทำหน้าที่เป็น "มือ" ที่คอยหมุนเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแทนขาคนที่ปั่นจักรยานในหัวข้อก่อนหน้านี้นั่นเอง

ความจริงข้อนี้เองที่อธิบายว่าทำไมโรงไฟฟ้าที่หน้าตาต่างกันสุดขั้วถึงจบลงที่จุดเดียวกันเสมอ ลองไล่ดูตารางเปรียบเทียบด้านล่างนี้

จะเห็นว่าไม่ว่าโรงไฟฟ้าจะใช้เชื้อเพลิงอะไร หน้าตาแตกต่างกันแค่ไหน ทุกแห่งก็ยังจบลงที่สูตรเดียวกันเป๊ะ มีอะไรสักอย่างมาผลักกังหัน กังหันหมุนเพลา เพลาหมุนเครื่องกำเนิดไฟฟ้า แล้วไฟฟ้าก็ออกมา มีข้อยกเว้นอยู่หนึ่งเดียวเท่านั้นในบรรดาโรงไฟฟ้าทั้งหมด นั่นคือแผงโซลาร์เซลล์ ที่ไม่มีชิ้นส่วนใดหมุนเลยแม้แต่ชิ้นเดียว แต่เปลี่ยนแสงแดดเป็นไฟฟ้าโดยตรง เรื่องนี้จะพาไปดูรายละเอียดกันในบทที่ 7

1. Overhead crane — เครนยกของขนาดใหญ่ที่วิ่งอยู่บนรางเหนือหัว ใช้ยกชิ้นส่วนหนักเวลาซ่อมบำรุงกังหันหรือเครื่องกำเนิด
2. Turbine stop valve — วาล์วปิด-เปิดทางเข้าไอน้ำหลัก ใช้ตัดการจ่ายไอน้ำเข้ากังหันในกรณีฉุกเฉินหรือหยุดซ่อมบำรุง
3. Main steam line — ท่อไอน้ำแรงดันสูงหลักที่พาไอน้ำจากหม้อไอน้ำมาผลักกังหัน (จะเล่าละเอียดในบทที่ 5)
4. High-pressure turbine (HP) — กังหันชุดแรกที่รับไอน้ำแรงดันสูงที่สุดเข้ามาก่อน
5. Lubricating oil system — ระบบน้ำมันหล่อลื่นแบริ่งของเพลาที่หมุนต่อเนื่องความเร็วสูงตลอดเวลา
6. Intermediate-pressure turbine (IP) — กังหันชุดกลางที่รับไอน้ำต่อจากกังหันแรงดันสูง หลังไอน้ำถูกใช้แรงไปบางส่วนแล้ว
7. Low-pressure turbine (LP) — กังหันชุดสุดท้ายที่รับไอน้ำแรงดันต่ำที่สุด ก่อนไอน้ำจะถูกส่งไปควบแน่นกลับเป็นน้ำ
8. Generator — เครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ต่อเพลาเดียวกับกังหันทั้งสามชุดข้างต้น เป็นจุดที่แม่เหล็กหมุนใกล้ขดลวดตามหลักการในหัวข้อ 4.1
9. Exciter — อุปกรณ์เล็กๆ ปลายเพลาที่ป้อนกระแสไฟฟ้าให้แม่เหล็กในเครื่องกำเนิดมีแรงแม่เหล็กมากพอจะผลิตไฟได้ต่อเนื่อง
10. Generator foundation — ฐานรากคอนกรีตหนาที่รองรับน้ำหนักเครื่องกำเนิดหลายร้อยตันไม่ให้สั่นสะเทือนขณะหมุน
11. Electrical connections — จุดต่อสายไฟฟ้าแรงสูงที่พาไฟฟ้าจากเครื่องกำเนิดออกไปยังลานหม้อแปลง (อ่านต่อในหัวข้อ 4.5)

1. Front coupling flange — หน้าแปลนที่ใช้ยึดต่อกังหันเข้ากับเพลาส่วนถัดไปให้เป็นแกนเดียวกัน
2. Labyrinth seal area — จุดผนึกกันไอน้ำรั่วไหลออกจากตัวกังหันระหว่างหมุน
3. Turbine blades (multiple stages) — "วงล้อ" ใบพัดจริงที่ถูกไอน้ำแรงดันสูงพัดผลักให้หมุน คือหัวใจของกังหันตามที่อธิบายในต้นหัวข้อนี้
4. Rear seal land — บริเวณผิวโลหะเรียบที่ใช้ผนึกกันไอน้ำรั่วอีกจุดหนึ่งทางฝั่งปลายกังหัน
5. Rear journal — แกนรองรับปลายกังหันด้านหลัง วางอยู่บนแบริ่งให้หมุนได้ลื่นและนิ่ง
6. Rotor (low-pressure section) — แกนโลหะทั้งท่อนที่ยึดใบพัดทุกแถวไว้ด้วยกัน คือส่วนที่หมุนจริงเมื่อไอน้ำผลัก
7. Rotor journal — แกนรองรับปลายกังหันด้านหน้า ทำหน้าที่คู่กับ Rear journal ให้แกนทั้งท่อนหมุนตรงศูนย์

04.4 หมุนพร้อมกันทั้งประเทศ: 3,000 รอบต่อนาที

ทีนี้มาดูตัวเลขหนึ่งที่น่าสนใจ เครื่องกำเนิดไฟฟ้าหลักของโรงไฟฟ้าขนาดใหญ่ในไทยส่วนมากหมุนด้วยความเร็วประมาณ 3,000 รอบต่อนาที ถ้าแปลงเป็นรอบต่อวินาทีก็จะได้ประมาณ 50 รอบต่อวินาที ตัวเลข "50" นี้ไม่ใช่เรื่องบังเอิญเลย แต่เป็นที่มาโดยตรงของความถี่ระบบไฟฟ้าไทยที่ประมาณ 50 เฮิรตซ์ ที่เล่าไว้ในบทที่ 3 พูดง่ายๆ คือ ความเร็วรอบการหมุนของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าคือสิ่งที่ "กำหนด" ความถี่ทั้งระบบโดยตรง

ข้อที่สำคัญยิ่งกว่านั้นคือ เครื่องกำเนิดไฟฟ้าทุกเครื่องที่จะต่อเข้าระบบไฟฟ้าเดียวกันทั่วประเทศ ต้อง "หมุนล็อกจังหวะเดียวกัน" เป๊ะๆ ก่อนจะเชื่อมต่อเข้าระบบได้ กระบวนการนี้เรียกว่า การเชื่อมเข้าระบบ (synchronization) ลองนึกภาพนักตบมือในฮอลล์คอนเสิร์ตขนาดยักษ์ ทุกคนต้องรอจังหวะให้ตรงกับจังหวะเพลงที่กำลังเล่นอยู่ก่อนจะเริ่มตบมือร่วมวงด้วย ถ้าใครตบมือผิดจังหวะแทรกเข้าไปกลางวง เสียงก็จะเพี้ยนทันที เครื่องกำเนิดไฟฟ้าก็เช่นกัน ก่อนเชื่อมเข้าระบบ ต้องรอให้จังหวะการหมุนตรงกับจังหวะของทั้งระบบเป๊ะเสียก่อน

มีเกร็ดเล็กๆ ที่คนช่างสังเกตอาจสงสัย เครื่องกำเนิดไฟฟ้าในเขื่อนพลังน้ำหมุนช้ากว่าเครื่องกำเนิดในโรงไฟฟ้าพลังความร้อนมาก อยู่ในหลักร้อยรอบต่อนาทีเท่านั้น แล้วทำไมถึงยังได้ความถี่ประมาณ 50 เฮิรตซ์เท่ากันได้ คำตอบสั้นๆ คือ เครื่องกำเนิดของเขื่อนใช้แม่เหล็กหลายชุดวางเรียงกันรอบตัวเครื่อง แทนที่จะมีแม่เหล็กแค่คู่เดียวเหมือนเครื่องกำเนิดที่หมุนเร็ว ยิ่งมีชุดแม่เหล็กมาก ก็ยิ่งหมุนช้าลงได้โดยยังได้ความถี่เท่าเดิม ไม่ต้องลงลึกไปกว่านี้ แค่รู้ไว้ว่ามีทางลัดแบบนี้อยู่ก็พอ (จะกลับมาเล่าเรื่องเขื่อนอย่างละเอียดในบทที่ 6)

04.5 จากเครื่องกำเนิดสู่สายส่ง

ไฟฟ้าที่ออกจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าโดยตรงมีแรงดันไม่สูงมากนัก อยู่ที่ประมาณ 11,000 ถึง 24,000 โวลต์เท่านั้น แต่แรงดันระดับนี้ยังไม่พอที่จะส่งไปไกลๆ ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ตามเหตุผลเรื่องแรงดันสูง-กระแสต่ำ-การสูญเสียต่ำที่เล่าไว้ในบทที่ 2 ดังนั้นทันทีที่ไฟฟ้าออกจากเครื่องกำเนิด มันจะถูกส่งเข้าหม้อแปลงเพื่อยกแรงดันขึ้นทันทีเป็นระดับประมาณ 230,000 หรือ 500,000 โวลต์ ตามแผนที่เส้นทางไฟฟ้าที่เล่าไว้ในบทที่ 2 เช่นกัน

นี่คือเหตุผลว่าทำไมโรงไฟฟ้าแทบทุกแห่งถึงมี "ลานหม้อแปลง" หรือ switchyard ตั้งอยู่ข้างๆ ตัวโรงไฟฟ้าเสมอ เป็นลานเปิดโล่งเต็มไปด้วยเสาโครงเหล็กและอุปกรณ์ไฟฟ้าแรงสูง ทำหน้าที่เป็นจุดเปลี่ยนผ่านระหว่างไฟฟ้าที่เพิ่งผลิตเสร็จใหม่ๆ กับสายส่งแรงสูงที่จะพาไฟฟ้าเดินทางออกไปทั่วประเทศ

เมื่อเข้าใจแล้วว่าหัวใจของโรงไฟฟ้าทุกแห่งคือกังหันกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ทำงานร่วมกันแบบนี้ ที่เหลือของภาคที่ 2 ในหนังสือเล่มนี้ก็คือทัวร์พาไปดูว่าโรงไฟฟ้าแต่ละชนิดเอาอะไรมา "หมุนกังหัน" กันบ้าง เริ่มจากโรงไฟฟ้าพลังความร้อนในบทถัดไป

สรุปท้ายบท

คำศัพท์ในบทนี้

ทบทวนความเข้าใจ