กังหันไอน้ำแบบสกัดคืออะไร และใช้ที่ใด?

กังหันไอน้ำแบบสกัดไอน้ำผลิตกำลังกลหรือไฟฟ้า โดยเบี่ยงไอน้ำบางส่วนออกจากทางไหลที่จุดขั้นกลางหนึ่งจุดหรือหลายจุด ไอน้ำที่สกัดออกมาสามารถให้ความร้อนแก่กระบวนการอุตสาหกรรม เครือข่ายทำความร้อนส่วนกลาง หรืออุปกรณ์ภายในโรงไฟฟ้าเองได้ ส่วนไอน้ำที่เหลืออยู่ในกังหันจะขยายตัวต่อไปและผลิตกำลังเพิ่มเติม

ข้อแตกต่างสำคัญคือ การสกัดไอน้ำทำให้มีทางออกของไอน้ำก่อนถึงทางระบายไอน้ำขั้นสุดท้ายของกังหัน วิธีนี้ช่วยให้สามารถนำความร้อนไปใช้ประโยชน์ควบคู่กับการผลิตกำลัง แต่ก็เปลี่ยนปริมาณไอน้ำที่เหลือสำหรับผลิตกำลังในขั้นถัดไป ประโยชน์ของการจัดระบบนี้ขึ้นอยู่กับความต้องการไอน้ำของสถานที่เป็นหลัก รวมถึงการเปลี่ยนแปลงของความต้องการดังกล่าวในแต่ละช่วงเวลา

กังหันไอน้ำแบบสกัดไอน้ำทำงานอย่างไร?

ไอน้ำเข้าสู่กังหันที่ความดันและอุณหภูมิค่อนข้างสูง เมื่อไหลผ่านแถวใบพัดที่เรียงต่อกัน ไอน้ำจะขยายตัวและถ่ายเทพลังงานไปยังเพลาหมุน เพลาสามารถขับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าหรืออุปกรณ์กล เช่น คอมเพรสเซอร์หรือปั๊ม

ที่ขั้นกลางที่เลือกไว้ ไอน้ำบางส่วนจะออกทางจุดต่อสำหรับสกัดไอน้ำ ความดันและอุณหภูมิของไอน้ำขึ้นอยู่กับตำแหน่งที่สกัดและสภาวะการทำงาน ไอน้ำที่เหลือจะไหลผ่านขั้นถัดไปจนถึงทางระบายไอน้ำของกังหัน

ลองพิจารณาโรงงานที่ต้องการทั้งไฟฟ้าและไอน้ำความดันปานกลางสำหรับกระบวนการผลิต แทนที่จะส่งไอน้ำทั้งหมดจากหม้อไอน้ำผ่านกังหันไปจนถึงความดันต่ำสุด โรงงานสามารถเบี่ยงไอน้ำบางส่วนออกที่ความดันขั้นกลางซึ่งเหมาะกับกระบวนการ ไอน้ำที่สกัดออกมาจะถ่ายเทความร้อนในอุปกรณ์กระบวนการ และสามารถรวบรวมคอนเดนเสทที่ได้แล้วส่งกลับเข้าสู่ระบบหม้อไอน้ำได้ เมื่อสภาวะเอื้ออำนวย

การสกัดไอน้ำไม่ได้สร้างพลังงานเพิ่มเติม ไอน้ำที่ถูกนำออกก่อนถึงขั้นสุดท้ายของกังหันจะไม่สามารถผลิตกำลังในส่วนนั้นได้อย่างที่อาจทำได้ ประโยชน์ที่อาจเกิดขึ้นมาจากการนำพลังงานความร้อนที่ยังเหลืออยู่ในไอน้ำที่สกัดออกมาไปใช้ แทนที่จะปล่อยให้เป็นความร้อนทิ้ง

การสกัดไอน้ำแบบควบคุมและไม่ควบคุม

จุดสกัดไอน้ำแต่ละจุดไม่ได้ทำงานในลักษณะเดียวกัน ในระบบสกัดไอน้ำแบบควบคุม วาล์วและระบบควบคุมกังหันจะควบคุมสภาวะบริเวณจุดสกัด เพื่อช่วยรักษาความดันไอน้ำให้เป็นไปตามค่าที่กำหนดเมื่อความต้องการเปลี่ยนแปลง วิธีนี้อาจเหมาะเมื่อกระบวนการต้องการไอน้ำที่มีความดันจ่ายค่อนข้างคงที่ อย่างไรก็ตาม อัตราการไหลและความดันของไอน้ำที่สกัดได้ยังคงขึ้นอยู่กับการออกแบบกังหันและขีดจำกัดในการทำงาน

ในระบบสกัดไอน้ำแบบไม่ควบคุม ไอน้ำจะถูกนำออกจากขั้นกลางโดยไม่มีระบบควบคุมเฉพาะสำหรับความดัน ณ จุดสกัด ความดันดังกล่าวจะเปลี่ยนแปลงตามโหลดกังหันและอัตราการไหลของไอน้ำ การสกัดไอน้ำแบบไม่ควบคุมอาจเหมาะกับกรณีที่อุปกรณ์ที่เชื่อมต่อรองรับความเปลี่ยนแปลงเหล่านั้นได้ เช่น ระบบทำความร้อนน้ำป้อนบางประเภท

กังหันหนึ่งเครื่องอาจมีจุดสกัดไอน้ำมากกว่าหนึ่งจุด เพื่อจ่ายไอน้ำในระดับความดันที่ต่างกัน อย่างไรก็ตาม จุดต่อเพิ่มเติมแต่ละจุดต้องสอดคล้องกับสมดุลไอน้ำและระบบควบคุมโดยรวม ไม่ควรสันนิษฐานว่าจุดสกัดทุกจุดจะสามารถจ่ายไอน้ำที่ความดันซึ่งควบคุมได้อย่างเป็นอิสระ

กังหันแบบสกัดไอน้ำ-ควบแน่นและแบบสกัดไอน้ำ-ไอเสียความดันย้อนกลับ

คำว่า “สกัดไอน้ำ” อธิบายตำแหน่งที่นำไอน้ำออกจากกังหัน แต่ไม่ได้ระบุด้วยตัวเองว่าไอน้ำที่เหลือจะถูกจัดการอย่างไร รูปแบบที่พบได้ทั่วไปสองแบบมีสภาวะไอเสียขั้นสุดท้ายแตกต่างกัน

กังหันแบบสกัดไอน้ำ-ควบแน่น จะส่งไอน้ำที่เหลือผ่านขั้นความดันต่ำ แล้วเข้าสู่คอนเดนเซอร์ ภายใต้สภาวะการควบแน่นปกติ คอนเดนเซอร์จะทำงานที่ความดันต่ำกว่าความดันบรรยากาศ ซึ่งช่วยให้ไอน้ำขยายตัวได้มากขึ้นและผลิตกำลังได้มากขึ้นจากไอน้ำส่วนที่ไม่ได้สกัดออกมา จำเป็นต้องมีระบบระบายความร้อนเพื่อถ่ายเทความร้อนออกจากคอนเดนเซอร์

กังหันแบบสกัดไอน้ำ-ไอเสียความดันย้อนกลับ จะระบายไอน้ำส่วนที่เหลือออกที่ความดันสูงกว่าความดันบรรยากาศ เพื่อนำไปใช้ทำความร้อนหรือในกระบวนการ แทนการระบายเข้าสู่คอนเดนเซอร์สุญญากาศ ดังนั้นจึงสามารถจ่ายไอน้ำได้ทั้งจากจุดสกัดขั้นกลางและจากทางระบายไอน้ำของกังหัน การผลิตกำลังจะเชื่อมโยงอย่างใกล้ชิดกับปริมาณไอน้ำที่ผู้ใช้ความร้อนซึ่งเชื่อมต่ออยู่สามารถรับได้ เว้นแต่ระบบโดยรวมจะมีทางออกไอน้ำอื่นที่เหมาะสม

การแบ่งประเภทเหล่านี้มีประโยชน์ในการพิจารณารายละเอียดอุปกรณ์ ตัวอย่างเช่น กลุ่มผลิตภัณฑ์กังหันไอน้ำมีทั้งรูปแบบสกัดไอน้ำ-ควบแน่นและสกัดไอน้ำ-ไอเสียความดันย้อนกลับ ความแตกต่างนี้มีความสำคัญ เพราะโรงงานที่ต้องการไอน้ำไอเสียสำหรับกระบวนการที่ความดันต่ำจะมีการจัดระบบไอน้ำแตกต่างจากโรงงานที่ออกแบบโดยใช้คอนเดนเซอร์

ไอน้ำที่สกัดออกมานำไปใช้ที่ใด?

การใช้งานที่เห็นได้ชัดที่สุดคือการผลิตไฟฟ้าและความร้อนร่วมกัน ซึ่งระบบไอน้ำเดียวกันรองรับทั้งการผลิตไฟฟ้าและการให้ความร้อนที่นำไปใช้ประโยชน์ได้ นอกจากนี้ยังมีการสกัดไอน้ำภายในโรงไฟฟ้า แม้จะไม่มีการจ่ายไอน้ำให้กระบวนการอุตสาหกรรมภายนอกก็ตาม

• อุตสาหกรรมเยื่อและกระดาษ: ไอน้ำสามารถรองรับงานต่าง ๆ เช่น การอบแห้งและการให้ความร้อนในกระบวนการอื่น ๆ ขณะที่กังหันผลิตกำลัง ความดันไอน้ำที่ต้องสกัดขึ้นอยู่กับเครือข่ายไอน้ำและสภาวะการทำงานของโรงงาน
• โรงงานเคมีและโรงกลั่น: ไอน้ำความดันขั้นกลางสามารถใช้สำหรับการให้ความร้อนและความต้องการอื่น ๆ ในกระบวนการ อาจต้องใช้ไอน้ำมากกว่าหนึ่งระดับความดัน จึงต้องให้ความสำคัญกับสมดุลไอน้ำของสถานที่ในการออกแบบกังหัน
• การผลิตอาหารและเครื่องดื่ม: ไอน้ำที่สกัดออกมาสามารถใช้สำหรับการให้ความร้อน การปรุงอาหาร การอบแห้ง หรือการทำความสะอาด เมื่อมีระบบไอน้ำที่เหมาะสม ต้องพิจารณาข้อกำหนดด้านคุณภาพไอน้ำและการแยกไอน้ำออกจากผลิตภัณฑ์สำหรับการใช้งานแต่ละประเภท
• ระบบทำความร้อนส่วนกลาง: ไอน้ำที่สกัดออกมาสามารถใช้ให้ความร้อนแก่น้ำในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ก่อนส่งจ่ายไปยังอาคารต่าง ๆ ความต้องการความร้อนเปลี่ยนแปลงตามสภาพอากาศและฤดูกาล ซึ่งส่งผลต่อทั้งอัตราการไหลของไอน้ำที่สกัดและกำลังไฟฟ้าที่ผลิตได้
• โรงไฟฟ้า: ไอน้ำที่สกัดจากขั้นกลางสามารถใช้ให้ความร้อนแก่น้ำป้อนหม้อไอน้ำก่อนที่น้ำจะกลับเข้าสู่เครื่องกำเนิดไอน้ำ ระบบทำความร้อนแบบป้อนกลับนี้ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพทางอุณหพลศาสตร์ของวัฏจักรไอน้ำ แม้จะลดปริมาณไอน้ำที่มีให้ใช้ในขั้นถัดไปของกังหัน
• ระบบชีวมวล ระบบแปรรูปขยะเป็นพลังงาน และระบบใช้ความร้อนเหลือทิ้ง: เมื่อแหล่งพลังงานเหล่านี้ผลิตไอน้ำที่เหมาะสม การสกัดไอน้ำสามารถรองรับผู้ใช้ความร้อนควบคู่กับการผลิตกำลังได้ ประโยชน์ของระบบขึ้นอยู่กับความน่าเชื่อถือและช่วงเวลาของทั้งแหล่งจ่ายไอน้ำและความต้องการความร้อน

การใช้งานเหล่านี้ไม่ได้หมายความว่าสถานประกอบการทุกแห่งจำเป็นต้องใช้ระบบสกัดไอน้ำ โรงงานที่ไม่มีการใช้งานไอน้ำความดันขั้นกลางอย่างเหมาะสมอาจไม่มีเหตุผลมากนักที่จะเบี่ยงไอน้ำออกจากกังหัน ในทางกลับกัน สถานที่ที่มีภาระความร้อนสูงอาจได้รับประโยชน์จากการพิจารณาการสกัดไอน้ำเป็นส่วนหนึ่งของระบบไอน้ำและกำลังโดยรวม

ปัจจัยใดบ้างที่กำหนดว่าระบบสกัดไอน้ำเหมาะสมหรือไม่?

ความดันและอุณหภูมิของไอน้ำต้องพิจารณาก่อนรูปแบบกังหัน ผู้ใช้ความร้อนปลายทางต้องได้รับไอน้ำในสภาวะที่สามารถนำไปใช้ได้ โดยคำนึงถึงการสูญเสียความดันในท่อและอุปกรณ์ควบคุม การเลือกจุดสกัดเพียงเพราะกังหันมีจุดดังกล่าว อาจทำให้ความดันไม่เพียงพอต่อกระบวนการ หรือได้ไอน้ำเกรดสูงเกินความจำเป็น

ต้องพิจารณาความต้องการความร้อนและกำลังไฟฟ้าร่วมกัน หากความต้องการไอน้ำในกระบวนการเพิ่มขึ้น อาจต้องสกัดไอน้ำมากขึ้น ทำให้มีไอน้ำเหลือน้อยลงสำหรับผลิตกำลังในขั้นปลายของกังหัน หากความต้องการความร้อนลดลง ระบบต้องสามารถจัดการกับอัตราการไหลที่เปลี่ยนไปได้ หน่วยแบบสกัดไอน้ำ-ควบแน่นอาจยังส่งไอน้ำในปริมาณที่เหมาะสมไปยังคอนเดนเซอร์ได้ภายในขีดจำกัดการออกแบบ ส่วนระบบไอเสียความดันย้อนกลับจำเป็นต้องมีการใช้งานไอน้ำไอเสียที่เหมาะสม หรือมีแนวทางรองรับอย่างอื่น

การเปลี่ยนแปลงของสภาวะการทำงานมีความสำคัญพอ ๆ กับจุดออกแบบ ตารางการผลิต ภาระความร้อนตามฤดูกาล ปริมาณไอน้ำจากหม้อไอน้ำ และความต้องการของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าล้วนเปลี่ยนแปลงได้ อัตราการไหลของไอน้ำที่สกัดต่ำสุดและสูงสุด ช่วงการควบคุมความดัน ขีดจำกัดการรับโหลดของกังหัน และสภาวะการเริ่มเดินเครื่อง ล้วนช่วยกำหนดว่าระบบจะรองรับสถานที่ได้ตลอดการเปลี่ยนแปลงเหล่านั้นหรือไม่

ระบบคอนเดนเสทและการระบายความร้อนส่งผลต่อทั้งระบบ การนำคอนเดนเสทที่สะอาดกลับมาใช้สามารถลดความต้องการน้ำทดแทนและช่วยประหยัดความร้อนได้ แต่รูปแบบการส่งกลับขึ้นอยู่กับสภาวะของกระบวนการและความเสี่ยงจากการปนเปื้อน กังหันแบบควบแน่นยังต้องมีระบบระบายความร้อนและจัดการคอนเดนเสทที่เหมาะสม ควรพิจารณาข้อกำหนดเหล่านี้ควบคู่กับศักยภาพในการผลิตกำลังที่สูงขึ้น

ดังนั้น ควรทำความเข้าใจกังหันแบบสกัดไอน้ำว่าเป็นวิธีจัดสรรพลังงานจากไอน้ำระหว่างการผลิตกำลังกับการใช้งานด้านความร้อนที่เป็นประโยชน์หนึ่งรายการหรือหลายรายการ ความเหมาะสมไม่ได้ขึ้นอยู่กับตัวกังหันเพียงอย่างเดียว แต่ยังขึ้นอยู่กับความดัน อัตราการไหล ตารางการทำงาน และอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อในระบบไอน้ำทั้งหมด