.

KNOWLEDGE

เรียนรู้เรื่องราวต่างๆมากมายเกี่ยวกับก๊าซธรรมชาติ กับ ปตท.

Combustion Requirements

ก๊าซธรรมชาติประกอบไปด้วยส่วนที่เผาไหม้ได้ (Combustible) และอีกส่วนที่ไม่เผาไหม้ (Non-combustible หรือ Inert) ซึ่งองค์ประกอบของก๊าซธรรมชาติของ ปตท. เป็นดังนี้

Combustible

Non-combustible

*อ้างอิงจาก ONLINE Gas Chromatograph ณ ตำแหน่ง DPCU อำเภอมาบตาพุต จังหวัดระยอง ณ วันที่ 30/09/58

Stoichiometry

คำว่า Stoichiometry (อ่านว่า สตอยชิโอเมทรี) เป็นสาขาวิชาหนึ่งในวิชาเคมี ที่ว่าด้วยเรื่องการรวมตัวสารต่างๆ เข้าด้วยกันตามสัดส่วนคงที่ ก๊าซธรรมชาติประกอบด้วยก๊าซหลายชนิดรวมกันอยู่ มีคุณสมบัติเบากว่าอากาศ ไม่มีสี ไม่มีกลิ่น ไม่เป็นอันตรายต่อพืชและสัตว์ และมีสถานะเป็นก๊าซที่ความดันบรรยากาศ ก๊าซธรรมชาติส่วนใหญ่จะประกอบด้วยก๊าซมีเทน (CH4) ประมาณ 70-80% ส่วนที่เหลือประกอบด้วยก๊าซอีเทน (C2H6) ก๊าซโพรเพน (C3H8) ก๊าซบิวเทน (C4H10) ก๊าซเพนเทน (C5H12) ก๊าซเฮกเซน (C6H14) ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ก๊าซไนโตรเจน (N2) น้ำ (H2O) นอกจากนี้ในบางครั้งอาจพบส่วนประกอบอื่น ๆ อีกเช่น ก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟด์ (H2S)

ปฏิกิริยาการเผาไหม้ของก๊าซธรรมชาตินั้นคือ เมื่อเกิดการเผาไหม้ที่สมบูรณ์ ผลที่ได้จะประกอบด้วย ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) และน้ำ (H2O) ซึ่งในอากาศ (AIR) ประกอบด้วย ก๊าซออกซิเจน (O2) ประมาณ 21% และก๊าซไนโตรเจน (N2) ประมาณ 79% หรือสัดส่วนของ O2 : N2 = 1 : 3.76 โดยปริมาตร ดังนั้นในกรณีของก๊าซมีเทน 100% (ง่ายแก่ความเข้าใจ) สมการการเผาไหม้สามารถเขียนได้ดังนี้

การเผาไหม้ของก๊าซมีเทนโดยใช้ก๊าซออกซิเจนจากอากาศ จะเขียนได้ดังนี้

อัตราส่วนของอากาศที่ใช้ในการสันดาปหรือการเผาไหม้ที่สมบูรณ์ เทียบกับปริมาณของก๊าซ จะเรียกว่า Stoichiometric ratio จากการเผาไหม้ที่สมบูรณ์ของก๊าซมีเทน (CH4) 1 ส่วน จะใช้ก๊าซออกซิเจน 2 ส่วน ซึ่งก๊าซออกซิเจนนี้จะถูกดึงจากอากาศ 9.52 ส่วน (Oxygen 2 ส่วนและ Nitrogen 7.52 ส่วน) ดังนั้น Stoichiometric ratio ของก๊าซมีเทนจะเท่ากับ 9.52 Vol air / Vol Fuel แต่ในทางปฏิบัติเป็นการยากที่จะควบคุมปริมาณอากาศที่ใช้ในการเผาไหม้ให้พอดี โดยทั่วๆ ไปจะพยายามควบคุมให้ปริมาณอากาศต่อปริมาณก๊าซเชื้อเพลิงมากกว่า Stoichiometric ratio เล็กน้อยเพื่อให้มั่นใจว่าการเผาไหม้สมบูรณ์จากตัวอย่างการเผาไหม้ของหม้อต้มน้ำ (Boiler ) กราฟเปรียบเทียบระหว่างประสิทธิภาพและปริมาณอากาศ ปริมาณออกซิเจน จะพบว่าที่ค่าประสิทธิภาพสูงสุดในการเผาไหม้จะพบปริมาณอากาศที่ 15% และออกซิเจนที่ 3%

ปัจจัยในการเผาไหม้ที่สมบูรณ์ (Factors of complete combustion)

ในการการเผาไหม้ไม่สมบูรณ์นั้นจะมีผลทำให้เกิดการก่อตัวขึ้นของคาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) ซึ่งการเผาไหม้ไม่สมบูรณ์ที่เกิดขึ้นนั้นจะทำให้ระดับประสิทธิภาพการให้พลังงานความร้อน (thermal efficiency) ลดลง เนื่องจากสาเหตุของ

  • การนำพาความร้อนออกทิ้งไปโดยไอเสียของการเผาไหม้ (Fuel gases)

  • เชื้อเพลิงที่ถูกเผาไหม้ไม่หมดที่ถูกปล่อยทิ้งไปทางปล่องไอเสีย

ดังนั้นการปรับแต่งเครื่องจักรเพื่อให้การเผาไหม้ภายในเครื่องจักรเป็นการเผาไหม้แบบสมบรูณ์ โดยเบื้องต้นสามารถพิจารณาการปรับแต่งค่าดังนี้

1. อัตราส่วน อากาศต่อก๊าซ (Air/Gas ratio) ซึ่งโดยทฤษฎีแล้ว การเผาไหม้สมบรูณ์แบบ Stoichiometric จะมีอัตราส่วน Air/Gas ratio เท่ากับ 1 ต่อ 9.52 หรือประมาณ 10 ดังนั้นหากถ้าสัดส่วนของก๊าซ มากกว่า อากาศ จะมีปริมาณก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) เกิดใน Product of Combustion ซึ่ง CO ยังมีพลังงานอยู่ ต้องใช้ก๊าซมากขึ้นจึงจะได้พลังงานเท่าเดิม และมีผลเสียต่อสิ่งแวดล้อม และในทางตรงกันข้ามหากสัดส่วนของก๊าซ น้อยกว่า อากาศ จะมีปริมาณก๊าซออกซิเจน (O2) เกิดขึ้นใน Product of Combustion ปริมาณ O2 และอากาศที่ถูกปล่อยทิ้ง ทำให้ความร้อนสูญเสียไป ต้องใช้ก๊าซมากขึ้นจึงจะได้พลังงานเท่าเดิม

นอกจากการตั้งอัตราส่วนที่ถูกต้องบริเวณอุปกรณ์ตั้ง Air/Gas ratio แล้วนั้น การตรวจวัดประสิทธิภาพจากอากาศเสียจากปล่องด้วยเครื่องมือ Flue Gas Analyzer เพื่อตรวจวัดค่าที่เหลือออกมาหลังจากการเผาไหม้ จะเป็นอีกทางหนึ่งในการตรวจสอบการเผาไหม้ โดยมาตรฐานอากาศเสียที่ระบายออกจากโรงงานทั่วไป (ประกาศกระทรวงอุตสาหกรรม พ.ศ. 2549)

    CO ไม่เกิน 690 ppm

    NOx ไม่เกิน 200 ppm

โดย ระบบปิดให้คำนวณผลที่สถานะ 1 atm , 25 องศาเซลเซียส , 7% Excess O2

ระบบเปิดให้คำนวณผลที่สถานะ 1 atm , 25 องศาเซลเซียส โดยมีปริมาตร Excess O2สภาวะจริงขณะตรวจวัด มาตรฐาน IGU (International Gas Union) กำหนด CO/CO2 ไม่เกิน 0.02

2. ความยาวของเปลวเป็นอีกปัจจัยหนึ่ง โดยความยาวของเปลวนั้นจะมีความแตกต่างตามการออกแบบของอุปกรณ์หรือหัวเผา แต่โดยทฤษฎีแล้วความยาวเปลวนั้นเกิดจากความสัมพันธ์ระหว่างความเร็วในการเผาไหม้ (Burning Velocity: Su) และความเร็วเชื้อเพลิง (Effux velocity Ug)

  • อัตราเร็วการป้อนเชื้อเพลิงเข้าสู่หัวเผาเร็วกว่า Flame Speed เปลวไฟจะยาว อัตราการเผาไหม้ช้า เปลวไฟจะถูกอากาศเป่าลอยไป (Flame Lift) จนอาจทำให้เปลวดับได้

  • อัตราเร็วการป้อนเชื้อเพลิงเข้าสู่หัวเผาช้ากว่า Flame Speed เปลวไฟจะสั้น อัตราการเผาไหม้เร็ว เปลวไฟจะเผาย้อนเข้า Nozzle (Flame Light- Back) และเกิดความเสียหายที่ Nozzle ได้

3. ค่าความคงที่ของเปลวไฟ (Flame stability) ซึ่งการปรับปริมาณส่วนผสมระหว่างก๊าซฯและอากาศอย่างพอดีจะทำให้เปลวไฟเสถียร เปลวไฟนิ่ง และมีรูปทรงที่แน่นอน จึงไม่ควรปรับมากเกินความสามารถของหัวเผา Wobbe Index คืออีกปัจจัยหนึ่งที่ทำให้ความคงที่ของเปลวเปลี่ยนไป โดยหากค่า Wobbe Index สูงหรือต่ำกว่าที่อุปกรณ์หัวเผาออกแบบไว้ จะเกิดการเผาไหม้ที่ไม่เสถียร หรืออาจรุนแรงถึงขั้นเปลวดับ(จุดไม่ติด)

ชนิดของเปลวไฟ (Classification of Flames)

1. Non-aerated Flames: เป็นเปลวไฟที่เกิดจากการเผาไหม้โดยได้รับอากาศจากบรรยากาศ โดยรอบของเปลวไฟ โดยกระบวนการแทรกซึมและแพร่กระจายของอากาศเข้าไปในเปลวไฟ จึงมีชื่อเรียกอีกอย่างหนึ่งว่า "Diffusion Flames"

2. Partially Aerated Flames : เป็นเปลวไฟที่เกิดจากการเผาไหม้ โดยกำหนดปริมาณ ของอากาศประมาณครึ่งหนึ่งของปริมาณอากาศที่จำเป็นในการเผาไหม้ ทั้งนี้ อากาศปริมาณครึ่งหนึ่ง จะถูกผสมกับเชื้อเพลิงก่อนการสันดาป (เรียกอากาศชุดนี้ว่า "Primary Air") เปลวไฟลักษณะนี้ จะมีโครงสร้างเป็น 2 ชั้น คือ ชั้นรูปกรวยภายใน (Inner cone) และชั้นนอก (Outer cone) ในช่วง Preheat ส่วนผสมของก๊าซ และอากาศจะถูกเผาไหม้ได้อุณหภูมิสูงถึง 700 K ถึง 1000 K ช่วง Primary เป็นส่วนของปฏิกิริยาทางเคมีของส่วนผสม (ก๊าซและอากาศ) ซึ่งอุณหภูมิจะสูงได้ถึงกว่า 2000 K

3. Fully Aerated Flames: เปลวไฟชนิดนี้จะไม่มีส่วนของ Outer Mantle ของเปลวไฟ (Secondary Combustion Zone) เนื่องจากปริมาณอากาศที่จำเป็นต้องใช้ในการเผาไหม้ ทั้งหมดได้ถูกผสมเข้ากับเชื้อเพลิงก่อนสันดาปแล้ว และไม่จำเป็นต้องอาศัยอากาศโดยรอบเปลวไฟ

วิธีการจ่ายก๊าซและอากาศเข้าสู่ Burner

เปลวไฟชนิดนี้จะไม่มีส่วนของ Outer Mantle ของเปลวไฟ (Secondary Combustion Zone) เนื่องจากปริมาณอากาศที่จำเป็นต้องใช้ในการเผาไหม้ ทั้งหมดได้ถูกผสมเข้ากับเชื้อเพลิงก่อนสันดาปแล้ว และไม่จำเป็นต้องอาศัยอากาศโดยรอบเปลวไฟ

ค่าความร้อน (Calorific Value, CV)

ก๊าซที่เป็นเชื้อเพลิงนั้นจะมีพลังงานอยู่ภายใน ซึ่งเราทำการเผาเพื่อนำพลังงานออกมาใช้ ค่าความร้อนของเชื้อเพลิงต่างๆ (ของแข็ง ของเหลว หรือก๊าซ) นั้นจะกำหนดโดยปริมาณความร้อนที่ถูกปลดปล่อยออกมา โดยการเผาไหม้เชื้อเพลิง (ก๊าซ) ปริมาตร 1 ลูกบาศก์เมตรอย่างสมบูรณ์ เมื่อผลิตภัณฑ์อยู่ที่อุณหภูมิเริ่มต้นของเชื้อเพลิง และตัว Oxidant โดยสามารถแสดงได้ดังรูป

หน่วยของค่าความร้อนสำหรับของแข็งและของเหลว คือ Megajoules ต่อกิโลกรัม (MJ/kg) และ สำหรับเชื้อเพลิงที่เป็นก๊าซ จะใช้หน่วย Megajoules ต่อลูกบาศก์เมตร (MJ/m3) หน่วยของค่าความร้อนสำหรับ British Gas Industry (British thermal units per cubic foot, Btu/ft3) ที่ใช้เป็นหน่วยความร้อนสากลหรือ Btu นั้นจะอ้างอิง 1 ลูกบาศก์ฟุตมาตรฐานที่อุณหภูมิ 60?F และความดัน 30 นิ้วปรอท สำหรับระบบ Metric นั้น หน่วยที่ใช้คือ MJ/m3 ซึ่งวัด 1 ลูกบาศก์เมตรที่สภาวะมาตรฐานของ Metric ที่อุณหภูมิ 15?C และ 1.01325 bar นอกจากนี้ อาจมีการใช้หน่วยของพลังงานในลักษณะอื่น อาทิ Therm ซึ่ง 1 Therm จะเท่ากับ 105 Btu

น้ำ (ในสถานะก๊าซ) เป็นหนึ่งในผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นจากการเผาไหม้ (Products of Combustion) ถ้าไอน้ำถูกควบแน่นให้กลายเป็นของเหลว ค่า CV จะที่ได้นั้นจะหมายถึง Gross CV และในทางกลับกัน ถ้าน้ำอยู่ในสถานะก๊าซ (ซึ่งเกิดขึ้นเสมอในทางปฏิบัติ) ค่า CV ที่ได้นั้นจะหมายถึง Net CV

ดังนั้น จึงมีความสำคัญที่จะต้องรู้และเข้าใจว่าการวัดปริมาตรนั้นอ้างอิงที่อุณหภูมิและความดันใด รวมทั้งเชื้อเพลิงก๊าซนั้นอยู่ในสภาวะที่แห้ง หรืออิ่มตัวด้วยไอน้ำ

ความหมายของ Gross CV และ Net CV

ปฏิกิริยาการเผาไหม้ของก๊าซธรรมชาตินั้นคือ เมื่อเกิดการเผาไหม้ที่สมบูรณ์ ผลที่ได้ จะประกอบด้วย ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) และน้ำ (H2O) (หากเป็นการเผาไหม้ที่สมบูรณ์)

Net CV คือ ค่าความร้อน ที่ได้จากการเผาไหม้โดยตรง ไม่รวมความร้อนที่น้ำใช้การเปลี่ยนสถานะจาก ของเหลว เป็นไอ (ความร้อนแฝง, Latent heat) หากนับรวมความร้อนแฝงที่ จะเรียกค่าความร้อนนี้ว่า Gross CV สามารถเขียนตามสมการได้ดังนี้

    Gross CV = Net CV + ความร้อนที่คายออกมาจากการควบแน่นมาเป็น H2O ที่ 15?C

ควรจำไว้ว่า เมื่อน้ำจะเป็นสถานะไอน้ำจะดูดซับความร้อน แต่เมื่อไอน้ำจะควบแน่นเป็นน้ำจะคายความร้อน ค่าความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอ (Latent Heat หรือ Enthalpy of Vaporization) ของน้ำคือ 2.466 MJ/kg หมายความว่าน้ำที่มีสถานะเป็นของเหลวหนัก 1 kg ดูดซับพลังงานเข้าไป 2.466 MJ จะเปลี่ยนสถานะจากของเหลวเป็นไอน้ำ ดังสมการ

    H2O (liquid) = H2O (gas) + 2.466 MJ/kg

สามารถเขียนอธิบายความหมายของ Net CV และ Gross CV ในรูปของค่าเอนทัลปีของการกลายเป็นไอของน้ำ ได้ดังสมการ

    & Net CV = Gross CV - (มวลของน้ำ x 2.466 MJ/kg)

เมื่อค่าเอนทัลปีของการเป็นไอของน้ำ = 2.466 MJ/kg ณ 15?C

หัวเผา (Burner)

หัวเผาเป็นอุปกรณ์ซึ่งทำหน้าป้อนเชื้อเพลิงของเหลว หรือก๊าซ มาผสมกับอากาศ จากนั้นจึงจุดติดไฟก่อให้เกิดการเผาไหม้ ให้พลังงานความร้อนออกมา ในกรณีหม้อน้ำที่ใช้เชื้อเพลิงแข็งทั่วไปจะไม่มีการใช้หัวเผา แต่เนห้องเผาไหม้แทน ส่วนกรณีใช้ถ่านหินเป็นเชื้อเพลิง สามารถใช้หัวเผาถ่านหิน (Coal burner) ได้ เนื่องจากมีเชื้อเพลิงที่หลากหลาย จึงมีการแบ่งชนิดของหัวเผาตามชนิดของเชื้อเพลิงได้ 2 กลุ่มหลักได้แก่ หัวเผาเชื้อเพลิงเหลว และหัวเผาเชื้อเพลิงก๊าซ

1. หัวเผาไหม้เชื้อเพลิงเหลว

หัวเผาไหม้เชื้อเพลิงเหลวหรือน้ำมัน (Liquid fuel burner) ทุกประเภทจะมีขั้นตอนการทำงานที่สำคัญเหมือนกัน 2 ขั้นตอน คือ Filming ซึ่งเป็นขั้นตอนทำให้น้ำมันก่อตัวเป็นแผ่นฟิล์มบางมากๆ (Oil film) และ Disintegration คือขั้นตอนทำให้แผ่นน้ำมันบางที่เกิดจากขั้นตอนแรกแตกกระจายเป็นอนุภาคเล็กๆ (Oil droplet) โดยอาศัยความไม่เสถียรที่มีอยู่ในตัวของแผ่นน้ำมันบางเองหรือโดยใช้ของไหลอื่นมาทำให้แตกตัวสำหรับหัวเผาเชื้อเพลิงเหลวหรือน้ำมันสามารถแบ่งได้ 3 ลักษณะ คือ

    1.1) หัวเผาแบบพ่นฝอยโดยใช้ความดันน้ำมัน (Pressure atomized burner)

หัวเผาแบบพ่นฝอยโดยใช้ความดันน้ำมัน อาศัยความดันของน้ำมันเพื่อฉีดเป็นฝอย หัวเผาแบบนี้เหมาะสำหรับหม้อน้ำขนาดใหญ่ เช่น ในเรือเดินสมุทรและเครื่องจักรผลิตไฟฟ้า

หัวเผาแบบพ่นฝอยโดยใช้ความดันน้ำมัน สามารถแบ่งตามลักษณะการไหลของน้ำมันผ่านหัวฉีดได้เป็น 2 แบบ คือ หัวฉีดแบบไม่มีน้ำมันไหลกลับ (Non-Oil return or non-recirculation nozzle) และ หัวฉีดแบบมีน้ำมันไหลกลับ (Oil return or recirculation nozzle)

    ข้อดีและข้อเสียของหัวเผาแบบใช้ความดันน้ำมันเป็นดังนี้

    1.2) หัวเผาแบบพ่นฝอยโดยใช้น้ำหรืออากาศ (Steam or air atomized burner)

หัวเผาแบบพ่นฝอยโดยใช้น้ำหรืออากาศ หรือเรียกหัวเผาแบบไหลคู่ (Twin-fluid atomized burner) เป็นหัวเผาใช้ลมหรืออน้ำเพื่อฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงให้เป็นฝอยหลักการทำงานคือ น้ำมันไหลผ่านในท่อขนาดเล็กซึ่งวางเรียงตัวกันอยู่ด้านในของท่อใหญ่ โดนมีอากาศหรือไอน้ำภายใต้ความดันสูงไหลผ่านในท่อด้านนอก ที่ปลายท่อทั้งสอง น้ำมันและอากาศหรือไอน้ำ จะถูกเป่าให้กระทบกันจึงทำให้น้ำมันแตกตัวเป็นฝอยเล็กๆ

หัวเผาแบบพ่นฝอยโดยใช้น้ำหรืออากาศ สามารถแบ่งตามความดันลมหรือไอน้ำที่ใช้ในการเป่ากระทบน้ำมันเป็นฝอยได้เป็น 3 แบบ คือ หัวเผาแบบความดันต่ำ (Low pressure burner, ประมาณ 1.08 บาร์) หัวเผาแบบความดันปานกลาง (Medium pressure burner, ประมาณ 1.25-2.00 บาร์) และหัวเผาแบบความดันสูง (High pressure burner, ประมาณ 2.00-4.45 บาร์)

    ข้อดีและข้อเสียของหัวเผาแบบพ่นฝอยโดยใช้น้ำหรืออากาศ เป็นดังนี้

    1.3) หัวเผาแบบใช้แรงเหวี่ยงของถ้วยหมุน (Rotary cup burner)

หัวเผาแบบใช้แรงเหวี่ยงของถ้วยหมุน อาศัยแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางเพื่อกระจายน้ำมันให้เป็นฝอย การทำงานของหัวเผาชนิดนี้คือ น้ำมันถูกป้อนทางท่อด้านในของกรวยที่กำลังหมุนรอบแกนด้วยความเร็วรอบประมาณ 3,500-4,000 รอบต่อนาที ทำให้น้ำมันถูกเหวี่ยงแนผนังด้านในถ้วยแผ่ออกเป็นแผ่นบาง และถูกสะบัดออกจากถ้วย ทำให้เป็นฝอยละเอียด จากนั้นจึงระเหยเป็นไอ และติดไฟทันที หัวเผาแบบนี้เหมาะใช้กับน้ำมันที่มีความหนืดสูง เช่น น้ำมันเตา เป็นต้น

    ข้อดีและข้อเสียของหัวเผาแบบใช้แรงเหวี่ยงของถ้วยหมุน เป็นดังนี้

2. หัวเผาไหม้เชื้อเพลิงก๊าซ (Gas fuel burner)

หัวเผาไหม้เชื้อเพลิงก๊าซ คือหัวเผาที่ออกแบบมาสำหรับใช้ในการสันดาปเชื้อเพลิงก๊าซสามารถแบ่งหัวเผาเชื้อเพลิงก๊าซตามขั้นตอนในการผสมเชื้อเพลิงก๊าซกับอากาศได้เป็น 2 ลักษณะใหญ่ๆคือ

    2.1 หัวเผาเชื้อเพลิงก๊าซแบบผสมเชื้อเพลิงกับอากาศก่อนป้อนเข้าเผาไหม้ (Pre-mix gas burner)

หัวเผาลักษณะนี้จะมีห้องผสมเชื้อเพลิงก๊าซให้เข้ากันกับอากาศก่อนที่จะป้อนเข้าสู่ห้องเผาไหม้หรือหัวเผา ลักษณะดังรูป

    2.2 หัวเผาเชื้อเพลิงก๊าซแบบผสมกันภายในหัวเผา (Nozzle-mix gas burner)

หัวเผาลักษณะนี้จะไม่มีห้องผสมเชื้อเพลิงก๊าซให้เข้ากันกับอากาศ แต่จะเป็นการป้อนเชื้อเพลิงก๊าซและอากาศเข้าพร้อมกันที่บริเวณด้านหน้าหัวเผา ดังนั้นเชื้อเพลิงและอากาศจะผสมกันและเกิดการสันดาปขึ้นบริเวณหน้าหัวเผา

ที่มา:: ความปลอดภัยในการใช้งานหม้อน้ำ,โครงการถ่ายทอดเทคโนโลยีด้านความปลอดภัยแก่สถานประกอบการ, กรมโรงงานอุตสาหกรรม, กระทรวงอุตสาหกรรม, กรุงเทพฯ, 2553.

Co-generation

Co-generation หรืออีกชื่อว่า Combined Heat and Power คือนำเชื้อเพลิงเช่น ก๊าซธรรมชาติมาผลิตพลังงานไฟฟ้าและความร้อนเพื่อนำไปใช้งานให้เกิดประโยชน์สูงสุด ซึ่งการผลิตไฟฟ้าและความร้อนร่วมกันจะมีประสิทธิภาพโดยรวมดีกว่าการผลิตแยกกันมาก โดยระบบ Co-generation สามรถใช้ได้ทั้ง Gas turbine, Gas Engine หรือ Steam Boiler + Steam Turbine ในการผลิตไฟฟ้า โดยในที่นี้จะขอกล่าวถึงระบบ Co-generation ที่ใช้ Gas turbine เป็นหลัก

โดยทั่วไประบบ Co-generation จะมีประสิทธิภาพในการใช้พลังงานโดยรวมสูงกว่าการผลิตไฟฟ้าและความร้อนแยกกัน จากรูป Sankey-diagram จะแสดงให้เห็นว่าระบบ Co-generation ใช้พลังงานจากเชื้อเพลิง 100 หน่วยเปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้า 40 หน่วย พลังงานความร้อนอีก 50 หน่วย และที่เหลือเป็นพลังงานที่สูญเปล่า 10 หน่วย ในขณะที่การผลิตพลังงานความร้อนและไฟฟ้าแยกกันต้องใช้พลังงานโดยรวมถึง 172 หน่วยเพื่อให้ได้พลังงานไฟฟ้าและความร้อนที่เท่ากัน

Typical Co-generation System

ระบบแบบ Typical Co-generation คือ ระบบที่นำก๊าซธรรมชาติมาผลิตไฟฟ้าส่วนไอเสียจาก Gas Turbine ที่มีอุณหภูมิสูงจะถูกนำไปแลกเปลี่ยนความร้อนให้กับน้ำเพื่อผลิตเป็นไอน้ำไปใช้งานต่อไปโดยทั่วไประบบนี้จะมี Thermal Efficiency ประมาณ 80%

Direct Heating System

ระบบแบบ Direct Heating System คือ ระบบที่นำก๊าซธรรมชาติมาผลิตไฟฟ้าส่วนไอเสียจาก Gas Turbine ที่มีอุณหภูมิสูงจะถูกนำไปใช้ในกระบวนการไล่ความชื้น เช่น Spray Dryer เป็นต้น ซึ่งระบบนี้จะมี Thermal Efficiency ที่สูงกว่าระบบแบบ Typical Co-generation

Combined Cycle System

ระบบแบบ Combined Cycle system คือ ระบบที่นำก๊าซธรรมชาติมาผลิตไฟฟ้าส่วนไอเสียจาก Gas Turbine ที่มีอุณหภูมิสูงจะถูกนำไปแลกเปลี่ยนความร้อนให้กับน้ำเพื่อผลิตเป็นไอน้ำบางส่วนไปใช้ในกระบวนการผลิตได้ด้วย ระบบนี้อาจมี Thermal Efficiency สูงถึง 48%

Heating & Cooling System

ระบบแบบ Heating & Cooling System คือ ระบบที่นำก๊าซธรรมชาติมาผลิตไฟฟ้าส่วนไอเสียจาก Gas Turbine ที่มีอุณหภูมิสูงจะถูกนำไปแลกเปลี่ยนความร้อนให้กับน้ำเพื่อไปใช้กับ Heat Exchanger หรือ Steam Absorption Chiller (S.A.C) เพื่อผลิตน้ำร้อนและน้ำเย็น โดยมากระบบนี้จะถูกใช้กับสถานที่ที่มีระบบทำความร้อนหรือความเย็นให้กับอาคาร

การพิจารณาเลือกระบบ Co-generation

การพิจารณาเลือกระบบ Co-generation ที่ใช้ก๊าซธรรมชาติเป็นเชื้อเพลิงมีหลายลักษณะ ในการเลือกใช้ระบบใดกับอุตสาหกรรม ที่ทำอยู่นั้นต้องพิจารณาจากปัจจัยต่างๆหลายชนิด เช่น

  • ขนาดของระบบ

  • อัตราส่วนระหว่างความร้อนต่อไฟฟ้าที่โรงงานต้องการ (Heat to Power Ratio)

  • ลักษณะการนำพลังงานความร้อนไปใช้

  • ลักษณะของการใช้พลังงานไฟฟ้าและความร้อนในแต่ล่ะวัน (IndDAL.Load Profile)

  • สามารถวางท่อก๊าซธรรมชาติไปยังสถานที่ตั้งโรงงานได้

  • โรงงานต้องการความแน่นอนมีเสถียรภาพของระบบไฟฟ้า (Reliability) อย่างมาก

  • โรงงานมีโครงการในการปรับปรุง/เปลี่ยนแปลง/ติดตั้งระบบ Boiler, Chiller, Cooling System

  • ความคุ้มทุนทางเศรษฐศาสตร์ ความเป็นไปได้ในการขายไฟฟ้าคืนเข้าสู่ระบบให้กับไฟฟ้า

คุณลักษณะที่เหมาะสมกับการติดตั้งระบบ Co-generation

  • มีความต้องการใช้ทั้งพลังงานไฟฟ้า พลังงานความร้อนหรือความเย็นอย่างต่อเนื่องและค่อนข้างแน่นอน

  • มีค่าต้นทุนพลังงานไฟฟ้ามากกว่าพลังงานความร้อน

  • มีชั่วโมงในการทำงานต่อปีมากและต่อเนื่องโดยตลอด

ทั้งนี้ผู้ที่ต้องการติดตั้งระบบ Co-generation ควรคำนึงถึงความพร้อมของบุคลากรในการใช้งานรวมทั้งบำรุงรักษาระบบด้วย

ที่มา:
จุลสารก๊าซไลน์ ปีที่ 25 ฉบับที่ 94 เดือนมกราคม-มีนาคม 2557
http://www.khi.co.jp/english/gasturbine/pdf/gtgs130116.pdf
http://perfect-green.co.uk/perfect-green-power/combined-heat-power/chp-sankey-diagram/