Boiler [EP.7] : ประสิทธิภาพหม้อน้ำขณะใช้งานจริง (In-Service Efficiency)

ประสิทธิภาพของเครื่องจักรกลตามหลักการเชิงวิศวกรรม หมายถึง ศักยภาพในการดึงพลังงานมาใช้ให้เกิดประโยชน์สูงสุดเมื่อเปรียบเทียบกับพลังงานที่ป้อนให้แก่เครื่องจักรกล แสดงดังรูปที่ 1 เช่น ประสิทธิภาพของปั๊มน้ำเป็นการพิจารณาศักยภาพของพลังงานที่น้ำได้รับเมื่อความดันน้ำเพิ่มขึ้นเปรียบเทียบกับพลังงานที่ป้อนให้แก่ปั๊มน้ำ ในทำนองเดียวกันหากพิจารณาประสิทธิภาพของหม้อน้ำ สามารถนิยามโดยใช้หลักการเชิงวิศวกรรม หมายถึง ดัชนีชี้วัดความสามารถในการแปรรูปพลังงานในการเผาไหม้เชื้อเพลิงเปลี่ยนรูปเป็นพลังงานในการผลิตไอน้ำ

ซึ่งประสิทธิภาพที่ได้จะมีค่าลดลงตามความสูญเสียพลังงานในระบบที่เกิดขึ้น เช่น ความสูญเสียพลังงานไปกับผนังหม้อน้ำ (Radiation loss)  และความสูญเสียพลังงานไปกับก๊าซไอเสียร้อน (Exhaust Loss)  เราเรียกประสิทธิภาพชนิดนี้ว่า “ประสิทธิภาพการผลิตไอน้ำ (Fuel to steam efficiency)” เป็นดัชนีที่บ่งบอกถึงความสามารถในการเปลี่ยนพลังงานความร้อนจากเชื้อเพลิงไปเป็นพลังงานที่ใช้ในการผลิตไอน้ำ ซึ่งหม้อน้ำที่ประสิทธิภาพการผลิตไอน้ำมีค่าสูง สามารถแปรความได้ว่า หม้อน้ำลูกนี้มีการใช้เชื้อเพลิงปริมาณน้อยในการผลิตไอน้ำหรือหม้อน้ำลูกนี้สามารถผลิตไอน้ำได้มากแต่ประหยัดเชื้อเพลิง 

ประสิทธิภาพหม้อน้ำขณะใช้งาน (In-service efficiency)

ประสิทธิภาพหม้อน้ำขณะใช้งาน (In-service efficiency) เป็นดัชนีบ่งชี้ศักยภาพการแปรรูปพลังงานที่เกิดประโยชน์ขณะหม้อน้ำกำลังใช้งานในทุกๆย่านของภาระการทำงานของหม้อน้ำ แสดงดังรูปที่ 2 ในการใช้งานหม้อน้ำจริงหน้างานประสิทธิภาพหม้อน้ำขณะใช้งานมีปริมาณน้อยกว่าประสิทธิภาพการผลิตไอน้ำ และจะมีค่าลดลงตามการสูญเสียพลังงานไปกับส่วนต่างๆ ขณะหม้อน้ำกำลังใช้งานได้แก่ Radiation Loss at standby, Changing Loads, Loss at high turndown, Blowdown losses, Pre-purge & Post-purge Losses และ Start-Up Losses ยกตัวอย่าง เช่น หากพลังงานที่ได้จากการเผาไหม้มีค่าเท่ากับ 100%

ในการใช้งานหม้อน้ำมีความสูญเสียพลังงานในรูปแบบต่างๆแสดงดังรูป 2 จะพบว่าสามารถคำนวณหาประสิทธิภาพการผลิตไอน้ำได้เท่ากับ 95% และประสิทธิภาพหม้อน้ำขณะใช้งานได้เท่ากับ 85% ทั้งนี้ประสิทธิภาพหม้อน้ำขณะใช้งานเป็นดัชนีที่นิยมใช้ในการประเมินสมรรถนะของหม้อน้ำแบบไหลผ่านทางเดียว (Once through boiler) ที่บ่งบอกต้นทุนทางพลังงานที่แท้จริงในการใช้งานหม้อน้ำ โดยเลือกใช้ระบบ High In-service efficiency ส่งผลให้ความสูญเสียพลังงานในรูปแบบต่างๆมีค่าน้อยมาก จึงทำให้ประสิทธิภาพหม้อน้ำขณะใช้งานของหม้อน้ำแบบไหลผ่านทางเดียวมีค่าสูงมากกว่า 98%

จากที่กล่าวมา จะเห็นได้ว่าประสิทธิภาพหม้อน้ำขณะใช้งาน (In-service efficiency) เป็นดัชนีที่นิยมใช้ในการประเมินสมรรถนะของหม้อน้ำแบบไหลผ่านทางเดียว (Once through boiler) ที่บ่งบอกต้นทุนทางพลังงานที่แท้จริงในการใช้งานหม้อน้ำ ในทุกๆย่านของภาระการทำงานของหม้อน้ำ ประสิทธิภาพหม้อน้ำขณะใช้งานจะมีค่าลดลงตามการสูญเสียพลังงานไปกับส่วนต่างๆ ขณะหม้อน้ำกำลังใช้งานได้แก่ Radiation Loss at standby, Changing Loads, Loss at high turndown, Blowdown losses, Pre-purge & Post-purge Losses และ Start-Up Losses มีรายละเอียดดังนี้ 

1. Radiation Loss at standby

การ Standby ของหม้อน้ำ เป็นช่วงเวลาที่หม้อน้ำรอการผลิตไอน้ำ ความดันไอน้ำถึงระดับความดันใช้งานที่กำหนดไว้ในกระบวนการผลิต (ไม่มีการเผาไหม้) ซึ่งเป็นช่วงเวลาที่มีความดันสูงและอุณหภูมิสูง หากไม่มีการหุ้มฉนวนหม้อน้ำที่ดีหรือฉนวนเกิดความเสียหาย จะเกิดความร้อนสูญเสียผ่านผิวหม้อน้ำในรูปของการถ่ายเทความร้อนแบบการพา (ทั้งแบบการพาแบบบังคับและการพาโดยธรรมชาติ) และการแผ่รังสีความร้อน

ปริมาณความร้อนสูญเสียนี้ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิผิวผนังหม้อน้ำและพื้นที่ผิวนอกตัวของหม้อน้ำ วิธีหนึ่งในการลดการสูญเสียประเภทนี้คือต้องหมั่นตรวจตราและดูแลรักษาฉนวนกันความร้อนให้คงสภาพดีอยู่เสมอถือเป็นสิ่งจำเป็นที่ส่งผลหลักการประเมินความร้อนสูญเสียผ่านผิวหม้อน้ำคำนวณจากความร้อนสูญเสียผ่านการแผ่รังสีและการพาความร้อน ตามมาตฐาน IS8753 แสดงในรูปที่ 3 ตัวอย่างหม้อน้ำแบบไหลผ่านทางเดียวใช้งาน 8 hr/day, 330 day/yrs, พิกัดของหม้อน้ำ 5 ton/h, 6 Barg ดำเนินการตามมาตรการลดการสูญเสียจากการโบลว์ดาวน์ ทำให้ประสิทธิภาพหม้อน้ำสูงขึ้น 2.3 % และเกิดผลประหยัดต้นทุนไอน้ำ 39,288 บาทต่อปี

2. Changing Loads Loss

ปัจจัยหนึ่งที่สำคัญในการเลือกหม้อน้ำที่รองรับการเปลี่ยนแปลงภาระไอน้ำ คือการเลือกใช้หัวเผาที่มีการควบคุมการทำงานอย่างเหมะสมกับภาระของไอน้ำ หากภาระไอน้ำมีการเปลี่ยนแปลงมากควรเลือกหัวเผาที่มีค่า Turn Down Ratio สูง ซึ่งจะช่วยให้การผลิตไอน้ำมีประสิทธิภาพมากขึ้น เช่น หัวเผาแบบ High-fire/Low-fire มีค่า Turn Down Ratio 3:1 ขณะที่หัวเผาแบบเผาต่อเนื่องมีราคาและประสิทธิภาพสูงจะมีค่า Turn Down Ratio 10:1

ทั้งนี้การเกิดการแกว่งของภาระไอน้ำ ก่อให้เกิดการลดลงของประสิทธิภาพดังแสดงในรูปที่ 4 ที่ภาระหม้อน้ำ 80% การควบคุมแบบ 4 stage มีประสิทธิภาพหม้อน้ำที่ 98.3% (เส้นสีเหลือง) อีกทั้งในการทำงานแบบไม่คงที่ของหม้อน้ำ จะทำให้พัดลมทำงานกระชากบ่อยและเกิดความสูญเสียในจังหวะการเปลี่ยนภาระหม้อน้ำกระทันหัน (Braking loss) ส่งผลต่อการสิ้นเปลืองพลังงาน

3. Loss at high turndown

อัตราส่วนการหรี่เร่ง (Turndown ratio) เป็นตัวแปรที่บ่งบอกถึงย่านการทำงานของหัวเผา เป็นการวัดอัตราการปลดปล่อยพลังงานของหัวเผาย่านสูงสุดที่หัวเผาสามารถทำได้และย่านต่ำสุดที่หัวเผาจะไม่ตัดการทำงาน เช่น หัวเผาเชื้อเพลิงก๊าซมีอัตราส่วนการหรี่เร่ง (Turndown ratio) เท่ากับ 25:1 หมายความว่า หัวเผานี้สามารถหรี่การทำงานได้ต่ำที่สุดเท่ากับ 4% ของอัตราการผลิตพลังงานโดยปราศจากการตัดการทำงานของหัวเผา และสามารถเร่งหัวเผาได้ถึง 100% ของอัตราการผลิตพลังงาน (Full fire) ในทำนองเดียวกันกรณีที่หัวเผามีอัตราส่วนการหรี่เร่ง (Turndown ratio) เท่ากับ 2:1 หมายความว่า หัวเผานี้สามารถหรี่เร่งได้ในช่วง 50%-100% (ต่ำสุด-สูงสุด) ของอัตราการผลิตพลังงาน หากหัวเผาทำงานที่เงื่อนไขต่ำกว่า 50% หัวเผานี้จะถูกตัดการทำงานไม่สามารถใช้งานได้ ในการเลือกหัวเผาที่จะนำมาใช้กับหม้อน้ำ โดยทั่วไปนิยมเลือกหัวเผาที่มีย่านการหรี่เร่งที่สูง (High turndown ratio) เพราะมีข้อดีคือ ลดความถี่ในการ Purge ทำให้ประสิทธิภาพของหม้อน้ำขณะใช้งานมีค่าสูงและหม้อน้ำตอบสนองต่อการผลิตไอน้ำได้อย่างรวดเร็ว เป็นต้น

อย่างไรก็ตาม หัวเผาที่มีอัตราการหรี่เร่งสูง (High turndown ratio) มีโอกาสที่เกิดการเผาไหม้ที่เปลวไฟไม่มีเสถียรภาพ (Flame stability) ในการทำงานที่ย่านต่ำของหัวเผา เพราะหัวเผาที่ทำงานที่ย่านต่ำๆ จะมีการป้อนเชื้อเพลิงในปริมาณน้อย หากไม่มีระบบการควบคุมการเผาไหม้ที่ดี ปริมาณอากาศที่ป้อนเข้าสู่หัวเผาจะไม่สัมพันธ์กับการลดลงของปริมาณเชื้อเพลิง กล่าวคือเกิดการเผาไหม้แบบส่วนผสมบาง (Lean mixture combustion) และอากาศส่วนเกินมีค่าสูง ด้วยเหตุนี้มีโอกาสก่อให้เกิดการเผาไหม้ที่มีเปลวไฟที่ไม่เสถียรเพราะ เกิดการการแกว่งของความดันไอน้ำเนื่องจากต้องควบคุมการเผาไหม้ที่เกิดขึ้น และมีโอกาสเกิดการควบแน่นของก๊าซไอเสียตามปริมาณอากาศส่วนเกินที่มีค่าสูง แสดงดังรูปที่ 5 ซึ่งปัจจัยเหล่านี้ก่อให้เกิดความสูญเสียที่เรียกว่า “Loss at high turndown”

4. Blowdown losses

การใช้งานหม้อน้ำ ต้องมีการระบายน้ำในหม้อน้ำเพื่อระบายมลทินหรือสิ่งสกปรกในหม้อน้ำ เรียกว่า การโบล์วดาวน์ (blowdown) ช่วยป้องกันไม่ให้น้ำในหม้อน้ำมีค่า TDS (Total Dissolved Solid) สูงเกิน เป็นสาเหตุให้น้ำในหม้อน้ำมีโอกาสเกิดฟองเดือดและมีน้ำติดออกไปกับไอน้ำ ทั้งนี้น้ำโบลว์ดาวน์เป็นน้ำที่ได้รับความร้อนจากการเผาไหม้ทำให้มีพลังงานสูงจึงต้องมีการโบลว์ดาวน์ที่เหมาะสม

หากมีการโบลว์ดาวน์ในปริมาณมากเกินไปจะก่อให้เกิดการสูญเสียพลังงาน ก่อให้เกิดการลดลงของประสิทธิภาพหม้อน้ำขณะใช้งาน ตัวอย่างหม้อน้ำแบบไหลผ่านทางเดียวใช้งาน 8 hr/day, 330 day/yrs, พิกัดของหม้อน้ำ 5 ton/h, 6 Barg ดำเนินการตามมาตรการลดการสูญเสียจากการโบลว์ดาวน์ ทำให้ประสิทธิภาพหม้อน้ำสูงขึ้น 4.2% และเกิดผลประหยัดต้นทุนไอน้ำ 546,476 บาทต่อปี แสดงดังรูปที่ 6

ฉะนั้นการควบคุมให้ปริมาณการโบลว์ดาวน์ให้เหมาะสม จะช่วยลดการสูญเสียพลังงานจากการโบล์วดาวน์ โดยการคำนวณหาความร้อนสูญเสียไปกับน้ำโบล์วดาวน์สามารถคำนวณได้ตามหลักการทางเทอร์โมไดนามิกส์ ตามสมการแสดงดังรูปที่ 6 การควบคุมอัตราการโบล์วดาวน์ที่ดีสามารถทำได้ด้วยการปล่อยน้ำทิ้งแบบต่อเนื่อง (Continuous blow down) เป็นการปล่อยน้ำทิ้งแบบต่อเนื่องโดยใช้เซนเซอร์แบบตัวเก็บประจุ (Conductivity sensor) วัดค่า TDS จริงที่อยู่ในหม้อน้ำ ณ เวลาขณะนั้น ค่า TDS ที่วัดได้จริงจะถูกส่งให้กับเครื่องควบคุมการระบายน้ำทิ้ง (Blowdown controller) จากนั้นเครื่องควบคุมการระบายน้ำทิ้งจะคำนวณอัตราการปล่อยน้ำทิ้งให้โดยอัตโนมัติ แสดงดังรูปที่ 6

5. Pre-purge & Post-purge Losses และ Start-Up Losses

สำหรับหม้อน้ำที่ใช้เชื้อเพลิงก๊าซหรือเชื้อเพลิงเหลว เมื่อหม้อน้ำทำงานผลิตไอน้ำจนความดันไอน้ำสูงถึงระดับ set point ที่กำหนดไว้ ระบบควบคุมจะสั่งงานให้ตัดการทำงานของหัวเผา จากนั้นเมื่อมีการใช้งานไอน้ำในกระบวนจนความดันไอน้ำลดต่ำลงถึงระดับที่กำหนดไว้ ระบบควบคุมจะสั่งการให้ต่อการทำงานของหัวเผา ทั้งนี้กลไกหนึ่งที่สำคัญต่อความปลอดภัยในช่วงเวลาการตัดต่อการทำงานหัวเผา คือกลไกการ Pre-purge & Post-purge เป็นกลไกที่ทำหน้าที่ ไล่ก๊าซไอเสียในห้องเผาไหม้ก่อนจุดหัวเผาใหม่ด้วยการเปิดพัดลมเพื่อไล่ก๊าซไอเสียให้ระบายออกทางปล่องไอเสีย ป้องกันการสะสมของก๊าซที่พร้อมจะติดไฟที่อยู่ในหม้อน้ำหลังจากที่มีการหยุดการทำงานของหัวเผา ถ้าไม่มีการไล่ก๊าซไอเสียนี้

ก๊าซที่พร้อมติดไฟจะสามารถจุดติดไฟได้ตลอดเวลาเป็นสาเหตุให้เกิดการระเบิดขึ้นในที่สุดหากมีการจุดระเบิดโดยบังเอิญหรือไม่เหมาะสม หม้อน้ำที่มีการ Pre-purge & Post-purge บ่อยครั้ง แสดงให้เห็นถึงช่วงเวลาการทำงานของหม้อน้ำที่สั้นเกินไป (Short cycling) เป็นสาเหตุให้เกิดความสูญเสียพลังงานทั้ง จากการทำงานของพัดลมที่ตัดต่อบ่อยและจากการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงที่ใช้ในการผลิตความร้อน ถือว่าเป็นความสูญเสียรูปแบบหนึ่งที่เราเรียกว่า “Pre-purge & Post-purge Losses” ส่งผลให้ประสิทธิภาพของหม้อน้ำขณะใช้งานมีค่าต่ำ 

ระบบควบคุมของหม้อน้ำที่ดีจะสามารถทำงานได้ในระยะเวลานาน หัวเผาจะทำงานเลี้ยงความดันไอน้ำไว้ทำให้มีการเผาไหม้ที่ต่อเนื่อง เมื่อความต้องการใช้ไอน้ำต่ำลงจน Low Fire หยุดทำงาน หัวเผาก็จะสามารถเลี้ยงไฟให้เกิดการเผาไหม้ได้อย่างต่อเนื่อง ทําให้ไม่มีการ Pre Purge – Post Purge จึงไม่มีการสูญเสียความร้อนในส่วนนี้ เช่นในย่านการทำงานที่ต่ำ เช่น 30% ของภาระการผลิตไอน้ำ หัวเผาที่มีการควบคุมแบบ ON/OFF และแบบ 3 Stage (OFF/Low/Hi) จะไม่สามารถทำงานได้หรือทำงานได้ไม่ต่อเนื่องเกิดการตัดต่อบ่อยทำให้ Pre-purge & Post-purge Losses มีค่าสูงประสิทธิภาพหม้อน้ำจึงมีค่าต่ำ แต่หัวเผาที่มีการควบคุมการทำงานแบบ Proportional ยังสามารถทำงานได้ อย่างมีประสิทธิภาพ มีการประหยัดพลังงานและเชื้อเพลิงมากกว่าการควบคุมแบบอื่นๆ และมีอายุการใช้งานที่ยาวนานกว่า เนื่องจากไม่มีการตัดต่อการทำงานของหัวเผาบ่อย

ในสภาวะการใช้งานจริงหม้อน้ำจะต้องรองรับภาระการผลิตไอน้ำที่เปลี่ยนแปลงแบบฉับพลัน โรงงานที่มีการใช้งานหม้อน้ำ ส่วนใหญ่ภาระการผลิตไอน้ำเฉลี่ยของโรงงานจะมีค่าอยู่ในช่วง 40-80% หากเลือกใช้การควบคุมการเผาไหม้ที่ไม่เหมาะสมจะทำให้ เกิดการการแกว่งของความดันไอน้ำเนื่องจากต้องควบคุมการเผาไหม้ที่เกิดขึ้น เพื่อให้เกิดการควบคุมเฉลี่ยตามภาระการผลิตไอน้ำที่ต้องการ นำไปสู่การลดลงของประสิทธิภาพหม้อน้ำ แต่ด้วยเทคโนโลยี“ Blue-i system” เป็นเทคโนโลยีที่ควบคุมหม้อน้ำโดยควบคุมการเร่งหรี่แบบต่อเนื่อง/ผันแปร ในช่วงการทำงานแบบ Medium combustion ทำให้เกิดการทำงานของหม้อน้ำที่มีประสิทธิภาพสูงในย่านภาระการผลิตไอน้ำในช่วงกว้าง (High efficiency zone) เทคโนโลยีนี้จะทำการหรี่เร่งระบบตามการเปลี่ยนแปลงภาระได้อย่างอัตโนมัติ แสดงดังรูปที่ 7

บทสรุป

ประสิทธิภาพหม้อน้ำขณะใช้งาน (In-service efficiency) เป็นดัชนีที่นิยมใช้ในการประเมินสมรรถนะของหม้อน้ำแบบไหลผ่านทางเดียว (Once through boiler) ที่บ่งบอกต้นทุนทางพลังงานที่แท้จริงในการใช้งานหม้อน้ำ ในทุกๆย่านของภาระการทำงานของหม้อน้ำ ทั้งนี้ประสิทธิภาพหม้อน้ำขณะใช้งานมีปริมาณน้อยกว่าประสิทธิภาพการผลิตไอน้ำ และจะมีค่าลดลงตามการสูญเสียพลังงานไปกับส่วนต่างๆ

ขณะหม้อน้ำกำลังใช้งานได้แก่ Radiation Loss at standby, Changing Loads, Loss at high turndown, Blowdown losses, Pre-purge & Post-purge Losses และ Start-Up Losses หากมีการควบคุมการทำงานของหม้อน้ำที่ดีจะทำให้ความสูญเสียที่กล่าวมาทั้งหมดมีค่าลดลง ส่งผลให้ ประสิทธิภาพหม้อน้ำขณะใช้งาน (In-service efficiency) มีค่าสูงขึ้นตามลำดับ ดังเช่นเทคโนโลยีการควบคุมหม้อน้ำแบบ Blue-i system Control technology ที่สามารถทำให้ประสิทธิภาพหม้อน้ำมีค่าสูงมากกว่า 98% 

==================================================

และสุดท้ายนี้ขอขอบคุณข้อมูลสปอนเซอร์ใจดีจาก “บริษัท โปรเฟสชั่นแนล บอยเลอร์ จํากัด” ผู้แทนจําหน่ายเครื่องกําเนิดไอนํ้า IHI อย่างเป็นทางการ 

หากเพื่อนๆสนใจรายละเอียดเพิ่มเติม สามารถคลิกเข้าไปดู

ติดต่อฝ่ายขาย เบอร์โทรศัพท์ 092-223-7742  E-mail : [email protected]

หรือสอบถามข้อมูลเพิ่มเติมได้ที่เบอร์ 02-321-3650  E-mail : [email protected]

Website : www.oncethroughboiler.com

Facebook page : facebook.com/oncethroughboiler

==================================================

#นายช่างมาแชร์ #Boiler #ประสิทธิภาพหม้อไอน้ำ