ระบบหม้อไอน้ำ(Boiler)และกังหันไอน้ำ(Steam Turbine)
เทคโนโลยีนี้ใช้หม้อไอน้ำแบบท่อน้ำเพื่อผลิตไอน้ำ จากนั้นส่งไอน้ำเข้ากังหันไอน้ำเพื่อผลิตไฟฟ้า เป็นเทคโนโลยีพื้นฐานของโรงไฟฟ้าทั่วไป ราคาค่าก่อสร้างแปรผกผันตามกำลังการผลิต กล่าวคือยิ่งใหญ่ยิ่งมีราคาต่อเมกะวัตต์น้อยลง
2.1   โครงสร้างห้องเผาไหม้หม้อไอน้ำมีหลากหลายแบบขึ้นกับประเภทของเชื้อเพลิงและประสิทธิภาพการเผาไหม้ ตัวอย่างที่ใช้ในประเทศไทย 
1.  Incline / Fixed grate stoker มีโครงสร้างแบบง่ายๆ ตะกรับจะยึดติดอยู่กับที่ ต้นทุนค่าก่อสร้างค่อนข้างถูก ข้อเสียคือประสิทธิภาพต่ำ นำขี้เถ้าออกยาก และบางครั้งเชื้อเพลิงค้างอยู่กลางตะกรับ ทำให้ประสิทธิภาพการเผาไหม้ลดลง โครงสร้างนี้ส่วนใหญ่ใช้ในโรงงานน้ำตาล โรงงานน้ำมันปาล์ม และโรงสีข้าวเช่นโรงไฟฟ้าปทุมไรซ์มิลล์

 

 

2.  Traveling grate stoker โครงสร้างของตะกรับจะเคลื่อนที่ตลอดเวลา คล้ายตีบตะขาบรถถังเหมาะสำหรับเชื้อเพลิงที่มีขนาดใกล้เคียงกันและมีสัดส่วนขี้เถ้ามากเช่นแกลบ โรงไฟฟ้าที่ใช้ระบบนี้มีหลายแห่งเช่น ร้อยอ็ดกรีน อู่ทองไบโอแมส บัวสมหมาย กัลฟ์ยะลากรีนและโรงงานน้ำตาลบางแห่ง อย่างไรก็ตามโครงสร้างนี้ไม่เหมาะกับการเผาไหม้เชื้อเพลิงหลายชนิดพร้อมกัน เพราะเชื้อเพลิงจะถูกเผาไหม้หมดไม่พร้อมกัน

รูปภาพ 2 ห้องเผาไหม้แบบตะกรับเคลื่อนที่

 

 
3.  Spreader fired stoker โครงสร้างนี้พัฒนามาจาก Traveling grate stoker โดยนำเชื้อเพลิงมาบดให้ละเอียดและพ่นเข้าเตา มีประสิทธิภาพการเผาไหม้สูงขึ้นเพราะเชื้อเพลิงสัมผัสอากาศทั่วถึง แต่ต้นทุนค่าก่อสร้างสูงเช่นกัน ระบบนี้มีใช้อยู่ที่เดียวคือ บ.เอทีไบโอพาวเวอร์ (พิจิตร)

 
รูปภาพ 3 ห้องเผาไหม้แบบ Spreader stoker

 

 

 4. Step grate stoker มีโครงสร้างคล้ายกับขั้นบันได เชื้อเพลิงจะถูกผลักลงทีละขั้นทำให้มีโอกาสพลิกไปมา ประสิทธิภาพการเผาไหม้ดีขึ้น เหมาะกับการใช้เชื้อเพลิงหลายชนิด ติดตั้งในโรงไฟฟ้ามุ่งเจริญพร และบัวใหญ่ไบโอพาวเวอร์

 
รูปภาพ 4 ห้องเผาไหม้แบบขั้นบันได

 

 

5.  Fluidized bed ใช้ทรายเป็นตัวช่วยในการเผาไหม้ เหมาะกับเชื้อเพลิงที่มีความชื้นสูงและสามารถเผาไหม้เชื้อเพลิงได้หลากหลายชนิดพร้อมกัน ดังนั้นราคาก่อสร้างค่อนข้างสูง ติดตั้งในโรงไฟฟ้าไบโอแมสพาวเวอร์ บริษัทแอดวานซ์ อะโกร และไทยพาวเวอร์ซัพพลาย 

 
รูปภาพ 5 ห้องเผาไหม้แบบฟลูอิดไดซ์บด

 

 

6. Vibrating grate stoker ตะกรับจะสั่นเพื่อให้ขี้เถ้าไหลลงสะดวก เป็นการเพิ่มประสิทธิภาพการเผาไหม้ ระบบนี้มีใช้อยู่ 3 โรงคือ บ.ภูเขียวไบโอ-เอ็นเนอร์ยี บ.ด่านช้างไบโอ-เอ็นเนอร์ยี และโรงงานน้ำตาลขอนแก่น ซึ่งทั้งสามโรงเป็นโรงงานน้ำตาลทั้งหมด

 
รูปภาพ 6 ห้องเผาไหม้แบบตะกรับสั่น

 

 

ดังนั้นการจะเลือกใช้หม้อไอน้ำแบบใดและระบบการเผาไหม้แบบไหน ขึ้นกับเงินลงทุน ชนิดของเชื้อเพลิง และราคาของเชื้อเพลิงเป็นหลัก และถ้าตัดสินใจไม่ได้คงต้องใช้ความชอบของเจ้าของโครงการมาพิจารณาร่วมด้วย ไม่ผิดกติกาใดๆ

 2.2  ความดันไอน้ำในหม้อไอน้ำ    สามารถแบ่งออกเป็น 3 ระดับตามความดันไอน้ำคือ 

1.  ความดันต่ำไม่เกิน 20 บาร์ มีต้นทุนก่อสร้างต่ำ นิยมใช้ในโรงงานน้ำตาลและโรงงานสกัดน้ำมันปาล์มดิบ ส่วนใหญ่เป็นระบบผลิตพลังงานร่วม (Cogeneration) กล่าวคือมีการนำไอน้ำใช้ในกระบวนการผลิต มีประสิทธิภาพเฉพาะการผลิตไฟฟ้าประมาณ 5  %

2.  ความดันปานกลางระหว่าง 20 –40 บาร์ เป็นขนาดที่โรงไฟฟ้าส่วนใหญ่นิยมใช้ มีต้นทุนค่าก่อสร้างประมาณ  1.0 -1.2 ล้านเหรียญสหรัฐ/เมกะวัตต์ มีประสิทธิภาพรวมประมาณ 20 - 23 % 

3.  ความดันสูงมากว่า 60 บาร์ขึ้นไป เช่นโรงไฟฟ้าเศษไม้ยะลากรีนพาวเวอร์ 23 เมกะวัตต์ และโรงไฟฟ้าแกลบเอทีไบโอพาวเวอร์ 22.5 เมกะวัตต์ มีต้นทุนค่าก่อสร้างเกือบ 2 ล้านเหรียญสหรัฐ/เมกะวัตต์ (ยกเว้นโรงไฟฟ้าชานอ้อยที่สร้างใหม่ในเครือน้ำตาลมิตรผลมีต้นทุนก่อสร้างต่ำกว่าเพราะใช้อุปกรณ์บางส่วนร่วมกับโรงงานน้ำตาล) มีประสิทธิภาพรวมประมาณ 25 - 28  % 

ข้อสังเกต โรงไฟฟ้าที่ใช้ไอน้ำความดันสูง ประสิทธิภาพการผลิตจะสูง แต่จะเหมาะสมกับประเทศไทยหรือไม่ ขึ้นกับราคาเชื้อเพลิงเป็นหลัก ตัวอย่างข้างล่างนี้ได้คำนวณให้เห็นว่า กรณีที่ 1 เปรียบเทียบหม้อไอน้ำขนาดความดัน 40 และ 60 บาร์ มีประสิทธิภาพรวม 20 และ 25 % ตามลำดับ ถ้าแกลบราคา 750 บาท/ตัน เชื้อเพลิงที่ประหยัดได้เท่ากับ 27 ล้านบาทตลอดอายุโครงการ ซึ่งไม่คุ้มกับเงินลงทุนที่เพิ่มขึ้น 2 – 1.2 = 0.8 ล้านเหรียญสหรัฐหรือ 32 ล้านบาท/เมกะวัตต์ แต่ในกรณีที่ 2 ใช้เศษไม้ยางพาราเป็นเชื้อเพลิงในราคาที่เท่ากัน จะประหยัดได้ 40.5 ล้านบาทซึ่งคุ้มค่ามากกว่า (อนึ่งยังไม่นำค่าซ่อมบำรุงและอัตราดอกเบี้ยมาคำนวณ)  

 

2.3        โครงสร้างกังหันไอน้ำมี 2 แบบตามลักษณะของกังหันไอน้ำคือ

2.3.1     แบบ Condensing Turbine

 
รูปภาพ 7 แผนผังการผลิตไฟฟ้าระบบหม้อไอน้ำและ Concensing turbine
 

การทำงานเริ่มจากนำน้ำดิบมาบำบัดให้ได้คุณภาพตามที่กำหนด จากนั้นใช้ปั๊มน้ำ (Boiler feed pump) ส่งน้ำที่บำบัดแล้วเข้าในหม้อผลิตไอน้ำ (Boiler) ซึ่งจะถูกทำให้ร้อนโดยเชื้อเพลิงชีวมวล น้ำที่ร้อนจะเปลี่ยนสถานะกลายเป็นไอน้ำ ผ่านไปยังกังหันไอน้ำ (Condensing turbine) เพื่อให้เกิดการหมุน ได้กระแสไฟฟ้า ในส่วนของไอน้ำที่ออกจากกังหันไอน้ำจะมีความดันต่ำมากและยังคงมีสภาพเป็นไอน้ำ ต้องทำให้กลับคืนเป็นน้ำ โดยผ่านเครื่องควบแน่น (Condenser) และหอระบายความร้อน (Cooling tower) จากนั้นน้ำดังกล่าวจะถูกปั๊มกลับเข้าในหม้อผลิตไอน้ำอีกครั้ง หมุนเวียนเช่นนี้เรื่อยไป ประสิทธิภาพของระบบโดยรวมอยู่ระหว่าง 15 -20 %
 2.3.2        แบบ Back Pressure Turbineหลักการทำงานของระบบนี้จะแตกต่างจากระบบแรกเล็กน้อย กล่าวคือ ไม่มีเครื่องควบแน่นและหอระบายความร้อน และไอน้ำที่ออกจากกังหันไอน้ำจะมีความดันสูงเพื่อนำไปใช้ในกระบวนการผลิต ดังนั้นกังหันไอน้ำจะเป็นแบบ Back pressure ซึ่งสามารถควบคุมความดันของไอน้ำที่ออกมาตามที่กระบวนการผลิตต้องการ แต่ไฟฟ้าที่ผลิตได้จะน้อยลงเทคโนโลยีนี้เหมาะสำหรับโรงงานหรือกิจการที่ต้องใช้ไอน้ำจำนวนมากในกระบวนการผลิต เช่นโรงงานผลิตน้ำตาล และโรงงานสกัดน้ำมันปาล์ม เป็นต้น ดังนั้นต้องคำนวณปริมาณไอน้ำที่ต้องการและไฟฟ้าที่ใช้ให้สัมพันธ์กันประสิทธิภาพของระบบมากกว่า 50 % ซึ่งขึ้นกับความสามารถนำพลังงานความร้อนใช้ในกระบวนการผลิตมากน้อยแค่ไหนกังหันไอน้ำจะเป็นแบบ Back pressure ซึ่งสามารถควบคุมความดันของไอน้ำที่ออกมาตามที่กระบวนการผลิตต้องการ แต่ไฟฟ้าที่ผลิตได้จะน้อยลงเทคโนโลยีนี้เหมาะสำหรับโรงงานหรือกิจการที่ต้องใช้ไอน้ำจำนวนมากในกระบวนการผลิต เช่นโรงงานผลิตน้ำตาล และโรงงานสกัดน้ำมันปาล์ม เป็นต้น ดังนั้นต้องคำนวณปริมาณไอน้ำที่ต้องการและไฟฟ้าที่ใช้ให้สัมพันธ์กันประสิทธิภาพของระบบมากกว่า 50 % ซึ่งขึ้นกับความสามารถนำพลังงานความร้อนใช้ในกระบวนการผลิตมากน้อยแค่ไหน

 

รูปภาพ 8ระบบการผลิตไฟฟ้าแบบหม้อไอน้ำและ Back pressure turbine 

2.4        คุณสมบัติของน้ำที่ใช้ในหม้อไอน้ำน้ำที่จะนำมาใช้ในการผลิตไอน้ำในหม้อไอน้ำ ต้องผ่านการบำบัดก่อนเพื่อป้องกันปัญหาตะกรันและการกัดกร่อนของท่อน้ำตะกรันเกิดจากความกระด้าง (Hardness) และปริมาณแร่ซิลิก้า (Silica) ในน้ำ ความกระด้างเกิดจากการมี Ca²⁺ และ Mg²⁺ เมื่อจับตัวกับสารไบคาร์บอเนต CO₃^2- ที่ละลายอยู่ในน้ำ ก่อให้เกิดตะกรันในท่อน้ำ ส่วนซิลิก้าสามารถละลายในน้ำร้อนได้ดีกว่าน้ำเย็น ดังนั้นถ้าอุณหภูมิสูงขึ้นมากปัญหาของตะกรันจะรุนแรงขึ้น ตะกรันจะไปเกาะติดใบพัดของกังหันไอน้ำและคอนเดนเซอร์ อาจมีผลให้โรงไฟฟ้าหยุดทำงานกระทันหันน้ำบาดาลหรือน้ำใต้ดินจะมีความกระด้างสูงกว่าน้ำผิวดิน เนื่องจากน้ำฝนมีก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ละลายอยู่ เกิดเป็นกรดคาร์บอนิค (Carbonic acid) เมื่อไหลลงสู่ใต้ดิน จะผ่านชั้นดินที่มีการเน่าสลายของสารอินทรีย์ จะทำให้เกิดความเป็นกรดมากขึ้น และเมื่อผ่านชั้นหินปูนซึ่งมี CaCO₃ และ MgCO₃ เกิดการละลายของหินปูน ทำให้ Ca²⁺ และ Mg²⁺ ยิ่งมากขึ้น ความกระด้างเพิ่มขึ้น อย่างไรก็ตามถ้าชั้นใต้ดินบริเวณนั้นไม่มีชั้นหินปูนอยู่ ความกระด้างจะลดลงตามไปด้วย  การกัดกร่อนที่เกิดขึ้นส่วนใหญ่จะเกิดการที่น้ำมีสภาพเป็นกรด มีก๊าซละลายในน้ำ และมีออกซิเจนสะสมอยู่ วืธีแก้ไขที่นิยมทำกันคือ ติดตั้ง Deaerator และ Oxygen Scavenger ดังนั้นถ้าอุณหภูมิและความดันของไอน้ำยิ่งสูง คุณสมบัติของน้ำที่ใช้ในหม้อไอน้ำยิ่งเพิ่มขึ้น กล่าวคือปริมาณซิลิก้า ค่าอัลคาไลน์ และความกระด้างของน้ำมีค่าน้อยลง ดูค่าตามตารางข้างล่างนี้
ตาราง 2คุณสมบัติของน้ำที่ใช้ในหม้อไอน้ำ

* Alkalinity not to exceed 10% of specific conductance** Minimum level of OH alkalinity in boilers below 70 bar (a) must be individually specified with regards to silica solubility. SOURCE: www.abma.com