ในโรงงานอุตสาหกรรมโดยทั่วไปแล้วนั้นจะต้องใช้หม้อไอน้ำ (Boiler) ซึ่งนับเป็นอุปกรณ์สำคัญชิ้นหนึ่งของกระบวนการผลิตในอุตสาหกรรมโดยในระบบหม้อไอน้ำนั้นถือได้ว่ามีการใช้พลังงานค่อนข้างมากทีเดียวในด้านพลังงานความร้อน การใช้งานหม้อไอน้ำให้เกิดประสิทธิภาพสูงสุดนั้นก็เท่ากับเป็นการอนุรักษ์พลังงานซึ่งแนวทางกว้าง ๆ ก็คือลดพลังงานความร้อนสูญเสีย (Loss) หรือนำความร้อนสูญเสียกลับมาใช้ใหม่ ซึ่งจะส่งผลให้หม้อไอน้ำลดการใช้เชื้อเพลิงลง   

เช่น การอุ่นอากาศก่อนการเผาไหม้, การอุ่นน้ำก่อนเข้าหม้อไอน้ำ, การนำคอนเดนเสตกลับมาใช้ หรือการบำรุงรักษาหม้อไอน้ำที่ส่งผลต่อการลดการสูญเสียพลังงาน เป็นต้น และบทความนี้จะนำเสนอเรื่องราวการอนุรักษ์พลังงานในระบบหม้อไอน้ำที่ปฏิบัติได้และเกิดผล

1. การเดินหม้อไอน้ำท่อไฟขณะตัวหม้อไอน้ำเย็น (Cold Start Up) จะต้องอุ่นเครื่องที่ตำแหน่งอัตราไฟต่ำสุด (Low Firing Rate) หรือเดินในตำแหน่งเบาสุดก่อนจนกระทั่งความดันไอน้ำมีค่าเท่ากับ 0.2 bar แล้วจึงค่อยเร่งไฟไปยังตำแหน่งอัตราไฟสูง (High Firing Rate) เพื่อป้องกันการเกิดการแตกเมื่อมีการเปลี่ยนอุณหภูมิอย่างฉับพลัน (Thermal Shock) และช่วยยืดอายุการใช้งานหม้อไอน้ำให้ยาวนาน

2. หากมีหม้อไอน้ำจำนวน 2 เครื่องและสลับกันเดินเครื่องก็ควรจะลดความถี่ในการสลับการเดินเครื่อง เช่น จากเดิมสลับเครื่องทุก 1 สัปดาห์ให้เปลี่ยนมาเป็นสลับทุก 2 สัปดาห์ ก็จะทำให้ลดความสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงจากการสตาร์ทใหม่ (ปริมาณเชื้อเพลิงที่สูญเสียก็คือในส่วนของการต้มน้ำจากแรงดันบรรยากาศจนได้แรงดันที่ต้องการซึ่งสามารถคำนวณประเมินได้)

3. ควรทำการตรวจวัดและวิเคราะห์ไอเสียทุกสัปดาห์เพื่อตรวจสอบดูว่าการเผาไหม้สมบูรณ์หรือไม่ โดยพิจารณาค่า % O2 ต้องน้อยกว่า 5% (3-4% เป็นจุดที่ดีที่สุด) สำหรับน้ำมันเตาและสำหรับเชื้อเพลิงแข็งอยู่ในช่วง 8 -12% ดังแสดงในรูปที่ 1 อุณหภูมิปล่องไอเสียต้องมีค่าไม่เกิน 250 ^oC ถ้าเกิน 250 ^oC แสดงว่าเขม่าในท่อไฟมีมากเกินไป, มีตะกรันจับท่อไฟด้านน้ำมากหรือการเผาไหม้มีอากาศเกิน (Excess Air) มากเกินไป จำเป็นต้องดำเนินการแก้ไขโดยการทำความสะอาดท่อไฟ, ล้างตะกรันด้วยกรดและปรับการเผาไหม้ใหม่ตามลำดับ (อุณหภูมิปล่องไม่ควรแตกต่างกับอุณหภูมิไอน้ำอิ่มตัวเกิน 80 ^oC)

รูปที่ 1 แสดงการตรวจวัด % ออกซิเจนในไอเสียด้วยเครื่องมือ

4. ควรเพิ่มความถี่ในการทำความสะอาดท่อไฟหม้อไอน้ำ จาก 3 เดือนต่อครั้งเป็นทุก 1 เดือน จะทำให้ลดการสะสมของเขม่า (Soot) ภายในท่อไฟซึ่งจะทำให้ประสิทธิภาพหม้อไอน้ำสูงขึ้นประมาณ 0.33% (อุณหภูมิปล่องลดลงประมาณ 6 ^oC)

5. ตรวจวัดอุณหภูมิผิวหม้อไอน้ำที่หุ้มฉนวนทุกเดือนโดยใช้อินฟราเรดเทอร์โมมิเตอร์โดยอุณหภูมิผิวต้องไม่เกิน 55 ^oC หากเกินก็ควรดำเนินการแก้ไขปรับปรุงให้อยู่ในเกณฑ์

แนวทางในการนำพลังงานกลับมาใช้ใหม่อีกอย่างหนึ่งก็คือ การอุ่นอากาศที่ใช้เผาไหม้ซึ่งทำให้ประสิทธิภาพความร้อนของหม้อไอน้ำจะเพิ่มขึ้น 1% ถ้าทำให้อุณหภูมิของอากาศที่ใช้เผาไหม้สูงขึ้น 20 ^oC ซึ่งการอุ่นอากาศที่ใช้เผาไหม้นั้นจะใช้เครื่องอุ่นอากาศ (Air Pre-heater) ดังรูปที่ 2

ในทางปฏิบัติการอุ่นอากาศที่ใช้เผาไหม้โดยใช้  Air Pre-heater นั้นจะไม่เหมาะสมกับหม้อไอน้ำขนาดเล็ก เนื่องจาก Air Pre-heater มีราคาสูงแต่มีแนวทางในการอุ่นอากาศก่อนการเผาไหม้โดยทำเครื่องอุ่นอากาศร้อนอย่างง่าย ดังแสดงในรูปที่ 5 เป็นเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่มีของไหล 2 ชนิด ไหลแยกจากกันโดยมีวัสดุซึ่งทำจากโลหะเป็นตัวกั้นกลางของไหลที่แลกเปลี่ยนความร้อนทั้งสองชนิด

รูปที่ 2 ภาพ Air Pre-heater

การออกแบบและติดตั้งเครื่องอุ่นอากาศอย่างง่ายบริเวณท่อปล่องไอเสียของหม้อไอน้ำในลักษณะ Jacket ช่องลมหุ้มท่อไอเสียดังรูปที่ 3 ถึง 5 โดยอากาศจากบรรยากาศจะไหลผ่านผิวท่อปล่องไอเสียที่มีความร้อนสูงกว่าทำให้เกิดการถ่ายเทความร้อนให้อากาศมีอุณหภูมิสูงขึ้น ส่งผลให้อากาศก่อนเข้าไปเผาไหม้ในหม้อไอน้ำสูงขึ้น

รูปที่ 3 ไดอะแกรมระบบอุ่นอากาศอย่างง่าย

รูปที่ 4 แสดงการติดตั้งระบบอุ่นอากาศ อย่างง่าย         รูปที่ 5 แสดง Jacket ช่องลมแลกเปลี่ยนความร้อน

และมีอีกวิธีในการอุ่นอากาศก่อนการเผาไหม้โดยไม่ต้องใช้  Air Pre-heater โดยเลือกดูดอากาศบริเวณที่มีอุณหภูมิสูง คือ ติดตั้งถัง Blowdown และปล่องไอเสียในบริเวณที่ใกล้กันซึ่งจะทำให้อากาศบริเวณรอบปล่องไอเสียและถัง Blowdown มีอุณหภูมิสูงกว่าบรรยากาศเนื่องจากการถ่ายเทความร้อน จากนั้นดำเนินการต่อท่อเพื่อดูดอากาศร้อนบริเวณนี้ไปใช้ในการเผาไหม้ก็จะทำให้อุณหภูมิอากาศก่อนการเผาไหม้สูงขึ้น 

จากการตรวจวัดอุณหภูมิอากาศบริเวณโดยรอบปล่องไอเสียของหม้อไอน้ำและถัง Blowdown ดังรูปที่ 6 พบว่ามีอุณหภูมิประมาณ 46 oC (อากาศนิ่ง) ซึ่งความร้อนในส่วนนี้สามารถนำกลับมาใช้ประโยชน์ได้โดยการปรับปรุงท่อของพัดลมดูดอากาศเพื่อดึงความร้อนมาอุ่นอากาศก่อนเข้าหม้อไอน้ำจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของหม้อไอน้ำให้สูงขึ้น

รูปที่ 6 ภาพแสดงบริเวณรอบปล่องไอเสียของหม้อไอน้ำและถัง Blowdown ที่ติดตั้งใกล้กัน

รูปที่ 7 ภาพก่อนดำเนินการ

รูปที่ 8 และ 9 ภาพหลังดำเนินการ

* ทำให้อุณหภูมิลมเข้าหม้อไอน้ำสูงขึ้น 4 ^oC (มากกว่าบรรยากาศ)
* ส่งผลให้อัตราลิตรน้ำมันต่อตันไอน้ำ ลดลงเท่ากับ 0.25, ประสิทธิภาพความร้อนสูงขึ้น 0.30%
* คุ้มทุนประมาณ 3 เดือน, ลงทุนประมาณ 45,000 บาท
   หมายเหตุ: หม้อไอน้ำใช้เชื้อเพลิงน้ำมันเตา, ราคาลิตรละ 14 บาท, เดินเครื่อง 24 ชม, 30 วัน/เดือน

โดยส่วนใหญ่โรงงานทั่วไปจะนำคอนเดนเสต (Condensate) กลับมาใช้โดยการนำกลับมาเข้าถังน้ำป้อนเป็นส่วนใหญ่ซึ่งเป็นการเพิ่มอุณหภูมิน้ำก่อนเข้าสู่หม้อไอน้ำเท่านั้นดังแสดงในรูปที่ 10 แต่ยังมีปริมาณความร้อนสูญเสียอีกส่วนหนึ่งที่สูญเสียไปยังบรรยากาศจำนวนมากก็คือ ไอน้ำร้อนที่แยกมาจากน้ำร้อน หรือเรียกกันว่า Flash Steam ดังรูปที่ 12 ที่ไม่ได้นำมาใช้ ดังจะเห็นได้ว่าจะมีเพียงแต่ถังเก็บคอนเดนเสตและนำคอนเดนเสตไปเข้าถังน้ำป้อน ดังรูปที่ 11 และปล่อย Flash Steam ทิ้งสู่บรรยากาศ (โดยทุก ๆ 6 ^oC ของอุณหภูมิน้ำป้อนที่เพิ่มขึ้นจะทำให้ใช้เชื้อเพลิงของหม้อไอน้ำลดลง 1%)

โดยปกติบนถังเก็บคอนเดนเสตจะมีท่อ Flash Steam เพื่อระบายทิ้งสู่บรรยากาศและหากมีถังคอนเดนเสตหลายจุดควรต่อเป็นท่อหลักรวมแล้วปล่อยทิ้งซึ่งแนวทางการนำ Flash Steam กลับมาใช้นั้น คือ ทำให้ระบบคอนเดนเสตมีแรงดันภายในระบบไว้ประมาณ 0.8-1.0 บาร์ (Back Pressure กระทำต่อ Steam Trap ควรไม่เกิน 1.0 บาร์) ด้วยการติดตั้ง Safety Valve ควบคุมแรงดันที่ 0.8 bar เพื่อรักษาแรงดันในระบบท่อ (หากแรงดันในระบบคอนเดนเสตมากกว่า 0.8 Bar ก็ระบายทิ้ง)

โดยต่อท่อ Flash Steam และวาล์วลดแรงดันกลับมาเข้ายังถังอุ่นน้ำป้อน (Feed Tank) เพื่อเพิ่มอุณหภูมิน้ำป้อน ดังรูปที่ 13 ซึ่งทำให้สามารถนำ Flash Steam กลับมาใช้ได้โดยที่ไม่ต้องปล่อยทิ้งไป ส่งผลให้ลดการใช้ไอน้ำจากหม้อไอน้ำมาอุ่นน้ำป้อนพร้อมทั้งลดเชื้อเพลิงที่ใช้ในหม้อไอน้ำ

รูปที่ 10 ระบบ Direct Water Heating ในถังน้ำป้อน      รูปที่ 11 ถังน้ำป้อน (Feed Tank

รูปที่ 12 ภาพ Flash Steam ที่ปล่อยทิ้ง

รูปที่ 13 ไดอะแกรมระบบนำ Flash Steam กลับมาใช้

ลดแรงดันไอน้ำเพื่อเพิ่มสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนของอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน พร้อมกับลดปริมาณการใช้ไอน้ำ ตามปกตินั้นการลดแรงดันของไอน้ำมีผลดีต่าง ๆ ดังนี้

1. เมื่อใช้วาล์วลดแรงดัน (Pressure Reducing Valve) ทำการลดความดันของไอน้ำความดันสูงให้เป็นไอน้ำความดันต่ำดังรูปที่ 14 ปริมาณความร้อนแฝงในการระเหยเป็นไอต่อหน่วยน้ำหนักจะเพิ่มขึ้น ทำให้สามารถใช้ความร้อนส่วนเพิ่มนั้นให้เป็นประโยชน์ได้ จึงสามารถช่วยให้การใช้ไอน้ำเป็นไปอย่างคุ้มค่าประหยัดพลังงานเชื้อเพลิงได้ แต่สิ่งที่ต้องระมัดระวังในการลดความดันก็คือ ถึงแม้จะใช้ความร้อนอย่างมีประสิทธิภาพได้โดยการลดความดัน แต่ถ้าขีดความสามารถในการทำงานของอุปกรณ์ลดลงก็จะไม่ได้ประโยชน์อะไรเลย

รูปที่ 14 ไดอะแกรมการติดตั้งวาล์วลดแรงดัน (Reducing Valve)

ตัวอย่าง ไอน้ำ 8.0 บาร์ มีสัดส่วนความแห้งของไอน้ำ 95% ถูกลดความดันให้เหลือ 4.0 บาร์ เนื่องจากความร้อนแฝงที่มีอยู่ในไอน้ำ 8.0 บาร์ และอัตราส่วนแห้ง 95% เท่ากับ
  2,031 KJ/kg x 0.95 = 1,929.5 kJ/kg 

ดังนั้นปริมาณความร้อนทั้งหมดที่มีอยู่ในไอน้ำนี้จะเท่ากับ
     Q ที่ 8.0 บาร์ = 743 kJ/kg + 1,929.5 kJ/kg
                       = 2,672.5 kJ/kg

ส่วนไอน้ำที่ลดความดันลงเหลือ 4.0 บาร์ ถ้าไม่คิดการสูญเสียความร้อนในกระบวนการลดแรงดัน เนื่องจากปริมาณความร้อนสัมผัส (Enthalpy, hf) ที่ 2.0 บาร์ เท่ากับ 562.0 kJ/kg ดังนั้นปริมาณความร้อนแฝง (ความร้อนในการระเหยกลายเป็นไอ) จะเท่ากับ
             2,672.5 KJ/kg - 562 KJ/kg = 2,110.5 KJ/kg

ดังนั้นอัตราส่วนการเพิ่มของปริมาณความร้อนแฝงโดยลดความดันจะเท่ากับ
     (2,110.5 – 1929.5)/1,929.5   = 0.0938 หรือ 9.38%
     นั่นคือ ปริมาณความร้อนที่สามารถนำมาใช้ได้เพิ่มขึ้น 9.38% เนื่องจากปริมาณความร้อนแฝงของไอน้ำอิ่มตัวแห้ง เท่ากับ 2,163 KJ/kg ดังนั้นสัดส่วนความแห้ง (X) ของไอน้ำอิ่มตัว 2.0 บาร์ จึงคำนวณได้ดังนี้

3. ตามปกติเนื่องจากไอน้ำความดันสูงมีปริมาตรต่อหน่วยน้ำหนักน้อยกว่าไอน้ำความดันต่ำ ดังนั้นในการส่งไอน้ำปริมาณเท่ากัน การใช้ความดันสูงจะช่วยให้สามารถใช้ท่อขนาดเล็กลงได้ การทำเช่นนี้ยังช่วยให้สามารถลดปริมาณความร้อนที่สูญเสียออกจากระบบท่อได้ นอกจากนั้นจะสามารถประหยัดค่าใช้จ่ายในการก่อสร้างระบบท่อและค่าใช้จ่ายหุ้มฉนวน ดังนั้นในกรณีที่ลดความดันของไอน้ำจึงควรส่งความดันสูงไปยังอุปกรณ์ใช้ไอน้ำแล้วจึงลดความดันโดยติด Pressure Reducing Valve ที่ทางเข้าอุปกรณ์นั้น

4. ในกรณีที่ทำน้ำร้อนโดยการพ่นไอน้ำเข้าไปในน้ำโดยตรง การใช้ไอน้ำที่ลดความดันต่ำจะช่วยลดการสูญเสียเนื่องจากไอน้ำกลายเป็น Flash Steam และหนีออกสู่บรรยากาศ ดังนั้นจึงช่วยประหยัดพลังงานได้

5. ในกรณีที่ให้ความร้อนโดยการพ่นไอน้ำโดยตรง เช่น ในหม้อนึ่งปลากระป๋องเป็นต้น การใช้ไอน้ำความดันต่ำจะช่วยให้ไอน้ำมีความสม่ำเสมอและสามารถรักษาอุณหภูมิให้สม่ำเสมอได้ ไอน้ำที่หนีออกสู่บรรยากาศก็น้อยกว่า จึงช่วยให้ประหยัดพลังงานได้ แต่ในการนี้สิ่งที่สำคัญที่สุดคือ การกำหนดขนาด, จำนวน และตำแหน่งติดตั้งของหัวฉีดให้เหมาะสม

ตามข้างต้นก็เป็นการอนุรักษ์พลังงานในระบบหม้อไอน้ำที่นำแนวทางการลดพลังงานความร้อนสูญเสีย (Loss) หรือนำความร้อนสูญเสียกลับมาใช้มาปฏิบัติจนเกิดผลประหยัดจริง ได้แก่ วิธีการเดินหม้อไอน้ำและบำรุงรักษาเพื่อประหยัดพลังงาน, การอุ่นอากาศก่อนการเผาไหม้, การนำความร้อน Flash Steam กลับมาใช้และการลดแรงดันไอน้ำก่อนใช้งาน ซึ่งทำให้ใช้หม้อไอน้ำอย่างมีประสิทธิภาพและส่งผลให้เกิดการประหยัดพลังงานและลดค่าใช้จ่ายตามมา

เอกสารอ้างอิง

1..ศูนย์วิศวกรรมอุณหภาพ, การอบรมเชิงปฏิบัติการเรื่อง "การประหยัดพลังงานในหม้อไอน้ำ", สำนักวิจัยและบริการวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี, มหาวิทยาลัยพระจอมเกล้าธนบุรี, 2547.
2. ผศ. แสวง กะระณา, เอกสารประกอบการฝึกอบรมหลักสูตร "การผลิตและการใช้ไอน้ำอย่างมีประสิทธิภาพ", 2547
3. www.spiraxsarco.com/th/
4. www.nrel.gov/data/pix/Jpegs/00427.jpg