คำสั่งควบคุมระบบ Bypass กังหันไอน้ำ
(Control Algorithm for Steam Turbine Bypass System)

โรงงานผลิตไฟฟ้า (Power Plants) ส่วนใหญ่ที่ใช้กังหันไอน้ำจะใช้ระบบ Bypass กังหันไอน้ำ เพื่อช่วยลดการกระทบอย่างแรงจากความร้อน (Thermal Shocks) บนตัวกังหันไอน้ำ (Steam Turbine) และระบบท่อให้ต่ำที่สุด และยังอนุญาตให้ระบบเริ่มทำงานได้อย่างรวดเร็วในช่วงการเริ่มต้นทำงาน (Start Up) และหลังจากหยุดทำงาน (Shut Down)

ส่วนประกอบที่มีความจำเป็นของระบบ Bypass กังหันไอน้ำเกือบทั้งหมดจะเป็นการฉีดละอองน้ำ (Spray Water) เข้าไปในการไหลของไอน้ำ เพื่อทำการลด Enthalpy ของไอน้ำไปยังค่าที่กำหนดไว้แล้ว ซึ่งจุดวิกฤติของการฉีดละอองน้ำต้องเป็นไปอย่างระมัดระวังและมีความแม่นยำ เพื่อให้แน่ใจว่าสภาวะด้านทางออกมีความเหมาะสม และหลีกเลี่ยงความเสี่ยงต่อความเสียหายไปยังอุปกรณ์ที่อยู่ทางด้านหลัง

การออกแบบชุดคำสั่งการควบคุมระบบ Bypass กังหันไอน้ำที่ไม่ดี สามารถทำให้การฉีดละอองน้ำไม่เพียงพอนำไปสู่การหยุดทำงานของระบบ ซึ่งอาจเป็นเหตุให้เกิดความร้อนสูงหรือความดันสูงในเครื่องควบแน่น (Condenser) สำหรับการฉีดละอองน้ำที่มากเกินไปสามารถทำให้เกิดความเสียหายต่อส่วนประกอบท่อและเครื่องควบแน่น หรือถ้ามีการสลับไปมาระหว่างการฉีดละอองน้ำไม่เพียงพอหรือมากเกินไป จะเป็นเหตุทำให้ค่าอุณหภูมิแกว่งไปมา จึงทำให้มีความเสี่ยงในการเกิดความผิดปกติจากความร้อนเพิ่มมากขึ้น

ดังนั้นในระบบ Bypass กังหันไอน้ำต้องมีการจัดเตรียมรายละเอียดข้อกำหนดสำหรับส่วนประกอบต่าง ๆ และระบบควบคุมที่จำเป็นเพื่อจัดการควบคุมไอน้ำในระบบและบริเวณรอบ ๆ กังหันไอน้ำ    ไอน้ำในระบบกังหันไอน้ำควรจะมีคุณภาพต่ำสุดประมาณ 92 เปอร์เซ็นต์ เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาการกระแทกและการกัดกร่อนภายในระบบ

ในรูปที่ 1 แสดงระบบ Bypass กังหันไอน้ำทั่วไป เพื่อใช้เป็นส่วนช่วยเหลือในการอธิบายข้อกำหนดสำหรับการออกแบบระบบนี้

รูปที่ 1 Turbine Steam Bypass System

รายละเอียดระบบ Bypass กังหันไอน้ำจะทำหน้าที่ครอบคลุมฟังก์ชันต่าง ๆ ดังต่อไปนี้
ก) ความเหมาะสมที่ยอมรับได้ของความแตกต่างระหว่างโลหะกับอุณหภูมิไอน้ำก่อนที่ไอน้ำจะถูกยอมรับเพื่อให้เข้าไปที่กังหัน
ข) การจัดการกับความแตกต่างระหว่างการผลิตและการไหลของไอน้ำในระหว่างสภาวะการเพิ่มชั่วขณะ (Transient)

ก) การควบคุมความดันของไอน้ำที่ Bypass รอบกังหันไอน้ำ
ข) การควบคุมความดันของไอน้ำหลักจากเครื่องกำเนิดไอน้ำ
ค) การควบคุมการไหล และอุณหภูมิของไอน้ำที่ผ่านท่อ Cold Reheat ไปยังท่อ Boiler Reheater เพื่อลดอุณหภูมิลง
ง) การควบคุมการไหลของไอน้ำผ่านท่อไอน้ำหลักไปยังท่อ Boiler Final Superheater เพื่อลดอุณหภูมิลง ในกรณีที่ความดันการทำงานลดลง
จ) ป้องกันการยกตัวของวาล์วนิรภัยของไอน้ำหลัก และ Hot Reheater ระหว่างสภาวะการทำงานชั่วขณะ

การใช้งานระบบ Bypass กังหันไอน้ำ

เอาต์พุตของเครื่องกำเนิดไอน้ำสามารถเกิดสภาวะลดลงได้ในช่วงเวลาสิบนาทีหรือน้อยกว่า เพื่อคงค่าภาระที่ค่าประมาณ 10 ถึง 20 เปอร์เซ็นต์ โดยไม่ต้องสร้างความลาดชันของอุณหภูมิที่มากเกินไป (Excessive Temperature Gradients) เมื่อระบบ Bypass กังหันไอน้ำถูกนำมาใช้

ความดันไอน้ำ Bypass ที่ตั้งค่าไว้ต้องเป็นไปตามค่าความดันไอน้ำจริงที่ด้านทางออกของ Super Heater ระหว่างการเปลี่ยนแปลงความดันในการทำงาน ความดันที่ตั้งค่าไว้นี้สามารถถูกเปลี่ยนแปลงได้โดยระบบอัตโนมัติ (Automatic) หรือด้วยมือ (Manual)

สำหรับสัญญาณที่สั่งการให้เปิดวาล์ว HP Bypass อย่างรวดเร็วนั้น จะสามารถใช้เป็นตัวริเริ่มการทำงานของการควบคุมตำแหน่งของวาล์วที่ใช้หยุดกังหันไอน้ำ หรือให้กำเนิดสัญญาณหยุดทำงาน

การไหลของไอน้ำ Bypass รอบกังหันไอน้ำสามารถถูกนำไปใช้เป็นสัญญาณ Feed Forward สำหรับนำไปใช้ในระบบควบคุมอุณหภูมิ และตำแหน่งการเปิดวาล์วควบคุม การ Bypass สามารถสร้างเป็นตัววัดการไหลได้โดยใช้ค่าความดันไอน้ำเป็นการแสดงค่าของการไหลไอน้ำ
สำหรับในการใช้งาน ระบบ Bypass กังหันไอน้ำมากกว่า 40 เปอร์เซ็นต์ การวัดไอน้ำ HP Bypass อาจเป็นที่ต้องการสำหรับใช้เป็นยุทธศาสตร์การควบคุมความต้องการน้ำ (Feed Water) ที่ป้อนให้กับเครื่องกำเนิดไอน้ำ (Boiler)

ถ้าการไหลของไอน้ำถูกวัดโดยความดันแตกต่างที่บริเวณกังหันไอน้ำช่วงแรก (ตัววัดการไหลไอน้ำ) แล้ว เครื่องมือวัดการไหลไอน้ำ HP Bypass มีความต้องการเพื่อวัดการไหลไอน้ำ Bypass หรือคุณลักษณะตำแหน่งการเปิดวาล์ว Bypass อาจถูกนำมาใช้ แต่ถ้าหากการไหลไอน้ำถูกวัดก่อนวาล์วหยุดไอน้ำหลัก (Main Steam Block Valve) แล้ว เครื่องมือวัดการไหลไอน้ำ HP Bypass ไม่มีความต้องการเพื่อวัดการไหลไอน้ำ Bypass

มาตรฐานเครื่องกำเนิดไอน้ำของยุโรปอนุญาตให้ละเว้นการใช้วาล์วนิรภัยในระบบที่ทำงานร่วมกับวาล์ว HP Bypass ได้ แต่มาตรฐานของอเมริกันต้องใช้วาล์วนิรภัยถึงแม้ว่ามีการใช้ระบบวาล์วควบคุมการ Bypass

วาล์วทั้งหมดในระบบ Bypass กังหันไอน้ำโดยปกติจะควบรวมเข้ากับระบบควบคุม, หน่วยจ่ายพลังงาน และหัวขับวาล์ว (Actuators) ที่อนุญาตให้วาล์วทุกขนาดเปิดเต็มระยะชักในเวลาสองวินาทีหรือน้อยกว่า

สำหรับเครื่องกำเนิดไอน้ำโดยเฉพาะอย่างยิ่งในหน่วยที่เป็น Supercritical ระบบ Bypass กังหันไอน้ำช่วยปรับปรุงการทำงานของเตาเผา (Furnace), Super Heaters หลักและรอง, ท่อไอน้ำ Reheater ในส่วนเริ่มต้นวงจรไอน้ำ

ระบบนี้ช่วยปรับปรุงความบริสุทธิ์ของระบบไอน้ำ ก่อนที่จะเริ่มต้นเดินกังหันไอน้ำ นอกจากนั้นยังช่วยลดเวลาเริ่มต้นเดินเครื่องได้อย่างมาก กังหันไอน้ำสามารถเริ่มต้นทำงานจากการเปลี่ยนเกียร์ (Turning Gear) และสามารถเข้าถึงอัตราความเร็วในเวลา 15 ถึง 30 นาที ทำให้อุณหภูมิแกนหมุนของกังหันอยู่เหนืออุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงไปสู่จุดแตกหัก การทำงานของระบบ Bypass กังหันไอน้ำอาจจะใช้เวลาประมาณ

ไอน้ำที่ไหลผ่าน Superheater และ Reheater ทำให้ผลกระทบที่ท่อหล่อเย็นดีขึ้น และจะอนุญาตให้เครื่องกำเนิดไอน้ำทำงานที่อัตราการเผาไหม้ที่เพิ่มสูงขึ้น อุณหภูมิที่รูแกนหมุนควรปฏิบัติตามอุณหภูมิ Gradients ของผู้ผลิตกังหันไอน้ำ

ข้อดีของระบบ Bypass กังหันไอน้ำได้แสดงรายละเอียดภายใต้ Cold Start นอกจากนั้นยังสามารถใช้กับโหมดนี้เมื่ออุณหภูมิที่ปลอกของกังหันไอน้ำ HP โดยปกติมักจะมีค่าเหนือกว่า 212 ฟาเรนไฮน์ (100 องศาเซลเซียส) วาล์วควบคุมการ Bypass อนุญาตให้มีการทำงาน เพื่อให้เหมาะสมตรงกันของไอน้ำกับอุณหภูมิโลหะทั้งหมดภายใต้ทุกสภาวะความเร็ว

การรบกวนเพียงเล็กน้อยเป็นสาเหตุให้ระบบหยุดการทำงาน โดยปกติจะเกี่ยวข้องกับการ Hot Restart ข้อดีหลายประการที่กล่าวถึงไปแล้ว สามารถนำไปใช้กับการทำงานโหมดนี้ การ Bypass มีความสามารถในการทำให้เหมาะสมกับอุณหภูมิของโลหะส่วนหลักของกังหัน และทำให้ไม่จำเป็นต้องผ่านการทำให้เย็นลงและกระบวนการเริ่มอุ่นเครื่องอีกครั้ง

ในกรณีที่มีการปฏิเสธโหลดบางส่วนหรือทั้งหมด วาล์วควบคุมการ Bypass จะต้องเปิดทันที ระบบควบคุม Bypass จะเปิดวาล์วควบคุมการ Bypass เพื่อให้เป็นองศาเดียวกันกับวาล์วควบคุมที่กังหัน ก่อนที่วาล์วควบคุมจะถูกสั่งให้ปิด ทำให้กังหันไอน้ำสามารถหยุดทำงานอย่างช้า ๆ และเตรียมพร้อมเพื่อเริ่มต้นทำงานใหม่อีกครั้ง

ระบบป้องกันควรถูกจัดเตรียมเพื่อให้เครื่องกำเนิดไอน้ำหยุดทำงาน เมื่อวาล์ว HP Bypass หรือ LP Bypass ไม่สามารถเปิดได้ และเมื่อการไหลไอน้ำหล่อเย็นไม่เพียงพอที่ผ่าน Superheater หรือ Reheater

ข้อกำหนดการออกแบบระบบ 

การออกแบบระบบควบคุมการ Bypass กังหันไอน้ำจะต้องมีความทนทานต่อความผิดพลาด การออกแบบจะต้องจดจำพฤติกรรมความล้มเหลวขององค์ประกอบเมื่อการออกแบบระบบในลักษณะ Fail-safe

การออกแบบระบบลอจิกจะรวมถึงการตรวจสอบ และวินิจฉัยเพื่อแสดงค่าและสัญญาณเตือนใด ๆ เมื่อองค์ประกอบในระบบควบคุมเกิดความผิดปกติรวมไปถึงตัวประมวลผล, การโอนย้ายข้อมูล, ส่วนอินพุต/เอาต์พุต และส่วนจ่ายพลังงงานไฟฟ้า

การควบคุม High Pressure Bypass เป็นกลยุทธ์การควบคุมน้อยที่สุด เพื่อปรับความดันไอน้ำที่ออกจากเครื่องกำเนิดไอน้ำ อ้างอิงจากรูปที่ 1 ความดันไอน้ำหลักถูกวัด และเปรียบเทียบกับค่าที่ตั้งไว้ โดยใช้ควบคุมวาล์วความดันสูง ค่าความดันที่กำหนดถูกจำกัดภายในค่าต่ำสุดและสูงสุด และเพิ่มขึ้นอย่างราบรื่นเพื่อป้องกันปัญหาที่คาดไม่ถึง วาล์วไม่สามารถเปิดได้ หากความดันละอองน้ำที่ฉีดไปยัง Desuperheater มีไม่เพียงพอ, ถ้าไม่มีน้ำ, หรือวาล์วป้องกันไม่เปิดสูงสุด

สำหรับระบบสำรอง (Redundancy) เพื่อเพิ่มความปลอดภัย ควรจะใช้ระบบตรวจสอบความดันในรูปแบบ 2oo3 (two-out-of-three) หรือ 1oo3 (one-out-off-three)

การควบคุมอุณหภูมิไอน้ำ HP Bypass เป็นกลยุทธ์การควบคุมน้อยที่สุดที่ต้องการ เพื่อปรับอุณหภูมิไอน้ำที่ออกจาก HP Turbine Bypass อ้างอิงจากรูปที่ 1 อุณหภูมิไอน้ำ HP Bypass ถูกวัดและเปรียบเทียบกับค่าที่ตั้งไว้ โดยใช้ควบคุมวาล์วควบคุมละอองน้ำที่ฉีดไปยัง Desuperheater

การเตรียมการจะต้องทำเพื่อ Override คำสั่ง HP Bypass และลอจิกลำดับของวาล์วปิด/เปิดเพื่อเปิดวาล์วควบคุมและวาล์วป้องกันในกรณีที่
ก) กังหันไอน้ำหยุดทำงาน
ข) เบรกเกอร์เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเปิด
ค) การร้องขอจากผู้ปฏิบัติงานให้ปิด

ลอจิกการควบคุมเป็นลำดับ จะถูกระบุไว้สำหรับการทำงานของวาล์วป้องกัน เพื่อรักษาความสามารถในการ Shut Off ลอจิกของวาล์วป้องกันจะเปิดวาล์วป้องกันไปยังตำแหน่งสูงสุดก่อนที่จะเริ่มต้นเปิดวาล์วควบคุม Modulating ลอจิกของวาล์วป้องกันจะปิดวาล์วป้องกันหลังจากการปิดวาล์ว Modulating

การควบคุม IP and LP Bypass เป็นกลยุทธ์การควบคุมน้อยที่สุดที่ต้องการ เพื่อปรับความดันไอน้ำที่ออกจากส่วน Reheater ของเครื่องกำเนิดไอน้ำ อ้างอิงจากรูปที่ 1 ความดันไอน้ำที่ออกจาก Reheater ถูกวัดและเปรียบเทียบกับค่าที่ตั้งไว้ โดยใช้ปรับวาล์วควบคุมความดัน IP และ LP ค่าความดันที่กำหนดถูกโปรแกรมบนพื้นฐานความดันช่วงแรกของกังหันไอน้ำ (Turbine’s First Stage Pressure) และถูกจำกัดอยู่ภายในค่าต่ำสุดและสูงสุด วาล์วควบคุมจะไม่ถูกอนุญาตให้เปิดถ้าหาก ความดันละอองน้ำที่ฉีดไปยัง Desuperheater มีไม่เพียงพอ, ถ้าไม่มีน้ำ, หรือหากวาล์วป้องกันไม่เปิดสูงสุด

การควบคุมอุณหภูมิไอน้ำ IP และ LP Bypass เป็นกลยุทธ์การควบคุมน้อยที่สุดที่ต้องการ เพื่อปรับอุณหภูมิไอน้ำที่ออกจาก LP Turbine Bypass อ้างอิงจากรูปที่ 1 อุณหภูมิไอน้ำ LP Bypass ถูกวัดและเปรียบเทียบกับค่าที่ตั้งไว้ โดยใช้ปรับวาล์วควบคุมละอองน้ำที่ไปยัง Desuperheater ค่าความดันที่กำหนดได้มาจากตำแหน่งการเปิดวาล์วควบคุม IP และ LP Bypass, ความดันด้านออกของ Reheater และอุณหภูมิด้านออกของ Reheater 

ถ้าระยะทางระหว่างจุดฉีดละอองน้ำและเครื่องมือวัดอุณหภูมิสั้นมากเพื่อให้น้ำระเหยตัว การคำนวณความสมดุลย์ทางความร้อนสามารถดำเนินการได้จากตำแหน่งการเปิดวาล์วน้ำ สำหรับระบบสำรอง (Redundancy) เพื่อเพิ่มความปลอดภัย ควรจะใช้ระบบตรวจสอบความดันในรูปแบบ 2oo3 (two-out-of-three) หรือ 1oo3 (one-out-off-three) 

การเตรียมการจะต้องทำเพื่อ Override คำสั่ง IP และ LP Bypass และลอจิกลำดับของวาล์วปิด/เปิด เพื่อปิดวาล์วควบคุมและวาล์วป้องกันในกรณีที่

ก) เครื่องควบแน่นความดันสูง
ข) เครื่องควบแน่นอุณหภูมิสูง
ค) Hot well ระดับสูง
ง) ความดันละอองที่ไปยัง Desuperheater น้ำต่ำเกินไป

ลอจิกการควบคุมเป็นลำดับจะถูกระบุไว้สำหรับการทำงานของวาล์วป้องกัน เพื่อรักษาความสามารถในการ Shut Off ลอจิกของวาล์วป้องกันจะเปิดวาล์วป้องกันไปยังตำแหน่งสูงสุดก่อนที่จะเริ่มต้นเปิดวาล์วควบคุม Modulating ลอจิกของวาล์วป้องกันจะปิดวาล์วป้องกันหลังจากการปิดวาล์ว Modulating

• คำสั่งควบคุมอนุญาตให้มีการไหลของละอองน้ำ (Spray Water) ในขณะที่ไม่มีการไหลของไอน้ำ Bypass ซึ่งจะเป็นสาเหตุให้น้ำเย็นส่งผลกระทบไปยังท่อที่ร้อนและส่วนภายในของวาล์วไอน้ำ Bypass ผลกระทบนี้อาจจะนำไปสู่การเกิดความผิดปกติทางความร้อนของท่อหรือส่วนภายในของวาล์วไอน้ำ Bypass

• คำสั่งควบคุมแบบ Feedback ถูกนำมาใช้ในระบบด้วยระยะทางที่ไม่เพียงพอระหว่างจุดฉีดละอองน้ำและเครื่องมือวัดอุณหูมิ จะเป็นผลทำให้การอ่านค่าจากเครื่องมือวัดอุณหภูมิเชื่อถือไม่ได้ และมีความผิดพลาดในการควบคุม

• คำสั่งควบคุมแบบ Feedback ถูกนำมาใช้ในระบบด้วยไอน้ำด้านออกอยู่ในตำแหน่งหรือใกล้จุดสภาวะอิ่มตัว จะเป็นผลทำให้การอ่านค่าจากเครื่องมือวัดอุณหภูมิเชื่อถือไม่ได้ และระบบการควบคุมไม่สอดคล้องกัน ที่ตำแหน่งหรือใกล้จุดสภาวะอิ่มตัว เครื่องมือวัดอุณหภูมิในระบบการควบคุมอาจใช้งานไม่ได้

• ระบบควบคุมแบบ Feed Forward มีความผิดพลาดในการคาดคะเนอัตราการไหลของละอองน้ำที่ฉีดเข้าไป เนื่องจากการคาดคะเนค่าไอน้ำและความสามารถของวาล์วควบคุมน้ำที่ผิดพลาด

คำสั่งการควบคุมอุณหภูมิแบบป้อนกลับเป็นการแก้ปัญหาซึ่งมีความเป็นไปได้สำหรับการใช้งานในระบบ Bypass กังหันไอน้ำเกือบทั้งหมด และถูกนำมาใช้งานกันอย่างทั่วไปในระบบที่มีความร้อนสูงสุดของไอน้ำ Superheater ในด้านทางออก ดังเช่นการ Bypass ไอน้ำที่มีค่าความดันสูงไปยังส่วนที่มีอุณหภูมิต่ำเพื่อต้องการทำให้อุณหภูมิมีค่าสูงขึ้นอีกครั้ง (Reheated) ระบบการควบคุมอุณหภูมิแบบป้อนกลับสามารถแสดงได้ดังรูปที่ 2

รูปที่ 2 การควบคุมอุณหภูมิแบบป้อนกลับ

ในรูปแบบนี้อุณหภูมิถูกวัดที่ด้านทางหลังของจุดฉีดละอองน้ำ และจำนวนของละอองน้ำที่เปลี่ยนแปลงจะอยู่บนพื้นฐานของอุณหภูมินั้น
คำสั่งการควบคุมอุณหภูมิแบบป้อนกลับมีความต้องการระยะทางในการกลายเป็นไอที่เพียงพอไปจะถึงจุดวัดอุณหภูมิที่ด้านทางหลัง และค่าเป้าหมายอุณหภูมิที่ด้านทางออกอย่างน้อยต้องเหนือกว่าจุดอิ่มตัว 10-15 องศาเซลเซียส ถ้าข้อกำหนดนี้ไม่สามารถทำได้จะต้องใช้คำสั่งการควบคุมแบบ Feed Forward

คำสั่งการควบคุมอุณหภูมิแบบป้อนกลับจะมีผลการตอบสนองที่ล่าช้า ดังตัวอย่าง เครื่องมือวัดอุณหภูมิอ่านค่าที่ 66 เปอร์เซ็นต์ ของการเปลี่ยนแปลงทั้งหมดในเวลาประมาณ 30 วินาที ถ้าเครื่องมือวัดมีการหุ้มฉนวน เวลาล่าช้านี้จะเพิ่มขึ้นอีก เวลาล่าช้าสามารถเป็นผลทำให้เกิดความเบี่ยงเบนระหว่างอัตราการฉีดละอองน้ำจริงกับค่าที่ต้องการ สำหรับระบบที่ทำงานใกล้สภาวะอิ่มตัวที่ด้านทางออก การเบี่ยงเบนสามารถเกิดการไหลของน้ำอย่างอิสระ ซึ่งจะเป็นผลทำให้การควบคุมผิดพลาด

การปรับปรุงการตอบสนองทางไดนามิคส์ของระบบเหล่านี้ ทำได้โดยการเพิ่มสัญญาณ Feed Forward ไปจนถึงวาล์วควบคุมละอองน้ำ สามารถถูกนำมาใช้ได้ สัญญาณนี้ถูกคำนวณมาจากการไหลไอน้ำ (กำหนดจากตำแหน่งของวาล์วควบคุม Bypass กับความดันด้านทางเข้า) และความแตกต่างระหว่างอุณหภูมิไอน้ำด้านทางเข้า และอุณหภูมิด้านทางออกที่ตั้งค่าไว้

สำหรับระบบที่มีการเปลี่ยนแปลงค่าการไหลกว้าง สัญญาณการไหลไอน้ำสามารถถูกใช้เป็นสัญญาณส่วนอัตราขยายสำหรับตัวควบคุมแบบ PI (Proportional Integral)

คำสั่งควบคุมแบบ Feed Forward ถูกใช้โดยทั่วไปอย่างประสบความสำเร็จในระบบไอน้ำด้านทางออกที่อยู่ตำแหน่งใกล้หรืออยู่ที่สภาวะอิ่มตัว ดังเช่นการ Bypass ไปยังเครื่องควบแน่น (Condenser)

ในคำสั่งควบคุมแบบ Feed Forward มีความต้องการค่าจำนวนละอองน้ำทั้งหมดเพื่อทำให้ได้ค่า Enthalpy ไอน้ำด้านทางออกที่ต้องการ ซึ่งถูกคำนวณอยู่บนพื้นฐานความดันและอุณหภูมิที่ถูกวัดและการไหลไอน้ำสามารถถูกกำหนดโดยใช้ความดันตกคร่อมด้านทางหลัง Dump Tube, ตำแหน่งการเปิดวาล์วควบคุม Bypass หรือวัดการไหลด้วยแผ่นออริฟิส การควบคุมแบบ Feed Forward แสดงได้ดังรูปที่ 3

รูปที่ 3 การควบคุมแบบ Feed Forward

วิธีการทั่วไปและมีความแม่นยำสำหรับการกำหนดการไหลไอน้ำจะเป็นที่ Dump Tube ที่จ่ายไอน้ำไปยังเครื่องควบแน่น วิธีการนี้ต้องมีการคาดคะเนที่ดีของปริมาณการไหลสูงสุดที่ Dump Tube จะสามารถรับได้ อย่างไรก็ตาม เป็นสิ่งจำเป็นที่ต้องไม่มีผลกระทบโดยการเปลี่ยนแปลงสภาวะด้านทางเข้าของการ Bypass

ในสภาวะทั้งหมดดังต่อไปนี้ ความดันใน Dump Tube มีค่ามากกว่า 2 เท่าของความดันเครื่องควบแน่น และมีความเป็นเชิงเส้นที่สัมพันธ์กับอัตราการไหลของไอน้ำ Desuperheater

การใช้งานที่มีการทิ้งไอน้ำไปยังเครื่องควบแน่น ละอองน้ำทั้งหมดที่เข้าไปยังระบบมีผลกระทบเล็กน้อยบนความดันย้อนกลับที่เกิดขึ้นโดย Dump Tube ผลกระทบที่เกิดขึ้น ทำให้อัตราการไหลของไอน้ำด้านทางเข้าไปยังระบบสามารถถูกคาดคะเนจากความสมดุลย์ความร้อน ถูกแสดงโดยความดันหลัง Dump Tube

ในระบบซึ่ง Dump Tube ไม่สามารถถูกใช้ไปเป็นอุปกรณ์สำหรับวัดการไหล ตำแหน่งการเปิดของวาล์วควบคุม Bypass สามารถถูกนำไปใช้ในการคาดคะเนอัตราการไหลมวลไอน้ำด้านทางเข้า คำสั่งควบคุมแบบนี้ต้องการตำแหน่งการเปิดวาล์วควบคุม Bypass และคุณลักษณะเส้นโค้งปริมาณการไหล

Enthalpy ของไอน้ำสามารถถูกคำนวณใน DCS โดยใช้โมดูลการคำนวณ Enthalpy ถ้าโมดูลดังกล่าวไม่มี ให้ใช้งานเส้นโค้งความถูกต้องของความดัน/อุณหภูมิ (Pressure/Temperature Correction Curves) มาใช้งาน

อัตราการไหลของละอองน้ำสามารถถูกกำหนดได้ทั้งจากการวัดด้วยแผ่นออริฟิสในท่อน้ำ หรือโดยการวัดความดันแตกต่างคร่อมวาล์วควบคุมละอองน้ำ และเก็บค่าตำแหน่งการเปิดของวาล์วและเส้นโค้งคุณลักษณะปริมาณการไหล

ถ้าให้ค่าอินพุตของไอน้ำด้านทางเข้า, อุณหภูมิและความดัน, อุณหภูมิละอองน้ำด้านทางเข้าและความดันด้านทางเข้า Dump Tube วิธีการออกแบบเบื้องต้นถูกใช้ในการกำหนดการไหลมวลที่ต้องการของละอองน้ำที่สภาวะใด ๆ เป็นดังนี้

• จัดเตรียมสภาวะ Baseline ซึ่งควรจะสอดคล้องไปจนถึงการไหลไอน้ำด้านทางเข้าสูงสุดที่อุณหภูมิด้านทางเข้าสูงสุด
• คำนวณละอองน้ำทั้งหมดที่ต้องการ เพื่อยังคงค่า Enthalpy ไอน้ำด้านทางออกที่ต้องการสำหรับสภาวะ Baseline นี้
• คำนวณปริมาณการไหลสูงสุดของ Dump Tube
• กำหนดความดันด้านทางหลังที่ถูกกำหนด Dump Tube ที่สภาวะ Baseline นี้

• จัดเตรียมตำแหน่งชดเชยเพื่อความถูกต้องสำหรับการเปลี่ยนแปลงในความดันและอุณหภูมิไอน้ำด้านทางเข้าและอุณหภูมิละอองน้ำ (ในบางระบบ ความดันด้านทางเข้าถูกทำให้คงที่)

• ความต้องการละอองน้ำสำหรับการทำงานทุก ๆ สภาวะสามารถถูกกำหนดบนพื้นฐานของความดันหลัง Dump Tube, ค่าที่ถูกวัดของความดันไอน้ำด้านทางเข้า, อุณหภูมิและอุณหภูมิละอองน้ำด้านทางเข้า

คำสั่งการควบคุมแบบนี้จะไม่ทำงานสำหรับระบบที่ใช้วาล์ว Bypass หลายตัวปล่อยไอน้ำไปยัง Dump Tube ร่วมกัน ซึ่งสามารถเป็นกรณีในรูปแบบ 2*1 หรือ 3*1 Combine Cycle Plants, สำหรับท่อ Bypass หลายท่อที่ไปยัง Dump Tube ร่วมกันจะไม่มีความสัมพันธ์ที่สอดคล้องกันระหว่างความดันหลัง Dump Tube, อัตราการไหลไอน้ำและตำแหน่งการเปิดวาล์วควบคุม Bypass

เพราะว่ามีความต้องการระยะการระเหยตัวที่เพียงพอไปจนถึงเครื่องมือวัดอุณหภูมิด้านหลัง ระบบกับคำสั่งการควบคุม Feed Back จะต้องการระยะมากกว่าระบบกับการควบคุมแบบ Feed Forward การเพิ่มระยะจะทำให้ค่าใช้จ่ายวัสดุเพิ่มขึ้น

นอกจากนั้นการทำงานที่เหมาะสมและการหลีกเลี่ยงการเกิดหยดน้ำและการสะสมน้ำในระบบ เมื่อตำแหน่งเป็นข้อจำกัดของระบบ รูปแบบท่อระหว่างจุดฉีดละอองน้ำและเครื่องมือวัดอุณหภูมิควรจะมีการดัดโค้งเล็กน้อยและขยายตัวให้มากที่สุด

• การควบคุมแบบ Feed Forward มีความต้องการวาล์วควบคุมละอองน้ำที่มีย่านการควบคุมน้อย
• การควบคุมแบบ Feed Forward มีการตอบสนองเร็วต่อเครื่องมือวัดที่ช้าและดังนั้นจึงทำให้มีความเชื่อมั่นได้สูง
• การควบคุมแบบ Feed Forward สามารถจัดเตรียมได้ง่ายใน DCS และ PLC
• การควบคุมแบบ Feed Forward แยกการเชื่อมต่อตัวแปรที่ถูกวัด (ความดันไอน้ำด้านหลัง) และตัวแปรควบคุม (อัตราการไหลละอองน้ำ) เพื่อขจัดปัญหากับระบบที่แกว่งไปมา

ปริมาณละอองน้ำที่มากเกินไปสามารถเป็นสาเหตุให้เกิดความเครียดทางความร้อน (Thermal Stress) เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็ว, การกัดเซาะ (Erosion) หรือแม้กระทั่ง Water Hammer การเพิ่มของอุณหภูมิช่วงสั้น ๆ โดยทั่วไปจะไม่เป็นจุดวิกฤติสำหรับระบบเพราะว่ามีมวลขนาดใหญ่ และมีความเฉื่อยความร้อนสูง สภาวะการควบคุมอย่างอิสระตัวควบคุมอุณหภูมิควรจะต้องถูกปรับเป็นดังนี้

• เมื่อเพิ่มการไหลไอน้ำ การไหลละอองน้ำต้องเป็นไปพร้อมกันหรือเคลื่อนไหวล้าหลังจากการไหลไอน้ำ
• เมื่อลดการไหลไอน้ำ การไหลละอองน้ำต้องเป็นไปพร้อมกันหรือเคลื่อนไหวนำหน้าการไหลไอน้ำ

เพื่อหลีกเลี่ยงความเครียดทางความร้อนและ Water Hammer เนื่องจากละอองน้ำรั่วไปยังท่อไอน้ำ วาล์วควบคุมละอองน้ำและวาล์วปิดเปิดละอองน้ำ (ถ้ามีการติดตั้ง) ต้องปิดเมื่อไรก็ตามที่วาล์วน้ำปิด

• นำไปใช้งานกับการควบคุม 2 แบบ ทั้งควบคุมด้วยมือและแบบอัตโนมัติ
• การเปิดและปิดของวาล์วควบคุมละอองน้ำควรจะถูกควบคุมโดยสวิตช์ตำแหน่งปิดของวาล์วควบคุม Bypass
• วาล์วควบคุมละอองน้ำที่ไม่ได้ติดตั้งวาล์วปิดเปิดที่ด้านหน้าต้องมีการรั่วไหลที่ Class V

ท่อทางด้านหลังโดยปกติจะถูกป้องกันโดยฟังก์ชันอุณหภูมิสูง ซึ่งจะปิดวาล์วควบคุม Bypass ในเหตุการณ์เมื่อไม่มีละอองน้ำ จุดจำกัดอุณหภูมิควรจะถูกตั้งค่าไปยังค่าอุณหภูมิการออกแบบของท่อด้านหลัง พร้อมกับเวลาหน่วง 20-30 วินาที เพื่อหลีกเลี่ยงการหยุดทำงานเนื่องการเพิ่มขึ้นชั่วคราวในช่วงสั้น ๆ

• ในกรณีของระบบ HP Bypass พร้อมกับฟังก์ชันนิรภัย คำสั่งปิดวาล์วควบคุม Bypass จะไม่อนุญาตให้ดำเนินการและระบบท่อด้านหลังต้องถูกออกแบบสำหรับการทำงานในสภาวะที่รับไม่ได้ช่วงสั้น ๆ
• ในกรณีระบบทิ้งไอน้ำไปยังเครื่องควบแน่น ซึ่งระบบควบคุมเครื่องควบแน่นต้องมีฟังก์ชันหยุดทำงานเป็นของตัวเอง (ถูกออกแบบโดยผู้จำหน่ายเครื่องควบแน่น) ซึ่งจะปิดวาล์วควบคุม Bypass เพื่อป้องกันเครื่องควบแน่น
• บ่อยครั้งสัญญาณเตือนความดันต่ำสำหรับละอองน้ำถูกนำมาใช้ในการปิดวาล์วควบคุม Bypass ระบบทิ้งไอน้ำไปยังเครื่องควบแน่น

สำหรับ HP Bypass ไปยังระบบ Reheat การกำหนดค่าอุณหภูมิควรจะสูงสุดเท่าที่เป็นไปได้ ซึ่งจะลดจำนวนละอองน้ำทั้งหมด, ระยะการระเหย, อันตรายของน้ำเกิน

• ระบบท่อต้องอนุญาตให้มีการปล่อยทิ้งในเหตุการณ์ที่ระบบควบคุมทำงานผิดพลาด
• ถ้าวาล์วควบคุม Bypass มีการรั่วเป็นผลทำให้อุณหภูมิด้านหลังเกินกว่าค่าจำกัดสูงสุด วาล์วควบคุม Bypass ควรจะเปิด 5–10 เปอร์เซ็นต์ เพื่อให้มีการฉีดละอองน้ำ
• ต้องไม่มีการใช้วาล์วลดความดันแยกออกมาที่ด้านหน้าของวาล์วควบคุมละอองน้ำ ซึ่งจะเป็นสาเหตุของปัญหาการแกว่งไปมา เป็นผลมาจากความแตกต่างของการควบคุม
• สำหรับระบบหยุดทำงานจากเหตุผลอื่น ๆ ที่รู้ค่าอัตราการไหล คำสั่งควบคุมต้องถูกโปรแกรมในการเปิดวาล์วควบคุม Bypass ไปยังตำแหน่งที่ถูกกำหนดไว้ ก่อนที่จะกลับไปยังการควบคุมอัตโนมัติ
ถ้าไม่ว่าเหตุผลใด ๆ ก็ตามที่ไม่สามารถทำข้อใด ๆ ได้ต้องปรึกษากับผู้จำหน่ายวาล์วควบคุม Bypass

ในหัวข้อนี้แสดงรายละเอียดขั้นตอนการคำนวณที่ถูกใช้ในการคำนวณหาการไหลของละอองน้ำที่จำเป็นสำหรับการควบคุม Feed Forward ที่เหมาะสมกับไอน้ำด้านหน้าของ Dump Tube การไหลของละอองน้ำถูกวัดและถูกเปรียบเทียบไปยังค่าที่ดำเนินการได้ เพื่อปรับปรุงการควบคุมกระบวนการ ในลำดับขั้นตอนคำนวณ จะพิจารณาการไหลละอองน้ำทางทฤษฎีโดยจะใช้ความดันที่ Dump Tube  

และความจริงที่ว่า การไหลไอน้ำรวมภายใน Dump Tube เป็นสัดส่วนโดยตรงกับความดันนี้ การไหลใน Dump Tube เป็นผลรวมการไหลของทั้งสองส่วนคือ การไหลของไอน้ำ Superheater ที่ผ่านวาล์ว Bypass และการไหลของละอองน้ำที่ถูกใช้ในการทำให้ไอน้ำ Superheater นี้เย็นลงมา (ซึ่งกำลังมองหาวิธีการกำหนดค่าการไหล) การไหลนี้ยังเป็นผลรวมของการไหลย่อย ๆ ที่ผ่านรูของ Dump Tube

นอกจากนั้นยังพิจารณาให้ Dump Tube เป็นการกำหนดข้อจำกัดที่มารวมกันเพื่ออนุญาตให้การไหล Isentropic ผ่านรูย่อยทั้งหมดของ Dump Tube (รูที่ถูกเจาะจะทำตัวเหมือน Nozzle ที่มาบรรจบกัน) จากข้อสันนิษฐานดังกล่าวอนุญาตให้ใช้จำนวนความสัมพันธ์ที่กำหนดมาจากทฤษฎทางเทอร์โมไดนามิคส์ของการไหล Isentropic ในการคำนวณ การไหลมวลไอน้ำรวมขึ้นอยู่กับสภาวะการทำงาน

ความดันตกคร่อมรูของ Dump Tube (ไปยังเครื่องควบแน่น) สามารถเป็นได้ทั้ง Sup-critical (ในช่วงเดินเครื่อง) หรือ Supercritical (ในสภาวะการทำงานปกติ) จะมี 2 สมการแตกต่างกันที่ใส่เข้าไปยังความสัมพันธ์ความดันของ Dump Tube และการไหลไอน้ำรวมขึ้นอยู่กับสัดส่วนความดันระหว่างเครื่องควบแน่นและ Dump Tube

สัดส่วนความดันของ Dump Tube (สัดส่วนระหว่างความดันเครื่องควบแน่น และความดันของ Dump Tube) จะทำให้เกิดธรรมชาติการไหล Isentropic ผ่านรูที่ถูกเจาะของ Dump Tube (Sup-critical หรือ Supercritical) สัดส่วนความดันที่แสดงข้างต้นถูกคำนวณด้วยสมการดังนี้

ลำดับต่อไปเป็นการตรวจสอบค่า Pr ที่ถูกคำนวณว่ามีค่ามากกว่าหรือน้อยกว่าค่าจุดเริ่มต้นของการไหล ซึ่งจะเป็นค่าคงที่ ซึ่งได้มาจากผู้ผลิต Dump Tube เพื่อใช้ในการนำไปคำนวณหาค่าการไหลที่ Dump Tube หรือค่า Qdt 

ขั้นต่อไปเป็นการกำหนดค่าของการไหลละอองน้ำที่จำเป็นในการนำไปคำนวณสัดส่วนน้ำที่อยู่ในการไหลไอน้ำที่ด้านทางออกของ Dump Tube ไปยังเครื่องควบแน่น การกำหนดสัดส่วนน้ำในไอน้ำจะได้จากความสมดุลย์ทางความร้อน (Heat Balance) ระหว่าง Enthalpy ของไอน้ำ Superheated ด้านทางเข้าและละอองน้ำด้านทางออกและสภาวะของไหลสุดท้ายที่พิจารณาในเครื่องควบแน่น จะได้เป็นสมการดังนี้

hi = Bypass Valve Inlet Steam Enthalpy [kJ/kg]
hw = Water Valve Inlet Enthalpy [kJ/kg]
hc = Condenser Steam Enthalpy [kJ/kg]

ค่า Enthalpy ของไอน้ำด้านทางเข้าจะหาได้จากฟังก์ชันใน DCS โดยได้มาจากค่าความดันและอุณหภูมิที่วัดได้ของไอน้ำด้านทางเข้า ส่วนการหาค่า Enthalpy ของน้ำด้านทางเข้าจะหาได้จากฟังก์ชันใน DCS โดยได้มาจากค่าความดันและอุณหภูมิที่วัดได้ของน้ำด้านทางเข้า อีกทางเลือกหนึ่งจะใช้เป็นค่าคงที่

เนื่องจากค่าอุณหภูมิของน้ำมีค่าต่ำ ค่าคงที่ดังกล่าวสามารถถูกนำมาใช้โดยมีความผิดพลาดเล็กน้อย (ในสภาวะการออกแบบ) ค่า Enthalpy ของเครื่องควบควบแน่นเป็นค่า Enthalpy ที่ถูกพิจารณาของไอน้ำในเครื่องควบแน่นที่เป็นไปตามสภาวะการออกแบบ ดังเช่น ไอน้ำที่อุณหภุมิ 20 องศา สูงกว่าอุณหภูมิอิ่มตัวที่ความดันเครื่องควบแน่น

การไหลละอองน้ำควรจะถูกวัดด้วยเครื่องมือวัดการไหลและนำไปเปรียบเทียบกับการไหลที่คำนวณได้และปรับการไหลให้ถูกต้องตามความจำเป็น การควบคุมระบบ Bypass กังหันไอน้ำแบบ Feed Forward สามารถแสดงในรูปแบบ SAMA ดังรูปที่ 4, 5

รูปที่ 4 แผนผัง SAMA ของการควบคุมวาล์ว Bypass

รูปที่ 5 แผนผัง SAMA ของการควบคุมวาล์วฉีดละอองน้ำ

เอกสารอ้างอิง

[1] Functional Diagramming of Instrument and Control Systems, Analog and Digital Control Systems, 1981, The Scientific Apparatus Maker Association (SAMA)
[2] ISA 77.13.01,"Fossil Fuel Power Plant Steam Turbine Bypass System by the Instrument Society of American, Copyright 1999
[3] CCI, Application Recommendation,"Control Algorithms for Turbine Bypass Systems"
[4] SULZER Valve,"Turbine Bypass System"
[5] Fisher,"Turbine Bypass Condenser Dump Application"
[6] Copes-Vulcan,"Turbine Bypass System"