ความรู้เบื้องต้นเครื่องยนต์ Turbines กังหันไอน้ำ ก๊าซ น้ำ ลม ปั่นไฟอย่างไร

หลายคนคงเคยไปสนามบิน หรืออย่างน้อยก็เคยเห็นเครื่องบินในรูปหรือในโทรทัศน์กันมาบ้าง สังเกตไหมครับว่าใต้ปีกเครื่องบินจะมีเครื่องอะไรสักอย่างรูปทรงคล้ายโอ่งติดอยู่ นั่นแหละครับคือ เครื่องยนต์กังหันก๊าซ (Gas Turbine) หนึ่งในตระกูล “เทอร์ไบน์” หรือกังหัน ซึ่งเป็นเครื่องจักรที่อยู่เบื้องหลังไฟฟ้าเกือบทั้งหมดที่เราใช้กันทุกวันนี้ ตั้งแต่โรงไฟฟ้าพลังไอน้ำ เขื่อนผลิตไฟฟ้า ไปจนถึงกังหันลมยักษ์กลางทะเล หลักการของกังหันจริง ๆ แล้วเรียบง่ายมาก คือเหมือนกังหันลมกระดาษที่เราเป่าตอนเด็ก เป่าลมใส่ ใบพัดหมุน เพียงแต่วิศวกรเปลี่ยน “ลมปาก” เป็นไอน้ำแรงดันสูง ก๊าซร้อนจัด น้ำจากเขื่อน หรือลมธรรมชาติ แล้วเอาแรงหมุนนั้นไปปั่นเครื่องกำเนิดไฟฟ้า บทความนี้จะพาไปรู้จักกังหันครบทั้ง 4 ตระกูล เข้าใจวัฏจักร Brayton และ Rankine แบบภาษาคน และปิดท้ายด้วยการเปรียบเทียบว่ากังหันกับเครื่องยนต์ดีเซลลูกสูบ แบบไหนเหมาะเป็นไฟสำรองของธุรกิจคุณ

กังหัน (Turbine) คืออะไร แล้วปั่นไฟได้อย่างไร

กังหัน คือ เครื่องจักรกลที่เปลี่ยนพลังงานของ “ของไหล” ที่เคลื่อนที่ ไม่ว่าจะเป็นไอน้ำ ก๊าซร้อน น้ำ หรือลม ให้กลายเป็นพลังงานกลในรูปการหมุนของเพลา เมื่อเอาเพลานั้นไปต่อกับ เครื่องกำเนิดไฟฟ้า (Generator) ซึ่งภายในมีขดลวดและสนามแม่เหล็ก การหมุนจะเหนี่ยวนำให้เกิดกระแสไฟฟ้าตามหลักการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าของฟาราเดย์ พูดง่าย ๆ คือ กังหันทำหน้าที่ “หมุน” ส่วนเครื่องกำเนิดไฟฟ้าทำหน้าที่ “เปลี่ยนการหมุนเป็นไฟฟ้า” สองชิ้นนี้จับคู่กันเสมอในโรงไฟฟ้าทุกประเภท ต่างกันแค่ว่าใช้อะไรมาหมุนกังหันเท่านั้นเอง สำหรับระบบไฟฟ้าบ้านเราที่ใช้ความถี่ 50 เฮิรตซ์ เครื่องกำเนิดไฟฟ้าต้องถูกหมุนด้วยความเร็วรอบคงที่ที่สัมพันธ์กับจำนวนขั้วแม่เหล็ก เช่น เครื่องแบบ 2 ขั้วต้องหมุน 3,000 รอบต่อนาที นี่คือเหตุผลที่ระบบควบคุมความเร็วรอบของกังหันสำคัญมาก

กังหันไอน้ำ (Steam Turbine) กำลังหลักของโรงไฟฟ้าทั่วโลก

กังหันไอน้ำทำงานตาม วัฏจักรแรงคิน (Rankine Cycle) อธิบายแบบบ้าน ๆ คือ “ต้มน้ำให้เดือดเป็นไอแรงดันสูง เอาไอไปเป่าใบพัด แล้วควบแน่นไอกลับเป็นน้ำมาต้มใหม่” วนแบบนี้ไม่รู้จบ ความร้อนที่ใช้ต้มน้ำจะมาจากอะไรก็ได้ ทั้งถ่านหิน ก๊าซธรรมชาติ ชีวมวล ขยะ หรือแม้แต่ปฏิกิริยานิวเคลียร์ โรงไฟฟ้าพลังความร้อนแทบทั้งหมดในโลกจึงมีกังหันไอน้ำเป็นหัวใจ ไอน้ำจะถูกปล่อยผ่านกังหันหลายชุดไล่ระดับแรงดัน ตั้งแต่ชุดแรงดันสูง กลาง จนถึงต่ำ เพื่อรีดพลังงานออกมาให้หมดจดที่สุด กังหันไอน้ำเครื่องใหญ่ ๆ มีกำลังผลิตได้ถึงระดับหลายร้อยเมกะวัตต์ต่อเครื่อง ใครอยากรู้จักชนิดย่อยของกังหันไอน้ำ ทั้งแบบอิมพัลส์ แบบรีแอคชั่น และการใช้งานแต่ละแบบ อ่านเพิ่มเติมได้ที่บทความชนิดของกังหันไอน้ำและการประยุกต์ใช้งานครับ

กังหันก๊าซ (Gas Turbine) เครื่องยนต์เดียวกับเครื่องบินเจ็ท

กังหันก๊าซเป็นเครื่องยนต์ที่ออกแบบมาเพื่อเปลี่ยนพลังงานในรูปของเชื้อเพลิงให้อยู่ในรูปพลังงานที่ใช้ประโยชน์ได้ เช่น พลังงานจากเพลา หรือแรงขับความเร็วสูงของเครื่องบินเจ็ท การทำงานเป็นไปตาม วัฏจักรเบรย์ตัน (Brayton Cycle) ซึ่งสรุปเป็นภาษาง่าย ๆ ได้ 3 จังหวะ คือ “อัด เผา ขยาย” โดยมีอุปกรณ์พื้นฐาน 3 ส่วนทำงานต่อเนื่องกัน

• คอมเพรสเซอร์ (Compressor) — อัดอากาศที่ไหลเข้ามาให้มีความดันสูงหลายเท่า อากาศจะร้อนขึ้นจากการอัด แล้วป้อนเข้าสู่ห้องเผาไหม้
• ห้องเผาไหม้ (Combustion Chamber) — หัวฉีดฉีดเชื้อเพลิง เช่น โพรเพนหรือก๊าซธรรมชาติ เข้าผสมกับอากาศอัดแล้วจุดระเบิดเผาไหม้ต่อเนื่อง เพิ่มความเร็วและความดันของก๊าซอย่างมหาศาล เนื่องจากอากาศไหลผ่านเร็วมาก ภายในจึงต้องมีอุปกรณ์ที่เรียกว่า “กระป๋องเปลวไฟ” (Flame Holder) ช่วยตรึงเปลวไฟไม่ให้ดับ
• ตัวกังหัน (Turbine) — ก๊าซร้อนความดันสูงพุ่งผ่านใบพัดกังหัน เปลี่ยนพลังงานก๊าซเป็นการหมุน กำลังงานส่วนหนึ่งถูกวนกลับไปขับคอมเพรสเซอร์ ส่วนที่เหลือคือกำลังสุทธิที่เอาไปใช้งาน เช่น ปั่นเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ในเครื่องยนต์บางแบบกังหันมี 2 ชุดแยกกัน ชุดแรกเพลาเดียวกับคอมเพรสเซอร์ อีกชุดเป็นเพลาอิสระ (Free Turbine) ไว้ขับโหลด เช่น ใบพัดเฮลิคอปเตอร์ โดยทั้งสองเพลาซ้อนแกนเดียวกันแต่หมุนอิสระต่อกันด้วยชุดลูกปืน

3 ชนิดของเครื่องยนต์กังหันก๊าซในอากาศยาน

• Turbojet — ให้แรงขับด้วยการเร่งความเร็วมวลอากาศทั้งหมดที่ผ่านเครื่องยนต์ กังหันรีดพลังงานจากไอเสียเพียงพอสำหรับหมุนคอมเพรสเซอร์และอุปกรณ์เท่านั้น แรงขับ 100% มาจากไอพ่นก๊าซร้อนที่พุ่งออกท้ายเครื่อง
• Turboprop — เปลี่ยนพลังงานก๊าซเป็นพลังงานกลไปหมุนใบพัดเครื่องบินผ่านชุดเฟืองทดรอบ แรงขับราว 90% มาจากใบพัด และไม่ถึง 10% มาจากไอเสีย เหมาะกับเครื่องบินความเร็วปานกลาง
• Turbofan — มีพัดลมขนาดใหญ่ (Fan) อยู่หน้าสุดในโครงหุ้ม Fan Duct มวลอากาศจากพัดลมส่วนหนึ่งไหลอ้อมเครื่องยนต์ แรงขับมากกว่า 75% มาจากอากาศของพัดลม และน้อยกว่า 25% มาจากไอเสียร้อน ประหยัดเชื้อเพลิงและเงียบกว่า จึงเป็นแบบที่เครื่องบินโดยสารยุคใหม่ใช้กันแทบทั้งหมด

นอกจากบนเครื่องบินแล้ว กังหันก๊าซยังใช้ในโรงไฟฟ้าพลังงานก๊าซ ซึ่งมักเป็นเครื่องจ่ายไฟเสริมช่วงความต้องการไฟฟ้าสูงสุด (Peak Load) เพราะสตาร์ทได้เร็วกว่าโรงไฟฟ้าไอน้ำมาก มีกำลังผลิตตั้งแต่ราว 1–60 เมกะวัตต์ต่อเครื่องขึ้นไปจนถึงเครื่องขนาดใหญ่ระดับหลายร้อยเมกะวัตต์ อีกทั้งยังใช้เป็นเครื่องต้นกำลังขับปั๊มขนาดใหญ่ ขับเรือรบ เรือเร็ว หรือแม้แต่มอเตอร์ไซค์รุ่นพิเศษอย่าง Y2K ที่ใช้เครื่องยนต์กังหันจากเฮลิคอปเตอร์ก็เคยมีมาแล้ว และเมื่อนำกังหันก๊าซมาทำงานร่วมกับกังหันไอน้ำในโรงไฟฟ้าพลังความร้อนร่วม (Combined Cycle) โดยเอาไอเสียร้อนจากกังหันก๊าซไปต้มน้ำผลิตไอน้ำต่อ จะได้ประสิทธิภาพรวมสูงที่สุดในบรรดาโรงไฟฟ้าเชื้อเพลิงฟอสซิล

กังหันน้ำ (Hydro Turbine) พลังจากเขื่อน

กังหันน้ำเปลี่ยนพลังงานของน้ำที่ไหลจากที่สูงลงที่ต่ำเป็นการหมุน ยิ่งระดับน้ำต่างกันมาก (Head สูง) และปริมาณน้ำมาก พลังงานยิ่งเยอะ กังหันน้ำยอดนิยมมี 3 ตระกูล คือ เพลตัน (Pelton) สำหรับหัวน้ำสูงมาก ใช้หัวฉีดยิงลำน้ำใส่ถ้วยรับ ฟรานซิส (Francis) แบบอเนกประสงค์ที่ใช้แพร่หลายที่สุดในเขื่อนขนาดกลางถึงใหญ่ และ แคปลัน (Kaplan) ใบพัดปรับมุมได้คล้ายใบจักรเรือ เหมาะกับหัวน้ำต่ำแต่ปริมาณน้ำมาก จุดเด่นของไฟฟ้าพลังน้ำคือสตาร์ทเร็ว ปรับกำลังผลิตได้ไว จึงเหมาะเป็นกำลังผลิตช่วงพีคและช่วยรักษาเสถียรภาพของระบบไฟฟ้า

กังหันลม (Wind Turbine) กังหันที่ไม่ต้องซื้อเชื้อเพลิง

กังหันลมสมัยใหม่คือเสายักษ์พร้อมใบพัด 3 ใบที่เก็บเกี่ยวพลังงานจลน์ของลมโดยตรง ใบพัดถูกออกแบบตามหลักอากาศพลศาสตร์เหมือนปีกเครื่องบิน คือใช้แรงยก (Lift) ไม่ใช่แรงปะทะ ทำให้หมุนได้แม้ลมไม่แรงมาก การหมุนช้า ๆ ของใบพัดถูกทดรอบขึ้นผ่านชุดเกียร์ไปขับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าในห้องเครื่อง (Nacelle) บนยอดเสา ประเทศไทยก็มีทุ่งกังหันลมขนาดใหญ่ เช่น แถบเขาคอกม้า จังหวัดนครราชสีมา และชายฝั่งภาคใต้ ข้อจำกัดสำคัญคือผลิตไฟได้เฉพาะตอนมีลม จึงต้องมีแหล่งผลิตอื่นสำรองเสมอ อ่านกลไกละเอียดได้ในบทความกังหันลมผลิตไฟฟ้าทำงานอย่างไร

สรุปเทียบกังหันทั้ง 4 ตระกูลในตารางเดียว

ชนิดกังหัน	ของไหลที่ใช้หมุน	วัฏจักร/หลักการ	การใช้งานหลัก
กังหันไอน้ำ	ไอน้ำแรงดันสูง	Rankine (ต้ม-เป่า-ควบแน่น)	โรงไฟฟ้าถ่านหิน ชีวมวล นิวเคลียร์ โรงงานน้ำตาล
กังหันก๊าซ	ก๊าซร้อนจากการเผาไหม้	Brayton (อัด-เผา-ขยาย)	เครื่องบิน โรงไฟฟ้าพีค/พลังความร้อนร่วม เรือ
กังหันน้ำ	น้ำจากที่สูง	พลังงานศักย์เป็นพลังงานกล	เขื่อนผลิตไฟฟ้า ไฟฟ้าชุมชนขนาดเล็ก
กังหันลม	ลมธรรมชาติ	แรงยกอากาศพลศาสตร์	ทุ่งกังหันลมบนบกและนอกชายฝั่ง

กังหัน vs เครื่องยนต์ดีเซลลูกสูบ อะไรเหมาะเป็นไฟสำรองของคุณ

มาถึงคำถามที่ใกล้ตัวธุรกิจที่สุด ทั้งกังหันก๊าซและเครื่องยนต์ดีเซลลูกสูบต่างปั่นไฟได้เหมือนกัน แต่จุดที่ต่างคือขนาด ต้นทุน และพฤติกรรมการใช้งาน กังหันก๊าซได้เปรียบเมื่อต้องการกำลังมหาศาลในน้ำหนักเบา เดินเครื่องต่อเนื่องยาว ๆ ด้วยก๊าซธรรมชาติ แต่มีจุดอ่อนคือราคาต่อกิโลวัตต์สูง สตาร์ทรับโหลดเต็มช้ากว่า สิ้นเปลืองเชื้อเพลิงมากเมื่อเดินโหลดต่ำ และการซ่อมบำรุงต้องพึ่งผู้เชี่ยวชาญเฉพาะทาง ขณะที่เครื่องยนต์ดีเซลลูกสูบสตาร์ทติดและรับโหลดได้ภายในไม่กี่วินาที ทนต่อการเดิน-หยุดบ่อย ประสิทธิภาพดีแม้โหลดไม่เต็มพิกัด อะไหล่และช่างหาได้ทั่วประเทศ ด้วยเหตุนี้ไฟสำรองฉุกเฉิน (Standby) ของโรงงาน โรงพยาบาล อาคาร และดาต้าเซ็นเตอร์เกือบทั้งหมดทั่วโลกจึงเลือกเครื่องปั่นไฟดีเซล ส่วนกังหันเหมาะกับโรงไฟฟ้าหลักและอุตสาหกรรมที่ใช้ไอน้ำร่วมด้วย สำหรับผู้สนใจเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและอุปกรณ์สายกังหัน ดูเพิ่มเติมได้ที่หมวดสินค้า Turbines ของเรา

หัวข้อ	กังหันก๊าซ	เครื่องปั่นไฟดีเซลลูกสูบ
เวลาสตาร์ทรับโหลด	หลายนาที	ไม่กี่วินาที (ผ่านชุด ATS)
ประสิทธิภาพที่โหลดต่ำ	ตกมาก	ยังดี
เงินลงทุนต่อ kW	สูง	ต่ำกว่า
การซ่อมบำรุงในไทย	ผู้เชี่ยวชาญเฉพาะทาง	ช่างและอะไหล่หาง่ายทั่วประเทศ
งานที่เหมาะ	โรงไฟฟ้าหลัก งานเดินต่อเนื่อง	ไฟสำรองฉุกเฉิน งานภาคสนาม ไฟหลักนอกสายส่ง

เกร็ดน่ารู้ การดูแลรักษาเครื่องจักรหมุนให้อยู่ยาว

ไม่ว่าจะเป็นกังหันหรือเครื่องยนต์ลูกสูบ ศัตรูตัวเดียวกันคือ การสั่นสะเทือนผิดปกติ ความร้อนสะสม และการหล่อลื่นที่บกพร่อง โรงไฟฟ้าจึงมีระบบตรวจวัดการสั่นและอุณหภูมิแบริ่งตลอดเวลา ส่วนเครื่องปั่นไฟดีเซลก็ต้องการการบำรุงรักษาเชิงป้องกันตามระยะเช่นกัน ทั้งการเปลี่ยนถ่ายน้ำมันเครื่อง ไส้กรอง ตรวจระบบหล่อเย็น และการเดินเครื่องทดสอบพร้อมโหลดสม่ำเสมอ เครื่องที่ถูกปล่อยจอดนิ่งนานหลายเดือนโดยไม่เคยติดเครื่องเลย มักสตาร์ทไม่ติดในวันที่ไฟดับจริงซึ่งเป็นวันที่ต้องการมันที่สุดพอดี การวางแผนดูแลล่วงหน้าจึงคุ้มกว่าการซ่อมฉุกเฉินเสมอ

คำถามที่พบบ่อย (FAQ)

กังหันเปลี่ยนการหมุนเป็นไฟฟ้าได้อย่างไร

เพลาของกังหันต่อกับโรเตอร์ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า เมื่อโรเตอร์ซึ่งมีสนามแม่เหล็กหมุนตัดผ่านขดลวด จะเหนี่ยวนำให้เกิดกระแสไฟฟ้าตามหลักฟาราเดย์ ความเร็วรอบต้องคงที่เพื่อให้ได้ความถี่ไฟ 50 เฮิรตซ์ตามมาตรฐานไทย

วัฏจักร Brayton กับ Rankine ต่างกันอย่างไรแบบสั้นที่สุด

Brayton คือวัฏจักรของกังหันก๊าซ ใช้ก๊าซร้อนจากการเผาไหม้โดยตรงในจังหวะ อัด-เผา-ขยาย ส่วน Rankine คือวัฏจักรของกังหันไอน้ำ ใช้การต้มน้ำเป็นไอ เป่ากังหัน แล้วควบแน่นกลับเป็นน้ำวนใช้ใหม่

ทำไมเครื่องบินโดยสารสมัยใหม่ใช้เครื่องยนต์ Turbofan

เพราะแรงขับส่วนใหญ่กว่า 75% มาจากมวลอากาศของพัดลมด้านหน้าซึ่งประหยัดเชื้อเพลิงและเงียบกว่าการพ่นไอเสียล้วนแบบ Turbojet จึงเหมาะกับการบินระยะไกลเชิงพาณิชย์

โรงไฟฟ้ากังหันก๊าซเหมาะกับบทบาทไหนในระบบไฟฟ้า

มักใช้เป็นกำลังผลิตเสริมช่วงความต้องการไฟสูงสุด เพราะสตาร์ทเร็วกว่าโรงไฟฟ้าไอน้ำ และเมื่อทำงานร่วมกับกังหันไอน้ำเป็นระบบพลังความร้อนร่วม จะได้ประสิทธิภาพสูงสุดในกลุ่มโรงไฟฟ้าเชื้อเพลิงฟอสซิล

ธุรกิจทั่วไปควรใช้กังหันหรือเครื่องปั่นไฟดีเซลเป็นไฟสำรอง

สำหรับไฟสำรองฉุกเฉินของโรงงาน อาคาร โรงพยาบาล เครื่องปั่นไฟดีเซลลูกสูบตอบโจทย์กว่า เพราะรับโหลดได้ในไม่กี่วินาที ลงทุนต่ำกว่า และดูแลง่ายกว่า กังหันเหมาะกับโรงไฟฟ้าและงานอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ที่เดินเครื่องต่อเนื่อง

ปรึกษาเรื่องเครื่องกำเนิดไฟฟ้า กังหัน และระบบไฟสำรองสำหรับธุรกิจได้ที่ บริษัท เอส.อี.เอ. พาวเวอร์ เจ็นท์ จำกัด โทร 097-146-3594 / 080-056-0777 หรือชมสินค้าในหมวด Turbinesได้เลยครับ