โรงไฟฟ้าก๊าซธรรมชาติ การทำงาน การผลิตไฟฟ้า และประเภทของโรงไฟฟ้า

โรงไฟฟ้าก๊าซธรรมชาติ (Gas-fired power plant) หรือที่เรียกกันว่าโรงไฟฟ้าพลังความร้อนที่ใช้ก๊าซธรรมชาติเป็นเชื้อเพลิง คือสถานีผลิตไฟฟ้าที่เผาไหม้ก๊าซธรรมชาติเพื่อสร้างพลังงานไฟฟ้า โดยปัจจุบันโรงไฟฟ้าประเภทนี้ผลิตไฟฟ้าให้แก่โลกเกือบหนึ่งในสี่ของปริมาณไฟฟ้าทั้งหมด และเป็นแหล่งกำเนิดก๊าซเรือนกระจกที่สำคัญ

ในการวางแผนพลังงานส่วนใหญ่ โรงไฟฟ้าก๊าซธรรมชาติถูกนำมาใช้เพื่อเป็นแหล่งพลังงานที่สามารถสั่งการได้ (Dispatchable energy) เพื่อชดเชยการขาดแคลนพลังงานจากแหล่งพลังงานหมุนเวียนที่มีความผันผวน เช่น พลังงานลมหรือแสงอาทิตย์ ในกรณีที่ไม่มีเขื่อนผลิตไฟฟ้าพลังน้ำหรือระบบเชื่อมต่อโครงข่ายไฟฟ้า อย่างไรก็ตาม ในช่วงต้นทศวรรษ 2020 แบตเตอรี่เก็บพลังงานเริ่มมีความสามารถในการแข่งขันกับโรงไฟฟ้าก๊าซธรรมชาติประเภท Peaker plants มากขึ้น

หลักการพื้นฐาน จากความร้อนสู่พลังงานกล และพลังงานไฟฟ้า

โรงไฟฟ้าก๊าซธรรมชาติเป็นโรงไฟฟ้าเชื้อเพลิงฟอสซิลที่เปลี่ยนพลังงานเคมีที่สะสมอยู่ในก๊าซธรรมชาติ (ซึ่งส่วนใหญ่เป็นก๊าซมีเทน) ให้กลายเป็นพลังงานในรูปแบบต่างๆ ตามลำดับดังนี้: พลังงานความร้อน → พลังงานกล → พลังงานไฟฟ้า

แม้ว่าประสิทธิภาพการแปลงพลังงานจะไม่สามารถเกินขีดจำกัดของวัฏจักรคาร์โนต์ (Carnot cycle) ได้ แต่ความร้อนส่วนเกินที่เกิดขึ้นสามารถนำไปใช้ในโรงไฟฟ้าแบบผลิตพลังงานร่วม (Cogeneration plants) เพื่อให้ความร้อนแก่ตัวอาคาร ผลิตน้ำร้อน หรือใช้ในกระบวนการทางอุตสาหกรรมได้

ประเภทของโรงไฟฟ้าก๊าซธรรมชาติ

1. กังหันก๊าซ (Gas Turbine)

กังหันก๊าซสำหรับอุตสาหกรรมมีความแตกต่างจากกังหันก๊าซที่ใช้ในเครื่องบิน โดยมีโครงสร้าง ตลับลูกปืน และใบพัดที่แข็งแรงกว่า นอกจากนี้ยังมีการบูรณาการเข้ากับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและอุปกรณ์กู้คืนพลังงานความร้อนส่วนเกินอย่างใกล้ชิด

กังหันก๊าซจะมีประสิทธิภาพสูงขึ้นอย่างมากเมื่อความร้อนทิ้งจากกังหันถูกนำกลับมาใช้ผ่านเครื่องกำเนิดไอน้ำกู้คืนความร้อน (Heat Recovery Steam Generator - HRSG) เพื่อขับเคลื่อนกังหันไอน้ำในรูปแบบของ วัฏจักรผสม (Combined Cycle)

วัฏจักรเดี่ยว (Simple Cycle Gas-Turbine - OCGT)

ในระบบวัฏจักรเดี่ยว ก๊าซร้อนจะขับเคลื่อนกังหันก๊าซเพื่อผลิตไฟฟ้าโดยตรง โรงไฟฟ้าประเภทนี้มีราคาค่าก่อสร้างถูกและสามารถเริ่มเดินเครื่องได้รวดเร็วมาก แต่เนื่องจากมีประสิทธิภาพต่ำ จึงมักถูกใช้เป็นโรงไฟฟ้าสำหรับช่วงที่มีความต้องการไฟฟ้าสูงสุด (Peaking power plant) ซึ่งอาจทำงานเพียงไม่กี่ชั่วโมงต่อวัน

วัฏจักรผสม (Combined Cycle Gas-Turbine - CCGT)

โรงไฟฟ้า CCGT ประกอบด้วยกังหันก๊าซ (ใช้ Brayton cycle) ตามด้วยเครื่องกำเนิดไอน้ำกู้คืนความร้อน และกังหันไอน้ำ (ใช้ Rankine cycle) รูปแบบที่พบบ่อยที่สุดคือการใช้กังหันก๊าซสองตัวสนับสนุนกังหันไอน้ำหนึ่งตัว ระบบนี้มีราคาสูงกว่าวัฏจักรเดี่ยว แต่สามารถทำประสิทธิภาพได้สูงถึง 55% และใช้เวลาในการเริ่มเดินเครื่องประมาณครึ่งชั่วโมง

2. กังหันไอน้ำ (Steam Turbine)

โรงไฟฟ้าก๊าซ-ไอน้ำ ใช้ก๊าซธรรมชาติเผาไหม้ในหม้อต้มน้ำ (Boiler) เพื่อผลิตไอน้ำไปหมุนกังหันไอน้ำ โรงไฟฟ้าประเภทนี้มักถูกสร้างขึ้นในศตวรรษที่ 20 เพื่อเป็นทางเลือกแทนโรงไฟฟ้าถ่านหิน แต่ไม่มีความสามารถในการเริ่มเดินเครื่องที่รวดเร็วและมีประสิทธิภาพต่ำกว่าระบบวัฏจักรผสม

3. เครื่องยนต์ลูกสูบ (Reciprocating Engine)

เครื่องยนต์สันดาปภายในแบบลูกสูบมักมีขนาดเล็กกว่า 20 เมกะวัตต์ และมักถูกใช้สำหรับเป็นแหล่งไฟฟ้าสำรองฉุกเฉิน หรือใช้เพื่อรักษาสมดุลของพลังงานหมุนเวียนที่ผันผวน เช่น พลังงานลมและแสงอาทิตย์