วิศวกรรมระบบไฟฟ้ากำลัง Power System Engineering (303426) ปิยดนัย ภาชนะพรรณ์

โครงสร้างระบบไฟฟ้ากำลัง

เนื้อหา 1. ลักษณะระบบไฟฟ้ากำลัง 2. พลังงานไฟฟ้า 3. ระบบผลิตไฟฟ้า 4. ระบบส่ง และ ระบบจำหน่าย 5. ภาระไฟฟ้า (โหลด)

ระบบไฟฟ้ากำลัง กฟผ. กฟน. กฟภ.

ระบบไฟฟ้ากำลัง

ระบบการผลิต (Power Generation) 1. แหล่งพลังงาน (Energy Source) 2. พลังงานไฟฟ้า (Electric Energy) 3. โรงไฟฟ้า (Generator)

แหล่งพลังงาน (Energy Source) พลังงานเชิงพานิชย์ - พลังงานที่มาจากเชื้อเพลิงประเภทฟอสซิล (Fossil Fuel) น้ำมัน ถ่านหิน ก๊าซธรรมชาติ - พลังงานที่มาจากเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ ยูเรเนียม ธอเรียม

แหล่งพลังงาน (Energy Source) พลังงานหมุนเวียน - พลังงานที่สามารถเกิดขึ้นใหม่ได้อยู่ตลอดเวลา พลังงานแสงอาทิตย์ ลม คลื่น ลำน้ำ วัสดุเหลือใช้ทางการเกษตร

ปริมาณพลังงาน สามารถวัดปริมาณพลังงานที่ได้จากแหล่งพลังงานแต่ละประเภทออกเป็นหน่วยมาตรฐานต่างๆ ค่าความสัมพันธ์แต่ละหน่วยต่างๆ 1 กิโลแคลอรี = 4186 จูล 1 kWh = 3.6 ล้านจูล (MJ)

ปริมาณพลังงานต่อหน่วย เชื้อเพลิงแต่ละประเภท จะให้พลังงานออกมาไม่เท่ากันที่ปริมาณต่อหน่วยเดียวกัน ปริมาณความร้อนต่อหน่วย มักแสดงในรูป “ ความร้อนจำเพาะ ”

ค่าความร้อนจำเพาะของเชื้อเพลิงชนิดต่างๆ

ค่าความร้อนจำเพาะของเชื้อเพลิงชนิดต่างๆ

พลังงานไฟฟ้า (Electrical Energy) เป็นพลังงานที่ได้จากการแปรรูปเชื้อเพลิงชนิดต่างๆ ใช้กันในภาคอุตสาหกรรม ธุรกิจและบริการ บ้านอยู่อาศัย เป็นพลังงานที่สะอาด และสะดวกต่อการใช้งาน สามารถส่งจ่ายจากแห่งหนึ่งไปอีกแห่งได้ค่อนข้างง่าย ปัจจุบันเป็นปัจจัยสำคัญยิ่งต่อการดำรงชีวิตของมนุษย์

ภาพรวมการใช้พลังงานไฟฟ้าของประเทศไทย ข้อมูลปี 2544 : หน่วย GWh

ภาพรวมการใช้พลังงานไฟฟ้าของประเทศไทย สามารถผลิตพลังงานไฟฟ้าได้แค่ 1/3 ของพลังงานที่ได้จากเชื้อเพลิงที่ผลิต พลังงาน 2/3 ของพลังงานที่ได้จากเชื้อเพลิงที่ผลิต เป็นพลังงานสูญเสียในระหว่างกระบวนการแปรสภาพพลังงาน พลังงานสูญเสียในสายส่ง คิดเป็น 9.2 % ของพลังงานไฟฟ้าที่ผลิตได้ พลังงานไฟฟ้าที่ผลิตได้ส่วนใหญ่ใช้ในภาคอุตสาหกรรมและธุรกิจบริการ

พลังงานไฟฟ้าที่ผลิตจากโรงไฟฟ้าแต่ละประเภท โคเจน ความร้อนร่วม กังหันก๊าซ พลังไอน้ำ พลังน้ำ อื่นๆ คือ พลังแสงอาทิตย์ ความร้อนใต้พิภพ ลม

ข้อมูลปี 2544

ข้อมูลปี 48

กำลังการผลิตติดตั้งของโรงไฟฟ้าแต่ละประเภท โคเจน ความร้อนร่วม กังหันก๊าซ พลังไอน้ำ พลังน้ำ อื่นๆ คือ พลังแสงอาทิตย์ ความร้อนใต้พิภพ ลม

ร้อยละกำลังการผลิตติดตั้งของโรงไฟฟ้าแต่ละประเภท ข้อมูลปี 2544

ข้อมูลปี 48 (1)

ข้อมูลปี 48 (2)

โรงไฟฟ้าแต่ละประเภท ทำหน้าที่แปลงพลังงานจากเชื้อเพลิง เป็น พลังงานไฟฟ้า โรงไฟฟ้าพลังไอน้ำ โรงไฟฟ้าพลังน้ำ โรงไฟฟ้ากังหันก๊าซ โรงไฟฟ้าความร้อนร่วม โรงไฟฟ้าดีเซล โรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์ โรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ โรงไฟฟ้าพลังงานลม

โรงไฟฟ้าพลังไอน้ำ หลักการทำงาน เผาเชื้อเพลิง (น้ำมันเตา, ก๊าซธรรมชาติ, ถ่านหินลิกไนต์) ให้เกิดความร้อน แล้วนำความร้อนที่ได้ไปผลิตไอน้ำที่มีแรงดันสูงๆ เพื่อหมุนกังหันไอน้ำ

ขั้นตอนการทำงานของโรงไฟฟ้าพลังไอน้ำ

วัฏจักรการทำงานของโรงไฟฟ้าพลังไอน้ำ P - ความดัน V - ปริมาตร T - อุณหภูมิ V - เอนโทรปีของระบบ (ความไม่เป็นระเบียบของระบบ)

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าของโรงไฟฟ้าพลังไอน้ำ Synchronous Generator

ชนิดของโรงไฟฟ้าพลังไอน้ำ 1. แบบจ่ายไฟฟ้าขณะภาระไฟฟ้า (โหลด) สูง - ออกแบบให้เดินเครื่องขณะโหลดในระบบสูง ใช้เวลาเริ่มเดินเครื่องน้อย (ประมาณ 30 นาที) แต่เปลืองเชื้อเพลิงมาก 2. แบบจ่ายไฟฟ้าขณะภาระไฟฟ้า (โหลด) ปกติ - ออกแบบให้เดินเครื่องผลิตไฟฟ้าจำนวนมากและเดินเครื่องเต็มที่ มีชั่วโมงการทำงานมาก - ออกแบบให้กำลังผลิตขณะโหลดสูงได้ คือ กำลังการผลิตที่เผื่อไว้เท่ากับ 20 – 30 % ของอัตรากำลังผลิตปกติ

ข้อดี / ข้อเสียของโรงไฟฟ้าพลังไอน้ำ 1. สามารถสร้างให้มีกำลังผลิตสูงๆ ได้ ข้อเสีย 1. ใช้เวลาเริ่มเดินเครื่องนาน 2. สิ้นเปลืองเชื้อเพลิงมาก ในระหว่างการผลิต 3. ค่าใช้จ่ายในการผลิตต่อหน่วยสูง

โรงไฟฟ้าพลังน้ำ หลักการผลิต ใช้พลังงานน้ำ ซึ่งอยู่ในที่สูงให้ไหลลงมาหมุนกังหันน้ำ แล้วการหมุนของกังหันน้ำก็นำไปหมุนเครื่องกำเนิดไฟฟ้า กำลังงานของน้ำ P = 9.8QH เมื่อ P คือ กำลังงานของน้ำ (kW) Q คือ อัตราการไหลของน้ำ (ลบ.ม. ต่อ วินาที) H คือ ความสูงของน้ำจากระดับหน้าเขื่อนถึงกังหันน้ำ (เมตร)

ขั้นตอนการทำงานของโรงไฟฟ้าพลังน้ำ

ขั้นตอนการทำงานของโรงไฟฟ้าพลังน้ำ

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าของโรงไฟฟ้าพลังน้ำ

ชนิดของโรงไฟฟ้าพลังน้ำ 1. แบบที่สร้างอ่างเก็บน้ำขนาดใหญ่

ชนิดของโรงไฟฟ้าพลังน้ำ 2. แบบที่ไม่มีอ่างเก็บน้ำขนาดใหญ่ การผลิตไฟฟ้า ทำได้เมื่อความแตกต่างของระดับหน้าเขื่อนและท้ายเขื่อนถึงเกณฑ์แล้ว

ชนิดของโรงไฟฟ้าพลังน้ำ 3. แบบสูบน้ำไปเก็บไว้ได้ - เขื่อนลำตะคลอง จ. นครราชสีมา

การใช้งานโรงไฟฟ้าพลังน้ำแบบสูบกลับได้

ข้อดีข้อเสียของโรงไฟฟ้าพลังน้ำ ผลิตพลังงานไฟฟ้าได้ด้วยราคาถูก ค่าบำรุงรักษาต่ำ อายุใช้งานยาวนาน เสถียรภาพสูง เนื่องจากกังหันหมุนที่ความเร็วต่ำ เริ่มเดินเครื่องได้รวดเร็ว สามารถจ่ายไฟฟ้าได้ทันที ความคุมการทำงานได้ง่าย สะดวก ไม่ก่อมลพิษ

ข้อดีข้อเสียของโรงไฟฟ้าพลังน้ำ ใช้เวลาเตรียมการก่อสร้างนาน ค่าลงทุนในการก่อสร้างสูง ตำแหน่งเขื่อนและโรงไฟฟ้า ขึ้นกับสภาพแหล่งน้ำและภูมิประเทศ สายส่งที่ใช้ อาจจะต้องมีระยะยาวกว่าปกติ และราคาสูง การก่อสร้างต้องทำลายป่าไม้ และสภาพแวดล้อมมาก

โรงไฟฟ้ากังหันก๊าซ หลักการทำงาน จุดระเบิดเชื้อเพลิงในห้องเผาไหม้ เพื่อให้ได้แรงดันสูงๆ เข้าไปหมุนเครื่องกังหันก๊าซ สามารถเริ่มเครื่องได้เร็ว จึงเหมาะสำหรับช่วงภาระไฟฟ้าสูง (peaking)

ลักษณะของโรงไฟฟ้ากังหันก๊าซ

ลักษณะของโรงไฟฟ้ากังหันก๊าซ

ขั้นตอนการทำงานของโรงไฟฟ้ากังหันก๊าซ

ข้อดีข้อเสียของโรงไฟฟ้ากังหันก๊าซ สามารถเริ่มเดินเครื่องได้รวดเร็ว ก่อสร้างได้ง่าย ใช้เวลาไม่นาน เปลี่ยนแปลงระดับการผลิตได้รวดเร็ว ไม่ต้องมีน้ำมาใช้ระบายความร้อน ใช้คนดำเนินการน้อย ข้อเสีย ใช้เชื้อเพลิงต่อหน่วยผลิตค่อนข้างสูง ค่าใช้จ่ายดำเนินเครื่องสูง

โรงไฟฟ้าความร้อนร่วม (Combine Cycle Generator) หลักการผลิต เป็นการใช้พลังงานความร้อนที่ได้จากโรงไฟฟ้ากังหันก๊าซมาใช้กับโรงไฟฟ้าพลังไอน้ำ ไอเสียที่ปล่อยจากกังหันก๊าซที่ยังมีอุณหภูมิสูง จะถูกนำไปใช้ต้มน้ำเพื่อผลิตไอ้น้ำ โดยไม่ต้องใช้เชื้อเพลิงเพิ่มเติม กำลังการผลิตจะมาจากกังหันก๊าซ 2 ส่วน และจากพลังไอน้ำ 1 ส่วน

ขั้นตอนการทำงานของโรงไฟฟ้าความร้อนร่วม

ข้อดีข้อเสียของโรงไฟฟ้าความร้อนร่วม สามารถเริ่มเดินเครื่องและหยุดได้รวดเร็ว มีความหยืดหยุนในการเดินเครื่องสูง สามารถทำการติดตั้งได้อย่างรวดเร็ว ประสิทธิภาพดี ข้อเสีย ไม่สามารถใช้โรงไฟฟ้าพลังไอน้ำอย่างเดียวได้ จะทำงานได้ก็ต่อเมื่อโรงไฟฟ้ากังหันก๊าซทำงานแล้ว

โรงไฟฟ้าดีเซล หลักการผลิต ใช้เครื่องยนต์ดีเซลขับเคลื่อนเครื่องกำเนิดไฟฟ้า มี 2 แบบ คือ แบบเครื่องยนต์ 2 จังหวะ และ 4 จังหวะ ขนาดไม่ใหญ่มาก 500 – 20000 kW เหมาะสำหรับใช้ช่วยจ่ายตอนโหลดสูง หรือใช้กับพื้นที่ชนบทห่างไกล

ลักษณะของโรงไฟฟ้าดีเซล

ข้อดีข้อเสียของโรงไฟฟ้าดีเซล สามารถเริ่มเดินเครื่องและหยุดได้รวดเร็ว สามารถเคลื่อนย้ายได้ง่าย การติดตั้งสามารถทำได้รวดเร็ว ข้อเสีย มีกำลังผลิตน้อย เชื้อเพลิงที่ใช้มีราคาสูง

โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ หลักการทำงาน อาศัยปฏิกิริยาแตกตัว (fission) ของยูเรเนียม –235 และให้พลังงานออกมา พลังงานที่ได้จากการแตกตัวแต่ละครั้งประมาณ 8.9 x 10-18 kWh ยูเรเนียม –235 เพียง 1 กรัม ให้พลังงานได้ถึง 24 MWh

ชนิดของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ 1. Gas Cooled Reactor ใช้ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ นำความร้อนไปทำให้เกิดไอน้ำ

ชนิดของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ 2. Pressurized Water Reactor ใช้น้ำที่มีความดัน นำความร้อนไปทำให้เกิดไอน้ำ

ข้อดีข้อเสียของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ ค่าเชื้อเพลิงต่อหน่วยไฟฟ้าที่ผลิตได้ต่ำ สามารถผลิตกำลังไฟฟ้ามากๆได้ ข้อเสีย ราคาค่าก่อสร้างแพง มีปัญหาในการกำจัดกาก ประชาชนต่อต้านสูงมาก

โรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ 1. โรงไฟฟ้าหอพลังงานแสงอาทิตย์

โรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ 2. โรงไฟฟ้าโฟโตโวลตาอิก

โรงไฟฟ้าพลังงานลม หลักการทำงาน ใช้พลังงานลมมาหมุนกังหันลม แล้วนำพลังงานกลที่ได้ไปหมุนเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ผลิตไฟฟ้าออกมา กำลังไฟฟ้าที่ผลิตออกมา มีค่าแปรผันตรงกับขนาดความเร็วลม ขนาดมีตั้งแต่เล็กจนถึง 1,250 kW

โรงไฟฟ้าพลังงานลม

ระบบส่ง (Transmission System) ทำหน้าที่เคลื่อนย้ายกำลังไฟฟ้าจากโรงไฟฟ้าไปยังตำแหน่งต่างๆ สำหรับประเทศไทย - ระดับแรงดันไฟฟ้า (AC) มี 115 kV, 230 kV และ 500 kV - ระดับแรงดันไฟฟ้า (DC) มี 300 kV (ไทย – มาเลเซีย) ส่งผ่านกำลังไฟฟ้าที่ระดับแรงดันสูง เพื่อลดค่ากระแส ทำให้กำลังสูญเสีย I2R ลดลง

สายส่งแรงสูง AC

สายส่งแรงสูง DC

สายส่งแรงสูง DC

ระบบจำหน่าย (Distribution System) ทำหน้าที่ส่งจ่ายกำลังไฟฟ้า ไปสู่โหลดประเภทต่างๆ กฟน. (ดูแลในเขตกรุงเทพฯ และปริมณฑล) - ระบบแรงสูง 3 เฟส ระดับแรงดัน 12 และ 24 kV - ระบบแรงต่ำ 3 เฟส 4 สาย ระดับแรงดัน 400/230 V กฟภ. (ดูแลในพื้นที่จังหวัดอื่นๆ) - ระบบแรงสูง 3 เฟส ระดับแรงดัน 22 และ 33 kV - ระบบแรงต่ำ 3 เฟส 4 สาย ระดับแรงดัน 416/240 V

วงจรระบบจำหน่าย Loop Radial

ภาระไฟฟ้าแปรเปลี่ยนที่โรงไฟฟ้า ภาระไฟฟ้า (โหลด) ที่โรงไฟฟ้าต้องจ่ายกำลังไฟฟ้าออกมา โดยมีค่าเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา เพราะความต้องการไฟฟ้าไม่คงที่แน่นอน โรงไฟฟ้าต้องออกแบบให้มีพิกัดพอเพียงที่จะจ่ายกำลังไฟฟ้าให้แก่โหลดที่แปรเปลี่ยนได้

เส้นโค้งภาระไฟฟ้า (Load Curve) เส้นที่แสดงการแปรเปลี่ยนของกำลังไฟฟ้าเทียบกับเวลา ชนิดของเส้นโค้งภาระไฟฟ้า 1. เส้นโค้งภาระไฟฟ้าของวัน (Daily load curve) 2. เส้นโค้งภาระไฟฟ้าของเดือน (Monthly load curve) 3. เส้นโค้งภาระไฟฟ้าของปี (yearly load curve)

เส้นโค้งภาระไฟฟ้ารายวัน เส้นโค้งการใช้กำลังไฟฟ้าในแต่ละชั่วโมงใน 1 วัน

ลักษณะเส้นโค้งภาระไฟฟ้ารายวันใน 1 สัปดาห์ เสาร์ – อาทิตย์ เป็นวันหยุด การใช้โหลดจะน้อยกว่าวันทำงาน

เส้นโค้งภาระไฟฟ้ารายเดือน เส้นโค้งที่ได้จากการนำเส้นโค้งภาระไฟฟ้าในแต่ละวัน ในเดือนนั้นๆ มาหาค่าเฉลี่ยในแต่ละช่วงเวลา ที่เวลา t ใดๆ ค่ากำลังไฟฟ้าเฉลี่ยของเดือน = (MW1+MW2 + …+MW30) / 30

เส้นโค้งภาระไฟฟ้ารายปี เส้นโค้งที่ได้จากการนำเส้นโค้งภาระไฟฟ้าในแต่ละเดือน ในปีนั้นๆ มาหาค่าเฉลี่ยในแต่ละช่วงเวลา ที่เวลา t ใดๆ ค่ากำลังไฟฟ้าเฉลี่ยของปี = (MW1+MW2 + …+MW12) / 12

ข้อมูลที่ได้จากเส้นโค้งภาระไฟฟ้ารายวัน 1. แสดงการเปลี่ยนแปลงกำลังไฟฟ้าตลอดวัน 2. พื้นที่ใต้เส้นโค้ง คือ พลังงานที่โรงไฟฟ้าจ่ายออกในวันนั้น 3. จุดสูงสุดของกราฟ บอกถึง ความต้องการกำลังไฟฟ้าสูงสุด (Maximum Demand) 4. ภาระไฟฟ้าเฉลี่ย = พลังงานที่โรงไฟฟ้าจ่ายออกในวันนั้น 24 ชม.

ข้อมูลที่ได้จากเส้นโค้งภาระไฟฟ้ารายวัน กำลังไฟฟ้าเฉลี่ย 5. ตัวประกอบภาระไฟฟ้า (Load Factor) = ความต้องการกำลังไฟฟ้าสูงสุด 6. ใช้เลือกขนาดและจำนวนเครื่องกำเนิดไฟฟ้า 7. ใช้ในการเตรียมตารางการปฏิบัติงานที่โรงไฟฟ้า

เส้นโค้งภาระไฟฟ้าตามระยะเวลา เส้นที่บอกจำนวนชั่วโมงที่โรงไฟฟ้าจ่ายกำลังไฟฟ้าออกมา ระยะทางจาก a-b , c-d และ e-f เท่ากับ 6 ชั่วโมง

ความต้องการกำลังไฟฟ้าสูงสุด (Maximum Demand) ค่ากำลังไฟฟ้าสูงสุดของระบบ วัดเป็นค่าเฉลี่ยภายใน 15 นาที หรือ 30 นาที หรือ 1 ชั่วโมง เป็นค่าที่นำไปใช้ในการวางแผนขยายการผลิต ใช้ประมาณขนาดและราคาของโรงไฟฟ้าที่จะสร้างเพิ่มเติม เครื่องกำเนิดไฟฟ้า และ หม้อแปลง จ่ายกำลังเกินพิกัด ได้ประมาณ 15 – 30 นาที

การหาความต้องการกำลังไฟฟ้าสูงสุด

ตัวประกอบภาระไฟฟ้า (Load Factor) กำลังไฟฟ้าเฉลี่ย ตัวประกอบภาระไฟฟ้า (Load Factor) = ความต้องการกำลังไฟฟ้าสูงสุด

ความหมายของตัวประกอบภาระไฟฟ้า Load Factor = 1  โรงไฟฟ้าเดินเครื่องเต็มที่ ที่จุดประสิทธิภาพสูงสุดตลอดเวลา (ค่าผลิตไฟฟ้าต่อหน่วยต่ำ) Load Factor = 0.5  กำลังไฟฟ้าสูงสุด สูงเป็น 2 เท่าของกำลังไฟฟ้าเฉลี่ย Load Factor ต่ำๆ  โรงไฟฟ้าเดินเครื่อง เร่งๆ ผ่อนๆ ตลอดเวลา ทำให้มีประสิทธิภาพต่ำ (ค่าผลิตไฟฟ้าต่อหน่วยสูง)

ภาระไฟฟ้าที่ต่ออยู่กับระบบ (Connected Load) ผลรวมของค่าพิกัดอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ติดตั้งรวมในระบบ อาจใช้งานพร้อมกัน หรือใช้เพียงบางส่วนก็ได้ ความต้องการไฟฟ้า อาจเปลี่ยนแปลงในแต่ละช่วงเวลาขึ้นกับลักษณะการใช้งานของโหลดเหล่านี้ ถ้าใช้งานโหลดพร้อมกัน ค่าโหลดที่ต่ออยู่ในระบบ = ความต้องการกำลังไฟฟ้าสูงสุด

ตัวประกอบความต้องการกำลังไฟฟ้า (Demand Factor) ผลรวมความต้องการไฟฟ้าสูงสุดของผู้ใช้ไฟแต่ละกลุ่ม Demand Factor = โหลดรวมที่ต่ออยู่กับระบบ ถ้ารู้ค่า DF และขนาดโหลดที่ต่ออยู่กับระบบของผู้ใช้แต่ละประเภท ก็จะทราบค่าความต้องการไฟฟ้าสูงสุดที่เกิดขึ้นได้

ตัวประกอบความพร้อมเพรียง (Diversity Factor) เกิดจากการที่ผู้ใช้ไฟแต่ละราย มีความต้องการกำลังไฟฟ้าสูงสุดไม่ตรงกัน จึงทำให้ความต้องการใช้ไฟฟ้าสูงสุด ต่ำกว่า ผลรวมของความต้องการใช้ไฟฟ้าสูงสุดของผู้ใช้ไฟแต่ละราย ผลรวมของค่าความต้องการไฟฟ้าสูงสุดของผู้ใช้ไฟแต่ละกลุ่ม Diversity Factor = ความต้องการไฟฟ้าสูงสุดของระบบ Diversity Factor จะส่งผลต่อขนาดกำลังติดตั้งสูงสุดของโรงไฟฟ้า Diversity Factor สูง กำลังสูงสุดที่โรงไฟฟ้าจ่ายออกมาก็จะลดลง

ตัวประกอบความพร้อมเพรียง (Diversity Factor) b a เส้น a + เส้น b  เส้น c ขนาดที่จุด a + ขนาดที่จุด b Diversity factor = ขนาดที่จุด c