GC-2014 FPD กับระบบ DeNOx ตอนที่ ๑ ที่มาที่ไปของปัญหา MO Memoir : Friday 4 March 2554

เนื้อหาในเอกสารฉบับนี้ (และที่จะออกตามมาในหัวข้อเดียวกัน) เป็นการบันทึกการแก้ปัญหาการติดตั้งเครื่อง Shimadzu GC-2014 FPD ซึ่งใช้วัด SO₂ และ SO₃ เข้ากับระบบเครื่องปฏิกรณ์ DeNOx และจะเป็นการบันทึกอีเมล์ฉบับที่ส่งถึงสาวน้อย ๑๕๐ เซนติเมตรในวันอังคารที่ ๑ มีนาคม ๒๕๕๔ เอาไว้ด้วย

ผมเขียนเรื่องเกี่ยวกับ GC-2014 FPD (ที่เราได้รับมาในการทำวิจัย DeNOx เพื่อไว้วัดแก๊ส SO₂ และ SO₃) ครั้งแรกไว้ใน Memoir ปีที่ ๒ ฉบับที่ ๑๗๑ วันอาทิตย์ที่ ๖ มิถุนายน ๒๕๕๓ เรื่องคอลัมน์ GC ก่อนการใช้งาน ดังนั้นถ้านับถึงสัปดาห์นี้ก็เป็นเวลาร่วม ๙ เดือนแล้วที่เรายังไม่สามารถนำเครื่องดังกล่าวมาใช้งาน แต่จากความพยายามในช่วงที่ผ่านมาคาดว่าเราน่าจะสามารถนำเครื่องดังกล่าวมาใช้งานได้ภายในก่อนสิ้นเดือนนี้

สำหรับผู้ที่เกี่ยวข้องในการแก้ปัญหาดังกล่าวจะพบว่า ในกรณีนี้ต้นตอของปัญหานั้นไม่ได้จำกัดอยู่ที่ตัวเครื่อง GC แต่ยังครอบคลุมไปถึงระบบจ่ายแก๊สเข้าทำปฏิกิริยาด้วย ซึ่งจัดว่าขอบเขตของปัญหานั้นกว้างกว่าที่คาดคิดไว้แต่แรก ทำให้ในช่วงแรก ๆ นั้นเมื่อเราเริ่มตรวจสอบการทำงานต่าง ๆ ของเครื่อง GC และระบบที่เกี่ยวข้อง เราจึงไม่สามารถระบุได้ว่าต้นตอของปัญหามาจากแหล่งใด ทำให้เราต้องขยายขอบเขตการตรวจสอบให้กว้างออกไปอีก จนในที่สุดก็คิดว่าเราพอจะเข้าใจสาเหตุที่ทำให้เกิดปัญหาแล้ว

เพื่อให้เห็นภาพที่ชัดเจนของเรื่องที่เกี่ยวข้อง จึงจะขอเล่าที่มาที่ไปก่อนเป็นข้อ ๆ ไป

๑. เรื่องของปัญหามันเริ่มจากการที่เราทำการทดสอบ GC-2014 และพบว่ามันสามารถตรวจวัด SO₂ ได้ถ้าหากว่าเราเอาแก๊สผสม (ที่มี SO₂ ผสมอยู่ที่ความเข้มข้น 1% หรือ 10000 ppm) จากท่อแก๊สฉีดตรงเข้าไปยัง sampling valve ของเครื่อง

๒. แต่เมื่อนำเอาตัวเครื่อง GC-2014 ไปต่อ on line เข้ากับทางออกของแก๊สจาก reactor และปรับความเข้มข้นของ SO₂ ในแก๊สผสมให้อยู่ในช่วง 10-30 ppm (ซึ่งเป็นช่วงที่บริษัทต้องการศึกษา) เรากลับพบว่าตรวจไม่พบ SO₂ ทั้ง ๆ ที่ mass flow controller ตัวที่ควบคุมการไหลของ SO₂ ยังทำงานอยู่ (โดยตัวเลขบนหน้าจอก็นิ่งซะด้วย) และผลการทดลองการทำปฏิกิริยา DeNOx ก็แสดงให้เห็นว่ามี SO₂ ไหลเข้าไปในระบบ เพราะผลการทดลองระหว่างการไม่ผสมกับการผสม SO₂ เข้ากับแก๊สผสมที่เป็นสารตั้งต้นนั้น แสดงให้เห็นการเปลี่ยนแปลงค่า conversion อย่างเด่นชัดเมื่อผสม SO₂ เข้าไปในแก๊สผสมที่เป็นสารตั้งต้น

๓. แต่ถ้าปรับความเข้มข้นของ SO₂ ในแก๊สผสมให้สูงขึ้นไป (เช่นที่ระดับ 100 ppm) หรือมากกว่า เครื่อง GCกลับสามารถตรวจพบการมีอยู่ของ SO₂ โดยที่ให้พีคที่มีขนาดใหญ่ออกมา

๔. เหตุการณ์ดังกล่าวทำให้ผมไม่ค่อยชอบใจนักตรงพฤติกรรมของ detector เพราะว่าโดยปรกติแล้วการทำงานของ detector นั้น ถ้าเราค่อย ๆ ลดความเข้มข้นของสารที่ฉีดให้ต่ำลง สัญญาณจาก detector ก็จะค่อย ๆ ลดต่ำลงจนถึงระดับหนึ่งที่เราตรวจไม่พบ แต่ในกรณีนี้เราพบว่าเมื่อเราลดความเข้มข้นของ SO₂ ในแก๊สผสมให้ลดต่ำลง (โดยการลดอัตราการไหลของแก๊ส SO₂) พีค SO₂ ก็เล็กลง (แต่ก็ให้สัญญาณที่แรงอยู่) แต่พอลดความเข้มข้น SO₂ ลงถึงระดับหนึ่งพบว่าอยู่ดี ๆ พีคก็หายไปดื้อ ๆ กระทันหัน กล่าวอีกนัยหนึ่งคือสัญญาณของ detector ไม่ลดลงอย่างต่อเนื่องจนเป็นศูนย์ (ดังรูปที่ ๑ ซ้าย) แต่อยู่ ๆ ก็หายไปเลย (ดังรูปที่ ๑ ขวา)

รูปที่ ๑ ความสัมพันธ์ระหว่างความแรงของสัญญาณจาก detector เมื่อฉีด SO₂ ที่ความเข้มข้นต่าง ๆ กัน (ซ้าย) สิ่งที่คาดหวังว่าจะได้เห็น (ขวา) สิ่งที่เกิดขึ้นจริง

๕. แต่จะว่าไปแล้วเมื่อลดความเข้มข้น SO₂ ให้ต่ำลงจนพบว่าสัญญาณจาก detector เป็นศูนย์นั้น ก็พบว่ามีบางครั้งเหมือนกันที่ตรวจพบ SO₂ ในแก๊สผสม แต่แม้จะตรวจพบ SO₂ ก็พบว่ายังมีปัญหาตรงที่ขนาดของพีคนั้นไม่สามารถทำซ้ำได้ แต่โดยรวมแล้วโอกาสตรวจไม่พบนั้นสูงกว่าโอกาสตรวจพบ

๖. เหตุการณ์นี้ทำให้สงสัยว่าเป็นพฤติกรรมของ detector หรือเปล่า ที่การลดลงของสัญญาณเป็นเช่นนี้ (กล่าวคือไม่ลดลงอย่างต่อเนื่องจนเป็นศูนย์เมื่อความเข้มข้นของ SO₂ ลดลงดังแสดงในรูปที่ ๑ ขวา)

๗. ดังนั้นในช่วงแรกจึงได้ให้สาวน้อย ๑๕๐ เซนติเมตรไปทำการทดลองปรับแต่งการทำงานของ detector โดยทดลองป้อนแก๊ส SO₂ ในระดับที่เครื่องตรวจวัดได้ แล้วปรับอัตราส่วนระหว่างอากาศและไฮโดรเจน (แก๊สสำหรับจุดไฟ) เพื่อให้ได้สัญญาณที่มีความแรงมากที่สุดก่อน เมื่อได้อัตราส่วนผสมระหว่างอากาศและไฮโดรเจนที่เหมาะสมแล้ว ก็กลับไปทดลองวัด SO₂ ที่ความเข้มข้นต่ำ ๆ อีกครั้ง ซึ่งก็พบว่ายังเกิดปัญหาเหมือนเดิม

๘. ประเด็นถัดมาที่นำมาพิจารณาคือเป็นไปได้ไหมว่า ที่ความเข้มข้น SO₂ ต่ำ ๆ นั้น เมื่อแก๊สตัวอย่างที่มี SO₂ ผสมอยู่ไหลเข้าไปในคอลัมน์ แก๊สตัวอย่างพอผสมกับ carrier gas แล้วทำให้ความเข้มข้น SO₂ เจือจางลงไปอีก จึงทำให้ detector ตรวจวัดไม่ได้ เมื่อมองจากมุมนี้จึงทำให้คิดว่าน่าจะเพิ่มขนาดตัวอย่างที่ทำการฉีดเข้าเครื่อง

๙. Sampling loop ที่ติดตั้งมากับตัวเครื่องเมื่อได้รับมานั้นมีขนาด 0.5 ml จึงได้ให้ทางบริษัทมาทำการเปลี่ยนให้มีขนาดใหญ่ขึ้น ซึ่งทางบริษัทก็ได้ทำการติดตั้งขนาด 2.0 ml ให้

๑๐. เมื่อทำการเปลี่ยน sampling loop แล้วก็ได้ทำการทดลองต่อเครื่อง GC on-line เข้ากับระบบ DeNOx และทำการวัด SO₂ ที่ความเข้มข้นต่าง ๆ กันใหม่ ซึ่งแม้จะพบว่ามีการตรวจพบ SO₂ "บ่อยครั้ง" มากกว่าครั้งเมื่อใช้ sampling loop ขนาด 0.5 ml (โอกาสตรวจพบเพิ่มมากขึ้น) แต่ก็มีปัญหาเรื่องการวัดที่บางครั้งก็ตรวจไม่พบ และครั้งที่ตรวจพบนั้นก็ได้ "พีค" ที่มีขนาดเอาแน่เอานอนไม่ได้ บางครั้งมีขนาดใหญ่ บางครั้งก็เล็ก (ตอนนี้ของเรียกว่า "พีค" ไปก่อนนะ แล้วตอนหลังจะอธิบายให้เห็นว่าสิ่งที่คิดว่าเป็น "พีค" ในขณะนี้มันไม่ใช่พีค)

๑๑. ตอนนี้ผมก็เริ่มสงสัยแล้วว่าปัญหาจะอยู่ที่ mass flow controller ตัวที่ควบคุมการไหลของ SO₂ หรือเปล่า คือสงสัยว่า mass flow controller ทำงานแบบไหน คือ

(ก) วาล์วเป็นวาล์วเป็นแบบต่อเนื่อง กล่าวคือเปิดวาล์วจะเปิดกว้างหรือแคบตามอัตราการไหลที่ต้องการ ถ้าต้องการอัตราการไหลสูง ตัววาล์วก็จะเลื่อนขึ้นเพื่อให้ช่องทางการไหลกว้างขึ้น และเมื่อต้องการอัตราการไหลต่ำ ตัววาล์วก็จะเลื่อนลงเพื่อให้ช่องทางการไหลแคบลง หรือเป็นแบบ

(ข) เปิดเป็นจังหวะ คือวาล์วจะทำงานโดยอยู่ที่ตำแหน่งเปิดกว้างสุด (100%) หรือปิดสนิท (0%) การควบคุมอัตราการไหลทำโดยการตั้งอัตราส่วนที่จะให้วาล์วอยู่ในตำแหน่งเปิด-และตำแหน่งปิดในช่วงเวลาที่กำหนด เช่นสมมุติว่าถ้าต้องการอัตราการไหล 20% ในช่วงเวลา 5 วินาทีวาล์วก็จะเปิดกว้าง 1 วินาทีและปิดสนิท 4 วินาที เป็นต้น (ตัวเลขนี้ผมยกขึ้นมาลอย ๆ เพื่อให้มองเห็นภาพเท่านั้นนะ อย่าไปคิดว่าตัววาล์วทำงานจริงแบบนี้)

ตรงนี้ขอกล่าวไว้ก่อนว่า mass flow controller ตัวที่ควบคุมการไหลของ SO₂ นั้นควบคุมการไหลในช่วง 0-10 ml/min (ตัวเลขหน้าจอปรับได้ตั้งแต่ 0.00 ไปจนถึง 10.00) แต่ในการใช้งานนั้นเราให้แก๊สไหลไม่ถึง 1 ml/min (ตัวเลขหน้าจออยู่ในช่วงประมาณ 0.20 ถึง 0.50) ซึ่งถือว่าต่ำมากเมื่อเทียบกับขนาดของตัวเครื่อง

๑๒. จากข้อสงสัยในข้อ ๑๑. ผมจึงได้ให้สาวน้อย ๑๕๐ เซนติเมตรไปตรวจดูรูปแบบการไหลของแก๊ส โดยทำการต่อ bubble flow meter เข้ากับ mass flow controller แล้วดูพฤติกรรมการไหลของฟองสบู่ ซึ่งก็พบว่าฟองสบู่เคลื่อนตัวได้อย่างต่อเนื่องไม่มีการสะดุด นั่นแสดงว่าการทำงานของ mass flow controller นั้นควรเป็นแบบต่อเนื่อง ไม่ใช่แบบเปิดเป็นจังหวะ เพราะถ้าเป็นแบบเปิดเป็นจังหวะแล้ว เราควรจะเห็นฟองสบู่เคลื่อนที่สลับกับการหยุด ตามจังหวะการเปิด-ปิดของวาล์ว (ตอนที่เขามารายงานผม ผมก็ยังไม่เชื่อ ต้องขอไปดูด้วยตาตัวเอง)

ตอนนี้ดูเหมือนว่าจะเข้าตาจนแล้ว แต่จู่ ๆ สมมุติฐานใหม่ก็ปรากฏขึ้นมา กล่าวคือเป็นไปได้ไหมว่าที่เราเห็นตัวเลขบนหน้าจอ mass flow controller นิ่งนั้น เป็นเพราะมีแก๊ส SO₂ ไหลผ่าน mass flow controller จริงด้วยอัตราการไหลที่คงที่ (หรือค่อนข้างจะคงที่) แต่แก๊ส SO₂ ที่ไหลผ่านออกมาแล้วนั้นไม่ไหลเข้าไปผสมกับแก๊สไนโตรเจนในท่อการไหลหลักของระบบ

เรื่องราวจะเป็นอย่างไรโปรดติดตามตอนต่อไป คืนนี้ขอไปพักผ่อนนอนหลับก่อน