Centrifugal compressor กับการเกิด Surge และการป้องกัน MO Memoir : Saturday 16 February 2556

ว่าจะเขียนเรื่องนี้หลังจากกลับจากเที่ยวโรงเบียร์แล้ว แต่กว่าจะได้ลงมือจริงก็ล่วงไปเกือบ ๒ เดือน

ในการทำงานตามปรกตินั้น เราถือว่าของเหลวนั้นไม่สามารถอัดตัวได้ ดังนั้นเมื่อเราเพิ่มความดันให้กับของเหลว (เช่นโดยการใช้ปั๊ม) ปริมาณของเหลวก่อนและหลังเพิ่มความดันจะถือว่าเท่ากัน ส่วนอุณหภูมิอาจมีการเพิ่มขึ้นบ้าง ปรกติในการปั๊มของเหลวเราก็ไม่ค่อยสนอุณหภูมิของเหลวด้านขาออกจากปั๊ม เราสนแต่อุณหภูมิของเหลวด้านขาเข้าของปั๊มมากว่า เพราะมันเกี่ยวข้องกับการป้องกันไม่ให้ของเหลวเกิดการเดือดกลายเป็นไอภายในปั๊ม
    

นอกจากนี้สำหรับของเหลวประเภทเดียวกัน (เช่นน้ำมันปิโตรเลียม) ความหนาแน่นของของเหลวไม่ค่อยจะเปลี่ยนแปลงมากนั้นเมื่อน้ำหนักโมเลกุลเฉลี่ยของของเหลวที่ทำการปั๊มนั้นเปลี่ยนไป (เช่นไฮโดรคาร์บอนอัลเคน C12 มีน้ำหนักโมเลกุลเป็น 2 เท่าของอัลเคน C6 แต่ความหนาแน่นของอัลเคน C12 ก็ไม่ได้เป็นสองเท่าของอัลเคน C6) ดังนั้นแม้ว่าในกระบวนการผลิต ของเหลวที่ทำการปั๊มจะมีองค์ประกอบที่ไม่แน่นอน (ส่งผลให้ความหนาแน่นเปลี่ยนแปลงไป) การทำงานของปั๊มก็ไม่ค่อยจะได้รับผล กระทบจากความหนาแน่นที่เปลี่ยนไปเท่าใดนัก
      

ในกรณีของแก๊สนั้นแตกต่างกันไป แก๊สเป็นของไหลที่สามารถอัดตัวได้ การเพิ่มความดันให้กับแก๊สจะทำให้ปริมาตรแก๊สลดลง แถมอุณหภูมิยังเพิ่มขึ้นมากอีกด้วย นอกจากนี้ความหนาแน่นของแก๊สยังแปรผันตามน้ำหนักโมเลกุลเฉลี่ยและอุณหภูมิของแก๊สอีก ทำให้การเพิ่มความดันให้กับแก๊สมีปัญหามากกว่า

 รูปที่ ๑ รูปร่างหน้าตา performance curve ของ centrifugal compressor แกนนอนคืออัตราการไหลที่แก๊สไหลเข้าคอมเพรสเซอร์ เส้นสีน้ำเงินคือความเร็วรอบการหมุนของใบพัด (S1 < S2 < S3) เส้นสีเขียวคือประสิทธิภาพ (n1 < n2 < n3) เส้นสีแดงคือ Surge line หรือขอบเขตที่ compressor สามารถทำงานได้ (แก๊สไหลเข้าได้แต่ไหลออกไม่ได้) ส่วนเส้นประสีส้มคือ Surge control line คือจุดที่ระบบป้องกันการเกิด surging เริ่มทำงาน ระยะห่างระหว่างเส้นสีส้มและเส้นสีแดง (เส้นสีม่วง) คือ safety margin 

    

เวลาที่เราทำงานเกี่ยวกับปั๊มเราจำเป็นต้องรู้จักพฤติกรรมของปั๊ม ซึ่งพฤติกรรมของปั๊มมันรวมอยู่ในสิ่งที่เรียกว่า "Pump curve" ซึ่งเรื่องนี้ได้เล่าไว้แล้วใน Memoir ปีที่ ๒ ฉบับที่ ๑๒๑ วันจันทร์ที่ ๑๕ กุมภาพันธ์ ๒๕๕๓ เรื่อง "ฝึกงานภาคฤดูร้อน ๒๕๕๓ ตอนที่ ๕ Pump curve" ซึ่งเป็นเรื่องเกี่ยวกับปั๊มหอยโข่ง (centrifugal pump)
   

ในทำนองเดียวกันเวลาที่เราทำงานเกี่ยวกับคอมเพรสเซอร์ (compressor) เราก็จำเป็นต้องรู้จักพฤติกรรมของคอมเพรสเซอร์ ซึ่งพฤติกรรมดังกล่าวก็รวมอยู่ในสิ่งที่เรียกว่า "Compressor performance curve" สำหรับใน Memoir ฉบับนี้จะขอจำกัดอยู่เพียงแค่ centrifugal compressor ส่วนหน้าตาของ Compressor performance curve นั้นแสดงไว้แล้วในรูปที่ ๑
   

centrifugal compressor ทำงานโดยการเพิ่มพลังงานจลน์ (kinetic head) ด้วยการเหวี่ยงให้กับแก๊ส และเมื่อโมเลกุลแก๊สที่ถูกเหวี่ยงออกจากใบพัดด้วยความเร็วสูงพบกับแรงต้าน พลังงานจลน์ก็จะเปลี่ยนเป็นความดัน (pressure head) อัตราการไหลและความดันด้านขาออกของคอมเพรสเซอร์นั้นจะขึ้นอยู่กับความเร็วรอบการหมุน ถ้าคอมเพรสเซอร์หมุนเร็วขึ้นก็จะส่งผ่านแก๊สได้ที่อัตราการไหลและความดันที่สูงขึ้น ที่ความเร็วรอบค่า ๆ หนึ่ง ความสัมพันธ์ระหว่างอัตราการไหลกับความดันด้านขาออกจะเป็นดังเส้นสีน้ำเงิน
   

สมมุติว่าเริ่มแรกนั้นคอมเพรสเซอร์ทำงานที่ค่าอัตราการไหลและความดันด้านขาออกที่ค่า ๆ หนึ่ง (จุด A ในรูปที่ ๑) ถ้าหากความต้านทานการไหลเพิ่มสูงขึ้นและคอมเพรสเซอร์ยังคงหมุนด้วยความเร็วรอบเท่าเดิม อัตราการไหลของแก๊สจะลดลง (วิ่งจากจุด A ไปยังจุด B) ในขณะนี้แก๊สยังคงสามารถไหลออกไปได้
   

แต่ถ้าความต้านทานด้านขาออกของแก๊สเพิ่มสูงขึ้นอีกจนอัตราการไหลลดลงถึงจุด C อัตราการไหลของแก๊สที่คอมเพรสเซอร์ดึงเข้าจะลดลง แก๊สที่ถูกเพิ่มความดันจะถูกอัดตัวอยู่ทางด้านขาออกของคอมเพรสเซอร์ แต่ไม่สามารถไหลออกไปได้ จุดนี้เป็นจุดสุดท้ายที่คอมเพรสเซอร์ยังสามารถทำงานได้อยู่ และถ้าความต้านทานด้านขาออกของคอมเพรสเซอร์สูงเกินกว่าจุด C แก๊สด้านขาออกที่อัดตัวด้วยความดันสูงนั้นจะไหลย้อนกลับเข้าตัวคอมเพรสเซอร์ ปรากฏการณ์นี้เรียกกว่าเกิดการ "surge (หรือ surging)" ซึ่งสามารถทำความเสียหายให้กับชิ้นส่วนของคอมเพรสเซอร์ได้

ของเหลวนั้นไม่สามารถอัดตัวได้ ปริมาตรของเหลวที่ไหลเข้าปั๊มจะเท่ากับปริมาตรของเหลวที่ไหลออกจากปั๊ม แต่แก๊สนั้นสามารถอัดตัวได้ ปริมาตรแก๊สที่ไหลเข้าคอมเพรสเซอร์จะสูงกว่าปริมาตรแก๊สที่ไหลออกจากคอมเพรสเซอร์ ดังนั้นในกรณีของของเหลวนั้นถ้าหากปั๊มไม่สามารถดันให้ของเหลวไหลออกไปได้ ปั๊มก็จะไม่สามารถดูดของเหลวเข้าได้ อัตราการไหลก็จะเป็นศูนย์ (ปริมาตรเข้าเท่ากับปริมาตรออก) 
    

แต่ในกรณีของคอมเพรสเซอร์นั้นแม้ว่าแก๊สด้านขาออกไม่สามารถเคลื่อนตัวออกไปได้ แต่คอมเพรสเซอร์กัยังสามารถดึงแก๊สด้านขาเข้าได้อยู่ เมื่อแก๊สด้านขาออกเกิดการสะสมกันมากขึ้นก็จะเกิดการไหลย้อนสวนทิศทางกับแก๊สที่คอมเพรสเซอร์ดึงเข้ามา ในระหว่างการเกิด surge นั้นการไหลย้อนของแก๊สด้านขาออกจะเอาชนะแก๊สที่ถูกคอมเพรสเซอร์ดูดเข้ามาได้ ถ้าสังเกต compressor performance curve เทียบกับ pump curve จะเห็นว่าอัตราการไหลต่ำสุดที่ปั๊มยังสามารถทำงานได้คือศูนย์ แต่ในกรณีของคอมเพรสเซอร์นั้นอัตราการไหลต่ำสุดนั้นจะมากกว่าศูนย์

ในกรณีของปั๊มหอยโข่งนั้น ถ้าปั๊มไม่สามารถส่งผ่านของเหลวได้ ของเร็วที่ค้างอยู่ในตัวปั๊มจะมีอุณหภูมิเพิ่มสูงขึ้นเรื่อย ๆ จนเกิดการเดือดและทำความเสียหายให้กับปั๊มเนื่องจากเกิด cavitation ได้ วิธีการหนึ่งในการป้องกันปัญหาดังกล่าวก็คือการติดตั้ง minimum flow line หรือท่อ bypass ทางด้านขาออกเพื่อให้มีของเหลวไหลย้อนกลับไปทางด้านขาเข้าของปั๊มตลอดเวลาที่ปั๊มทำงาน เมื่อเกิดเหตุการณ์ที่ปั๊มไม่สามารถส่งของเหลวเข้าระบบได้ ก็จะยังคงมีของเหลวในปริมาณน้อย ๆ ไหลผ่านตัวปั๊มและกลับไปยังด้านขาเข้าผ่านทาง minimum flow line นี้ ทำให้ของเหลวไม่มีการค้างในตัวปั๊มและปั๊มจะปลอดภัยจากการเกิด cavitation
   

แต่การอัดแก๊สนั้นสิ้นเปลืองพลังงานมากกว่าการอัดของเหลว และแก๊สที่ถูกอัดตัวแล้วก็ยังมีอุณหภูมิสูงขึ้นอีกด้วย ดังนั้นวิธีการที่ให้มีของไหลในปริมาณน้อย ๆ ไหลวนกลับไปทางด้านขาเข้าตลอดเวลาแบบที่ใช้กับปั๊มนั้นจึงไม่เหมาะสมกับคอมเพรสเซอร์ ในกรณีของคอมเพรสเซอร์นั้นจึงต้องมีการติดตั้งระบบป้องกันการเกิด surge ที่เรียกว่า Anit surge system หรือ Surge control system

รูปที่ ๒ ตัวอย่างแผนผังระบบท่อของ centrifugal compressor

รูปที่ ๒ เป็นตัวอย่างหนึ่งของการเดินท่อรอบคอมเพรสเซอร์ แก๊สที่จะทำการอัดนั้นจะไหลเข้าสู่ Suction knock out drum หรือ compressor suction drum ก่อน หน้าที่ของถังนี้คือแยกเอาของเหลว (ที่อาจมีติดมากับแก๊ส) ออกจากส่วนที่เป็นแก๊ส โครงสร้างในถังก็ไม่มีอะไร เป็นแค่ถังเปล่า ๆ ติดตั้งวัสดุที่มีรูพรุนที่เรียกวา mist eliminator เอาไว้ทางด้านบนเหนือทางแก๊สไหลเข้า ถ้ามีของเหลวติดมากับแก๊สที่ไหลเข้าถัง เมื่อแก๊สไหลเข้าถังพื้นที่หน้าตัดการไหลจะเพิ่มมากขึ้น อัตราการไหลจะลดต่ำลง ของเหลวส่วนหนึ่งที่ถูกพัดพามากับแก๊สก็จะตกลงสู่เบื้องล่าง ของเหลวส่วนที่ยังติดไปกับแก๊สที่ไหลออกทางด้านบนนั้นเมื่อไปกระทบกับวัสดุที่ใช้ทำ mist eliminator ก็จะเกาะติดวัสดุนั้นและรวมตัวกันเป็นหยดของเหลวใหญ่ขึ้นและตกลงสู่เบื้องล่าง
   

ทางด้านขาออกนั้นจะมีท่อสำหรับการไหลย้อนกลับที่ติดตั้งวาล์วควบคุมที่เรียกว่า Anti surge valve เอาไว้ วาล์วตัวนี้จะเปิดเมื่ออุปกรณ์ตรวจวัดการเกิด surge (ไม่ได้แสดงไว้ในรูป) ตรวจพบว่ากำลังจะมีการเกิด surge ขึ้น กล่าวคือเมื่อภาวะการทำงานของคอมเพรสเซอร์มาถึงตำแหน่ง D (รูปที่ ๑) โดยไม่รอให้ถึงตำแหน่ง C ระยะห่างระหว่างเส้นสีส้มที่ระบบ Anti surge system เริ่มทำงานกับเส้นสีแดงที่คอมเพรสเซอร์เริ่มเกิดการ surge นั้นคือ safety margin ของการทำงาน

ถ้าเป็นการอัดอากาศ ระบบที่ใช้จะไม่ซับซ้อนเหมือนที่แสดงในรูปที่ ๒ เพราะอากาศนั้นมีอยู่ทั่วไป ถ้ามีการเกิด surge ขึ้น ระบบ Anti surge system สามารถที่จะระบายอากาศด้านขาออกทิ้งไปได้เลย ไม่จำเป็นต้องมีการวนกลับไปยังด้านขาเข้า และก็ไม่จำเป็นต้องมี compressor suction drum ทางด้านขาเข้าด้วย อาจมีแค่กรองอากาศเท่านั้น (เพราะปรกติในอากาศก็ไม่มีของเหลวอยู่แล้ว เว้นแต่จะดูดเอาอากาศที่มีฝนตกเข้ามา แต่โดยทั่วไปการติดตั้งท่อดูดอากาศเข้าก็ต้องคำนึงถึงปัญหานี้อยู่แล้ว)
   

ท่อแก๊สวนกลับหรือท่อระบายอากาศทิ้งยังใช้เป็นประโยชน์ได้ในตอนเริ่มเดินเครื่องคอมเพรสเซอร์ที่ขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ เพราะเมื่อเราเริ่มเดินเครื่องมอเตอร์ขณะที่มอเตอร์หยุดนิ่งนั้น กระแสไฟฟ้าปริมาณมากจะไหลเข้ามอเตอร์ แต่จะลดลงเมื่อมอเตอร์เริ่มหมุน ดังนั้นเพื่อลดปริมาณกระแสที่ไหลเข้ามอเตอร์ในขณะที่เริ่มเดินเครื่อง เราจำเป็นต้องทำให้ภาระ (load) ของมอเตอร์ในขณะที่เริ่มเดินเครื่องนั้นต่ำที่สุด 
     

ในกรณีของปั๊มนั้นเราทำโดยการปิดวาล์วด้านขาออกให้อัตราการไหลเป็นศูนย์ (พลังงานที่มอเตอร์ใช้จะลดลงตามอัตราการไหล และต่ำสุดเมื่ออัตราการไหลเป็นศูนย์) โดยอาจมีการเปิดวาล์ว minimum flow line (ถ้ามี) ร่วมด้วยเพื่อไม่ให้ของเหลวเดือด (ดู Memoir ปีที่ ๒ ฉบับที่ ๑๒๒ วันพฤหัสบดีที่ ๑๘ กุมภาพันธ์ ๒๕๕๓ เรื่อง "ฝึกงานภาคฤดูร้อน ๒๕๕๓ ตอนที่ ๖ ระบบ piping ของปั๊มหอยโข่งฝึกงานภาคฤดูร้อน ๒๕๕๓ ตอนที่ ๖ ระบบ piping ของปั๊มหอยโข่ง") ซึ่งในภาวะเช่นนี้ความดันด้านขาออกของปั๊มจะมีค่ามากที่สุด
   

แต่ในกรณีของคอมเพรสเซอร์นั้นตรงข้ามกัน ภาระของคอมเพรสเซอร์จะต่ำสุดเมื่อความดันด้านขาออกเท่ากับความดันด้านขาเข้า ดังนั้นเพื่อลดปริมาณกระแสเข้ามอเตอร์จึงต้องปิดวาล์วด้านขาออกและเปิดวาล์วเส้นแก๊สไหลย้อนกลับให้เต็มที่เพื่อให้แก๊สไหลกลับไปยังด้านขาเข้าได้สะดวก ในขณะนี้ความดันด้านขาออกของคอมเพรสเซอร์จะต่ำสุด ถ้าเป็นการอัดอากาศก็จะเป็นการดูดอากาศเข้าและปล่อยออกสู่บรรยากาศใหม่ และเมื่อความเร็วรอบมอเตอร์ได้ที่แล้วก็จะปิดวาล์วไหลย้อนกลับหรือระบายอากาศทิ้งนี้ และเปิดวาล์วให้แก๊สไหลเข้าระบบต่อไป
   

ปิดท้าย Memoir ฉบับนี้ด้วยรูประบบ piping รอบคอมเพรสเซอร์ตัวเล็ก ๆ ตัวหนึ่งที่ใช้อัตแก๊สชีวภาพ รายละเอียดต่าง ๆ ดูในรูปที่ ๓ เอาเองก็แล้วกัน

รูปที่ ๓ คอมเพรสเซอร์ที่ใช้อัดแก๊สชีวภาพจากบ่อบำบัดน้ำเสียของโรงงานผลิตเบียร์เพื่อส่งไปเป็นเชื้อเพลิงให้กับหม้อไอน้ำของโรงงาน (ต้องขอขอบคุณทางโรงงานที่อนุญาตให้ถ่ายรูป) ท่อที่อยู่ด้านบนคือท่อสำหรับให้แก๊สไหลวนกลับ ในกรณีนี้เป็นแก๊สเชื้อเพลิงจึงไม่สามารถปล่อยทิ้งออกสู่บรรยากาศได้ ระบบในรูปนี้เป็นระบบขนาดเล็กที่ไม่มีการติดตั้ง compressor suction drum ทางด้านขาเข้าของคอมเพรสเซอร์ ที่เห็นอยู่ในกรอบสีเหลืองเดาว่าคือวาล์วปีกผีเสื้อ (butterfly valve) ที่บอกว่าต้องเดาก็เพราะไม่ได้เข้าไปดูใกล้ ๆ รูปที่เห็นเป็นการใช้กล้องโทรศัพท์มือถือถ่ายเอาไว้แล้วขยายดู