วันพฤหัสบดีที่ 21 มีนาคม พ.ศ. 2556

ระบบเผาแก๊สทิ้ง (Flare system) ตอนที่ ๕ Ground flare MO Memoir : Thursday 21 March 2556

เนื้อหาในบันทึกฉบับนี้ยังคงอิงจาก "Guide for Pressure-Relieving and Depressuring Systems" API RP 521 4th edition, March 1997 พึงระลึกว่า API RP นี้เป็น "Recommended Practice" ถ้าจะแปลออกมาก็คือ "แนวปฏิบัติที่แนะนำ" นั่นแสดงว่าไม่ได้หมายความว่า "ต้อง" ทำตามที่เขียนไว้ใน API RP เสมอไป มันไม่เหมือน "Standard - มาตรฐาน" หรือ "Regulation - กฎข้อบังคับ" ที่ต้องปฏิบัติตามทุกตัวอักษร

Flare คือระบบกำจัดแก๊สปล่อยทิ้งด้วยการเผาไหม้ ดังนั้นแก๊สที่จะระบายออกทาง flare จึงเป็นแก๊สที่ลุกติดไฟได้ ส่วนระบบที่กำจัดของเหลวที่ปล่อยทิ้งด้วยการเผาไหม้ API RP 521 เรียกว่า burning pit
  
ถ้าการเผาไหม้แก๊สนั้นเกิดที่ปากปล่องที่อยู่สูงจากระดับพื้นขึ้นไปมากจะเรียกว่า elevated flare แต่ถ้าเกิดการเผาไหม้ใกล้กับพื้นดินจะเรียกว่า ground flare
  
แต่ก่อนอื่น เรามาทำความรู้จักกับผลกระทบจากการแผ่รังสีความร้อนกันก่อน


รูปที่ ๑ Ground flare สำหรับเผาแก๊สชีวภาพส่วนเกิน ที่ผลิตได้จากบ่อบำบัดน้ำเสียของโรงงานเบียร์แห่งหนึ่ง โรงงานนี้ใช้แก๊สชีวภาพเป็นเชื้อเพลิงในการผลิตไอน้ำ ส่วนที่อยู่ต่ำกว่าเปลวไฟจะเห็นสีโลหะเป็นสีเหล็กกล้าไร้สนิมปรกติ ส่วนที่อยู่เหนือเปลวไฟซึ่งต้องเจอกับอากาศร้อน สีเนื้อโลหะจะกลายเป็นสีคล้ำขึ้น รูปนี้ไปถ่ายมาเมื่อปลายเดือนธันวาคมปีที่แล้ว
  
สิ่งแรกที่ต้องทำความเข้าใจคือต้องแยกระหว่าง "อุณหภูมิเปลวไฟหรืออุณหภูมิแก๊สร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้" กับ "ความร้อนที่รับได้จากการแผ่รังสี" เราเรียนรู้กันว่าเปลวไฟสีฟ้านั้นจะมีอุณหภูมิเปลวไฟสูงกว่าเปลวไฟสีแดง ดังนั้นเวลาจุดเตาแก๊สหุงต้ม (LPG) เราจึงมักจะปรับให้ได้เปลวไฟสีฟ้าเพื่อให้ได้อุณหภูมิเปลวไฟสูงสุด (หรือให้ได้อุณหภูมิแก๊สร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้สูงสุด) ในขณะที่เตาถ่านนั้นมันจะให้เปลวไฟสีแดงที่มีความร้อนต่ำกว่า
  
ในการทำอาหารนั้นความร้อนที่ได้จากแก๊สร้อนจะมีความสำคัญ เพราะแก๊สร้อนมันลอยขึ้นข้างบน คนที่อยู่ข้าง ๆ เตาจะไม่รู้สึกร้อนจากแก๊สร้อนเท่าใดนัก แต่สำหรับคนที่ยืนอยู่ข้าง ๆ เตาถ่านที่ลุกไหม้แดงนั้นจะรู้สึกร้อนมากกว่ายืนข้างเตาแก๊ส เพราะเปลวไฟสีแดงมีการแผ่รังสีความร้อนที่สูงกว่า ดังนั้นสำหรับคนที่อยู่อยู่ข้างเตา (ที่ไม่ใช่ข้างบน) การรับความร้อนจากการแผ่รังสีจึงมีความสำคัญ

เตาแก๊สที่ใช้กันตามบ้านนั้นจะผสมแก๊สหุงต้มกับอากาศเข้าด้วยกันก่อน ดังนั้นจะมีการผสมกันระหว่างเชื้อเพลิงกับอากาศเป็นอย่างดี ก่อนที่จะเกิดการลุกไหม้ที่หัวเตา ทำให้การเผาไหม้เกิดได้สมบูรณ์ ไม่เกิดควันไฟ และยังให้แก๊สร้อนที่มีอุณหภูมิสูง แต่การที่เปลวไฟไม่วิ่งย้อนกลับเข้ามาในรูหัวเตาเป็นเพราะความเร็วในการเผาไหม้ของเปลวไฟ "ต่ำกว่า" ความเร็วของแก๊สที่พุ่งออกทางรูหัวเตา
  
การเผาไหม้ที่ปากปล่อง flare นั้นแตกต่างออกไป เพราะแก๊สเชื้อเพลิงจะผสมกับอากาศตรงบริเวณปากปล่องและเกิดการเผาไหม้กันที่นั่น ทำให้แก๊สเชื้อเพลิงส่วนใหญ่เวลาที่เกิดการเผาไหม้ที่ปากปล่อง flare จะให้เปลวไฟสีแดง-เหลือง (ขึ้นกับชนิดและปริมาณ แถมยังมีควันดำเกิดขึ้นด้วย) เปลวไฟดังกล่าวจะมีการแผ่รังสีความร้อนที่สูง ส่งผลกระทบต่อสิ่งมีชีวิตและวัตถุที่อยู่ด้านข้างหรือที่ระดับต่ำกว่าเปลวไฟนั้นได้ ดังนั้นในการออกแบบระบบ flare จึงจำเป็นต้องคำนึงถึงอันตรายจากการแผ่รังสีความร้อนต่อสิ่งมีชีวิตและสิ่งก่อสร้างต่าง ๆ ในบริเวณโดยรอบด้วย
  
ตารางที่ ๑ ข้างล่างให้ค่าความเข้มของการแผ่รังสีความร้อนกับเวลาที่ต้องใช้ในการทำให้คนรู้สึกเจ็บปวด

ตารางที่ ๑ ความเข้มของการแผ่รังสีความร้อน และเวลาที่ทำให้บุคคลรู้สึกเจ็บปวด ข้อมูลได้จากการทดลองกับคนโดยให้ได้รับการแผ่รังสีที่แขนที่อุณหภูมิห้อง (จากตารางที่ ๗ หน้า ๔๐ ของ API RP 521)
 

ในภาวะการทำงานจริงนั้นจะมีปัจจัยอื่นเข้ามาเกี่ยวข้องด้วย เช่นลักษณะของเครื่องแต่งกายที่สวมใส่อยู่และมุมตกกระทบของรังสี เช่นในกรณีของ elevated flare ที่มีการแผ่รังสีจากที่สูงลงมาเบื้องล่าง การสวมหมวกนิรภัยที่ใช้กันในโรงงานพอจะสามารถป้องกันการแผ่รังสีจากเบื้องสูงที่จะทำอันตรายต่อศีรษะได้ในระดับหนึ่ง แต่จะไม่สามารถป้องกันการแผ่รังสีจากทางด้านข้างได้ ใน API RP 521 นั้นกล่าวไว้ว่าควรจะให้เวลาผู้ปฏิบัติงานอย่างน้อย 8-10 วินาที ในการหาที่หลบภัยในกรณีที่มีเหตุฉุกเฉิน (ที่ทำให้ต้องปล่อยแก๊สออกมาเผาเป็นปริมาณมาก)
  
ในกรณีของ elevated flare นั้น การลดการแผ่รังสีลงมายังพื้นใช้การเพิ่มความสูง แต่ถ้าเป็น ground flare จะใช้วิธีการสร้างกำแพงป้องกัน ขนาดของกำแพงป้องกันเป็นข้อจำกัดข้อหนึ่งที่ทำให้ groud flare ไม่เหมาะกับการเผาไหม้แก๊สในปริมาณมาก
  
ground flare นั้นอาจเป็นชนิดที่ปกปิดมิดชิด (enclosed ground flare) ดังที่แสดงในรูปที่ ๑ หรือประกอบด้วย flare tip จำนวนหลายตัวเรียงเป็นแถวดังแสดงในรูปที่ ๒ โดยมีการสร้างกำแพงล้อมรอบเอาไว้เพื่อป้องกันไม่ให้เห็นเปลวไฟภายใน (ป้องกันการแผ่รังสี) และเสียงดังที่เกิดจากการปล่อยแก๊สออกมา ความสูงของกำแพงป้องกันนั้นขึ้นอยู่กับปริมาณแก๊สที่ทำการเผาไหม้ โดยความสูงจะเพิ่มขึ้นตามปริมาณแก๊สที่เผาไหม้
  
รูปที่ ๒ ระบบ ground flare (ในกรอบสีเหลือง) ของโรงงานปิโตรเคมีแห่งหนึ่งอยู่ริมทางรถไฟที่แหลมฉบัง กินพื้นที่กว้างประมาณ 50 เมตร ยาวประมาณ 100 เมตร หรือประมาณสนามฟุตบอล (รูปจาก google map) ในนั้นจะมีท่อแยกออกเป็น ๔ แถว (ตามแนวเส้นสีแดง) แต่ละแถวจะมี flare tip อยู่หลายตัว เพื่อทำการเผาแก๊สในปริมาณมากได้โดยไม่ทำให้เกิดเป็นเปลวไฟลูกใหญ่เกินไป (เปลวไฟลูกเล็กแต่กินพื้นที่มากแทน ทำให้ไม่ต้องใช้กำแพงป้องกันสูงเกินไป)

การที่ ground flare อยู่ใกล้พื้นนั้นทำให้การติดตั้งและการซ่อมบำรุงทำได้ง่าย แต่ก็มีข้อเสียคือถ้าหาก flare ไม่ทำงานหรือเผาไหม้ไม่สมบูรณ์ ไม่เพียงแต่จะมีควันดำแต่ยังมีแก๊สที่หลุดลอดออกมาโดยไม่เกิดการเผาไหม้ลอยสะสมในบริเวณใกล้พื้นดิน ทำให้อาจต้องมีการติดตั้งอุปกรณ์ตรวจสอบแก๊สเหล่านี้เพิ่มเติม 
   
ปัจจัยเรื่องความสูงของกำแพงป้องกัน การเผาไหม้ที่อาจไม่สมบูรณ์เมื่อมีการเผาแก๊สในปริมาณมากซึ่งจะทำให้เกิดควันดำหลุดรอดออกมาในระดับต่ำ และอุปกรณ์ตรวจสอบแก๊สที่หลุดรอดออกมาโดยไม่เผาไหม้ที่ต้องเพิ่มเติมเข้าไป ทำให้ต้นทุนของ groud flare สูงจนไม่เหมาะที่จะใช้กับการเผาไหม้แก๊สในปริมาณมาก ซึ่งตรงนี้ elevated flare จะเหมาะสมมากกว่า


รูปที่ ๓ ในหน้าถัดเป็นเป็นตัวอย่างแผนผังระบบ ground flare ที่ออกแบบเพื่อเผาไหม้แก๊สในปริมาณต่าง ๆ กันโดยใช้ water seal เป็นตัวควบคุมการไหลของแก๊ส กล่าวคือถ้าแก๊สไหลน้อยความดันในท่อ flare ก็จะต่ำ ก็จะมีการเผาไหม้ที่ flare tip เพียงแถวเดียว (แต่ในแถวนั้นมี flare tip หลายตัว) กล่าวคือไหลผ่าน 1st stage seal drum ได้แต่จะไม่ไหลผ่าน 2nd stage seal drum แต่พอแก๊สไหลมากขึ้นความดันในท่อ flare ก็จะมากขึ้น ทำให้แก๊สไหลออกไปยัง flare tip ตัวอื่นได้อีก (ไหลผ่าน 2nd stage seal drum ได้) และถ้าแก๊สไหลเพิ่มขึ้นไปอีกจนแก๊สที่ไหลผ่าน 2nd stage seal drum มาแล้วมีความดันสูงเกินกว่า 25 นิ้วน้ำ แก๊สนั้นก็จะไหลผ่าน water seal loop และระบายออกไปเผาที่ elevated flare ได้ 
   
การทำงานของ water seal นั้นได้เคยเล่าเอาไว้แล้วใน Memoir ปีที่ ๕ ฉบับที่ ๕๖๒ วันเสาร์ที่ ๑๒ มกราคม ๒๕๕๖ เรื่อง "Liquid seal และ water seal ตอนที่ ๒ การรักษาระดับของเหลวและรักษาความดัน"

เรื่องชุด "ระบบเผาแก๊สทิ้ง (Flare system)" ก่อนหน้านี้มีดังนี้
ปีที่ ๕ ฉบับที่ ๕๘๔ วันอาทิตย์ที่ ๓ มีนาคม ๒๕๕๖ เรื่อง "ระบบเผาแก๊สทิ้ง (Flare system) ตอนที่ ๑ ระบบท่อรับแก๊ส"
ปีที่ ๕ ฉบับที่ ๕๘๖ วันพุธที่ ๖ มีนาคม ๒๕๕๖ เรื่อง "ระบบเผาแก๊สทิ้ง (Flare system) ตอนที่ ๒ Knockout drum"
ปีที่ ๕ ฉบับที่ ๕๘๗ วันศุกร์ที่ ๘ มีนาคม ๒๕๕๖ เรื่อง "ระบบเผาแก๊สทิ้ง (Flare system) ตอนที่ ๓ Seal drum"
ปีที่ ๕ ฉบับที่ ๕๙๑ วันอังคารที่ ๑๙ มีนาคม ๒๕๕๖ เรื่อง "ระบบเผาแก๊สทิ้ง (Flare system) ตอนที่ ๔ Purge reduction seal และ Flare tip"

ตอนที่ ๖ ของเรื่องชุดระบบเผาแก๊สทิ้ง (Flare system) จะเป็นเรื่อง elevated flare ซึ่งคงเป็นเรื่องปิดท้าย


รูปที่ ๓ ตัวอย่างแผนผังระบบ ground flare ทั้งระบบ รูปนี้เป็นระบบของประเทศอากาศหนาวที่น้ำมีโอกาสเป็นน้ำแข็ง จึงต้องมีการผสมไอน้ำเข้าไปในน้ำที่ป้อนเข้ายัง seal drum ต่าง ๆ จะเห็นว่ามีการใช้ water seal loop หลายจุดในการรักษาระดับน้ำและความดันภายใน seal drum (รูปจาก Cyrill F. Parry, "Relief sytems handbook", Institute of Chemical Engineers, U.K. 1992.) ในรูปนี้ แก๊สที่มาทาง Flare header ต้องมีความดันอย่างน้อย 12 นิ้วน้ำจึงจะไหลผ่าน 1st stage seal drum ได้ (ตรงตำแหน่ง (ก)) ซึ่งจะเข้าไปลุกไหม้ตรงแถวกลางของ ground flare แต่ถ้าแก๊สไหลมากขึ้นจนความดันใน flare header สูงเกินกว่า 30 นิ้วน้ำ แก๊สก็จะไหลผ่าน 2nd stage seal drum ได้ (ตรงตำแหน่ง (ข)) ซึ่งจะทำให้เกิดการเผาไหม้ที่ทุก flare tip ของ ground flare แต่ถ้าแก๊สไหลในปริมาณที่มากขึ้นไปอีกจนแก๊สที่ไหลผ่าน 2nd stage seal drum มีความดันสูงเกินว่า 25 นิ้วน้ำ แรงดันแก๊สก็จะเอาชนะแรงต้านของน้ำใน water seal loop (ตรงตำแหน่ง (ค)) ได้ และระบายออกไปเผายัง elevated flare หรือระบบอื่นต่อไป (RO - Restriction orifice หรือออริฟิกจำกัดปริมาณการไหล, GPM - Gallon per minute แต่ในหนังสือนี้ผู้เขียนเป็นคนอังกฤษ ดังนั้นคิดว่าแกลลอนในที่นี้คือ Imperial Gallon ซึ่งเท่ากับ 4.546 ลิตร)

ไม่มีความคิดเห็น: