ระบบเผาแก๊สทิ้ง (Flare system) ตอนที่ ๔ Purge reduction seal และ Flare tip MO Memoir : Tuesday 19 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

ระบบท่อ flare นั้นจำเป็นต้องมีแก๊สเชื้อเพลิงที่ต้องการเผาทิ้งหรือแก๊สเฉื่อยไหลออกอย่างต่อเนื่อง เพราะถ้าไม่มีแก๊สไหลออกเมื่อใด อากาศที่อยู่ด้านนอกของปากปล่องจะไหลย้อนเข้ามาในระบบท่อ flare ได้ และเมื่อมีแก๊สเชื้อเพลิงไหลอีกครั้ง แก๊สเชื้อเพลิงที่ไหลออกมาใหม่จะผสมรวมกับอากาศที่ไหลย้อนเข้ามา มีโอกาสที่จะเกิดเป็นส่วนผสมที่เผาไหม้ได้ และเมื่อแก๊สเชื้อเพลิงผสมอากาศนี้ไปพบกับเปลวไฟที่จุดล่อไว้ที่ปากปล่อง flare (ที่ flare tip) ก็จะเกิดเป็นเปลวไฟลุกไหม้ย้อนลงมาในระบบท่อ flare ได้
  

ระบบท่อ flare นั้นออกแบบมาสำหรับกรณีฉุกเฉินที่ต้องมีการเผาแก๊สทิ้งในปริมาณมาก (เช่นอาจมีแก๊สจากทุกส่วนของโรงงานถูกส่งมาเผาที่นี่พร้อม ๆ กัน) ดังนั้นระบบดังกล่าวจึงมักเป็นท่อขนาดใหญ่ 
  
ลักษณะเช่นนี้ทำให้เกิดปัญหาในระหว่างการทำงานปรกติที่ไม่ค่อยมีแก๊สส่งออกมาเผาทิ้ง เพราะจำเป็นต้องใช้แก๊สปล่อยทิ้งปริมาณมากในการป้องกันไม่ให้อากาศมีโอกาสรั่วไหลย้อนเข้ามาในระบบท่อ flare แม้ว่าจะสามารถใช้การปล่อยแก๊สเฉื่อย (เช่นไนโตรเจน) ทดแทนได้ แต่ก็จะเป็นการสิ้นเปลือง ด้วยเหตุนี้ในทางปฏิบัติจึงมักมีการติดตั้งอุปกรณ์เพื่อลดโอกาสที่อากาศจะรั่วไหลย้อนเข้ามาในระบบ และยังช่วยลดปริมาณแก๊สที่ต้องใช้ในการ purge ระบบท่อตลอดเวลาเพื่อป้องกันไม่ให้อากาศไหลย้อน ระบบดังกล่าวมีชื่อว่า Purge reduction seal
  

Purge reduction seal คือระบบป้องกันอากาศไหลย้อนเข้าไปในระบบท่อ flare และช่วยลดปริมาณแก๊สที่ต้องใช้ในการ purge ระบบท่อ flare อย่างต่อเนื่อง ใน API RP 521 นั้นแสดง purge reduction seal ๒ รูปแบบด้วยกันคือ molecular type และ velocity type

รูปแบบ molecular type (หรือ molecular seal) อาศัยการไหลวนกลับทิศ 180 องศาของแก๊ส (รูปที่ ๑) แก๊สที่ไหลขึ้นมาตามท่อ flare จะถูกบังคับให้ไหลย้อนกลับลงล่าง ก่อนที่จะไหลวกขึ้นสู่ด้านบนใหม่ ในกรณีที่แก๊สที่ไหลออกมานั้นมีความหนาแน่นน้อยกว่าอากาศ เมื่อแก๊สดังกล่าวไหลในปริมาณน้อย (หรือหยุดไหล) แก๊สดังกล่าวจะสะสมอยู่ทางด้านบนของระบบตรงตำแหน่งไหลวกกลับลงล่าง ซึ่งจะช่วยดันไม่ให้อากาศ (ที่อาจไหลแพร่ลงมาทางปากปล่อง) ไหลย้อนขึ้นและรั่วเข้าไปในระบบท่อ flare ได้ 
   

ในทางกลับกันถ้าแก๊สที่ไหลออกมานั้นมีความหนาแน่นสูงกว่าอากาศ เมื่อแก๊สดังกล่าวไหลในปริมาณน้อย (หรือหยุดไหล) แก๊สดังกล่าวจะสะสมอยู่ทางด้านล่งของระบบตรงตำแหน่งไหลวกกลับขิ้นนบน ซึ่งจะช่วยดันไม่ให้อากาศ (ที่อาจไหลแพร่ลงมาทางปากปล่อง) ไหลตกลงและรั่วเข้าไปในระบบท่อ flare ได้

รูปที่ ๑ Purge reduction seal ชนิด Molecular type (บางทีเรียก Molecular seal)

รูปแบบ velocity type ประกอบด้วยแผ่น baffle ติดตั้งอยู่ทางด้านในของผนังท่อ flare โดยแผ่น baffle นี้จะโค้งออกไปยังทางปากปล่อง เมื่อแก๊สที่ไหลมาตามท่อ flare ไหลมาถึงบริเวณที่ติดตั้งแผ่น baffle พื้นที่หน้าตัดการไหลจะลดลง ทำให้อัตราเร็วในการไหลเพิ่มสูงขึ้น ดังนั้นถ้ามีอากาศแพร่ไหลย้อนลงมาตามผนังด้านในของท่อ flare (บริเวณผิวท่อจะมีอัตราเร็วในการไหลต่ำสุด) เมื่ออากาศตกลงมาถึงแผ่น baffle ก็จะถูกกระแสแก๊สที่ไหลออกมาที่มีความเร็วสูงดึงออกไปทางปากปล่องใหม่

สิ่งหนึ่งที่ต้องคำนึงคือ purge reduction seal ไม่ได้เป็นอุปกรณ์ป้องกันเปลวไฟไหลย้อนเข้าไปในระบบท่อ flare มันเป็นเพียงแค่อุปกรณ์ช่วยประหยัดพลังงานโดยไปลดปริมาณแก๊สที่ต้องใช้ในการป้องกันไม่ให้อากาศไหลย้อนเข้าระบบ

รูปที่ ๒ Purge reduction seal ชนิด Velocitiy type
 

สุดทางของระบบ flare ก็คือ flare tip หรือปากปล่องนั่นเอง (รูปที่ ๓) ที่นี่เป็นที่ที่จะทำการเผาแก๊สทิ้ง flare tip จะมีท่อแก๊สเล็ก ๆ (ปรกติก็จะใช้ LPG) ที่เรียกว่า pilot จุดไฟติดล่อเอาไว้ตลอดเวลา pilot นี้จะมีอยู่หลายตัว ติดตั้งที่มุมต่าง ๆ กัน ที่สำคัญคือต้องมั่นใจว่า pilot จะอย่างน้อยหนึ่งตัวจะมีไฟลุกติดเสมอไม่ว่าฝนจะตกหนักหรือลมจะพัดแรงเท่าใด หรือมีแก๊สไหลออกด้วยอัตราเร็วสูงเท่าใดก็ตาม ทั้งนี้เพื่อให้มั่นใจว่าเมื่อแก๊สที่เผาไหม้ได้ไหลมาถึง flare tip แก๊สดังกล่าวก็จะลุกติดไฟทันที การตรวจสอบว่า pilot ลุกติดอยู่หรือไม่นั้นทำได้โดยใช้เทอร์โมคับเปิลวัดอุณหภูมิม (ถ้ามีไฟลุกติดอยู่มันก็จะร้อน)
  

นอกจากนี้ที่ flare tip ยังมีการฉีดไอน้ำเข้าไปผสมกับแก๊สที่จะทำการเผาไหม้ โดยไอน้ำจะช่วยให้การเผาไหม้เป็นไปได้ดีขึ้น ลดการเกิดควันดำ (ปฏิกิริยาที่เชื่อว่าเกี่ยวข้องคือ water gas shift reaction)

รูปที่ ๓ Flare tip (รูปจาก API RP 521)

ในการกำหนดขนาดระบบท่อ flare นั้น ที่ภาวะที่มีอัตราการไหลของแก๊สมากที่สุดจะยอมให้ความเร็วของแก๊สที่ไหลนั้นสูงถึง 0.5 มัค (Mach - เท่าเสียง  0.5 Mach ก็ประมาณ 165 เมตรต่อวินาที) หรือสูงกว่าได้ ในภาวะดังกล่าวจะเกิดทั้งเสียงที่ดัง (จากความเร็วแก๊สที่พุ่งเร็ว) และความร้อน (จากปริมาณแก๊สที่เผาไหม้) เป็นจำนวนมาก โดยเฉพาะความร้อนจากการแผ่รังสีของเปลวไฟนั้นสามารถก่อให้เกิดอันตรายถึงชีวิตต่อผู้ปฏิบัติงานที่อยู่ในบริเวณใกล้เคียงที่ไม่ได้รับการป้องกันได้ ด้วยเหตุนี้ตำแหน่งที่ติดตั้ง flare tip จึงมีความสำคัญ
  

ตำแหน่งติดตั้ง flare tip นี้ทำให้ระบบ flare แบ่งออกเป็น ๒ ระบบ ถ้าหากติดตั้งใกล้ระดับพื้นดินก็จะเรียกว่า ground flare และถ้าติดตั้งบนท่อที่ขึ้นสูงเหนือระดับพื้นดินก็จะเรียกว่า elevated flare ซึ่งจะกล่าวถึงในตอนต่อไป