ระบบเผาแก๊สทิ้ง (Flare system) ตอนที่ ๗ ระบบนำกลับแก๊สส่งไปเผาทิ้ง (Flare gas recovery system) MO Memoir : Wednesday 10 April 2556

เนื้อหาในบันทึกฉบับนี้อิงจากหัวข้อ ๕.๕ ของ API RP 521, "Guide for Pressure-Relieving and Depressuring Systems" 4th edition March 1997 ที่เริ่มจากหน้า ๗๗ เป็นต้นไป

Centrifugal compressor เป็นคอมเพรสเซอร์ชนิดที่มีการใช้งานมาก (หรือมากที่สุด) ที่ใช้ในการอัดแก๊สในกระบวนการ คอมเพรสเซอร์ชนิดนี้ทำงานโดยการเพิ่มพลังงานจลน์ด้วยการหมุนเหวี่ยงให้กับโมเลกุลแก๊สที่ดูดเข้ามา แล้วพลังงานจลน์นั้นจะเปลี่ยนไปเป็นพลังงานศักย์ (ความดัน) อีกทีเมื่อแก๊สที่ไหลออกนั้นพบกับแรงต้าน ถ้าจะมองให้เห็นภาพแบบง่าย ๆ เราอาจมองว่าที่ความเร็วรอบใบพัดคงที่นั้น ความเร็วแก๊สที่ถูกเหวี่ยงออกไปควรจะเท่ากัน ดังนั้นพลังงานจลน์ของแก๊สที่ถูกเหวี่ยงออกไปจะขึ้นกับมวลของแก๊สที่ไหลเข้ามา (พลังงานจลน์เท่ากับ (1/2)mv²) และมวลของแก๊สที่ไหลเข้ามาจะขึ้นกับความหนาแน่นของแก๊ส และความหนาแน่นของแก๊สจะขึ้นอยู่กับความดัน อุณหภูมิ และน้ำหนักโมเลกุลของแก๊ส ด้วยเหตุนี้ที่ความดันด้านขาออกที่คงที่ ประสิทธิภาพการทำงานของคอมเพรสเซอร์ชนิดนี้จึงขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของแก๊สที่ไหลเข้ามา คำว่าคอมเพรสเซอร์ที่กล่าวใน memoir ฉบับนี้จะหมายถึง centrifugal type เว้นแต่จะมีระบุไว้เป็นอย่างอื่น
 

สำหรับ centrifugal compressorที่ทำการอัดแก๊สที่มีส่วนผสมคงที่ (เช่นอากาศ) หรือสารบริสุทธิ์ (เช่น ไนโตรเจน ไฮโดรเจน เอทิลีน โพรพิลีน ในบางกระบวนการ) ปัญหาเรื่องการเปลี่ยนแปลงน้ำหนักโมเลกุลแก๊สคงไม่เกิด แต่สำหรับ centrifugal compressor ที่ต้องนำมาใช้ในการอัดแก๊สที่องค์ประกอบเปลี่ยนแปลงได้ เช่นที่จะนำมาใช้ในการนำกลับแก๊สจากระบบเผาแก๊สทิ้ง (ซึ่งเป็นแก๊สที่ปล่อยออกมาจากหน่วยผลิตต่าง ๆ ของกระบวนการ ที่เอาแน่เอานอนไม่ได้) ดังนั้นในการออกแบบการทำงานของคอมเพรสเซอร์จึงควรต้องคำนึงถึงช่วงการเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นที่เป็นไปได้ (ต่ำสุด-สูงสุด)

แก๊สที่ส่งไปเผาทิ้งที่ระบบ flare นั้นเป็นแก๊สเชื้อเพลิงที่เผาไหม้ได้ ดังนั้นถ้าสามารถนำแก๊สดังกล่าวไปเผาเป็นเชื้อเพลิงในกระบวนการได้ก็จะทำให้ประหยัดพลังงานได้ และยังลดการปลดปล่อยที่ไม่จำเป็นที่ปล่อง flare อีก ด้วยเหตุนี้ในกรณีที่มีการปล่อยแก๊สไปเผาทิ้งที่ระบบ flare ในปริมาณที่มากพอ จึงมักมีความพยายามนำแก๊สเหล่านี้กลับไปใช้งานใหม่ด้วยการติดตั้งระบบนำกลับแก๊สส่งไปเผาทิ้ง (flare gas recovery system) หลักการของระบบดังกล่าวคือการติดตั้งตั้งคอมเพรสเซอร์เพื่อทำการดูดแก๊สที่จะส่งไปเผายังปล่อง flare เพื่อนำกลับไปใช้เป็นเชื้อเพลิงในระบบใหม่ แต่เนื่องจากระบบท่อ flare นั้นมีภาวะด้านขาเข้าที่เอาแน่เอานอนไม่ได้ (ไม่ว่าจะเป็น อุณหภูมิ อัตราการไหล หรือองค์ประกอบของแก๊ส) และมีความดันค่อนข้างต่ำ ดังนั้นการติดตั้งคอมเพรสเซอร์จึงต้องคำนึงถึงปัจจัยเหล่านี้ด้วย

เมื่อคอมเพรสเซอร์ทำการดูดแก๊สจากระบบท่อส่งแก๊สไปเผาทิ้ง (ระบบท่อ flare) นั้น จะทำให้ความดันในระบบท่อดังกล่าวลดลง เนื่องจากความดันในระบบท่อดังกล่าวค่อนข้างจะต่ำอยู่แล้ว ดังนั้นจึงต้องระวังไม่ให้เกิดการไหลของอากาศเข้ามาในระบบทางปากปล่อง flare ปรกติการป้องกันไม่ให้อากาศไหลย้อนเข้ามาในระบบท่อ flare ทำได้โดยการให้มี purge gas ไหลออกตลอดเวลา ร่วมกับการใช้ molecular seal และ/หรือ water seal รูปที่ ๘ ของ Memoir ปีที่ ๕ ฉบับที่ ๖๐๐ วันจันทร์ที่ ๑ เมษายน ๒๕๕๖ เรื่อง "ระบบเผาแก๊สทิ้ง (Flare system) ตอนที่ ๖ Elevated flare" ที่นำมาจาก API 521 นั้นใช้แต่ molecular seal โดยไม่มีการใช้ water seal
 

ใน API RP 521 นั้นได้แนะนำให้ระวังเรื่องการไหลย้อนกลับเอาไว้ด้วย ดังนั้นถ้าระบบ flare ใช้แต่ molecular seal โดยไม่มีการใช้ water seal drum จึงต้องระวังเป็นพิเศษ แต่ถ้าระบบ flare มีการติดตั้ง water seal drum ก็จะทำให้มีความมั่นใจได้มากขึ้นว่าจะเกิดการไหลย้อนกลับได้ยากขึ้น เพราะถ้าคอมเพรสเซอร์ดูดแก๊สจากระบบท่อ flare จนความดันในระบบท่อ flare ต่ำจนไม่มีแก๊สไหลออกทางปากปล่อง (ต่ำกว่าความดันบรรยากาศ) ก็จะเกิดการดูดน้ำในท่อที่จุ่มอยู่ในน้ำใน water seal drum ให้ยกระดับสูงขึ้น ซึ่งยังสามารถป้องกันไม่ให้อากาศไหลย้อนเข้าไปในระบบท่อ flare ได้อยู่ ดังตัวอย่างในรูปที่ ๑ ที่นำมาจาก API RP 521 หน้า ๗๕

ตรงนี้ต้องเข้าใจนิดนึงว่า API RP 521 เขาไม่ได้บังคับว่า "ต้องมี" water seal drum นะ (ดูหัวข้อ 5.5.3.1 ใน API RP 521) เพียงแต่บอกว่าต้องมีการป้องกัน เช่นอาจใช้ระบบควบคุมการทำงานของคอมเพรสเซอร์ให้หยุดการทำงานถ้าหากความดันด้านขาเข้านั้นต่ำกว่าความดันบรรยากาศ หรือติดตั้งอุปกรณ์ใด ๆ ที่เหมาะสมเพื่อการป้องกันดังกล่าว (แต่ไม่อนุญาตให้ติดวาล์วกันการไหลย้อนกลับหรือ check valve เพราะพวกนี้ถือว่าเป็นพวกที่มีชิ้นส่วนเคลื่อนไหว (moving part) และถ้าชิ้นส่วนเคลื่อนไหวดังกล่าวติดขัดก็จะเกิดปัญหาได้ ถ้ากลับไปดูระบบท่อ flare ตั้งแต่ต้นจนออก flare tip จะเห็นว่าจะไม่มีชิ้นส่วนเคลื่อนไหวในระบบเลย)

การที่คอมเพรสเซอร์ดูดแก๊สจากระบบท่อ flare โดยตรง (1) ทำให้ความดันในระบบท่อ flare ลดต่ำลง (ดูรูปที่ ๑ ประกอบ) ถ้าความดันในระบบท่อ flare ลดต่ำกว่าความดันบรรยากาศ จะทำให้อากาศไหลย้อนเข้าทางปากปล่อง flare (2) ได้ แต่ถ้ามี water seal drum (3) ติดตั้งอยู่ จะทำให้ระดับน้ำในท่อที่จุ่มอยู่ในถังยกระดับสูงขึ้น ทำให้อากาศจะไหลย้อนได้อย่างมากเพียงแค่ water seal drum (ผมว่ารูปท่อเข้า water seal drum ในตัวอย่างของ API RP 521 นี้วาดเอาไว้ไม่ค่อยดี คือน่าจะวาดให้เห็นเป็นเลยว่าท่อออกจาก flare knockout drum ควรจะจุ่มเข้าไปใต้ระดับน้ำใน water seal drum จากทางด้านบน ไม่ใช่เข้าไปใต้ระดับผิวน้ำใน water seal drum จากทางด้านล่างดังในรูป)

ในกรณีที่ปริมาณแก๊สในระบบ flare ลดต่ำลงจนคอมเพรสเซอร์อาจเกิด surging นั้น อาจแก้ปัญหาโดย

(ก) หยุดการทำงานของคอมเพรสเซอร์ ดังนั้นการนำกลับแก๊สส่งไปเผาทิ้งก็จะหยุดไปด้วย

(ข) เปิดวาล์ว (4) เพื่อให้ส่วนหนึ่งของแก๊สด้านขาออกจากคอมเพรสเซอร์นั้นไหลวนกลับไปยังด้านขาเข้าใหม่ ดังนั้นคอมเพรสเซอร์จะทำงานอยู่ แต่ปริมาณแก๊สที่ส่งไปยังหน่วยถัดไป (เช่น flue gas treating (5) ในรูป) จะลดลง

ตัวอย่างที่นำมาจาก API RP 521 ที่นำมาแสดงนั้นดึงเอาแก๊สออกจากท่อ flare ก่อนแก๊สนั้นจะเข้าสู่ knockout drum ดังนั้นจะมีโอกาสสูงที่แก๊สที่ไหลไปยังคอมเพรสเซอร์นำแก๊สกลับจะมีหยดของเหลวติดไปด้วย แม้ว่าในรูปนั้นจะไม่ได้แสดงการติดตั้งระบบป้องกันไม่ให้ของเหลวเข้าไปยังคอมเพรสเซอร์ แต่ในการออกแบบจริงนั้นควรต้องคำนึงถึงปัญหาดังกล่าวด้วย

เรื่องราวของระบบเผาแก๊สทิ้ง (Flare system) ก็คงจะจบที่ตอนที่ ๗ ตอนนี้

รูปที่ ๑ แผนผังระบบนำกลับแก๊สส่งไปเผาทิ้ง เพื่อนำไปใช้ประโยชน์ใหม่ รูปนี้นำมาจาก API RP 521 หน้า ๗๕