วันพุธที่ 4 มกราคม พ.ศ. 2560

Piping and Instrumentation Diagram (P&ID) ของอุปกรณ์ ตอน Centrifugal pump (ปั๊มหอยโข่ง) MO Memoir : Wednesday 4 January 2560

จากการที่ได้มีโอกาสพบกับผู้ที่สำเร็จการศึกษาระดับปริญญาตรีทางด้านวิศวกรรมเคมีจากหลากหลายสถาบันในประเทศไทยพบว่า การเรียนการสอนเกี่ยวกับการออกแบบอุปกรณ์นั้นมักจะเน้นไปที่การหาขนาด (sizing) เป็นหลัก เช่นปั๊มควรมีขนาดเท่าใด ท่อควรมีขนาดกี่นิ้ว เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนควรมีพื้นที่แลกเปลี่ยนความร้อนเท่าใด เป็นต้น รองลงมาที่พอจะพบว่ามีการสอนกันอยู่บ้างเห็นจะได้แก่สอนให้รู้ว่ามีชนิดใดบ้าง เช่น เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนมีกี่แบบ ปั๊ม วาล์วมีกี่ชนิด เป็นต้น และที่พบว่ามีการสอนน้อยลงไปอีกเห็นจะได้แก่ การเลือกชนิด (type selection) ของอุปกรณ์นั้นให้เหมาะสมกับงานแต่ละประเภท (เช่นควรเลือกใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิดไหน ใบพัดของปั๊มหอยโข่งควรเป็นชนิดใด) และที่ดูเหมือนว่าจะไม่มีการสอนกันเลยในสาขาวิชาวิศวกรรมเคมีก็คงเป็นระบบ piping รอบตัวอุปกรณ์นั้นเมื่อทำการติดตั้งว่าควรต้องประกอบด้วยอุปกรณ์ (เช่น วาล์วชนิดใดที่ตำแหน่งใด อุปกรณ์วัดคุมชนิดใดที่ตำแหน่งใด ลำดับการติดตั้ง เป็นต้น)
 
ปัญหาเหล่านี้ไม่ใช่เพิ่งจะมี แต่มีมานานแล้ว ตั้งแต่สมัยผมเรียนเมื่อ ๓๐ ปีที่แล้วก็เป็นเช่นนี้ เรื่องความรู้ต่าง ๆ ภาคปฏิบัติเกี่ยวกับอุปกรณ์ต่าง ๆ ที่ผมเอามาเล่าให้ฟังในที่นี้ก็ได้มาจากประสบการณ์การก่อสร้างโรงงานตอนเรียนจบใหม่ ๆ ที่ต้องไปเรียนเพิ่มเติมเอาที่หน้างานจากรุ่นพี่ต่าง ๆ และศึกษาเองเพิ่มเติมจากบทความที่พอจะมีคนเขียนลงวารสารบ้าง มาถึงช่วงเวลานี้พอจะมีเวลาบ้างก็เลยจะเอาความรู้นอกหลักสูตร (แต่จำเป็นสำหรับการทำงานภาคปฏิบัติ) ที่พอมีอยู่บ้างมาเผยแพร่เป็นวิทยาทานให้กับผู้ที่กำลังศึกษาอยู่หรือเพิ่งจะเริ่มทำงาน จะได้มีแหล่งความรู้ให้ค้นคว้าบ้าง (เพราะเดี๋ยวนี้ได้ยินว่าการเรียนจากหน้างานโดยมีรุ่นพี่คอยสอนนั้นลดน้อยลงไปมาก) โดยจะขอเริ่มจากเรื่อง Piping and Instrumentation Diagram หรือที่เรียกกันย่อ ๆ ว่า P&I Diagram หรือ P&ID ของอุปกรณ์บางตัว โดยจะเริ่มจากปั๊มหอยโข่ง (centrifugal pump) ก่อน
 
ในการออกแบบระบบปั๊มนั้นจะเริ่มจากการเลือกประเภทปั๊มก่อน (จะหอยโข่ง ลูกสูบ หรืออะไรก็ตามแต่) โดยพิจารณาจากคุณสมบัติของของเหลว (เช่น หนืดแค่ไหน มีของแข็งแขวนลอยปนหรือไม่ ต้องการอัดให้มีอัตราการไหลและความดันเท่าใด) จากนั้นจึงทำการระบุขนาด (sizing) และเมื่อจะทำการออกแบบระบบเพื่อทำการก่อสร้างก็ต้องมีการระบุรายละเอียดอุปกรณ์ประกอบต่าง ๆ (เช่น ชนิดวาล์ว อุปกรณ์วัดคุม การหล่อลื่น การป้องกันการรั่วซึม เป็นต้น) ซึ่งการที่จะสามารถระบุรายละเอียดอุปกรณ์ประกอบต่าง ๆ ได้นี้จำเป็นต้องรู้จักวิธีการใช้งานตัวปั๊ม (ไม่ว่าจะเป็นขั้นตอนการเริ่มเดินเครื่อง ขั้นตอนการหยุดเดินเครื่องต้องทำอย่างไร) สภาพการทำงานของกระบวนการ (เช่น อัตราการไหลคงที่หรือไม่ หรือปรับเปลี่ยนไปตามสภาวะการผลิต) รูปแบบการใช้งาน (เช่น ใช้เป็นครั้งคราว หรือเดินเครื่องต่อเนื่อง ๒๔ ชั่วโมงต่อวัน เป็นปั๊มสำรองที่ต้องพร้อมจะเดินเครื่องตลอดเวลา เป็นต้น) ความถี่ในการซ่อมบำรุง เป็นต้น
 
แต่อย่างน้อยที่สุดสิ่งหนึ่งที่ต้องคำนึงถึงในการออกแบบระบบท่อเข้า-ออกตัวอุปกรณ์ก็คือ ต้องสามารถทำการแยกอุปกรณ์ออกจากระบบ (ที่เรียกว่า isolation) ในกรณีที่จำเป็นต้องมีการหยุดการทำงานของอุปกรณ์เพื่อทำการซ่อมบำรุง ซึ่งตรงนี้ก็หนีไม่พ้นการที่ต้องมีการติดตั้ง block valve ที่ระบบท่อด้านขาเข้า-ออก และท่ออื่น ๆ (เช่นไอน้ำที่ใช้ในการอุ่นปั๊มให้ร้อนในกรณีที่ใช้กับของเหลวที่แข็งตัวเมื่อเย็น น้ำมันหล่อลื่น ตัวทำละลายที่ใช้ในการชะล้าง (flushing) mechanical seal เป็นต้น) ที่เกี่ยวข้องกับตัวปั๊มทั้งหมด
 
ในที่นี้ผมเลือกใช้คำว่า "Block valve" ที่เป็นคำกลาง ๆ ในส่วนของวาล์วท่อด้านขาเข้า-ออกตัวปั๊ม คำนี้หมายถึงวาล์วที่มีหน้าที่หลักคือเปิดเต็มที่และปิดสนิท ส่วนจะเป็นวาล์วประเภทไหน (Gate, Globe, Plug หรือ Butterfly) นั้นค่อยว่ากันอีกที แม้สัญลักษณ์ในรูปต่าง ๆ ที่นำมาแสดงนั้นมักจะหมายถึง gate valve ก็ตาม

รูปที่ ๑ ตัวอย่าง P&ID รอบปั๊มหอยโข่งในกรณีของการติดตั้งเดี่ยว (M คือมอเตอร์) รูปบนและล่างเหมือนกัน ต่างกันเพียงแค่กลับด้านซ้าย-ขวาเท่านั้น การติดตั้งปั๊มตัวเดียว (ไม่มีสำรอง) มักใช้กับระบบที่ไม่ได้ทำงานต่อเนื่อง ๒๔ ชั่วโมงตลอดทั้งปี เช่นการส่งของเหลวระหว่างถังเก็บ (ปั๊มที่ทำงานต่อเนื่อง ๒๔ ชั่วโมงตลอดทั้งปีมักเป็นปั๊มที่อยู่ในกระบวนการผลิตที่มีการเดินเครื่องกันทั้งวันทั้งคืนไปตลอดทั้งรอบการเดินเครื่อง เช่น ๓๐๐ วัน จึงค่อยหยุดซ่อมบำรุงใหญ่กัน) สัญลักษณ์ต่าง ๆ ในรูปที่นำมาแสดงนี้ไม่จำเป็นต้องใช้เหมือนกันทุกบริษัทนะ
 
โดยหลักแล้วปั๊มหอยโข่งที่ใช้ในการสูบของเหลวจากถังเก็บใบหนึ่งไปยังถังเก็บอีกใบหนึ่งในโรงงานนั้น จะต้องมีวาล์วอย่างน้อย ๒ ตัวแล้วคือ block valve ด้านขาเข้าและด้านขาออก วาล์วสองตัวนี้จำเป็นต้องมีโดยเฉพาะกรณีที่ระดับผิวของเหลวด้านขาเข้าและด้านขาออกนั้นอยู่สูงกว่าตัวปั๊ม ซึ่งเป็นเรื่องปรกติของปั๊มในโรงงานที่ระดับของเหลวด้านขาเข้านั้นจะอยู่สูงกว่าตัวปั๊ม ทั้งนี้ก็เพื่อเมื่อเปิดวาล์วด้านขาเข้า ของเหลวก็จะได้ไหลเข้าเต็มตัวปั๊มได้เลย (ไม่ต้องทำการล่อน้ำเหมือนในกรณีที่ระดับของเหลวอยู่ต่ำกว่าระดับท่อทางเข้าปั๊ม) ทำให้ปั๊มพร้อมที่จะเดินเครื่องได้ทันที ตรงนี้ไม่เหมือนปั๊มสูบน้ำออกจากท่อระบายลงคลองของกทม. นะ ที่ไม่มีวาล์วที่ท่อทั้งด้านขาเข้าและขาออก ก็เพราะตัวปั๊มมันอยู่สูงกว่าระดับน้ำทั้งด้านขาเข้าและออก แต่ก็เห็นหลายตัวเขาใช้ปั๊มหอยโข่งชนิดล่อน้ำได้ด้วยตัวเอง (self priming)
 
สัญลักษณ์ต่าง ๆ ที่ปรากฏใน P&ID ของแต่ละบริษัทนั้นมักจะคล้ายกันเป็นส่วนมาก ไม่เหมือนกันทุกตัว แต่ถ้ามีความรู้เรื่องนี้อยู่บ้างก็พอจะเดารูปสัญลักษณ์ที่เห็นว่ามันไม่คุ้นตาได้ อย่างเช่นสัญลักษณ์วาล์วกันการไหลย้อนกลับ (check valve หรือ non-return valve) ในรูปเป็นชนิด swing check valve (คือในที่นี้ใช้วงกลมดำ ๆ ตรงมุมหนึ่งเพื่อแสดงถึงตำแหน่งบานพับ และยังเป็นตัวบ่งบอกทิศทางการไหลผ่านวาล์ว) แต่ถ้ายังไม่รู้ว่า P&ID คืออะไรและอ่านอย่างไรนั้น สามารถไปอ่านย้อนหลังได้ใน Memoir ปีที่ ๗ ฉบับที่ ๑๐๐๘ วันเสาร์ที่ ๒๗ มิถุนายน ๒๕๕๘ เรื่อง "ทำความรู้จัก Piping and Instrumentation Diagram (P&ID)"
  
P&ID ที่นำมาแสดงนี้เมื่อนำไปใช้งานจริงอาจมีชิ้นส่วนอื่นเพิ่มเติมเข้ามาอีก (ขึ้นอยู่กับแต่ละงาน) ซึ่งไม่มีแสดงไว้ในรูปที่นำมาให้ดูเป็นตัวอย่าง เช่น Reducer (หรือท่อลด) ที่ใช้ในกรณีที่ท่อเข้า-ออกตัวปั๊มนั้นมีขนาดเล็กกว่าท่อของระบบ (ไม่ได้เป็นเรื่องผิดปรกติที่จะเห็นท่อด้านขาเข้าปั๊มหอยโข่งมีขนาดใหญ่กว่าทางเข้าปั๊มหอยโข่ง เพราะในบางกรณีมันมีเรื่องเกี่ยวกับ Net Positive Suction Head หรือ NPSH เข้ามาเกี่ยวข้อง) Strainer (หรือตัวกรอง) ที่ติดตั้งทางด้านขาเข้าของปั๊มโดยอยู่ระหว่าง block valve กับตัวปั๊ม ในกรณีที่ต้องการดักของแข็งที่ติดมากับของเหลวที่ไหลเข้าปั๊ม Flexible hose หรือ Bellow (ข้อต่ออ่อน) ในกรณีที่ต้องการตัดการส่งผ่านแรงสั่นสะเทือนหรือแนวท่อของระบบกับแนวท่อเข้า-ออกของปั๊มอยู่ไม่ตรงแนวกัน เป็นต้น หรือในกรณีที่เกรงว่าของเหลวนั้นที่จะไหลเข้าปั๊มนั้นจะมีแก๊สปะปน (เช่นการสูบของเหลวจากถังปั่นกวนที่มีการฉีดพ่นแก๊สให้เป็นฟองในของเหลว) ก็จะมีการกำหนดความลาดเอียงของท่อเข้าตัวปั๊มเอาไว้ด้วย คือให้ท่อนั้นลาดลงต่ำเข้าหาตัวปั๊มเพื่อป้องกันไม่ให้แก๊สไหลเข้าไปในตัวปั๊ม
 
drain valve เป็นวาล์วขนาดเล็ก (ถ้าเป็นปั๊มในกระบวนการผลิตปรกติมักจะไม่เล็กกว่า 3/4 นิ้ว ส่วนจะเป็น gate หรือ ball valve ก็อีกเรื่องหนึ่ง) ใช้สำหรับระบายของเหลวที่ค้างอยู่ในท่อออกเมื่อต้องการถอดปั๊มมาซ่อมบำรุง (ปั๊มบางชนิดอาจมีรูระบายของเหลวนี้อยู่ที่ตัวปั๊ม) เส้นขีดนอนสั้น ๆ ใต้ตัว drain valve ในรูปหมายถึงการปิดด้วย blind flange (แสดงว่าเป็นวาล์วที่ต่อด้วยหน้าแปลน) แต่ถ้าเป็นวาล์วตัวเล็ก (เช่นท่อ 3/4 นิ้ว) และไม่ได้ใช้ในระบบที่ความดันสูง อาจปิดด้วย cap หรือ plug แทนก็ได้ (สองอันหลังนี้มันเป็นข้อต่อเกลียวหมุนขันเข้าไป) drain valve นี้ไม่จำเป็นต้องมีเพียงตัวเดียวหรือต้องอยู่ทางด้านขาออกเท่านั้นดังในรูปตัวอย่าง ขึ้นอยู่กับระบบท่อที่สร้างจริงว่ามันเปิดโอกาสให้ของเหลวค้างอยู่ที่ไหนได้บ้าง ของเหลวที่อยู่ระหว่าง block valve ด้านขาเข้าปั๊มกับวาล์วกันการไหลย้อนกลับอาจระบายออกได้โดยผ่าน drain ของตัวปั๊ม ส่วนที่เป็นปัญหาคือส่วนที่ค้างอยู่ระหว่างวาล์วกันการไหลย้อนกลับและ block valve ด้านขาออก
 
ท่อที่ต่อเข้ากับเกจวัดความดันจะมี block valve อยู่เสมอ (เอาไว้เวลาต้องการถอดเกจวัดความดันไปซ่อม) เพียงแต่มักไม่ปรากฏใน P&ID แต่จะไปปรากฏในแบบมาตรฐานการติดตั้งอุปกรณ์วัดคุมต่าง ๆ และใน Piping Isometric Drawing ที่ช่างประกอบท่อต้องใช้ในการประกอบท่อ พึงสังเกตนะว่าในรูปนี้จะติดตั้งเกจวัดความดันอยู่ก่อนถึงวาล์วกันการไหลย้อนกลับ เพราะถ้าปั๊มหยุดเดินเครื่องโดยที่ยังไม่ปิดวาล์วด้านขาออก ของเหลวด้านขาออกจะไหลย้อนกลับมายังปั๊มและโดยวาล์วกันการไหลย้อนกลับขวางเอาไว้ การติดตั้งเกจวัดความดันอยู่ก่อนถึงวาล์วกันการไหลย้อนกลับจะทำให้เห็นความดันด้านขาออกลดลงเนื่องจากปั๊มหยุดการทำงาน แต่ถ้าเอาไปไว้ทางด้านขาออกของวาล์วกันการไหลย้อนกลับจะทำให้เห็นความดันค้างอยู่ อันเป็นผลจากของเหลวที่ไหลย้อนกลับ Memoir ฉบับนี้คงพอแค่นี้ก่อน


รูปที่ ๒ เป็นเรื่องปรกติที่จะพบว่าปั๊มหอยโข่งที่เดินเครื่องต่อเนื่อง ๒๔ ชั่วโมงนั้นจะต้องมีปั๊มสำรองไว้ ๑ ตัว เพราะว่ามันไม่สามารถทำงานได้ต่อเนื่องตลอดทั้งปี (หมายถึงอย่างน้อยก็ ๓๐๐ วัน) โดยไม่ต้องทำการซ่อมบำรุง ชิ้นส่วนหนึ่งที่ต้องมีการเปลี่ยนเป็นระยะก็คือ mechanical seal การสลับปั๊มสามารถทำได้ในขณะที่กระบวนการผลิตกำลังดำเนินการอยู่ ด้วยการเดินเครื่องปั๊มสำรอง จากนั้นก็ค่อย ๆ เปิดวาล์วด้านขาออกของปั๊มสำรองและค่อย ๆ ปิดวาล์วด้านขาออกของปั๊มหลัก (เพื่อไม่ให้อัตราการไหลด้านขาออกเปลี่ยนแปลงมาก) พอปิดวาล์วด้านขาออกของปั๊มหลักเสร็จ ก็หยุดเดินเครื่องปั๊มหลักได้

รูปที่ ๓ ในรูปนี้ OR คือ restriction orifice (แผ่นโลหะมีรูตรงกลาง) ที่ทำหน้าที่จำกัดอัตราการไหลไม่ให้สูงเกินไป แผ่น OR นี้ติดตั้งในสาย minimum flow line (หรือ kick back line) ที่เป็นท่อที่มีขนาดเล็กกว่าท่อจ่ายของเหลวออก โดยท่อนี้จะวนกลับไปยังท่อด้านขาเข้าหรือถังเก็บของเหลวที่สูบเข้ามา ท่อเส้นนี้จำเป็นต้องมีในกรณีที่มีความเป็นไปได้ว่าท่อด้านขาออกมีโอกาสที่จะปิดสนิทหรือมีอัตราการไหลต่ำเกินไป (อันเป็นผลจากการทำงานของ control valve หรือวาล์วควบคุมอัตโนมัติ) จนอาจทำให้ของเหลวที่ไหลผ่านปั๊มไม่มากพอที่จะระบายความร้อนออกไปได้ หรือใช้ในการเริ่มเดินเครื่องปั๊ม


รูปที่ ๔ ปั๊มที่สูบของเหลวประเภทเดียวกันที่มีขนาดปั๊มเท่ากันและติดตั้งอยู่ใกล้กันนั้น (เช่นสายการผลิตที่เหมือนกันและเดินคู่ขนานกัน) สามารถใช้ปั๊มสำรองร่วมกันเพียงตัวเดียวได้ ไม่จำเป็นต้องมีสำรองของแต่ละตัว โดยมีข้อแม้ว่าปั๊มสองตัวนั้นมีโอกาสเสียพร้อมกันต่ำมาก ปั๊มสำรองแบบนี้เรียกว่า common spare ปั๊ม ระบบ piping ยังคล้ายคลึงกับในรูปที่ ๓ เพียงแต่ว่ามีความซับซ้อนเพิ่มเติมเข้ามาหน่อยเท่านั้น ในรูปนี้ไม่ได้แสดง minimum flow line แต่ไม่ได้หมายความว่าไม่จำเป็นต้องมีท่อเส้นนี้นะ จะมีหรือไม่มันขึ้นอยู่กับการทำงานของปั๊ม

ไม่มีความคิดเห็น: