วันพฤหัสบดีที่ 5 มกราคม พ.ศ. 2560

Piping and Instrumentation Diagram (P&ID) ของอุปกรณ์ ตอน Reciprocating pump (ปั๊มลูกสูบ) MO Memoir : Thursday 5 January 2560

คงปฏิเสธไม่ได้ว่ามอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับชนิดเหนี่ยวนำ (induction motor) เป็นอุปกรณ์ต้นกำลังที่ใช้กันมากที่สุดในการขับเคลื่อนเครื่องจักรต่าง ๆ ในโรงงาน โดยมอเตอร์ไฟฟ้าจะเปลี่ยนพลังงานจากกระแสไฟฟ้าให้เป็นการหมุน จากนั้นจึงค่อยว่ากันอีกทีว่าจะขับเคลื่อนเครื่องจักรให้มีการเคลื่อนที่แบบหมุน เช่นใบพัดของปั๊มหอยโข่ง (centrifugal pump) หรือให้มีการเคลื่อนที่แบบเส้นตรง เช่นลูกสูบของปั๊มแบบลูกสูบ (piston pump หรือ reciprocating pump)
 
ความรู้วิชาฟิสิกส์ในระดับมัธยมปลายสอนให้เรารู้ว่า ถ้าเรามีขดลวดอยู่ในสนามแม่เหล็ก แล้วเราผ่านไฟฟ้ากระแสตรงเข้าไปในขดลวดนั้น จะมีแรงกระทำต่อขดลวด ทำให้ขดลวดนั้นหมุนได้ และในทางกลับกันถ้าเราทำให้ขดลวดนั้นหมุนตัดผ่านสนามแม่เหล็ก ก็จะมีกระแสไฟฟ้าจ่ายออกมาจากขดลวดนั้น แต่ในทิศทางที่กลับกัน แบบแรกคือหลักการทำงานของมอเตอร์ไฟฟ้า แบบหลังคือการทำงานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ดังนั้นในความเป็นจริงในขณะที่เราจ่ายไฟฟ้าให้กับมอเตอร์ไฟฟ้านั้น มอเตอร์ไฟฟ้าก็จะทำหน้าที่เป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจ่ายไฟฟ้าสวนออกมาด้วย แต่ด้วยในปริมาณที่ต่ำกว่า ภาพรวมก็คือมอเตอร์นั้นยังต้องการกระแสไฟฟ้าอยู่เพื่อทำให้มันหมุนได้
 
เส้นทางเดินไฟฟ้าของแกนขดลวดของโรเตอร์ของมอเตอร์เป็นเพียงลวดทองแดงความต้านทานไม่สูง ดังนั้นถ้าเราจ่ายความต่างศักย์ไฟฟ้าให้กับมันเต็มที่ กระแสที่ไหลเข้าแกนขดลวดจะสูงมากจนทำให้ขดลวดมอเตอร์ไหม้ได้ แต่พอมอเตอร์เริ่มหมุนแล้วจะมีกระแสไฟฟ้าจ่ายสวนหักล้างกับที่จ่ายเข้าไป ทำให้ปริมาณกระแสไฟฟ้าที่มอเตอร์ต้องการนั้นลดลง ด้วยเหตุนี้เวลาที่จะเริ่มเดินเครื่องมอเตอร์ไฟฟ้า 3 เฟสขนาดใหญ่จึงมักต่อวงจรแบบ "วาย (Y)" ก่อน เพื่อให้ความต่างศักย์คร่อมขดลวดลดลง กระแสจะได้ไม่เข้ามาก และเมื่อมอเตอร์เริ่มหมุนจนได้ระดับแล้วจึงค่อยเปลี่ยนการต่อวงจรจ่ายไฟฟ้ามาเป็นแบบ "เดลต้า (∆)" ที่ให้ความต่างศักย์คร่อมขดลวดเต็มที่ ปริมาณกระแสที่ใช้ในการทำงานจะได้ไม่สูง (ไฟสามเฟสในบ้านเรา การต่อวงจรแบบวายจะให้ความต่างศักย์คร่อมขดลวด 220V ส่วนการต่อวงจรแบบเดลต้าจะให้ความต่างศักย์คร่อมขดลวด 380V)
 
ที่ยกเอาเรื่องมอเตอร์ขึ้นมาก่อนก็เพราะว่าเคยมีคนสับสนว่าทำไปเวลาเริ่มเดินเครื่องปั๊มหอยโข่งจึงมักต้องปิดวาล์วด้านขาออก (ปิดสนิทหรือเปิดเอาไว้เล็กน้อย หรือเปิด minimum flow line เอาไว้) แต่ถ้าเป็นปั๊มลูกสูบกลับต้องเปิดวาล์วด้านขาออกเอาไว้ (ห้ามปิด) เหตุผลของการกระทำดังกล่าวมันมาจากการป้องกัน "มอเตอร์" ไม่ให้ไหม้ ในกรณีของปั๊มหอยโข่งนั้นมอเตอร์กินกระแสน้อยสุดเมื่อมีโหลดต่ำสุด คือที่อัตราการไหลเป็นศูนย์ (แต่ใบพัดยังคงหมุนได้อยู่) ส่วนในกรณีของปั๊มลูกสูบที่ใช้การเปลี่ยนการเคลื่อนที่แบบหมุนเป็นการผลักดันลูกสูบให้เคลื่อนที่ไปข้างหน้าด้วยกลไกทางกล ถ้าลูกสูบไม่สามารถเดินไปข้างหน้าได้ (เช่นวาล์วด้านขาออกปิดอยู่ ทำให้ของเหลวในกระบอกสูงไหลออกไปไม่ได้) มอเตอร์ก็จะหมุนไม่ได้ กระแสก็จะไหลเข้ามอเตอร์สูง (ถ้าอยากรู้ว่าถ้ามอเตอร์หมุนไม่ได้แล้วจะเป็นอย่างไร ก็ทดลองได้ง่าย ๆ ด้วยการหาอะไรไปขัดใบพัดพัดลมที่บ้านเอาไว้ไม่ให้หมุน จากนั้นก็ลองเปิดพัดลมดู แล้วก็เตรียมตัวรับเหตุการณ์ไฟไหม้บ้านให้ดีก็แล้วกัน)
 
ด้วยเหตุนี้ปั๊มแบบลูกสูบวาล์วจึงต้องมีระบายความดันอยู่ทางระบบท่อด้านขาออก โดยวาล์วตัวนี้อาจติดมาโดยเป็นส่วนหนึ่งของตัวปั๊มหรือทางผู้ใช้ปั๊มต้องไปหาติดตั้งเพิ่มเติมเอาเองกับระบบท่อของตัวเอง ก็ขึ้นอยู่กับชนิดของปั๊มที่ใช้ เรื่องของวาล์วระบายความดันและหลักการทำงานของมัน (ความแตกต่างระหว่างวาล์วที่ใช้ระบายความดันจากระบบที่เป็นแก๊สกับระบบที่เป็นของเหลว) เคยเล่าไว้ใน Memoir ปีที่ ๔ ฉบับที่ ๓๔๘ วันอาทิตย์ที่ ๔ กันยายน ๒๕๕๔ เรื่อง "วาล์วและการเลือกใช้ ตอนที่ ๓" เอาไว้แล้ว

รูปที่ ๑ ตัวอย่าง P&ID ของปั๊มลูกสูบเดี่ยว ถ้าปั๊มเป็นชนิดที่มีวาล์วระบายความดัน (relief valve ในรูป) และวาล์วกันการไหลย้อนกลับอยู่ในตัว อุปกรณ์ทั้งสองชิ้นก็จะไม่ปรากฏใน P&ID ตัว drain valve ด้านขาเข้าก็ไม่จำเป็นต้องติดเอียงแบบในรูป พึงสังเกตอีกจุดว่ามีการติดตั้ง drain valve ทั้งด้านขาเข้าและขาออก ทั้งนี้เพราะถ้าปั๊มไม่ทำงาน ของเหลวจะไม่สามารถไหลผ่านตัวปั๊มได้ (ตรงนี้ไม่เหมือนกับกรณีของปั๊มหอยโข่งที่ถ้าเรากรอกของเหลวเข้าด้านขาเข้าหรือขาออก ของเหลวจะไหลไปยังอีกฟากหนึ่งได้)
 
ภาษาอังกฤษแบบ UK นั้นไม่มีการแยกว่า safety valve, relief valve และ safety and relief valve นั้นใช้กับของเหลวหรือแก๊ส แต่ในภาษาอังกฤษแบบ US ที่เคยเรียนมานั้นมีการแยกว่าถ้าเป็น safety valve จะใช้กับแก๊ส relief valve จะใช้กับของเหลว และ safety and relief valve ใช้ได้กับระบบที่มีทั้งของเหลวและแก๊ส โดยวาล์วที่ใช้กับของเหลวและแก๊สนั้นมีวิธีการเปิด-ปิดที่ไม่เหมือนกัน ที่ผมแปลกใจคือเอกสารที่เอามาให้ดูนี้เป็นของอเมริกัน แต่ทำไมสำหรับปั๊มลูกสูบที่ใช้กับของเหลว จึงใช้คำ safety valve ไม่ใช่คำ relief valve
 
อีกจุดหนึ่งที่พึงสังเกตคือปั๊มลูกสูบจะไม่มี minimum flow line เหมือนปั๊มหอยโข่ง เพราะใช้เส้นทางผ่านตัววาล์วระบายความดันทำหน้าที่ดังกล่าว เหตุผลอีกข้อหนึ่งอาจเป็นเพราะในกรณีของปั๊มหอยโข่งนั้นจะปรับอัตราการไหลด้วยการติดตั้งวาล์วควบคุมอัตราการไหล (flow control valve) ทางท่อด้านขาออกโดยให้ตัวใบพัดปั๊มหมุนด้วยอัตราเร็วคงที่ตลอดเวลาไม่ว่าอัตราการไหลจะเป็นเท่าใด ดังนั้นถ้าอัตราการไหลออกต่ำเกินไปจะทำให้ของเหลวที่ค้างอยู่ในตัวปั๊มถูกปั่นกวนจนร้อนได้ จึงต้องมีการระบายของเหลวส่วนนี้ออกไปแล้วรับของเหลวใหม่ที่เย็นกว่าเข้ามาแทน ส่วนตัวปั๊มลูกสูบนั้นใช้การควบคุมระยะชัก (ระยะทางการเคลื่อนที่กลับไปมาของลูกสูบ) หรืออัตราเร็วในการชักของลูกสูบ จึงไม่เกิดปัญหาที่ของเหลวที่ค้างอยู่ในกระบอกสูบจะร้อนขึ้นเมื่ออัตราการไหลออกต่ำลง
 
ปั๊มลูกสูบนั้นรับของเหลวเข้ามาด้วยการทำให้เกิดที่ว่างขึ้นภายในกระบอกสูบด้วยการเคลื่อนตัวถอยหลังของลูกสูบ เพื่อให้ของเหลวด้านความดันต่ำไหลเข้ามาในกระบอกสูบ ในการนี้จึงต้องป้องกันไม่ให้ของเหลวด้านความดันสูงไหลย้อนเข้ามา จึงจำเป็นต้องมีการติดตั้งวาล์วกันการไหลย้อนกลับเอาไว้ทางด้านขาออกของปั๊ม และในขณะที่ลูกสูบทำการอัดของเหลวในกระบอกสูบให้ไหลออกไปทางด้านขาออก ก็ต้องป้องกันไม่ให้ของเหลวที่กำลังถูกอัดนั้นไหลย้อนออกทางด้านขาเข้าด้วย จึงจำเป็นต้องมีวาล์วป้องกันการไหลย้อนกลับด้านขาเข้าด้วย ด้วยโครงสร้างเช่นนี้ ถ้าเราทดลองกรอกของเหลวเข้าทางท่อด้านขาเข้า ของเหลวนั้นจะไหลออกไปทางท่อด้านขาออกไม่ได้ และทำนองเดียวกันถ้าเราทดลองกรอกของเหลวเข้าทางท่อด้านขาออก ก็จะไม่มีของเหลวไหลออกทางท่อด้านขาเข้า ด้วยลักษณะเช่นนี้จึงทำให้ระบบ piping รอบปั๊มหอยโข่งนั้นจำเป็นต้องมี drain valve อยู่ทั้งท่อทางด้านขาเข้าและขาออก ไม่เหมือนกับกรณีของปั๊มหอยโข่ง (ใน Memoir ฉบับเมื่อวาน) คือติดตั้งตรงตำแหน่งท่อที่อยู่ต่ำสุดก็พอ (หรือไม่ก็ระบายผ่าน casing ของตัวปั๊มเลย)
 
ปั๊มลูกสูบเป็นปั๊มที่ให้อัตราการไหลด้านขาออกค่อนข้างคงที่ ไม่ขึ้นกับความดันด้านขาออก ไม่เหมือนปั๊มหอยโข่งที่เมื่อความดันต้านทานด้านขาออกสูงขึ้น อัตราการไหลจะลดลง และปั๊มลูกสูบยังสามารถให้ความดันด้านขาออกที่สูงได้ด้วยขั้นตอนการอัดเพียงครั้งเดียว ในขณะที่ถ้าเป็นปั๊มหอยโข่งต้องใช้หลายขั้นตอนการอัดหรือต้องเพิ่มความเร็วรอบการหมุนใบพัดเป็นระดับหมื่นรอบต่อนาที (ดูตัวอย่างปั๊มแบบนี้ได้ใน Memoir ปีที่ ๕ ฉบับที่ ๖๐๑ วันพฤหัสบดีที่ ๔ เมษายน ๒๕๕๖ เรื่อง "ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับปั๊ม ตอนที่ ๔") ข้อดีอื่น ๆ ของปั๊มลูกสูบก็เช่นมันสามารถทำสุญญากาศได้สูงจนสามารถทำการล่อน้ำได้เอง (ปัญหาที่ต้องคำนึงเวลาที่ต้องการสูบของเหลวที่ผิวของเหลวอยู่อยู่ระดับต่ำกว่าตัวปั๊ม เช่น น้ำจากบ่อน้ำ) รับปัญหาการเกิด cavitation ได้ดีกว่า ส่วนข้อเสียหลัก ๆ ของมันเห็นจะได้แก่อัตราการไหลที่ไม่ราบเรียบ (กระเพื่อมไปตามจังหวะอัด) และยังต้องการการหล่อลื่นระหว่างตัวลูกสูบกับกระบอกสูบ
 
รูปแบบการไหลของปั๊มลูกสูบที่มีการกระเพื่อมยังส่งผลต่อการทำงานของเกจวัดด้านขาออกด้วย แม้ว่าในรูปทั้งสามที่นำมาแสดงเป็นตัวอย่างนั้นจะไม่มีเกจวัดความดัน แต่ในความเป็นจริงนั้นก็สามารถติดตั้งได้ เพียงแต่ต้องเลือกประเภทให้เหมาะสม โดยเป็นชนิดที่มีระบบหน่วงการเต้นไปมาของกลไกเกจวัดความดัน ตัวอย่างของเกจวัดความดันประเภทนี้ได้แก่ liquid filled pressure gauge ที่มีการบรรจุของเหลว (เช่น กลีเซอรีน น้ำมันซิลิโคน) เอาไว้ในตัวเกจวัดความดันเพื่อให้ของเหลวที่บรรจุอยู่นั้นหน่วงการเคลื่อนไหวของกลไกวัดความดันไม่ให้เต้นเร็วตามจังหวะการเปลี่ยนแปลงความดัน
 
Memoir ฉบับนี้คงจะขอจบเพียงแค่นี้ก่อน

รูปที่ ๒ ตัวอย่าง P&ID ของการติดตั้งปั๊มลูกสูบสองตัว โดยตัวหนึ่งเป็นตัวทำงานหลักและอีกตัวหนึ่งเป็นตัวสำรอง ตรงนี้คงต้องขอตั้งข้อสังเกตไว้หน่อยตรงชนิดวาล์วกันการไหลย้อนกลับ ในรูปที่นำมาให้ดูนั้นแสดงเป็นชนิด swing check valve แต่วาล์วกันการไหลย้อนกลับชนิดนี้ไม่ค่อยเหมาะกับระบบที่อัตราการไหลแกว่งไปมาแบบที่เรียกว่า pulsating flow (เช่นด้านขาออกของปั๊มลูกสูบ) เท่าใดนัก ในกรณีแบบนี้การใช้วาล์วกันการไหลย้อนกลับแบบ lift check valve จะเหมาะสมกว่า


รูปที่ ๓ ตัวอย่าง P&ID ของปั๊มลูกสูบสองตัวที่ใช้ปั๊มสำรองร่วม (common spare pump)

ไม่มีความคิดเห็น: