วันอาทิตย์ที่ 5 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2560

วาล์วควบคุมอัตราการไหล (Control valve) MO Memoir : Sunday 5 February 2560

วาล์วควบคุมการไหลเป็นอุปกรณ์สำคัญชิ้นหนึ่งของกระบวนการผลิต หน้าที่ของวาล์วควบคุมการไหลนั้นอาจทำหน้าที่เป็น วาล์วควบคุมทิศทางการไหล (เช่นวาล์วสามทาง) วาล์วควบคุมการปิด-เปิด (ทำหน้าที่แบบเปิดเต็มที่และปิดสนิท เช่น gate valve และ ball valve ที่ใช้ในกระบวนการเติมสาร ที่พอได้ปริมาณตามที่กำหนดก็จะปิดการไหล) และวาล์วควบคุมอัตราการไหล (ปรับเปลี่ยนระดับการเปิดได้เพื่อให้ได้อัตราการไหลที่ต้องการ) ที่ยกนำมาเล่าในวันนี้เป็นแบบสุดท้าย คือวาล์วควบคุมอัตราการไหล
 
การควบคุมอัตราการไหลของของเหลวหรือแก๊สให้มีค่าตามที่กำหนด เป็นสิ่งสำคัญสิ่งหนึ่งของกระบวนการผลิตแบบต่อเนื่อง (continuous process) ที่ต้องควบคุมอัตราส่วนการป้อนสารแต่ละสารให้ถูกต้อง การปรับเปลี่ยนอัตราการไหลของของไหลนั้นอาจทำโดยการปรับเปลี่ยนการทำงานของปั๊มหรือคอมเพรสเซอร์ เช่นด้วยการปรับความเร็วรอบการหมุนของใบพัด หรือปรับระยะช่วงชักของกระบอกสูบ อีกวิธีการหนึ่งได้แก่การติดตั้งวาล์วควบคุมอัตราการไหลที่ภาษาอังกฤษเรียกว่า control valve
 
ที่เคยเห็นนั้น รูปแบบการทำงานของวาล์วที่ทำหน้าที่ปรับเปลี่ยนอัตราการไหลนั้นมี ๒ รูปแบบด้วยกัน รูปแบบแรกอาศัยการเปิดวาล์วเต็มที่และปิดสนิทสลับไปมาในช่วงระยะเวลาที่กำหนด เช่นสมมุติว่าในช่วงระยะเวลา 5 วินาที ถ้าต้องการให้วาล์วเปิดเพียงแค่ 60% ก็จะสั่งการให้วาล์วตัวนั้นเปิดเต็มที่ (100%) นาน 3 วินาที และปิดสนิท (0%) นาน 2 วินาที วิธีการนี้ที่เคยเจอจะเป็นของวาล์วขนาดเล็ก อีกรูปแบบหนึ่งนั้นอาศัยการปรับเปลี่ยนขนาดช่องทางที่ยอมให้ของเหลวไหลผ่านได้ เช่นถ้าต้องการให้วาล์วเปิด 40% ก็จะทำการเปิดช่องทางการไหลให้มีพื้นที่เปิดเพียงแค่ 40% เมื่อเทียบกับพื้นที่ที่กว้างที่สุดที่จะเกิดขึ้นเมื่อวาล์วเปิดเต็มที่ วาล์วที่ใช้ในงานรูปแบบนี้มักจะเป็น globe valve, ball valve และ butterfly valve ส่วนจะเลือกใช้วาล์วแบบไหนนั้นคงต้องพิจารณาเป็นกรณีไป
 
วาล์วควบคุมที่ถ่ายรูปนำมาเสนอในวันนี้เป็นชนิด globe valve ที่ควบคุมระดับการเปิดปิดด้วยการใช้อากาศอัดความดัน (compressed air) ดันแผ่นไดอะแฟรมต้านแรงสปริง อากาศอัดความดันที่ใช้กันในโรงงานนั้นมี ๒ แบบ แบบแรกเป็นอากาศอัดความดันที่ได้มาจากเครื่องอัดอากาศโดยตรง อากาศอัดความดันตัวนี้จะยังคงมีความชื้นหลงเหลืออยู่ (ตัวนี้ยังเรียกว่า compressed air อยู่) แต่เมื่อนำอากาศอัดความดันตัวนี้เข้าสู่ระบบกำจัดความชื้น (เช่นด้วยการใช้สารดูดซับ) จะได้อากาศอัดความดันที่มีความชื้นลดต่ำลงที่เรียกว่า instrument air เจ้าตัว instrument air นี้คือตัวที่ใช้ในระบบควบคุมนิวเมติกส์ต่าง ๆ รวมทั้งใช้ในการขับเคลื่อนการทำงานของวาล์วควบคุมด้วย
 
รูปแบบการทำงานของตัวสปริงที่คอยออกแรงดันหรือกดนั้น ทำให้แบ่งวาล์วออกได้อีกเป็น ๒ ประเภทคือ (ดูรูปที่ ๑ ประกอบ)
 
(ก) สปริงดันวาล์วให้อยู่ในตำแหน่งเปิดและใช้อากาศอัดความดันกดให้วาล์วปิด วาล์วประเภทนี้จัดว่าเป็นประเภท Failure Open (ย่อว่า FO) หรือ normally open 
  
(ข) สปริงดันวาล์วอยู่ในตำแหน่งปิดและใฃ้อากาศอัดความดันดันให้วาล์วเปิด วาล์วประเภทนี้จัดว่าเป็นประเภท Failure Close (ย่อว่า FC) หรือ normally close
 
ส่วนที่ว่าจะเลือกใช้วาล์วชนิด FO หรือ FC มาติดตั้งนั้นต้องนำเรื่องความปลอดภัยในการทำงานมาเป็นตัวพิจารณา กล่าวคือถ้าหากเกิดเหตุฉุกเฉินใด ๆ ที่ทำให้สูญเสียการควบคุมกระบวนการหรืออากาศอัดความดันหมดไป วาล์วควรจะค้างอยู่ที่ตำแหน่งใดระบบจึงจะมีความปลอดภัยสูงสุด 
  
หลักการที่ใช้กันทั่วไปในการพิจารณาก็คือพยายาม "maximise cooling, minimise heating" กล่าวคือถ้าเป็นระบบทำความเย็น (เช่นของน้ำหล่อเย็น) วาล์วควรจะค้างอยู่ในตำแหน่งเปิด (เลือกใช้วาล์วชนิด FO) แต่ถ้าเป็นกรณีของสารที่เป็นเชื้อเพลิง สารให้ความร้อน (เช่น น้ำมันเตา ไอน้ำ) หรือเป็นพิษ วาล์วก็ควรค้างอยู่ในตำแหน่งปิด (เลือกใช้วาล์วชนิด FC)
 
ฉบับนี้ก็คงขอจบเพียงแค่นี้ ที่เหลือก็เชิญชมรูปและคำบรรยายต่อกันเอาเองก็แล้วกันครับ


รูปที่ ๑ ภาพแสดงการทำงานของตัว actuator ชนิดไดอะแฟรม (diaphragm actuator) ตัวซ้ายบนใช้อากาศเข้าทางด้านบนของแผ่นไดอะแฟรมดันให้วาล์ว "ปิด" ตัวขวาบนใช้อากาศเข้าทางด้านล่างของแผ่นไดอะแฟรมดันให้วาล์ว "เปิด" แต่ตัวล่างนั้นใช้อากาศเข้าทางด้านบนของแผ่นไดอะแฟรมดันให้วาล์ว "เปิด" ทั้งนี้เกิดจากรูปแบบการติดตั้ง plug ที่แตกต่างกันอยู่ นอกจากนี้รูปร่างของ plug (ความยาว ความโค้งเรียว) ยังเลือกได้ว่าจะให้ส่งผลต่อความสัมพันธ์ระหว่างระยะทางการเคลื่อนที่ของ plug และขนาดความกว้างช่องเปิดอย่างไรด้วย (เช่นจะให้เป็นแบบเปิดปิดเร็ว linear หรือ equal percentage เป็นต้น)
 
รูปที่ ๒ วาล์วควบคุมอัตราการไหล (control valve) ที่ถอดออกมาจากโรงประลอง (pilot plant) ของภาควิชา ตัววาล์วอยู่ตรงส่วนล่างช่วงลูกศรสีแดงชี้แค่นั้น ส่วนที่อยู่เหนือจากนั้นขึ้นมาคือชุดอุปกรณ์ที่ทำหน้าที่ควบคุมระดับการเปิด-ปิดของวาล์ว วาล์วตัวนี้มีสปริงคอยกดให้วาล์วปิดอยู่เสมอ ต้องใช้อากาศอัดความดัน (ที่เรียกว่า instrument air คืออากาศอัดความดันที่ผ่านการกำจัดความชื้นแล้ว) เข้าไปดันแผ่นไดอะแฟรมจากทางด้านล่างของ actuator (ที่เป็นเหมือนดอกเห็ดสีเขียวอยู่ข้างบน) สวนทางกับแรงกดของสปริง เพื่อให้วาล์วเปิด
 
รูปที่ ๓ อีกมุมหนึ่งของวาล์วในรูปที่ ๒ อันที่จริงตัววาล์วมันมีแต่ท่อนล่างเท่านั้นเอง นอกนั้นเป็นระบบควบคุมระดับการเปิด-ปิดวาล์ว วาล์วตัวนี้ท่ออากาศ (instrument air) ที่ใช้ดันแผ่นไดอะแฟรมต่อเข้าทางด้านล่าง วาล์วตัวนี้เป็นวาล์วชนิด Failure Close (FC) ที่ใช้แรงดันสปริงกดให้วาล์วปิด และใช้ความดันอากาศดันต้านแรงสปริงดันให้วาล์วเปิด

รูปที่ ๔ แขนที่เห็นจะหมุนขึ้น-ลงตามระดับการเปิดวาล์ว ซึ่งจะไปหมุนกลไกควบคุมความดันลมที่อยู่ใน valve poistioner อีกทีหนึ่ง เพื่อคุมไม่ให้วาล์วเปิดหรือปิดมากเกินไป

รูปที่ ๕ รูปนี้เป็นรูปอีกมุมหนึ่ง อุปกรณ์ที่ยื่นออกมาทางด้านขวาคือตัว pressure regulator ที่เป็นตัวรับ instrument air ที่ใช้ดันแผ่นไดอะแฟรมต้านแรงสปริงที่พยายามกดให้วาล์วปิด อากาศจาก pressure regulator จะไหลเข้าตัว valve positioner ก่อน ก่อนจะออกไปดันแผ่นไดอะแฟรม โดยตัว valve positioner จะควบคุมอีกทีว่าจะส่งอากาศที่ความดันเท่าใดไปดันให้วาล์วเปิด

รูปที่ ๖ วาล์วตัวนี้เป็นชนิด globe ธรรมดา การติดตั้งนั้นต้องให้ถูกต้องตามทิศทางการไหลที่มีลูกศรระบุไว้ข้างตัววาล์ว ที่ต้องบอกว่าวาล์วตัวนี้เป็นวาล์วแบบธรรมดาก็เพราะมันมี plug ตัวเดียวกับช่องให้ของไหลไหลผ่านเพียงช่องเดียว แบบที่ไม่ธรรมดาจะเป็นแบบที่มีช่องให้ของไหลไหลผ่านสองช่องและมี plug สองตัวคอยควบคุมช่องทางการไหลทั้งสองนั้น


รูปที่ ๗ อีกด้านหนึ่งของวาล์วไม่มีลูกศรแสดงอะไร
 
รูปที่ ๘ name plate ของตัว actuator (ยี่ห้อ Fisher) บอกว่าช่วงความดันอากาศที่ใช้ในการทำงานอยู่ในช่วง 6-30 psi โดยมีระยะทางเคลื่อนตัวขึ้น-ลง 20 mm (แปลกไหมครับ ใช้หน่วยอังกฤษปนหน่วย SI งานวิศวกรรมก็เป็นอย่างนี้แหละครับ เราถึงต้องเรียนเรื่องการแปลงหน่วยไงครับ) เนื่องจากเป็นวาล์วชนิดใช้แรงดันอากาศดันให้วาล์วเปิด แสดงว่าที่ความดัน 6 psi (หรือต่ำกว่า) วาล์วจะปิดสนิท และที่ความดัน 30 psi วาล์วจะเปิดเต็มที่


รูปที่ ๙ name plate นี้บอกให้ทราบว่าชิ้นส่วนต่าง ๆ ของตัววาล์วขนาด 1/2 นิ้ว (Class 150 ปอนด์) ตัวนี้นั้นทำจากเหล็กกล้าไร้สนิม ขนาดช่องเปิดให้ของไหลไหลผ่านกว้าง 15 มิลลิเมตร (ขนาดวาล์วใช้หน่วยเป็นนิ้ว แต่ขนาดช่องเปิดใช้หน่วยเป็นมิลลิเมตร ใช้หน่วยผสมกันระหว่างหน่วยอังกฤษและหน่วย SI อีกแล้ว)
  
รูปที่ ๑๐ ภาพนี้จะเห็นชัดว่าท่ออากาศด้านขาออกจากตัว pressure regulator จะตรงไปยัง valve positioner ก่อน จากนั้นตัว valve positioner จะกำหนดว่าจะจ่ายอากาศอัดความดันที่ความดันเท่าใด ไปดันแผ่นไดอะแฟรม


รูปที่ ๑๑ อุปกรณ์ตัวนี้จะเรียกว่าเป็นอุปกรณ์ควบคุมย้อนกลับก็ได้ ในขณะที่ก้านวาล์วเลื่อนขึ้น-ลงนั้น นอตที่เชื่อมต่ออยู่กับตัวก้านวาล์วจะเคลื่อนที่ขึ้นลงตามไปด้วย และการเคลื่อนที่ของนอตตัวดังกล่าวทำให้คานที่หัวนอตตัวดังกล่าวสอดอยู่ร่องของคานนั้นหมุนขึ้นลงตามไปด้วย ซึ่งการหมุนนี้จะควบคุมความดันอากาศด้านขาออกอีกที ไม่ให้มากหรือน้อยเกินไป

รูปที่ ๑๒ อีกมุมหนึ่งของกลไกในรูปที่ ๑๑


รูปที่ ๑๓ ตัวนี้เป็นตัวบอกว่าตอนนี้วาล์วเปิดมากน้อยเพียงใด ขีดต่ำสุดในรูปแสดงว่าวาล์วปิดอยู่

ไม่มีความคิดเห็น: