การประหยัดพลังงานให้กับปั๊มหอยโข่ง (Centrifugal pump) MO Memoir : Sunday 10 September 2560

"ผมเข้าใจแล้วครับ ว่าทำไมผู้บริหารที่อายุ ๕๐ ขึ้นมักจะมีคำถามเกี่ยวกับเรื่องนี้เสมอ"
 

ประโยคนี้ของเขาหลังจากที่เขาได้ยินคำอธิบายของผม ทำให้ผมแอบยิ้มอยู่ในใจ ก็มันเข้าตัวผมเองด้วยเหมือนกัน เพราะตอนนี้ก็เป็นคนรุ่นอายุคราวเดียวกันกับผู้ที่ถูกพาดพิงถึง
 

คนที่เคยมีประสบการณ์ที่ดีกับสิ่งหนึ่ง และมันก็ยังใช้งานได้ดี ทำให้ยากที่จะเปลี่ยนเขาไปยังสิ่งใหม่ที่คนอื่นมาบอกว่ามันดีกว่าของเดิมที่เขาใช้อยู่ และในทำนองเดียวกัน คนที่เคยมีประสบการณ์ที่ไม่ดีกับสิ่งหนึ่ง แต่เมื่อสิ่งนั้นมันทำงานได้ดีแล้ว มันก็เป็นการยากที่จะทำให้เขาลองกลับไปใช้สิ่งนั้นอีกครั้งหนึ่ง
 

บทสนทนาที่เกิดขึ้นระหว่างการทักทายกันทางโทรศัพท์ระหว่างผมกับวิศวกรที่โรงงานแห่งหนึ่ง (เขาเป็นศิษย์เก่าของภาควิชา) เมื่อสัปดาห์ที่แล้ว เป็นเรื่องเกี่ยวกับการประหยัดพลังงานให้กับปั๊มหอยโข่ง แต่ก่อนที่จะเข้าเรื่องดังกล่าว เราลองมาทบทวนระบบ piping ของปั๊มหอยโข่งที่มีการควบคุมอัตราการไหกันหน่อยไหมครับ (รูปที่ ๑ ข้างล่าง)

รูปที่ ๑ แผนผังระบบ piping ของปั๊มหอยโข่ง P คือความดัน F คืออัตราการไหล

อย่างแรกคือระบบควบคุมอัตราการไหลด้านขาออกของปั๊มหอยโข่งจะอยู่ที่ระบบท่อด้านขาออกนะครับ ไม่ได้อยู่ที่ระบบท่อด้านขาเข้า (เพราะขืนไปติดไว้ด้านขาเข้ามันจะมีปัญหาเรื่องมันดูดของเหลวเข้าไม่ทันและเรื่อง net positive suction head หรือ NPSH) สำหรับระบบที่ต้องการควบคุมอัตราการไหล ก็จะมีการติดตั้งวาล์วควบคุมอัตราการไหลเอาไว้ และในกรณีที่ประเมินแล้วว่าในระหว่างการทำงานนั้นมีโอกาสที่วาล์วควบคุมการไหลจะปิดหรือเปิดน้อยมาก หรือในกรณีที่ของเหลวมีอุณหภูมิสูง หรือเกรงว่าของเหลวในปั๊มจะเดือดถ้าหากไหลผ่านตัวปั๊มช้าเกินไป ก็จะมีการติดตั้งท่อ minimum flow line เอาไว้ทางด้านขาออก (อยู่ก่อนถึงตำแหน่ง check valve ด้านขาออก - ไม่ได้แสดงไว้ในรูป) โดยท่อนี้จะมีการเปิดเอาไว้ก่อนเริ่มเดินเครื่องปั๊มและ/หรือเปิดทิ้งเอาไว้ตลอดเวลาในขณะที่ปั๊มทำงาน ขนาดของท่อเส้นนี้จะเล็กกว่าขนาดท่อหลักที่จ่ายของเหลวเข้าสู่ระบบ เพราะมันทำหน้าที่เพียงแค่ให้ของเหลวไหลผ่านปั๊มด้วยอัตราการไหลที่ต่ำสุดที่ป้องกันไม่ให้ของเหลวเดือดในปั๊มแค่นั้นเอง ท่อ minimum flow line (บางรายเรียก kick back line) นี้จะมีหรือไม่มี ขึ้นอยู่กับการทำงานและการออกแบบ อย่าไปจำว่ามันต้องมีเสมอไป
 

จากข้อกำหนดว่าระบบต้องการอัตราการไหล F2 ที่ความดัน P2 ดังนั้นปั๊มที่เลือกใช้จะต้องสามารถสร้างความดันด้านขาออกได้สูงกว่า P2 (คือสร้างได้ P1) และให้อัตราการไหลที่ความดันดันกล่าว (คือ F1) ได้อย่างน้อย F2 และโดยปรกติเวลาที่เลือกปั๊มมาใช้งานก็จะได้ปั๊มที่สร้างความดัน P1 และอัตราการไหล F1 ที่สูงกว่าความดันที่ต้องการ P2 และอัตราการไหล F2 เสมอ เรียกว่ามีการเผื่อขนาด (over size) เอาไว้ก่อน (เผื่อว่าความต้านทานการไหลจริงของระบบนั้นสูงกว่าค่าที่นำมาใช้คำนวณ หรือเผื่อการขยายกำลังการผลิตในอนาคต) แล้วค่อยไปใช้วิธีการหรี่วาล์วด้านขาออกเพื่อให้ได้อัตราการไหล F2 ที่ความดัน P2 ที่ต้องการ
 

เพื่อที่จะให้เห็นภาพง่ายขึ้น เรามาลองพิจารณากรณีที่ไม่มีการติดตั้ง minimum flow line พลังงานที่เราใส่เข้าไปที่ปั๊มหอยโข่ง (W1) นั้นจะสูงกว่าพลังงานที่ต้องใช้ในการทำให้ของเหลวไหลด้วยอัตราการไหล F2 ที่ความดัน P2 (W2) พลังงานส่วนเกินนี้ (W1 - W2) จะสูญเสียไปจากการไหลผ่านวาล์วควบคุมอัตราการไหล และเป็นการสูญเสียพลังงานที่ไม่สามารถนำกลับมาใช้ประโยชน์อะไรได้ ดังนั้นถ้าปั๊มนั้นมีการเผื่อขนาดเอาไว้มาก ค่าผลต่าง W1 - W2 หรือพลังงานที่ต้องสูญเสียผ่านวาล์วก็จะมากตามไปด้วย (คือต้องไม่เปิดวาล์วให้กว้างมาก เพื่อไม่ให้การไหลสูงเกินไป) และสำหรับโรงงานขนาดใหญ่ที่มีปั๊มจำนวนมาก เดินเครื่องกันตลอด ๒๔ ชั่วโมงทั้งปี การสูญเสียเนื่องจากการใช้ปั๊มที่มีการเผื่อขนาดไว้มากเกินไปเป็นจำนวนมาก ก็เรียกได้ว่าเป็นการสูญเสียพลังงาน (หรือค่าใช้จ่ายในการผลิต) ที่มากเหมือนกัน ด้วยเหตุนี้หลังจากที่ได้ทำการติดตั้งปั๊มแล้วพบว่าปั๊มนั้นมีการเผื่อขนาดเอาไว้มากเกินไป ก็ต้องหาทางลดการจ่ายพลังงานที่มากเกินควรให้กับของเหลวที่ไหลผ่านเข้าปั๊ม 
  

และสิ่งที่เขามักจะทำกันนั้นไม่ใช่การซื้อปั๊มใหม่ที่เล็กกว่าเดิม แต่เป็นการดัดแปลงระบบปั๊มที่ติดตั้งไว้แล้วให้มันใช้พลังงานน้อยกว่าเดิม

พลังงานที่ของเหลวที่ไหลเข้าปั๊มได้มานั้น ได้มาจากความเร็วที่ของเหลวถูกเหวี่ยงออกจากขอบใบพัด (impeller) ของปั๊มหอยโข่ง ความเร็วที่ของเหลวถูกเหวี่ยงออกมานั้นขึ้นอยู่กับขนาดของใบพัดและความเร็วรอบการหมุน กล่าวคือที่ความเร็วรอบการหมุนคงที่ ใบพัดที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่จะให้พลังงานแก่ของเหลวได้มากกว่าใบพัดที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางที่เล็กกว่า และในกรณีที่ใบพัดมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางคงที่ ความเร็วรอบการหมุนที่ลดลงจะทำให้พลังงานที่ของเหลวได้รับนั้นลดต่ำลงไปด้วย
 

ปั๊มหอยโข่งเกือบทั้งหมดที่ใช้กันในโรงงานนั้นขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ (ชนิด induction motor) ทึ่ความเร็วรอบการหมุนขึ้นอยู่กับความถี่ของไฟฟ้ากระแสสลับ (ของบ้านเราคือ 50 Hz) และจำนวนขั้ว (pole) ที่มอเตอร์มี (เป็นเลขคู่เสมอ ค่าตั้งแต่ 2 ขึ้นไป) ดังนั้นการลดพลังงานที่มากเกินไปที่ปั๊มให้กับของเหลว จึงใช้การลดขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางใบพัดหรือไม่ก็ลดความเร็วรอบการหมุน

การลดขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางใบพัดใช้การนำใบพัดเดิมนั้นมาเจียรขอบด้านข้างให้มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางที่ลดลง (ภาษาอังกฤษเรียกว่า impeller trimming) โดยที่ไม่ได้ทำการเปลี่ยนแปลงขนาดตัวเรือน (housing) ของปั๊ม การเจียรขอบใบพัดให้มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางลดลงทำให้ของเหลวถูกเหวี่ยงออกจากใบพัดด้วยความเร็วที่ลดต่ำลง พลังงานที่ปั๊มจ่ายให้กับของเหลวก็เลยลดต่ำลงไปด้วย แต่ทั้งนี้ต้องพึงระลึกว่าช่องว่างระหว่างขอบใบพัดและตัวเรือนนั้นส่งผลถึงสมรรถนะการทำงานของปั๊มด้วย ถ้าขนาดช่องว่างนี้มากเกินไป แทนที่ของเหลวจะถูกเหวี่ยงออกไปจากตัวเรือนปั๊ม จะกลายเป็นว่ามันวิ่งไหลวนอยู่ในตัวเรือนปั๊มแทน (คือแทนที่จะกลายเป็นปั๊มก็กลายเป็นถังกวนแทน) วิธีการนี้น่าจะมีค่าใช้จ่ายต่ำสุดและเหมาะกับการปรับแต่งที่ไม่มาก แต่ถ้าจะใช้วิธีการนี้ก็ต้องระวังที่จะไม่เจียรใบพัดจนมันมีขนาดเล็กเกินไป เพราะถ้าทำไปแล้วมันจะไม่สามารถทำใบพัดให้กลับมาใหญ่เหมือนเดิมได้ นอกจากไปหาซื้อมาใหม่
 

วิธีการที่สองใช้การเปลี่ยนมอเตอร์ไปเป็นมอเตอร์ที่มีจำนวนขั้วเพิ่มมากขึ้น (เมื่อจำนวนขั้วของมอเตอร์เพิ่มขึ้น มอเตอร์จะหมุนช้าลง) วิธีการนี้เป็นวิธีการที่อาจลดการใช้พลังงานลงอย่างมากในทีเดียว แต่ถ้าเปลี่ยนจากมอเตอร์ที่มีจำนวนขั้ว 2 ขั้ว (ที่หมุนด้วยความเร็วเกือบ 3000 รอบต่อนาที) มาเป็นมอเตอร์ที่มี 4 ขั้ว (ที่หมุนด้วยความเร็วเกือบ 1500 รอบต่อนาที) ก็ต้องพิจารณาด้วยเหมือนกันว่ามันลดพลังงานมากเกินไปหรือเปล่า เดี๋ยวจะไม่สามารถจ่ายของเหลวที่อัตราการไหลและความดันที่ต้องการได้แม้ว่าจะเปิดวาล์วควบคุมการไหลด้านขาออกเต็มที่แล้วก็ตาม แต่ถ้าเป็นการเปลี่ยนจากมอเตอร์เดิมที่มี 6 ขั้ว (ที่หมุนด้วยความเร็วรอบเกือบ 100 รอบต่อนาที) มาเป็นตัวใหม่ที่มี 8 ขั้ว (ที่หมุนด้วยความเร็วรอบเกือบ 750 รอบต่อนาที) ก็เป็นการลดลงแบบไม่ฮวบฮาบ และยังสามารถใช้การเปิดวาล์วควบคุมการไหลด้านขาออกให้กว้างขึ้นเพื่อชดเชยได้ วิธีการนี้ต้องมีการลงทุนหามอเตอร์ตัวใหม่และจัดการกับมอเตอร์ตัวเก่าที่ถอดออกไป

สองวิธีการที่เล่ามาข้างต้นเป็นวิธีการหลักที่สมัยผมเรียนจบใหม่ ๆ เมื่อ ๓๐ ปีที่แล้วเรียนรู้กันว่าเขาใช้กันทั่วไป เรียกว่าเป็นงานของฝ่ายเครื่องกลฝ่ายเดียวก็ได้ แต่อันที่จริงยังมีอีกวิธีการหนึ่งที่ยุคสมัยนั้นจัดว่าเป็นเรื่องใหม่ พอมันเป็นเรื่องใหม่มันก็เลยก่อให้เกิดความสงสัยว่าจะใช้งานได้จริง ใช้ได้ทนทานนานแค่ไหน ไว้วางใจได้แค่ไหน ฯลฯ ตามมาเต็มไปหมด วิธีการนั้นการคือใช้การปรับเปลี่ยน "ความถี่" ของไฟฟ้ากระแสสลับที่จ่ายให้กับมอเตอร์ ซึ่งตรงนี้มันมีงานของฝ่ายไฟฟ้าเข้ามาเกี่ยวข้องด้วย

ความเร็วซิงโครนัส (synchronus) ของไฟฟ้ากระแสสลับคำนวณได้จากสูตร 120f/p เมื่อ f คือความถี่ของไฟฟ้ากระแสสลับ (ของบ้านเราคือ 50 Hz) และ p คือจำนวนขั้ว (pole) ของมอเตอร์ที่ต้องมีจำนวนเป็นเลขคู่เสมอและเริ่มตั้งแต่ 2 ขึ้นไป ในกรณีของมอเตอร์เหนี่ยวนำ (induction motor) ที่ใช้กันเป็นส่วนใหญ่นั้น ความเร็วรอบการหมุนจะต่ำกว่าความเร็วซิงโครนัสอยู่เล็กน้อยเนื่องจากการเกิด slip อย่างเช่นมอเตอร์ที่มี 4 ขั้วรอบความเร็วการหมุนจริงจะอยู่ที่ประมาณ 1450 รอบต่อนาที
 

เมื่อราว ๓๐ กว่าปีที่แล้วการเปลี่ยนความถี่ไฟฟ้ากระแสสลับด้วยอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง (power electronic) เพื่อใช้กับอุปกรณ์ไฟฟ้ากำลัง (เช่นมอเตอร์ไฟฟ้าขนาดใหญ่) ยังจัดว่าเป็นเรื่องค่อนข้างใหม่ ตอนนั้นผมยังได้พบกับวิศวกรไฟฟ้ารุ่นพี่ไปเรียกปริญญาเอกและทำวิจัยเรื่องอิเล็กทรอนิกส์กำลังนี้อยู่ ดังนั้นจึงไม่ใช่เรื่องแปลกที่วิศวกรที่ทำงานเกี่ยวกับปั๊มในยุคนั้นจะไม่ไว้วางใจการนำเอาอุปกรณ์ปรับเปลี่ยนความถี่กระแสไฟฟ้ามาใช้ในการประหยัดพลังงานให้กับปั๊มหอยโข่ง เพราะเขาเห็นอยู่ว่าวิธีการดั้งเดิมนั้นก็ทำงานได้ดีและอุปกรณ์ก็มีเสถียรภาพสูง ถ้าของใหม่ที่เข้ามานั้นทำได้เพียงแค่ทัดเทียมกับของเดิมแล้วจะเลือกใช้ของใหม่ทำไม ดังนั้นของที่เข้ามาใหม่จึงต้องแสดงให้เห็นว่ามันดีกว่าวิธีการดั้งเดิมอย่างไร เช่นอาจจะมีบางช่วงการทำงานที่เทคนิคใหม่นี้มีความเหมาะสมมากกว่า
 

ที่ภาระงาน (load) คงที่ มอเตอร์ไฟฟ้าที่หมุนได้ความเร็วรอบของมันแล้วจะกินกระแสไฟฟ้าน้อยกว่าตอนที่มันเริ่มหมุน ถ้าหากเกิดเหตุการณ์ไฟตก (คือความต่างศักย์ที่จ่ายมานั้นลดต่ำลงกว่าปรกติ) จะทำให้มอเตอร์ไฟฟ้าหมุนช้าลงและกินกระแสไฟมากขึ้น และถ้าปล่อยไว้นานเกินไปก็อาจทำให้มอเตอร์นั้นไหม้ได้เนื่องจากขดลวดทองแดงร้อนจัดจนน้ำยาเคลือบเส้นลวด (ที่เป็นฉนวนไฟฟ้า) ทนความร้อนไม่ได้จนไหม้หรือหลอมละลาย

ตรงนี้ต้องอย่าเอาเรื่องนี้ไปปนกับกรณีของมอเตอร์ที่มีจำนวนขั้วมากกว่าที่หมุนช้ากว่ามอเตอร์ที่มีจำนวนขั้วน้อยกว่านะครับ อย่าไปสรุปว่ามอเตอร์ที่มีจำนวนขั้วมากกว่าจะกินกระแสมากกว่ามอเตอร์ที่มีจำนวนขั้วน้อยกว่า มันคนละเรื่องกัน

ในกรณีของการปรับความถี่ของกระแสไฟฟ้าเพื่อให้มอเตอร์หมุนช้าลงนี้ มันมีเรื่องของภาระงานที่ลดลงเข้ามาเกี่ยวข้องด้วย ดังนั้นมันจึงไม่จำเป็นว่าต้องเกิดเหตุการณ์ดังที่กล่าวมาในย่อหน้าก่อนหน้านี้

เรื่องเกี่ยวกับการใช้การปรับความถี่กระแสไฟฟ้าในการลดการใช้พลังงานที่เกิดจากการเผื่อขนาดปั๊มไว้มากเกินไปนั้น เอกสารเรื่อง "Variable speed pumping - A guide to successful applications, Executive summary" ที่จัดทำขึ้นจากความร่วมมือกันระหว่าง the Hydraulic Institute, Europump และ U.S. Department of Energy's (DOE) industrial technologies program ที่ค้นเจอทางอินเทอร์เน็ตและเท่าที่ดูคร่าว ๆ ก็เห็นว่าให้ภาพที่ดีของวิธีการดังกล่าว (ดาวน์โหลดได้ที่ https://www1.eere.energy.gov/manufacturing/tech_assistance/pdfs/variable_speed_pumping.pdf) และที่สำคัญคือมันเป็นเอกสารที่จัดทำขึ้นแบบเป็น "Executive summary" คือให้ความชัดเจนโดยไม่ลงลึกมากนัก เพื่อให้ระดับผู้บริหารทำความเข้าใจได้ดีขึ้น (มีการกล่าวถึงข้อดีและข้อเสียของเทคนิคนี้ด้วย) ในเอกสารนี้มี ๒ เรื่องที่อยากจะยกมาเล่าให้ฟังในที่นี้ในกรณีของข้อพึงคำนึงเมื่อคิดจะใช้การปรับเปลี่ยนความถี่ในการลดพลังงานที่ปั๊มใช้งาน
 

รูปที่ ๒ และ ๓ นั้นเป็นกรณีของระบบที่ ความต้านทานส่วนใหญ่เกิดจากการไหล ที่ความดันด้านขาออกไม่สูง หรือระบบท่อด้านขาออกไม่มีการยกตัวสูงกว่าระดับติดตั้งปั๊มมาก ในกรณีนี้การปรับเปลี่ยนความถี่เพื่อให้ปั๊มหมุนช้าลงตามอัตราการไหลที่ต้องการจะทำได้ในช่วงกว้าง ลองพิจารณาระบบที่มอเตอร์หมุนด้วยความเร็วรอบ 1480 rpm และเราต้องการลดอัตราการไหลจาก 720 m³/h (จุด A) ลงเหลือ 600 m³/h ถ้าเป็นระบบเดิมที่ใช้การหรี่วาล์วด้านขาออก การทำงานของปั๊มก็จะย้ายจากจุด A มายังจุด B แต่ถ้าใช้การปรับความเร็วรอบการหมุนจาก 1480 rpm มาเป็น 1184 rmp การทำงานจะย้ายจากจุด A มายังจุด C ที่สิ้นเปลืองพลังงานน้อยกว่า

รูปที่ ๒ ระบบที่ความต้านทานส่วนใหญ่เกิดจากการไหล ที่ความดันด้านขาออกไม่สูง หรือระบบท่อด้านขาออกไม่มีการยกตัวสูงกว่าระดับติดตั้งปั๊มมาก (เช่นการสูบน้ำทิ้ง)

รูปที่ ๓ Pump curve ของระบบที่ความต้านทานการไหลขึ้นกับอัตราการไหลเป็นหลัก ในกรณีนี้เส้น system curve (คือความต้านทานการไหลของระบบ) จะเริ่มจากตำแหน่งความดันด้านขาออกที่เป็นศูนย์หรือใกล้ศูนย์
 

รูปที่ ๔ และ ๕ เป็นตัวอย่างกรณีที่ความต้านทานการไหลด้านขาออกส่วนใหญ่เป็นผลจากความดัน เช่นการสูบของเหลวจ่ายเข้าระบบที่มีความดันสูง หรือจ่ายของเหลวขึ้นที่สูง (เช่น reflux pump ของหอกลั่นที่สูงมาก) ในกรณีนี้ system curve จะเริ่มจากตำแหน่งความดันด้านขาออกที่สูง ในกรณีนี้ความดันด้านขาออกจะเป็นตัวกำหนดว่าใบพัดของปั๊มจะต้องหมุนด้วยความเร็วรอบขั้นต่ำเท่าใดจึงจะเอาชนะความดันด้านทานด้านขาออกได้ (ปั๊มหอยโข่งให้พลังงานจลน์กับของเหลวที่มันเหวี่ยงออกไป แล้วค่อยเปลี่ยนพลังงานจลน์นั้นเป็นความดันอีกที) อย่างเช่นในกรณีของรูปที่ ๕ ที่นำมาแสดง ถ้าเราต้องการลดอัตราการไหลจากประมาณ 720 m³/h (จุด A) ลงเหลือ 600 m³/h (จุด B) ความเร็วรอบการหมุนของใบพัดจะต้องไม่ต่ำกว่า 1350 rpm และจะประหยัดพลังงานได้ไม่มากเท่าใดนักเมื่อเทียบกับการใช้การหรี่วาล์วด้านขาออก

รูปที่ ๔ ระบบที่ความต้านทานด้านขาออกมีความดันที่สูงต้านอยู่ในระดับหนึ่งตลอดเวลา เช่นการสูบของเหลวเข้าถังความดันสูง หรือการที่ท่อด้านขาออกนั้นมีการยกตัวสูงกว่าระดับติดตั้งปั๊มอยู่มาก

รูปที่ ๕ Pump curve ของระบบที่ความต้านทานด้านขาออกมีความดันที่สูงต้านอยู่ในระดับหนึ่งตลอดเวลา

หวังว่าบทความนี้คงพอมีประโยชน์ในการปูพื้นฐานให้กับผู้ที่ทำงานด้านนี้บ้าง :) :) :)