API 2000 Venting Atmospheric and Low-Pressure Storage Tanks (ตอนที่ ๑๒) MO Memoir : Tuesday 23 April 2567

หมายเหตุ : เนื้อหาในบทความชุดนี้อิงจากมาตราฐาน API 2000 7th Edition, March 2014. Reaffirmed, April 2020 โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อเป็นพื้นฐานในการทำความเข้าใจ ดังนั้นถ้าจะนำไปใช้งานจริงควรต้องตรวจสอบกับมาตรฐานฉบับล่าสุดที่ใช้ในช่วงเวลานั้นก่อน

เว้นเรื่องนี้ไปหลายเดือนเพิ่งจะมีเวลากลับมาเขียนตอน ตอนนี้เริ่มหัวข้อที่ 4 ที่เกี่ยวกับถังเก็บที่มีระบบทำความเย็น (Refrigerated tank) ทั้งแบบอยู่เหนือระดับพื้นดิน (Aboveground) และต่ำกว่าระดับพื้นดิน (Belowground)

Refrigerated tank จะใช้ในการเก็บแก๊สที่ไม่สามารถทำให้เป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้องได้ด้วยการใช้ความดันเพียงอย่างเดียว และต้องการเก็บในปริมาณมาก (คือถ้าต้องการเก็บในปริมาณไม่มากก็จะใช้การเก็บในถังความดันสูงแทน) เช่นไฮโดรคาร์บอน C1-C2 ที่ไม่สามารถทำให้เป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้องได้ด้วยการใช้ความดันเพียงอย่างเดียว หรือแก๊สปิโตรเลียมเหลว (LPG) ที่แม้ว่าจะสามารถทำให้เป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้องได้ด้วยการใช้ความดันเพียงอย่างเดียว แต่ถ้าต้องการเก็บในปริมาณที่มาก การใช้ Refrigerated tank ขนาดใหญ่เก็บที่ความดันบรรยากาศ แทนการใช้ถังเก็บความดันสูงหลายลูกก็อาจเหมาะสมกว่า

รูปที่ ๑ ตัวอย่างโครงสร้างของ Refrigerated tank และระบบทำความเย็น (รูปจาก https://www.arab-oil-naturalgas.com/storage-tanks-types/)

รูปที่ ๑ เป็นตัวอย่างโครงสร้างของ Refrigerated tank ในรูปนี้ตัวถังเก็บจะมีผนังสองชั้น โดยระหว่างผนังชั้นนอกและผนังชั้นใน ทั้งทางด้านข้างและพื้น จะมีการติดตั้งฉนวนกันความร้อน ความร้อนที่รั่วไหลเข้าไปในถังจะทำให้ของเหลวในถังเดือดกลายเป็นไอ ซึ่งจะมีระบบนำกลับไอระเหยนี้ไปควบแน่นให้กลายเป็นของเหลวใหม่และป้อนกลับเข้าถัง

รูปที่ ๒ หัวข้อ 4.1

รูปที่ ๒ เป็นหัวข้อ 4.1 โดยในหน้าแรกกล่าวไว้ว่าถังเก็บผลิตภัณฑ์ปิโตรเลียมเหลวที่มีระบบทำความเย็นอาจเป็นถังในรูปแบบใดได้บ้าง (ดูตัวอย่างในรูปที่ ๓ และ ๔ ประกอบ) ส่วนย่อหน้าที่สองกล่าวว่าหัวข้อที่ 5. ครอบคลุมการระบายความดันในการทำงานปรกติและสภาวะฉุกเฉิน และมาตรฐานนี้ไม่ครอบคลุมกรณีถังเก็บแก๊สธรรมชาติเหลว (LNG) ส่วนย่อหน้าที่สามกล่าวว่าสาเหตุที่ทำให้ความดันสูงเกินหรือเกิดสุญญากาศที่กล่าวไว้ในหัวช้อที่ 3. ควรนำมาพิจารณาด้วย ยกเว้นที่หมายเหตุไว้ในหัวข้อ 4.2.1 นอกจากนี้หัวข้อที่ 4. นี้ยังครอบคลุมครอบคลุมที่มาของการเกิดความดันสูงเกินใน Refrigerated tank ด้วย

รูปที่ ๓ ตัวอย่างโครงสร้างถังเก็บแก๊สธรรมชาติเหลว (LNG) ที่มีการถมดินรอบผนังด้านนอกของตัวถัง ทำให้เหมือนกับว่าถังนั้นถูกฝังดินอยู่ (รูปจากเอกสาร "Comparative Safety Analysis of LNG Storage Tanks" จัดทำโดย B.A. Fecht และคณะ เผยแพร่เดือนกรกฏาคม ค.ศ. ๑๙๘๒ (พ.ศ. ๒๕๒๕)

 รูปที่ ๔ ตัวอย่างโครงสร้างถังเก็บแก๊สธรรมชาติเหลว (LNG) ชนิด aboverground ด้านซ้ายตัวโดมหลังคาเป็นผนังสองชั้น ส่วนด้านขวาตัวโดมหลังคาเป็นผนังชั้นเดียว แต่จะมี "Suspended insulating deck" แขวนห้อยต่ำลงมาที่ระดับบนสุดของส่วนลำตัวทรงกระบอก (รูปจากเอกสาร "Comparative Safety Analysis of LNG Storage Tanks" จัดทำโดย B.A. Fecht และคณะ เผยแพร่เดือนกรกฏาคม ค.ศ. ๑๙๘๒ (พ.ศ. ๒๕๒๕)

รูปที่ ๕ เริ่มหัวข้อ 4.2 ที่กล่าวถึงสาเหตุของการเกิดความดันสูงเกินและสุญญากาศ

หัวข้อ 4.2.1 กล่าวถึงแนวปฏิบัติที่มีการปรับปรุง

หัวข้อ 4.2.1.1 ย่อหน้าแรกกล่าวว่าในกรณีของถังเก็บที่มีระบบทำความเย็น ให้พิจารณาสาเหตุของการเกิดความดันสูงเกินและสุญญากาศทั้งหมดที่กล่าวไว้ในหัวข้อ 3. (ถังเก็บที่ไม่มีระบบทำความเย็น) เว้นแต่ที่มีการระบุไว้ในช่วงต่อไป

สำหรับสถานการณ์การระบายความดัน อัตราการไหลของไอ/แก๊สที่คำนวณ ควรต้องเป็นที่สภาวะความดันและอุณหภูมิที่แท้จริงของที่ว่างที่เป็นไอเหนือผิวของเหลว ค่าอัตราการไหลที่คำนวณได้นี้จะถูกเปลี่ยนไปเป็นอัตราการไหลเทียบเท่าของอากาศที่สภาวะปรกติหรือสภาวะมาตรฐาน ภาคผนวก D.9 ให้ข้อมูลเพิ่มเติมสำหรับการเปลี่ยนหน่วย

รูปที่ ๕ หัวข้อ 4.2 - 4.2.1.1

ในมาตรฐานใช้คำว่า "normal" และ "standard" conditions แยกจากกัน เพราะมันนิยามที่ความดันและอุณหภูมิแตกต่างกัน ในหัวข้อที่ 2. ที่เกี่ยวกับนิยามและคำจำกัดความ ข้อย่อย 2.8 กำหนดค่า normal cubic meters per hours ที่อุณหภูมิ 0ºC ความดัน 101.3 kPa ข้อย่อย 2.21 กำหนดค่า standard cubic feet per hour ที่อุณหภูมิ 15.6ºC (หรือ 60ºF) ความดัน 101.3 kPa (14.7 kPa) ตรงนี้เวลาเอาไปใช้งานจริงก็ต้องตกลงกันให้ดีด้วยว่าจุดอ้างอิงใช้อุณหภูมิและความดันเท่าใด)

รูปที่ ๖ หัวข้อ 4.2.1.2

รูปที่ ๖ เป็นหัวข้อ 4.2.1.2 ที่เกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงความดันบรรยากาศ โดยในย่อหน้าแรกกล่าวว่าการเพิ่มขึ้นหรือลดลงของความดันบรรยากาศภายนอกไม่ส่งผลต่อถังเก็บที่ไม่มีระบบทำความเย็นอย่างมีนัยสำคัญ แต่ในกรณีของถังเก็บที่มีระบบทำความเย็นจะแตกต่างกัน เพราะมันเก็บของเหลวที่อุณหภูมิใกล้กับ "จุดเดือด"

กล่าวคือสำหรับของเหลวที่มีอุณหภูมิตรงจุดเดือดนี้ ถ้าหากความดันเหนือผิวของเหลวลดลง ของเหลวก็จะเดือดกลายเป็นไอจำนวนมากได้ทันที ส่งผลในความดันในถังเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วได้ ในทางกลับกันถ้าความดันเหนือผิวของเหลวเพิ่มขึ้น ไอระเหยเหนือผิวของเหลวก็จะควบแน่นเป็นของเหลวได้อย่างรวดเร็ว ทำให้ความดันลดต่ำลงได้อย่างรวดเร็ว

ย่อหน้าที่สองกล่าวว่า ถ้าความดันในถังเท่ากับความดันใช้งานสูงสุด ความดันบรรยากาศภายนอกที่ลดลงจะทำให้เกิดความดันสูงเกินขึ้นในถังอันเกิดจากการขยายตัวของไอในปริมาตรปิดของที่ว่างส่วนที่เป็นไอ (V_AG) และจากการระเหยของของเหลว (V_AL) (ในข้อความใช้คำว่า "overheat" ซึ่งตรงนี้คงต้องเทียบกับความดันเหนือผิวของเหลว เช่นที่ความดันบรรยากาศน้ำจะเดือดที่อุณหภูมิ 100ºC แต่ถ้าความดันเหนือผิวน้ำลดลง อุณหภูมิจุดเดือดของน้ำจะลดต่ำลง ดังนั้นแม้ว่าน้ำนั้นจะมีอุณหภูมิ 100ºC เท่าเดิม แต่มันจะเป็นน้ำที่มีอุณหภูมิสูงเกินอุณหภูมิจุดเดือดที่ความดันค่าใหม่ที่ต่ำกว่า) และในทำนองเดียวกัน สภาวะสุญญากาศจะเกิดขึ้นภายในถังได้ถ้าหากความดันบรรยากาศภายนอกเพิ่มสูงขึ้น

ย่อหน้าที่สามกล่าวว่าอัตราการไหลเนื่องจากการขยายตัวของส่วนที่เป็นไอ ภายใต้สภาวะความดันและอุณหภูมิจริงของปริมาตรปิดล้อมของส่วนที่เป็นไอนั้น (V_AG) สามารถคำนวณได้โดยใช้สมการที่ (18) โดยที่

V_tk คือปริมาตรความจุแก๊สสูงสุดของถังเปล่า หน่วยเป็นลูกบาศก์เมตร (m³)

p คือความดันสัมบูรณ์ หน่วยเป็นปาสคาล (Pa)

(dp_atm/dt) คือค่าสัมบูรณ์ของอัตราการแปรเปลี่ยนความดันบรรยากาศ หน่วยเป็นปาลคาลต่อชั่วโมง (Pa/hr)

การประมาณค่าอัตราการไหลเนื่องจากการเดิอดของของเหลวที่มีอุณหภูมิสูงเกินจุดเดือดที่ความดันนั้น (V_AL) อาจใช้วิธีการที่ให้ไว้ในหัวข้อ 4.2.1.3 ในการคำนวณสัดส่วนของของเหลว (X_gas) ที่ระเหยกลายเป็นไอทันที (เมื่อความดันเหนือผิวของเหลวที่กำลังเดือดนั้นลดต่ำลง จะทำให้ของเหลวส่วนหนึ่งระเหยกลายเป็นไอทันที การระเหยกลายเป็นไอนี้จะดึงความความร้อนที่อยู่ในตัวของเหลวออก (ค่าความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอ) ทำให้ของเหลวที่เหลืออยู่นั้นเย็นตัวลงได้)

สมการที่ (19) เป็นสมการสำหรับคำนวณค่าอัตราการไหลรวม (V_A) ที่เกิดจากการขยายตัวของส่วนที่เป็นไอและที่เกิดจากการเดือดกลายเป็นไอของของเหลวอย่างทันทีทันใด

ท้ายสุดของหัวข้อนี้กล่าวว่าควรนำเอาข้อมูลท้องถิ่นในเรื่องอัตราการเปลี่ยนแปลงความดันบรรยากาศมาใช้ และในกรณีที่ไม่มีข้อมูลดังกล่าวก็อาจสมมุติโดยใช้ค่าอัตราการเปลี่ยนแปลงความดันบรรยากาศ 2000 Pa/hr (0.3 psi/hr) โดยมีค่าการเปลี่ยนแปลงรวมอยู่ที่ 10 kPa (1.5 psi)

ต่อไปเป็นหัวข้อ 4.2.1.3 (รูปที่ ๗) ที่เกี่ยวกับการไหลเข้าออกของของเหลว

ย่อหน้าแรกกล่าวว่าการระบายแก๊สเข้าหรือออกอันเป็นผลจากการไกลเข้าออกของของเหลวในส่วนของถังเก็บที่ไม่มีระบบทำความเย็นนั้นได้กล่าวไว้ในหัวข้อที่ 3.3.2.2 ในกรณีของถังเก็บที่มีระบบทำความเย็นนั้น ผู้ใช้ควรประเมินปริมาณของผลิตภัณฑ์ที่ระเหยกลายเป็นไอทันที (flash) เมื่อมีการไหลเข้าถังเก็บ การระเหยกลายเป็นไอทันทีเมื่อมีของเหลวป้อนเข้าถังเก็บจะมีนัยสำคัญเมื่ออุณหภูมิของของเหลวนั้นอยู่ที่หรือสูงกว่าอุณหภูมิจุดเกิดฟอง (bubble point) หรืออุณหภูมิจุดเดือด (boiling point) ที่ความดันภายในถัง ในการนี้ควรต้องคำนวณปริมาณการระเหยกลายเป็นไอทันทีเมื่ออุณหภูมินั้นอยู่ใกล้จุดเกิดฟอง ไอระเหยที่เกิดขึ้นระหว่างการเติมของเหลวเข้าถังนั้นอาจเกิดได้จาก การเติมของเหลวที่อุ่นเข้าไปในถัง, ความร้อนที่รั่วไหลเข้าไปผ่านระบบท่อ, การทำงานของปั๊ม, การเย็นลงของถังและท่อเติมของเหลว และไอระเหยนั้นจะถูกแทนที่ด้วยของเหลวที่ไหลเข้ามา ปริมาณของเหลวที่จะกลายเป็นไอทันทีควรต้องมาจากการคำนวณไม่ใช่การสมมุติ

ของเหลวบริสุทธิ์ (และของเหลวผสมบางชนิดที่เรียกว่า azeotrope) จะเดือดกลายเป็นไอที่อุณหภูมิคงที่ที่เรียกว่าจุดเดือด (boiling point) ของเหลวที่ประกอบด้วยหลายสารที่มีจุดเดือดต่างกันผสมกันอยู่ เช่นน้ำมันเชื้อเพลิง เวลาที่เพิ่มอุณหภูมิสูงขึ้นเรื่อย ๆ องค์ประกอบที่มีจุดเดือดต่ำระเหยเหยออกมาก่อนกลายเป็นฟองเกิดขึ้น อุณหภูมิที่ทำให้เกิดฟองนี้เรียกว่าจุดเกิดฟองหรือ bubble point

รูปที่ ๗ หัวข้อ 4.2.1.3

ในทางกลับกันในกรณีของไอผสมที่ประกอบด้วยสารที่มีจุดเดือดต่างกันหลายชนิดผสมกันอยู่ เวลาที่ไอนั้นมีอุณหภูมิลดต่ำลง องค์ประกอบที่มีจุดเดือดสูงสุดจะควบแน่นออกมาก่อน อุณหภูมิที่ทำให้ไอนั้นเริ่มควบแน่นเป็นของเหลวเรียกว่าจุดน้ำค้าง (dew point)

ย่อหน้าที่สองกล่าวว่าถ้าผลิตภัณฑ์ที่เก็บอยู่นั้นอยู่ที่สภาวะสมดุล (อุณหภูมิที่จุดเดือด) สัดส่วนของของเหลวที่ระเหยกลายเป็นไอทันที (X_gas) อันเป็นผลจากอุณหภูมิก่อนการขยายตัวที่สูงกว่าอุณหภูมิจุดเกิดฟองของของเหลวที่เก็บอยู่ อาจประมาณได้ด้วยสมการอย่างง่ายที่แสดงไว้ในสมการที่ (20) โดยที่

C_p คือค่าความจุความร้อนของของเหลว (หน่วยเป็นจูลต่อกิโลกรัม-เคลวิน J/kg.K)

T₂ คืออุณหภูมิจุดเดือดของของเหลวนั้นที่ความดันของถัง (หน่วยเป็นเคลวิน K)

T₁ คืออุณหภูมิของของเหลวก่อนการขยายตัว (หน่วยเป็นเคลวิน K)

L คือค่าความร้องแฝงของการระเหยกลายเป็นไอ (หน่วยเป็นจูลต่อกิโลกรัม J/kg)

จากนั้นจะสามารถคำนวณอัตราการเกิดไอ (หน่วยเป็นมวลต่อหน่วยเวลา V_F) ได้จากสมการที่ (21) โดยที่ m_pf คืออัตราการเติมในหน่วยมวลต่อหน่วยเวลา

ในกรณีที่ไม่มีข้อมูลที่ถูกต้อง (คือค่า C_p กับ L) สำหรับการลดลงของความดันสัมบูรณ์ที่เท่ากับหรือน้อยกว่า 100 kPa สามารถใช้ค่า C_p กับ L ที่ให้ไว้ข้างล่าง และใช้สมการที่ (22) (กรณีของหน่วย SI) หรือสมการที่ (23) (กรณีของหน่วย USC) แทน

โดยที่ (p₂ - p₁) คือค่าการเปลี่ยนแปลงความดันสัมบูรณ์ของผลิตภัณฑ์ระหว่างความดันเก็บเริ่มต้น (p₁) และความดันสุดท้าย (p₂)

ย่อหน้าสุดท้ายของหัวข้อนี้กล่าวว่าขนาดที่เหมาะสมและการออกแบบระบบทำความเย็นและระบบเก็บรวบรวมไอ ควรต้องป้องกันการเกิดสุญญากาศหรือความดันสูงเกินอันเป็นผลจากการเคลื่อนที่เข้าออกถังของของเหลว แต่ค่าที่ได้มานี้ไม่ควรเอาไปใช้ในการออกแบบระบบป้องกันสุญญากาศ/ระบายความดัน (ดูกรณีการสูญเสียระบบทำความเย็นในหัวข้อ 4.2.2.2)

รูปที่ ๘ หัวข้อ 5.2.1.4

หัวข้อ 4.2.1.4 (รูปที่ ๘) กล่าวถึงกรณีของถังถูกไฟลน โดยในย่อหน้าแรกกล่าวไว้ว่าในหัวข้อ 3.3.3 ได้บรรยายถึงความสามารถในการระบายความดันที่เกี่ยวข้องกับการที่ด้านนอกของถังเก็บที่ไม่มีระบบทำความเย็นโดนไฟลน ซึ่งควรนำแนวทางนั้นมาใช้ในการคำนวณความสามารถในการระบายความดัน แต่มีข้อแม้ว่าไม่ควรนำวิธีที่แสดงในหัวข้อ 3.3.3.3 มาใช้เนื่องจากในกรณีนั้นอิงว่าของเหลวในถังเป็นเฮกเซนหรือผลิตภัณฑ์อื่นที่คล้ายคลึงกัน

ในกรณีของถังเก็บที่มีระบบทำความเย็นที่มีผนังสองชั้น ความร้อนที่รั่วไหลเข้ามาจากไฟ เริ่มแรกจะทำให้ไอที่อยู่ในที่ว่างระหว่างผนังสองชั้น (ของลำตัวถัง) ขยายตัว (คือที่ว่างระหว่างผนังสองชั้นจะมีวัสดุฉนวนความร้อนบรรจุอยู่ และมีไอบางส่วนอยู่ในนี้) อย่างไรก็ตามในกรณีของ ความร้อนที่รั่วไหลเข้ามายังทำให้ไอที่อยู่ในที่ว่างใต้หลังคาของถังผนังสองชั้นชนิด "suspended deck" (รูปที่ ๔ ขวา) ขยายตัว อย่างไรก็ตามอาจกินเวลานานหลายชั่วโมงก่อนที่ความร้อนที่รั่วไหลเข้าไปในถังนั้นจะทำให้ของเหลวที่บรรจุอยู่ในถังนั้นมีอัตราการระเหยเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ (คือถ้าเป็นถังเก็บแบบไม่มีระบบทำความเย็น ถังเก็บจะเป็นผนังชั้นเดียว สิ่งที่กั้นระหว่างของเหลวที่บรรจุอยู่ในถังกับด้านนอกคือผนังโลหะชั้นเดียว แต่ในกรณีของถังเก็บที่มีระบบทำความเย็นที่มีผนังสองชั้นนั้น ของเหลวจะสัมผัสกับด้านในของผนังชั้นในที่ทำหน้าที่บรรจุของเหลว โดยมีวัสดุฉนวนความร้อนแทรกกลางระหว่างผนังด้านในกับด้านนอก ดังนั้นความร้อนจากเปลวไฟที่ลนผนังโลหะด้านนอกจึงเข้าไปถึงของเหลวที่บรรจุอยู่ภายในได้ยากกว่า)

ดังนั้นความสามารถในการระบายความดันที่เพิ่มขึ้นที่ต้องใช้นั้น (กรณีการระเหยที่เพิ่มขึ้นของเหลวที่บรรจุอยู่) จะมีค่าไม่มากเมื่อเทียบกับความสามารถในการระบายความดันเริ่มต้นที่เกิดจากการขยายปริมาตรของไอ (ที่อยู่ระหว่างผนังถังและใต้หลังคา) ด้วยเหตุนี้การออกแบบระบบระบายความดันฉุกเฉินของถังเก็บผนังสองชั้นที่มีระบบทำความเย็นจึงค่อนข้างซับซ้อน จึงไม่มีการนำเสนอวิธีการคำนวณไว้ในที่นี้ ดังนั้นจึงควรต้องทำการวิเคราะห์การระบายความดันเนื่องจากไฟของถังเก็บผนังสองชั้นที่มีระบบทำความเย็นอย่างทั่วถึง รวมทั้งการทบทวนความแข็งแรงของโครงสร้างของส่วนที่ไม่เปียกของเหลวของตัวผนังด้านนอก

คือในกรณีของถังเก็บผนังชั้นเดียวที่ด้านหนึ่งของผนังถังนั้นสัมผัสกับของเหลว แม้ว่าด้านนอกของถังจะโดนไฟลน แต่อุณหภูมิเนื้อโลหะจะอยู่ที่จุดเดือดของของเหลวที่บรรจุอยู่เพราะความร้อนที่เนื้อโลหะได้รับจะไปทำให้ของเหลวที่สัมผัสอยู่นั้นเดือด ดังนั้นผนังโลหะส่วนที่ยังสัมผัสกับของเหลวอยู่จะไม่ร้อนจัดและยังไม่สูญเสียความแข็งแรง แต่ในกรณีของถังเก็บผนังสองชั้นที่มีระบบทำความเย็นนั้น ฝั่งด้านในของผนังด้านนอกไม่ได้สัมผัสกับของเหลว เมื่อผนังด้านนอกโดยเปลวไฟลนก็จะมีอุณหภูมิสูงขึ้นอย่างรวดเร็ว นำไปสู่ความสูญเสียความแข็งแรงของโครงสร้างได้

ตอนที่ ๑๒ คงพอแค่นี้ก่อน