นานาสาระเรื่องการเริ่มเดินเครื่องปั๊มและคอมเพรสเซอร์ MO Memoir : Tuesday 18 November 2557

หลังจากที่นำเรื่องการเริ่มเดินเครื่องปั๊มหอยโข่งลง blog ไปเมื่อวาน ก็มีการร้องขอมาทาง facebook ว่าขอเรื่องเกี่ยวกับ positive displacement pump บ้าง ซึ่งผมก็ได้ตอบเขาไปทาง facebook แล้วแต่เห็นว่ามันน่าจะมีประโยชน์กับคนอื่นอีกด้วย ก็เลยขอนำเอาคำตอบที่ตอบเขาไปนั้นมาเรียบเรียงใหม่ใน Memoir ฉบับนี้
  

เรื่อง positive displacement pump นี้ผมต้องขอยอมรับว่าค่อนข้างอ่อนประสบการณ์ เพราะไม่ค่อยจะได้เจอ และมันก็มีอยู่หลากหลายชนิดด้วย (เช่น piston pump, gear pump, screw pump) ที่ผมเคยเจอและเรียนมาก็มีแต่ปั๊มลูกสูบที่ปรับระยะช่วงชักได้ที่เขาเรียก metering pump

แต่โดยหลักแล้วจะเริ่มเดินเครื่องอย่างไรก็มักจะเริ้นต้นดูที่ "ตัวขับเคลื่อนหรือ driver" เป็นหลักก่อน

ปั๊มหอยโข่ง (หรือ centrifugal pump) มันอาศัยการเพิ่มพลังงานจลน์ให้กับของเหลวงด้วยแรงเหวี่ยงของใบพัด (หรือเรียกว่าเพิ่ม velocity head) จากนั้นพลังงานจลน์ดังกล่าวก็จะเปลี่ยนไปเป็นความดัน (หรือ pressure head) ทางด้านขาออกของปั๊ม ช่องว่าง (หรือ clearance) ระหว่างตัวใบพัดเองกับตัวเรือน (casing หรือ housing) ของปั๊มนั้นก็มาก ดังนั้นถ้าของเหลวถูกเหวี่ยงออกไปจากตัวปั๊มไม่ได้ มันก็จะถูกปั่นกวนวิ่งวนอยู่ตัวเรือนของปั๊ม
  

พวก positive displacement นั้นอาศัยการสร้างความดัน (pressure head) ให้กับของเหลวโดยตรง ช่องว่างระหว่างส่วนที่ทำหน้าที่ผลักดันของเหลว เช่นลูกสูบ (ในกรณีของ piston pump) เฟือง (ในกรณีของ gear pump) หรือสกรู (ในกรณีของ screw pump) นั้นจะน้อยกว่า (หรือแทบไม่มี) กรณีของ centrifugal pump มาก เพราะถ้ามีช่องว่างมากเมื่อใด แทนที่ของเหลวจะถูกผลักดันไปข้างหน้า มันจะรั่วไหลย้อนกลับแทน

มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับทั่วไปจะกินกระแสมากที่สุดตอนที่มันไม่หมุน ตอนนั้นมันจะเหมือนกับเราลัดวงจรไฟฟ้าด้วยขดลวดทองแดง แต่พอมันเริ่มหมุนแล้วจะกินกระแสลดลง ส่วนจะกินกระแสมากน้อยเท่าใดนั้นก็ขึ้นอยู่กับload ดังนั้นเพื่อความปลอดภัยของมอเตอร์ในการเริ่มเดินเครื่องจึงต้องให้มันมี load น้อยที่สุดและให้มันหมุนจนได้ความเร็วรอบการทำงานของมันอย่างรวดเร็วที่สุด
  

(มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับที่ใช้กันมากที่สุดในโรงงานเห็นจะได้แก่มอเตอร์เหนี่ยวนำ (หรือ induction motor) ซึ่งมันจะมี slip ทำให้ความเร็วในการหมุนของมันแตกต่างจากความเร็วซิงโครนัส แต่ถ้าอยากได้มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับที่หมุนด้วยความเร็วเดียวกับความเร็วซิงโครนัสก็ต้อไปใช้ synchronus motor ซึ่ง synchronus motor นี้ผมเองก็ยังไม่เคยได้สัมผัสกับตัวจริงสักที)

ในกรณีของ centrifugal pump มอเตอร์จะมีโหลดน้อยที่สุดก็ตอนที่ flow เป็นศูนย์ (แต่ในขณะนี้ความดันด้านขาออกจะมากที่สุด เพราะ velocity head ทั้งหมดถูกเปลี่ยนไปเป็น pressure head) นั่นคือเหตุผลว่าทำไมตอนเริ่มเดินเครื่องปั๊มหอยโข่งเราจึงปิด discharge valve แต่ถ้าหากมีปัญหาเรื่องอุณหภูมิของของเหลวที่ใกล้จุดเดือดด้วย เราเลยต้องยอมให้มีของเหลวบางส่วนไหลผ่านตัวปั๊มเพื่อไม่ให้มีของเหลวค้างอยู่ในปั๊ม ไม่เช่นนั้นมันจะเดือดในปั๊ม และนั่นคือเหตุผลที่ว่าทำไปจึงต้องมี minimum flow line หรือต้องเปิด discharge valve เอาไว้เล็กน้อยตอน start up
  

หลักการเดียวกันนี้ก็ใช้กับ centrifugal compressor ด้วย แต่ในกรณีของ centrifugal compressor นั้น load จะต่ำสุดที่ค่า ΔP หรือผลต่างระหว่างความดันด้านขาออกและด้านขาเข้าเป็นศูนย์ นั่นคือทางด้านขาออก แก๊สที่ถูกอัดความดันจะต้องไหลออกได้ง่ายโดยไม่มีความต้านทานใด ๆ ดังนั้นถ้าเป็นกรณีของการอัดอากาศก็จะเป็นการดูดอากาศจากภายนอกเข้ามาอัด แล้วปล่อยออกสู่อากาศภายนอกอีกที พอความเร็วรอบมอเตอร์ได้ที่ก็ค่อยปิดช่องทางระบายอากาศทิ้ง ให้อากาศที่ถูกอัดนั้นไหลเข้าระบบแทน (รูปที่ ๑ ซ้าย)
  

แต่ถ้าเป็นแก๊สอันตรายตัวอื่นก็จะใช้วิธีการ recycle แก๊สด้านขาออกกลับไปทางด้านขาเข้า 100% เรียกว่าท่อวนกลับก็ขนาดพอ ๆ กับท่อจ่ายออกก็ได้ แถมเปิดวาล์วท่อวนกลับนี้ไว้เต็มที่อีก (ซึ่งตรงจุดนี้ต่างจากปั๊ม เพราะท่อวนกลับของปั๊มจะเล็กว่าท่อจ่ายออก หรือไม่ก็มีวาล์วควบคุมการไหลอีกที ให้ไหลวนกลับเพียงเล็กน้อยเท่านั้น) พอมอเตอร์หมุนได้ความเร็วรอบก็ลดอัตราการไหลวนกลับ (หรือปิดท่อวนกลับเลย) และจ่ายเข้าสู่ระบบแทน (รูปที่ ๑ ขวา)

 

รูปที่ ๑ ในกรณีของคอมเพรสเซอร์นั้นมอเตอร์จะมี load ต่ำสุดเมื่อแก๊สถูกอัดตัวน้อยที่สุด หรือผลต่างระหว่างความดันด้านขาออกและด้านขาเข้าเป็นศูนย์ ถ้าเป็นการอัดอากาศ (ซ้าย) ในกรณีที่ด้าน downstream ของวาล์ว V1 ไม่มีความดันใด ๆ (กล่าวคือเป็นความดันบรรยากาศ) อาจจะปิดวาล์วระบายทิ้ง V2 และเปิด V1 เพื่อจ่ายอากาศเข้าระบบเลยก็ได้ แต่ถ้าด้าน downstream ของวาล์ว V1 นั้นมีความดันสูง ก็จะเปิดวาล์วระบาย V2 และปิดวาล์ว V1 (เพื่อกันไม่ให้อากาศด้านความดันสูงไหลย้อนเข้าคอมเพรสเซอร์) พอมอเตอร์ขับคอมเพรสเซอร์หมุนได้ความเร็วรอบก็ค่อยปิดวาล์ว V2 และเปิดวาล์ว V1 เพื่อจ่ายอากาศความดันเข้าระบบ แต่ถ้าเป็นระบบแก๊สอันตรายหรือไม่ควรปล่อยทิ้งออกสู่อากาศโดยตรง (ขวา) ก็จะให้แก๊สที่ออกจากคอมเพรสเซอร์ทั้งหมดไหลเวียนกลับมายังด้านขาเข้าใหม่ แล้วพอมอเตอร์ขับคอมเพรสเซอร์หมุนได้ความเร็วรอบก็ค่อยปิดวาล์ว V2 และเปิดวาล์ว V1 เพื่อจ่ายแก๊สอัดความดันเข้าระบบ

แต่ถ้าใช้ steam turbine ในการขับเคลื่อน (ไม่ว่าปั๊มหรือคอมเพรสเซอร์) จะต้องค่อย ๆ เพิ่มความเร็วรอบการหมุนขึ้นอย่างช้า ๆ เพื่อให้อุปกรณ์มีเวลา "ขยายตัว" เนื่องจากความร้อนที่รับมาจากไอน้ำที่ใช้ขับเคลื่อน ซึ่งตรงนี้ผมถึงเขียนทิ้งไว้ในบทความฉบับที่แล้วด้วยว่า ถ้าเอาปั๊มที่มีอุณหภูมิอยู่ที่อุณหภูมิห้องนั้นไปใช้กับของเหลวที่ร้อนมากนั้น อาจต้องรอสักพักจึงค่อยเริ่มเดินเครือง เพื่อให้ปั๊มได้อุ่นขึ้นและชิ้นส่วนต่าง ๆ ขยายตัวเนื่องจากจากความร้อนของเหลวร้อนนั้นก่อน

ในกรณีของปั๊มหอยโข่งนั้น แม้ไม่มีของเหลวไหลออก แต่มันก็ไหลวนอยู่ในปั๊ม ตัวใบพัดเองมันก็หมุนได้ แต่ถ้าเป็นปั๊มลูกสูบนั้น เนื่องจากเราไม่สามารถอัดของเหลวให้มีปริมาตรเล็กลงได้ ดังนั้นถ้าของเหลวไหลออกไปจากกระบอกสูบไม่ได้ ลูกสูบก็เคลื่อนที่ไปข้างหน้าไม่ได้ มอเตอร์ก็จะหมุนไม่ได้ (มันใช้มอเตอร์ขับเคลื่อนผ่านระบบเฟืองหรือกลไกที่เปลี่ยนการเคลื่อนที่แบบหมุนเป็นการเคลื่อนที่เชิงเส้น) มันจะเหมือนกับเราเอาอะไรไปขัดใบพัดพัดลมไว้ไม่ให้หมุน แล้วก็เปิดพัดลม รับรองได้ว่ามอเตอร์พัดลมไหม้แน่ ดังนั้นในกรณีของปั๊มลูกสูบเราจึงต้อง "เปิด" discharge valve หรือไม่ก็ต้องมีการติดตั้ง relief valve ไว้ทางด้านขาออกของปั๊ม (ปั๊มลูกสูบมันจะมี check valve ในตัวมันเองอยู่แล้ว) เผื่อเกิดปัญหาด้านวาล์วด้าน discharge ปิดสนิท (เช่นด้าน discharge มีการติดตั้ง control valve)

ที่ผมเคยเจอคือกรณีของปั๊มลูกสูบแบบปรับระยะช่วงชักได้ ก่อนที่จะเริ่มเดินเครื่องปั๊มก็จะตั้งระยะช่วงชักให้เป็นศูนย์ก่อน คือให้อัตราการไหลเป็นศูนย์ก่อน (มอเตอร์จะเริ่มหมุน แต่ไม่ไปขับกลไกที่ทำหน้าที่ผลักดันลูกสูบให้เครื่องที่) ซึ่งจะทำให้มอเตอร์กินไฟตอน start up ต่ำสุด พอเริ่มเดินเครื่องได้แล้วจึงค่อย ๆ เพิ่มระยะช่วงชักเพื่อให้ได้อัตราการไหลที่ต้องการ

 

รูปที่ ๒ การทำงานของปั๊มลูกสูบ (piston pump) ที่เป็น positive displacement ปั๊มแบบหนึ่ง รูปนี้นำมาจาก memoir ปีที่ ๕ ฉบับที่ ๕๙๕ วันเสาร์ที่ ๒๓ มีนาคม ๒๕๕๖ เรื่อง "ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับปั๊มตอนที่ ๒"

 

สิ่งที่อยากจะฝากทิ้งท้ายไว้ก็คือการเขียนคู่มือการปฏิบัติงานหรือ operation manual นั้นควรคำนึงถึงความปลอดภัยของผู้ปฏิบัติงานและอุปกรณ์เป็นหลัก และคำนึงถึงการปฏิบัติได้จริงด้วย การนำเอาวิธีการจากระบบที่ "คล้ายคลึง" กันมาใช้โดยไม่มีการตรวจสอบว่าสามารถใช้ได้เลยกับระบบที่เราทำงานอยู่นั้นอาจก่อให้เกิดปัญหาได้ บ่อยครั้งที่ปัญหาที่เกิดนั้นมันไม่ได้ทำความเสียหายให้กับอุปกรณ์ทันทีที่เราใช้วิธีการที่ไม่เหมาะสม แต่มันไปลด "อายุการใช้งาน" ของอุปกรณ์ดังกล่าวให้หดสั้นลง