เห็นอะไรไม่เหมาะสมไหมครับ MO Memoir : Thursday 10 October 2567

บ่ายวันนี้พบผู้ช่วยสอนรายหนึ่ง ที่เขาทำหน้าที่ดูแลนิสิตทำการทดลองมาปรึกษาว่า controller ของปั๊มมีปัญหา ผมก็เลยไปช่วยดูให้

ตัว controller ตัวนี้เป็นตัวแปลงความถี่กระแสไฟฟ้าที่จ่ายให้กับปั๊มหอยโข่งตัวหนึ่ง เพื่อให้นิสิตปี ๓ ทำการทดลองหาความสัมพันธ์ระหว่างความดัน อัตราการไหล พลังงานที่ใช้ ฯลฯ ของปั๊มหอยโข่ง ตัวอุปกรณ์ไม่มีอะไรซับซ้อน เป็นเพียงแค่สูบน้ำจากถังเก็บมาไหลผ่านท่อที่ประกอบด้วย เกจวัดความดันและวาล์วปรับอัตราการไหลดังแสดงในรูปข้างล่าง

ในการทดลองนั้นที่ความเร็วรอบการหมุนของปั๊มค่าหนึ่ง (ที่คุมด้วยการปรับความถี่กระแสไฟฟ้า) จะให้นิสิตทดลองปรับอัตราการไหลด้วยการหมุนวาล์ว (ที่วงล้อสีแดง) ให้เปิดปิดที่ระดับต่าง ๆ กัน แล้วก็บันทึก ความดัน อัตราการไหล และกระแสไฟที่มอเตอร์ใช้ (ไม่แน่ใจว่ามันวัด power factor ด้วยหรือเปล่า) ก็จะทำให้สามารถคำนวณพลังงานที่ใช้ได้

ว่าแต่ดูออกไหมครับว่าในรูปข้างล่าง มีอุปกรณ์ตัวไหนที่มันไม่เหมาะสมกับวิธีทดลองที่กำหนด :) :) :)

ส่วนเรื่องที่ว่า controller มีปัญหานั้นผมก็ให้ความเห็นไปว่าปัญหาอาจไม่ใช่ที่ตัว controller ก็ได้ เพราะก่อนหน้านั้นก็มีข้อมูลว่าก่อนที่จะมีปัญหา นิสิตกลุ่มก่อนหน้าได้ทำการทดลองที่อัตราการไหลต่ำต่อเนื่องเป็นเวลานาน จนมอเตอร์ร้อนจัด ดังนั้นควรต้องตรวจดูตัวมอเตอร์ด้วยว่าปัญหามันเกิดจากมอเตอร์เสียหรือเปล่า (เช่น thermal fuse ขาด ถ้ามันมีนะ แต่ถ้าขดลวดไหม้ก็หนักหน่อย)

คำถามขออนุญาตไม่เฉลยนะครับ แต่ผมบอกผู้ดูแลแลปและผู้ช่วยสอนไปแล้วครับ :) :) :)

เพลิงไหม้โรงกลั่นน้ำมันเพราะน็อตยึด impeller ปั๊มหอยโข่งหลุด MO Memoir : Wednesday 9 October 2567

เหตุการณ์นี้จะเรียกว่าพังเพราะน็อตหลุดเพียงตัวเดียวก็น่าจะได้

จะว่าไปเว็บ Oil Industry Safety Directorate ของอินเดียก็มีรายงานอุบัติเหตุที่น่าสนใจเยอะอยู่เหมือนกัน เหมาะสำหรับคนที่ไม่ค่อยชอบอ่านเนื้อหายาว ๆ แบบของอังกฤษ (รายงานของ CSB ของอเมริกานั้นสั้นกว่าของอังกฤษเยอะ) อย่างเช่นเรื่องที่เอามาเล่าในวันนี้นำมาจากบทความเรื่อง "Case study on major fire incident due to failure of crude booster pump" ที่เป็นเหตุไฟไหม้ที่โรงกลั่นน้ำมันแห่งหนึ่งที่มีสาเหตุจากความเสียหายของปั๊มหอยโข่งที่ใช้เพิ่มความดันให้กับน้ำมันดิบ บทความไม่ได้บอกว่าเกิดเรื่องเมื่อใด แต่ในรูปถ่ายรูปหนึ่งหลังเหตุการณ์สงบมีลงวันที่ 01 06 2013 ซึ่งถ้าอ่านแบบอังกฤษก็จะเป็นวันที่ ๑ เดือนมิถุนายน ค.ศ. ๒๐๑๓ (สายอังกฤษจะเขียน วัน เดือน ปี แต่ถ้าเป็นอเมริกาจะเป็น เดือน วัน ปี)

แต่ก่อนอื่นมาทบทวนโครงสร้างปั๊มหอยโข่ง (centrifugal pump) กันก่อนดีกว่า (รูปที่ ๑)

รูปที่ ๑ ส่วนประกอบปั๊มหอยโข่ง

รูปที่ ๑ เป็นโครงสร้างปั๊มหอยโข่งแบบที่พบเห็นกันมากที่สุด โดยตัวปั๊มประกอบด้วยตัวเรือน (casing) และช่องทางให้ของเหลวไหลออก (discharge) ทางด้านหลังของตัวเรือน (ด้านซ้ายของภาพ) จะมีรูสำหรับสอดเพลา (shaft) ที่อาจเป็นเพลาของมอเตอร์ (ในกรณีของปั๊มขนาดเล็ก) หรือเป็นเพลาที่ต้องนำไปต่อ (coupling) เข้ากับเพลามอเตอร์อีกที (ในกรณีของปั๊มขนาดใหญ่) บนตัวเพลาจะมีการเซาะร่องสำหรับสอดลิ่ม (key) เพื่อใช้ยึดตัวใบพัด (impeller) ให้หมุนไปพร้อมกับเพลาเวลาที่เพลาหมุน ทางด้านหน้าของตัวเรือน (ด้านขวาของภาพ) จะมีช่องเปิดขนาดใหญ่ไว้สำหรับติดตั้งใบพัดที่จะสวมเข้าไปกับเพลา ช่องเปิดนี้จะถูกปิดด้วยฝาปิดตัวเรือน (casing cover) โดยของเหลวจะไหลเข้าทางด้านช่องทางไหลเข้า (inlet) ที่อยู่ตรงกลางของฝาปิดตัวเรือน เข้าสู่ตรงกลางใบพัด (eye) และถูกเหวี่ยงออกไปทางด้านของเหลวไหลออก

เพื่อให้การทำงานของปั๊มมีประสิทธิภาพ ช่องว่างระหว่างใบพัดกับตัวเรือนจะต้องไม่กว้างมาก เพราะถ้ากว้างเกินไปจะทำให้ของเหลวที่ถูกเหวี่ยงออกไปจากใบพัดนั้นสามารถไหลย้อนกลับเข้ามาทางด้านขาเข้าได้มาก ดังนั้นจึงจำเป็นต้องทำการยึดใบพัดให้อยู่นิ่งเมื่อเทียบกับเพลา แต่ต้องยึดตัวเพลาไม่ให้มีการเคลื่อนที่ตามแนวแกน ตรงนี้มันก็เหมือนกับพัดลมที่เราใช้กันตามบ้านเรือน ที่เราต้องมีน็อตยึดใบพัดเอาไว้ไม่ให้หลุดเวลาหมุน และมีสลักที่ยึดใบพัดไว้กับเพลาเพื่อให้ใบพัดหมุนเวลาที่มอเตอร์หมุน และตัวเพลาของมอเตอร์นั้นต้องไม่มีการขยับตัวในแนวแกน ไม่เช่นนั้นเวลาที่ใบพัดหมุนมันก็จะตีเข้ากับตะแกรงกันใบพัดได้

ทีนี้ลองมาไล่ลำดับเหตุการณ์ก่อนเกิดเหตุ

ปั๊มเพิ่มความดัน (booster pump) มีทั้งสิ้น ๓ ตัว ในขณะเกิดเหตุใช้งานอยู่ ๒ ตัว (อีกตัวหนึ่งน่าจะเป็นตัวสำรอง) ปั๊มแต่ละตัวมีขนาด 276 m³/hr โดยในขณะนั้นหน่วยกลั่นเดินเครื่องอยู่ที่ 350 m³/hr (ด้วยเหตุนี้จึงต้องใช้ปั๊มสองตัว) อุณหภูมิของน้ำมันคือ 179ºC ที่ความดัน 31.5 kg/cm² (อุณหภูมิของน้ำมันจัดว่าสูงไม่ถึง autoignition temperature ซึ่งปรกติจะอยู่ราว ๆ 200ºC ขึ้นไป) อัตรากินกระแสไฟปรกติคือ 44-45 A (และ 65 A ที่ full load) ข่วงเวลาที่เกิดเหตุนั้นเป็นช่วงรอยต่อระหว่างการเปลี่ยนกะกลางคืนมาเป็นกะเช้า

ในช่วงท้ายของกะกลางคืน (ก่อนเช้า) มีเสียงระเบิดดังขึ้น โอเปอร์เรเตอร์จึงทำการหยุดเดินเครื่องโรงงานและทำการดับเพลิง ซึ่งใช้เวลากว่า ๔ ชั่วโมงเพลิงจึงสงบ

จากการเข้าไปตรวจสอบที่เกิดเหตุพบความเสียหายที่ crude oil booster pump (ที่เชื่อว่าเป็นจุดเริ่มต้นการรั่วไหลของน้ำมัน) โดยตัวฝาครอบด้านหน้านั้นหลุดออกมา และใบพัดก็หลุดออกจากเพลา (รูปที่ ๒) ความเสียหายของฝาครอบทำให้น้ำมันรั่วไหลออกมา ส่วนแหล่งพลังงานที่ทำให้เกิดการจุดระเบิดคาดว่าเป็นจากการเสียดสีระหว่างใบพัดกับฝาครอบตัวเรือน

รูปที่ ๒ ปั๊มหอยโข่งตัวที่ casing ถูกใบพัดเจียรจนขาด

ตำแหน่งฉีกขาดของฝาครอบนั้นไม่ใช่แนวรอยเชื่อมใด ๆ (ปรกติแล้วรอยเชื่อมจะเป็นจุดอ่อนในการรับแรง ในกรณีนี้จึงสามารถตัดประเด็นเรื่องความเสียหายที่เกิดจากความไม่แข็งแรงของรอยเชื่อมออกไปได้) และพบว่าเนื้อโลหะตรงบริเวณเส้นรอบวงที่ฉีกขาดนี้มีความหนาเหลือเพียงแค่ประมาณ 1 มิลลิเมตร (รูปที่ ๓)

จากความเสียหายของฝาครอบจึงระบุได้ว่าสาเหตุเกิดจากการที่ใบพัดเสียดสีเข้ากับฝาครอบ อันเป็นผลจากการที่ใบพัดสามารถเคลื่อนตัวได้ในแนวแกน ความดันทางด้านหลังใบพัดที่สูงกว่าด้านของเหลวไหลเข้า จึงดันให้ใบพัดนั้นเข้ามาเบียดกับตัวฝาครอบตัวเรือน บทความบอกว่าตัวเรือนปั๊มทำจาก carbon steel A-216 WCB. แต่ไม่บอกว่าใบพัดทำจากโลหะอะไร แต่ก็น่าจะมีความแข็งมากกว่าของตัวเรือน ตัวเรือนจึงพังก่อนตัวใบพัด (ที่ยังเห็นว่าอยู่ในสภาพดี - รูปที่ ๒)

สิ่งที่ทางผู้สอบสวนต้องหาสาเหตุให้ได้ก็คือ อะไรเป็นตัวการทำให้ใบพัดเคลื่อนตัวได้ในแนวแกน และทำไมเมื่อเกิดเหตุการณ์ใบพัดเสียดสีกับตัวเรือน (ซึ่งต้องใช้เวลากว่าที่ตัวเรือนจะพัง) จึงไม่มีใครรู้ว่าเกิดปัญหาขึ้นแล้ว

บันทึกการทำงานก่อนเกิดเหตุไม่ว่าจะเป็น อัตราการไหล, อุณหภูมิ และความดัน ถือว่าเป็นปรกติ

รูปที่ ๓ บริเวณ casing ที่ถูกเจียรจนขาด

ประวัติการใช้งานของปั๊มที่เกิดความเสียหายพบว่าก่อนเกิดเหตุนั้นพบการสั่นสะเทือนที่มาก และเพลามีการติดขัด จึงมีการถอดปั๊มออกไปซ่อมบำรุง และนำมาติดตั้งกลับคืน และก็ใช้งานปั๊มนั้นตลอดจนเกิดเหตุ

การที่ใบพัดสามารถเคลื่อนตัวเข้ามาเสียดสีกับตัวเรือนได้เป็นเพราะน็อตที่ยึดใบพัดให้อยู่กับที่นั้นเสียหาย ซึ่งเกิดจากปัจจัยต่อไปนี้รวมกันคือ

- การสั่นสะเทือนในแนวแกนที่รุนแรง (ตรงนี้รายงานว่าเป็นผลมาจากการสั่นของท่อด้านขาเข้า)

- ขัดน็อตไม่แน่นพอในการซ่อมบำรุงครั้งสุดท้าย และ

- ความเสียหายของแหวนยึดหรือความเสียหายที่เกลียว (ทำให้น็อตคลายตัว)

แต่เมื่อเกิดการเสียดสีแล้ว ควรที่จะมีเสียงดัง และทำให้มอเตอร์กินกระแสไฟมากขึ้น บทความไม่ได้กล่าวว่าทำไมจึงไม่มีใครสังเกตว่ามีเสียงดังผิดปรกติ แต่จะว่าไปในโรงงานเหล่านี้เสียงมันก็ดังอยู่แล้ว ถ้าไม่เคยชินกับเสียงหรือถ้ามันไม่ดังแปลก ๆ ขึ้นมา ก็คงไม่มีใครรู้ (มอเตอร์เหนี่ยวนำหมุนที่ความเร็วรอบคงที่ ปริมาณกระแสที่ใช้แปรผันตามปริมาณ load การเสียดสีทำให้เกิดความต้านทานการหมุน มอเตอร์ต้องดึงกระแสมากขึ้นเพื่อรักษาความเร็วรอบให้คงเดิม)

ส่วนตรงประเด็นที่ว่าทำไมเมื่อมอเตอร์กินกระแสไฟมากขึ้นต่อเนื่องเป็นเวลานาน ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความผิดปรกติในการทำงาน ระบบป้องกันจึงไม่ทำงาน ตรงนี้ทางบทความกล่าวว่าเป็นเพราะการออกแบบ trip logic (ตรรกะที่บ่งชี้ว่ามีการทำงานผิดปรกติเกิดขึ้น) และ trip current setting (ปริมาณกระแสที่ทำให้ตัดการทำงาน) นั้นไม่เหมาะสม

เมื่อ erosion, thermal stress และ vibration มาอยู่รวมกัน MO Memoir : Monday 7 October 2567

แว่วมาว่าเหตุการณ์แก๊สรั่วไหลแล้วตามด้วยเพลิงไหม้ที่โรงงานแห่งหนึ่งเมื่อปลายเดือนที่แล้วเกิดจาก erosion ตรงข้องอ ที่ทำให้ผนังข้องอบางจนรับความดันภายในไม่ได้ มันก็เลยทะลุ ซึ่งเหตุการณ์นี้ก็คล้ายกับที่เกิดที่โรงกลั่นน้ำมันแห่งหนึ่งเมื่อ ๑๐ ปีที่แล้ว ที่ได้ยินมาว่าการรั่วไหลเกิดที่ข้องอ เพราะเกิด erosion จนผนังข้องอบาง ซึ่งในกรณีนี้ก็ได้ยินมาว่ามีการตรวจพบปัญหานี้ก่อนหน้าแล้ว และเตรียมที่จะทำการเปลี่ยนเมื่อถึงกำหนดหยุดเดินเครื่อง แต่มันชิงพังเสียก่อน

ส่วนที่ว่าสาเหตุที่แท้จริงของสองเหตุการณ์นั้นเป็นอย่างไร ทางผมเองก็คงไม่สามารถยืนยันได้ คงต้องให้ผู้ที่ทำงานในสองโรงงานดังกล่าวตรวจสอบกันเอง

blog นี้ได้นำเอาเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นในยุโรป ญี่ปุ่น สหรัฐอเมริกา มานำเสนอหลายเหตุการณ์แล้ว มาคราวนี้ขอนำเอาเรื่องที่เกิดในอินเดียมาเล่าบ้าง อันที่จริงบทความต้นฉบับไม่มีการระบุว่าเกิดที่ไหนและเมื่อใด แต่เป็นเรื่องที่รวบรวมไว้โดย Oil Industry Safety Directorate ของประเทศอินเดีย (https://www.oisd.gov.in/archived-case-studies) ในหัวข้อเรื่อง "Case study on fire incident at VGO-HDT unit" ก็เลยคิดว่าน่าจะเป็นเหตุการณ์ที่เกิดในประเทศอินเดีย เนื้อหาในบทความกล่าวว่าหน่วยผลิตดังกล่าวเริ่มเดินเครื่องในปีค.ศ. ๒๐๑๒ แต่บทความนี้มีการ upload เข้า web site ในเดือนกันยายนปีค.ศ. ๒๐๑๔ แสดงว่าการพังนั้นมันเกิดขึ้นรวดเร็วเหมือนกัน โดยสาเหตุของการพังคาดว่าเป็นการผสมกันของ thermal stress, erosion และ vibration

แต่ก่อนอื่นเรามาลองทำความรู้จักกระบวนการผลิตเพื่อที่จะเข้าใจที่มาของศัพท์บางคำก่อนดีกว่า

รูปที่ ๑ แผนผังหน่วย Vacuum Gas Oil Hydrotreating (VGO-HDT) ภาพต้นฉบับในบทความชี้จุดเกิดเหตุ (Location of explosion) ว่าอยู่ก่อนจุดผสมระหว่างสายร้อนและสายเย็น (จุด A) แต่ในเนื้อหาบอกว่าอยู่ถัดจากจุดผสม ซึ่งเป็นตำแหน่ง B

การกลั่นน้ำมันดิบจะใช้หอกลั่น 2 หอ หอกลั่นหอแรกเป็นการกลั่นที่ความดันบรรยากาศ หอนี้จะกลั่นแยกเอาน้ำมันเบา (คือพวกมีจุดเดือดต่ำ) ออกมาก่อน น้ำมันส่วนที่เหลือที่ออกทางก้นหอกลั่น (พวกมีจุดเดือดสูง) จะเข้าสู่หอกลั่นหอที่สองที่ทำการกลั่นที่สุญญากาศ (ในความเป็นจริงคือความดันต่ำกว่าบรรยากาศ) การที่ลดความดันก็เพื่อให้น้ำมันนั้นเดือดได้ที่อุณหภูมิที่ต่ำลง และยังป้องกันไม่ให้โมเลกุลน้ำมันแตกออกเป็นโมเลกุลเล็กลงถ้าใช้อุณหภูมิที่สูงในการกลั่น น้ำมันกลุ่มนี้จะอยู่ในส่วนของพวกส่วนที่มีจุดเดือดช่วงของน้ำมันดีเซลและพวกที่มีจุดเดือดสูงกว่า

ผลิตภัณฑ์น้ำมันที่ได้จากการกลั่นในหอกลั่นสุญญากาศนี้มีชื่อเรียกหลากหลาย เช่น gas oil, fuel oil, distillate โดยอาจมีคำนำหน้าชื่อพวก ligh, heavy ประกอบ คำว่า light หรือ heavy ตรงนี้มันไม่เกี่ยวข้องกับความหนาแน่น แต่เป็นตัวบอกว่าเป็นน้ำมันส่วนมีจุดเดือดต่ำ (light) หรือน้ำมันที่มีจุดเดือดสูง (heavy) เนื่องจากหอกลั่นนั้นเป็นหอตั้งตรงในแนวดิ่ง พวกที่มีจุดเดือดต่ำจะลอยขึ้นบน (ที่มาของคำว่า light) ในขณะที่พวกที่มีจุดเดือดสูงจะอยู่ทางด้านล่างของหอ (ที่มาของคำว่า heavy)

เรื่องที่นำมาเล่าในวันนี้เกี่ยวข้องกับ Vacuum Gas Oil (VGO) ซึ่งก็คือน้ำมันที่ได้มาจากหอกลั่นสุญญากาศ น้ำมันในส่วนนี้จะมีขนาดโมเลกุลที่ใหญ่ มีโครงสร้างที่มีความไม่อิ่มตัว (C=C) อยู่มาก และมักมีสารประกอบกำมะถัน (S) ปะปนอยู่มาก ในการนำไปใช้งานนั้น ถ้าต้องการนำไปทำให้โมเลกุลแตกออกเป็นโมเลกุลเล็กลง (เช่นเปลี่ยนเป็นน้ำมันเบนซิน) ก็ต้องกำจัดพันธะไม่อิ่มตัวทิ้งก่อน (เปลี่ยนพันธะ C=C เป็น C-C) ด้วยการเติมไฮโดรเจน เพื่อให้โมเลกุลแตกตัวได้ง่ายขึ้น หรือเพื่อลดปัญหามลพิษจากสารประกอบกำมะถัน ก็ต้องกำจัดอะตอมกำมะถันออกก่อนโดยใช้ไฮโดรเจนดึงออกมาในรูป H₂S เนื่องจากหน่วยเหล่านี้มีการใช้ไฮโดรเจนในการปรับสภาพ จึงมีชื่อเรียกรวม ๆ ว่า Hydrotreating (HDT)

รูปที่ ๑ เป็นแผนผังการทำงานของหน่วยที่เกิดเหตุ น้ำมันที่จะนำมาปรับสภาพจะไหลเข้ามายัง feed surge drum V-002 ก่อน ถังนี้ทำหน้าที่ลดความผันผวนของน้ำมันที่ไหลเข้าระบบ กล่าวคือปั๊ม P-001A/B จะทำงานที่สภาวะคงที่ ถ้าน้ำมันไหลเข้ามามากกว่าอัตราการสูบออกของปั๊ม น้ำมันนั้นก็จะสะสมไว้ใน V-002 และถ้าน้ำมันไหลเข้ามาน้อยกว่าอัตราการสูบออกของปั๊ม ปั๊มก็จะดึงเอาน้ำมันที่สะสมเอาไว้ไปใช้ ซึ่งเป็นการลดความผันผวนให้กับหน่วย HDT

ปฏิกิริยา hydrotreating ใช้อุณหภูมิที่สูง ดังนั้นจึงจำเป็นต้องให้ความร้อนแก่ VGO ก่อนด้วยเตาเผา F-001 ก่อนส่งไปทำปฏิกิริยาที่ R-001 และ R-002 น้ำมันร้อนที่ออกจาก R-002 จะถูกทำให้เย็นตัวลง แต่เพื่อที่จะประหยัดการใช้พลังงานจึงนำเอาความร้อนของน้ำมันที่ออกมาก R-002 นี้ไปถ่ายเทให้กับน้ำมันที่จะไหลเข้าเตาเผา F-001 ด้วยเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนจำนวน 7 เครื่อง โดยมีการผสม recycle gas (หลัก ๆ ก็คือไฮโดรเจนที่ต้องใช้ในการทำปฏิกิริยา) ให้กับน้ำมันที่จะเข้าสู่กระบวนการ HDT ก่อนที่น้ำมันนี้จะไหลเข้าสู่เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนตัวแรก E-001A

ปฏิกิริยาเติมไฮโดรเจนหรือกำจัดกำมะถันนั้นเป็นปฏิกิริยาคายความร้อน ซึ่งปฏิกิริยาคายความร้อนมีแนวโน้มที่จะเร่งตนเอง (อุณหภูมิที่สูงขึ้นทำให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาเพิ่มสูงขึ้น) ในกรณีเช่นนี้วิธีการหนึ่งในการควบคุมอุณหภูมิคือการลดอุณหภูมิด้านขาเข้า ซึ่งในกระบวนการนี้ทำโดยการ bypass น้ำมันส่วนหนึ่งไม่ให้ไหลเข้าเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน โดยให้ไปผสมกับน้ำมันที่ไหลผ่านเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน (ที่มีอุณหภูมิสูงกว่า) ทางด้านขาออกของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนตัวที่ 7 E-001G

การตรวจสอบหลังเกิดเหตุพบว่า ใน operating manual, process flow diagram (PFD) และ piping and instrumentation diagram (P&ID) แสดงเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนไว้ 6 ตัว โดยไม่มีหลักฐานปรากฏว่าตัวที่ 7 นั้นมีการติดตั้งเมื่อใด

ท่อที่ไหลผ่านเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนมีขนาด 20 นิ้ว ส่วนท่อ bypass มีขนาด 8 นิ้ว การผสมสายเย็นของท่อ bypass เข้ากับสายร้อนที่มาจากเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนใช้อุปกรณ์ที่เรียกว่า "Quill" (ดูรูปที่ ๒) ที่มีลักษณะเป็นท่องอฉีดของเหลวเข้าไปตรงกลางท่อใหญ่ ในทิศทางเดียวกับการไหลของของเหลวในท่อใหญ่ (ถ้าใช้ google หาความหมายของคำว่า quill จะไปลงที่ปากกาขนนก แต่ถ้าใช้ quill mixer จะหมายอุปกรณ์ฉีดสารเคมี)

รูปที่ ๒ การผสมสายเย็นจากท่อ bypass เข้ากับสายร้อนที่มาจากเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน และตำแหน่งท่อที่เสียหาย

ในช่วงตั้งแต่เริ่มเดินเครื่องจนถึงเวลาก่อนเกิดเหตุ หน่วยผลิตนี้มีการหยุดเดินเครื่องและเริ่มเดินเครื่องใหม่หลายครั้ง ทำให้เกิด thermal shock และ thermal stress หลายครั้งในหน่วยนี้ที่ทำงานที่ความดันและอุณหภูมิสูง ข้อมูลที่บันทึกไว้ก่อนเกิดเหตุแสดงว่าการทำงานเป็นปรกติ เว้นแต่อัตราการไหลของสาย bypass โดยก่อนเกิดเหตุนั้นหน่วยผลิตเดินเครื่องอยู่ที่ 453 m³/hr ในขณะที่ระบบออกแบบไว้ที่ 416 m³/hr (ประมาณ 109% ของค่าที่ออกแบบไว้) อัตราการไหลผ่านเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนอยู่ที่ประมาณ 265 m³/hr โดยที่เหลือนั้นไหลผ่านเส้น bypass (188 m³/hr หรือประมาณ 41.5% ของอัตราการไหลรวมซึ่งจัดว่าสูง) ด้วยอัตราการ bypass ที่สูงทำให้อุณหภูมิก่อนเข้าเตาเผาสูงเพียง 312ºC แทนที่จะเป็น 344ºC จึงส่งผลให้เตาเผาต้องมี heat load เพิ่มขึ้น

ข้องอแรกด้าน downstream ของ quill ถูกรองรับไว้ด้วยท่อเหล็กที่ปลายด้านหนึ่งถูกเชื่อมยึดเข้ากับข้องอ ส่วนปลายด้นพื้นถูกยึดตรึงไว้กับพื้นโดยไม่สามารถขยับได้

ท่อขนาดใหญ่จะมีตัว support รองรับน้ำหนักท่อถ่ายลงพื้น เพื่อไม่ให้ตัวเส้นท่อนั้นต้องแบบรับน้ำหนักท่อ ในกรณีของท่อที่ร้อนนั้น เมื่อท่อร้อนจะมีการขยายตัว ดังนั้นการติดตั้ง support รองรับท่อต้องยอมให้ท่อนั้นขยายตัวในแนวยาวได้ ถ้าปลาย support ด้านท่อถูกเชื่อมติดกับตัวท่อ ส่วนที่วางบนพื้นก็ต้องไม่ถูกยึดตรึง แต่จะถูกประคองไว้ไม่ให้เคลื่อนตัวออกทางด้านข้าง ให้เคลื่อนตัวได้เฉพาะในทิศทางการขยายตัวของท่อเท่านั้น อ่านเรื่องนี้เพิ่มเติมบน blog ได้ในเรื่อง "การเผื่อการขยายตัวของท่อร้อน" MO Memoir ฉบับวันอาทิตย์ที่ ๒๕ กุมภาพันธ์ พ.ศ. ๒๕๖๑: Sunday 25 February 2561"

จากการตรวจสอบการออกแบบ quill นั้นพบว่า ระยะทางระหว่าง quill ถึงข้องอหรือแยกตัว T ตัวแรกนั้นควรต้องมีระยะไม่ต่ำกว่า 10 เท่าของขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางท่อ อย่างเช่นในกรณีนี้เป็นท่อขนาด 20 นิ้ว ดังนั้นระยะทางดังกล่าวควรมีค่าเท่ากับ 200 นิ้ว แต่ในความเห็นจริงนั้นระยะนี้ยาวเพียงแค่ 40 นิ้วเท่านั้น

สายร้อนที่มาจากเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน (ที่มีการผสมแก๊สไฮโดรเจนเข้าไปแล้ว) ควรจะมีอุณหภูมิสูงพอที่จะทำให้น้ำมันนั้นกลายเป็นไอหมด แต่เมื่อผสมเข้ากับสาย bypass ที่เย็นกว่าในสัดส่วนที่สูง จึงทำให้น้ำมันที่เย็นกว่าที่ฉีดเข้ามาทาง quill นั้นใช้เวลาในการระเหยกลายเป็นไอ จึงทำให้เกิดการไหลแบบสองเฟส (ของเหลว + แก๊ส) แบบปั่นป่วนทางด้านขาออกของ quill ทำให้เกิด thermal stress ในท่อช่วงดังกล่าว (เนื้อโลหะสัมผัสของเหลวที่เย็นและไอที่ร้อนสลับไปมา)

การที่ต้องมีส่วนที่เป็นท่อตรงทางด้าน downstream ของ quill ก็เพื่อให้ของเหลวเย็นที่ฉีดเข้ามานั้นระเหยจนหมดกลายเป็นไอ ถ้าท่อช่วงนี้สั้นเกินไปก็จะมีของเหลวที่ยังไม่ระเหยพุ่งเข้าปะทะกับตัวข้องอ รูปแบบนี้น่าจะคล้ายกับการเกิด water hammer ในท่อไอน้ำที่มีน้ำที่ควบแน่นไหลอยู่ภายใน และการเข้าปะทะนี้จะทำให้ท่อเกิดการสั่น

ทางด้าน downstream ของ quill ก่อนถึงข้องอข้อแรกมีท่อ drain ขนาด 3/4 นิ้วติดตั้งอยู่ ซึ่งหลังเกิดเหตุพบว่าท่อนี้ฉีกขาดออกไป (ตำแหน่งในรูปที่ ๒) พึงสังเกตว่าท่อ drain ตรงนี้ใช้ระบบ double block valve ทั้งนี้เพราะเป็นท่อความดันสูงและอุณหภูมิสูง

จุดเริ่มต้นของการรั่วไหลมีการพิจารณาความเป็นไปได้อยู่ 2 สมมุติฐานด้วยกัน สมมุติฐานแรกคือท่อหลัก 20 นิ้วเกิดความเสียหายเนื่องจากการต้องรับทั้ง erosion (ผลของการไหลแบบสองเฟส), thermall stress (การที่ท่อไม่สามารถยืดตัวได้อย่างอิสระเพราะถูกยึดตรึงเอาไว้กับพื้น) และ vibration (ผลของการไหลแบบสองเฟส) ต่อเนื่องกันเป็นเวลานาน สมมุติฐานที่สองคือท่อ drain เกิดความเสียหายก่อน (ผลจาก thermal stress และ vibration) ทำให้เกิดการรั่วไหล จากนั้นจึงตามด้วยการระเบิดภายในท่อ สมมุติฐานอันหลังนี้ดูแปลก ๆ นิดนึง การระเบิดจะเกิดขึ้นภายในท่อได้ก็ต่อเมื่อในท่อนั้นมันมีอากาศอยู่ แต่ด้วยการที่ภายในท่อมีความดันสูง ดังนั้นน้ำมันและไฮโดรเจนจะฉีดพุ่งออกมาข้างนอกโดยที่อากาศไม่สามารถแพร่เข้าไปได้

(พวกน้ำมันดีเซล น้ำมันเตา เป็นพวกที่มี autoignition temperature ไม่สูง (ค่าประมาณ 200ºC ขึ้นไป) ดังนั้นเมื่อน้ำมันร้อนเหล่านี้รั่วไหลออกมาเจอกับอากาศ ก็จะลุกติดไฟได้เองทันที่โดยไม่ต้องมีความร้อน เปลวไฟ หรือประกายไฟช่วยให้เกิดการลุกไหม้)

รูปที่ ๓ บทความต้นฉบับไม่ได้ให้รายละเอียดใด ๆ กับรูปนี้ แต่ดูแล้วเห็นว่าตัวที่อยู่ด้านล่างขวาของรูปน่าจะคือ Quill

Liquid ring compressor MO Memoir : Thursday 3 October 2567

ตั้งแต่มาทำงานสอนหนังสือ วิชาบังคับนิสิตปริญญาตรีที่ได้สอนและยังสอนมาจนถึงปัจจุบันคือ เคมีวิเคราะห์, เคมีอินทรีย์ และพื้นฐานการคำนวณเชิงตัวเลข (ปีนี้เป็นปีแรกที่ภาควิชาให้ผมไปสอนไฟฟ้ากำลังให้กับนิสิตวิศวกรรมเคมี ????) วิชาพวก unit operation, process control, plant design ฯลฯ เหล่านี้ ไม่เคยไปแตะ เพราะมีคนแย่งกันกันสอนเต็มไปหมด ในขณะที่วิชาที่ผมสอนอยู่นั้นมันไม่มีใครอยากมาสอน (ทั้ง ๆ ที่มันจำเป็นต้องใช้)

แต่ก็มีอยู่เป็นประจำครับ ที่ศิษย์เก่าภาควิชา (หรือไม่ก็นิสิตฝึกงาน) ส่งข้อความมาถามปัญหาเกี่ยวกับ อุปกรณ์การผลิตบ้าง, การควบคุมกระบวนการบ้าง, การออกแบบกระบวนการบ้าง หรือปัญหาในการกระบวนผลิตบ้าง ซึ่งเรื่องไหนพอช่วยได้ก็ให้ความเห็นหรือคำแนะนำไป ส่วนท้ายสุดผลจะเป็นอย่างไรนั้นก็ไม่รู้เหมือนกัน เพราะพวกเขามักจะเงียบหายไปโดยไม่บอกว่าคำแนะนำหรือความเห็นที่ให้ไปนั้น มันใช้ได้หรือถูกต้องหรือไม่

เมื่อวานก็มีศิษย์เก่ารายหนึ่งส่งข้อความถามมาเรื่อง liquid ring compressor โดยเขาสงสัยว่าปรกติ compressor มันไม่ชอบของเหลวไม่ใช่หรือ แล้วทำไมในกรณีนี้ถึงมีของเหลวใน compressor ซึ่งผมก็ได้อธิบายเขาไปสั้น ๆ (แล้วเขาก็เงียบหายไปแบบเดียวกับรายอื่น ๆ ก่อนหน้านี้)

อุปกรณ์ที่ใช้ "แรงเหวี่ยง" ในการเพิ่มความดันให้กับ fluid พวก "centrifugal" pump ที่เราใช้เพิ่มความดันให้กับของเหลว มันก็ไม่ชอบให้ของเหลวที่ไหลเข้าปั๊มมีฟองแก๊สปะปน ในทางกลับกัน "centrifugal" compressor ที่เราใช้เพิ่มความดันให้กับแก๊ส มันก็ไม่ชอบให้มีหยดของเหลวปะปนมากับแก๊สที่ไหลเข้า เพราะหยดของเหลวที่ติดเข้ามากับแก๊สนั้นสามารถทำความเสียหายให้กับตัว compressor ได้ แต่ตัวของ liquid ring compressor นั้นแตกต่างออกไป

ตัว liquid ring compressor เองมันก็มีใบพัดที่หมุนอยู่ในตัวเรือนในทำนองคล้ายคลึงกัน centrifugal compressor แต่มันไม่ได้เพิ่มความดันให้กับแก๊สด้วยการใช้แรงเหวี่ยง (เพิ่ม velcocity head ที่จะถูกเปลี่ยนเป็น pressure head ภายหลัง) มันเพิ่มด้วยการอัดแก๊สให้มีปริมาตรเล็กลง (เพิ่ม pressure head โดยตรง) ซึ่งเป็นหลักการทำงานของพวก "positive displacement"

ด้วยเหตุนี้วันนี้ก็เลยขอนำหลักการทำงานของ liquid ring compressor มาบันทึกไว้หน่อย โดยรูปภาพในบันทึกนี้จับภาพมาจากคลิปวิดิโอ https://www.youtube.com/watch?v=Ldl3Q2Lz_7k ที่จัดทำโดยบริษัทผู้ผลิต liquid ring compressor รายหนึ่ง (NASH) วิดิโอต้นฉบับนั้นพื้นหลังเป็นสีดำ ถ้าเอามาลงเป็นภาพนิ่งแล้วจะดูยาก ก็เลยใช้โปรแกรมช่วย invert สี ทำให้สีในภาพเหล่านี้ไม่เหมือนกับในคลิปวิดิโอ

รูปที่ ๑ เป็นตัวอย่างโครงสร้างของ liquid ring compressor ที่มีใบพัดติดตั้งอยู่ในตัวเรือน แต่ติด "เยื้องศูนย์" กับจุดศูนย์กลางของตัวเรือน โดยในรูปที่ ๑ นั้นจะติดที่ตำแหน่งที่ต่ำกว่าจุดศูนย์กลางของตัวเรือน ในขณะที่ใบพัดหยุดยิ่งนั้น ของเหลวในตัวเรือน (สีส้ม) จะสะสมอยู่ด้านล่าง แต่เมื่อใบพัดเริ่มหมุน (ในรูปคือหมุนตามเข็มนาฬิกา) ส่วนปลายของใบพัดที่จุ่มอยู่ในของเหลวก็จะกวาดของเหลวให้ไหลขึ้นไปตามผิวด้านในของตัวเรือน ด้วยแรงเหวี่ยงของใบพัดทำให้ของเหลวนั้นก่อรูปเป็นวงแหวนของเหลวที่ขอบของตัวเรือน โดยที่บริเวณปลายของใบพัดนั้น (ไม่ว่าจะอยู่ด้านล่างหรือด้านบน) จะจุ่มอยู่ในของเหลวตลอดเวลา และเกิดที่ว่างระหว่างใบพัดแต่ละใบกับของเหลวที่อยู่ที่ปลายใบพัดนั้น

รูปที่ ๑ โครงสร้างของ liquid ring compressor (1) ช่องทางให้แก๊สไหลเข้าเครื่อง (2) ช่องทางให้แก๊สไหลเข้าไปในที่ว่างระหว่างใบพัด (3) ที่ว่างระหว่างใบพัดกับของเหลว (4) ของเหลวที่ถูกเหวี่ยงให้กลายเป็นวงแหวนล้อมรอบใบพัด (5) ช่องทางให้แก๊สที่ถูกอัดตัวไหลออก (6) ช่องทางจ่ายแก๊สออกเข้าระบบ

หมายเหตุ : ในกรณีของ centrifugal compressor นั้น ศูนย์กลางใบพัดจะอยู่ที่เดียวกับศูนย์กลางของตัวเรือน และปลายใบพัดนั้นจะใกล้กับตัวเรือนมาก ระยะห่างระหว่างปลายใบพัดกับตัวเรือนหรือที่เรียกว่า tip clearance นั้นถ้ามากเกินไป ก็จะทำให้ประสิทธิภาพลดลง

ส่วนที่ว่าของเหลวจะเป็นอะไรนั้นก็ขึ้นอยู่กับกระบวนการ เพราะแก๊สที่ไหลออกไปก็จะมีไอระเหยของของเหลวนั้นติดไปด้วย ในกรณีที่ใช้ปั๊มสุญญากาศก็ควรใช้ของเหลวที่มีความดันไอต่ำ

ต่อไปขอให้ดูรูปที่ ๒ ที่บริเวณตอนล่าง ใบพัดจะจมอยู่ในของเหลวมากสุด โดยอาจไม่เหลือที่ว่างระหว่างใบพัดเลย ปริมาตรที่ว่างระหว่างใบพัดนั้นจะเพิ่มขึ้นเมื่อใบพัดหมุนขึ้น (พึงสังเกตปริมาตรที่ว่างจากตำแหน่ง 1-6 จะเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ) ปริมาตรที่ว่างที่ค่อย ๆ เพิ่มขึ้นนี้จะเหมือนกับกรณีของระบบลูกสูบในจังหวะที่ลูกสูบเคลื่อนที่ถอยหลัง ทำให้ปริมาตรในกระบอกสูบเพิ่มมากขึ้น ความดันในที่ว่างจึงลดต่ำลง แก๊สจึงไหลเข้ามาเติมเต็มในที่ว่างเหล่านี้ได้

รูปที่ ๒ ขั้นตอนการดูดแก๊สเข้ามาในตัวเรือน

รูปที่ ๓ เป็นขั้นตอนการอัดแก๊ส ในขณะที่ใบพัดกำลังเคลื่อนที่ลงนั้น ปริมาตรที่ว่างระหว่างใบพัดกับของเหลวที่ปลายใบพัดก็จะลดลง (ตามลำดับเลขจาก 1-6) ดังนั้นแก๊สที่อยู่ในช่องว่างเหล่านี้ก็จะมีความดันที่เพิ่มสูงขึ้นเรื่อย ๆ และเมื่อช่องว่างดังกล่าวหมุนมาตรงกับช่องระบายแก๊สออก (discharge port - รูปที่ ๔) แก๊สที่ถูกอัดให้มีปริมาตรเล็กลงก็จะถูกระบายออกไป และก็จะไปเริ่มต้นกระบวนการรับแก๊สเข้ามาในช่องว่างนั้นใหม่

รูปที่ ๓ ขั้นตอนการอัดแก๊ส

ข้อดีข้อหนึ่งของ liquid ring compressor เมื่อเทียบกับ recprocating คือ การไหลของแก๊สที่จ่ายออกไปนั้นจะราบเรียบ ไม่เป็นจังหวะเหมือนกรณีของพวก reciprocating และด้วยการที่มันไม่มีการเสียดสีกันของชิ้นส่วนโลหะ มันจึงไม่มีปัญหาเรื่องการสึกหรอหรือต้องการการหล่อลื่น

เมื่อเทียบกับพวก centrifugal compressor ของเหลวที่อยู่ภายในยังทำหน้าที่เป็นแหล่งรับความร้อนที่เกิดจากการอัดแก๊ส ถ้าในขณะทำงานมีการหมุนเวียนของเหลวนี้ออกไประบายความร้อนทิ้ง ก็จะทำให้แก๊สที่ออกมานั้นมีอุณหภูมิสูงขึ้นไม่มาก จึงปลอดภัยกว่าสำหรับการอัดแก๊สที่ถ้าอุณหภูมิสูงเกินไปจะทำให้แก๊สเกิดการสลายตัว และในกรณีที่แก๊สที่ไหลเข้ามานั้นมีความสกปรก (เช่นมีฝุ่นของแข็ง หรือละอองของเหลวปะปนเข้ามา) ตัวของเหลวก็จะช่วยดักฝุ่นหรือละอองของเหลวเหล่านั้นไม่ให้ออกไปกับแก๊สขาออก (แต่ก็ต้องหมุนเวียนเอาของเหลวนั้นไปกรองเอาฝุ่นออกด้วย) ทำให้อาจไม่จำเป็นต้องติดตั้ง knock out drum ทางด้านขาเข้าเช่นกรณีของ centrifugal compressor

แต่มันก็มีข้อเสียคือประสิทธิภาพจะต่ำกว่า (ประมาณราว ๆ 30%) และยังต้องมีการใช้ของเหลวช่วยในการทำงาน ซึ่งทำให้แก๊สที่ไหลออกไปนั้นมีไอระเหยของของเหลวนั้นปะปนไปด้วย

รูปที่ ๔ ขั้นตอนการจ่ายแก๊สออก