Restriction orifice MO Memoir : Sunday 21 December 2568

ค่าสัมประสิทธิ์การระบาย (Discharge coefficient หรือ Coefficient of discharge หรือย่อว่า C_d) เป็นค่าอัตราส่วนระหว่างปริมาตรการไหลจริงที่ของไหลไหลผ่านช่องเปิด ต่อปริมาตรการไหลทางทฤษฎี เพื่อให้เห็นภาพตรงนี้ลองดูรูปที่ ๑ ข้างล่าง ที่แสดงรูปร่างลำของเหลวที่พุ่งผ่านรูที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางเท่ากัน แต่มีรูปร่างทางเข้า-ออกและความหนาของผนังที่แตกต่างกัน (หมายเหตุ : มีบางที่แปลคำนี้ว่าสัมประสิทธิ์การไหล แต่ในที่นี้ไม่อยากใช้คำดังกล่าวเพราะเกรงว่าจะไปซ้ำกับคำแปลของค่า Flow coefficient ซึ่งเป็นอีกพารามิเตอร์หนึ่ง)

รูปที่ ๑ ขนาดลำของไหลที่พุ่งผ่านรูที่มีขนาดช่องเปิดเท่ากัน แต่รูปร่างทางเข้า-ออกและความหนาของผนังแตกต่างกัน จะเห็นว่าลำของไหลที่ฉีดพุ่งออกมานั้นจะมีขนาดที่แตกต่างกัน

ในทางทฤษฎีนั้นอัตราการไหลของของไหลที่ไหลผ่านช่องเปิดนั้นจะแปรผันกับรากที่สองของผลต่างระหว่างความดันด้านขาเข้า (ด้านความดันสูง - P_in) และความดันด้านขาออก (ด้านความดันต่ำ - P_out) หรือ (P_in - P_out)^0.5 ตัวอย่างเช่นในกรณีของน้ำที่ไหลผ่านรูกลมที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 50 mm (ที่มีค่า C_d = 0.65) ออกสู่บรรยากาศ (P_out = 0 bar.g) และกำหนดให้ความกว้างของผิวน้ำด้านขาเข้ามีขนาดที่ใหญ่มากเมื่อเทียบกับขนาดของรูกลม (เช่นกรณีของน้ำรั่วไหลออกจากถังเก็บ แต่ถ้าเป็นการไหลในท่อ ความกว้างด้านขาเข้าก็คือขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางท่อด้านขาเข้า) อัตราการไหลของน้ำที่ค่าความด้นด้านขาเข้าจาก 0.1-100 bar.g แสดงไว้ในรูปที่ ๒

เนื่องจากอัตราการไหลแปรผันตามรากที่สองของผลต่างระหว่างความดันด้านขาเข้าและความดันด้านขาออก ดังนั้นถ้าเราทราบความดันของของไหลทั้งด้านขาเข้าและด้านขาออก เราก็จะสามารถคำนวณหาอัตราการไหลของของไหลนั้นได้ ซึ่งนี่ก็เป็นหลักการวัดอัตราการไหลในท่อด้วยแผ่นออริฟิก (orifice plate)

แต่การใช้งานแผ่นออริฟิกนั้นไม่ได้จำกัดอยู่เพียงแค่การวัดอัตราการไหล มันยังมีประโยชน์ในการควบคุมอัตราการไหลไม่ให้เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเวลาที่ความดันด้านขาเข้าเพิ่มสูงขึ้นอย่างรวดเร็ว เวลาที่นำแผ่นออริฟิกมันมาใช้งานในรูปแบบนี้เราจะเรียกมันว่า restriction orifice (บางที่ในแบบจะเขียนย่อว่า RO)

รูปที่ ๒ อัตราการไหลของน้ำ (ลิตรต่อนาที) ผ่านรูกลมขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 50 mm (ที่มีค่า C_d = 0.65) ออกสู่บรรยากาศ (P_out = 0 bar.g) ที่ค่าความดันด้านขาเข้าต่าง ๆ

รูปที่ ๓ แสดงตัวอย่างการประยุกต์ใช้งาน restriction orifice โดยรูปซ้ายเป็นการใช้งานกับ minimum flow line (หรือ kick back line) ของปั๊มหอยโข่ง คือในการทำงานของปั๊มหอยโข่งนั้นต้องมีของเหลวไหลผ่านปั๊มตลอดเวลาด้วยอัตราการไหลขั้นต่ำค่าหนึ่ง เพื่อระบายความร้อนออกจากตัวปั๊ม เพราะถ้าของเหลวไหลผ่านไม่มากพอ ความร้อนที่เกิดจากการหมุนของใบพัดจะทำให้ของเหลวในตัวปั๊มเดือดจนเกิดการระเบิดได้ ในกรณีที่มีโอกาสที่วาล์วด้านขาออกของปั๊มจะปิดสนิทในขณะทำงาน (เช่นท่อด้านขาออกมีวาล์วควบคุมการไหลอัตโนมัติ) ก็จะมีการเดินท่อ minimum flow line นี้เพื่อให้ของเหลวด้านขาออกส่วนหนึ่งไหลวนกลับไปทางด้านขาเข้า ท่อนี้อาจเป็นท่อขนาดเล็กที่ไม่มีวาล์วใด ๆ (ขนาดท่อจะเล็กว่าท่อหลัก) หรือเป็นท่อที่มีการติดตั้งวาล์วที่สามารถปรับอัตราการไหลได้ (เช่น globe valve) หรือไม่ก็ติดตั้ง restriction orifice การใช้ท่อขนาดเล็กที่ไม่มีวาล์วใด ๆ หรือไม่ก็ติดตั้ง restriction orifice มีข้อดีตรงที่ไม่ต้องกังวลว่าจะลืมเปิดวาล์ว แต่ก็มีสิ่งที่ต้องจ่ายคือการสูญเสียพลังงาน เพราะอัตราการไหลด้านขาออกของปั๊มจะเป็นผลรวมของ อัตราการไหลที่หน่วย downstream ต้องการ กับอัตราการไหลย้อนกลับ ซึ่งอัตราการไหลย้อนกลับคือการสูญเสีย

รูปที่ ๓ ตัวอย่างการประยุกต์ใช้ restriction orifice รูปซ้ายเป็นการใช้ใน minimum flow line ของปั๊มหอยโข่ง รูปขวาเป็นการใช้เพื่อป้องกันไม่ให้ของไหลด้านความดันสูงไหลเข้าระบบความดันต่ำด้วยอัตราเร็วที่สูงเกินไป

 

อีกตัวอย่างของการใช้งาน restriction orifice เพื่อความปลอดภัยแสดงในรูปที่ ๓ ด้านขวา restriction orifice จะถูกติดตั้งด้าน down stream ของวาล์วลดความดัน ตัวอย่างของระบบนี้ได้แก่ separator ที่แยกของเหลวจุดเดือดต่ำออกจากจุดเดือดสูงด้วยการลดความดัน ในกรณีที่ของเหลวด้านความดันสูงนั้นไหลเข้ามาเร็วมากเกินไป ปริมาณไอที่เกิดขึ้นก็อาจมากเกินความสามารถที่วาล์วระบายความดันของ vessel ด้านความดันต่ำจะระบายออกได้ทัน

หมายเหตุ

รูปแบบระบบ piping รอบปั๊มหอยโข่งอ่านได้ในบทความเรื่อง
ฝึกงานภาคฤดูร้อน๒๕๕๓ ตอนที่ ๖ ระบบ pipingของปั๊มหอยโข่ง MOMemoir : Thursday 18 February 2553

 

การระเบิดของปั๊มหอยโข่งที่เกิดจากไม่มีของเหลวไหลผ่านปั๊มในขณะที่ปั๊มทำงานอยู่ อ่านได้ในบทความเรื่อง
ปั๊มระเบิดเพราะไม่ได้เปิดวาล์ว (๑) MO Memoir : Thursday 22 February 2567
ปั๊มระเบิดเพราะไม่ได้เปิดวาล์ว (๒) MO Memoir : Sunday 25 February 2567
ปั๊มระเบิดเพราะไม่ได้เปิดวาล์ว (๓) MO Memoir : Monday 26 February 2567

การระเบิดที่เกิดจากแก๊สด้านความดันสูงรั่วไหลเข้าสู่ด้านความดันต่ำรวดเร็วเกินไป อ่านได้ในบทความเรื่อง
เพลิงไหม้และการระเบิดที่ BP Oil (Grangemouth) Refinery 2530(1987) Case 2 การระเบิดที่หน่วยHydrocracker ตอนที่๑ MO Memoir :Sunday 4 November 2561 (บทความเรื่องนี้มีด้วยกัน ๕ ตอน)

เพลิงไหม้จากน้ำมันเตารั่วระหว่างเก็บตัวอย่าง MO Memoir : Wednesday 17 December 2568

"การรั่วของน้ำมันเบนซิน (gasoline) กับน้ำมันเตา (fuel oil) อันไหนอันตรายกว่ากัน"

คำถามข้างบนผมถามเป็นประจำกับนิสิตที่เรียนวิชาเกี่ยวกับความปลอดภัย และคำตอบที่ได้ก็แตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับว่าผู้ตอบนั้นมีประสบการณ์อย่างไร

เวลาที่มีการพูดถึงอันตรายจากเพลิงไหม้ที่เกิดจากการรั่วไหลของเชื้อเพลิง คนส่วนใหญ่ (หรือเกือบทั้งหมด) มักจะดูค่าอุณหภูมิจุดวาบไฟ (flash point) ซึ่งเป็นอุณหภูมิต่ำสุดที่ทำให้เชื้อเพลิงนั้นสามารถระเหยกลายเป็นไอในปริมาณที่มากพอที่เมื่อผสมกับอากาศแล้วจะสามารถลุกติดไฟได้ โดยมักจะมองว่าสารยิ่งมีอุณหภูมิจุดวาบไฟที่ต่ำ ก็ยิ่งมีอันตรายจากเพลิงไหม้สูงเมื่อเกิดการรั่วไหล

แต่ในทางปฏิบัติเช่นในโรงงานอุตสาหกรรมที่เชื้อเพลิงเหล่านั้นมีอุณหภูมิสูง หรือมีพื้นผิวที่มีอุณหภูมิสูงอยู่ในบริเวณใกล้ ๆ (เช่นท่อไอน้ำ) เชื้อเพลิงที่มีอุณหภูมิจุดวาบไฟที่สูง กลับเกิดการลุกไหม้ได้ง่ายเพียงแค่มันรั่วไหลออกมาสัมผัสกับอากาศหรือพื้นผิวที่ร้อนเหล่านั้น ทั้งนี้เป็นเพราะมันมีค่าอุณหภูมิจุดลุกติดไฟได้ด้วยตนเองหรือ auto-ignition temperature ที่ต่ำ ดังนั้นแม้ว่าเชื้อเพลิงที่รั่วออกมานั้นจะเป็นของเหลวและมีอุณหภูมิที่ต่ำกว่าจุดวาบไฟของมัน แต่เมื่อพบกับพื้นผิวที่มีอุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิจุดลุกติดไฟได้ด้วยตนเองมันก็จะลุกติดไฟได้ และถ้ามันมีอุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิจุดลุกติดไฟได้ด้วยตนเอง มันก็จะลุกติดไฟทันทีเมื่อสัมผัสกับอากาศภายนอก

รูปที่ ๑ ระบบเก็บตัวอย่างที่เกิดเหตุ

น้ำมันเบนซินเป็นเชื้อเพลิงที่มีค่าอุณหภูมิจุดวาบไฟที่ต่ำกว่าน้ำมันดีเซลและน้ำมันเตา ในขณะที่น้ำมันดีเซลและน้ำมันเตามีค่าอุณหภูมิจุดลุกติดไฟได้ด้วยตนเองต่ำกว่าเบนซินมาก โดยเฉพาะน้ำมันเตาที่ต้องให้ความร้อนให้มีอุณหภูมิสูงพอเพื่อให้มันมีสถานะเป็นของเหลวจะได้ส่งไปตามระบบท่อด้วยการใช้ปั๊มได้ ดังนั้นเวลาที่มันรั่วไหลออกมาก็มักจะเกิดไฟลุกไหม้ทันที ซึ่งแตกต่างจากพวกที่มีอุณหภูมิจุดลุกติดไฟได้ด้วยตนเองสูง (เช่นน้ำมันเบนซินและแก๊สหุงต้ม)

และเรื่องที่นำมาเล่าในวันนี้ก็เป็นเหตุการณ์ที่เกิดจากน้ำมันเตา

เรื่องที่นำมาเล่าในวันนี้นำมาจากบทความเรื่อง "Fire of a fuel oil fraction during sampling at a vacuum distillation unit" (https://www.shippai.org/fkd/en/cfen/CC1200091.html) เป็นเหตุการณ์เกิดที่เมือง Mie ประเทศญี่ปุ่นเมื่อวันที่ ๒๙ กุมภาพันธ์ ค.ศ. ๑๙๙๖ (พ.ศ. ๒๕๓๙) โดยเป็นเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นระหว่างการเก็บตัวอย่างน้ำมันเตาจากหอกลั่นสุญญากาศ

หมายเหตุ : การกลั่นน้ำมันดิบจะใช้หอกลั่น ๒ หอ โดยหอกลั่นหอแรกจะเป็นการกลั่นที่ความดันบรรยากาศ การกลั่นครั้งแรกนี้จะแยกเอาน้ำมันเบาต่าง ๆ ออกไปก่อน (คร่าว ๆ คือพวกที่มีจุดเดือดระดับดีเซลและต่ำกว่า) จากนั้นจึงเอาน้ำมันหนักส่วนที่เหลือที่เป็นพวกโมเลกุลขนาดใหญ่ไปกลั่นแยกในหอกลั่นที่สองที่เป็นการกลั่นภายใต้สุญญากาศ (ในความเป็นจริงคือความดันต่ำกว่าความดันบรรยากาศปรกติ) ก็เพื่อให้น้ำมันโมเลกุลใหญ่เหล่านี้ระเหยกลายเป็นไอได้ง่ายขึ้นโดยไม่ต้องใช้อุณหภูมิที่สูง การกลั่นครั้งที่สองนี้จะแยกเอาน้ำมันหนักออกเป็นส่วนต่าง ๆ เช่น น้ำมันดีเซล น้ำมันหล่อลื่น น้ำมันเตาเกรดต่าง ๆ และยางมะตอย

ระบบเก็บตัวอย่าง (รูปที่ ๑) ประกอบด้วยท่อขนาด 3/4 นิ้วที่แยกออกมาจากท่อหลักขนาด 6 นิ้ว น้ำมันเตาในท่อนั้นมีอุณหภูมิ 300ºC (อุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิจุดลุกติดไฟได้ด้วยตนเอง) และจะกลายเป็นของแข็งเมื่อเย็นตัวลง ดังนั้นจึงต้องให้ความร้อนแก่ท่อเก็บตัวอย่าง (sample line) ด้วยการพันท่อไอน้ำไปรอบ ๆ (ท่อ steam tracer) มีวาล์วขนาด 3/4 นิ้ว 1 ตัว (1) ปิดกั้นท่อเก็บตัวอย่างจากท่อหลัก และมีวาล์ว 3/4 นิ้วอีก 1 ตัว (2) ปิดกั้นระหว่างท่อเก็บตัวอย่างกับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน (4 - Sample cooler) น้ำมันจะไหลในท่อของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนลงสู่จุดรองรับตัวอย่างด้านล่างที่มีวาล์ว 3/4 นิ้วอยู่อีก 1 ตัว (5) โดยด้านนอกของท่อน้ำมันจะสามารถให้ไอน้ำ (3.5 kg/cm² steam อุณหภูมิประมาณ 148ºC) หรือน้ำ (industrial water) ไหลเข้ามาเพื่อให้ความร้อนหรือหล่อเย็น (เพื่อให้น้ำมันเตาในท่อไหลได้โดยมีอุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิจุดลุกติดไฟได้ด้วยตนเอง) นอกจากนี้ระหว่างวาล์ว (1) และ (2) ยังมีท่อไอน้ำต่อเข้าไป (5) เพื่อใช้สำหรับไล่น้ำมันที่ค้างอยู่ในท่อเก็บตัวอย่าง เพื่อไม่ให้น้ำมันที่ค้างอยู่นั้นแข็งตัวซึ่งจะทำให้ท่อเก็บตัวอย่างอุดตัน

ในวันที่เกิดเหตุนั้นโอเปอร์เรเตอร์เข้าไปเก็บตัวอย่างน้ำมันเตา แต่เมื่อเปิดวาล์วพบว่ามีน้ำมันไหลออกมาเพียงเล็กน้อย จึงได้ทำการเปิดวาล์วให้มากขึ้น (บทความใช้คำว่าอย่างไม่ระมัดระวัง) ทันใดนั้นน้ำมันก็พุ่งออกมาทันทีจนล้นอ่างรองรับน้ำมันและลุกติดไฟทันทีเนื่องจากอุณหภูมิน้ำมันสูงกว่าอุณหภูมิจุดลุกติดไฟได้ด้วยตนเอง ประมาณว่าน้ำมันได้รั่วไหลออกมาประมาณ 200 ลิตรก่อนที่จะดับเพลิงได้

สาเหตุที่ทำให้ท่ออุดตันเป็นเพราะในการเก็บตัวอย่างก่อนหน้านั้นไม่ได้ทำการไล่ (purging) น้ำมันที่ค้างอยู่ในท่อออกให้หมด เมื่อเย็นตัวลงน้ำมันที่ค้างอยู่ก็เลยอุดตันท่อ เมื่อเปิดให้น้ำมันใหม่เข้ามา ความร้อนจากน้ำมันใหม่ก็ทำให้น้ำมันที่แข็งตัวอยู่ในท่อละลาย ประกอบด้วยวาล์วเก็บตัวอย่างที่เปิดกว้างอยู่เลยทำให้น้ำมันพุ่งออกมาแรง นอกจากนี้ในการเก็บตัวอย่างยังไม่ได้ใช้ Sample cooler ในการลดอุณหภูมิน้ำมันให้ต่ำกว่าอุณหภูมิจุดลุกติดไฟได้ด้วยตนเองก่อน จึงทำให้น้ำมันที่รั่วออกมานั้นลุกติดไฟทันที

อันที่จริงมีเหตุการณ์หลายกรณีที่ให้คำแนะนำว่า วาล์วเก็บตัวอย่างควรเป็นชนิดที่ต้องใช้แรงในการเปิดวาล์วต้านแรงสปริง (ที่เรียกว่า spring loaded หรือ deadman spring return) ที่เมื่อปล่อยมือแรงสปริงจะทำให้วาล์วปิด การรั่วไหลก็จะหยุด

เรื่องเล่าในวันนี้ก็จบเพียงเท่านี้