เนื้อหาวันที่ : 2009-06-15 11:10:41 จำนวนผู้เข้าชมแล้ว : 14851 views

ระบบไอน้ำกับแนวทางการออกแบบอย่างมีประสิทธิภาพ

ไอน้ำเป็นของเหลวที่มีพลังงานโดยเฉพาะความร้อนอยู่เป็นจำนวนมากและเป็นของเหลวที่สามารถพาความร้อนในตัวเองไปแลกเปลี่ยนถ่ายเทความร้อนได้ง่ายจึงนิยมใช้เป็นแหล่งพลังงานสำหรับเพิ่มความร้อน ดังนั้นเพื่อให้การใช้งานมีประสิทธิภาพและปลอดภัย ระบบไอน้ำจะต้องออกแบบอย่างถูกหลักวิศวกรรม

ธนกร ณ พัทลุง 

.

ไอน้ำเป็นของเหลวที่มีพลังงานโดยเฉพาะความร้อนอยู่เป็นจำนวนมากและเป็นของเหลวที่สามารถพาความร้อนในตัวเองไปแลกเปลี่ยนถ่ายเทความร้อนได้ง่ายจึงนิยมใช้เป็นแหล่งพลังงานสำหรับเพิ่มความร้อน ดังนั้นเพื่อให้การใช้งานมีประสิทธิภาพและปลอดภัย ระบบไอน้ำจะต้องออกแบบอย่างถูกหลักวิศวกรรม

.
ข้อพิจารณาในการออกแบบ
ในการออกแบบต้องคำนึงถึงความสามารถของระบบ 3 ส่วน คือ

1. Steam Quality (คุณภาพของไอน้ำ) เพื่อให้ควบคุมการแลกเปลี่ยนความร้อนของไอน้ำได้ดีและไม่มีน้ำปนไปกับไอน้ำจึงต้องทำให้ไอน้ำแห้งที่สุดก่อนซึ่งทำได้โดย

.

1.1 การผลิตไอน้ำของหม้อไอน้ำต้องผลิตให้ได้ไอน้ำอิ่มตัว (Saturated Steam) ไม่มีน้ำปนโดยที่ตัวหม้อไอน้ำจะมี Separator ไว้ดักน้ำ ดังรูปที่ 1 ถ้าความเร็วของไอน้ำที่ออกจากผิวหน้าของน้ำมีค่าต่ำพอประมาณ 3 ฟุตต่อนาที ไอน้ำจะแยกตัวออกจากน้ำโดยไม่มีการพาน้ำไปด้วย

.

รูปที่ 1 แสดง Separator ในหม้อไอน้ำ

.

1.2.การดักแยกคอนเดนเสทที่เกิดจากการสูญเสียความร้อนของไอน้ำ (หยดน้ำ) ขณะส่งผ่านท่อเมนโดยใช้สตีมแทรปโดยปากทางเข้าสตีมแทรปจะต้องกว้างเพียงพอที่จะไม่ให้คอนเดนเสทไหลข้ามไป
1.3 การดักแยกคอนเดนเสท (ละอองหยดน้ำ) ก่อนเข้าอุปกรณ์ต่าง ๆ ให้ใช้โดยอุปกรณ์แยกไอน้ำ (Separator, Strainer 100 Mesh)
1.4.การเปลี่ยนแปลงความดันไอน้ำจากสูงเป็นเกิดการคายความร้อนไปทำให้คอนเดนเสทที่ปนมากับไอน้ำระเหยกลายเป็นไอน้ำหมดหรือความร้อนนี้จะไปต่อต้านการควบแน่นของไอน้ำ

.

1.5 การรักษาระดับแรงดันไอน้ำโดย Regulator Valve (Reducing Valve) เพื่อความสม่ำเสมอของคุณภาพไอน้ำโดยไม่คำนึงถึงการเปลี่ยนแปลงแรงดันไอน้ำจากหม้อไอน้ำ
1.6 การเดินท่อไอน้ำให้มีแนวลาดเอียงเข้าหาต้นทางเพื่อป้องกันไม่ให้คอนเดนเสทไปกับไอน้ำ (1:100 ถึง 1:200)
1.7 การต่อท่อนำไอน้ำไปใช้งานจากด้านบนของท่อเมนเพื่อเอาไปแต่ไอน้ำเท่านั้น

.

2. Steam Quality ปริมาณของไอน้ำ คือ น้ำหนักของไอน้ำที่พาเอาปริมาณความร้อนไปแลกเปลี่ยนให้ได้ตามต้องการเนื่องจากไอน้ำเป็นของไหลจึงต้องพิจารณาในเทอมของปริมาตรต่อหน่วยเวลาซึ่งจะสัมพันธ์กับน้ำหนักไอน้ำแตกต่างกันไปตามการเปลี่ยนแปลงของ

.

2.1 ความดันไอน้ำจากคุณสมบัติของไอน้ำที่ความดันสูงจะมีปริมาตรจำเพาะต่ำนั้น คือที่ความต้องการน้ำหนักไอน้ำเท่ากันที่ความดันไอน้ำสูงจะใช้ปริมาตรไอน้ำน้อยกว่าที่ความดันต่ำ

.

2.2.ความเร็วของไอน้ำจากอัตราการไหลเท่ากับพื้นที่หน้าตัดคูณความเร็วของไหลที่ท่อขนาดเดียวกันถ้าต้องการปริมาตรไอน้ำเพิ่มขึ้นต้องใช้ความเร็วของไอน้ำมากขึ้น โดยปกติการออกแบบจะต้องกำหนดความเร็วของไอน้ำไว้ด้วยค่าเหมาะสม (สำหรับท่อเมน 20–25 m/s, ท่อสาขาใช้งานความเร็วสามารถเป็น 40 m/s ได้และในส่วนของ Flash Steam ควรใช้ความเร็ว 15 m/s) แล้วไปเลือกขนาดท่อและอุปกรณ์ (พื้นที่หน้าตัด) ให้ได้ปริมาตรต่อหน่วยเวลาตามต้องการ

.

2.3 ขนาดของท่อสัมพันธ์กับแรงดันไอน้ำ ความต้องการสุดท้ายคือน้ำหนักของไอน้ำต่อหน่วยเวลาซึ่งสัมพันธ์กับปริมาตรจำเพาะตามแรงดันที่เปลี่ยนไปและปริมาตรไอน้ำต่อหน่วยเวลาก็สัมพันธ์กับขนาดของท่อ (ที่ความเร็วกำหนด) ดังนั้นอาจจะกล่าวได้ว่าเพื่อให้ได้น้ำหนักไอน้ำต่อหน่วยเวลาตามต้องการจะต้องออกแบบขนาดท่อสัมพันธ์กับแรงดันไอน้ำที่ผ่านท่อนั้น (ตามตารางที่ 1)

.

ตารางที่ 1 แสดง Sizing Steam Pipes (kg/h)  

.

2.4 การวัดความบริสุทธิ์ของไอน้ำเพื่อป้องกันปัญหาเรื่องตะกรันจับและการกัดกร่อนนั้น ควรวัดความบริสุทธิ์ของไอน้ำเป็นประจำ เพื่อตรวจหามลทินชนิดต่าง ๆ ที่ติดไปกับไอน้ำ ถ้าวิธีการปรับสภาพน้ำในหม้อไอน้ำได้มาตรฐานก็จะไม่มีแคลเซียม แมกนีเซียม เหล็กและทองแดงติดไปกับไอน้ำ ส่วนสารเคมีอื่นที่ละลายในน้ำ หม้อไอน้ำจะถูกลดรูปเป็นรูปของโซเดียมเท่านั้น

.

มลทินที่เป็นของแข็งและของเหลวจะมีแต่เพียงฝุ่นละอองและละอองน้ำเท่านั้น ซึ่งในละอองน้ำจะมีแต่เกลือโซเดียมเป็นส่วนใหญ่ มลทินเป็นก๊าซที่พบมาก ได้แก่ แอมโมเนีย คาร์บอนไดออกไซด์ ไนโตรเจน ซัลเฟอร์ไดออกไซด์ ไฮดราซีน อะมีนและซิลิกา โดยทั่วไปแล้วจะมีการวัดค่าโซเดียมไอออนมากที่สุดเพราะปริมาณโซเดียมจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับค่าสารทั้งหมด (TS) ของน้ำในหม้อไอน้ำและไอน้ำ   

.

โรงงานทุกแห่งควรหาค่าความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณโซเดียมกับสารละลายทั้งหมดให้ได้ค่าเป็นอัตราส่วนที่แน่นอน ค่าเฉลี่ยในกรณีทั่วไปจะเป็น 3 ซึ่งหมายถึงว่า ถ้าพบโซเดียมในไอน้ำ 0.1 ppm แสดงว่ามีสารละลายอยู่ราว 0.3 ppm และการวัดปริมาณโซเดียมในไอน้ำนิยมใช้เครื่องมือ 2 ชนิด ได้แก่ Sodium ion Analyzer และ Sodium Flame Spectrophotometry

.

ปริมาณไอน้ำที่ใน กรณีฉีดตรง (Direct Steam) นั้นสามารถคำนวณได้จาก
       Q = Ms x hg = Cp x M x ?T
เมื่อ  Q = ปริมาณความร้อนที่ใช้ (kJ/kg)
      ?T = อุณหภูมิที่สูงขึ้น (oC)
     Cp = ความจุความร้อนจำเพาะ (kJ/kg.oC)
     M  = ปริมาณของ Load (kg/หน่วยเวลา)
     Ms = ปริมาณไอน้ำที่ใช้ (kg/หน่วยเวลา)
     hg = ค่าเอนทาลปีของไอน้ำที่แรงดันเลือกใช้งาน (kJ/kg)

.

ปริมาณไอน้ำที่ใน กรณีถ่ายเทโดยอ้อม (Indirect Steam) นั้นสามารถคำนวณได้จาก
       Q = Ms X hfg
เมื่อ  Q = ปริมาณความร้อนที่ใช้
     hfg = ค่าเอนทาลปีของไอน้ำที่แรงดันเลือกใช้งาน (Latent Heat) (kJ/kg)
     Ms = ปริมาณไอน้ำที่ใช้ (kg/หน่วยเวลา)
เมื่อได้ค่า  h (Enthalpy) แล้วก็จะไปเปิดตารางไอน้ำเทียบออกมาเป็นน้ำหนักไอน้ำที่ความดันเลือกใช้

.

3. Steam Pressure (แรงดันไอน้ำ) คือ การกำหนดการสร้างแรงดันไอน้ำจากหม้อไอน้ำ การเปลี่ยนลดความดันไอน้ำ การเลือกใช้แรงดันไอเพื่อผลต่าง ๆ กัน

.

3.1.การกำหนดแรงดันไอน้ำของหม้อไอน้ำต้องให้มากกว่าค่าสูงสุดที่ต้องการใช้เสมอ ยิ่งมากเท่าใดเมื่อผ่านการลดแรงดันไอน้ำแล้วจะเกิดความแตกต่างแรงดันมากทำให้ไอน้ำแห้งยิ่งขึ้น

.

3.2 การใช้วาล์วลดแรงดันไอน้ำ (Reducing Valve) เพื่อรักษาระดับแรงดันใช้งานให้สม่ำเสมอและผลจากการเปลี่ยนลดความดันยังทำให้ไอน้ำแห้งขึ้นมีคุณภาพดีขึ้น โดยไดอะแกรมการติดวาล์วลดแรงดัน ดังรูปที่ 2

.

รูปที่ 2 แสดงไดอะแกรมติดตั้งระบบวาล์วลดแรงดันก่อนใช้งาน

.
4. ตัวอย่างการออกแบบระบบไอน้ำ
ต้องการใช้ไอน้ำในการทำให้วัตถุดิบที่ผ่านเครื่องคลุกเคล้าอัตรา 20 ตัน/ชม. มีอุณหภูมิสูงขึ้นจาก 30 oC เป็น 90 oC
.

4.1 หาน้ำหนักไอน้ำที่ต้องการ (กรณีฉีดตรงภายในเครื่องคลุกเคล้า) สมมติทราบค่าความจุความร้อนของวัตถุดิบเป็น 2.0 KJ/kg oC
ปริมาณความร้อนที่ต้องการ (Q)  = Cp x M x ?T

.
= (2.0 x 20000 x (90–30))
= 2,400,000 kJ/hr
เลือกใช้ค่าค่าความร้อนที่ความดันบรรยากาศ 2, 676 kJ/kg
.

ดังนั้นต้องใช้ไอน้ำ   = 2, 4000,000/2,676
= 896.9 kg/hr หรือประมาณ 900 kg/hr

.

4.2 ท่อเมนไอน้ำก่อนเข้า Reducing Valve สมมติความดันใช้งาน Boiler อยู่ในช่วง 5 - 6 บาร์ ต้องเลือกค่าความดันต่ำสุด คือ 5 บาร์ เปิดตารางท่อที่แรงดัน 5 บาร์จ่ายไอน้ำได้ 900 Kg/hr ได้ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 80 มม. ดังนั้นท่อทางเข้าตลอดจนอุปกรณ์ต่าง ๆ ก่อนเข้า Reducing Valve เป็นขนาด 80 มม. หรือ 3 นิ้ว

.

4.3 ขนาดท่อไอน้ำหลัง Reducing Valve ความดันใช้งานควรจะเป็นช่วงกว้าง 1–5 บาร์ การออกแบบเลือกค่าต่ำสุด เปิดตารางท่อที่แรงดันไอน้ำ 1 บาร์ และ 900 Kg/hr ได้ขนาดท่อเส้นผ่าศูนย์กลาง 125 มม. ดังนั้นท่อออกจาก Reducing Valve ขยายจาก 2.5 นิ้วเป็น 5 นิ้ว

.

ความยาวท่อในแนวนอนและตรงไม่น้อยกว่า 20 เท่าของเส้นผ่านศูนย์กลางท่อเพื่อลดความปั่นป่วน (Turbulence) ของไอน้ำ ในที่นี้เป็น 125 x 20 = 2.5 เมตร

.

ความยาวท่อจาก Reducing Valve ถึงวาล์วจ่ายไอน้ำนั้นนอกจากเพื่อลดการปั่นป่วนของไอน้ำเป็นการควบคุมทิศทางของไอน้ำแล้วยังเพิ่มระยะเวลาในการใช้ความร้อนที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงความดันไอน้ำ (เมื่อผ่าน Reducing Valve) ทำให้ไอน้ำแห้งขึ้น 

.

4.4 ขนาดวาล์วควบคุมปริมาณการจ่ายไอน้ำ คิดที่ความดันต่ำสุดใช้งานคือ 1 บาร์ แล้วเปิดจากตารางคู่มือของวาล์วยี่ห้อต่าง ๆ เทียบความสามารถการจ่ายไอน้ำของวาล์วที่ 900 Kg/hr เลือกขนาดได้เป็น 3 นิ้ว หรือเลือกจากค่า KVs ของวาล์ว

.
โดยใช้สูตร Capacity = 10 x Pabs x KVs
 Pabs คือความดันเกจที่ใช้งาน + 1
ในที่นี้ 900 = 10 x (1+1) x KVs
.

ดังนั้นต้องเลือกใช้วาล์วที่มีค่า KVs อย่างน้อย 45 หรือหาจากสมการ คือ
       Kv = m/(31.7 (dP/v) 1/2) (1)
เมื่อ  m = Steam Flow (kg/h)
       dP = Pressure Drop (bar)
        v = Specific volume of steam before control valve (m3/kg)          

.

4.5 อุปกรณ์อื่น ๆ  เช่น สตีมแทรป เลือกตามคู่มือของแต่ละยี่ห้อโดยพิจารณาความดันที่แตกต่าง (?P) ระหว่าง Steam Line กับ Condensated Line หรือที่เรียกว่า "Back Pressure" และปริมาณคอนเดนเสทที่คาดว่าจะเกิดขึ้น สตีมแทรปจะต้องมีขนาดที่เหมาะสมโดยจะต้องสามารถรับปริมาณคอนเดนเสทขณะเริ่มสตาร์ทได้โดยกำหนดค่า Safety Factor ในการเลือกขนาดไว้ตามตารางที่ 2

.
ตารางที่ 2 ค่า Safety Factor สำหรับการเลือก Seam Trap แต่ละชนิดในการใช้งาน 

.

ความสามารถในการรับคอนเดนเสทของกับดักไอน้ำจะลดเมื่อมี Back Pressure ในระบบคอนเดนเสทและทำให้เกิด Flash Steam ขึ้น ตามตารางที่ 3

.
ตารางที่ 3 แสดงสัดส่วนความสามารถการระบายคอนเดนเสทที่ลดของกับดักไอน้ำเมื่อมี Back Pressure

.
 4.6 ตัวอย่างรูปแบบการจัดเรียงอุปกรณ์     

รูปที่ 3 ภาพรวมการจัดเรียงระบบไอน้ำ (Steam Loop)

.
4.7 เทคนิคการติดตั้งเกจวัดแรงดัน

วิธีการติดตั้งเกจวัดแรงดันแบบใหม่โดยไม่ต้องใช้ไซฟอน (Syphons) ดังแสดงในรูปที่ 4 ซึ่งจะทำให้เกจวัดแรงดันใช้งานได้นานขึ้น ไม่มีสนิมเข้าไปค้างใน Bellow Arms

.

รูปที่ 4 แสดงวิธีการติดตั้งเกจวัดแรงดันโดยไม่ต้องใช้ Syphons

.
สรุป

ระบบไอน้ำมีรายละเอียดค่อนข้างมากในการออกแบบเพื่อให้มีประสิทธิภาพในการใช้งานไอน้ำและปลอดภัยจะต้องคำนึงถึงหลักที่ถูกต้องซึ่งแสดงตามรายละเอียดข้างต้นและสามารถนำไปเป็นแนวทางใช้งาน

.
อ้างอิง 

1. M. M. EL-Wakil, Power Plant Technology, McGraw-Hill Book Co., Singapore, 1984.
2.
www.energysolutionscenter.org
3. www.engineeringtoolbox.com/steam-pipes-sizes-d_258.html  

สงวนลิขสิทธิ์ ตามพระราชบัญญัติลิขสิทธิ์ พ.ศ. 2539 www.thailandindustry.com
Copyright (C) 2009 www.thailandindustry.com All rights reserved.

ขอสงวนสิทธิ์ ข้อมูล เนื้อหา บทความ และรูปภาพ (ในส่วนที่ทำขึ้นเอง) ทั้งหมดที่ปรากฎอยู่ในเว็บไซต์ www.thailandindustry.com ห้ามมิให้บุคคลใด คัดลอก หรือ ทำสำเนา หรือ ดัดแปลง ข้อความหรือบทความใดๆ ของเว็บไซต์ หากผู้ใดละเมิด ไม่ว่าการลอกเลียน หรือนำส่วนหนึ่งส่วนใดของบทความนี้ไปใช้ ดัดแปลง โดยไม่ได้รับอนุญาตเป็นลายลักษณ์อักษร จะถูกดำเนินคดี ตามที่กฏหมายบัญญัติไว้สูงสุด