Boiler Feedwater Pump (Basic part)

          สิ่งสำคัญ ในการพิจารณา หรือ การเลือกหาขนาดของ Boiler Feedwater pump (ต่อไปนี้จะขอ ใช้คำย่อว่า BFP) มีอะไรบ้าง โดย part นี้ จะเป็น part basic คือ เกริ่นนำก่อน ที่จะลงรายละเอียด ไปยัง part advance และ part expert ในลำดับต่อไปครับ โดย part นี้ จะเน้นการคำนวณ ส่วนหลักๆที่เกี่ยวข้องก่อน โดยผู้เขียนเชื่อว่า พวกเราที่จำเพาะ เจาะจง หรือ เผลอเข้ามาอ่านตรงจุดนี้ ค่อนข้างจะเข้าใจใน พื้นทางที่เกี่ยวข้องกับ pump มาพอสมควร แล้วนะครับ เรามาดูกัน ว่าคร่าวๆ หรือ โครงสร้างพื้นฐาน จะเลือก BFP สักตัว ให้มัน optimize กับระบบเรา ต้องพิจารณาอะไรบ้างนั่นเอง เข้าเนื้อๆ เน้นๆ เลย น้ำไม่ต้องเยอะ

สิ่งที่ต้องพิจารณา ส่วนการคำนวณ หรือ BFP calculation แบบ Basic

1.อัตราการไหล ที่ปั้มสามารถทำได้ หรือ Flow rate
2.Head ที่ปั้มสามารถทำได้
3.NPSH (actual) หรือ NPSHa ที่เกิดขึ้น กับตัวปั้มของเรา (อันเป็นผล มาจากระบบ)

Performance pump curve ที่พวกเราคุ้นเคย ซื้อปั้มเมื่อไหร่ อย่าลืมถามหา จากบริษัทผู้ผลิต ทุกครั้ง นะครับพวกเรา

หัวข้อที่ 1. อัตราการไหล

           เรื่องที่1. อัตราการไหล หรือ flow rate ที่ BFP ทำได้ พวกเราจะพิจารณาจาก base flow หรือ minimum flow หรือภาษาไทยนั่นก็คือ อัตราการไหลขั้นต่ำที่สุดที่ BFP สามารถทำได้ สำหรับระบบนั้นๆที่เราออกแบบ  เพื่อให้มันไหลทัน เพื่อให้น้ำ feed มัน flow เข้า boiler ทัน เพื่อป้องกันไม่ให้เกิด overheat ในระบบ จากปัญหาน้ำเข้าไม่ทันนั่นเองครับ ตรงนี้คือ base หรือ minimum flow นั่นเอง(หากพวกเรา พิจารณาจาก graph หรือ pump curve เราจะเห็นได้ว่า มันคือ แกน X หรือ แกนนอน โดยส่วนใหญ่นั่นเอง)

          โดยจะเป็น หน่วยอัตราการไหล ปริมาตร ต่อหนึ่งหน่วยเวลา(เช่น Cu.m/Hr, Ltr/Hr, Lts/s หรืออย่างในอเมริกา จะนิยมบอกเป็น GPM ก็ไม่ผิดกติกาแต่ประการใด) โดยที่ factor หลักที่เกี่ยวข้อง กับอัตราการไหล จะไหลมาก/ไหลน้อย ในกรณี BFP จะขึ้นกับ pump speed เป็นหลัก-(ค่อยต่อ part2 สำหรับตรงนี้) ดังนั้น หากพวกเรา พิจารณา อัตราการไหล สำหรับ BFP ให้พวกเรา คุยกันถึง minimum flow เป็นหลัก

           แล้ว minimum flow ที่เหมาะสม กับ boiler ของผม หาอย่างไรครับ นายช่าง? สมมติ boiler ที่มี อยากจะใช้ขนาด capacity 25 ตัน/ชั่วโมง แบบนี้ ผมแปลงจาก 25 ตัน(น้ำ)/ชั่วโมง ให้เป็น flow rate ในหน่วย ลบ.ม. ต่อ ชม. หรือ ลิตร ต่อ ชม.ได้เลยหรือเปล่าครับ ถ้าได้ เราก็สามารถหา flow rate เบื้องต้น ที่จะเอาไปเลือก BFP ได้ ถูกต้องหรือไม่ครับ พอผมแปลงกลับให้เป็นหน่วย flow rate ได้จบ เราก็ไปเลือกใน catalog ของ BFP ที่ minimum flow นี้ ได้เลย

25 ตัน ต่อ ชั่วโมง   =             25,000 กิโลกรัม ต่อ ชั่วโมง  แปลงให้เป็น BHP
25 ตัน ต่อ ชั่วโมง   =             1,597.44 BHP      แปลงให้เป็น Lbs/Hr
25 ตัน ต่อ ชั่วโมง   =             55,111.83 Lbs/Hr               แปลงให้เป็น gpm
25 ตัน ต่อ ชั่วโมง   =             110.22 gpm หรือ 417.2 l/m (ในหน่วย metric) หรือ 25.03 Cu.m/Hr

          ถูกต้องหรือไม่ครับ แบบนี้ เราจัดการแปลง boiler capacity ให้เป็น BFP capacity เพื่อหา minimum flow ของมัน คำตอบคือ ถูกต้องส่วนหนึ่ง เพราะนี่คือ ส่วนหนึ่ง ที่ท่านแปลงมานี้ เราเรียกมันว่า system load หรือ load ที่มันมาจากระบบนั่นเอง มันเป็นแค่ส่วนหนึ่ง ส่วนหลัก หรือ ส่วนใหญ่ กล่าวคือ เป็น BFP capacity จริงในส่วนหนึ่ง แต่ไม่ใช่ BFP capacity ทั้งหมดนั่นเอง เฉพาะส่วนนี้คือ system load แต่เนื่องจาก BFP มันไม่ได้รับ system load ตรงนี้ส่วนเดียว เพราะ BFP ต้องรับภาระกรรม ที่เกิดขึ้น ต่อการไหล ทั้งระบบ (ไม่งงนะ ตรงนี้สำคัญ จัดว่าเด็ด)

         1. มองให้ง่ายคือ input เราต้องการ feed water ไปเพื่อเข้า boiler โดยที่ output feed water ก็จะเปลี่ยนสถานะไปเป็น steam หรือไปเป็น load ที่ออกมาในระบบ ถ้าระบบเราเข้า blow down เราก็ต้องเผื่อ feed สำหรับ blow down, ถ้า steam ส่วนหนึ่ง เข้า Dearator เราก็ต้องเผื่อส่วนหนึ่ง เข้า Dearator เป็นต้น นี่คือ feed ของระบบ ที่ BFP จะต้องรับภาระกรรมนั่นเองครับ ดังนั้น พวกเราจะเห็นได้ว่า

BFP(boiler capacity) = system load + (หายไปจาก blow down) + (steam เข้า Dearator)

           2. ภาระกรรมที่เพิ่มขึ้นจาก ระบบควบคุมของ BFP หรือ วิธีที่เรา ควบคุมการ feed เข้าไปใน boiler
        
          เพราะอะไร ต้องพิจารณาตรงนี้ เพราะเมื่อ boiler เรา กำลังทำงานอยู่ ผลิต steam ปู้น ปู้น ระดับน้ำลดลงเรื่อยๆ ก็คือ น้ำมันหายไป ถูกต้องไหมครับ เพราะมันทำงานอยู่ ระดับน้ำก็ลงเรื่อยๆ จนกระทั่งเมื่อถึงระดับที่ low level switch สั่งงานแล้ว ให้ BFP ทำงาน BFP ถึงจะ feed เข้า ในขณะที่ feed เข้า steam มันก็ไปเรื่อยของมัน ถูกไหมครับ มันจึงมี feed water ส่วนหนึ่ง ในช่วงเวลาที่ steam มันไปเรื่อยของมัน เจ้า feed water ส่วนนี้ มันต้องเข้ามาแทนที่ หรือ เติมเต็ม steam ส่วนนี้ เพราะถ้า feed ไม่ทัน น้ำท่านไม่ทัน ทันที

          ดังนั้น เจ้า feed water ส่วนนี้ จึงต้องนำมาคิดรวม กับ capacity ของ BFP ด้วย คือต้อง feed ให้เข้า ทัน/ไม่ทัน ทัน/ไม่ทัน นี่ล่ะ เราจึงเรียกภาระกรรมในการ feed ส่วนนี้ว่า catch up capacity ตรงๆตามตัว ตามชื่อมันเลย ถ้าแปลให้เป็นภาษาไทย ก็ capacity ทัน/ไม่ทัน ไม่ทัน ก็ต้องทัน ประมาณนี้ อย่าไปแปลมันเลยครับ มันคือ catch up capacity จบ ง่ายกว่า เชื่อนายช่างครับ

          หาอย่างไร เจ้า catch up capacity หรือ capacity ทัน/ไม่ทัน เนื่ย ? พวกเราไม่ต้องไปกังวลใจครับ จากที่เราเห็นแล้วว่า ระบบ feed จะเป็นประเด็นหลัก สำหรับกรณีนี้ พวกเราจะได้ ข้อมูลสรุป เบื้องต้น ที่มาจากการทดลอง ที่เกี่ยวข้องกับ feed control กับเจ้า catch up capacity สำหรับการออกแบบดังนี้ คือ

จะว่ายาก ก็ยาก จะว่าง่าย ก็ง่าย สำหรับ BFP ต้องใช้เวลา อยู่กับมันสักหน่อยครับ แล้วพวกเรา จะหลงรักมัน

          Catch up capacity
          กรณีที่ 1. ถ้า feed control เป็นแบบ เปิด/ปิด หรือ on/off control หรือ manual เราจะได้ catch up capacity มีค่าเท่ากับ 75% สำหรับตัว Flow BFP(boiler capacity) กรณีเราเลือก turbine pump หรือ multistage และ 100% สำหรับตัว Flow BFP(boiler capacity) กรณีเราเลือก centrifugal pump ให้บวกเผื่อการออกแบบได้เลย นำไปรวมได้เลย

          กรณีที่ 2. ถ้า feed control เป็นแบบต่อเนื่อง (เพื่อนนายช่าง มันเป็นอเมริกัน จะเรียกว่า modulate feed หรือ continuous feed ในบางตำรา) catch up capacity มีค่าเท่ากับ 25% (ของ) x Flow BFP(boiler capacity) นำไปรวมอีกเช่นเคย
 
สรุป จบที่ Net flow rate(BFP) = Flow BFP(boiler capacity) + Flow catch up capacity  (เริ่มวุ่นวาย)

          ตัดกลับ เข้าสู่ โจทย์ของเรา คือ Boiler 25 ตัน/ชั่วโมง ข้างต้น พวกเราจะเห็นได้ว่า ข้อมูล สำหรับการออกแบบ เท่านี้ เพียงพอหรือไม่ครับ คำตอบชัดเจนคือ ไม่เพียงพอ พี่เล่นบอกมาแค่ นายช่างครับ หาปั้มให้ผมหน่อย ผมต้องการ BFP สำหรับ boiler 25 ตัน/ชั่วโมง เพียวๆโดดๆ เท่านี้

          นายช่างตอบว่า…ขอข้อมูลอีกสักนิดครับ เช่น boiler 25 ตัน ที่พวกเราจะสร้างนี้ เอาไปทำอะไร ใช้อะไร เพื่อที่จะเอาไปออกแบบระบบ ให้เหมาะสมนั่นเอง ความดันเท่าไหร่ Temp ที่ sat steam เท่าไหร่ condensate มีไหม blowdown เท่าไหร่ดี blab la bla นายช่างจะจัดให้ตามความเหมาะสมนั่นเองครับ

Example 1. หรือ ตัวอย่างข้อที่ 1. เรา copy ตัวอย่างด้านบนมาเหมือนเดิม เพิ่มเติมคือ information

- Boiler capacity 25 ตัน/ชั่วโมง
- กำหนด blowdown 5%
- Dearator ให้มีขนาด size เดียวกัน 25 ตัน/ชั่วโมง กำหนด steam เข้าที่ 8%
- น้ำออกจาก Dearator วิ่งเข้า BFP ที่ 90 เซลเซียส
- Feed control กำหนดให้เป็น continuous feed จงแสดงวิธีทำ

วิธีทำ      Net flow rate(BFP) = Flow BFP(boiler capacity) + Flow catch up capacity

                Flow BFP(boiler capacity)   = system load + (หายไปจาก blow down) + (steam เข้า Dearator)
                                                                                = 110.22 (gpm) + ( 5% x 110.22)gpm + ( 8% x 110.22)gpm
                                                                                = 110.22 + 5.51 + 8.82 (gpm)
                                                                                = 124.55 gpm   ***หน่วย เลือกใช้ตามที่ถนัดได้เลยครับ ไม่ fix

                Flow catch up capacity   = กรณีนี้เป็น modulate feed control
                                                                                = 25% (ของ) x Flow BFP(boiler capacity)
                                                                                = 25% x 124.55 gpm
                                                                                = 31.13 gpm

จะได้       Net flow rate(BFP)          = Flow BFP(boiler capacity) + Flow catch up capacity
                                                                = 124.55 + 31.13 (gpm)
                                                                = 155.68 gpm

           สรุปพวกเราจะได้ Net flow rate ที่ต้องการ สำหรับ กรณีนี้ BFP ที่พวกเราสนใจ จะต้องทำได้ เฉพาะในส่วนของ flow คือ 155.68 gpm หรือ แปลงได้ 590 l/m หรือ 35.36 ลบ.ม. ต่อ ชั่วโมง สำหรับเงื่อนไขการออกแบบข้างต้น นี่คือ minimum flow requirement ที่ต้องเอาไปเลือกปั้ม ดู catalog ของผู้ผลิตปั้ม ให้ 155.68 gpm เป็นหลัก หรือ เผื่อไป ให้มันมากกว่า 15-20% จาก 155.68 gpm นี่กำลังสวยเลย ไม่ผิดกติกา นั่นเองครับ(***หลังสุด 15-20% นี่เป็น trick ส่วนตัวนายช่างครับ อย่าไปบอกใครนะครับ-ถ้าต้นกำลัง motor หรือ kW ต้นกำลังไม่ต้องเปลี่ยนนะครับ ผมแนะนำ ช่วง 15-20% สวยงามตามท้องเรื่องเลยนั่นเอง)

Boiler Feedwater Pump กับสิ่งที่เราจะพบตาม Nameplate ระบุ: Capacity/ Head/ Temperature ในรูปแบบต่างๆ (click ที่ภาพ เพื่อขยายครับ)

หัวข้อที่ 2 ความสามารถในการทำแรงดัน หรือ Head

          เรื่องที่สอง Head ที่ BFP สามารถทำได้ สาระสำคัญในเรื่องของ Head คือ BFP ที่เราเลือกให้เหมาะสมกับระบบ นอกจาก flow rate จะได้ตามข้อแรกแล้วนั้น หากพูดในส่วน ของความดัน หรือ Head (ส่วนใหญ่ จะนิยมพูดกัน ในหน่วยความดัน เป็น เมตร หรือ เป็น ฟุต-คือ Head น้ำ นั่นเอง-ดังนั้น เวลาเราคุยกันเรื่องนี้ จะคุยกันในหน่วยของ ความดัน เมตร, หรือว่า ฟุต เป็นหลัก เช่น ปั้มตัวนี้ สามารถทำ Head ได้ 102 เมตร/ ปั้มตัวนี้ ทำ head ได้ 504 ฟุต ตามสเปคปั้ม เป็นต้น) สืบเนื่องมาจากสาเหตุหลัก สิ่งที่เราต้องพิจารณาต่อไปนั่นก็คือ BFP ยังจะต้องสามารถ เอาชนะแรงดันของ boiler หรือ operating pressure รวมถึง pressure loss ในระบบนั้นๆอีกด้วย ไม่ว่า loss นั้น จะมาจากอะไรก็ตามแต่ในระบบ นี่คือหลักการคร่าวๆ ในการพิจารณา Head ของ BFP (แบบเบสิค) ที่พวกเราต้องสนใจกัน

พิจารณาระบบของ boiler ลูกหนึ่ง พวกเราจะพบว่า แรงดันที่ BFP ต้องเอาชนะ มีอะไรบ้างครับ
- Operating pressure หรือ system pressure: คือ แรงดันที่เราเอาไปใช้งาน/ Drum pressure

- ความสูง จาก BFP ถึงระดับน้ำ: มันคือ pressure จาก static head ที่เกิดขึ้น/ Drum elevation

- Control valve: พิจารณา pressure drop ที่เกิดขึ้น

- Economizer, Super heater: พิจารณา pressure drop ที่เกิดขึ้น

- Feed stop, Check valve: พิจารณา pressure drop ที่เกิดขึ้น

- Piping loss: พิจารณา pressure drop ที่เกิดขึ้น

          โดยผลรวม 7-8 อย่าง ที่กล่าวมานี้นั้น คือ หลักการเบสิค ที่พวกเราต้องพิจารณา กล่าวคือ ผลรวมทั้งหมด นั่นคือ ผลรวมของ pressure drop ทางด้านส่ง (บางตำรา เรียกด้านจ่าย, ไม่ผิดกติกา) ของ BFP หรือ Total discharge pressure ของ BFP จะต้องเอาชนะ แรงดันเหล่านี้ให้ได้ หรือ หากมองในรูปแบบของ head ของ BFP นั่นคือ เรากำลังหา ภาพรวมของแรงดัน หรือ Total head ของระบบ จากผลรวมของ แรงดันต้านที่เกิดขึ้นในระบบ และ การจัดวาง องค์ประกอบของระบบ feed (ทั้งทางด้าน suction และ discharge) นั่นเองครับ โดยหากพูดถึง Head ในกรณีนี้ พวกเราจะนิยมใช้ทาง boiler จะคุ้นเคย คำว่า TDH หรือย่อมาจาก Total Discharge Head ในทางรายการคำนวณ นั่นเอง

Total discharge pressure กับ Total discharge head ต่างกัน?

Total Discharge Pressure: เราจะคิดจาก loss เป็นหลัก จากระบบ และ pressure drop (โดย meaning คือเป็น subset ของ TDH) นิยมพูดในหน่วยของความดันปกติ โดยสามารถกล่าวได้ว่า เป็น subset ของ Total discharge head ก็ไม่ผิดหลักการแต่ประการใด

หรือ พูดแบบง่ายที่สุด คือ Head ที่เราต้องการ ทางด้านจ่ายของปั้ม มีค่าเท่ากับ Total Discharge Pressure หรือ Pump head (required) = Drum Pressure + Drum elevation + Piping Losses + Control Valve Loss + Loss อื่นๆในระบบ

Total Discharge Head: คิด factor ที่มาจาก Total discharge pressure เป็นหลัก โดยจะมองภาพรวม ทั้งระบบ โดยมี factor ของ operate Temp เข้ามาเกี่ยวข้องในการคำนวณ อีกด้วย โดยนิยมพูดในหน่วยของความดัน (ในลักษณะของความสูง)

หรือ พูดแบบเข้าใจง่าย คือ เราจะหา Total discharge head ได้ก็ต่อเมื่อ เราได้ Total discharge pressure นั่นเองครับ (คือ แปลงจากความดัน ---> ความสูง จบ)

           Assume แปลว่า สมมติ : พิจารณา Feed water วิ่งออกมาจาก Dearator เข้า BFP มาที่ 105 เซลเซียส

           เปิดตาราง A4 Thermodynamic ที่ Saturated Temp จะได้ specific volume ของน้ำอยู่ที่ 0.001047 ลบ.ม./kg. นั่นคือ ความหนาแน่น ของน้ำป้อน ที่ 105 เซลเซียส มีค่าเท่ากับ 1/(001047) = 955.10 kg/ ลบ.ม. ดังนั้น ถพ.(ถ่วงจำเพาะ) หรือ specific gravity ของ น้ำป้อนที่ 105 เซลเซียส มีค่าเท่ากับ 0.9551 (ไม่มีหน่วย) พวกเราเห็นความน่าสนใจของ feed น้ำป้อนหรือยังครับ

                นี่คือ เหตุผลที่ต้องเรียนวิชา Thermodynamics I

น้ำ (liquid)            0 เซลเซียส             specific volume 0.000995 ลบ.ม./kg            ถพ.หรือ SG เท่ากับ 1.005  
น้ำ (liquid)        20 เซลเซียส               specific volume 0.000999 ลบ.ม./kg              ถพ.หรือ SG เท่ากับ 1.000
น้ำ (liquid)      105 เซลเซียส               specific volume 0.001047 ลบ.ม./kg              ถพ.หรือ SG เท่ากับ 0.9551

                Next step แปลงจากความดันเป็นความสูง เลือกหน่วยตามความถนัดครับพวกเรา
Head (ในหน่วย feet)         = [แรงดัน(PSI) x 2.31]/ถพ.ที่ temp นั้นๆ
Head (ในหน่วย เมตร)         =[แรงดัน(bar) x 10.2]/ถพ.ที่ temp นั้นๆ

*** 2.31 และ 10.2 คือ correction factor จาก PSI เป็น feet และ bar เป็น meter ตามลำดับ

จงแสดงวิธีทำ ตามโจทย์ ด้านขวามือ (click ที่ภาพ เพื่อขยาย)

จากตัวอย่างเดิม ผมเพิ่มเติมในรายละเอียด ให้พวกเราอีกสักนิด ในการออกแบบ

          Information เบื้องต้น ที่พวกเราได้รับ คือ Boiler capacity 25 ตัน/ชั่วโมง, กำหนด blowdown 5% Dearator ให้มีขนาด size เดียวกัน 25 ตัน/ชั่วโมง กำหนด steam เข้าที่ 8% น้ำออกจาก Dearator วิ่งเข้า BFP ที่ 90 เซลเซียส, Feed control กำหนดให้เป็น continuous feed และ ข้อมูลทางด้าน แรงดันที่เกี่ยวข้อง มีดังนี้

- Steam drum อยู่ที่ 150 PSI

- Loss จาก control valve อยู่ที่ 20 PSI

- Loss จาก check/stop valve อยู่ที่ 5 PSI

- Loss จากระบบท่อ อยู่ที่ 5 PSI

- Loss จาก Super heater/ Economizer กำหนด ไม่มี หรือ เป็น 0

- ระดับความสูง จาก BFW ถึง ระดับน้ำ ใน Drum กำหนด 15 เมตร พวกเราช่วยกันคิด Total Discharge Pressure สำหรับการนำไปคำนวณ TDH ต่อ เพื่อนำข้อมูลไปพิจารณา เลือกปั้ม กันสักหน่อยครับ

- พิจารณา Water temp ที่วิ่งเข้า BFP เป็นลำดับแรก

Feed water 90 เซลเซียส พวกเราจะได้ specific volume = 0.001036 ลบ.ม./kg หรือ ความหนาแน่น เท่ากับ (1/0.001036) = 965.25 kg/ลบ.ม.

- พิจารณา Drum level จากระดับความสูง Pressure = Specific weight x level height

Head จาก drum level = (9,810)x(15) มีค่าเท่ากับ 0.147 Mpa หรือ 21.3 PSI 


Total Discharge Pressure = Drum Pressure + Drum elevation + Piping Losses + Control Valve Loss + Loss อื่นๆในระบบ
= 150 + 21.3 + 5 + 20 + 5
= 201.3 PSI 
Total Discharge Head = [(201.3) x (2.31)]/(0.965) เท่ากับ 484 ft. TDH

          สรุป ข้อมูลเบื้องต้น สำหรับกรณีนี้ BFP ที่เราต้องการ จะต้องมี Net flow rate = 155.68 gpm และ Head = 484 ft. TDH จึงจะเข้าข่าย หรือเข้าเงื่อนไข ตามที่โจทย์กำหนดได้ในเบื้องต้นนั่นเอง

          เบาๆครับ part แรกกับการทำความรู้จัก Boiler Feedwater Pump อยากให้พวกเรามองภาพรวม มองแนวทางการคิดเสียก่อน 

          นี่คือ 2 ส่วนใน part แรก หรือ part basic ของ BFP อันเป็นตัวอย่างเริ่มต้น ของการทำความเข้าใจ ทางด้าน BFP ยังไม่จบแค่นี้นะพวกเรา สงครามเพิ่งจะเริ่มต้นครับ  ตามที่ผู้เขียนหัวข้อกล่าวไว้ในย่อหน้าแรกๆ กล่าวคือ ยังมีเรื่องของ NPSH ของระบบอยู่ โดยเรื่อง NPSH นี่มันต้องคุยกันยาวๆ ยาวกว่า 2 หัวข้อด้านบนนี้อีก เลยขอยกยอด บทความไปใส่ไว้ใน part ถัดไปคือ Boiler Feedwater Pump Calculation in Advance Part ลำดับถัดไปครับ

ณัฐพงศ์   ไชยสิทธิ์
วก.958
วุฒิวิศวกรเครื่องกล