Boiler NPSH

Net Positive Suction Head

          ทบทวนบทเรียน กันสักย่อหน้า-สองย่อหน้า ก่อนครับ พวกเรา ในวิชา ปั้มและระบบสูบน้ำ อันเป็นวิชาเลือก ของนักศึกษา ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล ทุกหลักสูตร (จริงๆ เห็นสมควรเป็นวิชาหลักนะ คคห.ส่วนตัวผู้เขียน) เลยทำให้ บางท่านอาจจะผ่านเลย ตรงส่วนนี้มาได้ สำหรับท่านที่เข้าใจแล้ว ก็เอาเป็นว่า ผู้เขียนใช้คำว่าทบทวน กันดีกว่าครับ สักนิดหน่อย เพราะที่เรากำลังจะสนใจ ต่อจากนี้ไป คือ ปั้ม สำหรับ สูบน้ำ เข้าหม้อไอน้ำ หรือ BFP นั่นเอง มันถึงต้องทบทวน

Fluid mechanic + Thermodynamic รวมกัน = สิ่งที่ท่านจะเจอใน Boiler Feedwater Pump

ทบทวน Thermodynamics I

ความดันสมบูรณ์ เท่ากับ P(absolute)   หรือ P(abs) = P(gage) + P(atm)

         P(gage) คือ ความดันที่เราพิจารณา ที่เกิดขึ้นในระบบขณะนั้นๆ หรือ พูดให้ง่ายคือ ความดันที่อ่านค่าได้จาก pressure gage ที่ติดตั้งเอาไว้

         P(atm) คือ ความดันบรรยากาศ ของระบบ ขณะนั้นๆ Atmospheric pressure ว่าง่ายๆ ไม่งงนะครับ

         ความดันไอ = Vapor pressure   เรียกให้เต็มยศ สามารถเรียกได้ว่า ความดันไอของของเหลว นั่นคือ กรณีที่ของเหลว(ของเรามันคือ น้ำ) เมื่อวิ่งไปถึงสถานะที่มันกลายเป็นไอ หรือ evaporation จะเกิดขึ้น ถูกต้องไหม(โมเลกุล ของของเหลว มันวิ่ง ระเหย ไปในระบบปิด) มันจะทำให้เกิดความดันได้ค่าหนึ่ง (โมเลกุล วิ่งชนระบบปิด ทำให้เกิดแรง เมื่อมีแรงจึงทำให้เกิดความดัน เพราะมันอยู่ในระบบปิด) ความดันค่านี้ เรียกว่า ความดันไอ

ดังนั้น ของเหลว ที่วิ่งเข้าปั้ม จะมีความดันไอ มาก หรือ น้อย จะขึ้นอยู่กับ

          1.แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุล ตรงๆตัวเลย แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลมาก ความดันไอต่ำ และ แรงดึงดูดน้อย ความดันไอสูง เพราะมันคือ คุณสมบัติของ ของเหลว
          2.Temp ของของเหลว ถ้า Tempสูง พลังงานจลน์สูงตาม โอกาส evap หรือหลุดออกจากผิวหน้า จะสูงตาม ทำให้ ความดันไอสูง และในทางกลับกัน หาก Tempต่ำ พลังงานจลน์ต่ำ ความดันไอก็ต่ำตาม

เปิดตาราง A4 Thermodynamic ตามเลยครับพวกเรา ที่ property ของ water ที่เป็น saturated steam แปรผันตามอุณหภูมิ เราจะได้ vapor pressure ออกมา ตามข้อหนึ่ง และข้อสอง ด้านบน อย่างอัตโนมัติ พอมองเห็นภาพกันหรือยัง ท่านต้องเข้าใจ เพราะมันสำคัญ

          กลับมาที่ Feed water นายช่าง จะป้อนน้ำ เข้า boiler ลูกรัก อะไรจะเกิดขึ้น

ถ้าผม feed water ที่ 25 เซลเซียส    ผมจะมี vapor pressure เท่ากับ 0.00317 MPa
ถ้าผม feed water ที่ 50 เซลเซียส    ผมจะมี vapor pressure เท่ากับ 0.01325 MPa
ถ้าผม feed water ที่ 100 เซลเซียส ผมจะมี vapor pressure เท่ากับ 0.10132 MPa

          ตรงตามหลักทฤษฎี ทุกประการครับพวกเรา น้ำ(หรือ ของเหลว) จะเดือด และกลายเป็นไอ เมื่ออุณหภูมิสูง และสูงขึ้น และสูงมากพอ พิจารณาที่ 1 บรรยากาศ ลมเย็นๆที่ริมน้ำเจ้าพระยา เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ถึง 100 เซลเซียส สิ่งที่เกิดขึ้น คือ น้ำเดือด ที่ 0.10132 MPa และในทางกลับกัน หาก vapor pressure มีค่าที่ต่ำลง ที่ยอดดอยอินทนนท์ ระดับความสูง 2565 ม.จากระดับน้ำทะเล vapor pressure จะลดลงเหลือ 0.070MPa น้ำจะเดือด กลายเป็นไอ ที่ 90 เซลเซียส ท่านสามารถต้มมาม่า ได้เร็วขึ้น นั่นหมายความว่า น้ำไม่จำเป็นต้องเดือดที่อุณหภูมิสูงเสมอไป หากเพียงแต่ vapor pressure มันต่ำลง น้ำสามารถเดือด ที่อุณหภูมิต่ำ ได้นั่นเอง น่าสนใจหรือไม่ครับ น้ำ ไม่จำเป็นต้องเดือด กลายเป็นไอ ที่ 100 องศาเซลเซียส เสมอไป นี่คือจุดเริ่มต้นของสงคราม BFP

รูปที่ 2. ภาพประกอบ จาก internet ทั่วโลก หลักการเดียวกัน

กลไกการดูดน้ำของปั้ม (Suction Mechanism)

         พิจารณา feed water ที่ทางเข้าปั้ม หรือ จินตนาการ นายช่างกำลังสูบน้ำ จากแม่น้ำเจ้าพระยา เพื่อนำขึ้นมา เข้าอ่างเลี้ยงปลาดุก น้ำกำลังวิ่งเข้าปั้มแล้วนะครับตอนนี้ แรงขับ(ที่มาจากกำลังของปั้ม+การออกแบบปั้ม) จะดูดน้ำขึ้นมาจากแม่น้ำ ดูดได้อย่างไร จริงๆไม่ควรเรียกว่าดูด เพราะน้ำที่เข้าปั้ม ถูกความดันจาก ความดันบรรยากาศกระทำ(อย่าเพิ่ง งง) ในเมื่อน้ำ คือของเหลวชนิดหนึ่ง ของเหลว ที่ไหล จากที่สูงไปยังที่ต่ำ ตาม gravity ถูกต้องหรือไม่ ดังนั้นการที่น้ำจะไหลจากที่ต่ำ ไปยังที่สูงได้ แรงดันที่อยู่ระดับต่ำ ต้องมากกว่าแรงดันที่อยู่ระดับสูง

          ดังนั้น กลไกการดูดของน้ำจากแม่น้ำเจ้าพระยา ความดันที่หน้าห้องปั้ม(ที่ระดับสูง กว่าแม่น้ำ) จะต้องน้อยกว่า ความดันบรรยากาศที่ดันน้ำ(ที่ระดับน้ำแม่น้ำเจ้าพระยา) ถูกต้องหรือไม่ครับ ถ้าความดันที่หน้าห้องปั้ม มากกว่าเมื่อไหร่ ปลาดุกท่าน ขาดน้ำตายทันที นี่คือของเหลว และกลไกการดูด (suction mechanism) ที่ทำให้น้ำเข้าปั้ม

          กำลังจะเข้าเรื่อง แล้วนะ พิจารณาด้านดูด (suction side) น้ำวิ่งเข้าปั้ม สิ่งที่เกิดขึ้น กับปั้มทุกชนิดบนโลกนี้ ตามหลักการของ fluid mechanic คือ ความดันในปั้ม(ที่น้ำวิ่งเข้า) ต้องมีค่า drop ลง หรือลดลง ในขณะที่น้ำวิ่งเข้าไป(พวกเราดูภาพประกอบครับ ที่ตำแหน่ง B C D ตามลำดับ) คือ น้ำวิ่ง เข้าปั้ม-B เข้าปั้ม-C และเข้าปั้ม-D และเมื่อน้ำวิ่งเข้าไปแล้ว เราถึงใส่พลังงานจากภายนอก เข้าสู่น้ำด้านใน เพื่อที่ output ออกมาคือแรงดันของน้ำ ด้านจ่าย (ฝั่ง discharge) นั่นเอง

          ดังนั้น ถ้าที่ ทางเข้า/ท่อเข้า ของปั้ม

          1. ระดับน้ำ อยู่ระดับเดียวกันกับปั้ม แรงดันที่กระทำ ให้น้ำเข้าปั้ม คือ แรงดันบรรยากาศ อย่างเดียว ความดันที่หน้าห้องปั้มนายช่าง คือ ความดันบรรยากาศ ที่จุด A ถูกไหมครับ และ ความดันที่เข้าปั้ม จุด B, C, D ต้อง < ความดันบรรยากาศ

          2. ระดับน้ำ อยู่สูงกว่าปั้ม แรงที่กระทำ หรือ ความดันที่หน้าห้องปั้มนายช่าง คือ แรงดันบรรยากาศ + static head(จากความสูง) ที่จุด A ถูกไหมครับ และ ความดันที่เข้าปั้ม จุด B, C, D ต้อง < ความดันบรรยากาศ

          3. ระดับน้ำ อยู่ต่ำกว่าปั้ม แรงกระทำ ก็จะลดลง เพราะความดันบรรยากาศ จะต้องถูกหักลบออกด้วย ความดันจาก head ที่มาจาก suction lift (เพราะมันดูดน้ำขึ้นมา น้ำมีน้ำหนัก เมื่อมีน้ำหนักจากน้ำ จึงมีแรงดันจาก column ของน้ำ) ดังนั้น ความดันที่ หน้าห้องปั้มนายช่าง มันคือ (แรงดันบรรยากาศ – head จาก column ของน้ำ) หรือ (แรงดันบรรยากาศ – suction lift head) ณ ที่จุด A

         ความสนุก จึงมาเยือน…เมื่อความดันเตรียมเข้าปั้ม มีค่า น้อยกว่าความดันบรรยากาศ

          ถามว่าเกิดอะไรขึ้น เมื่อความดันที่จุด A น้อยกว่าจุด D คำตอบคือ น้ำจะวิ่งเข้าปั้ม ที่ความดัน ต่ำกว่าบรรยากาศ (ต่ำมาก/ต่ำน้อย ขึ้นกับระยะยก หรือ suction lift head ถูกต้องหรือไม่ครับ) และเมื่อต่ำกว่าความดันบรรยากาศ น้ำจึงเดือด กลายเป็นไอ ที่อุณหภูมิ ต่ำกว่า 100 เซลเซียส จาก vapor pressure ด้านบน และเมื่อเดือดกลายเป็นไอ liquid ถูกเปลี่ยนสถานะเป็น gas นั่นก็คือ ฟองอากาศทันที

           ดังนั้นเมื่อความดันขาเข้า ยิ่งต่ำลงมากเท่าไหร่ โอกาสที่น้ำจะเดือดเป็นไอ ยิ่งง่ายขึ้น

          และเมื่อฟองอากาศ เพิ่มมากขึ้น ทางฝั่ง discharge หรือขาออก สิ่งที่เกิดขึ้น คือ น้ำในสถานะ liquid มาพร้อมฟองอากาศ นั่นคือ ประสิทธิภาพต่ำลง, flow ต่ำลง รวมถึงสิ่งที่เกิดตามมาคือ ปัญหาที่เราเรียกมันว่า cavitation และในที่สุด เมื่อความดันขาเข้า ต่ำสุดจนเกินที่ ความดันในปั้มที่ถูกออกแบบมา มันมีค่ามากกว่า (นั่นคือ ความดันที่จุด D > ความดันที่จุด A) บ่อปลาดุก เราสูบน้ำไม่ขึ้น มาแต่อากาศ เพราะมันไม่เป็นไปตาม suction mechanism นั่นเอง ปั้มสูบน้ำแต่ละตัว จึงมี limit ตรงจุดนี้ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ปั้มจำพวกที่เป็น centrifugal mechanism นี่ล่ะครับ เป็นจุดที่เราต้องศึกษาให้ดี และนี่คือ ที่มา ของคำว่า NPSH ที่พวกเราจะต้องหา head ตรงขาเข้าปั้ม ในการออกแบบ ให้เหมาะสม ให้สมบูรณ์ ในทางวิศวกรรมนั่นเอง

ซ้าย : พวกเราเรียกมันว่าอะไรครับ นายช่างเรียกมันว่า ปั้มหอยโข่ง มันน่ารักดีนะ เหมือนหอยโข่งจริงๆ
ขวา : คุ้นเคยกันแล้ว Multistage pump หลักการเดียวกัน จะสูบน้ำเข้าบ่อปลาดุก หรือ สูบน้ำเข้า boiler หลักการคือ centrifugal เหมือนกัน

           ตัดกลับเข้าสู่ Net Positive Suction Head ต่อจากนี้ไปในบทความ/เวลาคุยกัน ที่หน้างาน หรือ นอกห้องเรียน หรือคุยกับเพื่อนต่างชาติ พวกเรา เรียกมันไปเลย ว่า NPSH ใช้ตัวนี้เลยครับ สั้น กระชับ ได้ใจความ ภาษาเดียวกัน คือ NPSH

          NPSH แปลว่า ความดันทางด้านดูดที่เป็นบวก (แปลอังกฤษ เป็นไทย) หรือ ภาษาอย่างเป็นทางการ กรณีที่เราคุยเกี่ยวกับหม้อไอน้ำ ที่รักยิ่งของพวกเรา คือ ความดันสัมบูรณ์ของท่อด้านดูดในรูปแบบของ Head ที่หักลบ ความดันไอ (vapor pressure) ของน้ำป้อน ณ อุณหภูมินั้นๆที่วิ่งเข้า BFP นั่นคือ ความดันด้านดูดขั้นต่ำของระบบ หรือของ BFP ที่สามารถทำงานได้อย่างเต็มประสิทธิภาพ โดยปราศจากการเกิดการเดือด(ที่เราไม่ต้องการ) หรือ cavitation อันสามารถเกิดได้ที่อุณหภูมิต่ำ เนื่องจากแรงดึงดูดของโมเลกุล จะเป็นไปตามแรงดันไอ ดังกล่าวมาแล้วด้านบน ได้นั่นเอง โดย NPSH เราจะคุยกันในหน่วยของ head นั่นก็คือ เมตร หรือ ฟุต เป็นหลัก

           โดยที่ NPSH ที่เราพิจารณา ทางด้านกลศาสตร์ของไหล แบ่งเป็น 2 ส่วนด้วยกันคือ

          NPSH (available) คือ ความดันสมบูรณ์ทางด้านดูดของปั้ม ที่ขึ้นอยู่กับสภาวะการออกแบบของระบบเป็นหลัก หรือ head ที่เกิดขึ้นจริงๆที่หน้างานนั้นๆ วิศวกรต้องคำนวณออกมา เพราะหน้างานแต่ละที่ไม่เหมือนกัน การจัดวางระบบ แบบแผน แต่ละที่ ไม่เหมือนกัน ขึ้นอยู่กับ อุปกรณ์/การออกแบบ/วัตถุประสงค์ การใช้งานปั้ม เป็นหลัก ในบทความต่อจากนี้ ผมจะเขียนว่า NPSHa แทน

          NPSH (Required) หรือ NPSH(r) คือ ความดันสมบูรณ์ทางด้านดูดของปั้ม ที่สภาวะคงที่ของปั้มนั้นๆเพื่อป้องกัน ไม่ให้เกิดการเดือดเป็นไอของของเหลว ดังนั้นจะเห็นได้ว่า ขึ้นอยู่กับการออกแบบปั้ม(ความเร็วรอบ, ขนาดใบพัด, มุมใบพัด, tip speed, อัตราการไหล) ที่มาจากบริษัทผู้ผลิต(เค้าจะเอาไปทดลอง หาค่านี้) ปั้ม 1 ตัว มีค่า NPSHr ได้ 1 ค่าเท่านั้น และเป็น 1 ค่า ที่ condition นั้นๆ ด้วยนะครับ(condition ตามสเปค ทางทฤษฎี นั่นหมายความว่า ในทางปฏิบัติ NPSHr มีการ ขยับแน่นอน) เดี๋ยวรอดูใน pump curve ตัวอย่าง ในท้ายบทความนี้

รูปที่ 3. พิจารณา 4 รูปแบบ การจัดวาง lay out ตามภาพนี้ Suction ล้วนๆ ที่ด้านดูด Boiler Feed water Pump ของพวกเรา เข้าข่ายไหน หรือ ตรงตามรูปไหนกันบ้างครับ (A กับ B เป็น suction lift head ส่วน C กับ D เป็น static head และเช่นเดียวกัน A กับ C ที่ surface เปิดสู่บรรยากาศ ในขณะที่ B กับ D มีความดันเพิ่มเติม เข้ามาเกี่ยวข้อง)

โดยสิ่งที่สำคัญ ลำดับแรก ที่พิจารณา คือ NPSHa > NPSHr ปั้ม ถึงจะทำงานอย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด นั่นคือ ความดันขาเข้า หรือทางดูด ต้อง สูงเพียงพอ (เนื่องจาก เราต้องการหลีกเลี่ยง การเดือดจาก vapor pressure ที่สามารถเกิดขึ้นได้) แม้ว่า เมื่อน้ำวิ่งเข้าไปแล้ว ความดันจะลดลงเล็กน้อย แต่ความดันที่มันมีค่าต่ำที่สุด ก็ยังมากกว่าความดันไออยู่ดี ของเหลวจึงไม่สามารถเกิดการเดือดได้ หรือกล่าวโดยง่ายคือ เอา head ของ vapor pressure ไปหักลบ ออกแล้ว มันต้องมีค่า มากกว่า NPSHr มันถึง การันตี ได้ สบายใจ ว่าอย่างนั้น

หากแต่ ถ้าความดันขาเข้า สูงไม่พอ(ไม่พอแค่ไหนล่ะ ที่เรียกว่าไม่พอ) เช่น NPSHa = NPSHr หรือ NPSHa มากกว่า NPSHr นิดเดียว นั่นเป็นผลให้ เมื่อน้ำวิ่งเข้าปั้ม จะมีโอกาสที่ความดันลดต่ำลง กว่าความดันของ ความดันไอของเหลว หรือ vapor pressure จึงส่งผลให้ น้ำบางส่วนเดือด เป็นฟอง เป็น bubble ออกมา ไปปะทะกับของเหลว เกิดการยุบตัวใหม่ โดยแรงปะทะนี้ ส่งผลให้เกิดความเสียหายทางกล ต่อปั้ม โดยเฉพาะอย่างยิ่งในส่วนใบพัดได้ ที่เราเรียกปรากฏการณ์ ลักษณะนี้ว่า Cavitation หรือ การเกิดโพรงอากาศในของเหลวนั่นเอง และนี่คือสาเหตุหลักที่ NPSHa จะเป็น ประเด็นที่ถูกเพ่งเล็งมากที่สุดใน part นี้

โดย Factor ที่มีผลต่อ NPSHa มีอะไรบ้าง

NPSHa = Ha (+/-) Hz – Hf + Hv – Hvp

นั่นคือ NPSH มีวิธีการคิด ได้ 2 กรณีเท่านั้น (จริงๆมันคือ Bernoulli equation แปลงร่างมา นั่นคือสาเหตุ ที่พวกเราต้องเรียนวิชา Fluid mechanic ก่อนวิชานี้ เพราะเรากำลังพิจารณา Bernoulli eq. ในรูปแบบของ head) เพราะ NPSH มันคือความดันในรูปแบบ head ดังนั้นความดันที่เกี่ยวข้องทั้งหมด เราจะใช้ตัวย่อ เป็น H ที่เกี่ยวข้อง(ตัวแปร H) ตัวแปร ในตำราเล่มอื่น จะเป็นตัวย่อ อะไรก็ได้ ไม่ต้องยึดติดมาก โดยความดันที่เกี่ยวข้อง หรือ ที่เป็นไปได้ คือ

Fluid surface P. + static head – friction loss – vapor P. และ

Fluid surface P. – static suction lift – friction loss – vapor P.

ตัวย่อ

Hvp

Definition หรือ คำจำกัดความ

ความดันสมบูรณ์ที่ผิว, absolute surface pressure ของ ของเหลว ทางด้านดูด หรือ fluid surface pressure

ระยะความสูง/ดิ่ง จากแนว centerline ของปั้ม ไปยังพื้นผิว ของ ของเหลว ในด้านดูด

Friction loss ใน ระบบท่อด้านดูด

Velocity head ใน ระบบท่อด้านดูด

Vapor pressure ของของเหลวในขณะนั้น (เป็น absolute pressure นะ)

Factor ที่มีผล

มีค่าเป็น + เสมอ เช่น กรณี สูบน้ำ จากแหล่งน้ำเปิด เช่น สูบจากแม่น้ำ ไปเข้าอ่างเลี้ยงปลาดุก มันคือ Atmospheric pressure หรือความดันบรรยากาศ

เป็น + เมื่อปั้ม อยู่ต่ำกว่าระดับน้ำ ทางเข้า (static head)
เป็น – เมื่อปั้ม อยู่สูงกว่าระดับน้ำ ทางเข้า (static suction lift)

ขนาด+ความยาวท่อ/ข้อต่อ/ข้องอ-ข้อลด/valve/elbow ต่างๆ รวมถึงอัตราการไหลภายในท่อ (วิธีคิด ปรึกษา engineer เครื่องกล ใกล้บ้านท่าน เพราะค่อนข้างยาว)

ในทางปฏิบัติ ถ้าไม่ใช่ทำข้อสอบ ตัดทิ้งเลย ให้ถือว่าน้อยมาก

เป็น function ที่ขึ้นกับ อุณหภูมิ ของของไหล
***ตัวนี้ จัดว่าเป็นตัวจี๊ด

ดังนั้นจากรูปที่ 3 ด้านบน พวกเราจะได้ Format โดยประมาณ ของ NPSHa ดังกรณีต่างกัน ตามเงื่อนไข (ไม่ต้องไปจำ ดูให้เข้าใจ เพราะมันต่างกันนิดเดียว Factor ทางด้านแรงดันที่ฝั่ง suction มันมีแค่ 4 ตัวนี้เอง) คือ

A : ด้านดูด ของไหลเปิดสู่แรงดันบรรยากาศ พร้อม static suction lift
NPSHa มีค่า เท่ากับ = Ha – (Hz + Hf + Hvp)

B : ด้านดูด ของไหลอยู่ในภาชนะปิดมีแรงดัน พร้อม static suction lift
NPSHa มีค่า เท่ากับ = Ha – (Hz + Hf + Hvp)

C : ด้านดูด ของไหลเปิดสู่แรงดันบรรยากาศ พร้อม static head
NPSHa มีค่า เท่ากับ = Ha + Hz – (Hf + Hvp)

D : ด้านดูด ของไหลอยู่ในภาชนะปิดมีแรงดัน พร้อม static head
NPSHa มีค่า เท่ากับ = Ha + Hz – (Hf + Hvp)

หรือ พิจารณา ในอีกรูปแบบกรณี ที่เป็น ฟังค์ชันของ head กับ ความดัน(บรรยากาศ-Pa/ความดันไอ-Pv)
พิจารณา Pressure to Head

ในหน่วยอังกฤษ จะได้ H = 2.31P/SG
เมื่อ H = head (feet), Pressure(PSI) และ SG = ถ่วงจำเพาะ
พวกเราจะได้ NPSHa = (+/-)Hz-Hf + [2.31(Pa-Pv)/SG] ในหน่วย feet

ในหน่วย Metric จะได้ H = 10.2P/SG
เมื่อ H = head (เมตร), Pressure(bar) และ SG = ถ่วงจำเพาะ
พวกเราจะได้ NPSHa = (+/-)Hz-Hf + [(Pa – Pv)/(g.density)] ในหน่วย เมตร

หนึ่งตัวอย่าง การคำนวณ ลองดูวิธีคิด NPSH แบบเบสิค

กำหนด Feed water tank ที่ 90 เซลเซียส ที่ Deaerator operated pressure 0.2 Bar(g) ขนาด Diameter 2.0 ม. ระดับ low level water อยู่ที่ 1.0 เมตร, ความสูง จาก Deaerator ถึง BFP 2.0 ม.โดยประมาณ ดังรายละเอียด ฝั่งเข้า BFP น้ำผ่านที่ minimum flow requirement 158 gpm ขนาดท่อ 2-1/2 นิ้ว sch#40 flow ตามภาพที่แนบมานี้ พวกเรา ช่วยนายช่างคำนวณหา NPSHa เพื่อส่งข้อมูลให้ บริษัทขายปั้ม เตรียมจัดปั้ม กันหน่อยครับ

พิจารณา

ด้านดูด ของไหลอยู่ในภาชนะปิดมีแรงดัน พร้อม static head ดังนั้น

NPSHa มีค่า เท่ากับ = Ha + Hz – (Hf + Hvp)

- Feed water ที่ 90 เซลเซียส จากตาราง จะได้
- vapor pressure = 70.1 kPa หรือ 0.701 bar
- ความหนาแน่น = 965 kg/ ลบ.ม. นั่นคือ SG = 0.965

จาก Information ที่โจทย์กำหนด พวกเราจะได้ดังนี้

ดังนั้น Hvp จะได้ = 10.2P/SG เท่ากับ (10.2 x 0.701)/(0.965) = 7.51 ม.

พิจารณา Hf พบว่า friction loss ที่เกิดขึ้น มาจาก friction loss ท่อ 2-1/2 นิ้ว sch#40 ยาว 2.0 ม. และ ข้องอ 2 นิ้ว 90 องศา x 1 ตัว
ข้องอ 2-1/2 นิ้ว 90 องศา x 1 ตัว มีค่า equivalent length 9.3 ฟุต

จากตาราง friction loss จะได้ Friction loss 2-1/2 นิ้ว steel pipe ที่อัตราการไหล 160 gpm. = 30.7 ฟุต/100 ฟุต หรือ 0.307ฟุต/ฟุต ดังนั้นสำหรับกรณีนี้ ระยะความยาวรวม เท่ากับ (ความยาวท่อ+equivalent ของ elbow) เท่ากับ [(2.0 x 3.28) + 9.3] = 15.86 ฟุต
ดังนั้น head loss ทางด้านดูด มีค่า 0.307 x 15.86 = 4.87 ฟุต

พิจารณา Hz มีค่า (liquid level ถึง pump center) = +3 เมตร (static head)

พิจารณา Ha จากความดันที่ผิว ของเหลว เท่ากับ Pg + Patm หรือ 0.2 + 1.0 = 1.2 Bar ดังนั้น Ha มีค่าเท่ากับ (10.2x1.2)/(0.956) = 12.80 เมตร

NPSHa มีค่า เท่ากับ = Ha + Hz – (Hf + Hvp)
= 12.80 เมตร + 3.0 เมตร – (4.87 ฟุต + 7.51 เมตร) หรือ 12.80 + 3.0 – (1.48 + 7.51)
= 6.8 เมตร คือ NPSHa ของระบบนี้

ถ้าเป็นนายช่างออกแบบ จะเผื่อ margin เอาไว้เลย อีก 0.5-1.0 เมตร (สำหรับระบบใหญ่ๆนะ) นั่นหมายความว่า NPSHr ของปั้มที่ นายช่างเลือกจะต้อง มีค่าน้อยกว่า (6.8-1.0) = 5.8 เมตร (เผื่อ นี่คือ เอาไป – ลบ ออกนะพวกเรา ไม่ใช่ เอาไป + บวก นะครับ อย่าตีความผิด เพราะตอนนี้ เราต้องการ NPSHa มากกว่า > NPSHr เพื่อไปเลือกปั้ม ถูกต้องไหม) พอพวกเราได้ NPSHa 5.8 เมตร ได้แล้วที่นี้จัดการ โทรหาบริษัทขายปั้มเลย ไม่ต้องโทรมาที่นายช่างนะครับ นายช่างไม่ได้ขายปั้ม แนบแบบ/drawing/รายการคำนวณ แจ้งเงื่อนไขหลักๆไป ผมต้องการ BFP สำหรับ supply ที่ Temp เท่านี้, Flow เท่านี้, Head เท่านี้, NPSH เท่านี้ ขอ spec pump พร้อม pump curve หน่อยครับ

          และนี่ คือสิ่งที่ท่านจะได้ จากบริษัทผู้ผลิตปั้ม หน้าตาจะออกมาแบบนี้ ปรึกษา engineer เครื่องกล ใกล้บ้านท่าน หากยัง งง อยู่ ว่าทำไม ที่นายช่างบอกจาก paragraph ด้านบน ว่า NPSH มันไม่ใช่ค่าที่ fix ค่าเดียวนะ ***จัดว่าเด็ด ท่านต้องดู flow factor ของมันด้วย อย่างปั้มตัวอย่างด้านบน ถ้า flow ท่านลดลง-แกน X (จะด้วยเหตุผลอะไรก็ตามแต่ที่มันลดลง ช่างมัน) สมมติ จาก 35 ลบ.ม.ต่อ ชั่วโมง ลดลงไป เหลือ 30 ลบ.ม. ต่อชั่วโมง NPSH ของพี่ จาก 4.2 เมตร ลดลงเหลือ 3.0 เมตร(โดยประมาณ) ทันทีนะครับ % cavitation ถามหาอีกแล้ว

          โอ้โห…จะอะไรกับชีวิตว่ะเนี่ย ถ้าพวกเราอยู่ control room พวกเราเริ่มมองภาพออกแล้วนะครับ control valve เรา เปิดกี่% ตอนนี้? เสี่ยง หรือไม่เสี่ยงกับ cavitation ในระยะยาว? เช่นเดียวกัน ถ้า flow เพิ่มจาก 35 ลบ.ม. ต่อชั่วโมง ไป 40 ลบ.ม. ต่อชั่วโมง NPSH พี่กระโดดไปเกือบ 6.0 เมตร เลยทีเดียว มันเป็น factor เกี่ยวพันกันหมด ใจเย็นๆครับ ค่อยๆไล่ระบบ ทีละอย่าง นึกอะไรไม่ออกค่อยโทรหานายช่าง ถ้านายช่างไม่ว่าง เดี๋ยวโทรกลับเอง มันมีวิธีลักไก่อยู่(ถ้าจำเป็นนะ)

          ความมันส์ ยังไม่จบเท่านี้ พวกเราสังเกต เห็นอะไรจากสมการ NPSHa มีค่า เท่ากับ Ha + Hz – (Hf + Hvp) หรือไม่ครับ

          กรณีนี้ feed water ที่ deaerator 90 เซลเซียส เราได้ Hvp 7.41 เมตร คิดเล่นๆ ถ้า Feed water ของพวกเรา

          80 เซลเซียส vapor pressure = 0.473 bar, density 972 kg/ลบ.ม. จะได้ Hvp = 4.96 ม.
          90 เซลเซียส vapor pressure = 0.701 bar, density 965 kg/ลบ.ม. จะได้ Hvp = 7.51 ม.
          100 เซลเซียส vapor pressure = 1.01 bar, density 958 kg/ลบ.ม. จะได้ Hvp = 10.75 ม.

รูปที่ 5. Pump curve จาก บริษัทผู้ผลิตปั้ม เอาเก็บเข้าแฟ้มไว้ที่ control room เลยนะพวกเรา อย่าให้หายนะ (เลือกปั้ม ที่น่าเชื่อถือ หน่อยนะพวกเรา สมัยนี้ Photoshop แต่งได้ ไม่ควรประมาทครับ)

ดังนั้น สำหรับระบบนี้ (ตัวอย่างนี้ ตัวอย่างเดียวนะ ตัวอย่างอื่น/ระบบอื่น ท่านต้องมานั่งคำนวณกันใหม่) ที่พวกเราเห็น คร่าวๆจะได้ Vapor pressure ที่ feed temp ต่างกัน ครั้งละ 10 เซลเซียส เป็นผลให้ Head ต่างกันถึง 2.5-3.0 เมตร ยิ่ง feed temp สูง Hvp ท่านยิ่งสูงตาม เป็นผลให้

NPSHa ที่ feed water temp 80 เซลเซียส โดยประมาณ 9.3 ม.

NPSHa ที่ feed water temp 90 เซลเซียส โดยประมาณ 6.8 ม.

NPSHa ที่ feed water temp 100 เซลเซียส โดยประมาณ 3.5 ม.

คนละเรื่อง หนังคนละม้วนเลยพวกเรา เห็น% ความเสี่ยงที่ NPSHa มีสิทธิที่จะต่ำกว่า NPSHr กันหรือไม่ครับพวกเรา %ความเสี่ยงของ cavitation ที่สามารถเกิดขึ้นได้ ผลจาก vapor pressure ล้วนๆ นี่คือเหตุผล ทำไมชอบเอา Deaerator ไปไว้สูงๆกันจัง (สูงกว่า steam drum ยังมีนะ ในโรงไฟฟ้าบางที่ จนในบางทีนายช่างมีอาการขี้เกียจเดินขึ้นเป็นบางครั้ง ฮาๆๆ)

ณัฐพงศ์ ไชยสิทธิ์
วก.958
วุฒิวิศวกรเครื่องกล

(ในภาพเป็นงาน balancing shaft Boiler Feed water Pump)

ยุ่งยากไหมครับ NPSH พวกเราตอบนายช่างให้ชื่นใจหน่อย ถ้าเข้าใจในระบบ ไม่มีความจำเป็นที่จะต้องไปจำมัน อย่างที่กล่าวไว้ด้านบน ใช้เวลาอยู่กับ BFP สักพัก แล้วพวกเราจะอยู่กับมันได้ทั้งวันทั้งคืน

ยังมีสิ่งที่น่าสนใจอีกนะ ยังไม่จบแค่นี้ครับ วิชาปั้มและระบบสูบน้ำ สมัยนายช่างเรียนหนังสือ นี่เรียนกันเป็นเทอม แต่ต้องมาสรุปให้พวกเรา ในไม่กี่หน้ากระดาษ A4 ขอให้พวกเราทบทวน กันก่อน เวลาไปอยู่ที่หน้างานกับนายช่าง จะได้สนุกสนาน นั่นเอง ภาคหน้าสนุกกว่านี้ครับ ภาคนี้เน้นทฤษฎีก่อน ภาคหน้าจะลงหน้างานจริงครับ พวกเรา

คำถามชวนสงสัย

1.ในระบบ Boiler ลูกหนึ่ง ท่านจะเอาอะไรมาพิจารณา เป็นเกณฑ์ดีว่า เราจะเลือกติดตั้ง BFP x1 ตัว, x2 ตัว, x3 ตัว ยกตัวอย่างข้างต้น ถ้าเป็นนายช่าง จะไม่ใส่ BFP x1 ตัว ทั้งๆที่มัน cover แล้ว/ เพียงพอแล้ว ถ้าเป็นท่าน จะพิจารณาจากอะไร
2.มีเหตุผลอื่น support อีกหรือไม่ ที่ Deaerator มันไปอยู่ level ที่ต่างกัน ระดับที่ต่างกัน (capacity เดียวกัน ท่านไปเจอ boiler จาก USA/ boiler จาก อินเดีย/ boiler made in China คนละ level กัน) จงอธิบายด้วย หลักการทางวิศวกรรม