ความยุงยากในการเลือกปั๊มหอยโข่ง

วิธีจัดการกับความไม่แน่นอนของ System Curve

ในช่วงเริ่มต้นของการทำโปรเจคท์ วิศวกรมักกำหนดสเปกปั๊มใหม่ โดยการคำนวณ System Curve แบบเผื่อๆใว้ คือจะเผื่อความปลอดภัย มากเกินไป เนื่องจากขณะนั้นเส้นทางการเดินท่อยังไม่กำหนดชัดเจน ความต้านทานที่เกิดจากระบบท่อยังกำหนดแน่นอนไม่ได้

    นอกจากนี้ ยังมีการเลือกปั๊มที่มีค่า Best Efficiency Point (BEP) ต่ำสุดตามที่มาตรฐานที่อนุญาต (Allowable) จึงมักเป็นตัวเลือกที่มีราคาถูกที่สุด ซึ่งผลที่เกิดขึ้นของสองปัจจัยนี้คือ ปั๊มที่ถูกเลือกซื้อมา ต้องทำงานที่อัตราการไหลสูงกว่าการไหลที่ BEP หรือบางครั้งอาจทำงานเกินช่วงที่ในมาตรฐานกำหนดไว้ด้วยซ้ำ

    กระบวนการจัดซื้อปั๊ม

    ในอุตสาหกรรมทั่วไป การสั่งซื้ออุปกรณ์หลัก เช่น ปั๊มคอมเพรสเซอร์ เป็นต้น จะเกิดขึ้นหลังจากเสร็จสิ้นการทำออกแบบโปรเซสของโรงงาน ซึ่งเป็น Basic Design (BD) เท่านั้น

การเลือกปั๊มมาใช้งานในกระบวนการผลิต (Production process)นั้นๆ ต้องเลือกคุณสมบัติของปั๊มและ Performance curve ของปั๊ม ซึ่งได้รับการทดสอบและรับรองมาจากโรงงานของผู้ผลิต

ปั๊มที่เลือกใช้ต้องเลือกปั๊มที่มีจุดใช้งานปรกติ (Allowable operating range) ใกล้ๆกับจุดที่มีประสิทธภาพสูงสุด (BEP) เพื่อประหยัดพลังงาน

โดยทั่วไป BD ต้องมีรายละเอียดเพียงพอสำหรับการประมาณราคาโครงการ หรืองบลงทุน (Budget) ในระดับความแม่นยำ ±20%

ซึ่งในขั้นนี้ ยังไม่มีรายละเอียดการเดินท่อจริง (Detailed Routing) หรือแบบ Isometric Drawing ซึ่งงานนี้จะเกิดขึ้นในขั้นตอนต่อไป ในขั้น Detailed Design (DD)

เนื่องจากการจัดซื้อ ผลิต และติดตั้งปั๊มในโครงการเป็นงานที่ต้องใช้เวลาทำทั้งหมดนาน ซึ่งโดยทั่วไปมักจะเป็น Critical Path ของโครงการ จึงไม่สามารถรอความถูกต้องได้ จึงต้องเริ่มกำหนดสเปกตั้ง BD

การกำหนด Data Sheet ของปั๊ม

Data Sheet เป็นส่วนสำคัญที่สุดของสเปก เพราะ Data sheet ใช้เป็นตัวกำหนดข้อมูลทางเทคนิคทั้งหมดสำหรับการออกแบบและผลิตปั๊ม

ผู้ซื้อจะต้องระบุค่าใน Data sheet เช่น

• Rated Flow Rate
• Rated Differential Head
(หรือความดันด้านจ่ายลบด้วยความดันด้านดูด)
• ชนิดและคุณสมบัติของสารที่ปั๊ม
• ลักษณะการใช้งานของปั๊ม

ค่าดังกล่าวมักถูกคำนวณจากความต้องการตาม Flow Diagram ในขั้น Basic Design พร้อมทั้งกำหนดขนาดท่อที่เหมาะสม จากนั้นผู้ออกแบบ หรือผู้รับเหมาจะเลือกปั๊มที่มี BEP ใกล้กับ Operating Point มากที่สุดและราคาถูกสุด

ผลก็คือ ในหลายกรณี Data Sheet ถูกจัดทำขึ้นก่อนที่จะมีรายละเอียดการเดินท่อจริง ซึ่งบางครั้งวิศวกร (Process engineer) ยังไม่รู้ด้วยซ้ำว่าปั๊มจะติดตั้งตรงไหน จึงเกิด “ความไม่แน่นอน” ทั้งด้านแรงดันดูดและแรงดันจ่ายของปั๊ม ทำให้ วิศวกรมักต้อง “สมมติ” หลายๆ อย่าง เช่น

• แนว Pipe Rack หรือ Pipe route
• การหลีกเลี่ยงการติดตั้งในที่เดียวกันของอุปกรณ์
• Layout ของ Piping และ Fitting ต่างๆ
• Pressure Drop จาก Piping, Fitting, Filter, Strainer
• เป็นต้น

จากประสบการณ์ที่พบ วิศวกรจำนวนมาก มักออกแบบเผื่อ (Safety Margin) โดยเพิ่มค่าต่างๆประมาณ +15% ถึง +20% ส่งผลให้ System Curve จะถูกคำนวณให้ Head สูงกว่าความจริง หรือพูดอีกแบบคือ เส้น System Curve ชันเกินจริงโดยจะใช้การหรี่วาล์ว (Discharge Valve) เพื่อเพิ่มความต้านทาน เป็นการช่วย ถ้า Flow จริงสูงเกินไป ซึ่งแนวทางนี้อาจมีต้นทุนสูงในระยะยาว

การคำนวณค่า System Curve

Operating Point ของปั๊ม คือจุดตัดระหว่าง
• Pump Performance Curve
• System Characteristic Curve
โดย
• Pump Curve ขึ้นกับลักษณะของปั๊ม และสร้างโดยผู้ผลิต
• System Curve ขึ้นกับระบบท่อ วาล์ว และอุปกรณ์ทั้งหมดในระบบ และมักสร้างโดยวิศวกรของเจ้าของโครงการ

System Curve แสดงค่า Total Head ที่ระบบต้องการในแต่ละอัตราการไหล ซึ่งเมื่อคำนวณ System Curve สูงเกินจริง จะเกิดปรากฎการดังนี้ 

ตัวอย่างแสดงว่าหาก Friction Loss ถูกเผื่อเพิ่มขึ้น 20% System Curve ที่คำนวณได้จะสูงกว่าความจริง ผลก็คือ

• Calculated Operating Point (COP) อยู่ที่ 203 gpm
• แต่ Actual Operating Point (AOP) จริงอยู่ที่ 220 gpm

AOP จะอยู่ “ด้านขวา” ของ COP บนกราฟ หมายความว่า ปั๊มจะทำงานที่อัตราการไหลสูงกว่าที่ออกแบบไว้จริง ตามข้อเท็จจริง ผู้ผลิตปั๊มจะเสนอปั๊มตาม COP ไม่ใช่ AOP เพราะตอนเสนอราคา ยังไม่มีใครรู้ AOP จริง

ข้อกำหนด API 610

มาตรฐาน American Petroleum Institute, API 610 กำหนดใว้ว่า Rated Flow ต้องอยู่ในช่วง 80% ถึง 110% ของ BEP Flow Rate หรือในทางกลับกัน BEP ของปั๊มควรอยู่ระหว่าง 91% ถึง 125% ของ Rated Flow ตัวอย่างเช่น หาก Rated Flow = 203 gpm ช่วง BEP ที่ยอมรับได้คือ 184 gpm ถึง 254 gpm

แต่หากเลือกปั๊มที่มี BEP ต่ำสุด คือ 184 gpm ซึ่งตามข้อเท็จจริง มักถูกเลือกเพราะราคาถูกกว่า ขณะที่ AOP จริงคือ 220 gpm ซึ่งจะได้ 220 / 184 = 1.196 หรือประมาณ 120% ของ BEP ซึ่งเกือบถึงขีดจำกัดการทำงานของปั๊มที่ API 610 อนุญาต

จะมีผลกระทบ คือปั๊มอาจจะทำงาน

• ใกล้ขอบเขต Preferred Operating Region
• หรือเกิน End of Curve Flow

สรุปก็คือ เมื่อเกิด 2 อย่างพร้อมกัน จะต้อง

1. เลือกปั๊มที่มี BEP ต่ำสุดตามที่มาตรฐานอนุญาต
2. คำนวณ System Curve แบบ Conservative เกินไป
   

ผลก็คือ ปั๊มจะทำงานที่ Flow สูงเกินไป และห่างจาก BEP มากเกินควร แนวทางแก้ที่ไขที่นิยมใช้ คือวิธีแก้ทั่วไปคือ หรี่ Discharge Valve ซึ่งจะใช้งานได้จริง แต่ต้องแลกมาด้วยการสูญเสียพลังงาน พลังงานส่วนหนึ่งจะสูญเสียไปกับแรงต้านจากวาล์ว แทนที่พลังงานจะถูกใช้ให้เป็นประโยชน์ในการสูบของปั๊ม

การทำงานของผู้รับเหมา

ผู้รับเหมาจะเลือกปั๊มที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการใช้งาน แต่ต้องราคาต่ำสุด กำไรดีที่สุด จึงต้องทำงานออกแบบหลายครั้ง หลายขั้นตอน ตั้งแต่ BD จนกว่าจะได้ข้อมูลที่แน่นอน หลังจากการออกแบบนิ่งแล้วทุกระบบ จะออกแบบ DD หรือ Design for construction ออกมาให้ผู้เกี่ยวข้องอนุมัติให้ดำเนินการ

สรุปว่าการคำนวณ System Curve ให้แม่นยำตั้งแต่ต้น และการเลือกปั๊มที่มี BEP เหมาะสมกับสภาพใช้งานจริง จึงมีความสำคัญอย่างมาก เพื่อ

• การประหยัดพลังงาน (เพิ่มประสิทธิภาพ)
• เพิ่มอายุการใช้งานปั๊ม
• เพิ่มความน่าเชื่อถือของระบบ
• ลดต้นทุนการดำเนินงานระยะยาว (LCC)