ประสิทธิภาพของปั๊มหอยโข่ง
ลักษณะการทำงานของปั๊มหอยโข่ง
ประสิทธิภาพของปั๊ม วัด 3 ลักษณะ
- ประสิทธิภาพด้านไฮดรอลิก (Hydraulic Efficiency):
วัดความสามารถของปั๊มในการถ่ายเทพลังงานไปยังของเหลวอย่างมีประสิทธิภาพ - ประสิทธิภาพด้านกลไก (Mechanical Efficiency):
วัดการสูญเสียเชิงกลของปั๊ม เช่น จากแรงเสียดทาน การสั่นสะเทือน ฯลฯ - ประสิทธิภาพด้านปริมาตร (Volumetric Efficiency):
วัดความสามารถของปั๊มในการจ่ายอัตราการไหลตามที่ต้องการ
การสูญเสียพลังงาน และชนิดของประสิทธิภาพ
การคำนวณประสิทธิภาพ
- ประสิทธิภาพโดยรวม (Overall Efficiency):
คำนวณจากอัตราส่วนระหว่างกำลังขาออกกับกำลังขาเข้า
- สูตรการคำนวณประสิทธิภาพ:
η = (กำลังขาออก / กำลังขาเข้า) × 100%
ความหมายของกราฟสมรรถนะปั๊ม
กราฟสมรรถนะปั๊มเป็นการแสดงผลลัพธ์ทางกราฟิกของค่าต่าง ๆ ที่ปั๊มสร้างขึ้น เช่น ความสูงของน้ำ (Head), อัตราการไหล (Flow Rate), ประสิทธิภาพ (Efficiency), กำลังไฟฟ้าที่ปั๊มใช้ (Input Power) และค่า NPSHR (Net Positive Suction Head Required) โดยจะแสดงความสัมพันธ์ของค่าต่าง ๆ เหล่านี้กับอัตราการไหลของน้ำที่ผ่านปั๊ม
1. Head and Flow Curve (กราฟความสูงและอัตราการไหล)
- แกนตั้ง (Y-axis) แสดง Pump Total Head (H) เป็นหน่วยฟุต (ft) ซึ่งหมายถึงพลังงานที่ปั๊มส่งให้กับน้ำต่อน้ำหนักน้ำหนึ่งหน่วย
- แกนนอน (X-axis) แสดง Flow Rate หรืออัตราการไหลของน้ำในหน่วย แกลลอนต่อนาที (GPM)
- กราฟนี้ใช้บอกสมรรถนะของปั๊มโดยไม่ขึ้นกับความหนาแน่นของของเหลว
2. Efficiency Curve (กราฟประสิทธิภาพ)
- แสดงประสิทธิภาพของปั๊มในรูปเปอร์เซ็นต์ (%)
- สูตรคำนวณประสิทธิภาพปั๊ม:
ηp=PwPp
โดยที่
Np = ประสิทธิภาพปั๊ม
Pw = กำลังที่ปั๊มถ่ายโอนให้น้ำ (hp)
Pp = กำลังไฟฟ้าที่ปั๊มใช้ (hp)
- จุดที่ประสิทธิภาพสูงสุดของปั๊ม เรียกว่า Best Efficiency Point (BEP) ซึ่งเป็นจุดทำงานที่ดีที่สุดของปั๊ม
3. Pump Input Power Curve (กราฟกำลังไฟฟ้าที่ปั๊มใช้)
- แสดงกำลังไฟฟ้าที่ปั๊มต้องใช้ตามอัตราการไหล
- สูตรคำนวณกำลังไฟฟ้าที่ใช้
Pp=Q⋅H⋅s3960⋅ηp
โดยที่
Pp = กำลังไฟฟ้าที่ใช้ (hp)
Q = อัตราการไหล (GPM)
H = ความสูงของน้ำ (ft)
s = ความหนาแน่นสัมพัทธ์ (Specific Gravity)
Np = ประสิทธิภาพปั๊ม
สามารถคำนวณกำลังไฟฟ้าจากกำลังถ่ายโอนพลังงานน้ำและประสิทธิภาพได้:
Pp=Pwηp
กราฟนี้ช่วยในการเลือกขนาดมอเตอร์หรือไดรเวอร์ให้เหมาะสมกับปั๊ม
4. Net Positive Suction Head Required (NPSHR) Curve (กราฟ NPSHR)
- แสดงค่า NPSHR ในหน่วยความสูงน้ำ สำหรับอัตราการไหลต่าง ๆ
- NPSHR คือค่าความดันดูดที่ต้องมีขั้นต่ำ เพื่อให้ปั๊มทำงานได้ตามสมรรถนะโดยไม่เกิดโพรงอากาศ (Cavitation)
- ค่า NPSHR สามารถดูได้จากกราฟสมรรถนะของปั๊มที่ผู้ผลิตให้มา
ความสำคัญของประสิทธิภาพปั๊ม
- ประหยัดพลังงาน:
ปั๊มที่มีประสิทธิภาพสูงจะใช้พลังงานน้อยลงและช่วยลดต้นทุนด้านพลังงาน - ความน่าเชื่อถือที่เพิ่มขึ้น:
ปั๊มที่มีประสิทธิภาพสูงมักมีอายุการใช้งานนานขึ้น และต้องการการบำรุงรักษาน้อยลง - ผลดีต่อสิ่งแวดล้อม:
การลดการใช้พลังงานช่วยให้การดำเนินงานมีความยั่งยืนมากยิ่งขึ้น
วิธีเพิ่มประสิทธิภาพของปั๊มหอยโข่ง
การเพิ่มประสิทธิภาพของปั๊มหอยโข่งเกี่ยวข้องทั้งด้านการออกแบบและการใช้งานจริง ต่อไปนี้คือกลยุทธ์แบบครอบคลุม:
1. เดินเครื่องใกล้จุดประสิทธิภาพสูงสุด (BEP – Best Efficiency Point)
- ให้แน่ใจว่าปั๊มทำงานใกล้กับจุด BEP ซึ่งเป็นจุดที่มีประสิทธิภาพสูงสุด
- หลีกเลี่ยงการเดินเครื่องในช่วงที่ค่าการไหลต่ำเกินไป (ด้านซ้ายของกราฟปั๊ม) หรือสูงเกินไป (ด้านขวา)
Pump Operating Points and Regions
Best Efficiency Point (BEP) — จุดประสิทธิภาพสูงสุดของปั๊ม
- BEP คือจุดที่ปั๊มทำงานที่ประสิทธิภาพสูงสุด (max efficiency) ที่ความเร็วรอบและขนาดใบพัด (impeller diameter) ที่กำหนด
- ปั๊มจะถูกออกแบบให้ทำงานที่จุดนี้ (duty point) เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพและอายุการใช้งานดีที่สุด
- ข้อดีของการทำงานที่ BEP:
- การสั่นสะเทือนและเสียงรบกวนต่ำ
- การหมุนเวียนน้ำภายในใบพัดน้อยที่สุด (ลดความเสียหาย)
- น้ำไหลเข้าสู่ใบพัดอย่างราบรื่น (shockless entry) หมายถึงทิศทางน้ำตรงกับมุมของใบพัดพอดี
Preferred Operating Region (POR) — พื้นที่การทำงานที่เหมาะสม
- POR คือช่วงอัตราการไหลที่อยู่รอบๆ BEP ที่ประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือของปั๊มยังไม่ลดลงมาก
- ในช่วงนี้ การสั่นสะเทือนและภาระภายในปั๊มยังต่ำ
- ขอบเขตของ POR จะต่างกันขึ้นกับ specific speed ของปั๊ม โดยทั่วไปจะอยู่ระหว่าง:
- 90-110% ของอัตราการไหลที่ BEP
- หรือกว้างขึ้นได้ถึง 70-120% ของอัตราการไหลที่ BEP
Allowable Operating Region (AOR) — พื้นที่การทำงานที่อนุญาต
- AOR คือช่วงอัตราการไหลที่ปั๊มสามารถทำงานได้ตามสเปคที่ระบุโดยผู้ผลิต
- ช่วงนี้ถูกจำกัดด้วยปัจจัยต่าง ๆ เช่น:
- การเกิดโพรงอากาศ (cavitation)
- ความร้อน
- การสั่นสะเทือน
- เสียงรบกวน
- การโก่งตัวของเพลาปั๊ม
- ความเหนื่อยล้าของวัสดุ (fatigue)
- สามารถใช้งานปั๊มในช่วงนี้ได้โดยไม่ทำให้ปั๊มเสียหายมากนักในระยะยาว (service life ยอมรับได้)
- การทำงานเป็นระยะในช่วงนี้โดยทั่วไปไม่ทำให้เกิดปัญหาใหญ่ แต่ควรปรึกษาผู้ผลิตเพื่อความแม่นยำ
Shut-off Head และ Pump Runout
- Shut-off Head คือจุดที่ปั๊มทำงานที่อัตราการไหลเป็นศูนย์ (ไม่มีน้ำไหลผ่าน)
- ปั๊มยังหมุนอยู่แต่ไม่มีการส่งน้ำ
- หากปั๊มทำงานที่จุดนี้นานเกินไป อาจทำให้เกิดความเสียหายทางกลไกอย่างรุนแรง
- Pump Runout คือจุดที่ปั๊มทำงานที่อัตราการไหลสูงสุด
- การทำงานที่จุดนี้อาจทำให้เกิดโพรงอากาศ, การสั่นสะเทือนสูง, และทำให้มอเตอร์หรือไดรเวอร์ทำงานหนักเกินไป
- ทั้งสองจุดนี้เป็นจุดที่ควรหลีกเลี่ยงการทำงานจริง
สรุป
- BEP คือจุดที่ดีที่สุดในการทำงานของปั๊ม
- POR คือช่วงที่ปั๊มทำงานได้ดีและมั่นคงรอบ ๆ BEP
- AOR คือช่วงที่ปั๊มสามารถใช้งานได้อย่างปลอดภัยภายใต้ข้อจำกัดทางเทคนิค
หลีกเลี่ยงการทำงานที่ Shut-off Head และ Pump Runout เพื่อป้องกันความหายของปั๊ม
2. ลดการสูญเสียแรงเสียดทาน
- ใช้ท่อที่เรียบ มีขนาดเหมาะสม และตรง
- ลดจำนวนข้องอ วาล์ว และข้อต่อต่าง ๆ ให้น้อยที่สุด
- ทำความสะอาดท่ออย่างสม่ำเสมอเพื่อป้องกันคราบตะกรันหรือตะกอนสะสม
3. ใช้ใบพัดที่เหมาะสมทั้งขนาดและชนิด
- ปรับขนาดใบพัดให้ตรงกับจุดใช้งานที่ต้องการ แทนการใช้วาล์วควบคุมปริมาณน้ำ
- ใช้ใบพัดที่มีประสิทธิภาพสูง หรืออัปเกรดเป็นใบพัดชนิดมีใบหลายแฉก (vane impeller) หากเหมาะสม
กฎความสัมพันธ์ของปั๊ม (Pump affinity laws)
กฎความสัมพันธ์ของปั๊มอธิบายความสัมพันธ์ระหว่างตัวแปรต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้องกับประสิทธิภาพของปั๊ม สูตรต่อไปนี้ใช้กับปั๊มหอยโข่ง และแสดงให้เห็นความแตกต่างของความจุปั๊ม แรงดันน้ำ และกำลังที่ปั๊มดูดซับเมื่อเปลี่ยนความเร็วของปั๊มโดยที่เส้นผ่านศูนย์กลางของใบพัดไม่เปลี่ยนแปลง
ความจุเปลี่ยนแปลงตามอัตราส่วนของความเร็วปั๊ม:
Q1 ÷ Q2 = N1 ÷ N2
แรงดันน้ำเปลี่ยนแปลงตามกำลังสองของอัตราส่วนความเร็วปั๊ม:
H1 ÷ H2 = (N1 ÷ N2)2
กำลังเปลี่ยนแปลงตามกำลังสามของอัตราส่วนความเร็วปั๊ม
P1 ÷ P2 = (N1 ÷ N2)3
โดยที่
- Q = ความจุปั๊ม (m³/h)
- H = แรงดันน้ำ (mwc)
- P = กำลังปั๊ม (kW)
- N1 = ความเร็วปั๊มที่ต้องการ (รอบต่อนาที, rpm)
N2 = ความเร็วปั๊มอ้างอิง (rpm)
4. ควบคุมความเร็วให้เหมาะสม
- ใช้ระบบขับเคลื่อนความเร็วแปรผัน (VFD) เพื่อปรับความเร็วปั๊มให้สอดคล้องกับความต้องการของระบบ
- การลดความเร็วในภาวะโหลดบางส่วนสามารถเพิ่มประสิทธิภาพได้มาก
การลดความเร็วและการตัดขนาดใบพัด (Speed Reduction and Impeller Trimming)
- Variable Speed Drive (VSD) ทำให้สามารถปรับความเร็วปั๊มได้ ทำให้ปั๊มทำงานที่เงื่อนไขหลากหลายตามต้องการ
- Impeller Trimming คือการลดขนาดใบพัดลงเพื่อปรับการทำงานของปั๊มในกรณีที่ความต้องการลดลง การใช้ affinity rules ช่วยคำนวณผลลัพธ์ใหม่ของปั๊มหลังตัดใบพัด
Application Guideline for Variable Speed Pumping
- จุดประสงค์ของคู่มือนี้คือการให้ความรู้กับผู้ใช้งานและมืออาชีพในวงการปั๊ม
- เพื่อส่งเสริมการใช้ Variable Speed Pumps อย่างถูกต้อง
- ผลลัพธ์ที่ได้คือ
- ประหยัดพลังงานมากขึ้น (energy efficiency)
- ระบบทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือ (increased reliability)
- ปลอดภัยและมีประสิทธิภาพในระยะยาว
5. ลดการรั่วไหลและการหมุนเวียนกลับภายใน
- ตรวจสอบและรักษาสภาพซีลเชิงกล (mechanical seal) ให้อยู่ในสภาพดี
- ตรวจสอบการรั่วภายใน เช่น จากแหวนกันสึก (wear rings) และแหวนซีล (seal rings)
6. ลดปัญหาคาเวเทชัน (Cavitation)
- ให้แน่ใจว่า NPSHA (หัวดูดสุทธิที่มีอยู่) มากกว่า NPSHR (หัวดูดที่ต้องการ)
- หลีกเลี่ยงการดูดน้ำจากระดับต่ำมากเกินไป ใช้ท่อดูดที่เหมาะสม และพยายามให้ด้านดูดเต็มน้ำเสมอ
สูตรการคำนวณ:
lift L = P(h) – NPSHr – hf
โดยที่
- L = ความสูงดูดสูงสุด (m) คือความสูงแนวตั้งระหว่างระดับของของเหลวกับจุดกึ่งกลางของปั๊มหอยโข่ง
- Ph = ความกดอากาศจริง (แรงดันบรรยากาศ) หรือความกดดันของอากาศ ณ จุดที่ใช้งาน (ประมาณ 1000 hPa = 1.0 bar = 10 mwc ที่ระดับน้ำทะเล)
- NPSHr = Net Positive Suction Head Required (ค่าที่อ่านได้จากกราฟปั๊ม แสดงการสูญเสียแรงดูดภายในปั๊ม เพื่อป้องกันการเกิดโพรงอากาศหรือ cavitation)
- hf = ความต้านทานจากท่อดูด (ประกอบด้วยแรงเสียดทานในท่อและอุปกรณ์ต่อพ่วงทั้งหมดในท่อดูด)
หมายเหตุ:
- ความกดอากาศบรรยากาศจะแตกต่างกันตามความสูงจากระดับน้ำทะเล (เช่น ในภูเขาจะต่ำกว่า)
- อุณหภูมิของของเหลวมีผลต่อความสูงดูดสูงสุด โดยเฉพาะของเหลวที่มีอุณหภูมิสูงกว่า 20°C จะทำให้ความสูงดูดลดลงอย่างรวดเร็ว
7. ปรับปรุงระบบการสูบโดยรวม
- ใช้ปั๊มแบบขนานหรือแบบอนุกรมตามความต้องการที่เปลี่ยนแปลง แทนการใช้ปั๊มตัวเดียวที่ไม่มีประสิทธิภาพ
- พิจารณาใช้ระบบควบคุมอัตโนมัติเพื่อปิดหรือปรับการทำงานของปั๊มเมื่อไม่จำเป็นต้องใช้
8. บำรุงรักษาอย่างสม่ำเสมอ
- ตรวจสอบการสึกหรอของใบพัด ลูกปืน และซีล
- เปลี่ยนชิ้นส่วนที่สึกหรอทันทีเพื่อรักษาประสิทธิภาพ
- หยอดน้ำมันหล่อลื่นลูกปืนอย่างถูกต้องและสม่ำเสมอ
9. อัปเกรดเป็นปั๊มประหยัดพลังงาน
- เปลี่ยนปั๊มรุ่นเก่าหรือขนาดใหญ่เกินไป ด้วยปั๊มรุ่นใหม่ที่มีประสิทธิภาพสูง
- เลือกปั๊มที่มีประสิทธิภาพด้านไฮดรอลิกสูงกว่าเดิม
10. ลดการสูญเสียจากการควบคุมวาล์ว (Throttling)
- หลีกเลี่ยงการใช้วาล์วควบคุมการไหลมากเกินไป
- ให้ใช้ VFD แทน หรือเลือกปั๊มที่เหมาะสมกว่าแต่แรก
ตรวจวัดและวิเคราะห์ประสิทธิภาพ
- ใช้เครื่องมือตรวจวัดประสิทธิภาพ เช่น มิเตอร์วัดการไหล เซ็นเซอร์วัดแรงดัน มิเตอร์พลังงาน
- ทำการตรวจสอบ (audit) ปั๊มเป็นประจำเพื่อค้นหาจุดที่ไม่มีประสิทธิภาพและโอกาสในการปรับปรุง
การคำนวณขนาดปั๊ม (Pump Sizing Calculation)
การเลือกขนาดปั๊มที่เหมาะสมต้องอาศัยความรู้และประสบการณ์ในเรื่องของของเหลวและเทคโนโลยีปั๊มอย่างละเอียด ทางผู้เชี่ยวชาญแนะนำให้ปรึกษาผู้มีประสบการณ์เพื่อให้ได้ปั๊มที่เหมาะสมกับงานนั้น ๆ และสามารถช่วยประหยัดค่าใช้จ่ายในระยะยาวได้
Pump Fundamentals: Parallel and Series Pump Implications
ปั๊มแบบ Parallel (ขนาน)
- ปั๊มหลายตัวดูดน้ำจากแหล่งเดียวกัน และปล่อยน้ำเข้าที่เดียวกัน
- จุดเด่นคือเพิ่ม อัตราการไหล (flow rate) โดยไม่เพิ่มแรงดัน
- เพื่อคำนวณกราฟรวม (composite pump curve) ของปั๊มหลายตัวที่ทำงานขนานกัน
- ให้บวก อัตราการไหลของแต่ละปั๊ม ที่ค่าแรงดัน (head) เดียวกัน
ปั๊มแบบ Series (อนุกรม)
- ปั๊มหลายตัวเรียงกัน โดยปั๊มตัวแรกปล่อยน้ำไปยังปั๊มตัวถัดไป
- จุดเด่นคือเพิ่ม แรงดัน (head) โดยไม่เพิ่มอัตราการไหล
- การใช้งานเหมาะกับระบบที่ต้องการแรงดันสูงแต่ไม่จำเป็นต้องเพิ่มอัตราการไหลมาก
ปริมาณการไหลที่เพิ่มขึ้นในระบบขึ้นอยู่กับทั้งรูปร่างของกราฟระบบและรูปร่างของกราฟปั๊ม กราฟปั๊มรวมจะตัดกับกราฟระบบที่จุดการทำงานต่าง ๆ ซึ่งส่งผลให้เกิดอัตราการไหลที่แตกต่างกัน เมื่อมีการใช้งานปั๊มเพิ่มขึ้น การไหลก็จะเพิ่มขึ้นตามไปด้วยครับ
ควรทราบว่า เว้นแต่กราฟระบบจะราบเรียบอย่างสมบูรณ์ (ซึ่งหมายความว่าการเสียดสีและการสูญเสียพลังงานแบบไดนามิกอื่น ๆ นั้นไม่สำคัญ) การนำปั๊มตัวที่สองมาใช้งานพร้อมกันจะไม่ทำให้อัตราการไหลเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า การเพิ่มขึ้นของอัตราการไหลจะน้อยกว่าสองเท่า ขึ้นอยู่กับความชันของกราฟระบบ
ปั๊มแบบอนุกรม (Pumps in Series)
ในขณะที่ปั๊มที่วางแบบขนาน (parallel) จะช่วยเพิ่มปริมาณการไหลที่ความดันหัวเท่าเดิมเมื่อเทียบกับปั๊มตัวเดียว ปั๊มที่วางแบบอนุกรม (series) จะช่วยเพิ่มความดันหัวที่ปริมาณการไหลเท่าเดิม
กราฟปั๊มรวมที่แสดงปั๊มแบบอนุกรมสามารถสร้างขึ้นได้โดยการนำค่าความดันหัวของปั๊มแต่ละตัวมาบวกกันที่ปริมาณการไหลเดียวกัน การนำค่าผลรวมนี้มาแสดงในปริมาณการไหลต่าง ๆ จะได้กราฟปั๊มรวมสำหรับกลุ่มปั๊มดังกล่าว รูปที่ 3 แสดงกราฟปั๊มรวมสำหรับปั๊มขนาดเท่ากันสองและสามตัวที่ทำงานแบบอนุกรมครับ
ปั๊มที่ทำงานแบบอนุกรมช่วยให้ระบบปั๊มสามารถสร้างแรงดันหัวสูงขึ้นได้มากกว่าการใช้ปั๊มเพียงตัวเดียว ซึ่งทำให้สามารถออกแบบสถานีปั๊มให้ตอบสนองความต้องการของระบบที่ต้องการแรงดันส่งสูง ๆ ที่อาจจะไม่สามารถทำได้ด้วยปั๊มตัวเดียว ในบางกรณีที่มีการใช้งานเฉพาะเจาะจง สถานีปั๊มแบบนี้ยังช่วยรองรับความแตกต่างของแรงดันในระบบได้กว้างขึ้นโดยการปรับจำนวนปั๊มที่ทำงานในแต่ละช่วงเวลา
การนำปั๊มแบบอนุกรมมาใช้กับระบบที่มีกราฟแรงดันหัวชัน อาจช่วยให้ปั๊มสามารถตอบสนองความต้องการแรงดันหัวที่ต่างกันได้ ตราบใดที่มีการติดตั้งท่อส่งระหว่างขั้นตอน (inter-stage discharge piping) ให้เหมาะสมเพื่อรองรับการทำงานแบบนี้
กราฟสมรรถนะแสดงการใช้งานที่ความเร็วลดลง
