Vertical Turbine Pump

ปั๊มแนวตั้ง

ปั๊มเป็นอุปกรณ์ทางกลที่ใช้สำหรับเคลื่อนย้ายของเหลว โดยปั๊มแนวตั้งถือเป็นกลุ่มหนึ่งของปั๊มแบบหมุนเหวี่ยง (Rotodynamic หรือ Centrifugal pumps) ซึ่งปั๊มชนิดนี้จะใช้ใบพัดหมุนเพื่อเพิ่มความเร็วและแรงดันให้กับของเหลว

ปั๊มแนวตั้ง หรือที่เรียกอีกชื่อหนึ่งว่า Vertical Suspended Pump เป็น Vertical centrifugal pump ในแนวตั้ง มีลักษณะพิเศษคือมีเพลาในแนวตั้ง โดยติดตั้งมอเตอร์อยู่ด้านบน และมีใบพัดห้อยอยู่ด้านล่าง

รูปแบบของปั๊มแนวตั้งแบบต่างๆ

ตัวอย่างการติดตั้งปั๊มแนวตั้ง

ชนิดของปั๊มแนวตั้ง

หลักการทำงานของปั๊มเทอร์ไบน์แนวตั้ง

ปั๊มเทอร์ไบน์แนวตั้งเป็นปั๊มแบบแรงเหวี่ยง (Centrifugal pump) ที่ออกแบบมาเพื่อการใช้งานในแนวตั้ง เช่น การจุ่มในน้ำหรือของเหลวอื่นๆ ปั๊มเหล่านี้ประกอบด้วยมอเตอร์หรือเครื่องยนต์ที่ตั้งอยู่เหนือระดับพื้นดินเพื่อขับเคลื่อนชุดใบพัดที่หมุนรอบเพลาในทิศทางขึ้น แนวตั้ง โดยแต่ละขั้นตอนในใบพัดจะมีใบที่ช่วยเพิ่มความเร็วของของเหลวและเพิ่มความดันโดยการถ่ายโอนพลังงานจลน์

ลักษณะการติดตั้งของปั๊มแนวตั้ง

การเพิ่มสมรรถนะ (Q, P) ของปั๊มแบบตั้ง ทำโดยการเพิ่มจำนวนใบพัด ขนาดของใบพัด ใช้ปั๊มหลายตัวปั๊มอนุกรม หรือต่อปั๊มแบบขนาน จะทำเป็นแบบเดียวกับปั๊มแนวนอน

กราฟแสดงสมรรถนะของปั๊มแนวตั้ง

ข้อดีหลักของปั๊มเทอร์ไบน์แนวตั้ง คือ การยกของเหลวจากบ่อหรืออ่างเก็บน้ำที่ลึก ซึ่งแตกต่างจากปั๊มแนวนอนที่ต้องการระบบการปั๊มล่วงหน้าซับซ้อน ปั๊มแนวตั้งไม่จำเป็นต้องมีการปั๊มล่วงหน้าเพราะพวกมันอยู่ภายใต้น้ำหนักของเหลวของตัวเอง ซึ่งทำให้มันเหมาะสมสำหรับการใช้งานในการจัดหาน้ำประปาของเมือง การชลประทานทางการเกษตร และกระบวนการอุตสาหกรรมอื่นๆ ที่ต้องการการสูบจากบ่อที่ลึก

ในแง่ของการออกแบบ ปั๊มเทอร์ไบน์แนวตั้งมีข้อได้เปรียบในการที่สามารถออกแบบให้เหมาะสมกับความต้องการด้านประสิทธิภาพ โดยมีวัสดุหลายประเภท เช่น เหล็กหล่อ สเตนเลส หรือทองเหลือง เพื่อให้สามารถจัดการกับของเหลวหลายประเภท เช่น น้ำ น้ำมัน และสารเคมี นอกจากนี้ยังมีคุณสมบัติเพิ่มเติม เช่น ใบพัดที่ปรับได้, โบลว์ดิวฟิวเซอร์ และตลับลูกปืนรองรับแรงที่ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพและการทำงาน

โดยรวมแล้ว ปั๊มเทอร์ไบน์แนวตั้งเป็นอุปกรณ์ที่น่าเชื่อถือและหลากหลายในการยกของเหลวจากบ่อหรืออ่างเก็บน้ำที่ลึก การจัดเรียงที่จมในของเหลว, ระบบการทำงานที่ไม่ต้องปั๊มล่วงหน้า และชิ้นส่วนที่สามารถปรับได้ทำให้พวกมันเป็นสิ่งที่มีค่าในหลายอุตสาหกรรมที่ต้องการการถ่ายโอนของเหลวอย่างมีประสิทธิภาพที่สุด

วิธีการทำงานของปั๊มเทอร์ไบน์แนวตั้ง

    การวางตำแหน่งของส่วนที่จมอยู่ในน้ำ
ปั๊มทอร์ไบน์แนวตั้งได้รับการออกแบบให้จมอยู่ในของเหลวที่พวกมันสูบขึ้น เช่น น้ำ น้ำมัน หรือของเหลวอื่น ๆ มอเตอร์หรือไดรเวอร์ที่ขับเคลื่อนปั๊มจะติดตั้งอยู่เหนือระดับพื้นดิน ขณะที่ชุดปั๊มประกอบไปด้วยใบพัดและเพลา จะจมอยู่ใต้พื้นผิวของเหลว

การหมุนของใบพัด
ปั๊มมีเพลาที่ยืดลงไปในของเหลว เพลาเชื่อมต่อกับมอเตอร์หรือไดรเวอร์ที่อยู่ด้านบน เพลานี้จะหมุนและมีใบพัดหลายตัวที่ติดตั้งบนเพลา ใบพัดเหล่านี้มีใบมีดโค้ง เมื่อเพลาหมุน ใบพัดจะหมุนไปด้วย สร้างพลังงานจลน์ภายในของเหลวที่ล้อมรอบ

การดูดของเหลว
ที่ส่วนล่างของชุดปั๊มจะมีอ่างดูดหรือช่องเปิดที่ให้ของเหลวเข้าสู่ปั๊ม การหมุนของใบพัดทำให้เกิดแรงดันต่ำใกล้กับปลายใบพัด ทำให้ของเหลวจากสภาพแวดล้อมรอบๆ ถูกดูดเข้าไปในปั๊มผ่านช่องเปิดเหล่านี้

การเร่งความเร็วและการแปลงพลังงาน
เมื่อของเหลวเข้าสู่ใบพัด ความเร็วของมันจะเพิ่มขึ้นเนื่องจากการหมุนของใบพัด พลังงานกลจากมอเตอร์หรือไดรเวอร์จะถูกแปลงเป็นพลังงานไฮดรอลิก ซึ่งทำให้ความดันในของเหลวเพิ่มขึ้น โดยการถ่ายทอดพลังงานจลน์ให้กับของเหลวผ่านใบพัดหมุน

การเพิ่มความดันในแต่ละขั้นตอน
ปั๊มทอร์ไบน์แนวตั้งมักมีหลายขั้นตอน โดยแต่ละขั้นตอนจะประกอบด้วยชุดของโรเตอร์ที่เรียงต่อกันแต่ละตัว ขั้นตอนแต่ละตัวจะช่วยเพิ่มความดันในของเหลว และเมื่อของเหลวผ่านแต่ละขั้นตอน ความดันจะเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ จนกว่าจะได้ความดันที่สูงขึ้นที่ปลายทางของปั๊ม

การจ่ายของเหลว
หลังจากที่ของเหลวผ่านทุกขั้นตอนแล้ว มันจะถูกปล่อยออกจากปั๊มผ่านทางออกจ่าย ของเหลวจะถูกส่งไปยังถังเก็บ ระบบกระจาย หรืออุปกรณ์กระบวนการอื่นๆ ขึ้นอยู่กับความต้องการเฉพาะของการใช้งาน    ประสิทธิภาพสูงและเชื่อถือได้
ปั๊มทอร์ไบน์แนวตั้งเป็นที่รู้จักในด้านประสิทธิภาพและความเชื่อถือได้ พวกมันถูกใช้อย่างกว้างขวางในหลากหลายแอปพลิเคชัน เช่น การสูบน้ำจากบ่อเชิงลึก ระบบน้ำประปา การชลประทาน การผลิตน้ำมันและก๊าซ และกระบวนการอุตสาหกรรมอื่นๆ การออกแบบที่จมในน้ำทำให้ไม่ต้องมีการปั๊มก่อนใช้งาน ทำให้ปั๊มมีความน่าเชื่อถือมากขึ้นและต้องการการบำรุงรักษาน้อยลง ไม่ว่าจะเป็นของเหลวประเภทใดหรือสภาพแวดล้อมในการทำงาน

ส่วนประกอบของปั๊มเทอร์ไบน์แนวตั้ง

ปั๊มเทอร์ไบน์แนวตั้งประกอบด้วยหลายส่วนที่สำคัญ ซึ่งมีบทบาทสำคัญในการทำงานและประสิทธิภาพของปั๊ม ส่วนประกอบหลักที่มักพบในปั๊มเทอร์ไบน์แนวตั้งมีดังนี้

1. ชุดโบว์ล (Bowl Assembly)
ชุดโบว์ลเป็นที่อยู่อาศัยที่มักจะถือใบพัดไว้ ประกอบไปด้วยหลายขั้นตอน โดยแต่ละขั้นตอนจะมีใบพัดและตัวกระจายพลังงานของเหลว Diffuser หรือกระจายพลังงานเป็นชิ้นส่วนที่ไม่เคลื่อนไหวที่ใช้เปลี่ยนพลังงานจลน์ให้เป็นแรงดัน โดยใบพัดจะหมุนบนแกนเพื่อนำพลังงานจลน์ของเหลวให้เปลี่ยนเป็นการเคลื่อนที่

2. ใบพัด (Impellers)
ใบพัดคือส่วนหมุนที่ใช้สร้างพลังงานให้กับของเหลวโดยการใช้ใบที่มีการโค้ง การหมุนของใบพัดจะทำให้ของเหลวเคลื่อนที่เร็วขึ้น จึงเพิ่มความเร็วของเหลว เมื่อปั๊มมีหลายใบพัดในแกนเดียวกัน แต่ละขั้นตอนของใบพัดจะเพิ่มความดันให้สูงขึ้น

มีใบพัดหลักอยู่ 3 ประเภท ได้แก่

• Axial Flow: ของไหลเคลื่อนที่ไปในแนวเดียวกับแกน
• Mixed Flow: ของไหลเคลื่อนที่ในมุมเอียง (ประมาณ 40°–60°)
• Radial Flow: ของไหลเคลื่อนที่ในทิศที่ตั้งฉากกับแกน (90°)

โดยทั่วไป

• ปั๊มแนวนอนมักใช้ใบพัดแบบ Radial Flow ซึ่งหมุนในแนวนอน (เรียกว่าปั๊มแรงเหวี่ยง)
• ปั๊มแนวตั้งมักใช้ใบพัดแบบ Axial หรือ Mixed Flow ซึ่งหมุนในแนวตั้ง และสามารถสูบน้ำปริมาณมากได้อย่างมีประสิทธิภาพ

สมรรถนะของปั๊มแรงเหวี่ยง จะสัมพันธ์กับรูปแบบใบพัดกับความเร็วจำเพาะ (Specific speed)

n_s (or N_s)=(n∙(Q)^0.5)/(H)^0.75 

Where:

n_s = specific speed in metric units

N_s = specific speed in U.S. units

n = rotative speed, in rotations    per minute

Q = total pump flow rate, in cubic    meters per second (U.S. gallons per minute) 

H = head per stage, in meters (feet)

Specific Speed is a dimensionless rating of pump discharge performance derived from an equation involving shaft speed, flow rate and differential head at a pump’s Best Efficiency Point. It is an important factor used in the design and selection of pumps and impellers.

รูปแสดงรูปร่างของใบพัดที่ติดตั้งจริงกับการใหลในตัวปั๊ม

ระหว่างการทำงาน ใบพัด (Impeller) จะส่งของเหลวเข้าสู่ช่องทางต่าง ๆ ที่สร้างขึ้นโดยใบพัดกระจาย (Diffuser Vanes) ซึ่งถูกจัดเรียงไว้อย่างสม่ำเสมอรอบตัวใบพัด แต่ละช่องทางมักจะมีพื้นที่หน้าตัดขยายกว้างขึ้นเรื่อย ๆ เมื่อของเหลวไหลจากใบพัดไปยังคอลัมน์ของปั๊มหรือส่วนหัวทางออก (Discharge Head)

    การออกแบบในลักษณะนี้ช่วยให้สามารถจัดการของเหลวได้อย่างมีประสิทธิภาพในงานที่ต้องการ อัตราการไหลสูงหรือแรงดันสูง โดยอาจมีหลายขั้นตอน (Stages) อย่างไรก็ตาม การออกแบบแบบนี้ก็มีความท้าทายเฉพาะด้านเช่นกัน

    ข้อมูลปัจจัยการออกแบบที่สำคัญ สำหรับปั๊มแนวตั้งแบบใบพัดกระจายที่ทำงานภายในช่วงความเร็วจำเพาะ (Specific Speed – Ns) ที่ 1,500 ถึง 13,000 (หรือ ns = 30 ถึง 250 ในหน่วย SI) โดยเนื้อหาจะครอบคลุมถึง

• ข้อกำหนดด้านไฮดรอลิก (Hydraulic Requirements)
• ข้อพิจารณาในการออกแบบใบพัดและดิฟฟิวเซอร์
• แง่มุมด้านการออกแบบทางกล (Mechanical Design Aspects)
• แรงโหลดทางไฮดรอลิก (Hydraulic Loads)

    โดยเน้นที่ องค์ประกอบสำคัญที่มีผลต่อการเลือกออกแบบตามช่วงความเร็วจำเพาะ

3. ชุดเพลา (Shaft Assembly)
    เพลาคือส่วนที่ถ่ายโอนพลังงานกลจากเครื่องยนต์หรือมอเตอร์ไปยังใบพัด โดยทั่วไปเพลาจะยืดออกในแนวตั้งจากมอเตอร์ที่ติดตั้งอยู่ด้านบนจนถึงใบพัดที่จมอยู่ในน้ำ เมื่อหมุนแล้วจะไม่พบการสูญเสียพลังงานจากการเสียดทาน เพราะมีตลับลูกปืนรองรับเพลาที่จุดต่างๆ

4. มอเตอร์หรือขับเคลื่อน (Motor or Driver)
    มอเตอร์หรือขับเคลื่อนจำเป็นสำหรับการขับเคลื่อนปั๊มชนิดนี้ ในปั๊มแบบเหวี่ยง มอเตอร์มักติดตั้งที่ด้านบนโดยมีเพลายืดลงไปจนถึงใบพัดที่จมอยู่ในน้ำ ซึ่งสามารถใช้พลังงานไฟฟ้าในการทำงานของมอเตอร์ แต่อาจมีประเภทอื่นๆ ขึ้นอยู่กับการใช้งานและสภาวะการทำงาน

5. ท่อคอลัมน์ (Column Pipe)
    เพลาจะถูกหุ้มด้วยท่อคอลัมน์ ซึ่งให้การรองรับใบพัดภายใน ท่อคอลัมน์มักทำจากวัสดุที่แข็งแรง เช่น เหล็กกล้าไร้สนิม เพราะต้องรองรับแรงและความดันที่เกิดขึ้นในการทำงาน ส่วนท่อคอลัมน์นี้ยังช่วยเป็นแนวทางจากทางออกของใบพัดไปยังด้านล่างของระบบ

6. เบลล์ดูด (Suction Bell)
    เบลล์ดูดคืออุปกรณ์ที่ใช้ในการไกด์การไหลของเหลวเข้าสู่ชุดท่อดูดที่ด้านล่าง ช่วยให้การไหลของของเหลวมีความราบรื่น ลดการเกิดการปั่นป่วน การออกแบบปั๊มจมที่มีประสิทธิภาพจะมีเบลล์ดูดที่ได้รับการปรับแต่งอย่างดี

7. หัวจ่าย (Discharge Head)
ที่ส่วนบนของปั๊มจะมีสิ่งที่เรียกว่าหัวจ่าย ซึ่งทำหน้าที่เป็นจุดเชื่อมต่อกับท่อหรือระบบการจ่าย ของเหลวจะถูกปล่อยออกจากปั๊มผ่านทางท่อนี้ ภายในส่วนนี้ยังมีอุปกรณ์ต่างๆ เช่น วาล์วตรวจสอบที่ช่วยควบคุมทิศทางการไหลของของเหลวจากปั๊มไปยังระบบการจ่าย และท่อดัดที่ช่วยในการเปลี่ยนทิศทางการปล่อยน้ำออกจากปั๊ม

ปั๊มแนวนอนเปรียบเทียบกับปั๊มแนวตั้ง

แม้ว่าปั๊มหอยโข่ง (Centrifugal Pump) จะดูเหมือนเป็นอุปกรณ์ที่เรียบง่าย แต่จริง ๆ แล้วมีให้เลือกหลากหลายประเภท ขนาด รูปร่าง มาตรฐาน จำนวนขั้นตอน ความเร็ว ระบบซีล และคุณลักษณะด้านการออกแบบอื่น ๆ รวมถึงวัสดุที่ใช้ในการผลิต และทิศทางการติดตั้ง

ผู้เชี่ยวชาญจะได้รับประโยชน์จากตัวเลือกที่หลากหลาย เนื่องจากสามารถเลือกให้เหมาะกับการใช้งานที่เฉพาะเจาะจงได้มากขึ้น ในทางกลับกัน ตัวเลือกที่มากเกินไปอาจสร้างความสับสนให้กับผู้เริ่มต้น เพราะต้องพิจารณาเกณฑ์ต่าง ๆ ในการเลือกมากขึ้น

ปั๊มแนวนอน (Horizontal pump)

ปั๊มแนวดิ่ง (Vertical pump)

ความเหมือนกัน

• ทั้งสองชนิดใช้หลักการพื้นฐานเดียวกัน คือ แรงเหวี่ยงหนีศูนย์ (Centrifugal force) เพื่อเคลื่อนของเหลวผ่านใบพัด (Impeller) และเข้าสู่ท่อทางออก (Discharge pipe)
• ทั้งปั๊มแนวนอนและแนวตั้งสามารถใช้งานกับของเหลวประเภทเดียวกัน เช่น น้ำ น้ำมัน และสารเคมี
• ทั้งสองชนิดมีหลากหลายขนาดและวัสดุให้เลือก เพื่อให้เหมาะสมกับ สมรรถนะและความทนทาน ที่ต้องการ
• มีตัวเลือกความเร็วเฉพาะ (Specific speed) และรูปแบบการไหลแบบกึ่งรัศมีและแกนผสม (Radial, Mixed, Axial flow)
• ทั้งสองชนิดสามารถใช้ใบพัดได้หลายแบบ เช่น เปิด (Open), กึ่งเปิด (Semi-open), ปิด (Closed)
• วิธีการซีลทั้งหมด เช่น แมคคานิคัลซีล (Mechanical seal) และ แพ็คกิ้งซีล (Packing seal) ใช้ได้ทั้งสองแบบ

ความแตกต่าง

• การออกแบบ
  • ปั๊มแนวนอน: มีเพลาหมุนในแนวนอน และใบพัดจะหมุนอยู่ภายในตัวเรือน (Casing)
  • ปั๊มแนวตั้ง: มีเพลาหมุนในแนวตั้ง และใบพัดจะถูกแขวนอยู่ภายในตัวเรือน
• พื้นที่ติดตั้ง:
  • ปั๊มแนวนอน: มักมีขนาดใหญ่กว่าและต้องการพื้นที่ติดตั้งมากกว่า
  • ปั๊มแนวตั้ง: กะทัดรัดกว่า ใช้พื้นที่น้อย เหมาะสำหรับพื้นที่จำกัด เช่น แท่นขุดเจาะกลางทะเล (Offshore platform)
• ความซับซ้อนในการติดตั้ง:
  • ปั๊มแนวนอน: การติดตั้งยุ่งยากกว่า ต้องจัดแนวระหว่างปั๊ม ท่อ และฐานมอเตอร์ให้แม่นยำ
  • ปั๊มแนวตั้ง: ติดตั้งง่ายกว่า ด้วยดีไซน์แบบ อินไลน์ (Inline) สามารถแขวนในท่อเหมือนวาล์วได้เลย
• อัตราการไหล (Flow rate)
  • ปั๊มแนวนอน: สามารถสร้างอัตราการไหลที่สูงกว่า เหมาะกับงานขนาดใหญ่
  • ปั๊มแนวตั้ง: เหมาะสำหรับงานที่ต้องการอัตราการไหลต่ำ
• ความต้องการ NPSH (Net Positive Suction Head)
  • ปั๊มแนวนอน: ต้องการ NPSH ต่ำกว่า เหมาะสำหรับระบบที่แหล่งของเหลวอยู่ต่ำ
  • ปั๊มแนวตั้ง: ต้องการ NPSH สูงกว่า
• การบำรุงรักษา:
  • ปั๊มแนวนอน: เข้าถึงชิ้นส่วนต่าง ๆ ได้ง่ายกว่า ถอดประกอบน้อยกว่า ทำให้ซ่อมบำรุงง่าย
  • ปั๊มแนวตั้ง: เข้าถึงชิ้นส่วนได้ยากกว่า ต้องการการถอดประกอบมากขึ้น
• ประเภทของตัวขับ (Driver types)
  • ปั๊มแนวนอน: ใช้ร่วมกับมอเตอร์ไฟฟ้า, เครื่องยนต์ดีเซล หรือระบบเกียร์ได้
  • ปั๊มแนวตั้ง: เหมาะสำหรับใช้กับมอเตอร์ไฟฟ้าโดยตรง

ข้อดีของปั๊มทอร์ไบน์แนวตั้ง (Vertical Trubine Pump)

1. ประหยัดพื้นที่
   ปั๊มทอร์ไบน์แนวตั้งมีการออกแบบที่ตั้งอยู่ในแนวตั้ง ซึ่งทำให้สามารถใช้งานในพื้นที่แคบ ๆ เช่น บ่อน้ำหรือเหมืองน้ำที่ปั๊มแนวนอนไม่สามารถติดตั้งได้ ดังนั้น VTP จึงเหมาะสมกับการใช้งานในพื้นที่ที่มีข้อจำกัดด้านพื้นที่
2. ความหลากหลายในการใช้งาน
   ปั๊มทอร์ไบน์แนวตั้งมีความยืดหยุ่นในการปรับขนาดใบพัดและการตั้งค่าของปั๊มเพื่อให้เหมาะสมกับอัตราการไหลและความสูงของหัวน้ำที่ต้องการใช้งาน สามารถใช้งานได้ทั้งการสูบแบบอัตราการไหลต่ำและความสูงหัวน้ำสูง หรือแบบอัตราการไหลสูงและความสูงหัวน้ำต่ำ
3. การบำรุงรักษาต่ำ
   การออกแบบที่เรียบง่ายของปั๊มทอร์ไบน์แนวตั้งทำให้ปั๊มนี้มีความน่าเชื่อถือและต้องการการบำรุงรักษาน้อย เนื่องจากมีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวน้อยกว่าปั๊มประเภทอื่น ซึ่งช่วยยืดระยะเวลาการให้บริการและลดเวลาหยุดทำงาน
4. ประสิทธิภาพสูง
   เมื่อปั๊มทอร์ไบน์แนวตั้งทำงานใกล้จุดประสิทธิภาพสูงสุด (BEP) จะมีประสิทธิภาพสูงโดยเฉพาะในหน่วยที่มีขนาดใหญ่ ซึ่งช่วยลดค่าใช้จ่ายพลังงานในระยะยาว
5. ความลึกในการจุ่ม
   ปั๊มทอร์ไบน์แนวตั้งสามารถติดตั้งที่ความลึกใต้ผิวดินได้มาก โดยไม่ต้องใช้ท่อดูดที่ยาวมาก ทำให้สามารถเข้าถึงแหล่งน้ำที่ลึกโดยไม่ต้องใช้ท่อดูดยาวและซับซ้อน

 ข้อเสียของปั๊มทอร์ไบน์แนวตั้ง (VTP)

1. ความซับซ้อนในการติดตั้ง
   การติดตั้งปั๊มทอร์ไบน์แนวตั้งต้องการการวางแผนและความชำนาญที่ดี เนื่องจากการติดตั้งในแนวตั้งจะต้องให้ความสำคัญกับการจัดแนว การสร้างโครงสร้างรองรับ และการจัดการซีลให้ถูกต้อง เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาการสั่นสะเทือนหรือการจัดตำแหน่งไม่ถูกต้องจากการติดตั้งที่ไม่เหมาะสม
2. ข้อจำกัดในการดูด
   ใบพัดที่จมอยู่ในน้ำของปั๊มทอร์ไบน์แนวตั้งจำเป็นต้องมีหัวดูดที่เป็นบวกเพื่อให้ทำงานได้อย่างถูกต้อง ในบางกรณี ข้อจำกัดในการมีหัวดูด (หรือ NPSHa) อาจทำให้การทำงานของปั๊มถูกจำกัดในบางระดับความลึก
3. มีความเสี่ยงจากการกัดกร่อน
   เนื่องจากปั๊มทอร์ไบน์แนวตั้งต้องสัมผัสกับสภาพแวดล้อมที่มีความกัดกร่อนหรือของเหลวที่มีความกัดกร่อนสูง การติดตั้งปั๊มอาจทำให้เกิดการกัดกร่อนในส่วนที่จมอยู่ใต้น้ำ ซึ่งอาจจำเป็นต้องใช้การออกแบบที่ซับซ้อนและวัสดุป้องกันการกัดกร่อน
4. การเข้าถึงเพื่อบำรุงรักษายาก
   การบำรุงรักษาส่วนประกอบที่จมอยู่ใต้น้ำของปั๊มทอร์ไบน์แนวตั้งอาจเป็นเรื่องยาก จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์พิเศษหรือกระบวนการพิเศษในการบำรุงรักษา โดยเฉพาะในกรณีของการติดตั้งในบ่อน้ำลึก ถึงแม้ว่าปั๊มประเภทนี้จะต้องการการบำรุงรักษาน้อยกว่าปั๊มประเภทอื่น ๆ แต่ก็ยังต้องเผชิญกับปัญหาการเข้าถึงยาก
5. ต้นทุนสูง
   ปั๊มทอร์ไบน์แนวตั้งอาจมีต้นทุนที่สูงกว่าระบบปั๊มประเภทอื่น ขึ้นอยู่กับแอปพลิเคชันและข้อกำหนดในการติดตั้ง เช่น ความลึก อัตราการไหล และวัสดุที่ใช้ ซึ่งอาจมีผลต่อราคาการเป็นเจ้าของและการบำรุงรักษา

หลักการพิจารณาเลือกใช้ปั๊มในระบบคอนเดนเสท

ปั๊มสำหรับน้ำหล่อเย็น (Boiler feed), การเพิ่มแรงดันน้ำหล่อเย็น (Boiler feed boosting), คอนเดนเซต (Condensate), การหมุนเวียนน้ำหล่อเย็น (Condenser circulating), การหมุนเวียนน้ำในหม้อไอน้ำ (Boiler circulating) และท่อระบายน้ำฮีตเตอร์ (Heater drain) โดยเฉพาะปั๊มคอนเดนเซตจะดูดน้ำจาก คอนเดนเซอร์ฮอตเวลล์ และปล่อยน้ำไปยัง เครื่องทำความร้อนที่ไร้อากาศ ในระบบน้ำหล่อเย็นเปิด หรือไปยัง การดูดน้ำของปั๊มหล่อเย็นหม้อไอน้ำ ในระบบปิดความลึกของการติดตั้งปั๊มสามารถเลือกได้เพื่อให้ Net Positive Suction Head Available (NPSHA) เกินค่า Net Positive Suction Head Required (NPSHR) ตลอดเวลา ซึ่งเป็นข้อดีในแอปพลิเคชันที่มี NPSHA ต่ำ เช่น ปั๊มที่ดูดจากคอนเดนเซอร์ฮอตเวลล์หรือท่อระบายน้ำฮีตเตอร์ องค์ประกอบปั๊มจะจมอยู่ในน้ำ (ในบ่อเปียกหรือกระป๋อง) ซึ่งช่วยขจัดความจำเป็นในการใช้เครื่องสูบเริ่มต้นและเพิ่มความน่าเชื่อถือในการบริการโดยไม่ต้องดูแล นอกจากนี้ยังต้องการพื้นที่บนพื้นน้อย ปั๊มหลายตัวมีลักษณะของกราฟความดัน (Head) กับอัตราการไหล (Rate of flow) ที่ชัน กราฟความดันที่ชันหมายถึงการเปลี่ยนแปลงของอัตราการไหลที่น้อยเมื่อเทียบกับความดัน กราฟของระบบแบบง่ายและกราฟปั๊มแสดงใน ปั๊มจะทำงานที่จุดตัดระหว่างกราฟของปั๊มและกราฟของระบบ

ประสิทธิภาพของปั๊มเมื่อเทียบกับกราฟของระบบ

ปั๊มหลายขั้นตอนแนวตั้งชนิดกระป๋อง (VS6 – Canned pump)

กราฟการจัดอันดับของผู้ผลิตส่วนใหญ่จะอ้างอิงจากประสิทธิภาพของชุดถังปั๊ม ในช่วงความเร็วเฉพาะกลาง การใช้พลังงานสูงสุดของปั๊มมักจะตรงกับช่วงการทำงานที่แนะนำและจะไม่ทำให้เกิดการเกินพิกัดของตัวขับ (Driver overload) การเปลี่ยนแปลงขั้นตอนการทำงานของปั๊มมักจะเป็นไปได้ เช่น การเพิ่ม (หรือลด) อุปกรณ์ที่มีอยู่หรือการเปลี่ยนใบพัดในปั๊มเพื่อให้ตรงกับเงื่อนไขการออกแบบ สำหรับข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับการออกแบบและการประยุกต์ใช้ปั๊มแนวตั้ง โปรดดูที่ ANSI/HI 2.3 Rotodynamic Vertical Pumps for Radial, Mixed, and Axial Flow Types for Design and Application

ปั๊มคอนเดนเซตทำงานที่ความดันดูดที่ต่ำมาก เนื่องจากคอนเดนเซอร์ฮอตเวลล์มักจะตั้งอยู่ในตำแหน่งที่ต่ำที่สุดเพื่อให้ลดระดับของโรงไฟฟ้าให้มากที่สุด NPSHA (Net Positive Suction Head Available) จะต่ำมาก ซึ่งมักจะต้องใช้การตั้งค่าระดับที่ต่ำที่สุดที่สามารถทำได้      สำหรับปั๊มคอนเดนเซต (เช่น บ่อที่ลึก) NPSHA ซึ่งมีความดันที่ใกล้เคียงกับศูนย์ในคอนเดนเซอร์นั้นเกิดจากการจม (หรือระดับความสูง) ระหว่างระดับน้ำในคอนเดนเซอร์ฮอตเวลล์และเส้นกลางของใบพัดปั๊ม (ใบพัดขั้นแรกในปั๊มหลายขั้นตอน)

ปั๊มหลายขั้นตอนแนวตั้งชนิดกระป๋อง (VS6 – Canned pump)

ค่าดังกล่าวอาจต่ำถึง 2 ถึง 4 ฟุต ซึ่งหมายความว่าแรงเสียดทานระหว่าง คอนเดนเซอร์ฮอตเวลล์ และ การดูดของปั๊ม ต้องลดให้เหลือน้อยที่สุดเพื่อหลีกเลี่ยงการลดค่า NPSHA (Net Positive Suction Head Available) ให้ต่ำลงไปอีก เพื่อการลดการสูญเสียจากแรงเสียดทาน ความเร็วที่คำนวณในท่อดูดและกระป๋องดูดของปั๊มแนวตั้ง ควรไม่เกิน 5 ฟุตต่อวินาที ปั๊มคอนเดนเซตสามารถเป็นได้ทั้งแนวนอนหรือแนวตั้ง และสามารถเป็นปั๊มขั้นเดียวหรือหลายขั้นได้ ขึ้นอยู่กับความต้องการของระบบหัวสูบ (head requirements) เนื่องจาก NPSHA ที่ต่ำ ปั๊มแนวนอนจึงทำงานที่ความเร็วที่ค่อนข้างต่ำ การไหลที่ต้องการสูงขึ้นอาจต้องใช้ปั๊มขนาดใหญ่ที่ทำงานที่ความเร็ว 900 รอบ/นาที (rpm) หรือน้อยกว่า ปั๊มแนวตั้งชนิดกระป๋อง ซึ่งสามารถติดตั้งใต้ดินและได้ค่าการจมของใบพัดที่สูงขึ้น (NPSHA สูงกว่า) สามารถทำงานที่ความเร็วที่สูงขึ้น (ดูรูปที่ 3.10) ปั๊มแนวตั้งชนิดกระป๋องมีทั้งใบพัดการดูดขั้นแรกแบบดูดเดียวและดูดคู่ และมักจะติดตั้งมอเตอร์ไฟฟ้าขนาด 60 Hz/50 Hz จำนวน 4 ขั้ว และ 6 ขั้ว ที่มีความเร็วในการหมุน 1,780/1,490 รอบ/นาที สำหรับการใช้งานที่มีการไหลน้อย และ 1,170/980 รอบ/นาที สำหรับการใช้งานที่ต้องการการไหลสูง

ปั๊มคอนเดนเซตได้รับการออกแบบหรือจัดระเบียบให้มีความดันปล่อย (หรืออย่างน้อยเป็นความดันที่บวกเหนือบรรยากาศ) บนห้องซีล (หรือกล่องบรรจุ) เพื่อป้องกันไม่ให้อากาศเข้าสู่ปั๊ม หากต้องการสามารถลดความดันได้ผ่าน Throttle bushing ที่ด้านล่างของกล่องบรรจุและผ่านรูหรือออร์ฟิสกลับไปยังการดูด เพื่อป้องกันการรั่วของอากาศเข้าสู่ปั๊มที่ไม่ได้ใช้งาน และเพื่อป้องกันไม่ให้ซีลทำงานโดยไม่มีของเหลวในขณะเริ่มทำงาน สามารถต่อท่อของซีลคอกของปั๊มหลายตัวเข้าด้วยกันและเชื่อมต่อกับหัวปล่อยของปั๊มที่ใช้ร่วมกัน เพื่อลดการสะสมของไอระเหยและการติดเข้าไปในน้ำ การระบายอากาศในห้องดูดกลับไปที่คอนเดนเซอร์เหนือระดับน้ำถือเป็นแนวทางปฏิบัติมาตรฐาน

การออกแบบบ่อดูด (Sump Design)

ตามแนวทางของ Hydraulic Institute (HI) มาตรฐานข้อ 9.8

การติดตั้งบ่อดูดหลายช่องปั๊มเป็นเรื่องปกติในหลายระบบ เช่น

• ระบบน้ำสำหรับโรงงานอุตสาหกรรม
• หอหล่อเย็น (Cooling Tower)
• ระบบปั๊มน้ำดับเพลิง

 ประเภทปั๊มที่ใช้

• ปั๊มดูดปลายแนวนอน (Horizontal End Suction)
• ปั๊มแยกครึ่งตัว (Split Case Double Suction)
• ปั๊มเทอร์ไบน์แนวตั้ง (Vertical Turbine Pumps)

การออกแบบบ่อสูบสำหรับปั๊มหอยโข่งแนวตั้ง

การพิจารณาเรื่องนี้อย่างละเอียดเกินขอบเขตของการนำเสนอครั้งนี้ แต่เราจะกล่าวถึงประเด็นสำคัญที่สามารถอธิบายได้ในเวลาที่มี ข้อแนะนำในงานนำเสนอนี้เป็นไปตามแนวทางของ Hydraulic Institute, Section 9.8

 คำแนะนำในการติดตั้งจากสถาบันไฮดรอลิก

การไหลของน้ำเข้าสู่ปั๊มควรเป็นแบบสม่ำเสมอ ไม่หมุนวน และปราศจากฟองอากาศ หากการไหลไม่สม่ำเสมอ อาจทำให้ปั๊มทำงานนอกเหนือจากจุดที่ออกแบบไว้ เกิดเสียง แรงสั่น และอายุการใช้งานของแบริ่งหรือเพลาปั๊มสั้นลง

วัตถุประสงค์ของการออกแบบบ่อสูบหลายปั๊ม

• ให้แต่ละปั๊มได้รับอัตราการไหลตามที่ออกแบบ
• ให้การไหลเข้าสู่ปั๊มตรงเป็นเส้นตรง
• หลีกเลี่ยงการเกิดวอร์เทกซ์ซึ่งจะนำอากาศเข้าในระบบ

ปรากฏการณ์ไฮดรอลิกที่ต้องหลีกเลี่ยง

• วอร์เทกซ์ใต้ผิวน้ำ
• วอร์เทกซ์ที่ผิวหน้า
• การหมุนวนก่อนเข้าปั๊มที่มีค่าผันแปรสูง
• ความเร็วไม่สม่ำเสมอที่ตาใบพัด
• การปนเปื้อนของอากาศหรือฟองก๊าซ

ประเภทของวอร์เทกซ์

• รูผิวน้ำที่มีการหมุนวนที่ชัดเจน
• วอร์เทกซ์ที่พัฒนาเต็มที่
• การหมุนวนของผิวน้ำแบบไม่ชัดเจน

แนวทางการออกแบบ (ตาม HI 9.8)

• ความเร็วที่ช่องดูดปั๊มไม่เกิน 1.5 ฟุต/วินาที
• มิติของบ่อควรเป็นทวีคูณของเส้นผ่านศูนย์กลางปากดูด “D”
• ระยะจากผนังหลังถึงศูนย์กลางปั๊ม “B” = 0.75D
• ระยะระหว่างผนังกับปั๊มอย่างน้อย 2D
• ความลึกต่ำสุด “S” = ค่าที่ปั๊มกำหนด + ระยะห่างพื้น
• ต้องมีระบบเตือนระดับน้ำต่ำ

 การคำนวณ Submergence (ระดับจม)

ใช้ Froude Number (FD)

FD=VgDFD = \frac{V}{\sqrt{gD}}

• V = ความเร็วที่ปากดูด
• D = เส้นผ่านศูนย์กลางปากดูด
• g = ค่าเร่งโน้มถ่วง

NPSH (หัวดูดบวกสุทธิ)

    NPSHA= ha – hvpa±hst – hfsNPSHA = ha – hvpa ± hst – hfs

• ha = แรงดันสัมบูรณ์ของผิวน้ำ
• hvpa = หัวดูดตามแรงดันไอของน้ำ
• hst = ความสูงระหว่างระดับน้ำและปั๊ม
• hfs = การสูญเสียทั้งหมดในท่อดูด

การเปลี่ยนความลาดเอียงพื้นบ่อ

• ไม่ควรเกิน 10°
• ควรมีระยะทางอย่างน้อย 5D ก่อนมีการเปลี่ยนแปลง

• การไหลแบบไม่สม่ำเสมอ: นำไปสู่เสียงดัง แรงสั่น การสึกหรอของแบริ่ง
• การปนเปื้อนของอากาศ: ลดประสิทธิภาพ สูญเสียแรงดัน
• แนะนำให้ใช้พาร์ติชั่น (ผนังแบ่ง) ระหว่างปั๊ม โดยเฉพาะเมื่อปั๊มแต่ละตัวมีอัตราการไหล > 5,000 gpm

 ตัวอย่างโครงสร้างบ่อและรูปแบบการไหล

• บ่อแบบเปิด vs บ่อแบบมีผนังแบ่ง
• การไหลขนานผนังด้านเดียว, การไหลแบบเส้นตรง, การใช้ Wing wall
• รูปแบบการไหลของปั๊ม 1 ตัว, 2 ตัว และ 3 ตัว
• โครงการตัวอย่าง: ระบบทำความเย็นขนาด 5,200 ตัน

ปั๊มเทอร์ไบน์แนวตั้งในอุตสาหกรรมน้ำมันและก๊าซ

การยกน้ำจากบ่อ น้ำถูกสูบจากบ่อน้ำมันโดยใช้ปั๊มเทอร์ไบน์แนวตั้ง โดยเฉพาะในพื้นที่ที่ชั้นน้ำอยู่ลึก ในหลายๆ แหล่งน้ำมัน จะมีการฉีดน้ำเข้าไปในบ่อเพื่อรักษาความดันและเพิ่มการฟื้นฟูน้ำมัน แหล่งน้ำเหล่านี้จะถูกยกออกจากถังเก็บน้ำไปยังบ่อที่ใช้ในการขุดเจาะโดยปั๊มเทอร์ไบน์แนวตั้ง

    สถานีเพิ่มความดันในท่อส่ง การให้ของไหลไหลไปอย่างคงที่ผ่านท่อส่งน้ำมันดิบในระยะทางไกลหรือข้ามภูมิประเทศที่ยากลำบากนั้น ต้องการสถานีเพิ่มความดันที่สร้างความดันของของไหลที่เพียงพอเพื่อให้บรรลุเป้าหมายเหล่านี้ ในบางครั้ง ปั๊มเทอร์ไบน์แนวตั้งสามารถใช้ในสถานีเพิ่มความดันเหล่านี้เพื่อสูบน้ำมันดิบ ผลิตภัณฑ์ที่ผ่านการกลั่น หรือของเหลวอื่นๆ ผ่านเครือข่ายท่อเพื่อรักษาการไหลหรือความดันให้คงที่

    ระบบฉีดน้ำ เทคนิคที่ใช้ในการเพิ่มการฟื้นฟูน้ำมัน (Enhanced oil recovery – EOR) คือการฉีดน้ำ ซึ่งช่วยในการขับไล่น้ำมันจากแหล่งน้ำมันและเพิ่มอัตราการผลิต ปั๊มเทอร์ไบน์แนวตั้งมีบทบาทสำคัญในระบบฉีดน้ำนี้ เพราะช่วยในการยกน้ำในปริมาณมากจากแหล่งน้ำผิวดินหรือโรงงานบำบัดไปยังจุดที่มีความดันสูงเพื่อใช้ในการฉีดภายในโครงสร้างเหล่านี้

    การขนส่งน้ำมันดิบ โรงกลั่น น้ำมันหรืออุปกรณ์จัดเก็บใช้ปั๊มเทอร์ไบน์แนวตั้งในการขนส่งน้ำมันดิบ ถังเก็บสามารถถูกสูบออกไปอย่างมีประสิทธิภาพและส่งไปยังหน่วยกลั่น เช่น คอลัมน์การกลั่น หรือสามารถใช้ในการขนส่งน้ำมันดิบจากแพลตฟอร์มทะเลไปยังสถานที่บนฝั่ง เพื่ออำนวยความสะดวกในการกระจายสินค้า

    การประมวลผลของเหลว ภายในโรงกลั่น เช่น โรงงานปิโตรเคมี มีงานหลายประเภทที่เกี่ยวข้องกับการใช้ปั๊มเทอร์ไบน์แนวตั้งในกระบวนการประมวลผลของเหลว ปั๊มเหล่านี้สามารถจัดการส่วนผสมต่างๆ รวมถึงฐานของน้ำมัน เช่น น้ำมันดิบ ผลิตภัณฑ์ที่ผ่านการกลั่น และสารเคมีอื่นๆ ซึ่งครอบคลุมถึงกิจกรรมเช่น การผสม การให้ความร้อน และการสูบภายในกระบวนการเดียวกัน

    ระบบป้องกันอัคคีภัย ระบบป้องกันอัคคีภัยในอุตสาหกรรมน้ำมันและก๊าซมักใช้ปั๊มเทอร์ไบน์แนวตั้ง ปั๊มเหล่านี้ใช้ในโรงกลั่น, สถานีขุดเจาะ และอุปกรณ์จัดเก็บ เพื่อส่งน้ำในความดันสูงเพื่อใช้ในการดับไฟหรือการตอบสนองในกรณีฉุกเฉินที่สถานที่ต่างๆ โดยปกป้องผู้คน อุปกรณ์ และทรัพย์สินจากอันตรายจากไฟ

• ระบบขนส่งน้ำดิบ ใช้ในการขนส่งน้ำดิบจากแหล่งไปยังที่ใช้น้ำ
• ระบบน้ำหล่อเย็น ใช้ในการส่งน้ำเย็นไปแลกเปลี่ยนความร้อนในระบบผลิต
• ระบบคอนเดนเสท ใช้ในการส่งน้ำคอนเดนเสทเพื่อใช้หมุนเวียนในระบบผลิต
• ระบบน้ำเสีย ใช้ในการส่งน้ำเสียไปกำจัด หรือทำให้กลับเป็นน้ำดี