บทที่ 24 — ปั๊ม

24.1 หลักการปั๊มแรงเหวี่ยงและสมการ Euler (Centrifugal Pump Theory & Euler Equation)

Centrifugal pump เพิ่มพลังงานให้กับของไหลด้วยหลักการที่ตรงข้ามกับกังหันไอน้ำที่เรียนไปแล้วในบทที่ 19 กล่าวคือแทนที่จะดึงพลังงานออกจากของไหล ปั๊มใช้ impeller ที่หมุนด้วยความเร็วสูงเหวี่ยงน้ำจากตาปั๊ม (eye) ที่อยู่ตรงกลางออกไปสู่ขอบนอก น้ำที่ถูกเหวี่ยงออกมาจะมีความเร็วสูงมาก และความเร็วสูงนี้จะถูกแปลงกลับเป็นความดันเมื่อไหลผ่าน volute หรือ diffuser ที่ล้อมรอบ impeller อยู่ ตามหลักการแลกเปลี่ยนพลังงานจลน์กับพลังงานความดันในสมการ Bernoulli ที่เรียนไว้ในบทที่ 8

เพื่อเข้าใจว่าทำไม impeller จึงสร้าง head ได้ วิศวกรใช้ velocity triangle ที่ทางออกของ impeller ซึ่งประกอบด้วยเวกเตอร์สามตัว u₂ คือความเร็วขอบของ impeller (blade speed) ซึ่งเกิดจากการหมุน w₂ คือความเร็วสัมพัทธ์ของน้ำเทียบกับใบพัด ซึ่งมีทิศตามแนวโค้งของใบพัดเอง และ c₂ คือความเร็วสัมบูรณ์ของน้ำที่คนภายนอกมองเห็น โดยทั้งสามสัมพันธ์กันด้วยผลบวกเวกเตอร์ c⃗₂ = u⃗₂ + w⃗₂ ความเร็วขอบ u₂ คำนวณได้จาก u₂ = πD₂N/60 เช่น impeller ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 400 มิลลิเมตร หมุนที่ 2,980 รอบต่อนาที จะให้ u₂ ประมาณ 62 เมตรต่อวินาที และเนื่องจาก head ทางทฤษฎีแปรผันตาม u₂ยกกำลังสอง วิศวกรจึงเพิ่ม head ของปั๊มได้สองทางคือเพิ่มความเร็วรอบหรือเพิ่มเส้นผ่านศูนย์กลาง impeller

อย่างไรก็ตาม head ที่ปั๊มทำได้จริงจะต่ำกว่า Euler head ทางทฤษฎีเสมอ เพราะจำนวนใบพัดของ impeller มีจำกัดไม่ได้มีมากมายไม่สิ้นสุด ทำให้เกิดปรากฏการณ์ slip ที่ทำให้ค่า slip factor อยู่ที่ราว 0.75–0.9 นอกจากนี้ยังมีการสูญเสียจาก friction ภายในตัวปั๊มและ shock loss เมื่อปั๊มเดินนอกจุดออกแบบ ใบพัดของปั๊มน้ำเกือบทั้งหมดในโรงไฟฟ้าถูกออกแบบให้โค้งไปข้างหลัง หรือ backward-curved ด้วยมุม β₂ ราว 15–35 องศา เพราะให้ผลลัพธ์เป็น curve ที่เสถียร กล่าวคือ head จะลดลงเมื่อ flow เพิ่มขึ้น ทำให้ควบคุมง่ายและปลอดภัยกว่าแบบอื่น ปั๊มหนึ่ง stage โดยทั่วไปทำ head ได้ราว 50–200 เมตร หากต้องการ head สูงกว่านั้นจะต้องต่อหลาย stage เข้าด้วยกันบนเพลาเดียว ซึ่งจะเรียนรายละเอียดในหัวข้อ 24.6

โดย \(H_{th}\) คือ Euler head ทางทฤษฎี (m), \(u_2\) คือความเร็วขอบ impeller ทางออก (m/s), \(c_{u2}\) คือองค์ประกอบเชิงสัมผัสของความเร็วสัมบูรณ์ (m/s), \(u_1, c_{u1}\) คือค่าเดียวกันที่ทางเข้า (ปกติ \(c_{u1} \approx 0\) เมื่อน้ำเข้าแนวแกน), \(g\) = 9.81 m/s²

โดย \(D_2\) = เส้นผ่านศูนย์กลาง impeller (m), \(N\) = ความเร็วรอบ (rpm)

1. Hub — แกนกลางของ impeller ที่สวมยึดกับเพลาปั๊ม ส่งแรงบิดจากเพลาไปหมุนใบพัดทั้งชุด
2. Shaft bore (keyed) — รูเจาะกลาง hub พร้อมร่องลิ่มสำหรับสวมเพลาและถ่ายแรงบิดโดยไม่ลื่นไถล
3. Top shroud (cover) — แผ่นปิดด้านบนของ impeller แบบปิด (closed impeller) ที่ครอบใบพัดไว้ทั้งสองด้าน ลดการรั่วไหลของน้ำระหว่าง stage เทียบกับ impeller แบบเปิด
4. Backsweep vane (backward-curved) — ใบพัดที่โค้งไปข้างหลังตรงข้ามทิศหมุน ให้ H-Q curve ที่เสถียรและ power ไม่พุ่งเกินที่ flow สูง เป็นรูปแบบมาตรฐานของปั๊มน้ำเกือบทั้งหมด
5. Flow passage — ช่องทางระหว่างใบพัดสองใบที่น้ำไหลผ่านจากตาปั๊มออกสู่ขอบนอก เป็นบริเวณที่พลังงานถูกถ่ายเทให้น้ำ
6. Bottom shroud — แผ่นปิดด้านล่างของ impeller แบบปิด ทำหน้าที่คู่กับ top shroud ห่อหุ้มใบพัดทั้งชุด

24.2 Pump Performance Curves (H-Q, Efficiency, Power)

ผู้ผลิตปั๊มทดสอบสมรรถนะปั๊มแต่ละรุ่นที่ความเร็วรอบคงที่ค่าหนึ่งแล้วนำมา plot เป็นกราฟสามเส้นเทียบกับอัตราการไหล ได้แก่ head (H-Q curve) ประสิทธิภาพ (η-Q curve) และกำลังที่เพลา (P-Q curve) พร้อมทั้งเส้น NPSH ที่ปั๊มต้องการ (NPSH_r-Q) กำกับไว้ด้วยเสมอ จุดที่ Q เท่ากับศูนย์บนกราฟ H-Q เรียกว่า shutoff head ซึ่งเป็น head สูงสุดที่ปั๊มทำได้ โดยทั่วไปอยู่ที่ราว 1.1–1.2 เท่าของ head ที่จุด BEP สำหรับปั๊มแบบ radial ปั๊มไม่ควรเดินที่ shutoff เป็นเวลานาน เพราะพลังงานที่ปั๊มใส่ให้น้ำจะไม่มีทางออกไปไหน กลายเป็นความร้อนสะสมอยู่ในตัวปั๊มทั้งหมด

BEP หรือ Best Efficiency Point คือจุดที่ประสิทธิภาพของปั๊มสูงที่สุดบนกราฟ η-Q ปั๊มขนาดใหญ่ในโรงไฟฟ้าทำประสิทธิภาพได้สูงถึง 80–90% ในขณะที่ปั๊มขนาดเล็กอาจอยู่ที่เพียง 50–70% มาตรฐาน API (American Petroleum Institute — สถาบันปิโตรเลียมแห่งสหรัฐอเมริกา ผู้ออกมาตรฐานอุปกรณ์อุตสาหกรรมที่ใช้กันแพร่หลาย) 610 ที่ใช้กันแพร่หลายในอุตสาหกรรมแนะนำให้เดินปั๊มในช่วง 70–120% ของ Q ที่ BEP ซึ่งเรียกว่า Preferred Operating Region การเดินปั๊มให้ห่างจาก BEP ไปทางซ้าย คือที่ flow ต่ำกว่าช่วงแนะนำ จะเกิดการไหลวนภายใน (internal recirculation) แรงในแนวรัศมี (radial thrust) สูงขึ้น และอุณหภูมิน้ำในตัวปั๊มเพิ่มขึ้น ส่วนการเดินไปทางขวาคือที่ flow เกินพิกัด จะทำให้ NPSH ที่ปั๊มต้องการพุ่งสูงขึ้นอย่างรวดเร็ว และมอเตอร์อาจ overload เพราะปั๊มแบบ radial กินกำลังเพิ่มขึ้นตามอัตราการไหลที่เพิ่ม

ความสัมพันธ์ระหว่างกำลังกับ head และ flow คำนวณได้จาก hydraulic power ซึ่งเท่ากับ ρgQH จากนั้นหารด้วยประสิทธิภาพของปั๊มจะได้ shaft power ที่เพลาต้องการจริง และหากหารต่อด้วยประสิทธิภาพของมอเตอร์อีกชั้นหนึ่งจะได้กำลังไฟฟ้าที่มอเตอร์ต้องการจากระบบไฟฟ้า ตัวเลขที่พบบ่อยในโรงไฟฟ้าจริง เช่น circulating water pump ของเครื่อง 700 MW มีอัตราการไหลราว 10–15 ลูกบาศก์เมตรต่อวินาที ที่ head เพียง 15–25 เมตร ใช้กำลังราว 2–4 เมกะวัตต์ ในขณะที่ condensate pump มีอัตราการไหลเพียงราว 0.35 ลูกบาศก์เมตรต่อวินาที แต่ต้องการ head สูงถึง 250–300 เมตร ใช้กำลังราว 1–1.5 เมกะวัตต์ แสดงให้เห็นว่าปั๊มแต่ละชนิดถูกออกแบบให้เหมาะกับงานที่ต่างกันมาก

โดย \(P_{shaft}\) = กำลังที่เพลาปั๊ม (W), \(\rho\) = ความหนาแน่นของไหล (kg/m³), \(g\) = 9.81 m/s², \(Q\) = อัตราการไหลเชิงปริมาตร (m³/s), \(H\) = total head (m), \(\eta_{pump}\) = ประสิทธิภาพปั๊ม (ทศนิยม)

24.3 System Curve, Operating Point และ Parallel/Series (System Curve & Multiple-Pump Operation)

ในขณะที่ pump curve เป็นคุณสมบัติของตัวปั๊มเอง system curve คือ head ที่ระบบท่อทั้งหมดต้องการเป็นฟังก์ชันของอัตราการไหล ประกอบด้วยสองส่วน ส่วนแรกคือ H_static ซึ่งเป็นค่าคงที่ไม่ขึ้นกับ flow มาจากผลต่างระดับความสูงและผลต่างความดันระหว่างจุดเริ่มต้นกับจุดปลายทาง ส่วนที่สองคือ friction loss ซึ่งแปรผันตาม Q ยกกำลังสองโดยประมาณในช่วงการไหลแบบ turbulent ตามที่เรียนไว้ในบทที่ 8 จุดที่ปั๊มจะเดินอยู่จริงเสมอคือจุดตัดระหว่าง pump curve กับ system curve เรียกว่า operating point ซึ่งเป็นจุดที่ head ที่ปั๊มสร้างได้พอดีเท่ากับ head ที่ระบบต้องการที่ flow นั้น ไม่ว่าผู้ควบคุมจะต้องการ flow เท่าใดก็ตาม ปั๊มจะเดินที่จุดตัดนี้เสมอ การเปลี่ยนจุดทำงานทำได้โดยเปลี่ยน curve ฝั่งใดฝั่งหนึ่งเท่านั้น

วิธีควบคุม flow ที่ใช้กันมากที่สุดสองวิธีให้ผลต่างกันมาก การควบคุมด้วย throttle valve คือการเพิ่มค่าสัมประสิทธิ์ friction ให้ system curve ชันขึ้น ทำให้จุดตัดเลื่อนไปทาง flow ต่ำลง วิธีนี้ง่ายและราคาถูกแต่เสียพลังงานทิ้งไปที่ความดันตกคร่อมวาล์วโดยเปล่าประโยชน์ ส่วนการควบคุมด้วย variable speed drive คือการเลื่อน pump curve ทั้งเส้นลงมาตามหลัก affinity laws ที่จะเรียนในหัวขัด 24.4 วิธีนี้ประหยัดพลังงานกว่ามากโดยเฉพาะในระบบที่ friction loss เป็นสัดส่วนใหญ่ของ head ทั้งหมด สามารถประหยัดพลังงานได้ถึง 20–50% ที่ part load เทียบกับการ throttle

เมื่อต้องเดินปั๊มมากกว่าหนึ่งตัวพร้อมกัน มีสองรูปแบบหลัก การเดินแบบ parallel คือรวม curve ของปั๊มแต่ละตัวโดยบวกค่า Q ที่ H เท่ากัน เหมาะกับระบบที่ friction ต่ำ ข้อควรระวังคือหากปั๊มสองตัวมี curve ไม่เท่ากัน ตัวที่อ่อนกว่าอาจถูกตัวที่แรงกว่าดันจน flow เกือบเป็นศูนย์หรือไหลย้อน จึงต้องมี check valve กันไหลย้อนที่ทางออกของปั๊มแต่ละตัวเสมอ นอกจากนี้ในระบบที่ system curve ชันมาก การเพิ่มปั๊มตัวที่สองแบบ parallel จะได้ flow เพิ่มขึ้นน้อยกว่าสองเท่าเสมอ เพราะจุดตัดเลื่อนขึ้นไปตาม system curve ที่ชันขึ้นด้วย ส่วนการเดินแบบ series คือรวม curve โดยบวกค่า H ที่ Q เท่ากัน ใช้เมื่อต้องการ head สูงมากอย่างเช่น booster pump ที่ต่ออนุกรมหน้า BFP ปั๊มตัวหลังในสายต้องออกแบบให้ทนความดันทางดูดที่มาจากปั๊มตัวแรกได้ด้วย

โดย \(H_{sys}\) = head ที่ระบบต้องการ (m), \(H_{static}\) = static head รวมความต่างความดันปลายทาง (m), \(K\) = สัมประสิทธิ์ friction ของระบบ (s²/m⁵), \(Q\) = อัตราการไหล (m³/s)

24.4 Affinity Laws และการควบคุมความเร็วรอบ (Affinity Laws & Speed Control)

เมื่อเปลี่ยนความเร็วรอบของปั๊มตัวเดิมโดยไม่เปลี่ยนสิ่งอื่นใด ความสัมพันธ์ที่เรียกว่า affinity laws ระบุว่าอัตราการไหล Q จะแปรผันตรงกับความเร็วรอบ N ในขณะที่ head H จะแปรผันตาม N ยกกำลังสอง และกำลัง P จะแปรผันตาม N ยกกำลังสาม ความสัมพันธ์กำลังสามนี้เองที่ทำให้การลดความเร็วรอบเพียงเล็กน้อยประหยัดพลังงานได้มาก เช่นลดรอบลง 20% จะเหลือกำลังเพียงประมาณ 51% เท่านั้น (0.8 ยกกำลังสาม เท่ากับ 0.512) นี่คือหัวใจสำคัญที่ทำให้การขับปั๊มด้วย variable speed drive หรือ VFD เป็นวิธีประหยัดพลังงานที่คุ้มค่าที่สุดวิธีหนึ่งในโรงไฟฟ้า ซึ่งจะเรียนรายละเอียดของอุปกรณ์ VFD เองในบทที่ 33

หลักการเดียวกันนี้ยังใช้ได้กับการลดขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง impeller หรือที่เรียกว่า trim โดย Q จะแปรผันตาม D, H แปรผันตาม D ยกกำลังสอง และ P แปรผันตาม D ยกกำลังสามโดยประมาณเช่นกัน แต่ความแม่นยำของกฎนี้จะลดลงหาก trim เกินกว่าราว 10–20% ของเส้นผ่านศูนย์กลางเดิม ในทางกราฟ affinity laws จะเลื่อนจุดบน pump curve เดิมไปตามเส้นพาราโบลา H แปรผันตาม Q ยกกำลังสองที่ลากผ่านจุดกำเนิด และจุดที่เลื่อนไปยังคงมีประสิทธิภาพใกล้เคียงจุดเดิม ยกเว้นกรณีที่ลดรอบต่ำมากจนกระทบกับ mechanical loss สัดส่วนสูงขึ้น

ข้อจำกัดสำคัญที่ต้องระวังคือ affinity laws ใช้เปรียบเทียบจุดต่อจุดบน curve เดียวกันเท่านั้น ไม่ได้บอกโดยตรงว่า operating point ใหม่จะอยู่ที่ใด ต้องนำ pump curve ที่เลื่อนแล้วไปตัดกับ system curve อีกครั้งเสมอจึงจะทราบจุดทำงานจริง และในระบบที่มี static head สูงมาก เช่น BFP ที่ต้องส่งน้ำเข้า drum ความดันสูง การลดรอบเพียงเล็กน้อยอาจทำให้ flow หายไปมากกว่าที่คาดเพราะ system curve เริ่มต้นสูงอยู่แล้ว ด้วยเหตุผลทั้งหมดนี้ BFP ของโรงไฟฟ้าจึงมักถูกขับด้วยกังหันไอน้ำ (เรียกว่า TDBFP — Turbine-Driven Boiler Feed Pump) หรือด้วยมอเตอร์ผ่าน variable-speed fluid coupling หรือ VFD เพื่อปรับอัตราการไหลของน้ำป้อนให้เข้ากับโหลดของโรงไฟฟ้าโดยไม่ต้อง throttle ทิ้งพลังงานโดยเปล่าประโยชน์

โดย \(Q\) = อัตราการไหล (m³/h), \(H\) = head (m), \(P\) = shaft power (kW), \(N\) = ความเร็วรอบ (rpm); ดัชนี 1 = ก่อนเปลี่ยน, 2 = หลังเปลี่ยน

24.5 NPSH และ Cavitation

Cavitation คือปรากฏการณ์ที่ของเหลวเกิดฟองไอน้ำขึ้นภายในตัวปั๊ม เมื่อความดันสถิตในบริเวณนั้นตกลงต่ำกว่าความดันไอ (vapor pressure) ของของเหลวที่อุณหภูมิใช้งาน แล้วฟองไอเหล่านั้นไหลต่อไปยังบริเวณที่ความดันสูงขึ้นจนยุบตัวลงอย่างฉับพลัน (implode) แรงกระแทกเฉพาะจุดจากการยุบตัวนี้สูงมากถึงระดับกิกะปาสกาล เพียงพอจะกัดกร่อนเนื้อโลหะให้เป็นรูพรุนได้ ตัวเลขที่ใช้ประเมินความเสี่ยง cavitation มีสองค่าคือ NPSH_a (available) ซึ่งคือพลังงานความดันเหนือความดันไอที่ระบบทางดูดสามารถจ่ายให้ปั๊มได้จริง และ NPSH_r (required) ซึ่งคือค่าที่ตัวปั๊มเองต้องการ โดยผู้ผลิตวัดจากจุดที่ head ตกลง 3% เรียกว่า NPSH₃ กฎทั่วไปคือ NPSH_a ต้องมากกว่า NPSH_r บวก margin อย่างน้อย 0.5–1 เมตร หรือคิดเป็นอัตราส่วน 1.1–1.3 เท่า ส่วนปั๊มที่วิกฤตต่อความปลอดภัยของโรงไฟฟ้าอย่าง BFP มักกำหนด margin ratio ไว้สูงถึง 1.5–2.5 เท่า

จุดอ่อนที่สุดของโรงไฟฟ้าในแง่ NPSH คือ condensate pump ที่ดูดน้ำจาก hotwell ซึ่งเป็นน้ำที่อิ่มตัวพอดี กล่าวคือความดันของน้ำเท่ากับความดันไอของมันเอง (P = P_v) ทำให้เทอมความดันในสมการ NPSH_a หักล้างกันหมดเหลือศูนย์ NPSH_a ที่มีให้ปั๊มจึงเหลือแค่ค่าจากความสูงของระดับน้ำเหนือใบพัด (static submergence) ลบด้วย friction loss ของท่อดูดเท่านั้น ด้วยเหตุนี้ condensate pump จึงต้องออกแบบเป็นปั๊มแนวตั้งชนิด can จมใบพัดตัวแรกลงใต้พื้นตามที่เรียนไว้ในบทที่ 23 เช่นเดียวกัน BFP เองก็ดูดน้ำจาก deaerator ซึ่งเป็นน้ำอิ่มตัวเช่นกัน จึงต้องตั้ง deaerator ให้สูงกว่า BFP ราว 20–30 เมตรและมี booster pump ช่วยเสริมความดันทางดูดอีกชั้นหนึ่ง

อาการของ cavitation ที่สังเกตได้มีทั้งเสียงดังคล้ายกรวดหรือหินวิ่งอยู่ภายในตัวปั๊ม การสั่นสะเทือน (vibration) ที่เพิ่มขึ้น head และ flow ที่ตกลงและแกว่งไม่นิ่ง รวมถึงเข็มมิเตอร์วัดกระแสมอเตอร์ที่สั่นไปมา ความเสียหายที่เกิดขึ้นคือ pitting บนด้าน suction ของใบพัดบริเวณใกล้ leading edge ตามด้วยความเสียหายของ seal และ bearing จากแรงสั่นสะเทือนที่ตามมา แนวทางป้องกันทำได้หลายวิธี เช่น เพิ่มระดับน้ำในถังทางดูด ลดอุณหภูมิของน้ำ ปรับปรุงขนาดท่อและ fitting ทางดูดให้ friction loss ต่ำลง ลดความเร็วรอบปั๊ม ติดตั้ง inducer ที่ตาปั๊มเพื่อเพิ่มความสามารถด้านดูด หรือหลีกเลี่ยงการเดินปั๊มเกินพิกัด flow และในกรณีที่โหลดโรงไฟฟ้าลดลงอย่างรวดเร็ว ความดันใน deaerator จะตกตามไปด้วย ผู้ดูแลระบบจึงต้องระวัง BFP cavitation ชั่วขณะในช่วง transient เช่นนี้เป็นพิเศษ

ตัวเลขอีกตัวที่ใช้บอกความสามารถด้านดูดของปั๊มคือ suction specific speed ซึ่งคำนวณจาก S = N√Q/NPSH_r ยกกำลัง 0.75 ค่าทั่วไปในหน่วยเมตริกอยู่ที่ราว 160–220 (เทียบเท่าหน่วยอเมริกัน 8,000–11,000) หาก S สูงเกินไปแปลว่า impeller ถูกออกแบบให้ไวต่อการดูดมากเป็นพิเศษ ซึ่งมักแลกมาด้วยความไวต่อการเกิด internal recirculation เมื่อเดินที่ part load ด้วยเช่นกัน

โดย \(P_{suction}\) = ความดันสัมบูรณ์เหนือผิวน้ำถังดูด (Pa), \(P_v\) = vapor pressure ของน้ำที่อุณหภูมิใช้งาน (Pa), \(z_s\) = ระดับผิวน้ำเหนือ centerline ปั๊ม (m, ติดลบถ้าปั๊มอยู่สูงกว่า), \(h_f\) = friction loss ท่อดูด (m)

1. Leading edge (severe cavitation pitting) — ขอบด้านหน้าของใบพัดที่รับแรงกระแทกจากฟองไอยุบตัวมากที่สุด เนื้อโลหะถูกกัดจนเว้าแหว่งเห็นได้ชัด
2. Suction side of impeller vane — ด้านของใบพัดที่หันเข้าหาทางดูด เป็นบริเวณที่ความดันต่ำที่สุดในตัวปั๊มและเป็นจุดเริ่มต้นของฟองไอ cavitation
3. Cavitation damage (sponge-like surface) — พื้นผิวโลหะที่ถูกกัดกร่อนจนมีลักษณะเป็นรูพรุนคล้ายฟองน้ำ เกิดจากฟองไอนับล้านฟองยุบตัวซ้ำๆ ในบริเวณเดียวกันเป็นเวลานาน
4. Deep pits and material loss — หลุมลึกที่เนื้อโลหะสูญเสียไปจริง ไม่ใช่แค่รอยผิวเผิน หากปล่อยไว้จะลึกจนทะลุใบพัดได้
5. Hub bore — รูเจาะกลางที่สวมเพลา แสดงให้เห็นว่าความเสียหายนี้เกิดกับใบพัดทั้งลูก ไม่ใช่แค่บริเวณขอบ

1. Vertical can-type condensate extraction pumps — ปั๊มดูดคอนเดนเสททั้งชุด ออกแบบให้ตัวปั๊มยาวจมลงใต้พื้นเพื่อให้ใบพัดตัวแรกอยู่ลึกที่สุดเท่าที่จะทำได้ เพิ่ม NPSH_a ให้มากขึ้น
2. Pump motor — มอเตอร์ไฟฟ้าขับปั๊มติดตั้งอยู่บนสุด เหนือระดับพื้นเพื่อให้เข้าถึงบำรุงรักษาได้สะดวก
3. Motor junction box — กล่องต่อสายไฟฟ้าเข้ามอเตอร์ ติดตั้งด้านข้างตัวมอเตอร์
4. Discharge piping — ท่อจ่ายน้ำจากปั๊มไปยังจุดถัดไปในสาย condensate
5. Pump column — ท่อทรงกระบอกยาวที่เป็นทั้งโครงสร้างปั๊มและทางเดินน้ำจากใบพัดด้านล่างขึ้นสู่ทางออกด้านบน
6. Discharge isolation valve — วาล์วตัดแยกปั๊มแต่ละตัวออกจากท่อรวม ให้ถอดปั๊มตัวใดตัวหนึ่งไปซ่อมได้โดยตัวอื่นยังเดินเครื่องต่อได้
7. Pump base — ฐานยึดปั๊มเข้ากับพื้นอาคารที่ระดับผิวพื้น
8. Suction can (below floor level) — บ่อทรงกระบอกที่ฝังใต้พื้น เป็นที่ที่ใบพัดตัวแรกจมอยู่ลึกที่สุดเพื่อให้ได้ระยะ submergence เพียงพอ
9. Condenser floor — พื้นอาคารบริเวณ condenser ที่ปั๊มถูกฝังลอดผ่านลงไป

24.6 Specific Speed, ชนิดปั๊ม และ Positive Displacement (Specific Speed & Pump Types)

ตัวเลข specific speed หรือ n_q เป็นค่าที่บอกว่า impeller ควรมี "ทรง" อย่างไรจึงจะเหมาะกับงานหนึ่งๆ มากที่สุด คำนวณจากความเร็วรอบ อัตราการไหล และ head ที่จุด BEP ปั๊มที่มี n_q ต่ำราว 10–50 จะมีทรง impeller แบบ radial คือแคบและลึก เหมาะกับงานที่ต้องการ head สูงแต่ flow ต่ำ ปั๊มที่มี n_q ปานกลางราว 50–150 จะเป็นทรง mixed flow ซึ่งผสมผสานลักษณะ radial กับ axial เข้าด้วยกัน ส่วนปั๊มที่มี n_q สูงราว 150–300 จะเป็นทรง axial คล้ายใบพัดเรือ เหมาะกับงานที่ต้องการ flow มหาศาลแต่ head ต่ำ ตัวอย่างที่พบในโรงไฟฟ้าจริงคือ BFP ซึ่งเป็นปั๊มแบบ radial multistage, condensate pump ซึ่งเป็น radial multistage แนวตั้ง, circulating water pump ซึ่งเป็น mixed หรือ axial flow แนวตั้ง และปั๊มเติมน้ำ makeup ของหอเย็นซึ่งเป็น end-suction radial ขนาดเล็ก

นอกจาก centrifugal pump แล้ว โรงไฟฟ้ายังใช้ปั๊มอีกตระกูลหนึ่งคือ positive displacement (PD) pump ซึ่งส่งของไหลออกไปเป็นปริมาตรตายตัวต่อการหมุนหรือเคลื่อนที่หนึ่งรอบ ทำให้อัตราการไหลของ PD pump แทบไม่ขึ้นกับความดันทางออกเลย ต่างจาก centrifugal pump อย่างสิ้นเชิง ข้อควรระวังที่สำคัญที่สุดคือห้ามเดิน PD pump โดยปิดทางออกเด็ดขาด เพราะความดันจะพุ่งสูงขึ้นเรื่อยๆ จนท่อหรือตัวปั๊มแตกได้ จึงต้องมี relief valve ติดตั้งคู่กับ PD pump เสมอไม่มีข้อยกเว้น PD pump แบ่งเป็นสองแบบหลัก แบบ reciprocating เช่น plunger หรือ diaphragm มักใช้เป็นปั๊มจ่ายสารเคมี (chemical dosing pump) สำหรับจ่าย NH₃ หรือ hydrazine ในอัตราลิตรต่อชั่วโมงที่แม่นยำและปรับ stroke ได้ ซึ่งจะเรียนรายละเอียดในบทที่ 28 ส่วนแบบ rotary เช่น screw หรือ gear pump มักใช้กับน้ำมันเชื้อเพลิงและน้ำมันหล่อลื่นเพราะจัดการของไหลที่มีความหนืดสูงได้ดี ซึ่งจะเรียนต่อในบทที่ 29

หลักในการเลือกใช้ centrifugal pump คือเมื่อต้องการ flow มาก ของไหลใส และยอมรับได้ว่า flow จะแปรผันตามความดันในระบบ ส่วนการเลือกใช้ PD pump เหมาะกับกรณีที่ flow น้อยแต่ต้องการความดันสูงมาก ต้องการความแม่นยำในการวัดปริมาณ (metering) หรือของไหลมีความหนืดสูงมาก

โดย \(n_q\) = specific speed (ไร้มิติเชิงปฏิบัติ ใช้หน่วยตามนิยาม), \(N\) = ความเร็วรอบ (rpm), \(Q\) = flow ที่ BEP (m³/s), \(H\) = head ต่อ stage ที่ BEP (m)

24.7 Boiler Feed Pump แบบ Multistage Barrel (Multistage BFP)

BFP ของโรงไฟฟ้าขนาด 600 MW ทั่วไปมีอัตราการไหลราว 1,800–2,000 ตันต่อชั่วโมง สร้างความดัน discharge ได้ตั้งแต่ราว 20 MPa สำหรับเครื่อง subcritical ไปจนถึงราว 30 MPa สำหรับเครื่อง supercritical โดยมี 4–6 stage ต่อกันบนเพลาเดียว หมุนด้วยความเร็วสูงถึง 5,000–6,000 รอบต่อนาที และกินกำลังมากถึง 15–20 เมกะวัตต์ ทำให้ BFP เป็นโหลด auxiliary ก้อนใหญ่ที่สุดของทั้งโรงไฟฟ้า คิดเป็นสัดส่วนราว 2.5–3% ของกำลังผลิตทั้งหมด ด้วยความดันและอุณหภูมิที่สูงมากขนาดนี้ โครงสร้างของ BFP จึงต้องเป็นแบบ barrel หรือ double-case กล่าวคือมีเปลือกนอกเป็น forged barrel ที่ทนความดันเต็มที่ ภายในสอดชุด cartridge ซึ่งประกอบด้วย inner casing และ impeller ครบทุก stage ไว้ด้วยกัน การถอดซ่อมทำได้โดยดึง cartridge ทั้งชุดออกมาโดยไม่ต้องรื้อระบบท่อรอบตัวปั๊มเลย ซึ่งช่วยลดเวลา overhaul จากระดับสัปดาห์เหลือเพียงราว 2–3 วันหากมี cartridge สำรองพร้อมใช้งาน

เนื่องจาก impeller ทุก stage ใน BFP หันไปทิศทางเดียวกันหมด แรงในแนวแกน (axial thrust) ที่เกิดขึ้นจึงสะสมรวมกันมหาศาลถึงระดับหลายสิบตัน วิธีสมดุลแรงนี้ใช้ balancing drum หรือ balancing disc ที่ปลายท้ายของปั๊ม โดยให้น้ำความดันสูงรั่วไหลผ่านช่องแคบรอบตัว drum จนสร้างแรงต้านทิศตรงข้ามกับ thrust สะสม ส่วน leak-off ที่รั่วผ่านมานี้จะถูกต่อกลับไปยัง deaerator หรือทางดูดของปั๊ม ส่วน thrust ที่เหลืออีกราว 10% จะถูกรับโดย thrust bearing ที่ปลายเพลา ระบบป้องกันที่สำคัญไม่แพ้กันคือ minimum flow protection เพราะที่ flow ต่ำพลังงานเกือบทั้งหมดที่ปั๊มใส่ให้น้ำจะกลายเป็นความร้อนสะสม ทำให้อุณหภูมิน้ำในตัวปั๊มเพิ่มขึ้นราว 3–6°C ต่อการเดินแบบ dead-head แค่ไม่กี่นาที ก่อนที่น้ำจะเดือดกลายเป็นไอเกิด vapor lock หรือชิ้นส่วนภายในเสียดสีกันจนพัง จึงต้องมี recirculation line กลับไปยัง deaerator ที่เปิดโดยอัตโนมัติเมื่อ flow ต่ำกว่าราว 25–35% ของ BEP ผ่าน ARC (Automatic Recirculation valve — วาล์ว recirculation อัตโนมัติ) หรือ control valve ร่วมกับ flow meter

ก่อน start ปั๊มทุกครั้งต้องมีการ warm-up คือปล่อยน้ำร้อนไหลผ่านปั๊มที่จะ standby ให้อุณหภูมิของ casing ต่างจากอุณหภูมิน้ำไม่เกินราว 40–50°C เพื่อป้องกัน thermal shock และเพลาโก่งงอ และปั๊ม standby จะต้องหมุนเช็ค (turn gear) หรือหมุนด้วยความเร็วต่ำตลอดเวลาไม่ให้เพลาติดขัด การจัดชุดปั๊มที่พบบ่อยมีสองแบบ แบบแรกคือ 2×50% ขับด้วยกังหันไอน้ำ (TDBFP) บวกกับอีก 1×25–50% ขับด้วยมอเตอร์สำหรับ start-up หรือ standby ซึ่งพบมากในโรงไฟฟ้ารุ่นเก่า แบบที่สองคือ 1×100% ขับด้วยมอเตอร์ผ่าน VFD ซึ่งพบมากในโรงไฟฟ้า combined cycle สมัยใหม่ ทุกชุดจะมี booster pump ความเร็วรอบต่ำ (ราว 1,480 รอบต่อนาที) ต่ออนุกรมอยู่หน้าปั๊มหลักเพื่อป้องกัน cavitation

1. Suction piping — ท่อทางดูดขนาดใหญ่ที่รับน้ำมาจาก booster pump ก่อนเข้า barrel casing
2. Discharge piping — ท่อจ่ายน้ำความดันสูงจากปั๊มไปยัง HP heater และหม้อไอน้ำ
3. Barrel-type multistage pump — เปลือกนอกทรงกระบอกหนา (forged barrel) ที่ทนความดันเต็มที่ ภายในบรรจุ cartridge ซึ่งรวม impeller ทุก stage ไว้ด้วยกัน ถอดซ่อมได้โดยดึง cartridge ออกทั้งชุดโดยไม่ต้องรื้อท่อ
4. Pump suction casing — ส่วนหัวของ barrel ที่น้ำไหลเข้าสู่ stage แรก
5. Seal water piping — ท่อน้ำสำหรับ flush/หล่อเย็นบริเวณ seal ของเพลาปั๊ม
6. Shaft coupling — จุดต่อเพลาระหว่างตัวปั๊มกับ hydraulic coupling
7. Hydraulic coupling — ชุดคัปปลิ้งไฮดรอลิกที่ให้ปรับความเร็วรอบปั๊มได้ต่างจากความเร็วรอบมอเตอร์คงที่ ทำหน้าที่คล้าย VFD เชิงกล
8. Electric motor — มอเตอร์ไฟฟ้าขนาดใหญ่ที่ขับชุดปั๊มทั้งหมด
9. Baseplate and mounting system — ฐานเหล็กร่วมที่ยึดทุกชิ้นส่วนของชุดปั๊มให้อยู่แนวเดียวกัน
10. Common concrete foundation — ฐานคอนกรีตหนักที่รองรับน้ำหนักและแรงสั่นสะเทือนของทั้งชุดปั๊ม

24.8 Mechanical Seal, Packing และการดูแลปั๊ม (Shaft Sealing & Pump Care)

การป้องกันการรั่วของน้ำตรงจุดที่เพลาปั๊มทะลุผ่านตัวเรือน (stuffing box) ทำได้สองวิธีหลัก วิธีแรกคือ gland packing ซึ่งเป็นเชือกถักจากกราไฟต์หรือ PTFE อัดแน่นรอบเพลาเป็นชั้นๆ วิธีนี้จำเป็นต้องยอมให้มีน้ำรั่วซึมออกมาตลอดเวลาในอัตราราว 10–60 หยดต่อนาที เพื่อระบายความร้อนและหล่อลื่นให้กับ packing เอง หากขันแน่นเกินไปเพื่อพยายามหยุดการรั่วสนิท เพลาหรือ sleeve จะร้อนจัดจนไหม้เป็นร่องได้ วิธีนี้มีข้อดีคือเรียบง่ายและราคาถูก แต่แลกมาด้วยการสูญเสียพลังงานจาก friction และน้ำที่รั่วออกไปตลอดเวลา

วิธีที่สองคือ mechanical seal ซึ่งใช้หน้าสัมผัสสองวงที่เรียบระดับแสง (flatness ราว 1–3 helium light bands) กดประกบกัน วงหนึ่งหมุนไปกับเพลา (rotating face) อีกวงหนึ่งอยู่กับที่ (stationary face) คู่วัสดุที่พบบ่อยคือ carbon กับ silicon carbide หรือ silicon carbide กับ silicon carbide ทั้งคู่ mechanical seal รั่วน้อยกว่า packing มาก อยู่ในระดับไอน้ำหรือหยดต่อวันเท่านั้น แต่เมื่อพังแล้วต้องเปลี่ยนใหม่ทั้งชุด รูปแบบที่นิยมใช้ในปัจจุบันคือ cartridge seal ซึ่งประกอบสำเร็จมาจากโรงงานพร้อมติดตั้งได้ทันทีโดยไม่ต้องตั้งระยะเอง ลดความผิดพลาดจากการติดตั้งได้มาก Mechanical seal ทุกตัวต้องการของไหล flush มาช่วยระบายความร้อนที่หน้าสัมผัส มาตรฐาน API 682 กำหนด piping plan ไว้หลายแบบที่พบบ่อยในโรงไฟฟ้า เช่น Plan 11 ที่วนน้ำจากทางออกปั๊มผ่าน orifice กลับมา flush, Plan 21 ที่ผ่าน cooler ก่อน, Plan 23 ซึ่งเป็นวงจรปิดพร้อม cooler และเป็นมาตรฐานของ BFP และปั๊มน้ำร้อนทั่วไป, Plan 32 ที่ flush จากแหล่งภายนอกเหมาะกับของไหลสกปรก และ Plan 53 ซึ่งเป็น dual seal ที่มี barrier fluid ความดันสูงกว่าของไหลในกระบวนการ

สาเหตุอันดับต้นๆ ที่ทำให้ seal พังคือการเดินปั๊มแบบแห้ง (dry run) แม้เพียงไม่กี่วินาทีก็ทำให้หน้า seal ร้าวได้ทันที รองลงมาคือ cavitation หรือ vibration ที่ทำให้หน้าสัมผัสไม่นิ่ง flush plan ที่อุดตันจนระบายความร้อนไม่ทัน และ misalignment ระหว่างเพลากับมอเตอร์ ด้วยเหตุนี้ seal จึงเป็นชิ้นส่วนที่ทำให้ปั๊มต้องเข้า workshop บ่อยที่สุด คิดเป็นสัดส่วนมากกว่า 60% ของงานซ่อมปั๊มทั้งหมด การดูแลปั๊มประจำวันที่ควรทำได้แก่ การวัด vibration เทียบกับมาตรฐาน ISO (International Organization for Standardization — องค์การมาตรฐานสากล) 10816 ซึ่งกำหนด zone A/B ไว้ให้ปั๊มขนาดใหญ่ทั่วไปมีค่า overall ต่ำกว่า 4.5 มิลลิเมตรต่อวินาที RMS การฟังเสียงผิดปกติ การจับอุณหภูมิ bearing ให้อยู่ต่ำกว่า 80°C การสังเกตอัตราการรั่วของ seal การสลับปั๊ม standby ตามรอบที่กำหนด และการเติมหรือเปลี่ยนจารบีหรือน้ำมันหล่อลื่นตามชั่วโมงการใช้งาน

1. Pump Housing — เรือนปั๊มที่ seal ทั้งชุดติดตั้งอยู่ภายใน กั้นระหว่างของไหลในกระบวนการกับบรรยากาศภายนอก
2. Process Fluid (Suction Side) — ของไหลฝั่งกระบวนการที่ seal ต้องกันไม่ให้รั่วออกไปตามแนวเพลา
3. Rotating Seal Face (Primary Ring) — วงหน้าสัมผัสที่หมุนไปพร้อมเพลา กดประกบกับวงอยู่กับที่ตลอดเวลา
4. Stationary Seal Face (Mating Ring) — วงหน้าสัมผัสที่ยึดอยู่กับเรือนปั๊มไม่หมุน เป็นคู่ประกบกับ rotating face
5. Cartridge Seal Unit — ชุด seal ทั้งหมดที่ประกอบสำเร็จมาจากโรงงานเป็นหน่วยเดียว ติดตั้งเข้ากับเพลาได้ทันทีโดยไม่ต้องตั้งระยะหน้างาน
6. Springs — สปริงที่กดวง rotating face ให้แนบกับ stationary face ตลอดเวลาแม้เพลาจะสั่นหรือขยับเล็กน้อย
7. O-Ring (Static Seal) — ยางกันรั่วบริเวณที่ไม่มีการเคลื่อนไหวสัมพัทธ์ ป้องกันการรั่วซึมรอบชิ้นส่วนคงที่
8. Flush Port (Flush In) — ทางเข้าของไหล flush ตามแผน piping plan ของ API 682 เพื่อระบายความร้อนที่หน้าสัมผัส
9. Gland Plate — แผ่นปิดยึด seal เข้ากับเรือนปั๊ม
10. Set Screws (Drive Pins) — สกรูยึดให้ชุด seal หมุนไปพร้อมกับเพลาโดยไม่ลื่นไถล
11. Shaft (Rotating) — เพลาปั๊มที่หมุนส่งกำลัง เป็นแกนกลางที่ seal ทั้งชุดล้อมรอบอยู่

สรุปท้ายบท

ศัพท์เทคนิคในบทนี้

แบบทดสอบท้ายบท