Boilers, Boiler Fittings
หม้อไอน้ำ (Boilers)
ที่ภาวะปกติความดันบรรยากาศน้ำเดือดที่อุณหภูมิ 100 องศาเซลเซียส ดังนั้นขนาดของหม้อไอน้ำจะคิดที่ความดันบรรยากาศเช่นหม้อน้ำขนาด 2 ton คือสามารถผลิตไอน้ำที่ความดันบรรยากาศเท่ากับ 2000 kg/h ถ้าแรงดันใช้งานเพิ่มมากขึ้นปริมาณไอน้ำที่ผลิตได้ก็จะลดน้อยลงไปด้วยเนื่องจากภายในหม้อไอน้ำมีแรงดันที่สูงกว่าบรรยากาศจึงทำให้จุดเดือดของน้ำสูงขึ้น
ในการป้อนน้ำเข้าถ้าอุณหภูมิของน้ำต่ำทำให้ต้องเสียพลังงานบางส่วนในการเพิ่มอุณหภูมิน้ำให้ถึงจุดเดือดส่งผลให้ประสิทธิภาพในการทำงานของหม้อไอน้ำลดลง จากกราฟด้านล่างแสดงประสิทธิภาพของน้ำป้อนเข้าหม้อไอน้ำที่อุณหภูมิต่าง ๆ
กราฟแสดงประสิทธิภาพน้ำป้อนเข้าหม้อไอน้ำที่อุณหภูมิต่างๆ
ตัวอย่าง
จงหาอัตราการผลิตไอน้ำของหม้อไอน้ำขนาด 2000 kg/h แรงดันใช้งานที่ 15 bar อุณหภูมิน้ำป้อนเข้า 68 องศาเซลเซียส
จากกราฟที่ 15 bar และ 68 องศาเซลเซียส จะได้ประสิทธิภาพ 90 %
ดังนั้นจะสามารถผลิตไอน้ำได้เท่ากับ 2000 kg/h x 90% = 1800 kg/h
ค่าที่ได้อาจคำนวณได้จากสูตร
จากตัวอย่าง
| Specific enthalpy of evap.(น้ำเป็นไอ) at 0 bar g | = 2257 kJ/kg |
| Specific enthalpy of steam at 15 bar g | = 2794 kJ/kg |
| Specific enthalpy of feed water temp. 68 oC and 0 bar g | = 68 oC x 4.186 kJ/kg oC = 284.6 kJ/kg |
ดังนั้นจะได้
2257/(2794-284.6) = 0.899
เพราะฉะนั้นกำลังการผลิต = 2000 kg/h x 0.899 = 1799 kg/h
การคำนวนจาก kW Rating
สำหรับหม้อไอน้ำบางครั้งอาจบอกกำลังการผลิตเป็น kW เราสามารถคำนวณเป็น kg/h ได้ดังตัวอย่าง
ตัวอย่าง
หม้อไอน้ำขนาด 3,000 kW แรงดันใช้งานที่ 10 bar g อุณหภูมิน้ำเข้า 50°C.
specific enthalpy น้ำที่ 50°C ค่า เท่ากับ 209.5 kJ/kg.
ไอน้ำที่แรงดัน 10 bar g เท่ากับ 2781.7 kJ/kg
ดังนั้นต้องใช้พลังงานทำให้น้ำเป็นไอเท่ากับ 2781.7 - 209.5 = 2572.2 kJ/kg
ที่กำลังเท่ากับ 3,000 kW หรือ 3,000 x 60 x 60 kJ/hr = 10,800,000 kJ/hr
ดังนั้นสามารถผลิตไอน้ำได้เท่ากับ 10,800,000 / 25722 = 420 kg/hr
การคำนวนจาก Boiler Horse Power (BoHP)
สำหรับหม้อต้มที่บอกเป็นหน่วยแรงม้าไม่สามารถแปลงแบบปกติได้แต่จะนิยมให้ 64 แรงม้าสามารถผลิตไอน้ำเท่ากับ 1 ตัน หรือผลิตไอได้ 1000 kg/h
อุปกรณ์ที่ประกอบในหม้อไอน้ำ (Boiler Fittings)
เซฟตี้วาล์วเป็นอุปกรณ์ที่ต้องให้ความสำคัญที่สุดในการป้องกันหม้อไอน้ำเกิดแรงดันเกินกำหนด หรือ เกิดการระเบิด โดยทั่ว ๆ ไปข้อกำหนดของอุปกรณ์มีดังนี้
- ปริมาณไอน้ำระบายที่รับได้จะต้องคิดที่ความดันบรรยากาศ หรือ ตามประสิทธิภาพของหม้อไอน้ำ
- วาล์วต้องสามารถรองรับปริมาณไอน้ำระบายสูงสุดที่ 110 % ของกำลังการผลิตสูงสุด
- ขนาดข้อต่อวาล์วกับหม้อไอน้ำห้ามเล็กกว่า ¾ “
- แรงดันสูงสุดที่ตั้งค่าบนวาล์วคือแรงดันที่ไม่เกินกว่าขนาดของหม้อไอน้ำ
- ช่วงแรงดันที่ตั้งบนวาล์วกับแรงดันใช้งานต้องเหมาะสมไม่มากหรือน้อยเกินไป
- หม้อไอน้ำที่มีกำลังการผลิตมากกว่า 3700 kg/h จะต้องมีเซฟตี้วาล์วอย่างน้อยสองตัว หรือเป็นแบบดับเบิ้ลเซฟตี้วาล์วคือมีวาล์วสองตัวที่ฐานเดียวกัน
- ด้านฝั่งขาออกของวาล์วต้องไม่อุดตัน และต้องมั่นใจว่าไม่มีการสะสมของไอน้ำควบแน่น
Burner Control
น้ำมันจะไม่เผาไหม้ง่าย ๆ หากอุณหภูมิไม่ถึงจุดติดไฟ และ อัตราส่วนผสมของน้ำมันกับอากาศต้องเหมาะสมด้วย เพื่อให้การเผาไหม้มีประสิทธิภาพมากขึ้นจะต้องเพิ่มพื้นที่สำหรับแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างน้ำกับไฟ นอกจากนี้ขนาดของละอองน้ำมันก็มีผลเช่นเดียวกัน โดยทั่วไปจะมีขนาด 20 ถึง 40 ไมครอน ถ้าละอองน้ำมันมีขนาดใหญ่จะทำให้การเผาไหม้ไม่สมบูรณ์ ถ้าขนาดเล็กเกินละอองจะวิ่งเร็วทำให้ละอองน้ำมันบางส่วนไม่ถูกเผาไหม้ นอกจากนี้ความหนืดของน้ำมันก็มีผลต่อการฉีดเหมือนกันดังนั้นจะต้องมีการอุ่นน้ำมันเพื่อให้ความหนืดลดลง การทำความสะอาดหัวฉีดจะช่วยให้สามารถฉีดน้ำมันเป็นละอองได้ดีทำให้การผสมระหว่างอากาศกับน้ำมันดีมากขึ้น ประเภทของหัวเผาแบ่งได้เป็น
- jet burner น้ำมันจะถูกฉีดที่แรงดันสูง 7 ถึง 15 บาร์ ผ่านหัวฉีดเพื่อให้เป็นละออง หัวเผาสามารถเปลี่ยนขนาดหัวฉีดได้ให้เหมาะสมกับขนาดของหม้อ
- Rotary Cup Burner อาศัยแรงเหวี่ยงที่เกิดจากการหมุนของถ้วยที่เร็ว โดยถ้วยจะถูกขับด้วยมอเตอร์พัดลม ข้อดีของระบบนี้คือมีความแข็งแรงและให้อัตราส่วนผสม(turndown ratio)ที่ดีกว่า ผลกระทบของความหนืดน้ำมันน้อยกว่า และ สามารถใช้ได้กับเตาหลาย ๆ แบบ เหมาะสำหรับหม้อที่มีขนาดมากกว่า 2 ตันขึ้นไป
Feed Check Valve Installation
การติดตั้งระบบเติมน้ำฟีดจะติดที่ด้านข้างของหม้อไอน้ำโดยการเปิด-ปิดจะควบคุมจากระดับน้ำในหม้อไอน้ำ ในขณะที่เครื่องหยุดทำงาน Globe valve จะต้องป้องกันน้ำจากฟีดแท็งก์ไหลเข้าหม้อไอน้ำและขณะที่เครื่องทำงาน check valve จะต้องทำหน้าที่ป้องกันแรงดันย้อนกลับจากหม้อไอน้ำเข้าสู่ปั๊มน้ำ
Pressure gauge
เกจวัดแรงดันจำเป็นต้องมีอย่างน้อยหนึ่งอัน ขนาด 6 นิ้ว และควรทำเครื่องหมายแระดันใช้งานและแรงดันใช้งานมากที่สุดที่สามารถรับได้ไว้ด้วย
Level Gauge Glass
หม้อไอน้ำจำเป็นจะต้องติดตั้งวาล์ววัดระดับน้ำอย่างน้อยหนึ่งชุด หลอดแก้วที่ใช้ต้องสามารถมองเห็นได้ชัดเจนไม่อุดตัน
การตรวจสอบ gauge glass ควรทำอย่างน้อยวันละหนึ่งครั้งเพื่อจะทำความสะอาดผิวหลอดแก้ว และการทำงาน วิธีการตรวจสอบจะปิดวาล์วน้ำเข้าและเปิดวาล์วระบายน้ำออก 5 วินาที หลังจากนั้นจะปิดวาล์วระบายน้ำและเปิดวาล์วน้ำเข้า น้ำจะต้องไหลเข้ามาที่ระดับเดิมอย่างรวดเร็วและกลับมาอยู่ที่ตำแหน่งเดิม ถ้าเกิดการอุดตันระดับน้ำจะขึ้นอย่างช้า ๆ หรือระดับน้ำอาจไม่กลับมาที่ตำแหน่งเดิม
Level Control Chambers
อุปกรณ์ควบคุมระดับน้ำจะติดตั้งด้านนอกของหม้อต้มเพื่อทำหน้าทีตรวจสอบระดับน้ำถ้าต่ำมากจะส่งสัญญาณเตือนให้ผู้ใช้งานเข้ามาดูแลอีกครั้งหนึ่ง
Bottom Blow down Valve
หม้อต้มไอน้ำจำเป็นต้องติดตั้งวาล์วละบายหนึ่งจุดที่ตำแหน่งล่างสุดเพื่อให้สามารถระบายตะกอนออกจากด้านล่างได้ ควรมีการตรวจสอยอย่างน้อยวันละหนึ่งครั้ง ในขณะใช้งานจะต้องระวังเนื่องจากขณะเปิดวาล์วอาจมีการซ่อมแซมส่วนต่าง ๆ ซึ่งอาจก่อให้เกิดอันตรายได้
Air Vent and Vacuum Breaker
ขณะที่หม้อไอน้ำเริ่มทำงาน พื้นที่ภายในส่วนใหญ่จะเป็นอากาศ ซึ่งอากาศดังกล่าวจะเป็นฉนวนความร้อนและก่อให้เกิดการกัดกร่อนภายในระบบ โดยปกติเราอาจใช้วาล์วเพื่อระบายอากาศออกรอจนกว่าแรงดันในถังจะอยู่ที่ประมาณ 0.5 บาร์ หรือ อาจเลือกใช้อุปกรณ์ระบายอากาศออกก็ได้ซึ่งอุปกรณ์ดังกล่าวจะทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่า
Balanced Pressure Air Vent
เมื่อหม้อไอน้ำหยุดการทำงานลงไอน้ำจะควบแน่นกลายเป็นหยดน้ำทำให้เกิดสุญญากาศในระบบ ซึ่งอาจทำให้หม้อไอน้ำหรือระบบท่อต่าง ๆ ยุบเสียหายได้ จึงต้องติดตั้ง Vacuum breaker เพื่อทำหน้าที่ปรับแรงดันภายในหม้อไอน้ำโดยยอมให้อากาศภายนอกไหลผ่านวาล์วเข้าสู่ภายในระบบ
Vacuum Breaker
Non Return Valves
เมื่อมีหม้อไอน้ำมากกว่าสองเครื่องติดตั้งจำเป็นต้องติด check valve เนื่องจากป้องกันแรงดันย้อนกลับตัวอย่างเช่นมีหม้อไอน้ำสองเครื่องละต้องการซ่อมเครื่องหนึ่งโดยอีกเครื่องยังทำงานอยู่
ในกรณีที่มีหม้อไอน้ำสองตัวโดยที่แต่ละตัวผลิตไอได้ R ดังนั้นกำลังการผลิตสูงสุด 2R ถ้าวาล์วกันย้อนบนหม้อที่ 1 ปิดลง (กรณีมีแรงดันไอน้ำส่วนเกินใน header มากกว่าในหม้อ) แรงดันในหม้อที่ 1 จะมากขึ้นหัวเผาจะปรับไฟมาที่ low ส่วนหม้อไอน้ำที่ 2 ต้องผลิตไอมากขึ้นเป็น 2 R ในช่วงก่อนที่วาล์วหม้อที่ 1 จะเปิดอีกครั้ง เมือหม้อที่ 2 ทำงานมากจึงอาจก่อให้เกิดการ overload และ เกิดภาวะ locking out และนี้เป็นสาเหตุส่วนใหญ่ของการเกิด carryover สำหรับการติดตั้งหม้อไอน้ำมากกาว่าหนึ่งเครื่อง
Steam Distribution Header
การออกแบบ header จะต้องสามารถรองรับแรงดันที่หม้อไอน้ำผลิตได้ ซึ่งหน้าแปลนที่ใช้ถ้าใช้กับไอน้ำอิ่มตัวแรงดันที่สามารถรับได้จะลดลง เช่น PN16 ที่ไอน้ำอิ่มตัวจะรับแรงดันได้เพียง 13 bar ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของ header จะขึ้นอยู่กับความเร็วของไอน้ำต้องไม่เกิน 15 m/s ภายใต้กำลังการผลิตสูงสุด การต่อท่อแยกจะต้องต่อด้านบนเพื่อป้องกันคอนเดนเซทหลุดออกไปด้วย ด้านล่างจะต้องติดตั้ง trapping เพื่อทำหน้าที่ระบายน้ำออกจากระบบ ด้านบนจะต้องมี air venting เพื่อทำหน้าที่ไล่อากาศออกจากระบบท่อในตอนเริ่มต้นเดินเครื่องด้วย
บางครั้งกระบวนการผลิตอาจต้องการไอน้ำมาก จึงทำให้ต้องมีการติดตังหม้อไอน้ำมากกว่าหนึ่งตัว การต่อกันแบบขนานกันดังรูปอาจทำให้สามารถผลิตไอน้ำได้อย่างเพียงพอแต่เมื่อมาวิเคราะห์จะพบว่าระบบยังขาดประสิทธิภาพเนื่องจากการติดตั้งและออกแบบระบบท่อที่ไม่เหมาะสม
รูปการติดตั้งหม้อไอน้ำก่อนการปรับปรุง
จากรูปด้านบนเมื่อทำการวิเคราะห์หม้อไอน้ำตัวที่ 1 ถึง 4 จะพบว่าเครื่อง 1 อยู่ไกลกว่าทำให้แรงดันย้อนกลับสูงจึงสามารถผลิตไอน้ำได้น้อยที่สุดถ้าเครื่องที่ 1 ทำงานเต็มที่ เครื่องที่ 4 จะทำงานเกินกว่ากำหนดเนื่องจากปริมาณไอน้ำที่ผลิตได้ขึ้นอยู่กับแรงดัน เมื่อ และด้วยสาเหตุนี้จะส่งผลให้น้ำในหม้อไอน้ำที่ 1 กลายเป็นไออย่างรวดเร็ว ดังนั้นในการติดตั้งหม้อไอน้ำจึงต้องจัดสมดุลแรงดันที่เกิดขึ้นซึ้งจะได้ดังรูปด้านล่าง
รูปการติดตั้งหม้อไอน้ำหลังการปรับปรุง
จากรูปเมื่อวิเคราะห์หม้อไอน้ำแต่ละตัวจะพบว่าแรงดันย้อนกลับที่กระทำในแต่ละเครื่องเท่ากันดังนั้นจึงสามารถผลิตไอน้ำได้มากกว่าการติดตั้งในแบบแรก
รูปการติดตั้งหม้อไอน้ำจำนวน 6 เครื่อง
จากรูปด้านบนเมื่อพิจารณาหม้อไอน้ำที่ 3 และ 4 พบว่าแรงดันย้อนกลับน้อยกว่าทำให้อาจเกิดการทำงานมากกว่าเครื่องอื่นดังนั้นเราจะต้องรับขนาดท่อที่ต่อออกจากเครื่อง 3 และ 4 ให้เล็กลงเพื่อให้เกิดแรงดันย้อนกลับมากขึ้น
ในการออกแบบ lay out ของการติดตั้งจะต้องคำนึงถึงปัญหาต่อไปนี้
- Steam Take-offs คือการต่อท่อโดยให้ต่อในแนวตั้งเพื่อป้องกันน้ำหลุดออกไปในระบบ
- Water Carry Over ถ้าเราออกแบบให้หม้อไอน้ำทำงานภายใต้โหลดคงที่ไอน้ำที่ได้จะแห้ง แต่ถ้าเราเปลี่ยนโหลดอย่างรวดเร็วก็จะทำให้ไอน้ำเกิดการเดือดอย่างรุ่นแรงไอน้ำที่ได้จะมีความชื้นมากขึ้น ซึ่งส่งผลให้อาจเกิดค้อนน้ำในระบบ นอกจากนั้นพลังงานความร้อนที่ได้จะลดลงด้วย ในการแก้ไขนอกจากจะควบคุมค่า TDS แล้วอาจติดตั้ง separator เพิ่มด้วยก็ได้เพื่อช่วยในการแยกน้ำออกจากไอ
Warm Up
Warm Up คือการอุ่นระบบต่าง ๆ ก่อนโดยใช้งาน ในการอุ่นระบบจะต้องเปิดวาล์วน้อยๆ เพื่อให้อัตราการไหลของไอน้ำออกมาน้อย ๆ ดังนั้นจึงควรเลือกวาล์วที่ออกแบบให้อัตราการไหลสัมพันธ์กับรอบของการเปิดวาล์วด้วย โดยเวลาในการอุ่นจะอยู่ประมาณ 15 นาที การอุ่นระบบจะช่วยลดการเกิด water hammer, thermal shock และ priming ได้
1. Water Hammer คือน้ำคอนเดนเซทที่ไหลในท่อด้วยความเร็วสูงและชนกับอุปกรณ์ต่าง ๆ ทำให้เกิดความเสียหาย
2. Thermal Shock การที่ท่อขยายตัวเนื่องจากความร้อนที่เพิ่มขึ้นจนไม่สามารถควบคุมได้ เป็นสาเหตุทำให้ท่อเคลื่อนที่ออกจากจุดยึด
3. Priming เมื่อแรงดันในหม้อไอน้ำลดลงอย่างทันทีทำให้มีน้ำท่วมเข้าในระบบท่อ ทำให้หม้อไอน้ำเข้าสู่สภาวะ Lock out ชั่วขณะ เมื่อไอน้ำกลับมาทำงานอีกครั้งจะก่อให้เกิดฆ้อนน้ำในระบบท่อ
จะเกิดอะไรขึ้นถ้าเกิดแรงดันในหม้อไอน้ำลดลง
เนื่องจากแรงดันที่สูงทำให้น้ำที่อยู่ภายในหม้อไอน้ำจะมีพลังงานสะสมจำนวนมาก ซึ่งถ้าความดันในถังลดลงหมายความว่าจุดเดือดของน้ำต่ำลงด้วย น้ำจะคายพลังงานที่เกินออกมาและพลังงานดังกล่าวจะทำให้น้ำบางส่วนเดือดกลายเป็นไอ
ตัวอย่างเช่น หม้อไอน้ำขนาด 10 bar กำลังการผลิต 5500 kg/h หม้อสามารถบรรจุน้ำจำนวน 2400 kg ถ้าแรงดันลดลงเหลือ 9 bar จะเกิดไอน้ำเท่าไร
ค่า Enthalpy ของน้ำที่แรงดัน 10 bar เท่ากับ 782 kJ/kg
ค่า Enthalpy ของน้ำที่แรงดัน 9 bar เท่ากับ 763 kJ/kg
ค่า Enthalpy จากน้ำเป็นไอที่แรงดัน 9 bar เท่ากับ 2015 kJ/kg
ดังนั้นจะมีไอน้ำส่วนเกินในระบบเท่ากับ
แสดงว่าน้ำจะกลายเป็นไอเนื่องจากความดันเปลี่ยนจาก 10 bar เป็น 9 bar จำนวน 23 kg
ซึ่งไอน้ำ จำนวนดังกล่าวจะไหลเพิ่มเข้าไปในกระบวนการผลิต
จากตัวอย่างถ้าความดันตกเป็นเวลา 10 วินาที อัตราการไหลเพิ่มขึ้นอีก
23/10 x 60 x 60 kg/h = 8,280 kg/h
| Boiler Pressure Bar | Increase in specific volume of steam % |
| 10 | - |
| 9 | 11 |
| 8 | 23 |
| 7 | 38 |
| 6 | 56 |
| 5 | 81 |
| 4 | 114 |
| 3 | 164 |
| 2 | 251 |
| 1 | 405 |
