บทนำ
Safety valve และ Safety relief valve มีหน้าที่ป้องกันแรงดันในระบบเกิน โดยวาล์วจะเปิดเพื่อระบายแรงดันส่วนที่เกินกว่าที่กำหนดออกเพื่อป้องกันอุปกรณ์ หรือ ผลิตภัณฑ์เสียหาย โดยส่วนใหญ่จะตั้งแรงดันสำหรับระบายที่ maximum allowable working pressure (MAWP) หรือ แรงดันที่ระบบสามารถรับได้ ในระบบไอน้ำเซฟตี้วาล์วจะติดตั้งที่บอยเลอร์ หลังวาล์วลดแรงดัน และ อุปกรณ์ใช้งาน
การทำงานหน้าวาล์วจะถูกออกแบบให้เปิดเพื่อระบายแรงดันส่วนเกินและปิดเมื่อแรงดันลดลงต่ำกว่าที่กำหนด โดยมีลักษณะการเปิดอย่างรวดเร็ว (pop action) หรือค่อย ๆ เปิดตามสัดส่วนแรงดันที่เพิ่มขึ้น ซึ่งขึ้นอยู่กับการออกแบบ โดยสามารถแบ่งได้ดังนี้
Safety valve – ลักษณะการเปิดเป็นแบบรวดเร็ว(pop action) โดยอาศัยแรงดันภายในวาล์ว เหมาะสำหรับของเหลวที่อัดตัวได้เช่น ก๊าซ อากาศ และ ไอน้ำ
Relief valve – ลักษณะการเปิดแบบทีละน้อยเป็นสัดส่วนกับแรงดัน เหมาะสำหรับของเหลวที่อัดตัวไม่ได้เช่นน้ำ น้ำมัน โดยแรงดันที่เกินอาจเกิดจากการขยายตัวเนื่องจากความร้อน หรือ แรงดันส่วนเกินในระบบปั๊ม
Safety relief valve – ลักษณะการเปิดแบบทีละน้อย หรือ อย่างรวดเร็ว ขึ้นอยู่กับการลักษณะการใช้งานว่าเป็นของเหลว หรือ ก๊าซ
การออกแบบเซฟตี้วาล์ว
ในการทำงาน disc จะปิดสนิทกับ seat ที่สภาวะปกติโดยอาศัยแรงดันจากสปริงซึ่งสามารถปรับค่าได้ ในการออกแบบตัวเสื้อวาล์ว(bonnet) อาจปิดหรือเปิดส่วนที่เป็นสปริงก็ได้ สำหรับลักษณะการเปิดของ Safety valve แบบ pop action จะต้องอาศัยพื้นที่ของ disc ที่เพิ่มขึ้นเพื่อเพิ่มแรงในการดันสปริง ในการออกแบบจะแบ่งเป็น มาตรฐาน DIN ซึ่ง disc จะมีลักษณะปีกยื่นออกมา ส่วนมาตรฐาน ASME จะมีลักษณะเป็นแหวนโดยอาจมีทั้งด้านบนและล่างก็ได้ โดยการปรับระยะของแหวนจะช่วยเพิ่มหรือลดเวลาในการเปิดของวาล์ว
วัสดุสำหรับ seat
สำหรับวัสดุของ seat โดยทั่วไปแบ่งได้เป็นสองแบบได้แก่ metal seats และ soft seats โดยมาตรฐานทั่วไปจะเป็น metal seats ซึ่งเหมาะกับงานที่มีความร้อนสูงโดยวัสดุอาจเป็นทองเหลืองหรือ สแตนเลส ก็ได้แต่ขอเสียคือเมื่อมีรอยจะทำให้เกิดการรั่ว ดังนั้นอาจเลือกใช้วัสดุแบบ soft seat แทนก็ได้เช่น Viton, nitrile or EPDM
ด้ามโยกเปิดวาล์ว (Lever)
โดยปกติเซฟตี้วาล์วจะมีด้ามโยกเพื่อเปิดวาล์ว โดยวาล์วจะเปิดได้อย่างน้อยต้องมีแรงดันในระบบมากกว่า 75% ของแรงดันที่ตั้งค่าไว้ การเปิดวาล์วควรทำเป็นประจำเพื่อตรวจสอบการปิดของวาล์วและป้องกันการยึดติดของหน้าวาล์ว ตามมาตรฐาน ASME เซฟตี้วาล์วที่ใช้กับระบบอากาศ น้ำร้อนมากกว่า60°C และไอน้ำ จะต้องมีด้ามโยกเปิดวาล์ว โดยการรั้วของของไหลที่ด้ามวาล์วต้องอยู่ภายใต้มาตรฐานที่ยอมรับได้สำหรับระบบอากาศ และ ไอน้ำ ส่วนงานน้ำร้อนหรือของเหลวอื่น ๆ จะต้องไม่มีการรั่วที่ด้ามโยก สำหรับงานน้ำที่ไม่ได้ต้องการด้ามโยกจะต้องปิดฝาครอบให้สนิทเพื่อป้องกันการรั่วไหล
ฝาครอบสปริง ( bonnets) แบบเปิดและปิด
สำหรับฝาครอบสปริงแบบปิดจะช่วยป้องกันการกัดกร่อนหรือสิงสกปรกจากสภาพแวดล้อมได้ แต่สำหรับบางงานอาจไม่เหมะสมเช่นในระบบที่มีความร้อนสูง เนื่องจากความร้อนจะทำให้สปริงอ่อนตัวส่งผลให้ค่าแรงดันที่ตั้งไว้ลดลง ดังนั้นการเลือกฝาครอบสปริงแบบเปิดจึงดีกว่าเพราะช่วยระบายความร้อนของสปริงได้ สำหรับงานที่ไม่ต้องการให้ของไหลรั่วออกสู่บรรยากาศจะต้องเลือกใช้ฝาครอบแบบปิด
อัตราการระบาย
ความสามารถในการระบายแรงดันส่วนเกินขึ้นอยู่กับพื้นที่ระบาย Discharge area โดยพิจารณาจาก
1. Flow area – เป็นขนาดพื้นที่หน้าตัดที่เล็กที่สุดระหว่างทางเข้าจนถึง seat หรือขนาด orifice
2. Curtain area – เป็นพื้นที่ที่เกิดจากการยกตัวของ disc โดยคิดจากพื้นที่ระหว่าง disc กับ seat
3. Discharge area – คือพื้นที่น้อยที่สุด ระหว่าง curtain และ flow areas
ดังนั้น เราจะรู้ว่าวาล์วตัวไหนให้อัตราการระบายมากกว่ากันได้จะต้องรู้ด้วยว่าการยกตัวของ disc เป็นแบบ full lift , high lift หรือ low lift
- full lift การยกตัวของ disc มากกว่า 1:4 ของเส้นผ่านศูนย์กลาง orifice พื้นที่ระบายคิดจาก orifice
- high lift การยกตัวของ disc มากกว่า 1: 12 ของเส้นผ่านศูนย์กลาง orifice พื้นที่ระบายคิดจากระยะยก
- low lift การยกตัวของ disc มากกว่า 1: 24 ของเส้นผ่านศูนย์กลาง orifice พื้นที่ระบายคิดจากระยะยก
การทำงานของเซฟตี้วาล์ว
จังหวะเปิด
เมื่อแรงดันสถิตภายในวาล์วเพิ่มขึ้นจนถึงแรงดันที่กำหนด(set pressure) disc จะเริ่มยกออกจาก seat โดย disc จะไปกดสปริงให้สั้นลงซึ่งทำให้แรงดันสปริงเพิ่มขึ้น ดังนั้นขณะที่วาล์วกำลังเปิดจนกระทั้ง disc ยกจนถึงระยะสูงสุดหรืออัตราการไหลสูงสุด แรงดันภายในวาล์วจะค่อย ๆ เพิ่มขึ้นด้วย (over pressure) ซึ่งสำหรับอากาศหรือไอน้ำแรงดันจะเกินประมาณ 3 ถึง 10 % และสำหรับของเหลว ประมาณ 10 ถึง 25 %
เซฟตี้วาล์วที่ดีจะต้องเปิดสุดโดยอาศัยแรงดันส่วนเกินให้น้อย ดังนั้นในการออกแบบ disc ให้สามารถเปิดได้เร็วขึ้นจะต้องขยายปีกรอบ ๆ ให้ใหญ่ขึ้น เมื่อของไหลปะทะกับพื้นที่มากขึ้นจะทำให้เกิดแรงยกที่เพิ่มขึ้น แรงยกที่เพิ่มขึ้นจะทำให้หน้าวาล์วเปิดสุดได้อย่างรวดเร็ว
จังหวะปิด
เนื่องจากพื้นที่ของ disc ที่เพิ่มขึ้นส่งผลให้แรงดันให้ disc ยกตัวมากขึ้นดังนั้นในขณะที่วาล์วกำลังจะปิดแรงดันจะไม่เท่ากับแรงดันที่กำหนด (set pressure) ช่วงระหว่างแรงดันที่กำหนดถึงแรงดันขณะวาล์วปิด(reseating pressure) เราเรียกว่าระยะ blowdown ซึ่งระยะดังกล่าวต้องไม่น้อยเกินเพราะจะทำให้วาล์วเปิดอีกครั้งอย่างรวดเร็ว สำหรับระยะ blowdown ของอากาศหรือไอน้ำไม่เกิน 10 % แต่สำหรับของเหลวจะได้มากถึง 20%
สำหรับเซฟตี้วาล์วมาตรฐาน ASME การปรับแหวนด้านบนและล่างจะสามารถควบคุมระยะ Over pressure และ ระยะ blowdown ได้ ในการปรับต้องอาศัยความชำนาญ โดยทั่วไประยะดังกล่าวจะปรับมาจากโรงงานผู้ผลิต แหวนด้านบนเป็นการปรับเพื่อควบคุมทิศทางของของไหลที่ออกมา โดยถ้าเลื่อนลงจะทำให้ของไหลพุ่งออกด้านล่างทำให้เกิดแรงช่วยยกหน้าวาล์วเพิ่มขึ้น ระยะ Over pressure จะลดลง ส่วนแหวนด้านล่างเป็นการปรับระยะ Blowdown โดยถ้าปรับให้สูงขึ้นทำให้พื้นที่ระบายแรงดันใต้ disc ลดลงส่งผลให้แรงดันภายในช่องว่างเพิ่มขึ้นอย่างเร็วทำให้ระยะ Over pressure ลดลงแต่ระยะ Blowdown จะมากขึ้น กลับกันถ้าปรับแหวนด้านล่างลงพื้นระบายมากขึ้นจะทำให้ระยะ Over pressure มากขึ้นแต่ระยะ Blowdown ลดลง
มาตรฐานสำหรับเซฟตี้วาล์ว
มาตรฐาน ASME (American Society of Mechanical Engineers)
ASME Section I (National Board 'V' stamp)
ใช้สำหรับ Steam Boiler ที่มีแรงดันมากกว่า 15 psig และ Water Boiler ที่แรงดันใช้งานมากกว่า 160 psig หรืออุณหภูมิสูงกว่า 250 ๐Fแรงดันภายใน Boiler ต้องไม่มากกว่า 6% ของ MAWP การตั้งค่าบนเซฟตี้วาล์วกรณีมีวาล์วตัวเดียวต้องตั้งค่าไม่มากกว่า MAWP สำหรับ Boiler ที่มีวาล์วสองตัว วาล์วตัวที่สองจะตั้งสูงกว่า MAWP ได้ไม่เกิน 3 % กรณีที่มีวาล์วมากกว่าสองตัววาล์วตัวสุดท้ายสามารถตั้งได้ไม่เกิน 10% ของ MAWP ในกรณีเป็น Water Boiler สามารถตั้งเกินกว่า 10% ได้
ASME Section IV (National Board 'HV' stamp)
ใช้สำหรับ Steam Boiler ที่มีแรงดันน้อยกว่า 15 psig และ Water Boiler ที่แรงดันใช้งานไม่เกิน 160 psig หรืออุณหภูมิต่ำกว่า 250 ๐F และถังแรงดันหรืออุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน
- Steam Boiler เซฟตี้วาล์วแรงดันที่ตั้งต้องไม่เกิน 5 psig ของ MAWP
- Water Boiler เซฟตี้วาล์วแรงดันที่ตั้งต้องไม่เกิน MAWP ในกรณีมีวาล์วหลายตัวแรงดันวาล์วตัวสุดท้ายต้องไม่เกิน 10% ของ MAWP
- Tank / Heat Exchanger เซฟตี้วาล์วแรงดันที่ตั้งต้องไม่เกิน MAWP และแรงดันภายในอุปกรณ์สะสมได้ไม่เกิน 10% ของ MAWP
ASME Section VIII (National Board 'UV' stamp)
ใช้สำหรับถังแรงดันหรือถังพักที่มีขนาดใหญ่กว่า 6 นิ้ว แรงดันภายในมากกว่า 15 psig วาล์วต้องสามารถกันแรงดันภายในเกิน 10% หรือ 3 Psig ของ MAWP
ตำแหน่งการติดตั้ง
การติดตั้งเซฟตี้วาล์วจะติดหลังอุปกรณ์ลดแรงดัน PRV ดังภาพ
- เมื่อปิดวาล์วตัวหลังสุดจะสามารถตรวจสอบ ค่า Over pressure และ ค่า Blowdown ได้
- เมื่อปิดวาล์วตัวหลังสุดและตั้งค่าแรงดันที่ PRV (แบบ no-load) ให้สังเกตที่ทางออกของเซฟตี้วาล์วว่ามีการรั่วของไอน้ำหรือไม่ถ้ามีให้ทำการปรับแรงดันให้ลดลงเพื่อให้เซฟตี้วาล์วปิดสนิทพอดี
- กรณีที่ค่า MAWP ของอุปกรณ์ใช้งานต่ำกว่าแรงดันด้านเข้า PRV ให้ติดเซฟตี้วาล์วสองตัวโดยอาจติดหลัง PRV และที่อุปกรณ์ใช้งานอย่างละตัวก็ได้
การตั้งแรงดันใช้งานของเซฟตี้วาล์ว
1. การตั้งแรงดันจะต้องมั่นใจว่า Over Pressure จะไม่เกินกว่าแรงดันสูงสุดที่อุปกรณ์รับได้(maximum allowable accumulation pressure : MAAP)
2. การตั้งแรงดันจะต้องมั่นใจว่า Blowdown จะไม่น้อยกว่าแรงดันใช้งาน(normal working pressure : NWP)
3. การตั้งแรงดันจะต้องมั่นใจว่าไม่เกินกว่าค่าแรงดันสูงสุดที่ระบบรับได้ (maximum allowable working pressure : MAWP) กรณีที่มีอุปกรณ์ใช้งานหลายตัวให้พิจารณาจากค่า MAWP ที่น้อยที่สุด
การเซ็ทค่าแรงดันที่ต่ำที่สุดโดยให้แรงดันที่จุดหน้าวาล์วปิดสนิท(reseat pressure) มากกว่าแรงดันใช้งานปกติ(NWP) ที่ประมาณ 0.1 bar ซึ่งเราเรียกช่วงนี้ว่า Shut-off Margin โดยตำแหน่งการติดตั้งเซฟตี้วาล์วจะติดไว้หลัง อุปกรณ์ลดแรงดัน หรือ อุปกรณ์ควบคุม เนื่องจากในการควบคุมแรงดันแบบ PID Control นั้นในช่วงเริ่มเปิดอาจเกิดช่วงที่แรงดันเกินกว่าที่กำหนด (Peak)
การพิจารณาวาล์วควบคุมจะแยกเป็นสองแบบได้แก่วาล์วที่ทำงานได้เอง (self acting) และ วาล์วที่มีระบบควบคุม โดยแรงดันที่เกินจากที่แรงดันต้องการ (NWP) จะเกิดจากการตั้งแรงดันที่วาล์วแบบทำงานได้เองที่การทำงานเต็มพิกัด(full load) หรือ การตั้งวาล์วที่มีระบบควบคุมขณะที่ไม่ได้ทำงาน (no load)
ตัวอย่าง
ถ้าวาล์วควบคุมแบบทำงานได้เอง (self acting) ด้วย Pilot Operated โดยช่วงควบคุมมีแรงดันสูงสุด (maximum proportional band)ที่ 0.2 bar ถ้าตั้งแรงดันที่ 5 bar โดยตั้งค่าขณะทำงานเต็มพิกัด (full load) ดังนั้นเมื่อแรงดันในระบบลดลง(no load) แรงดันจะเพิ่มเป็น 5.2 bar กลับกันถ้าตั้งแรงดันขณะที่เครื่องใช้งาน(no load) เมื่อเครื่องทำงานที่เต็มพิกัด (full load) แรงดันในระบบจะเหลือเพียง 4.8 bar
ดังนั้นถ้าระบบตั้งแรงดันที่ PRV ขณะทำงานเต็มพิกัดจะต้องตั้งแรงดันที่เซฟตี้วาล์วเท่าใด กำหนดให้ระยะ Blowdown เท่ากับ 10%
เมื่อ PRV ทำงานขณะไม่มีโหลดแรงดันจะเท่ากับ 5.2 bar ดังนั้นในการตั้งแรงดันเซฟตี้วาล์วค่า Blowdown จะเพิ่มอีก 0.1 bar (Shut-off Margin) หรือเท่ากับ 5.3 bar
ดังนั้นค่าแรงดันที่ตั้ง (set pressure) จะเท่ากับ 5.3 x 100/(100-10) = 5.9 bar
อิทธิพลของแรงดันย้อนกลับ (Black Pressure)
เมื่อมีแรงดันย้อนกลับที่ทางออกของเซฟตี้วาล์วจะทำให้แรงดันขณะที่วาล์วเปิด(set pressure) เพิ่มมากขึ้น
แรงดันวาล์วเปิดขณะมีแรงดันย้อนกลับ = แรงดันวาล์วเปิด + แรงดันย้อนกลับ
จากรูปด้านบนจงหาว่า Automatic pump trap จะสามารถดันน้ำได้สูงกี่เมตร
เนื่องจากในระบบค่า MAWP ต่ำสุดอยู่ที่ Vessel ดังนั้นเซฟตี้วาล์วจะต้องตั้งเท่ากันที่ 2 bar ถ้าระยะ blowdown เท่ากับ 10% จะต้องตั้งแรงดันใช้งานที่ PRV เท่ากับ
PRV = Set pressure 2 bar – blowdown 0.2 bar - shut-off margin 0.1 bar = 1.7 bar
ดังนั้นแรงดันที่ป้อนให้กับปั๊มเท่ากับ 1.7 bar หรือสามารถดันน้ำได้เท่ากับ 17 เมตร
การหาขนาดเซฟตี้วาล์ว
ในการหาขนาดเซฟตี้วาล์วจะคิดในกรณีที่อุปกรณ์ลดแรงดันเสียหายและอุปกรณ์ไม่ได้ใช้งาน เมื่อหน้าวาล์วเปิดสุดแรงดันหลัง PRV จะเพิ่มขึ้นดังนั้นเซฟตี้วาล์วจะต้องสามารถระบายแรงดันส่วนเกินออกจากระบบให้ได้ การหาปริมาณของไหลส่วนเกินที่ไหลผ่าน PRV สามารถคำนวณได้จากสูตรดังนี้
P1 = Upstream absolute pressure (bar)
P1 = Downstream absolute pressure (bar)
Dp = Pressure drop (P1-P2) (bar)
Q1 = Flow rate (m3/h)
Q2 = Flow rate (kg/h)
Q3 = Flow rate at 0 ๐C (m3/h)
d1 = Specific weight of liquid (kg/m3)
d2 = Specific weight of gas (kg/m3)
T = Absolute temperature (T=273+ t ๐C) (๐K)
ตัวอย่าง
จากภาพตัวอย่างด้านบนจงหาขนาดเซฟตี้วาล์วกำหนดให้ Over pressure อยู่ที่ 5% ที่ PRV ค่า Kv เท่ากับ 5.7
เพราะฉะนั้นแรงดันส่วนเกิน Over pressure เท่ากับ 2 x 1.05 = 2.1 bar
หาปริมาณอัตราการไหลของไอน้ำผ่าน PRV ดูว่าเป็น critical หรือไม่ แรงดัน P2 เท่ากับ 2.1 + 1 = 3 bar แรงดัน P1 เท่ากับ 7 + 1 = 8 bar เป็น critical P2 น้อยกว่า P1/2 ดังนั้น อัตราการไหลเท่ากับ
Q2 = Kv x 11.2 x P1 = 5.7 x 11.2 x 8 = 510.72 kg/h
ดังนั้นจะต้องเลือกเซฟตี้วาล์วที่ให้อัตราการไหล 510.72 kg/h ที่แรงดันเท่ากับ 2.1 bar จากตารางผู้ผลิตด้านล่างสามารถเลือกวาล์วขนาด Orifice Area เท่ากับ 3.499 cm2
