เตาเผาและเครื่องทำความร้อนเป็นอุปกรณ์ใช้สำหรับกำเนิดพลังงานความร้อนก่อนที่จะถูกโอนถ่ายไปยังกระแสการไหลของกระบวนการหรือการป้อนเข้าเตาเผาในลักษณะที่มีการควบคุมอย่างเหมาะสม
การควบคุมเตาเผาหรือเครื่องทำความร้อน (ตอนที่ 1)
(Furnace or Heater Controls)
ทวิช ชูเมือง
เตาเผาและเครื่องทำความร้อนเป็นอุปกรณ์ใช้สำหรับกำเนิดพลังงานความร้อนก่อนที่จะถูกโอนถ่ายไปยังกระแสการไหลของกระบวนการหรือการป้อนเข้าเตาเผาในลักษณะที่มีการควบคุมอย่างเหมาะสม เตาเผา (Furnace) หรือเครื่องทำความร้อน (Heater) ทั่วไป (ซึ่งทั้งสองคำนี้จะมีการใช้งานที่สลับกันไปมา) จะใช้รูปแบบของโครงโลหะที่ปกคลุมเรียงรายไปด้วยฉนวนทนความร้อน (Refractory) พร้อมกับมีท่อขด (Coils) อยู่ภายในโครงโลหะ เพื่อใช้เป็นทางผ่านของไหลเพื่อรับพลังงานความร้อนก่อนจะไหลไปยังด้านทางออกของเตาเผา
โดยสถานะของไหลที่สามารถป้อนเข้าไปยังด้านทางเข้าเตาเผาสามารถเป็นได้ทั้ง 3 สถานะดังนี้
* ของเหลว (Liquid)
* ก๊าซ (Gas)
* ผสมสองเฟส (Two-phase Mixture)
ซึ่งในบางการใช้งานสถานะของไหลอาจไม่ถูกเปลี่ยนเป็นสถานะที่แตกต่างกันจากพลังงานความร้อนที่จ่ายให้ ในเตาเผาประเภทนี้ของไหลสามารถไหลผ่านการเผาหรือเครื่องทำความร้อนอย่างต่อเนื่องผ่านท่อขดโลหะหรือสามารถให้ความร้อนเป็นช่วง ๆ (Batch-heated) โดยให้หยุดนิ่งหลังจากเข้าไปในเตาแล้ว นอกจากนั้นแล้วอากาศร้อนที่ปล่อยออกจากปล่องควันของเตาเผาสามารถนำเอาความร้อนไปใช้ให้ความร้อนเบื้องต้นกับของไหลก่อนเข้าเตาเผาหรืออาจนำไปใช้ทำให้น้ำร้อนก่อนเข้าเครื่องทำความร้อนและเป็นเครื่องกำเนิดไอน้ำได้ ลักษณะส่วนประกอบของเตาเผาแสดงได้ดังรูปที่ 1
รูปที่ 1 ส่วนประกอบของเตาเผา
กระบวนการควบคุมสำหรับเตาเผาประเภททั่วไปจะต้องอธิบายจากสิ่งต่าง ๆ ดังนี้
* ทัศนคติของกระบวนการผลิต (Process Standpoint)
* พิจารณาตัวแปรกระบวนการที่สำคัญ (Importance Process Variable)
* อธิบายวิธีการที่ใช้ในการวัดและควบคุมตัวแปรเหล่านี้ (Measurement and Control Methods)
* แสดงรายละเอียดการควบคุมการจ่ายเชื้อเพลิงประเภทต่าง ๆ ที่ถูกนำมาเพื่อใช้กับเตาเผา (Type of Firing Controls)
* สุดท้ายพิจารณาด้านความปลอดภัยและเครื่องมือวัดที่จะนำมาใช้ (Safety Consideration and Instrumentation)
รายละเอียดในบทความต่อไปนี้จะแสดงรายละเอียดการควบคุมและฟังก์ชันนิรภัย (Safety Function) ของเตาเผาในกระบวนการผลิต (Process Furnaces) จะอธิบายกลไกและกระบวนการหลักในรายละเอียดบางส่วน เพื่อให้เพียงพอที่จะแนะนำกลยุทธ์การควบคุมที่สามารถเข้าใจได้ง่าย กลยุทธ์การควบคุมควรจะแบ่งออกเป็นประเภทดังต่อไปนี้
* การควบคุมกระบวนการ
* ควบคุมการจ่ายเชื้อเพลิง
* การควบคุมด้านความปลอดภัย
ในส่วนแรกจะแสดงข้อมูลทั่วไปเกี่ยวกับการจัดทำเตาเผาและกระบวนการเผาไหม้ ซึ่งมีความต้องการอุปกรณ์ตรวจจับหรือเครื่องมือวัดทางอุตสาหกรรมและเครื่องมือวิเคราะห์ (Analyser) และความต้องการขั้นพื้นฐานของการควบคุม รวมทั้งควบคุมการอุ่นอากาศ (Air Preheat Controls)
ในส่วนที่สองจะเป็นส่วนหนึ่งของระบบการควบคุมเฉพาะ จะถูกอธิบายการทำงานของเตาเผาในโรงกลั่นน้ำมัน
ส่วนสุดท้ายของบทความนี้จะกล่าวถึงกลยุทธ์บางส่วนของการควบคุมขั้นสูง (Advance Control) ที่สามารถนำไปใช้ควบคุมและการเพิ่มประสิทธิภาพของเตาเผา
จะเห็นได้ว่ากลยุทธ์การควบคุมอุณหภูมิของเตาเผาจะรวมไปถึงฟังก์ชันควบคุมการไหลและอุณหภูมิในแบบ Cascade หรือ Feedback เพื่อนำค่าอุณหภูมิด้านทางออกของเตาเผาไปปรับการไหลของน้ำมันเชื้อเพลิงที่จ่ายให้กับเตาเผา การควบคุมการจ่ายเชื้อเพลิงอาจใช้ฟังก์ชันควบคุมแบบ Feedforward บนพื้นฐานของอัตราการไหลที่เข้าไปยังเตาเผาเพื่อเพิ่มความเร็วในการตอบสนองของระบบควบคุมการเปลี่ยนแปลงในอัตราการไหล
เตาเผาที่ใช้เวลาตอบสนองช้า (Long Dead Times) หรือมีการเชื่อมโยงระหว่างฟังก์ชันการควบคุมซับซ้อนสูง มักจะทำให้การควบคุมไม่มีเสถียรภาพ (Unstable) อาจมีความจำเป็นจะต้องใช้การวิเคราะห์ทางคณิตศาสตร์และการจำลองกระบวนการเพื่อแก้ไขปัญหาเหล่านี้ แผนการคร่าว ๆ ของระบบควบคุมได้ถูกพัฒนาขึ้นจากประสบการณ์หรือจากการทดลองและที่สุดเป็นความพยายามและให้มีความเชื่อถือในการออกแบบ ในกลยุทธ์การควบคุมขั้นสูง (Advance Control) ที่อธิบายไว้ในส่วนสุดท้าย
ข้อพิจารณาทั่วไป (General Considerations)
หน้าที่หลักของระบบการควบคุมเตาเผาจะเป็นดังนี้
1. เพื่อให้มั่นใจว่าของไหลได้รับค่าพลังงานความร้อนในอัตราที่เหมาะสมในเตาเผา การควบคุมตัวแปรหลักคืออุณหภูมิของไหลด้านทางออก
2. เพื่อรักษาประสิทธิภาพการเผาไหม้ของน้ำมันเชื้อเพลิง การเผาไหม้ที่เหมาะสมของน้ำมันเชื้อเพลิงที่ต้องใช้การปรับอัตราส่วนของอากาศกับน้ำมันและการควบคุมอัตราการไหลของไอน้ำ Atomizing เมื่อน้ำมันเชื้อเพลิงถูกเผาไหม้ การควบคุมตัวแปรอื่น ๆ ที่สำคัญคือกระแสอากาศ (Draft) และการปล่อย (Emission) NOx และมลพิษอื่น ๆ ที่ปล่องควัน
3. เพื่อรักษาความปลอดภัยในระหว่างขั้นตอนของการเผาไหม้ เพื่อป้องกันการระเบิดหรือไฟไหม้
1. มาตรฐานการใช้งานเพื่อการควบคุมเตาเผา (Standards Applicable to Furnace Controls)
มาตรฐาน ANSI, API, CFR, IEC, ISA, NFPA และมาตรฐาน OSHA จะเป็นมาตรฐานที่ถูกใช้ในการวางระเบียบการควบคุมเตาเผา ซึ่งจะถูกแสดงอยู่ในรายการตอนท้าย
ในการใช้งานเตาเผานั้น การพิจารณาด้านความปลอดภัยเป็นสิ่งที่สำคัญมาก ในกรณีของเตาเผาสำหรับอุตสาหกรรมการกลั่นน้ำมันมีแหล่งกำเนิดที่มีศักยภาพที่สามารถก่อให้เกิดเหตุการณ์อันตรายเป็นดังนี้
1) การเกิดไฟไหม้หรือการระเบิดเกิดขึ้นจากท่อขดในเตาเผาแตก ซึ่งการแตกของท่อดังกล่าวนั้นสามารถเกิดขึ้นเนื่องจากท่อขดในเตาเผาได้รับความร้อนเนื่องจากการสูญเสียการไหลที่เข้าไปยังเตาเผาหรือเนื่องจากการปะทะเปลวไฟโดยตรง
2) การระเบิดในห้องเผาไหม้ (Fire Box) ที่เกิดจากการสูญเสียของเปลวไฟหรือการจากการจุดหัวเผาหรือขั้นตอนการไล่อากาศ (Purge Procedures) ที่ไม่เหมาะสม
3) การระเบิดอยู่ภายในของเตาเผา (Implosion) หรือความเสียหายของฉนวนทนความร้อน ที่เกิดจากกระแสอากาศสูง (High Draft)
การออกแบบเตาเผาและการใช้งานต้องเป็นไปตามมาตรการ OSHA ของกฎระเบียบ: 40CFR1910.119 "การจัดการ กระบวนด้านความปลอดภัย" มาตรฐาน ANSI/ISA-84.01-1996 "การประยุกต์ใช้ความปลอดภัยของระบบวัดคุมนิรภัยหรือ SIS (Safety Instrumented System) สำหรับอุตสาหกรรมการผลิต” จะต้องถูกดำเนินการ โดยทั่วไปในการควบคุมลำดับการหยุดทำงานของระบบจ่ายเชื้อเพลิงจะใช้ระบบ PLC (Programmable Logic Controller) อิสระ
ความต้องการในระดับความน่าเชื่อถือได้ จะต้องพิจารณาจากการวิเคราะห์ความต้องการระดับความสมบูรณ์ด้านความปลอดภัยหรือ SIL (Safety Integrity Level) ซึ่งได้อธิบายรายละเอียดบางส่วนในมาตรฐาน ISA TR84.02-2002 ระดับ SIL มีการกำหนดโดยใช้การวิเคราะห์ความอันตรายของกระบวนการ (Process Hazard Analysis) ซึ่งกำหนดว่าจะออกแบบระบบ PLC เป็นแบบใด
สำหรับมาตรฐานระหว่างประเทศที่สามารถนำมาใช้ในการการตัดสินใจในการออกแบบนี้จะเป็น IEC 61508/61511 "ความปลอดภัยที่เกี่ยวข้องกับระบบที่เกี่ยวข้องกับ ฟังก์ชันความปลอดภัย" นอกจากนี้มาตรการในภูมิภาคและข้อปฏิบัติในอุตสาหกรรม โดยปกติจะกำหนดโดยบริษัทประกันภัยของโรงงานอุตสาหกรรม ที่ควรปรึกษาก่อนที่จะควบคุมการออกแบบและติดตั้ง
2. กระบวนการเผาไหม้ (The Combustion Process)
การไหม้ที่สมบูรณ์ในส่วนที่ติดไฟได้ของน้ำมันเชื้อเพลิงส่วนใดก็ตามกับปริมาณออกซิเจนซึ่งอยู่ในอุดมคติ ดังนั้นปริมาณอากาศทางอุดมคติจึงเป็นที่ต้องการ ภายใต้เงื่อนไขจริง การไร้ประสิทธิภาพในการเผาไหม้ต้องการให้มีอากาศเพิ่มเติมเพื่อให้แน่ใจว่ามีการเผาไหม้สมบูรณ์ จำนวนปริมาณมากกว่าและเหนือปริมาณของอากาศทางอุดมคติ (Stoichiometric) เรียกว่า "อากาศเกิน" (Excess Air)
บนพื้นฐานปริมาตรอากาศประกอบด้วยออกซิเจน 0.21 และไนโตรเจน 0.79 (สำหรับบนพื้นฐานของมวลประกอบด้วย ออกซิเจน 0.232 และไนโตรเจน 0.768) สำหรับตัวอย่างเช่นในการเผาไหม้ของก๊าซมีเทน (CH4) จำนวนอุดมคติของอากาศที่จำเป็นต่อปอนด์เป็น 4/0.232 เท่ากับ 17.24 ปอนด์ และในหน่วยปริมาตร, ปริมาณอากาศที่จำเป็นต่อลูกบาศก์ฟุตของก๊าซมีเทนเป็น 2/021 เท่ากับ 9.52 ลูกบาศก์ฟุต
3. ประสิทธิภาพการเผาไหม้และอากาศส่วนเกิน (Combustion Efficiency and Excess Air)
โดยใช้การอ่านค่าการวิเคราะห์องค์ประกอบก๊าซที่ปล่องควันสำหรับคาร์บอนมอนอกไซด์หรือ CO (Carbon Monoxide) ปริมาณอากาศที่จ่ายให้กับเตาเผาสามารถปรับเปลี่ยนไปเพื่อรักษาประสิทธิภาพการเผาไหม้ที่ดีที่สุด
เปอร์เซ็นต์ที่ดีที่สุดของออกซิเจนส่วนเกินเป็นเปอร์เซ็นต์บางส่วนที่มากกว่าบางสิ่งที่ต้องการทางทฤษฎีสำหรับการเผาไหม้ที่สมบูรณ์ ส่วนเปอร์เซ็นต์ที่สำรองไว้ (Margin) นี้มักจะอยู่ระหว่าง 2% และ 4% สำหรับเตาเผาเกือบทั้งหมด สำหรับระบบตรวจสอบมลพิษอย่างต่อเนื่อง (CEMS) เพื่อจุดประสงค์ในการวัดความเข้มข้นของสารมลพิษจะคำนวณอ้างอิงกับพื้นฐานของออกซิเจน 3% บนพื้นฐานอากาศแห้ง
ปริมาณคาร์บอนมอนอกไซด์ทั้งหมดในปล่องปล่อยควันสามารถวัดเพื่อหาจุดกำหนดที่เหมาะสมสำหรับการควบคุมออกซิเจนส่วนเกิน การแสดงค่าระดับคาร์บอนมอนอกไซด์ที่สูงขึ้นเป็นตัวระบุว่าน้ำมันเชื้อเพลิงบางส่วนไม่ได้ถูกเผาไหม้ ซึ่งส่งผลกระทบต่อความร้อนที่ไม่ได้ใช้ประโยชน์ (Waste Heat) และมีความเสี่ยงอันตรายจากการระเบิดที่อาจเกิดขึ้นในระดับคาร์บอนมอนอกไซด์สูง ในการติดตั้งบางครั้งแทนการตรวจสอบคาร์บอนมอนอกไซด์อย่างต่อเนื่องจะเป็นการวัดเพียงครั้งเดียวทำเพื่อสร้างจุดข้าม (Crossover) ระหว่างการมีออกซิเจนมากเกินไปและส่วนที่เกิน เชื้อเพลิงที่ไม่ถูกเผาไหม้
ประสิทธิภาพการเผาไหม้จะถูกกำหนดในแง่ของความร้อนด้านเข้าและด้านออก ในกรณีของเตาเผา ความสมดุลพลังงาน รอบเครื่องต้องถูกคำนวณสำหรับความร้อนด้านเข้ารวมและความร้อนด้านออกที่มีประโยชน์ทั้งหมด ความแตกต่างคือการสูญเสียความร้อนรวม แสดงเป็นสมการได้ดังนี้
HI = HO + HL .................. (1)
เมื่อ HI อัตราความร้อนด้านเข้า
HO อัตราความร้อนด้านออก
HL อัตราความร้อนสูญเสีย
ประสิทธิภาพเตาเผาสามารถหาได้จากสามวิธีการดังนี้
วิธีการด้านเข้า/ด้านออก
EFF = 100 x (HO/ HI)................... (2)
วิธีการด้านเข้า/การสูญเสีย
EFF = 100 x (1-HL/ HI) …….…… (3)
วิธีการด้านออก/การสูญเสีย
EFF = 100 x [1/(1+HL/ HI)] …….. (4)
สมการดังกล่าวข้างต้นถูกแสดงในรูปของสิ่งต่าง ๆ ดังนี้
Q ความร้อนที่ดูดซับโดยของไหล (Heat Absorbed by Fluid)
W อัตราความร้อน (Fuel Rate)
I ค่าความร้อนของเชื้อเพลิง (Heating Value of Fuel)
L ความร้อนสูญเสียรวม (Total Heat Loss)
จากสมการข้างต้นสามารถเขียนใหม่ได้เป็นดังนี้
EFF = Q/(W x I) x 100 ………..… (5)
EFF = 1-L/I x 100 ……………….. (6)
EFF = Q/(Q+W x L) x 100 ……... (7)
ถึงแม้ว่าในทางทฤษฎีสมการใด ๆ เหล่านี้จะให้ผลลัพธ์เดียวกัน ประสบการณ์แสดงให้เห็นว่าวิธีความสูญเสียด้านเข้า [สมการ (3) และ (6)] ทำให้เกิดผลลัพธ์ที่น่าเชื่อถือที่สุดเพราะวิธีการอื่น ๆ มีความไวต่อความผิดพลาดในขั้นตอนการวัดตัวแปรกระบวนการ
เตาเผาทั้งหลายจะเผาไหม้ก๊าซเป็นเชื้อเพลิงหลักเท่านั้นและใช้น้ำมันเป็นเชื้อเพลิงสำรองพร้อมใช้ (Stand by) การปล่อยออกควันออกมาจากปล่องควันจะเป็นที่ยอมรับสำหรับ NOx เป็นเรื่องง่ายหากมีการเผาไหม้เชื้อเพลิงที่เป็นก๊าซเพียงอย่างเดียว แต่ระบบการควบคุมการบางส่วนอธิบายในส่วนนี้เหมาะสำหรับจ่ายเชื้อเพลิงรวมกัน (เช่นจ่ายก๊าซและน้ำมันพร้อมกัน)
4. การอุ่นอากาศสำหรับการเผาไหม้ (Combustion Air Preheat)
เกี่ยวกับประสิทธิภาพของเตาเผาโดยรวมจะเป็นอัตราส่วนของปริมาณความร้อนที่ถูกรับไปโดยกระบวนการผลิตกับปริมาณความร้อนที่ปลดปล่อยจากน้ำมันเชื้อเพลิง หนึ่งในการสูญเสียความร้อนในเตาเผาที่สำคัญคือความร้อนสูญเสียขึ้นในรูปของก๊าซร้อนที่ปล่องควัน ดังนั้นจึงได้รับความสนใจมากเพื่อรองรับการลดอุณหภูมิก๊าซร้อนในส่วนนี้ให้มากที่สุดเท่าที่จะปฏิบัติได้จริง (โดยประมาณที่ 300 องศาฟาเรนไฮต์ หรือ 150 องศาเซลเซียส)
วิธีการทั่วไปในการลดความร้อนที่สูญเสียไปนี้จะทำการเพิ่มเครื่องอุ่นอากาศสำหรับการเผาไหม้ (Preheater) ที่เตาเผา อุปกรณ์นี้มีการแลกเปลี่ยนความร้อนที่ถ่ายโอนของความร้อนจากก๊าซร้อนที่ปล่องควันกับอากาศเย็นก่อนที่จะเข้าเตาเผา ดังนั้นพลังงานความร้อนใหม่เข้าสู่เตาและสามารถถ่ายโอนไปยังกระบวนการผลิตได้
นอกจากเครื่องอุ่นอากาศสำหรับการเผาไหม้แล้ว มักจะมีความจำเป็นต้องเพิ่มพัดลมบังคับกระแสอากาศ (Forced Draft Fan) เพื่อบังคับให้อากาศก่อนเข้าเตาเผาไหม้ผ่านเครื่องอุ่นอากาศนี้ (แลกเปลี่ยน) แทนการอาศัยกระแสอากาศตามธรรมชาติ เครื่องมือที่จำเป็นในการควบคุมอุปกรณ์นี้ค่อนข้างง่าย รูปที่ 2 แสดงการเผาอากาศโดยทั่วไปของระบบการให้ความร้อนเบื้องต้น
รูปที่ 2 การอุ่นอากาศสำหรับการเผาไหม้
ในระบบควบคุมนี้พัดลมบังคับกระแสอากาศถูกขับเคลื่อนด้วยกังหันไอน้ำ, ประกอบไปด้วยอุปกรณ์ที่มีตัวควบคุมความเร็ว ตัวควบคุมความดัน (PIC-1) จะรักษาความดันด้านปล่อยออก (และการไหลของลมตามลำดับ) โดยจัดการกับความเร็วพัดลม สัญญาณเตือนความดันต่ำ (PAL-1) รวมถึงการแจ้งเตือนผู้ปฎิบัติการจะใช้แสดงถึงความผิดปกติของพัดลมที่สามารถเป็นไปได้
การประสานงาน (Interlock) เพื่อหยุดทำงาน (FY-1) มีไว้เพื่อหยุดการทำงานของพัดลมเมื่อมีความเร็วขั้นต่ำในกรณีของความล้มเหลวเกิดขึ้นที่ตัวพัดลม เป็นความระมัดระวังที่จำเป็นเพื่อป้องกันความดันบวกในห้องเผาไหม้ร้อน ซึ่งอาจก่อให้เกิดก๊าซร้อนหรือเปลวไฟดับและการรั่วไหลอื่น ๆ ในเตาเผา
ตัวชี้วัดอุณหภูมิ TI–1, TI-2, TI-3 และ TI-4 ถูกจัดเตรียมไว้การไหลทั้งด้านการไหลเข้าและการไหลออกจากเครื่องอุ่นอากาศสำหรับการเผาไหม้ เพื่อใช้ในการตรวจสอบการทำงาน การวัดความดัน PI-1 และ PI-2 ถูกรวมเข้าไปรวมถึงการอนุญาตให้ตรวจสอบความดันตกคร่อมอุปกรณ์มากเกินไป
5. การพิจารณาความปลอดภัย (Safety Consideration)
นอกเหนือจากนี้จะกล่าวถึงในหัวข้อต่อไป ในสัดส่วนประมาณ 70% ของการระเบิดเกิดขึ้นระหว่างการเริ่มต้นหรือการหยุดทำงานที่มีส่วนร่วมดำเนินการจากผู้ปฎิบัติการเป็นสิ่งสำคัญ ขณะที่อีก 21% ของอุบัติเหตุพบว่าเกิดจากการเปลี่ยนแปลงซึ่งไม่มีเอกสารประกอบหลังการใช้งาน
6. การควบคุมก๊าซเชื้อเพลิง (Fuel Gas Controls)
รูปที่ 3 แสดงตัวอย่างท่อหลักของก๊าซเชื้อเพลิง ซึ่งสามารถแยกย่อยออกไปหลาย ๆ เตาเผา หลังจากผ่าน Knockout Pot วาล์วนิรภัยที่แสดงไว้ควรจะต่อท่อไปยังท่อระบายหลัก (Relief Header) สำหรับเตาเผาขนาดใหญ่ การควบคุมความดันโดยจะควบคุมการการปิดเปิดวาล์วอย่างต่อเนื่องแทนที่จะใช้ตัวปรับความดัน (Regulator)
รูปที่ 3 การควบคุมก๊าซเชื้อเพลิง
ฟังก์ชันหลักของระบบความปลอดภัยของเตาเผาจะปิดระบบจ่ายน้ำมันเชื้อเพลิงถ้าสภาพไม่ปลอดภัยเกิดขึ้น ในการเริ่มต้นออกแบบเตาเผาวาล์วควบคุมน้ำมันเชื้อเพลิงพร้อมกับยังใช้ทำหน้าที่วาล์วปิดเปิด (Shutoff Valve) ด้วยนั้นจะไม่อนุญาตและต้องการแยกเฉพาะวาล์วเพิ่มเติม รูปที่ 3 แสดงสถานีควบคุมก๊าซเชื้อเพลิงโดยทั่วไป พร้อมกับวาล์วปิดด้านความปลอดภัย (Shut-Off Valves) ในส่วนที่ถูกแสดงในเส้นท่อแยกจากกัน
รูปที่ 4 แสดงวาล์วปิดด้านความปลอดภัยมักใช้ในส่วนการจ่ายก๊าซในเตาเผา การติดตั้งในรูปแบบด้านบนเป็นการติดตั้งก๊าซเส้นหลักและประกอบด้วยวาล์วปิดแน่น (Tight Shut-off) สามตัว โดยปกติใช้เป็นวาล์วลูกบอลหมุน (Rotary Ball Valves) วาล์วทั้งสองจะเป็นแบบ Fail Close ในขณะที่ด้านระบาย (Vent Valve) จะเป็นวาล์วระหว่างกลางจะเป็นแบบ Fail Open
ดังนั้นเมื่อระบบทำงานจะทำให้วาล์วทั้งสองปิดในขณะที่วาล์วด้านระบายจะเปิดและปล่อยก๊าซระหว่างสองวาล์วที่เป็นแบบ Fail Close, รวมไปถึงการรั่วไหลใด ๆ ที่อาจเกิดขึ้นได้ ไปยังบริเวณตำแหน่งที่ปลอดภัย สวิตช์ตำแหน่งปิดและเปิดหรือ ZSCO (Close-Open Limit switches) ถูกจัดเตรียมให้กับวาล์วทั้งสามเพื่อยืนยันในการควบคุมการทำงานที่ต้องการให้มีการประสานงานกัน ท่อก๊าซเชื้อเพลิงนำร่อง (Pilot Gas) จะมีเพียงการปิดวาล์วตัวเดียวกับสวิตช์ตำแหน่ง
รูปที่ 4 วาล์วปิดด้านความปลอดภัย (Shut-Off Valves)
7. ระบบวัดคุมนิรภัย หรือระบบ SIS (Safety Instrumented System)
เมื่อออกแบบระบบการควบคุมเตาเผา ผู้ออกแบบควรประเมินฟังก์ชันต่าง ๆ ข้างล่างนี้เป็นที่ต้องการในระบบ SIS และกำหนดความชัดเจนในฟังก์ชันต่าง ๆ ดังต่อไปนี้
* กําหนดสถานะความปลอดภัยของเตาเผา (เช่นการปิดน้ำมันเชื้อเพิง, การเปิดพัดลมบังคับกระแสอากาศและอื่น ๆ )
* กําหนดตัวแปรกระบวนการ ในการทำงานของช่วงปกติและขีดจำกัด
* กําหนดการแสดงผลเอาต์พุตกระบวนการ (เงื่อนไข) และการกระทำที่จำเป็นเพื่อตอบสนองเอาต์พุตเหล่านั้น
* การพิจารณาคู่มือในการหยุดทำงาน
* ฟังก์ชัน Reset
* การกระทำเมื่อมีการสูญเสียพลังงานไฟฟ้า, ความต้องการของแหล่งจ่ายไฟฟ้าสำรองหรือ UPS
* ความต้องการเวลาตอบสนองสำหรับระบบ SIS เพื่อนำกระบวนการสู่สภาวะปลอดภัย
* หลักเกณฑ์การเชื่อมต่อกับผู้ปฎิบัติการรวมทั้งสัญญาณเตือนและการตอบสนอง
* การวินิจฉัย, การทดสอบ On-line และ Off-line
* ลดการหยุดทำงานที่ไม่เป็นจริง (Nuisance Trip) ในขณะที่คงรักษาความเชื่อถือด้านความปลอดภัย
องค์ประกอบสุดท้ายในการควบคุมใด ๆ จะเป็นระบบ SIS มีระบบวาล์วและ Dampers ความต้องการควรจะกำหนดโดยให้พิจารณาต่อไปนี้
* ความเร็วการปิดเปิด
* การรั่วไหล
* ความต้านทานเปลวไฟ ทั้งตัววาล์วและหัวขับ (Actuator)
* ตำแหน่งวาล์วเมื่อเกิดความล้มเหลว
* สมรรถนะวาล์วหลังจากก้านวาล์วอยู่ในตำแหน่งเดียวกันเป็นเวลานาน
* การใช้งานแยกกันระหว่างการปิดและวาล์วควบคุม
* การเลือกและการคำนวณขนาดของวาล์วและการป้องกันจากการอุดตันต่าง ๆ
* การติดตั้งโซลินอยด์วาล์ว (Solenoids) ระหว่าง Valve Positioner และหัวขับวาล์ว
* จัดเตรียมให้ทุกวาล์วมีสวิตช์ตำแหน่งเปิดปิด ซึ่งมีสายไฟต่อเข้ากับระบบ SIS
ความน่าเชื่อถือของระบบ SIS สามารถทำให้เพิ่มขึ้นโดยการดำเนินการให้มีระบบสำรองพร้อมใช้งาน (Redundant) สองชุดหรือสามชุด พร้อมระบบลงมติ (Voting) รวมไปถึงระบบประมวลผลและอุปกรณ์แหล่งจ่ายไฟฟ้าที่เกี่ยวข้อง การวัดตัวแปรที่สำคัญและสถานะสัญญาณยังมีการกำหนดค่าในลักษณะการลงมติ สองในสาม (2 out off 3 Voting) ระบบการลงมติเพื่อหลีกเลี่ยงการหยุดทำงานที่เกิดจากความล้มเหลวของอุปกรณ์เดียว สัญญาณเอาต์พุตหยุดทำงานควรจะมีสองสัญญาณสำรองพร้อมใช้งานและสัญญาณเหล่านี้ควรจะกำหนดในตำเหน่งการ์ดในระบบ DCS หรือ PLC ที่แตกต่างกัน
ระบบความปลอดภัยและระบบ SIS โดยปกติจะอยู่ในระบบที่จะแยกจากอุปกรณ์ควบคุมที่ควบคุมการทำงานตามปกติของเตาเผา ระบบความปลอดภัยดังกล่าวมักจะมีอุปกรณ์ตรวจจับเปลวไฟ (Flame Scanner) เป็นสิ่งสำคัญที่ทำให้อากาศไหลผ่านห้องเผาไหม้ในระหว่างการปิดระบบ ในกรณีที่ท่อแตก อาจทำให้เกิดควันจำนวนมากแต่จะช่วยป้องกันระบบจากการระเบิดที่เกิดจากการผสมน้ำมัน ระบบการหยุดทำงาน (Shutdowns) มักจะถูกกระตุ้นโดยเงื่อนไขต่อไปนี้
* ความดันก๊าซเชื้อเพลิงต่ำ อาจทำให้เปลวไฟดับและเริ่มต้นการไหลของก๊าซเชื้อเพลิงใหม่อาจทำให้เกิดการระเบิด
* ความดันก๊าซเชื้อเพลิงสูงสุดอาจระเบิดเปลวไฟออกจากหัวเผา
* การสูญเสียของเปลวไฟซึ่งสามารถตรวจพบโดยอุปกรณ์ตรวจจับเปลวไฟ
* กระแสอากาศสูง: อาจทำให้เตาเผาพัง
* กระแสอากาศต่ำหรือเป็นศูนย์: อาจทำให้เปลวไฟดับ
* การไหลเข้าเตาต่ำจะทำให้ท่อมีความร้อนสูงเกิน, Coking และท่อแตกในที่สุด
* ความล้มเหลวของระบบความปลอดภัย
ชุดโปรแกรมในการหยุดระบบแบบฉุกเฉินภายในระบบนิรภัย จะเป็นสาเหตุทำให้การดำเนินการดังต่อไปนี้ ตามการใช้งาน
* ปิดระบบจ่ายน้ำมันพร้อมกับการ Reset ด้วยมือ
* ปิดระบบแก๊สเชื้อเพลิงนำร่อง (ไม่ทั้งหมด)
* เปิด Dampers ของปล่องควันและพัดลม
* ปิดวาล์วการฉีดแอมโมเนีย-NH3 (ถ้าในกระบวนการมีส่วนต่าง ๆ เหล่านี้)
ในเตาเผาที่มีพัดลมสองชุด โปรแกรมอาจจะปิด Dampers ถ้าพัดลมไม่ทำงาน ของไหลที่เข้าเตาเผามักจะปิดลงมาเองเมื่อท่อในเตาเผาเย็นลง
แนวทางการฝึกอบรมจะอยู่ในระเบียบ OSHA 1910.119 ซึ่งได้กำหนดข้อกำหนดสำหรับการฝึกอบรมด้านความปลอดภัย
วิธีการทดสอบแบบ On-line จะต้องมีการจัดเตรียม สวิตช์ By pass ด้วยมือควรจะมีพร้อมในแต่ละอินพุตที่สามารถเริ่มต้นการหยุดทำงานเพื่อที่จะอนุญาตให้อุปกรณ์สามารถทดสอบเป็นระยะ ๆ ถ้าสวิตช์ By Pass เปิดอยู่สถานะควรจะแสดงทั้งในบริเวณใช้งานและส่งสัญญาณเตือนในห้องควบคุมกลาง การทดสอบระบบ SIS ควรจะดำเนินการตามมาตรฐาน ISA (S91.1 - 1995) "ข้อกำหนดสำหรับการทดสอบฟังก์ชันหน้าที่"
8. การควบคุมการไล่อากาศ (Purge Controls)
หลังจากเตาเผาหยุดทำงานหัวจ่ายเชื้อเพลิงนำร่องต้องไม่เปิดและเตาเผาต้องไม่เริ่มจุดหัวเผาไหม้อีกครั้ง (Reignited) จนกระทั่งก๊าซที่สามารถติดไฟได้ถูกกำจัดออกไปจนหมดภายในเตาเผา ช่วงรอบการไล่อากาศจะเริ่มดำเนินการโดยผู้ปฎิบัติการ ซึ่งต้องไม่เริ่มตัวตั้งเวลาในระบบนิรภัย จนกว่าจะได้เวลาหลังจากการไล่อากาศได้ผ่านไป ซึ่งในจุดนี้ระบบนิรภัยจะไม่ยับยั้ง (Unblocks) การปิดวาล์ว เครื่องตรวจจับเปลวไฟนำร่อง มักจะยังเป็นส่วนหนึ่งของขั้นตอนในการไล่อากาศและถ้าเปลวไฟไม่สามารถตรวจพบหลังจากการไล่อากาศผ่านไปไม่กี่วินาที วงรอบจะเริ่มต้นใหม่
ในเตาเผาขนาดใหญ่ ระบบควบคุมเตาเผาจะมีการจัดเตรียมให้มีการลดการปล่อยก๊าซและระบบติดตามตรวจสอบให้ได้ด้วยแผงควบคุมของตัวเองในบริเวณใช้งาน (Local Panel) แสดงได้ดังรูปที่ 5 ซึ่งถูกควบรวมในระบบการควบคุมทั้งหมด ทั้งแบบการใช้งานพื้นฐาน DCS หรือ PLC การแสดงค่าในแผงควบคุมจะมีดังนี้
* การไหล
* กระแสอากาศ (Draft)
* สัญญาณเตือน
* สวิตช์การหยุดทำงาน
* สวิตช์การ By Pass
* สวิตช์ทดสอบ
* การควบคุมวงจรการไล่อากาศ
การไล่อากาศที่เกี่ยวข้องกับสัญญาณไฟนำร่อง (Pilot Lights) โดยปกติจะมีการออกแบบให้เป็นดังนี้
* การไล่อากาศทำงาน (Purge On)
* การไล่อากาศล้มเหลว (Purge Failed)
* การไล่อากาศเสร็จสมบูรณ์ (Purge Complete)
หลังจากการไล่อากาศเสร็จสิ้นลงแล้ว หัวเผานำร่อง (Pilot Burnner) สามารถจุดไฟได้และภายหลังจากนั้นวาล์วควบคุมก๊าซเชื้อเพลิงหลักสามารถเปิดได้
รูปที่ 5 แผงควบคุมบริเวณใช้งาน
9. ค่าความร้อนของก๊าซเชื้อเพลิง (Fuel Gas Heating Value)
ในบางกระบวนการผลิตจะมีก๊าซเสีย (Waste Gas) ที่เกิดขึ้นมาจากการผลิต ดังเช่น ก๊าซเสียในโรงกลั่นน้ำมันเมื่อนำไปรวมผสมกับก๊าซที่เป็นประโยชน์ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงค่าความร้อนที่เกิดขึ้นเนื่องจากมีค่าความร้อนที่แตกต่างกัน การวิเคราะห์ค่าความร้อนหรือค่า BTU จะใช้การวัดอัตราการไหลของความร้อน แสดงได้ดังรูปที่ 6
รูปที่ 6 การวัดอัตราการไหลความร้อน
เพื่อคงความเสถียรภาพของการจ่ายเชื้อเพลิงให้เตาเผา ค่าความร้อนของน้ำมันเชื้อเพลิงที่ใช้ควรจะต้องทำให้มีค่าคงที่ ซึ่งสามารถทำได้โดยการผสมก๊าซเสียจากกระบวนการกลั่นน้ำมันกับก๊าซธรรมชาติ โพรเพนหรือการเสริมด้วยเชื้อเพลิงอื่น ๆ ที่มีค่าความร้อนสูงและคงที่ หากค่าความร้อนของการไหลรวมลดลง ก็จะผสมน้ำมันเชื้อเพลิงนี้เพิ่มเติมอีก
เครื่องมือวัด BTU (ความร้อน) สามารถใช้เป็นอุปกรณ์ความปลอดภัยโดยให้กำเนิดสัญญาณเตือนเมื่อค่าความร้อนของน้ำมันเชื้อเพลิงมีค่าลดลงถึงจุดที่มันไม่สามารถรองรับการเผาไหม้ได้
ทั้งการผสมของเชื้อเพลิงและควบคุมการปิดฉุกเฉินโดยอัตโนมัติแสดงได้ดังรูปที่ 7 ในการควบคุมนี้ ค่าถ้าตัววิเคราะห์ BTU ตรวจพบว่าค่าความร้อนมีค่าลดลงและระบบการจ่ายน้ำมันเชื้อเพลิงก็จะถูกปิด
รูปที่ 7 การผสมของเชื้อเพลิงและควบคุมการปิดฉุกเฉินโดยอัตโนมัติ
หากสามารถรู้ค่าความร้อนของทั้งสองก๊าซที่ผสมกัน แต่อัตราส่วนมีการเปลี่ยนแปลง เป็นผลลัพธ์ทำให้ค่าความร้อนทั้งหมดเปลี่ยนแปลงไปด้วยซึ่งสามารถชดเชยโดยระบบการผสมก๊าซที่ส่วนของก๊าซเชื้อเพลิงหลัก
เนื่องจากตัววิเคราะห์ BTU ของก๊าซสะอาด (Sweet Gas) ราคาถูกมีให้เลือกใช้งาน มีการทำงานโดยการเผากระแสตัวอย่างของน้ำมันเชื้อเพลิงและวัดความเข้มข้นของออกซิเจนจากการเผาไหม้นั้น การวัด BTU สามารถทำได้โดยการใช้ลักษณะวิธีการ Feedforward เพื่อชดเชยส่วนประกอบ BTU ที่แตกต่างของค่าน้ำมันเชื้อเพลิง
รูปที่ 8 แสดงตัวควบคุมการผสมก๊าซเชื้อเพลิง ซึ่งสมการที่จะใช้หาค่าความร้อนรวมของกระแสผสมคือ
HT = (F1H1+ F2H2)/FT
เมื่อ HT และ FT เป็นปริมาณความจุ BTU ทั้งหมดและการไหลรวมของเชื้อเพลิงผสม
H1 และ F1 เป็นปริมาณความจุ BTUและการไหลของเชื้อเพลิงที่หนึ่ง
H2 และ F2 เป็นปริมาณความจุ BTUและการไหลของเชื้อเพลิงที่สอง
รูปที่ 8 ตัวควบคุมการผสมก๊าซเชื้อเพลิง
10. เครื่องมือวัดทางอุตสาหกรรมในเตาเผา (Furnace Instrumentation)
ในขณะที่ฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ของการควบคุมมีการเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่อง ดังนั้นเตาเผาในปัจจุบันสำหรับโรงงานขนาดใหญ่ เช่น โรงกลั่นน้ำมันมักจะถูกควบคุมโดยระบบ DCS กับ PLC อิสระ ที่ใช้สำหรับการหยุดทำงานอย่างปลอดภัย
ในกรณีของเตาเผาบางประเภทจะใช้ระบบ PLC กับระบบการเชื่อมต่อกับผู้ปฎิบัติการหรือ HMIs (Human Machine Interfaces) ในการควบคุมการทำงานแทนระบบ DCS เช่นเดียวกับซอฟต์แวร์กราฟิกที่สนับสนุนการแสดงผลบนจอคอมพิวเตอร์ที่อยู่ในห้องควบคุมและในสำนักงานการจัดการ เตาเผาขนาดเล็กสามารถควบคุมโดยตัวควบคุมอะนาลอกหรือดิจิตอลเดี่ยวหรือตัวควบคุม PID
ทั้งระบบ DCS หรือหน่วยควบคุมด้วยพื้นฐานไมโครคอนโทรลเลอร์ถูกจัดเตรียมให้มีฟังก์ชันการทำงานดังนี้
* Adaptive Gain
* Auto-tuning
* การควบคุมแบบ Feedforward
* ความสามารถในการโต้ตอบระหว่างฟังก์ชันการควบคุม
* การบันทึกแนวโน้มทางประวัติศาสตร์ (Historical Trends )
* แผนภาพแสดงโปรไฟล์อุณหภูมิ (Temperature Profiles)
* เงื่อนไขของสัญญาณเตือน (Alarm Conditions)
* การแสดงกราฟิกสรุปสถานะ (Status Summaries)
* งานพิมพ์เหตุการณ์ (Event Printouts)
สัญญาณเตือนรำคาญ (Nuisance Alarms) สามารถกำจัดโดยใช้ระบบสัญญาณเตือนแบบชาญฉลาด (Smart Alarm System) และข้อความการตรวจวินิจฉัยสามารถสร้างขึ้นสำหรับข้อมูลของการควบคุมการทำงานและการบำรุงรักษา ความสามารถเหล่านี้นำไปสู่การลดความถี่ของการหยุดทำงานและเพิ่มความปลอดภัยของเตาเผา
11. เครื่องมือส่งสัญญาณและวาล์ว (Transmitters and Valves)
ส่วนใหญ่แล้วเครื่องมือส่งสัญญาณอะนาลอกแบบ 4-20 มิลลิแอมป์ใช้งานร่วมกับโปรโตคอล Hart ซึ่งเป็นสัญญาณดิจิตอลทับซ้อน (Superimposed) บนสัญญาณอะนาลอกที่ส่งไปยังระบบ DCS หรืออาจใช้การติดตั้งแบบใหม่ด้วยเครือข่าย Fieldbus เพื่อประหยัดค่าใช้จ่ายในการเดินสาย, แต่ความน่าเชื่อถือของระบบที่มีความสำคัญยังอยู่ระหว่างการประเมินผล
อุปกรณ์เครื่องมือส่งสัญญาณและสายไฟในบริเวณกระบวนการผลิตจะต้องมีการป้องกันอันตรายในรูปแบบ Intrinsically Safe หรือแบบ Explosion Proof, ซึ่งถูกอนุมัติให้นำไปใช้ในพื้นที่ Class 1 Div 2 Gr B, C, D ระบบการป้องกันในรูปแบบ Intrinsically Safe จะถูกจัดเตรียมด้วยตัวจำกัดกระแส (Current Limiting)
เครื่องมือส่งสัญญาณในบริเวณใช้งานไม่ควรตั้งอยู่ใกล้กับแหล่งที่มีศักยภาพที่ทำให้เกิดไฟไหม้เช่นผนังเตา สายไฟจากเครื่องมือส่งสัญญาณควรจะถูกส่งจากเตาเผาไปที่กล่องแยกสาย (Junction Boxes) หรือตู้จาก DCS I/O ที่มีระยะห่างที่ปลอดภัยจากแหล่งที่มีศักยภาพที่ทำให้เกิดไฟไหม้ เพื่อให้ในกรณีที่เกิดไฟไหม้จะมีการเปลี่ยนเพียงสายไฟที่ไปยังกล่องแยก
ส่วนประกอบการควบคุมสุดท้ายเช่นวาล์วควบคุมหรือ Dampers ควรจะเลือกให้มีรูปแบบของการเปลี่ยนแปลงอัตราขยาย (Gain Variation) จะชดเชยสำหรับการเปลี่ยนแปลงในอัตราขยายของกระบวนการ (Process Gain) ด้วยจุดมุ่งหมายที่ทำให้อัตราขยายของการควบคุมคงที่ตลอดย่านการเปิดของวาล์วควบคุม วาล์วควบคุมที่มีคุณลักษณะแบบ Equal Percentage (อัตราขยายเพิ่มขึ้นพร้อมกับโหลด) ควรใช้เมื่ออัตราขยายกระบวนการลดลงเมื่อโหลดเพิ่มขึ้น
วาล์วควบคุมจะต้องจัดเตรียมพร้อมกับ Positioners เพื่อเอาชนะแรงเสียดทานของซีลก้านวาล์ว (Packing) แต่สิ่งสำคัญต้องให้แน่ใจว่าการทำงานของ Positioner จะเร็วกว่าการควบคุมที่กำหนด ในปัจจุบัน E/P Positioners รุ่นใหม่ ๆ ยังให้ข้อมูลเกี่ยวกับการวินิจฉัยวาล์วเช่นปัญหาการรั่ว
วาล์วปิดการจ่ายเชื้อเพลิงควรจะแยกออกจากวาล์วควบคุมน้ำมันเชื้อเพลิงและเป็นวาล์วประเภทปิดแน่นพร้อมด้วยการออกแบบต้านทานไฟไหม้ (Fire Resistant) โดยปกติวาล์วแบบลูกบอลกับบ่าวาล์วที่เป็นโลหะจะถูกใช้สำหรับวาล์วประเภทปิดแน่น อีกส่วนหนึ่งที่ควรพิจารณาการใช้ฉนวนกันไฟของหัวขับและถังอากาศสำหรับจ่ายอากาศเมื่อระบบล้มเหลว
12. เครื่องตรวจจับเปลวไฟ (Flame Scanner)
ในเฉพาะบางเตาเผาในโรงกลั่นน้ำมันเท่านั้นที่มีเครื่องตรวจจับเปลวไฟ ในการออกแบบสามารถพิจารณาในสิ่งต่าง ๆ ดังนี้
* อัลตราไวโอเลต (Ultraviolet)
* การมองเห็น (Visible)
* การออกแบบอินฟราเรด (Infrared Designs)
เครื่องตรวจจับเปลวไฟแบบอัลตราไวโอเลตจะวัดเปลวไฟในย่าน UV และไม่ถูกบังโดยฉนวนทนความร้อน ย่านการใช้งานแสดงได้ดังรูปที่ 9 เซนเซอร์อินฟราเรดจะสามารถเจาะผ่านเปลวไฟโดยผลิตภัณฑ์ เช่น ควัน ละอองน้ำมันหรือไอน้ำ อากาศสำหรับไล่และน้ำทำความเย็นจะเป็นที่ต้องการสำหรับอุปกรณ์ตรวจจับเหล่านี้
รูปที่ 9 ย่านการใช้งานเครื่องมือวัดเปลวไฟ
สงวนลิขสิทธิ์ ตามพระราชบัญญัติลิขสิทธิ์ พ.ศ. 2539 www.thailandindustry.com
Copyright (C) 2009 www.thailandindustry.com All rights reserved.
ขอสงวนสิทธิ์ ข้อมูล เนื้อหา บทความ และรูปภาพ (ในส่วนที่ทำขึ้นเอง) ทั้งหมดที่ปรากฎอยู่ในเว็บไซต์ www.thailandindustry.com ห้ามมิให้บุคคลใด คัดลอก หรือ ทำสำเนา หรือ ดัดแปลง ข้อความหรือบทความใดๆ ของเว็บไซต์ หากผู้ใดละเมิด ไม่ว่าการลอกเลียน หรือนำส่วนหนึ่งส่วนใดของบทความนี้ไปใช้ ดัดแปลง โดยไม่ได้รับอนุญาตเป็นลายลักษณ์อักษร จะถูกดำเนินคดี ตามที่กฏหมายบัญญัติไว้สูงสุด
Thailandindustrycom_official
