การควบคุมเตาเผาหรือเครื่องทำความร้อน (ตอนจบ)
(Furnace or Heater Controls)

ทวิช ชูเมือง

กระบวนการเตาเผาน้ำมันดิบ (Crude Oil Heater, Vaporizers)
          น้ำมันดิบก่อนการกลั่นในหอกลั่นน้ำมันดิบแล้วจะถูกแยกส่วนออกไปเป็นผลิตภัณฑ์ปิโตรเลียมต่าง ๆ ดังเช่น
          * Gasoline
          * น้ำมันแนฟทา
          * น้ำมันก๊าซ (Gas Oil)
          * น้ำมันเชื้อเพลิงหนัก (Heavy Fuel Oil)
          * สิ่งที่เหลือในหอกลั่นน้ำมันดิบ (Residual)

          น้ำมันดิบที่ไหลเข้าไปยังเตาเผาต้องถูกให้ความร้อนประมาณ 750 องศาฟาเรนไฮต์ และบางส่วนกลายเป็นไอ การให้ความร้อนและกลายเป็นไอจะทำในเตาเผาน้ำมันดิบ (Crude Heater Furnace) ที่ประกอบด้วยห้องเผาไหม้ (Fire Box) กับท่อขดให้ความร้อนเบื้องต้น (Preheat Coils) และท่อขดกลายเป็นไอ (Vaporizing Colis)

          ในเตาเผาขนาดใหญ่จะมีหลายส่วนครอบคลุมการผ่านไปหลายส่วนและจะให้ความร้อนน้ำมันที่อยู่ภายในท่อขด ในส่วนของการหมุนเวียน (Convection Section) ความร้อน ซึ่งในส่วนนี้จะเป็นส่วนที่ไม่สัมผัสกับเปลวไฟโดยตรง แต่จะสัมผัสกับก๊าซร้อนที่ผ่านออกไปยังปล่องควัน การกลายเป็นไอจะเกิดขึ้นที่บริเวณปลายของส่วนแผ่รังสี (Radiant Section) (ส่วนของท่อที่จะสัมผัสกับเปลวไฟและผนังเรืองแสงของแต่ละห้องเผาไหม้) ไอบางส่วนจะไหลไปเข้าหอกลั่นน้ำมันดิบที่จะแยกและกลั่นเป็นผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ

          ตัวอย่างกระบวนการทำความร้อนอื่น ๆ ที่อยู่ในเตาเผาประเภทนี้ดังเช่น
          * Refinery Vacuum Tower Preheaters
          * Reformer Heaters
          * Hydrocracking Heaters
          * FCCU Feed Heaters
          * Dewaxing Unit Furance
          ระบบการควบคุมที่แสดงต่อไปสามารถนำไปใช้กับประเภทเตาเผาดังกล่าวข้างต้น

           1. การควบคุมกระบวนการ (Process Controls)
          ตัวแปรสำคัญของกระบวนการที่ต้องควบคุมเป็นดังนี้
          1.1 กระแสการไหลที่เข้าไปยังหน่วยเตาเผา
          1.2 การแยกที่เหมาะสมของการไหลที่รวมเป็นเส้นทางคู่ขนานที่ผ่านเข้าไปยังเตาเผา (Parallel Paths Through) เพื่อป้องกันความร้อนสูงเกินของท่อใดท่อหนึ่งและการป้องกันการอุดตัน
          1.3 จำนวนความร้อนทั้งหมดที่ถูกต้องที่จ่ายให้กับกระบวนการ

          รูปที่ 10 แสดงการควบคุมกระบวนการโดยทั่วไปสำหรับเตาเผาชนิดนี้ อัตราการป้อนน้ำมันดิบไปยังหน่วยเตาเผาถูกกำหนดโดยควบคุมการไหล (FIC-4) กระแสการไหลนี้จะถูกแบ่งเป็นเส้นทางขนานของเตาเผาโดยการปรับตั้งการเปิดวาล์วควบคุมโดยการควบคุมด้วยมือ (HIC-1 ถึง HIC-3)

          ตัวแสดงค่าอุณหภูมิ TI-1 ถึง TI-3 (อาจมีหลายตัววัดอุณหภูมิในแต่ละส่วน) จะถูกสังเกตเป็นระยะเพื่อตรวจสอบว่ามีการเกิดอุณหภูมิไม่สมดุลกำลังพัฒนาขึ้นในการส่งผ่านใด ๆ ถ้ามีแนวโน้มการพัฒนาดังกล่าวเกิดขึ้น จะเปลี่ยนแปลงการไหลผ่านเล็กน้อยเพื่อใช้ในการผลักดันให้อุณหภูมิกลับไปยังค่าปกติที่ต้องการ

          ตัวควบคุมอุณหภูมิด้านเอาต์พุต (TIC-4) ของกระแสการไหลที่มารวมกันจะส่งสัญญาณควบคุมผ่านชุดการจ่ายเชื้อเพลิงโดยใช้ฟังก์ชัน Cascade กับการไหลของน้ำมันเชื้อเพลิงหรือตัวควบคุมความดัน (ไม่แสดงในรูปที่ 10)

 รูปที่ 10 การควบคุมเตาเผาแบบทั่วไป

          อย่างไรก็ตามแต่ ความร้อนที่ต้องการใส่เข้าไปในกระแสการไหลในเตาเผาจะสามารถควบคุมการเพิ่มเติมที่ยาก เนื่องจากการไหลออกจากเตาเผามีบางส่วนกลายเป็นไอและวัตถุดิบมีองค์ประกอบที่แตกต่างกันขึ้นอยู่กับแหล่งกำเนิด ถ้าต้องการให้ความร้อนกับกระแสการไหลผ่านเตาเท่านั้นและไม่มีการกลายเป็นไอเกิดขึ้น การควบคุมก็จะรักษาอุณหภูมิด้านเอาต์พุตจากเตาเผาเท่านั้น ถ้ากลายเป็นไอสมบูรณ์และเกิด Superheating ขึ้นก็สามารถจัดการโดยการควบคุมอุณหภูมิตรง

          ในกรณีของการกลายเป็นไอบางส่วนไปรวมเข้ากับการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบของการไหล การควบคุมอุณหภูมิด้านเอาต์พุตอย่างเดียวไม่เพียงพอสำหรับความน่าเชื่อถือในการควบคุม องค์ประกอบและเส้นโค้งจุดเดือด (Boiling Point Curve) ของไหลเข้าเตาเผาเปลี่ยนแปลงขึ้นอยู่กับเวลาและการควบคุมอุณหภูมิที่ต้องการก็มีการเปลี่ยนแปลง ดังนั้นจึงต้องการข้อมูลเพิ่มเติมและเป็นที่ได้จากกระบวนการกลั่น ซึ่งเป็นส่วนปลายทางของเตาเผา โดยการสังเกตการกระจายผลิตภัณฑ์จากการแยก ส่วนที่จำเป็นในการเปลี่ยนแปลงความร้อนนั้นสามารถระบุได้

          ปัจจุบันการปฏิบัติเพื่อบรรลุการควบคุมตัวอย่างด้วยตัวควบคุมอุณหภูมิ (TIC-4) ที่กำหนดค่าจะเปลี่ยนเป็นระยะโดยผู้ปฎิบัติการคำนวณตามการเปลี่ยนแปลงของไหลเข้าเตาเผา การดำเนินการขึ้นอยู่กับทั้งประสบการณ์และผลในแยกส่วน (Fractionator)(อาจเป็นกลยุทธ์ในการเพิ่มประสิทธิภาพของหอกลั่นน้ำมันดิบ) ในการกำหนดค่าอุณหภูมิที่เหมาะสม

          2. การควบคุมการจ่ายเชื้อเพลิง (Firing Controls)
          รูปที่ 11 แสดงตัวควบคุมการจ่ายเชื้อเพลิงสำหรับเตาเผาใช้ก๊าซเป็นเชื้อเพลิงหลัก (หรือน้ำมันเป็นเชื้อเพลิงสำรอง) ส่วนท่อจ่ายก๊าซเชื้อเพลิงหลักจะจ่ายให้หัวเผา (Burner) หลายชุดโดยเว้นระยะเท่ากันตามชั้นของห้องเผาไหม้ในเตาเผา หัวเผามีความจำเป็นที่ต้องใช้ออริฟิส (Orifices) ที่มีเส้นผ่าศูนย์กลางคงที่เป็นหลัก น้ำมันจะผ่านมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับความดันของท่อจ่ายหลัก ในอดีตตัวควบคุมความดันมักจะถูกใช้ในแทนที่การควบคุมการไหล เพราะการไหลผ่านแผ่นออริฟิสเป็นฟังก์ชันของรากที่สองของความดันซึ่งจะไม่เป็นเชิงเส้นและจะถูกกำจัดโดยใช้การควบคุมความดัน

รูปที่ 11 ตัวควบคุมการจ่ายเชื้อเพลิง

          แม้ว่าน้ำมันจะถูกใช้เป็นเชื้อเพลิงสำรอง แต่จะต้องสามารถใช้ได้ในปริมาณที่เพียงพอกับโหลดทั้งในกรณีที่ก๊าซเชื้อเพลิงเกิดหยุดอย่างกะทันหัน การควบคุมอุณหภูมิ (TIC - 1) เปลี่ยนแปลงค่ากำหนด (Set point) ความดันของตัวควบคุมความดัน (PIC - 2) ของน้ำมันเชื้อเพลิง เพื่อตอบสนองความต้องการของภาระโหลดที่ต้องการ

          เตาเผาทั้งหมดมีข้อจำกัดด้าน Turndown Ratio ซึ่งเป็นอัตราส่วนของขั้นต่ำสุดกับขั้นสูงสุดของความสามารถในการเผาไหม้เชื้อเพลิง ซึ่งอัตราส่วนโดยปกติจะอยู่ที่ 03:01 ความดันต่ำในส่วนท่อหลักของน้ำมันเชื้อเพลิงเป็นตัวแสดงว่าอาจเกิดแนวทางศักยภาพของสภาพการจ่ายเชื้อเพลิงขั้นต่ำ 

ดังนั้นสวิตช์ความดันต่ำ (PSL-2) ถูกนำมาใช้เพื่อเตือนผู้ปฏิบัติการของหน่วยเตาเผา เมื่อสถานการณ์นี้เกิดขึ้น ผู้ปฎิบัติการมีตัวเลือกในการออกไปยังเตาเผาและปิดบางส่วนของน้ำมันเชื้อเพลิงแต่ละเตาด้วยตนเองหรือลดเชื้อเพลิงก๊าซโดยการลดอัตราการจ่ายเชื้อเพลิงจากชุด PIC-1 ไม่ว่าจะเป็นการเปลี่ยนแปลงแบบใดอาจจะเพิ่มความต้องการน้ำมันเชื้อเพลิงและดังนั้นจึงนำระบบกลับเข้ามาในบริเวณเขตปฏิบัติการที่มีเสถียรภาพ

          ในการติดตั้งใหม่ ๆ ใช้การควบคุมการไหลแทนการใช้การควบคุมความดัน (ดังแสดงในรูปที่ 12) ในน้ำมันเชื้อเพลิงสำรองเพื่อให้การควบคุมความสมดุลของความร้อนได้ดีขึ้น การควบคุมเหล่านี้ถูกออกแบบมาเพื่อตอบสนองเปอร์เซ็นต์ของหน้าที่การจ่ายเชื้อเพลิงทั้งหมดที่กำหนดให้กับพื้นเตาเผาเพื่อป้องกันความเสียหายที่เกิดจากการเผาไหม้ไม่สม่ำเสมอ เปอร์เซ็นต์หน้าที่ของการจ่ายเชื้อเพลิงทั้งหมดที่มอบหมายให้ไปยังพื้นเตาเผาเป็นเปอร์เซ็นต์ที่ผู้ผลิตแนะนำให้เตาเผาเพื่อป้องกันสิ่งต่าง ๆ ดังนี้
          * โลหะหลอมละลาย (Metallurgy)
          * ลดการบำรุงรักษา
          * ยืดอายุเตา

          ในรูปที่ 12 แสดงตัวควบคุมอุณหภูมิด้านทางออก (TIC-4 ในรูปที่ 10) เป็นตัวหลักของฟังก์ชัน Cascadeและจะปรับจุดกำหนดค่า (Set Point) ของชุด FIC-5 เพื่อรักษาอุณหภูมิด้านทางออกของเตาเผา ฟังก์ชัน Cascade ของ TIC-4 กับ FIC-5 จะเป็นประโยชน์ในการควบคุมการไหลเพื่อชดเชยการรบกวน (เช่น การเปลี่ยนแปลงในความดันจ่ายน้ำมันเชื้อเพลิง) โดยไม่อนุญาตให้มีผลกระทบต่ออุณหภูมิด้านทางออก ขณะที่ TIC-4 เป็นการแก้ไขความถูกต้องของกระบวนการสำหรับการเปลี่ยนแปลงสิ่งแวดล้อมอย่างช้า ๆ

รูปที่ 12 ตัวควบคุมอุณหภูมิด้านทางออก

          3. การควบคุมกระแสอากาศ (Draft Control)
          กระแสอากาศในเตาเผาปกติถูกรักษาโดยการพาอย่างอิสระ (Free Convection) ในเตาเผา (เช่น ปล่องควันที่ผลิตความดันลบในห้องเผาไหม้) และอากาศจะดูดผ่านบานเกล็ด (Louvers) ผ่านไปด้านข้างหรือด้านล่างของเตา ลักษณะนี้เรียกว่ากระแสอากาศธรรมชาติ (Natural Draft) เพราะผลิตโดยวิธีเชิงกล กระแสลมถูกควบคุมโดย Dampers พร้อมกับหัวขับแบบ Pneumatically หรือมอเตอร์ในปล่องควัน

          เตาเผาบางเตาจะใช้บานเกล็ดกับหัวขับแบบลูกสูบสำหรับการควบคุมออกซิเจน ดังแสดงในรูปที่ 12 ความดันกระแสอากาศรวมทั้งหมดในเตาเผาถูกควบคุมโดย Dampers ในปล่องควัน ซึ่งปิดเปิดโดย PIC-1 ตัวควบคุมกระแสอากาศที่มีอิทธิพลต่อการกำหนดปริมาณของ O2 เพราะกระแสอากาศเพิ่มขึ้นก็ทำให้ O2 เพิ่มขึ้นด้วย เป็นการยากที่จะรักษาปริมาณ O2 ส่วนเกินที่เหมาะสม (ขั้นต่ำ) ในก๊าซปล่องควัน โดยไม่ถึงค่าสภาวะความดันอันตรายที่หลังคาเตาเผา (Furnace Vault) เขตจำกัดสภาวะ O2 ต่ำเกินและเส้นโค้งขอบเขตจำกัดความดันกระแสอากาศในบางครั้งจะถูกจัดทำในรูปแบบการควบคุมการทำงานที่มีข้อจำกัด

          คุณลักษณะของ Damper โดยปกติมักจะต่ำกว่าทางอุดมคติและการเชื่อมโยงอาจติดขัด การติดตั้งตัวหัวขับ Damper ที่มีประสิทธิภาพจะช่วยในการประหยัดน้ำมันเชื้อเพลิง เตาเผาใหม่กับพัดลมสร้างกระแสอากาศ (Induced Draft Fan) จะมีการจัดเตรียมใบ Damper แบ่งเป็นส่วน ซึ่งมีคุณลักษณะการทำงานใกล้เชิงเส้น ความไม่เป็นเชิงเส้นของ Dampers สามารถชดเชยโดยใช้ขั้นตอนวิธี Error–squared ในการควบคุมแบบ PID

          กระแสอากาศอาจทำให้เกิดการสั่นรุนแรงซึ่งอาจทำให้เกิดเสียงและการสั่นสะเทือนของเตาเผา ดังนั้นการหน่วงสัญญาณการวัดอาจเป็นที่ต้องการสำหรับ PIC-1 ในรูปที่ 12 ตัวกรองควรได้รับการออกแบบเพื่อกรองความดันที่ทำให้สั่นอย่างรวดเร็ว แต่ต้องอนุญาตให้การวัดมีความถูกต้องของความดันสำคัญในกระแสอากาศ

          การเปลี่ยนแปลงในอุณหภูมิสิ่งแวดล้อม แรงลมและทิศทางฝนสามารถสร้างความสับสนวุ่นวายในการควบคุมกระแสอากาศและการควบคุมอุณหภูมิ ค่ากำหนดสำหรับการควบคุมกระแสอากาศควรจะเลือกให้มีขอบเขตความปลอดภัยเพียงพอสำหรับการเกิดพายุใหญ่จะไม่ทำให้เกิดการพัฒนาความดันกระแสอากาศต่ำเกิน

          ถ้าเตาเผามีขนาดใหญ่หรือมีการจัดเตรียมระบบการควบคุมการลดลงของ NOx โดยใช้ SCR (Selective Catalytic Reduction) Catalyst Bed พัดลมบังคับกระแสอากาศทำงานที่ความดันบวกจะช่วยห้องเผาไหม้ ถ้าพัดลมอยู่ในตำแหน่งของโซนการเผาไหม้ โดยปกติมักจะทำงานที่ต่ำกว่าความดันบรรยากาศและถูกเรียกว่าพัดลมสร้างกระแสอากาศ มักจะถูกจัดเตรียมด้วยตัวปรับความเร็วหรือ VSDs (Variable-Speed Drives)

4. การควบคุมออกซิเจนส่วนเกิน (Excess Oxygen Control)
          เครื่องวิเคราะห์ออกซิเจนแบบเซอร์โคเนียมออกไซด์ (Zirconium Oxide) ที่ใช้สำหรับการควบคุมการเผาไหม้สามารถใช้เพื่อแสดงความเข้มข้น O2 ถัดจากตัวควบคุม PIC (ในรูปที่ 12) ซึ่งจะช่วยให้ผู้ปฎิบัติการเพื่อปรับค่ากำหนดตัวควบคุม Damper กระแสอากาศที่ปล่องควันเพื่อให้ความดันเตาเผามีความปลอดภัย "ด้านลบ" และยังเป็นแนวทางการปรับความเข้มข้นของอากาศเกินที่เหมาะสม

          ความพยายามลดอากาศส่วนเกินโดยรักษา O2 ส่วนเกินให้อยู่ที่ประมาณ 2-3% บ่อยครั้งมักจะล้มเหลว เนื่องจากข้อจำกัดของกระแสอากาศ ระบบ SIS ส่วนใหญ่ของเตาเผาจะกำหนดให้มีการหยุดทำงานหากกระแสอากาศอยู่นอกขอบเขตเกินกว่า 5 sec ข้อจำกัดความดันกระแสอากาศสูงหรือความดันต่ำปกติตั้งที่ความดันใด ๆ ต่ำกว่า -1.0 "WC (เพื่อป้องกันการโก่งของเหล็กหรือทำลายฉนวนบุทนร้อน) ข้อจำกัดความดันสูงหรือความดันกระแสอากาศต่ำปกติตั้งที่ความดันที่ต่ำกว่า 0 "WC เพราะความดันเกินสามารถบังคับเปลวไฟดับและก่อให้เกิดการเผาไหม้แยกจากกัน (Siding)

           5. ควบคุมความปลอดภัย (Safety Controls)
          แหล่งเกิดอันตรายหลักในการทำงานของเตาเผาในกระบวนการผลิตจะรวมถึงสิ่งต่าง ๆ ดังนี้
          * การหยุดชะงักของการไหลเข้าเตาเผา
          * การหยุดชะงักของการไหลของเชื้อเพลิง
          * การสูญเสียของเปลวไฟ

          การลดอัตราการไหลของน้ำมันดิบที่เข้าเตาเผาต่ำกว่าอัตราขั้นต่ำจะทำให้เกิดความร้อนเกินและท่อขดในเตาเผาแตกได้ การเริ่มต้นใหม่ของการไหลอาจทำให้เกิดการรั่วไหลของไฮโดรคาร์บอนในห้องเผาไหม้ โดยมีผลเป็นความหายนะอย่างร้ายแรง สัญญาณเตือนการไหลต่ำ (FAL-1, -2 หรือ -3 ในรูปที่ 10) เตือนผู้ปฏิบัติการของสภาพอันใกล้เกิดเหตุการณ์นี้ขึ้น 

หากเกิดเหตุการณ์นี้ผู้ปฎิบัติการมีตัวเลือกในการแก้ไขข้อผิดพลาดหรือยกเลิกการการจ่ายเชื้อเพลิง หากปริมาณความดันอากาศที่ใช้ในกับวาล์วควบคุม (FV-1 และ HV-1 ถึง HV-3) เกิดความล้มเหลววาล์วเป็นแบบ Fail Open จึงยังคงมีการไหลผ่านเตาเผา

การควบคุมขั้นสูง (Advanced Controls)
          การควบคุมเตาเผาขั้นสูงรวมถึงการควบคุมต่าง ๆ ดังนี้
          * การควบคุมแบบ Feed Forward ตามอัตราการไหลเข้า
          * การจ่ายเชื้อเพลิงแบบ Cross-limiting
          * ความสมดุลของการไหลเข้า 
          * การเพิ่มประสิทธิภาพ

          การดำเนินการเหล่านี้เป็นกลยุทธ์การควบคุมปกติถูกช่วยเหลือโดยระบบต่าง ๆ ดังนี้
          * ซอฟต์แวร์ระบบผู้เชี่ยวชาญ (Expert System Software)
          * ระบบการควบคุมกระจาย (Distributed Control Systems)
          * ตัวควบคุมโปรแกรมแบบหนึ่งหรือสองตัว (Single or Dual loop programmable controllers)
          * อุปกรณ์ไมโครโปรเซสเซอร์เฉพาะ

          1. การควบคุมแบบ Feed Forward (Feed Forward Control)
          ในการควบคุมแบบ Feed Forward เป็นรูปแบบเรียบง่ายของกระบวนการ ใช้ในการทำนายผลกระทบของการรบกวนก่อนที่จะมาถึงและสามารถสร้างความวุ่นวายต่อตัวแปรที่ต้องการควบคุม ในทางตรงกันข้ามการควบคุมแบบป้อนกลับ (Feedback Control) จะต้องตรวจสอบข้อผิดพลาดในตัวแปรที่ต้องการควบคุมก่อนที่จะสามารถเริ่มดำเนินการแก้ไข

          ตัวอย่างง่าย ๆ ของการควบคุมแบบ Feedback จะแสดงในรูปที่ 13 การควบคุมแบบป้อนกลับประกอบด้วยตัวควบคุมอุณหภูมิ (TRC-1) จัดเตรียมค่ากำหนดการไหลสำหรับการควบคุมการไหลของเชื้อเพลิง (FIC-2) เมื่อกระแสการไหลด้านเข้าเตาเผามีการเปลี่ยนแปลง (ตัวแปรการไหลเป็นอิสระในระบบนี้) มีความจำเป็นต้องเปลี่ยนอัตราของน้ำมันเชื้อเพลิงที่จ่าย

รูปที่ 13 Feedback Control

          ตัวอย่างง่าย ๆ ของการควบคุมแบบ Feed Forward จะแสดงในรูปที่ 14 การควบคุม Feed Forward รวมถึงเครื่องส่งสัญญาณกระแสการไหลด้านเข้า (FT-1) ซึ่งตรวจพบการเปลี่ยนแปลงในอัตราการไหลของด้านเข้าและอัตรานี้ถูกคูณด้วยค่าคงที่ใน FY-1 ค่าคงที่นี้เกี่ยวข้องกับค่าความร้อนของก๊าซเชื้อเพลิงและหากมีการใช้เครื่องวิเคราะห์ BTU (AT-1) ในการแก้ไขสามารถปรับได้แบบอัตโนมัติ ชุดการคูณมีความสัมพันธ์ระหว่างการเปลี่ยนแปลงอัตราการไหลด้านเข้าและความต้องการเปลี่ยนแปลงที่สอดคล้องกันกับความดันหัวจ่ายเชื้อเพลิง ซึ่งเป็นค่ากำหนดได้จากประสบการณ์และสามารถนำไปปรับที่บริเวณใช้งาน

          การปรับแบบ Dynamics อาจถูกรวมเข้าไป (เวลาล่าช้า, การนำหน้า/ล้าหลัง) ถ้ามีการรับประกัน การตอบสนองของเตาเผาโดยการเพิ่มอัตราการจ่ายเชื้อเพลิงมักจะช้าเกินไปและการควบคุมนั้นมีประโยชน์เฉพาะเมื่อการตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงเป็นขั้นของอัตราการไหลของด้านเข้า

          การแก้ไขสัญญาณจาก FY-1 แล้วรวมเข้ากับ (FY-2) สัญญาณเอาต์พุตจากตัวควบคุมอุณหภูมิ ด้วยวิธีการนั้นกำหนดอัตราการไหลเชื้อเพลิงก๊าซใหม่ผ่าน FIC-2 ในผลกระทบข้อมูลล่วงหน้าส่งผ่าน FY-1 ไปยังตัวควบคุมการจ่ายเชื้อเพลิง (FIC-2) ซึ่งแสดงว่ามีการเปลี่ยนแปลงภาระโหลดในกระบวนการจะต้องการเปลี่ยนแปลงอัตราการจ่ายเชื้อเพลิงอย่างเร็วและการจ่ายเชื้อเพลิงจึงควรเริ่มต้นการเปลี่ยนแปลง

          ถ้าไม่มีการควบคุมแบบ Feed Forward ของการควบคุม (FY-1 และ FY-2) การเปลี่ยนแปลงในอัตราการจ่ายเชื้อเพลิงจะเกิดขึ้นในภายหลังหลังจากที่ควบคุมอุณหภูมิ (TRC-1) ตรวจพบข้อผิดพลาดในการควบคุมตัวแปร (อุณหภูมิของด้านเอาต์พุตของเตาเผา) ถ้าอัตราการไหลคงที่มีอยู่ระหว่างด้านทางเข้าและการไหลของก๊าซเชื้อเพลิง ตัวควบคุมอุณหภูมิจะไม่จำเป็น แต่ด้วยการเปลี่ยนแปลงบรรยากาศและเงื่อนไขการเปลี่ยนแปลงกระบวนการ การเปลี่ยนแปลงอัตรากับเวลา ดังนั้น TRC-1 ทำหน้าที่ในการป้อนกลับตามการปรับแต่งตัวควบคุมอย่างช้า ๆ เพื่อทำให้ตัวแปรควบคุมอยู่ในค่าที่ต้องการ

รูปที่ 14 Feed Forward Control

          2. การควบคุมสมดุลของการไหลในท่อขด (Coil Balancing Control)
          หนึ่งในการพิจารณาหลักสำหรับการควบคุมเตาเผาที่มีการไหลหลายส่วน (Multi-pass) ของด้านเข้า เป็นการแบ่งการไหลเข้าที่เหมาะสมให้ขนานกันไปผ่านเตาเผา ในโรงงานเอทิลีนขนาดใหญ่จะมีเตาเผา 6-8 เตาที่เหมือนกัน แต่ละเตาจะมีท่อ 10-20 ม้วนขนานกันไป การควบคุมการไหลที่ถูกแยกในท่อม้วนเหล่านี้เป็นงานที่น่ากลัวหากทำด้วยตนเอง

          วัตถุประสงค์เพื่อการใช้พลังงานต่อหน่วยของเตาเผาให้มากที่สุดต่อหน่วยการไหลด้านเข้า โดยทั่วไปประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนมีค่าสูงที่สุดเมื่อเปอร์เซ็นต์ของการวัดกลายเป็นไอในแต่ละท่อม้วนทั้งหมดเท่ากัน อย่างไรก็ตามแต่ ไม่มีการวัดเปอร์เซ็นต์การกลายเป็นไอได้ดีที่สุดที่สามารถทำได้คือการทำให้เท่าเทียมกันของทุกอุณหภูมิในแต่ละท่อ

          การควบคุมแบบ Digital ของการไหลเวียนของเตาทั้งหมดจะดำเนินการโดยการจัดการการเคลื่อนย้ายทุกอัตราการไหลในเตาเผา รูปที่ 15 แสดงระบบคอมพิวเตอร์เก่าที่ใช้ในการควบคุม การไหลเข้าทั้งหมด (A/D-1) และการไหลแต่ละท่อ (A/D-2, -3, -4, ฯลฯ) มีการติดตามโดยระบบ DCS ซึ่งคำนวณค่าการปรับวาล์วที่ถูกต้องตามการไหลนี้ การเปิดวาล์วที่เหมาะสมจะถูกส่งโดยระบบ DCS (ผ่านตัวแปลงสัญญาณ Digital to Analog (D/A-2, -3, -4, ฯลฯ) และวาล์วแบ่งการไหลด้านเข้าทั้งหมดอย่างถูกต้อง

รูปที่ 15 ระบบคอมพิวเตอร์เก่าที่ใช้ในการควบคุม การไหลเข้าทั้งหมด

          อัตราการไหลด้านเข้าทั้งหมดกำหนดค่าการบรรจุเข้าที่เตาเผา แต่ละอัตราการไหลของท่อตั้งจุดคำนวณตามการไหลทั้งหมดของเตาเผา (ลบด้วยการไหลของท่อที่ไม่ถูกควบคุมโดยอัตโนมัติ) หารด้วยจำนวนท่อที่ถูกควบคุมโดยอัตโนมัติ ซึ่งช่วยทำให้เกิดความสมดุลอย่างน้อยในส่วนของเตาเผา ถ้าบางท่อไม่สามารถอยู่ภายใต้การควบคุมอัตโนมัติเนื่องจากเครื่องมือวัดชำรุด

          หลังจากเริ่มต้นการเดินเครื่อง การไหลทั้งหมดจะถูกแบ่งออกเท่ากัน แต่ในช่วงเวลาการทำงานถ่านโค้กถูกสร้างขึ้นในอัตราที่แตกต่างกันในแต่ละท่อทำให้อุณหภูมิที่แตกต่างจากท่อไปท่อ ระบบควบคุมนี้จะทำให้อุณหภูมิด้านทางออกของท่ออยู่ที่ค่าเดียวกัน (ภายในค่าที่ยอมรับได้) โดยการปรับการไหลที่ผ่านแต่ละท่อ ระบบ DCS ทำได้โดยนำข้อมูลอุณหภูมิด้านทางออก (A/D-20, -21, -22 เป็นต้น) เปรียบเทียบกับอุณหภูมิที่ต้องการและดำเนินการคำนวณแยกการไหลเข้า (Feed Splitting) เพื่อแก้ไขการเบี่ยงเบน ผลการคำนวณจะถูกส่งออกไปปรับตำแหน่งวาล์วด้านทางเข้า (FV-2, FV-3, FV-4, ฯลฯ)

          การเปลี่ยนแปลงอัตราการบรรจุเข้าเตาเผาปกติจะเป็นเส้นทางลาดขึ้น (ramped) และความเร็วของการเปลี่ยนแปลงจะถูกจำกัดเพื่อหลีกเลี่ยงการเกิดความสับสนวุ่นวาย (Upsets) อย่างรวดเร็วในเตาเผา ข้อบังคับของขีดจำกัดรวมถึงขีดจำกัดการไหลที่แตกต่างกันระหว่างท่อแต่ละท่อและการไหลเฉลี่ย โดยปกติถูกรวมอยู่ในขั้นตอนวิธีการควบคุมโดยรวมในการรักษาอัตราการไหลปลอดภัยในท่อทั้งหมด เพื่อป้องกันถ่านโค้ก (Coking) มากเกินไปหรือการพัฒนาจุดร้อน (Hot Spot) ในเตาเผา

          การเพิ่มเติมฟังก์ชันเพิ่มประสิทธิภาพหลายฟังก์ชันสามารถทำได้โดยใช้ข้อมูลเข้าเดียวกันให้มาก บางครั้งสิ่งเหล่านี้ เป็นสัญญาณเตือนปกติบนการไหลด้านทางเข้า, สัญญาณเตือนอุณหภูมิด้านทางออก, สัญญาณเตือนความดันลดลงมากเกินไปในท่อ, ท่อโลหะอุณหภูมิสูงและหน้าที่การสแกนอื่น ๆ

          3. การจ่ายเชื้อเพลิงผสมผสานขีดจำกัด (Cross–Limiting Firing) 
          เทคนิคการจ่ายเชื้อเพลิงผสมผสานขีดจำกัด เป็นการควบคุมเพื่อทำให้แน่ใจว่าปริมาณอากาศมีค่าเกินจำนวนที่จำเป็นในการเผาไหม้เชื้อเพลิง การควบคุมลักษณะนี้เพื่อหลีกเลี่ยงอันตรายจากการผสมเชื้อเพลิงติดไฟในห้องเผาไหม้ เมื่อมีความต้องการเพิ่มอัตราการจ่ายเชื้อเพลิง

ในลำดับแรกการจ่ายเชื้อเพลิงผสมผสานขีดจำกัดจะดำเนินการเพิ่มอากาศและการไหลของเชื้อเพลิงหลังจากนั้น เมื่อต้องการลดอัตราการจ่ายเชื้อเพลิงเป็นกลยุทธ์ในการลดการไหลของน้ำมันก่อนลดการไหลของอากาศ การดำเนินการนี้จะกระทำผ่านชุดคำสั่งต่าง ๆ ดังนี้
          * ชุดตัวเลือกสัญญาณต่ำ (Low-Select Modules)
          * ชุดตัวเลือกสัญญาณสูง (High-Select Modules)
          * ชุด Dynamic Exponential Lag 

รูปที่ 16 แผนภาพการจ่ายเชื้อเพลิงผสมผสานขีดจำกัด

          ความสำเร็จของการจ่ายเชื้อเพลิงผสมผสานขีดจำกัดคือการตั้งบนพื้นฐานความสามารถในการวัดหรืออนุมานอัตราการไหลอากาศและอัตราการไหลน้ำมันเชื้อเพลิง ถ้าการไหลอากาศมีการควบคุมเพียงตำแหน่ง Damper อัตราการไหลนี้จะต้องแปลค่าจากตำแหน่งของ Damper

นอกจากนี้เชื้อเพลิงมักจะไม่ถูกวัด แต่ถูกควบคุมโดยตัวควบคุมความดันเพียงอย่างเดียว ดังนั้นความดันส่วนหัวจ่ายหลักจะต้องแปลงเป็นประมาณการอัตราการไหล วิธีการทางอ้อมดังกล่าวของการประมาณการอัตราการไหลมีความไม่ถูกต้องสูงและไม่ควรใช้ในระบบการจ่ายเชื้อเพลิง

          ระบบการจ่ายเชื้อเพลิงผสมผสานขีดจำกัดอธิบายในรูป 16 การทำงานจะเป็นในลักษณะดังต่อไปนี้
          เมื่อตัวควบคุมอุณหภูมิด้านทางออก (TIC-1) ต้องการให้จ่ายความร้อนเพิ่มเติมโดยเตาเผา ผลลัพธ์ทำให้สัญญาณเอาต์พุตของตัวควบคุมเพิ่มขึ้น หลังจากมีการปรับแบบ Feed Forward สัญญาณนี้ถูกส่งไปที่ทั้งชุดเลือกสัญญาณสูงและเลือกสัญญาณต่ำ (TY-1 และ TY-2)

           ที่ชุดเลือกสัญญาณสูงนี้สัญญาณจะเพิ่มขึ้นมากกว่าสัญญาณที่แสดงการไหลของเชื้อเพลิงปัจจุบัน (ความดัน) ชุดเลือกสัญญาณสูงเลือก (TY-2) จึงจะเรียกความร้อนที่เพิ่มขึ้นโดยการเพิ่มสัญญาณเอาต์พุตของตนเองและสัญญาณเพิ่มขึ้นนี้จะถูกคูณด้วยอัตราส่วนของอากาศกับเชื้อเพลิงในปัจจุบัน FY-1 สัญญาณเอาต์พุตที่ออกจากตัวคูณนี้ (FY-1) จะไปกำหนดค่าที่ชุดควบคุมการไหลของอากาศ (FIC-1) ดังนั้นผลจากการเพิ่มขึ้นของเอาต์พุตจาก TIC-1 ทำให้ค่ากำหนดของตัวควบคุมการไหลอากาศเพิ่มขึ้นทันที

          ที่ชุดเลือกสัญญาณต่ำ (TY-1) สัญญาณขาออกที่เพิ่มขึ้นของ TIC-1 จะไม่ถูกเลือกเพราะมีค่ามากกว่าสัญญาณอัตราส่วนอากาศกับเชื้อเพลิง FY-2 สัญญาณวัดการไหลอากาศถูกส่งผ่านชุดหน่วงเวลาและถูกหารด้วยอัตราส่วนอากาศกับเชื้อเพลิงไปกำหนดค่าใน FY-2 ซึ่งผลิตสัญญาณตัวที่สองของตัวเลือกสัญญาณต่ำ 

การเพิ่มขึ้นทันทีของอากาศทำให้สัญญาณเอาต์พุตของ AIC-1 เพิ่มขึ้นตามมา จะถูกหน่วงเวลาจากคำสั่งล่าช้าแรกก่อนที่จะไปยังตัวเลือกสัญญาณต่ำ (TY-1) เป็นผลทำให้เชื้อเพลิงค่อย ๆ เพิ่มขึ้น ดังนั้นการเพิ่มขึ้นของอัตราการจ่ายเชื้อเพลิง (TIC-1 Output) เป็นผลทำให้การไหลอากาศเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วและการไหลของเชื้อเพลิงเพิ่มขึ้นอย่างช้า ๆ

          เมื่อความต้องการจ่ายเชื้อเพลิงลดลงเนื่องจากการลดลงในการไหลของด้านทางเข้าเตาเผาหรือในผลลัพธ์ควบคุมอุณหภูมิลดลง สัญญาณจะถูกส่งไปทั้งชุดเลือกสัญญาณสูงและต่ำ (TY-1 และ TY-2) สัญญาณที่ลดลงจะถูกส่งผ่านทันทีโดยชุดตัวเลือกสัญญาณต่ำ (TY-1) ทำให้ค่ากำหนดการควบคุมการไหลเชื้อเพลิงลดลงทันที

          อย่างไรก็ตามแต่ ที่ตัวเลือกสัญญาณสูง (TY-2) สัญญาณลดลงจะถูกบล็อกเพราะองค์ประกอบความล่าช้าทำให้การไหลซึ่งเห็นได้ชัดเจนของน้ำมันเชื้อเพลิงที่สูงขึ้น ผลลัพธ์ที่ได้คือ (First-order Lagged) การลดลงอย่างช้า ๆ ของการไหลของอากาศ การเปลี่ยนแปลงในเอาต์พุตของอากาศส่วนเกิน (หรือ O2) ตัวควบคุม (AIC-1) ผ่านไปทางตัวเลือกสัญญาณต่ำในการไหลน้ำมันเชื้อเพลิง (TY-1) ในลักษณะที่คล้ายกัน สัญญาณเอาต์พุต ของตัวควบคุม (AIC-1) เป็นการกำหนดอัตราส่วนของอากาศกับเชื้อเพลิงสำหรับการเผา ซึ่งถูกคูณด้วยสัญญาณจากตัวเลือกสัญญาณสูงใน FY-1 

ดังนั้นอัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิงมีผลโดยตรงต่อค่ากำหนดการไหลเวียนของอากาศ ในทำนองเดียวกันอัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิงเป็นตัวหารที่การไหลเวียนของอากาศใน FY-2 สัญญาณเอาต์พุตของ FY-2 เป็นสัญญาณอินพุตที่สองของตัวเลือกสัญญาณต่ำ TY-1 ซึ่งเป็นตัวเลือกค่ากำหนดการไหลน้ำมันเชื้อเพลิง

          4. การควบคุมความรุนแรง (Severity Control)
          การใช้ในเตาเผาเอทิลีนในรูปที่ 15 เป็นตัวอย่างการวัดวิเคราะห์องค์ประกอบกระแสด้านทางออก (AT-30) จะส่งสัญญาณการวัดไปยังเครื่องคอมพิวเตอร์ซึ่งจะมีการเปรียบเทียบกับองค์ประกอบที่ต้องการ บนพื้นฐานของความแตกต่างระหว่างสองสิ่ง สามารถคำนวณระดับการจ่ายเชื้อเพลิงที่ต้องการในช่วงต่าง ๆ ของเตาเผา อัตราการจ่ายเชื้อเพลิงเหล่านี้อาจจะพิมพ์ออกมาเพื่อสิ่งต่าง ๆ ดังนี้

          * เป็นคำแนะนำในการดำเนินการ
          * ใช้ในการจัดการวาล์วเชื้อเพลิงโดยอัตโนมัติ
          * กำหนดค่าควบคุมการไหลของเชื้อเพลิง
          * เปลี่ยนรูปแบบการไหลผ่านเตาเผา
          * ควบคุมการดำเนินการแตกตัวของไหลที่ออดจากเตา

          5. การควบคุมแบบจำลองพื้นฐาน (Model–Based Control)
          แบบจำลองกระบวนการสามารถเกี่ยวข้องกับการควบคุมตัวแปรของการปล่อยความร้อนจากท่อเพื่อการดำเนินงานตัวแปรต่าง ๆ ข้อมูลการดำเนินงานเตาเผามีดังนี้ 
           * อัตราการไหลของไฮโดรคาร์บอน  
          * อัตราส่วนไอน้ำต่อไฮโดรคาร์บอน
          * อุณหภูมิท่อด้านทางออก
          * ความดันท่อด้านทางออก
          * ความรุนแรงของการแตกตัว
          * ตัวแปรสิ่งสกปรก 
          ตัวแปรเหล่านี้ใช้ในการพัฒนาความสัมพันธ์ระหว่างตัวแปรอิสระและไม่อิสระ

          คำนวณทางเมตริก (Matrix) สามารถดำเนินการเปลี่ยนตัวแปรจัดการ (Manipulated) เพื่อให้ตัวแปรควบคุมอยู่ในค่าที่กำหนด หลักเกณฑ์คอมพิวเตอร์ทั่วไปถูกใช้ในการทำงานแบบนี้และเพิ่มประสิทธิภาพ

          เตาเผาและระบบควบคุมการที่ได้แสดงรายละเอียดไปข้างต้นเป็นตัวอย่างของเตาเผาที่มีใช้งานในอุตสาหกรรมกระบวนการ กลยุทธ์การควบคุมที่ถูกต้องสามารถดำเนินการโดยเครื่องมือส่งสัญญาณอนาล็อกแบบเก่าหรือระบบ DCS หรือ PLC ที่ซับซ้อน ระบบควบคุมที่มีการอธิบายไปในส่วนที่ผ่านมาทั้งหมดนี้ ครอบคลุมการควบคุมกระบวนการเบื้องต้นและตัวอย่างการควบคุมขั้นสูง เนื่องจากการขยายตัวของส่วนสนับสนุนอุตสาหกรรมพร้อมกับการใช้หน่วยเตาเผาขนาดใหญ่และมีความพร้อมเพิ่มขึ้นของการควบคุมกระบวนการขั้นสูง (APC) การใช้การควบคุมขั้นสูงและรูปแบบที่ใช้ควรจะพิจารณาเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพและได้ผลตอบแทนจากการเผาไหม้ได้มากขึ้น

เอกสารอ้างอิง
     [1] API Std 560-May 2001, “Fire Heaters for General Refinery Services”
     [2] NFPA 85-2004, “Boiler and Combustion System Hazard Code”.
     [3] NFPA 86-2007, “Standard for Ovens and Furnaces”
     [4] ANSI/ISA-84.01-1996, “Application of Safety Instrumented System (SIS) for the process industries”
     [5] IEC 61508,” Functional Safety – Safety Related Systems”
     [6] IEC 61511-2003, “Function safety-Safety instrumented system for the process industry sector”, 2003
     [7] OSHA 40CFR1910.119,”Process Safety Management”
     [8] Bela G. Liptak, Instrument Engineers' Handbook, Fourth Edition, Volume Two- Process Control and Optimization