ธนกร ณ พัทลุง 

ไอน้ำเป็นของเหลวที่มีพลังงานโดยเฉพาะความร้อนอยู่เป็นจำนวนมากและเป็นของเหลวที่สามารถพาความร้อนในตัวเองไปแลกเปลี่ยนถ่ายเทความร้อนได้ง่ายจึงนิยมใช้เป็นแหล่งพลังงานสำหรับเพิ่มความร้อน ดังนั้นเพื่อให้การใช้งานมีประสิทธิภาพและปลอดภัย ระบบไอน้ำจะต้องออกแบบอย่างถูกหลักวิศวกรรม

1. Steam Quality (คุณภาพของไอน้ำ) เพื่อให้ควบคุมการแลกเปลี่ยนความร้อนของไอน้ำได้ดีและไม่มีน้ำปนไปกับไอน้ำจึงต้องทำให้ไอน้ำแห้งที่สุดก่อนซึ่งทำได้โดย

1.1 การผลิตไอน้ำของหม้อไอน้ำต้องผลิตให้ได้ไอน้ำอิ่มตัว (Saturated Steam) ไม่มีน้ำปนโดยที่ตัวหม้อไอน้ำจะมี Separator ไว้ดักน้ำ ดังรูปที่ 1 ถ้าความเร็วของไอน้ำที่ออกจากผิวหน้าของน้ำมีค่าต่ำพอประมาณ 3 ฟุตต่อนาที ไอน้ำจะแยกตัวออกจากน้ำโดยไม่มีการพาน้ำไปด้วย

รูปที่ 1 แสดง Separator ในหม้อไอน้ำ

1.2.การดักแยกคอนเดนเสทที่เกิดจากการสูญเสียความร้อนของไอน้ำ (หยดน้ำ) ขณะส่งผ่านท่อเมนโดยใช้สตีมแทรปโดยปากทางเข้าสตีมแทรปจะต้องกว้างเพียงพอที่จะไม่ให้คอนเดนเสทไหลข้ามไป
1.3 การดักแยกคอนเดนเสท (ละอองหยดน้ำ) ก่อนเข้าอุปกรณ์ต่าง ๆ ให้ใช้โดยอุปกรณ์แยกไอน้ำ (Separator, Strainer 100 Mesh)
1.4.การเปลี่ยนแปลงความดันไอน้ำจากสูงเป็นเกิดการคายความร้อนไปทำให้คอนเดนเสทที่ปนมากับไอน้ำระเหยกลายเป็นไอน้ำหมดหรือความร้อนนี้จะไปต่อต้านการควบแน่นของไอน้ำ

1.5 การรักษาระดับแรงดันไอน้ำโดย Regulator Valve (Reducing Valve) เพื่อความสม่ำเสมอของคุณภาพไอน้ำโดยไม่คำนึงถึงการเปลี่ยนแปลงแรงดันไอน้ำจากหม้อไอน้ำ
1.6 การเดินท่อไอน้ำให้มีแนวลาดเอียงเข้าหาต้นทางเพื่อป้องกันไม่ให้คอนเดนเสทไปกับไอน้ำ (1:100 ถึง 1:200)
1.7 การต่อท่อนำไอน้ำไปใช้งานจากด้านบนของท่อเมนเพื่อเอาไปแต่ไอน้ำเท่านั้น

2. Steam Quality ปริมาณของไอน้ำ คือ น้ำหนักของไอน้ำที่พาเอาปริมาณความร้อนไปแลกเปลี่ยนให้ได้ตามต้องการเนื่องจากไอน้ำเป็นของไหลจึงต้องพิจารณาในเทอมของปริมาตรต่อหน่วยเวลาซึ่งจะสัมพันธ์กับน้ำหนักไอน้ำแตกต่างกันไปตามการเปลี่ยนแปลงของ

2.1 ความดันไอน้ำจากคุณสมบัติของไอน้ำที่ความดันสูงจะมีปริมาตรจำเพาะต่ำนั้น คือที่ความต้องการน้ำหนักไอน้ำเท่ากันที่ความดันไอน้ำสูงจะใช้ปริมาตรไอน้ำน้อยกว่าที่ความดันต่ำ

2.2.ความเร็วของไอน้ำจากอัตราการไหลเท่ากับพื้นที่หน้าตัดคูณความเร็วของไหลที่ท่อขนาดเดียวกันถ้าต้องการปริมาตรไอน้ำเพิ่มขึ้นต้องใช้ความเร็วของไอน้ำมากขึ้น โดยปกติการออกแบบจะต้องกำหนดความเร็วของไอน้ำไว้ด้วยค่าเหมาะสม (สำหรับท่อเมน 20–25 m/s, ท่อสาขาใช้งานความเร็วสามารถเป็น 40 m/s ได้และในส่วนของ Flash Steam ควรใช้ความเร็ว 15 m/s) แล้วไปเลือกขนาดท่อและอุปกรณ์ (พื้นที่หน้าตัด) ให้ได้ปริมาตรต่อหน่วยเวลาตามต้องการ

2.3 ขนาดของท่อสัมพันธ์กับแรงดันไอน้ำ ความต้องการสุดท้ายคือน้ำหนักของไอน้ำต่อหน่วยเวลาซึ่งสัมพันธ์กับปริมาตรจำเพาะตามแรงดันที่เปลี่ยนไปและปริมาตรไอน้ำต่อหน่วยเวลาก็สัมพันธ์กับขนาดของท่อ (ที่ความเร็วกำหนด) ดังนั้นอาจจะกล่าวได้ว่าเพื่อให้ได้น้ำหนักไอน้ำต่อหน่วยเวลาตามต้องการจะต้องออกแบบขนาดท่อสัมพันธ์กับแรงดันไอน้ำที่ผ่านท่อนั้น (ตามตารางที่ 1)

ตารางที่ 1 แสดง Sizing Steam Pipes (kg/h)  

2.4 การวัดความบริสุทธิ์ของไอน้ำเพื่อป้องกันปัญหาเรื่องตะกรันจับและการกัดกร่อนนั้น ควรวัดความบริสุทธิ์ของไอน้ำเป็นประจำ เพื่อตรวจหามลทินชนิดต่าง ๆ ที่ติดไปกับไอน้ำ ถ้าวิธีการปรับสภาพน้ำในหม้อไอน้ำได้มาตรฐานก็จะไม่มีแคลเซียม แมกนีเซียม เหล็กและทองแดงติดไปกับไอน้ำ ส่วนสารเคมีอื่นที่ละลายในน้ำ หม้อไอน้ำจะถูกลดรูปเป็นรูปของโซเดียมเท่านั้น

มลทินที่เป็นของแข็งและของเหลวจะมีแต่เพียงฝุ่นละอองและละอองน้ำเท่านั้น ซึ่งในละอองน้ำจะมีแต่เกลือโซเดียมเป็นส่วนใหญ่ มลทินเป็นก๊าซที่พบมาก ได้แก่ แอมโมเนีย คาร์บอนไดออกไซด์ ไนโตรเจน ซัลเฟอร์ไดออกไซด์ ไฮดราซีน อะมีนและซิลิกา โดยทั่วไปแล้วจะมีการวัดค่าโซเดียมไอออนมากที่สุดเพราะปริมาณโซเดียมจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับค่าสารทั้งหมด (TS) ของน้ำในหม้อไอน้ำและไอน้ำ   

โรงงานทุกแห่งควรหาค่าความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณโซเดียมกับสารละลายทั้งหมดให้ได้ค่าเป็นอัตราส่วนที่แน่นอน ค่าเฉลี่ยในกรณีทั่วไปจะเป็น 3 ซึ่งหมายถึงว่า ถ้าพบโซเดียมในไอน้ำ 0.1 ppm แสดงว่ามีสารละลายอยู่ราว 0.3 ppm และการวัดปริมาณโซเดียมในไอน้ำนิยมใช้เครื่องมือ 2 ชนิด ได้แก่ Sodium ion Analyzer และ Sodium Flame Spectrophotometry

ปริมาณไอน้ำที่ใน กรณีฉีดตรง (Direct Steam) นั้นสามารถคำนวณได้จาก
       Q = Ms x hg = Cp x M x ?T
เมื่อ  Q = ปริมาณความร้อนที่ใช้ (kJ/kg)
      ?T = อุณหภูมิที่สูงขึ้น (^oC)
     Cp = ความจุความร้อนจำเพาะ (kJ/kg.^oC)
     M  = ปริมาณของ Load (kg/หน่วยเวลา)
     Ms = ปริมาณไอน้ำที่ใช้ (kg/หน่วยเวลา)
     hg = ค่าเอนทาลปีของไอน้ำที่แรงดันเลือกใช้งาน (kJ/kg)

ปริมาณไอน้ำที่ใน กรณีถ่ายเทโดยอ้อม (Indirect Steam) นั้นสามารถคำนวณได้จาก
       Q = Ms X h_fg
เมื่อ  Q = ปริมาณความร้อนที่ใช้
     h_fg = ค่าเอนทาลปีของไอน้ำที่แรงดันเลือกใช้งาน (Latent Heat) (kJ/kg)
     Ms = ปริมาณไอน้ำที่ใช้ (kg/หน่วยเวลา)
เมื่อได้ค่า  h (Enthalpy) แล้วก็จะไปเปิดตารางไอน้ำเทียบออกมาเป็นน้ำหนักไอน้ำที่ความดันเลือกใช้

3. Steam Pressure (แรงดันไอน้ำ) คือ การกำหนดการสร้างแรงดันไอน้ำจากหม้อไอน้ำ การเปลี่ยนลดความดันไอน้ำ การเลือกใช้แรงดันไอเพื่อผลต่าง ๆ กัน

3.1.การกำหนดแรงดันไอน้ำของหม้อไอน้ำต้องให้มากกว่าค่าสูงสุดที่ต้องการใช้เสมอ ยิ่งมากเท่าใดเมื่อผ่านการลดแรงดันไอน้ำแล้วจะเกิดความแตกต่างแรงดันมากทำให้ไอน้ำแห้งยิ่งขึ้น

3.2 การใช้วาล์วลดแรงดันไอน้ำ (Reducing Valve) เพื่อรักษาระดับแรงดันใช้งานให้สม่ำเสมอและผลจากการเปลี่ยนลดความดันยังทำให้ไอน้ำแห้งขึ้นมีคุณภาพดีขึ้น โดยไดอะแกรมการติดวาล์วลดแรงดัน ดังรูปที่ 2

รูปที่ 2 แสดงไดอะแกรมติดตั้งระบบวาล์วลดแรงดันก่อนใช้งาน

4.1 หาน้ำหนักไอน้ำที่ต้องการ (กรณีฉีดตรงภายในเครื่องคลุกเคล้า) สมมติทราบค่าความจุความร้อนของวัตถุดิบเป็น 2.0 KJ/kg ^oC
ปริมาณความร้อนที่ต้องการ (Q)  = Cp x M x ?T

ดังนั้นต้องใช้ไอน้ำ   = 2, 4000,000/2,676
= 896.9 kg/hr หรือประมาณ 900 kg/hr

4.2 ท่อเมนไอน้ำก่อนเข้า Reducing Valve สมมติความดันใช้งาน Boiler อยู่ในช่วง 5 - 6 บาร์ ต้องเลือกค่าความดันต่ำสุด คือ 5 บาร์ เปิดตารางท่อที่แรงดัน 5 บาร์จ่ายไอน้ำได้ 900 Kg/hr ได้ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 80 มม. ดังนั้นท่อทางเข้าตลอดจนอุปกรณ์ต่าง ๆ ก่อนเข้า Reducing Valve เป็นขนาด 80 มม. หรือ 3 นิ้ว

4.3 ขนาดท่อไอน้ำหลัง Reducing Valve ความดันใช้งานควรจะเป็นช่วงกว้าง 1–5 บาร์ การออกแบบเลือกค่าต่ำสุด เปิดตารางท่อที่แรงดันไอน้ำ 1 บาร์ และ 900 Kg/hr ได้ขนาดท่อเส้นผ่าศูนย์กลาง 125 มม. ดังนั้นท่อออกจาก Reducing Valve ขยายจาก 2.5 นิ้วเป็น 5 นิ้ว

ความยาวท่อในแนวนอนและตรงไม่น้อยกว่า 20 เท่าของเส้นผ่านศูนย์กลางท่อเพื่อลดความปั่นป่วน (Turbulence) ของไอน้ำ ในที่นี้เป็น 125 x 20 = 2.5 เมตร

ความยาวท่อจาก Reducing Valve ถึงวาล์วจ่ายไอน้ำนั้นนอกจากเพื่อลดการปั่นป่วนของไอน้ำเป็นการควบคุมทิศทางของไอน้ำแล้วยังเพิ่มระยะเวลาในการใช้ความร้อนที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงความดันไอน้ำ (เมื่อผ่าน Reducing Valve) ทำให้ไอน้ำแห้งขึ้น 

4.4 ขนาดวาล์วควบคุมปริมาณการจ่ายไอน้ำ คิดที่ความดันต่ำสุดใช้งานคือ 1 บาร์ แล้วเปิดจากตารางคู่มือของวาล์วยี่ห้อต่าง ๆ เทียบความสามารถการจ่ายไอน้ำของวาล์วที่ 900 Kg/hr เลือกขนาดได้เป็น 3 นิ้ว หรือเลือกจากค่า KV_s ของวาล์ว

ดังนั้นต้องเลือกใช้วาล์วที่มีค่า KV_s อย่างน้อย 45 หรือหาจากสมการ คือ
       Kv = m/(31.7 (dP/v) ^1/2) (1)
เมื่อ  m = Steam Flow (kg/h)
       dP = Pressure Drop (bar)
        v = Specific volume of steam before control valve (m³/kg)          

4.5 อุปกรณ์อื่น ๆ  เช่น สตีมแทรป เลือกตามคู่มือของแต่ละยี่ห้อโดยพิจารณาความดันที่แตกต่าง (?P) ระหว่าง Steam Line กับ Condensated Line หรือที่เรียกว่า "Back Pressure" และปริมาณคอนเดนเสทที่คาดว่าจะเกิดขึ้น สตีมแทรปจะต้องมีขนาดที่เหมาะสมโดยจะต้องสามารถรับปริมาณคอนเดนเสทขณะเริ่มสตาร์ทได้โดยกำหนดค่า Safety Factor ในการเลือกขนาดไว้ตามตารางที่ 2

ความสามารถในการรับคอนเดนเสทของกับดักไอน้ำจะลดเมื่อมี Back Pressure ในระบบคอนเดนเสทและทำให้เกิด Flash Steam ขึ้น ตามตารางที่ 3

รูปที่ 3 ภาพรวมการจัดเรียงระบบไอน้ำ (Steam Loop)

วิธีการติดตั้งเกจวัดแรงดันแบบใหม่โดยไม่ต้องใช้ไซฟอน (Syphons) ดังแสดงในรูปที่ 4 ซึ่งจะทำให้เกจวัดแรงดันใช้งานได้นานขึ้น ไม่มีสนิมเข้าไปค้างใน Bellow Arms

รูปที่ 4 แสดงวิธีการติดตั้งเกจวัดแรงดันโดยไม่ต้องใช้ Syphons

ระบบไอน้ำมีรายละเอียดค่อนข้างมากในการออกแบบเพื่อให้มีประสิทธิภาพในการใช้งานไอน้ำและปลอดภัยจะต้องคำนึงถึงหลักที่ถูกต้องซึ่งแสดงตามรายละเอียดข้างต้นและสามารถนำไปเป็นแนวทางใช้งาน

1. M. M. EL-Wakil, Power Plant Technology, McGraw-Hill Book Co., Singapore, 1984.
2. www.energysolutionscenter.org
3. www.engineeringtoolbox.com/steam-pipes-sizes-d_258.html