เราจะหาอัตราการไหล (Flow Rate) ในโรงงานได้อย่างไร ถ้าไม่มีมาตรวัดอัตราการไหล (Flow Meter)

โดย Nattapong Pongboot

HIGHLIGHTS

  • ในกรณีที่ไม่มีมาตรวัดอัตราการไหลหรือมาตรวัดอ่านค่าไม่แม่นยำสามารถใช้พื้นฐานความรู้ทางวิศวกรรมเคมีและการประยุกต์ในการประมาณค่าอัตราการไหลในโรงงานได้

อัตราการไหลในโรงงานและปัญหาที่พบ

อัตราการไหล (Flow Rate) มีความจำเป็นต่อการควบคุมการผลิต (Process Control) และทำสมดุลมวล (Material Balance) ของโรงงาน วิศวกรโรงงานหลายๆท่านอาจจะเคยประสบปัญหาในการหาอัตราการไหลของของไหลในโรงงาน เช่น

  • ระบบไม่มีการติดตั้งมาตรวัดอัตราการไหลมาตั้งแต่ต้น เช่น ระบบการทำความสะอาด (Backwash) ของเครื่องกรองทราย (Sand Filter) ทำให้ไม่สามารถรู้ปริมาณน้ำที่ใช้ได้
  • มาตรวัดอัตราการไหลเสียหาย ทำงานผิดปกติหรือไม่แม่นยำ เช่น อัตราการไหลจริงอาจจะต่ำกว่าช่วงการทำงานที่เหมาะสมในการวัดของ ของ Vortex Flow Meter

คำถามคือแล้วเราจะรู้อัตราการไหลได้อย่างไร ถ้าไม่มีข้อมูลจากมาตรวัดอัตราการไหล?

ภาพที่ 1 เครื่องกรองทรายและระบบการทำงาน เครื่องกรองทรายในหลายๆโรงงานไม่มีการติดตั้งมาตรวัดอัตราการไหลสำหรับการทำความสะอาดถังกรองทราย

เทคนิคในการประมาณอัตราการไหลในโรงงานจากประสบการณ์ตรงของผู้เขียน

ในกรณีที่ไม่มีมาตรวัดอัตราการไหล หรือมาตรวัดอัตราการไหลไม่สามารถให้ข้อมูลที่ถูกต้องแม่นยำได้ เราสามารถประมาณอัตราการไหลได้หลากหลายวิธีเช่น

  1. ใช้วิธีการทำสมดุลมวล (Material Balance) เช่น ในกรณีที่เราพบว่าอัตราการไหลของ Top Product ไม่สมดุลกับปริมาณ Feed และอัตราการไหลของ Bottom Product เราอาจประมาณอัตราการไหลของ Top Product จากการทำสมดุลมวลได้ โดยมีข้อแม้ว่า หอกลั่นจะต้องอยู่ในสภาวะคงตัว (steady State) ไม่เกิดการท่วมของหอกลั่น (flooding) และอัตราการไหลของ Feed กับ Bottom Product มีความน่าเชื่อถือได้

โดยตัวอย่างในภาพที่ 2 นั้นสามารถประมาณ Top Product ได้จากสมการ:

Top Product = Feed – Bottom Product

ภาพที่ 2 หอกลั่นแยกอย่างง่าย (ที่มา https://neutrium.net/unit-operations/distillation-fundamentals/)

2. ใช้การวัดการเปลี่ยนแปลงของระดับถัง โดยอาจจะเป็นไปได้ทั้งถังกักเก็บต้นทาง และถังกักเก็บปลายทาง โดยสำหรับถังกักเก็บต้นทางจะต้องไม่มีของไหล ไหลเข้าถังขณะทำการวัด (ภาพที่ 3)

โดยสมการที่ใช้ในการประมาณอัตราการไหลของรูปที่ 3 แสดงได้ดังนี้:

Draw-off rate = (Initial Level – Final Level) x Cross Section Area of Tank/ Time between initial and final level

ในกรณีที่เป็นถังกักเก็บปลายทางก็สามารถใช้สมการในทำนองเดียวกันที่หาอัตราการเปลี่ยนแปลงของระดับถัง ทั้งนี้จะต้องไม่มีการดึงของเหลวออกจากถัง ณ ช่วงเวลาที่ทำการวัด จึงจะสามารถใช้วิธีการนี้ได้

ภาพที่ 3 ในกรณีที่ ไม่มีของไหลไหลเข้าถังกักเก็บต้นทาง สามารถใช้ระดับของเหลวในถังประมาณอัตราการดึงของเหลว (Draw-off rate) ออกจากถังได้

3. ใช้มาตรวัดอัตราการไหลแบบเปลี่ยนตำแหน่งการวัดได้ (Portable Flow Meter) เช่น Ultrasonic flow meter (รูปที่ 4) โดยจะวัดอัตราการไหลออกมาในรูปแบบของความเร็วของของไหล และแปลงเป็นอัตราการไหลเชิงปริมาตรโดยใช้ขนาดท่อ วิธีนี้อาจจะมีข้อจำกัดในกรณีที่ท่อมีความคดเคี้ยว หรือวัสดุของท่อบางประเภท ซึ่งอาจจะส่งผลต่อการทำงานและความแม่นยำในการอ่านค่า

ภาพที่ 4 ตัวอย่างการติดตั้ง Ultrasonic Flow Meter (ที่มา Flexsim)

4. ใช้ Pump Characteristic Curve ในการประมาณอัตราการไหล โดยมีขั้นตอนดังนี้

  • ใช้มาตรวัดความดัน (Pressure Gauge) วัดความดันของระบบสองจุด คือ PG1 ซึ่งจะบ่งบอกถึงความดันขาออก (discharge pressure) ของปั๊มหลัก (main pump) ที่กำลังทำงานอยู่ และ PG2 ซึ่งอยู่ด้านหลังปั๊มสำรอง (spare pump) จะบ่งบอกถึงความดันขาเข้า (suction pressure) ของปั๊มหลักดังแสดงในรูปที่ 4
รูปที่ 4 แผนภาพแสดงการทำงานของปั๊มและมาตรวัดความดัน ณ ตำแหน่งต่างๆ โดยมาตรวัดความดันที่อยู่ด้านหลังปั๊มสำรอง (PG2) จะบ่งบอกความดันขาเข้าของปั๊มหลัก

หลังจากเก็บข้อมูลความดันให้ใช้สมการด้านล่างแปลงข้อมูลความดันเป็น ΔHfield

Pdischarge –  Psuction = ρliquid g ΔHfield

Pdischarge  , ความดันขาออกของปั๊มหลักให้ใช้ PG1 ในรูปที่ 4
Psuction , ความดันขาเข้าของปั๊มหลักให้ใช้ PG2 ในรูปที่ 4
ρliquid , ความหนาแน่นของเหลว
g, ค่าความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วง ΔHfield

  • ใช้ ΔHfield ที่ได้จากการคำนวณในขั้นตอนก่อนหน้าประมาณค่าอัตราการไหล Qfield ดังแสดงในรูปที่ 5
รูปที่ 5 แสดงวิธีการประมาณอัตราการไหล Qfield  โดยใช้ Pump Characteristic Curve

โดยความถูกต้องของวิธีการประมาณด้วยวิธีนี้ ขึ้นกับว่าปั๊มที่ติดตั้งหน้างานทำงานสอดคล้องกับ Pump Characteristic Curve แค่ไหน เช่น มีลักษณะ ขนาดใบพัด รอบการหมุน ตรงกับที่ระบุไว้ใน Pump Datasheet และไม่มีความเสียหายของใบพัด เป็นต้น

5. ใช้ Control Valve Characteristic Curve ในการประมาณอัตราการไหล โดยมีขั้นตอนดังนี้

  • ใช้มาตรวัดความดัน (Pressure Gauge) วัดความดันของระบบสองจุด คือด้านหน้า (P1, upstream) และด้านหลัง (P2, downstream) ของ Control Valve และทำการเก็บข้อมูล %travel จริงของ Control Valve ดังแสดงในรูปที่ 6
รูปที่ 6 แผนภาพการติดตั้ง Control Valve และมาตรวัดความดัน (https://instrumentationtools.com/how-to-install-a-control-valve/)

หาค่า Cv จาก %travel จริงของ Control Valve ดังแสดงในรูปที่ 7

รูปที่ 7 ตัวอย่างของ Control Valve Characteristic Curve และการหาค่า C_v (https://fluidflowinfo.com/control-valve-sizing/)
  • หาค่า Q จาก Cv จริงของ และค่า SG ของ ของเหลวตามสมการด้านล่างโดย
  • Cv, สัมประสิทธิ์ของ Control Valve (flow coefficient)
  • Q, อัตราการไหลเชิงปริมาตร
  • P1, ความดันด้านหน้า Control Valve
  • P2, ความดันด้านหลัง Control Valve
  • SG, ค่าความถ่วงจำเพาะของของเหลว (Specific Gravity)

โดยความถูกต้องของวิธีการประมาณด้วยวิธีนี้ ขึ้นกับว่า Control Valve ที่ติดตั้งหน้างานทำงานสอดคล้องกับ Control Valve Characteristic Curve แค่ไหน เช่น โมเดลที่ใช้ตรงกัน ไม่มีการสึกหรอ หรืออุดตัน เป็นต้น โดยตัวอย่างของ Control Valve Characteristic Curve สามารถดูได้ในแหล่งอ้างอิงที่ 1 และ 2

ABOUT THE AUTHOR

Nattapong Pongboot

ปัจจุบันเป็นที่ปรึกษาอิสระ ผู้เขียนมีประสบการณ์กว่า 10 ปี ในอุตสาหกรรมการกลั่นน้ำมันและปิโตรเคมี กับบริษัทชั้นน้ำทั้งในไทยและต่างประเทศ และยังเป็นวิทยากรให้กับ http://www.chemengedu.com/

แหล่งอ้างอิง

Publications