การแก้ไขเมื่อเครื่องสูบน้ำใหญ่เกินไป

การออกแบบระบบท่อส่งน้ำของงานต่างๆ มักจะเลือกเครื่องสูบน้ำให้มีความดันและอัตราการไหลเผื่อสำหรับความไม่แน่นอนเนื่องจากยังไม่มีข้อมูลการใช้ ความดันตกของอุปกรณ์ โดยเฉพาะสภาพการใช้งานเช่นน้ำมีสารแขวนลอยที่ทำให้เกิดการสึกหรอหรือมีการตกตะกอนทำให้ท่อมีความดันเพิ่มขึ้น เมื่อใช้งานแล้วจึงมีโอกาสที่จะพบว่าเครื่องสูบน้ำที่เลือกมีขนาดใหญ่เกินไปได้มาก

ควรเลือกเครื่องสูบน้ำให้จุดทำงานของระบบส่งน้ำอยู่ใกล้จุดที่เครื่องสูบน้ำมีประสิทธิภาพสูงสุด (BEP, best efficiency point) จุดทำงานของเครื่องสูบน้ำที่ใหญ่เกินไปจะมีจุดทำงานอยู่ทางด้านซ้ายของจุดที่มีประสิทธิภาพสูงสุด ทำให้เกิดน้ำลัดที่ใบพัดแทนที่จะออกจากทางด้านท่อส่งมาก เกิดการกระแทกของน้ำ(cavitation) ประสิทธิภาพของเครื่องสูบน้ำต่ำเมื่ออัตราการไหลต่ำ ใช้พลังงานสำหรับเครื่องสูบน้ำมากเกินไป

การปรับการทำงานเพื่อแก้ไขปัญหาเนื่องจากการใช้เครื่องสูบน้ำใหญ่เกินไปนอกจากจะช่วยให้ประหยัดพลังงานแล้ว ยังเพิ่มความมั่นคงของระบบท่อส่งน้ำและเครื่องสูบน้ำ โดยลดการสั่นสะเทือนของเครื่องสูบน้ำ ยืดอายุการใช้งานของตลับลูกปืน ซีลและใบพัด บทความนี้จะอธิบายปัญหาที่เกิดขึ้นจากการใช้เครื่องสูบน้ำใหญ่เกินไป รวบรวมและอธิบายวิธีการแก้ไขปัญหาที่เกิดขึ้น แนวทางการเลือกวิธีการแก้ไขจากข้อดีที่ได้รับและความเหมาะสมกับระบบท่อส่งน้ำ

ปัญหาจากการใช้เครื่องสูบน้ำใหญ่เกินไป

เครื่องสูบน้ำมีหลายแบบ สำหรับระบบส่งน้ำใช้เครื่องสูบน้ำแบบแรงเหวี่ยง(Centrifugal pump)มากที่สุด ซึ่งแบ่งออกตามลักษณะการสร้างได้แก่ horizontal end suction, horizontal-split end-suction pump, horizontal multi-stage, vertical multi-stage และอื่นๆ รูปที่ 1.เป็นเครื่องสูบน้ำที่ใช้มากที่สุด horizontal end suction

รูปที่ 1.เครื่องสูบน้ำแบบแรงเหวี่ยง (Centrifugal pump) ภาพจากเครื่องสูบน้ำ Calpeda “NM”

รูปที่ 2.แสดงการทำงานเครื่องสูบน้ำมี 3ส่วน ส่วนบนสุดแสดงความดันและอัตราการไหลที่ขนาดใบพัดต่างๆ เมื่อความเร็วรอบมอเตอร์ 2900รอบ/นาที พร้อมประสิทธิภาพของเตรื่องสูบน้ำ ส่วนกลางแสดงการใช้ไฟฟ้าของเครื่องสูบน้ำจากการส่งน้ำที่อัตราการไหลตามขนาดใบพัด และส่วนล่างแสดงค่าNPSHความดันด้านดูดที่ต้องการเพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้เกิดน้ำกระแทก

ส่วนบนสุดพบว่าประสิทธิภาพสูงสุดคือ 79% ทางด้านซ้ายประสิทธิภาพต่ำสุดคือ 65% เพื่อประหยัดพลังงานจึงไม่ควรใช้บริเวณทางด้านซ้ายซึ่งมีประสิทธิภาพต่ำ ควรตรวจสอบว่าเครื่องสูบน้ำทำงานในบริเวณใด อัตราการไหลของเครื่องสูบน้ำและความดันสูงเกินไปสามารถแก้ความดันด้วยการใช้วาล์วควบคุมสร้างเพื่อสร้างความดันตก

รูปที่ 2.แผนภูมิการทำงานเครื่องสูบน้ำ horizontal end suction ที่ใช้เป็นตัวอย่าง (Calpeda NM 100/200)

รูปที่ 3.แสดงการเกิดน้ำกระแทกที่ใบพัดของเครื่องสูบน้ำเนื่องจากความดันด้านดูด ด้านซ้ายของรูปแสดงความดันตามระยะที่น้ำเคลื่อนที่ผ่านเครื่องสูบน้ำ ที่ทางเข้าใบพัดน้ำจะมีความเร็วสูงสุดทำให้มีความดันตก ซ้ายบนมีความดันสูงกว่าความดันไอของน้ำจึงไม่ทำให้เกิดน้ำกระแทก ส่วนด้านล่างซ้ายความดันตกที่ทางเข้าของใบพัดต่ำกว่าความดันไอที่อุณหภูมิน้ำ น้ำจึงกลายเป็นไอและกลับเป็นน้ำเมื่อไหลผ่านส่วนที่ความดันสูงขึ้น ไอจึงลดปริมาตรทำให้เกิดน้ำกระแทกขึ้น ผู้ผลิตจะทดสอบความดันตกที่ทางเข้าใบพัดตามวิธีการของ Hydraulic Institute และแสดงค่าความดันตกดานดูดที่ความดันตกไม่เกิน 3%ของความดันจ่ายจากเครื่องสูบน้ำ รูปที่ 2.ล่างสุดจึงไม่มีข้อมูลความดันตกด้านดูดที่เครื่องสูบน้ำต้องการเมื่ออัตราการไหลต่ำ จึงสามารถเกิดน้ำกระแทกในบริเวณนี้ได้และไม่ควรใช้เครื่องสูบน้ำในบริเวณนี้

รูปที่ 3. การเกิดน้ำกระแทกที่ใบพัดของเครื่องสูบน้ำเนื่องจากความดันด้านดูด

รูปที่ 4.แสดงเส้นการไหลของน้ำในใบพัดเครื่องสูบน้ำและบริเวณที่เกิดในแผนภูมิการทำงานของเครื่องสูบน้ำ ที่อัตราการไหลต่ำจะมีน้ำไหลวนอยู่ในใบพัดทำให้ประสิทธิภาพต่ำและมีความดันตกมากซึ่งทำให้เกิดการสึกหรอที่ใบพัดและเสริมเหตุผลที่ไม่ควรใช้เครื่องสูบน้ำที่อัตราการไหลต่ำ สรุปปัญหาที่เกิดขึ้นในการใช้เครื่องสูบน้ำได้ตามรูปที่ 5.

รูปที่ 4.การเกิดการหมุนวนของน้ำเมื่ออัตราการไหลของน้ำต่ำซึ่งอาจทำให้เกิดน้ำกระแทก ภาพจาก Troubleshooting Centrifugal Pumps and their Systems, Ron Palgrave

รูปที่ 5. สรุปปัญหาที่เกิดขึ้นจากการที่เครื่องสูบน้ำทำงานห่างจากจุดประสิทธิภาพสูงสุด (Best efficiency point, BEP)

แนวทางที่เป็นไปได้เพื่อแก้ไขระบบท่อส่งน้ำที่มีเครื่องสูบน้ำใหญ่เกินไปมีดังต่อไปนี้

1. ติดตั้งเครื่องสูบน้ำใหม่

2. ปรับวิธีการควบคุมเครื่องสูบน้ำให้มีระบบท่อวน (recirculation)

3. เจียรใบพัดของเครื่องสูบน้ำให้มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กลง

4. ลดความเร็วรอบของเครื่องสูบน้ำ

5. ติดตั้งอุปกรณ์ VSD

การติดตั้งเครื่องสูบน้ำใหม่

การเปลี่ยนเครื่องสูบน้ำใหม่เป็นวิธีการที่ใช้เงินลงทุนมากที่สุด และจะคุ้มค่าการลงทุนก็เมื่อการประหยัดพลังงานจากการติดตั้งมากพอ หรือระบบส่งน้ำมีความมั่นคงเพิ่มขึ้นและให้ผลตอบแทนจากระบบดีกว่าที่เป็นอยู่ การเปลี่ยนเครื่องสูบน้ำใหม่มักจะต้องเปลี่ยนขนาดแท่นเครื่องสูบน้ำและปรับเปลี่ยนท่อเข้าและออก จึงทำให้วิธีนี้เป็นทางเลือกสุดท้ายเมื่อไม่มีวิธีอื่นที่เหมาะสม และสำหรับเครื่องสูบน้ำที่เลือกมาใหม่ก็จะต้องตรวจสอบการติดตั้ง การต่อท่อเข้า แท่นเครื่อง และอื่นๆที่อาจไม่ได้คำนึงถึงในการติดตั้งเครื่องสูบน้ำชุดแรกด้วย

รูปที่ 6.การทำงานเครื่องสูบน้ำ horizontal end suction ที่ใช้เป็นตัวอย่าง (Calpeda NM 65/250)

เมื่อใช้เครื่องสูบน้ำใหญ่ตามรูปที่ 2.วัดอัตราการไหลได้ 100 ลบ.ม./ชม.ที่ความดัน 60 ม.ซึ่งอยู่ทางด้านซ้ายของจุดประสิทธิภาพสูงสุด อยู่นอกเส้นประสิทธิภาพและเส้นความดันด้านดูดที่ต้องการจึงไม่เหมาะสมที่จะใช้งาน เมื่อเลือกเครื่องสูบน้ำใหม่ตามรูปที่ 5.จะใช้ไฟฟ้าเพียง 24 กิโลวัตต์ จากเดิม 29 กิโลวัตต์ตามรูปที่ 2.ลดลง 5 กิโลวัตต์ ถ้าใช้งาน 24 ชม/วัน 360 วัน/ปี จะประหยัดไฟฟ้า 43,200 หน่วย/ปี เท่ากับประหยัดได้ 129,600 บาท/ปี

การเพิ่มการไหลของน้ำด้วยท่อวนกลับ

การติดตั้งท่อวนน้ำตามรูปที่ 7.ทำให้สามารถเพิ่มอัตราการไหลของเครื่องสูบน้ำให้สูงขึ้น โดยใช้แผ่นออริฟิสเป็นอุปกรณ์เพื่อลดตวามดันจากด้านส่งของเครื่องสูบน้ำกลับมาที่ด้านดูด แต่อัตราการไหลของน้ำวนกลับอาจเปลี่ยนแปลงไปตามการใช้ซึ่งจะมีผลต่อการทำงานของเครื่องสูบน้ำจึงควรมีระบบควบคุมอัตราการไหลของน้ำที่วนกลับซึ่งจะไม่อธิบายในบทความนี้

รูปที่ 7.แผนผังการติดตั้งท่อวนน้ำ จาก Pump HandbookIgor J. Karassik: Joseph P. Messina, Paul Cooper, Charles C. Heald: McGRAW-HILL

ปกติการติดตั้งท่อวนในลักษณะนี้จะใช้กับเครื่องสูบน้ำขนาดใหญ่ที่เรียกว่า Minimum flow เครื่องสูบน้ำต้องสร้างความดันเมื่อเริ่มทำงานเพื่อเอาชนะความดันในระบบท่อส่งน้ำก่อนจึงจะเปิดน้ำให้ไหลเข้าระบบท่อส่งน้ำได้ ถ้าช่วงนี้ไม่มีการไหลพลังงานจะเปลี่ยนเป็นความร้อนในเครื่องสูบน้ำทำให้เกิดน้ำกระแทกใบพัดจนเกิดความเสียหายได้ จึงใช้วาล์วควบคุมเปิดให้น้ำไหลออกจากเครื่องสูบน้ำเพื่อระบายความร้อนวนกลับไปที่ถังน้ำ

การติดตั้งท่อวนน้ำช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของเครื่องสูบน้ำเพื่อให้จุดทำงานของระบบท่อบนแผนภูมิการทำงานของเครื่องสูบน้ำย้ายจากด้านซ้ายมาทางด้านขวา เพื่อให้ใกล้จุดที่มีประสิทธิภาพสูงสุด แต่จะทำให้เครื่องสูบน้ำใช้พลังงานมากขึ้น จึงเหมาะสำหรับเครื่องสูบน้ำขนาดเล็กที่ใช้กับอัตราการไหลน้อย การเพิ่มอัตราการไหลด้วยท่อวนน้ำจึงใช้พลังงานเพิ่มขึ้นน้อยมีผลกระทบกับค่าพลังงานน้อย

ตัวอย่างการแก้ไขด้วยการติดตั้งท่อวนน้ำในรูปที่ 8.เมื่ออัตราการไหลของน้ำเพิ่มขึ้นจาก 100 ลบ.ม./ชม. เป็น 150 ลบ.ม./ชม. การทำงานของเครื่องสูบน้ำจะมั่นคงขึ้น จุดทำงานเข้าใกล้จุดประสิทธิภาพสูงสุดของเครื่องสูบน้ำมากขึ้น ประสิทธิภาพเพิ่มขึ้นเป็น 69% และการทำงานอยู่ในบริเวณที่มีค่าความดันด้านดูดที่ต้องการ ถ้าติดตั้งถูกต้องจะไม่เกิดน้ำกระแทก แต่ทำให้ใช้ไฟฟ้าเพิ่มขึ้นเป็น 35 กิโลวัตต์ นั่นคือใช้ไฟฟ้าเพิ่มขึ้น 5 กิโลวัตต์ ถ้าใช้งาน 24 ชม/วัน 360 วัน/ปี จะเสียค่าไฟฟ้าเพิ่มขึ้น 43,200 หน่วย/ปี เท่ากับต้องจ่ายค่าไฟฟ้าเพิ่มขึ้น 129,600 บาท/ปี ถ้าเปรียบเทียบราคาเครื่องสูบน้ำใหม่จากวิธีแรกซึ่งช่วยให้ประหยัดค่าไฟฟ้ามากขึ้น กับวิธีนี้ที่ต้องเสียค่าไฟฟ้าเพิ่มขึ้นเท่าๆกัน ในกรณีนี้ควรจะใช้วิธีแรก

รูปที่ 8.การทำงานของเครื่องสูบน้ำตัวอย่างเมื่อเพิ่มอัตราการไหลของน้ำด้วยการติดตั้งท่อวนน้ำ

การเจียรใบพัดเครื่องสูบน้ำ

หลังจากติดตั้งระบบส่งน้ำ การปรับอัตราการไหลของน้ำจะทำด้วยวาล์วควบคุม ถึงแม้เครื่องสูบน้ำจะใหญ่เกินไปวาล์วควบคุมก็สามารถจะปรับอัตราการส่งน้ำให้เป็นไปตามความต้องการได้ ความสัมพันธ์ของตำแหน่งวาล์วควบคุมกับอัตราการไหลแบ่งออกเป็นหลายลักษณะตามรูปที่ 9. วาล์วที่เปิดเร็วจะเปลี่ยนอัตราการไหลได้มากโดยเปลี่ยนตำแหน่งก้านเพียงเล็กน้อย (เส้นบน) วาล์วแบบเส้นตรงจะมีอัตราการไหลเปลี่ยนแปลงตามตำแหน่งของก้านวาล์วเป็นเส้นตรง (เส้นกลาง) และวาล์วแบบการเปลี่ยนอัตราการไหลคงที่ทุกตำแหน่งของวาล์ว (เส้นล่างสุด)

รูปที่ 9.ความสัมพันธ์ของตำแหน่งการเปิดของวาล์วควบคุมและอัตราการไหล

ระบบส่งน้ำมีการทำงานตามรูปที่ 10. เครื่องสูบน้ำที่เลือกจะส่งน้ำด้วยอัตราการไหลแตกต่างกันตามความดันซึ่งเครื่องสูบน้ำสร้างขึ้น (ดูได้ตามเส้นเครื่องสูบน้ำ) ระบบท่อและข้อต่อจะมีความดันตกตามเส้นความดันตกซึ่งเท่ากับอัตราการไหลยกกำลังสอง การปรับตำแหน่งวาล์วควบคุม(ส่วนล่างสุด)จะสร้างความดันตกที่วาล์วทำให้ได้อัตราการไหลที่ต้องการ เมื่อความดันที่สร้างด้วยเครื่องสูบน้ำเท่ากับผลรวมของความดันตกในระบบท่อและความดันตกที่วาล์ว จึงใช้วาล์วปรับอัตราการไหลได้ด้วยการปรับตำแหน่งวาล์ว

รูปที่ 10. การทำงานของระบบส่งน้ำ ประกอบด้วยเครื่องสูบน้ำ ระบบท่อและการทำงานของวาล์วควบคุม

เครื่องสูบน้ำที่ใหญ่จะทำงานที่อัตราการไหลของน้ำอยู่ทางด้านซ้ายของจุดประสิทธิภาพสูงสุดของเครื่องสูบน้ำ การเจียรใบพัดให้เล็กลงจะลดความดันที่ใบพัดสร้างขึ้นและทำให้ใช้พลังงานลดลง แต่ความดันของเครื่องสูบน้ำจะเหลือพอหรือไม่ ควรจะตรวจสอบด้วยการตรวจวัดความดันที่ท่อก่อนเข้าและหลังวาล์วควบคุมเพื่อหาความดันตกที่วาล์วควบคุม และใช้เขียนเส้นระบบท่อตามรูปที่ 9.โดยใช้สมการต่อไปนี้

ความดันของระบบท่อ = อัตราการไหลยกกำลังสอง + ความดันด้านดูด + ความดันที่จุดใช้งาน (1)

ตามตัวอย่างในรูปที่ 10 การทำงานยังอยู่ในบริเวณที่สามารถยอมรับได้ อัตราการไหล 150 ลบ.ม./ชม. ความดัน 60 ม.ใช้ไฟฟ้า 35 กิโลวัตต์ วัดความดันเข้าวาล์วควบคุมได้ 35 ม. ความดันออกได้ 60 ม. ความดันด้านดูดของเครื่องสูบน้ำ 20 ม. ความดันที่ต้องการที่จุดใช้งาน 10 ม.

ความดันตกเท่ากับ = 60 - 35 = 25 ม.

ความดันระบบท่อเมื่ออัตราการไหล 0 = 20 +10 = 30 ม.

เขียนเส้นระบบท่อเป็นเส้นสมการกำลังสองให้จุดเริ่มต้นอยู่ที่ 30 ม. และจุดทำงานอยู่ที่อัตราการไหล 150 ลบ.ม./ชม. ความดันก่อนเข้าวาล์ว 35 ม. ถ้าอัตราการไหลสูงสุดของระบน้ำใช้ 240 ลบ.ม./ชม. สามารถเจียรใบพัดลงเหลือใบ B ถ้าอัตราการไหลสูงสุดน้อยกว่านี้ก็สามารถจะเจียรใบพัดลงได้อีก

รูปที่ 11. ถ้าเจียรใบพัดลงมาที่ใบ B จะลดการใช้ไฟฟ้าลงเป็น 30 กิโลวัตต์ จะช่วยลดการใช้ไฟฟ้าได้ 5 กิโลวัตต์ ถ้าใช้งาน 24 ชม/วัน 360 วัน/ปี จะเสียค่าไฟฟ้าลดลง 43,200 หน่วย/ปี เท่ากับลดค่าไฟฟ้าได้ 129,600 บาท/ปี และทำให้ประสิทธิภาพเครื่องสูบน้ำสูงขึ้นเล็กน้อย

รูปที่ 11.ทำงานของเครื่องสูบน้ำตัวอย่างและการเจียรใบพัดแก้ไขให้เครื่องสูบน้ำทำงานประหยัดขึ้น

ตำแหน่งของวาล์วควบคุมช่วยสะท้อนถึงความดันได้ส่วนหนึ่ง แต่ก็ไม่จริงเสมอไปเพราะอาจเลือกวาล์วควบคุมใหญ่เกินไปทำให้ต้องเปิดวาวล์น้อย การเลือกวาล์วควรคำนวณความดันตกที่วาล์วควบคุมเมื่อเปิดวาล์วสุดเพื่อคำนวณอัตราการไหลสูงสุดผ่านวาล์วเทียบอัตราการไหลสูงสุดของเครื่องสูบน้ำและความต้องการอัตราการไหลสูงสุดของระบบส่งน้ำ ในทางปฏิบัติจะเลือกขนาดวาล์วควบคุมเล็กกว่าขนาดท่อหนึ่งขนาด

ถ้าไม่เปลี่ยนวาล์วควบคุมให้เล็กลง เมื่อเจียรใบพัดแล้วความต้องการความดันตกจะลดลงเองทำให้ตำแหน่งที่เปิดวาล์วควบคุมจึงมากขึ้นด้วยเพื่อลดความดันตกที่วาล์วให้เหมาะสม

การลดความเร็วรอบของเครื่องสูบน้ำ

การลดความเร็วรอบจะช่วยลดการกระแทกของน้ำโดยลดความดันด้านดูดที่ต้องการ (NPSHr, net positive suction head required) โอกาสที่จะเกิดน้ำกระแทกและการสั่นสะเทือนน้อยลง ช่วยยืดอายุการทำงานของตลับลูกปืน และประหยัดพลังงาน

การลดความเร็วรอบเครื่องสูบน้ำในที่นี้ใช้วิธีการเปลี่ยนมอเตอร์ที่จำนวนขั้วมากขึ้น ซึ่งจะทำให้ความเร็วรอบลดลง ก่อนใช้ต้องพิจารณาความเป็นไปได้จากการทำงานของเครื่องสูบน้ำปัจจุบันและข้อมูลของเครื่องสูบน้ำที่ความเร็วรอบอื่นๆ ซึ่งถ้าไม่มีข้อมูลก็สามารถคำนวณได้จาก กฎของความเหมือน (Affinity law) ดังสมการต่อไปนี้

Q ~ RPM

Q1/Q2 = RPM1/RPM2 (2.)

เมื่อตัวแปรอื่นๆมีค่าคงที่

H ~ RPM^2

H1/H2 = (RPM1/RPM2)^2 (3.)

เมื่อตัวแปรอื่นๆมีค่าคงที่

BHP ~ RPM^3

BHP1/BHP2 = (RPM1/RPM2)^3 (4.)

เมื่อตัวแปรอื่นๆมีค่าคงที่

มอเตอร์ให้ความเร็วรอบตามจำนวนขั้วของมอเตอร์ตามสมการ

ความเร็วรอบ, RPM = 120 x (1 – s) x f / p (5.)

เมื่อ f คือความถี่ของแหล่งจ่ายไฟ

p คือจำนวนขั้วมอเตอร์

s คือคือค่าสลิปเนื่องมาจากโหลด

มอเตอร์ 2, 4, 6 และ 8 ขั้วจึงมีความเร็วรอบ 3000, 1500, 1000 และ 750 รอบ/นาที เมื่อ s = 0

ใช้ตัวอย่างเดียวกับรูปที่ 10.เปลี่ยนมอเตอร์เป็น 4ขั้ว ใช้สมการที่ 3. คำนวณความดันจากเครื่องสูบน้ำได้ดังนี้

ความดันจากเครื่องสูบน้ำ = 60 x (1500/3000)^2 = 15 ม.

ไม่พอสำหรับระบบท่อตามตัวอย่างรูปที่ 10. จะต้องเปลี่ยนใบพัดให้ใหญ่ขึ้นอีกหลายขนาดซึ่งจะไม่สามารถใส่กับเรือนเครื่องสูบน้ำตามตัวอย่างได้ การใช้วิธีนี้จึงจำกัดเฉพาะเมื่อเครื่องสูบน้ำเดิมได้ใช้ใบพัดเล็กกว่าปกติมากอยู่แล้ว ทั้งนี้การเปลี่ยนทั้งมอเตอร์และใบพัดมีค่าใช้จ่ายมาก จึงเป็นวิธีที่มีโอกาสใช้ได้น้อย

การติดตั้งอุปกรณ์ VSD

การติดตั้งอุปกรณ์ VSD(Variable speed drive) คือการติดตั้งอินเวอร์เตอร์(Inverter) เพื่อปรับเปลี่ยนความเร็วรอบของมอเตอร์เครื่องสูบน้ำ เพื่อลดพลังงานสูญเสียที่เกิดจากการใช้วาล์วควบคุมปรับความดัน ระบบท่อที่มีความดันตกจากความเสียดทานของท่อสูงหรือมีความดันตกจากความยาวท่อมากกว่าความดันจากการต่างระดับ และมีการเปลี่ยนแปลงอัตราการไหลมาก จะสามารถการประหยัดพลังงานมากกว่าระบบท่อที่มีจุดใช้งานมากหรือมีวาล์วควบคุมมากแสดงว่าจะมีอัตราการไหลของระบบรวมมาก เนื่องจากเครื่องสูบน้ำจะต้องทำงานที่ความดันสูงสุดของจุดใช้งานและมีอัตราการส่งน้ำตามจุดใช้งานโดยรวม

รูปที่ 12.การประหยัดพลังงานจากการปรับเปลี่ยนความเร็วรอบของเครื่องสูบน้ำ

มอเตอร์เป็นอุปกรณ์ใช้ขับเครื่องสูบน้ำ สามารถกำหนดความเร็วของมอเตอร์ได้ตามความต้องการของเครื่องสูบน้ำ แรงบิดของโหลด โดยการปรับความถี่ของแหล่งจ่ายไฟที่ใช้กับมอเตอร์ และแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายให้กับมอเตอร์ ความเร็วของมอเตอร์สามารถหาได้จากสมการที่ 5., 6., และ 7.

kW = แรงบิด x ความเร็วรอบ (6.)

= แรงดัน^2 x ความต้านทานไฟฟ้า (7.)

จากสมการที่ 5. จะเห็นว่าความถี่ของแหล่งจ่ายไฟสามารถเปลี่ยนความเร็วของมอเตอร์ได้ สมการที่ 6. เมื่อโหลดไม่ต้องการความเร็วรอบเต็มที่ กำลังของมอเตอร์ก็ไม่ต้องสูงจึงประหยัดพลังงานได้ และสมการที่ 7.เมื่อต้องการกำลังมอเตอร์ลดลง ก็จะต้องแรงดันไฟฟ้า ถ้าลดความถี่โดยให้แรงดันคงที่ จะมีผลทำให้เกิดฟลักส์แม่เหล็กเพิ่มมากขึ้นจนอิ่มตัวทำให้มอเตอร์ร้อนจนเกิดความเสียหาย จึงต้องเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าควบคู่ไปกับความถี่ด้วย

เมื่อติดตั้งอินเวอร์เตอร์เข้ากับมอเตอร์เครื่องสูบน้ำ อุปกรณ์จะเปลี่ยนความเร็วรอบเครื่องสูบน้ำในรูปที่ 12. เส้นเครื่องสูบน้ำจะเปลี่ยนไปเมื่อเปลี่ยนความเร็วรอบเป็น 1350 รอบ/นาที จุดตัดของเส้นเตรื่องสูบน้ำกับเส้นระบบใหม่เป็นจุดการทำงานใหม่ของระบบส่งน้ำ อัตราการส่งน้ำลดลง และกำลังของมอเตอร์ลดลง จะเห็นได้ว่าการเปลี่ยนอัตราการส่งน้ำทำโดยการลดความเร็วรอบเพียงเล็กน้อย และเมื่อไม่มีการส่งน้ำ ความเร็วรอบของมอเตอร์ยังมากกว่า 1184 รอบ/นาที เพื่อสร้างความดัน

การลดความเร็วรอบของเครื่องสูบน้ำจะลดแรงน้ำที่ใบพัดเครื่องสูบน้ำทำให้ลูกปืนมีอายุการใช้งานนานขึ้น และมีผลต่อความดันตกที่ทางเช้าใบพัดลดลงน้อยกว่าที่ใช้ความเร็วรอบสูงการเกิดการกระแทก (Cavitation) จึงน้อยลง สำหรับเครื่องสูบน้ำที่มีขนาดใหญ่ การเลือกอินเวอร์เตอร์จะต้องเลือกที่อัตราการส่งน้ำสูงสุดของเครื่องสูบน้ำ เพื่อให้เครื่องสูบน้ำมีประสิทธิภาพสูงสุด จากนั้นอินเวอร์เตอร์จะช่วยประหยัดพลังงานตามรูปที่ 13. นั่นคือรักษาประสิทธิภาพของเครื่องสูบน้ำตลอดการทำงานของเครื่องสูบน้ำ

รูปที่ 13. แผนภูมิตัวอย่างการทำงานของระบบส่งน้ำอาคารสูงแสดงเส้นระบบบนแผนภูมิการทำงานของเครื่องสูบน้ำ เมื่อลดความเร็วรอบเครื่องสูบน้ำ

อินเวอร์เตอร์เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ซึ่งมีลักษณะการทำงานตามรูปที่ 14. ชุดอินเวอร์เตอร์ประกอบด้วยคอนเวอร์เตอร์ (Converter) อินเวอร์เตอร์ และระบบควบคุม ไฟฟ้ากระแสสลับจะถูกแปลงเป๊นไฟฟ้ากระแสตรงด้วยคอนเวอร์เตอร์ จากนั้นอินเวอร์เตอร์จะเปลี่ยนไฟฟ้ากระแสตรงเป็นไฟฟ้กระแสสลับที่มีความถี่และแรงดันเพื่อควบคุมความเร็วรอบของมอเตอร์ตามที่จะสั่งจากชุดควบคุม

รูปที่ 14. แผนผังการทำงานของอุปกรณ์อินเวอร์เตอร์

อิเวอร์เตอร์มีทำงานเพื่อควบคุมมอเตอร์ ดังต่อไปนี้

1. การสตาร์ท อินเวอร์เตอร์จะให้ความถี่สตาร์ทและจะค่อย ๆ เพิ่มความถี่ขึ้น มอเตอร์จะมีแรงบิดเพิ่มขึ้นจนกระทั่งแรงบิดของมอเตอร์สูงกว่าแรงบิดของโหลด มอเตอร์จึงเริ่มหมุน

2. การเร่งความเร็วและการเดินเครื่องด้วยความเร็วคงที่ หลังจากมอเตอร์เริ่มหมุน อินเวอร์เตอร์จะค่อยๆ เพิ่มความถี่ขึ้น จนถึงความถี่ที่ต้องการ ช่วงเวลาในการเพิ่มความถี่นี้คือช่วงเวลาการเร่งความเร็ว และเมื่อความถี่เท่ากับความถี่ที่ต้องการ มอเตอร์จะหมุนด้วยความเร็วคงที่ สำหรับการเลือกใช้อินเวอร์เตอร์เราจะต้องพิจารณา Acceleration Torqueให้ถูกต้อง ถ้าเราเลือกผิดจะมีปัญหาดังนี้

- การปรับตั้ง Acceleration Torque ผิดจะทำให้อินเวอร์เตอร์ตัดวงจร (Trip, Fault)

- หากปรับตั้ง Acceleration Torque สูงมากเกินไปจะทำให้เครื่องจักรเสียหายได้

3. การลดความเร็ว อินเวอร์เตอร์จะลดความถี่ลงมาเรื่อย ๆ ตามช่วง เวลาการลดความเร็วที่ได้ตั้งไว้ ในขณะลดความถี่ ความเร็วรอบของมอเตอร์จะมีค่ามากกว่าความถี่จากอินเวอร์เตอร์ มอเตอร์จะทำงาน เหมือนเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ผลิตไฟจ่ายกลับไปให้อินเวอร์เตอร์ (regeneration) ทำให้แรงดันไฟตรง (แรงดัน คร่อมคอนเดนเซอร์) มีค่าเพิ่มขึ้น ดังนั้นภายในอินเวอร์เตอร์จะมีวงจรที่ทำหน้าที่รับพลังงานที่เกิดจากการ regeneration ซึ่งจะมีผลทำให้เกิดการเบรคมอเตอร์ วงจรนี้เรียกว่าวงจรเบรคคืนพลังงาน ในช่วงการลดความเร็วจะทำงานในลักษณะนี้หลาย ๆ ครั้ง ถ้าพลังงานมีค่าน้อย (แรงบิดที่จำเป็นสำหรับการลดความเร็วมีค่าน้อย) อัตราการใช้งานวงจรเบรคก็จะต่ำ บางครั้งอาจจะไม่จำเป็นต้องใช้

ในการเลือกใช้อินเวอร์เตอร์ ทำไมต้องพิจารณา Deceleration Torque

- ขณะมอเตอร์ลดความเร็ว มอเตอร์จะจ่ายพลังงานคืนให้กับระบบและตัวอินเวอร์เตอร์ดังนั้นถ้าเราตั้งค่าไม่ถูกต้องจะทำให้อินเวอร์เตอร์ตัดวงจร (trip, fault)

- แรงบิดขณะลดความเร็ว (Deceleration Torque) หากมีค่าสูงเกินไป สามารถทำให้เครื่องจักรเสียหายได้

4. การหยุด อินเวอร์เตอร์จะลดความถี่ลงจนถึงระดับหนึ่ง และจะผลิตไฟตรงเข้าไปในมอเตอร์เพื่อทำงานเป็นเบรค จนมอเตอร์หยุด เรียกว่า การเบรคด้วยไฟตรง

การเลือกอินเวอร์เตอร์ เครื่องสูบน้ำมีลักษณะของโหลดแบบแรงบิดไม่คงที่ (Variable Torque Load) การเลือกมอเตอร์เพื่อขับเครื่องสูบน้ำอย่างเหมาะสม จะต้องทราบความเร็วและแรงบิดที่ต้องการ เพื่อใช้ในการคำนวนค่ากำลังของมอเตอร์จากสมการที่ 6.และ 7.พิจารณาช่วงความเร็วรอบ ความร้อนและประสิทธิภาพของมอเตอร์ ความเร็วรอบสูงสุดของมอเตอร์ การปรับตั้งอินเวอร์เตอร์เพื่อควบคุมดวามเร็วของเครื่องสูบน้ำ ควรตั้งค่าความเร็วสูงสุด ไว้ที่อัตราการไหลที่ต้องการ การตั้งค่าไม่เหมาะสมจะทำให้มอเตอร์ทำงานโอเวอร์โหลด

แรงบิดตอนสตาร์ทของเครื่องสูบน้ำ(Breakaway Torque) หมายถึงแรงบิดตอนสตาร์ทออกตัวที่เครื่องสูบน้ำต้องการ เพื่อให้เครื่องสูบน้ำหมุนได้และเป็นตัวกำหนดค่ากระแสที่พิกัดของอินเวอร์เตอร์ด้วย ส่วนใหญ่จะบอกค่าเป็นเปอร์เซ็นต์ของแรงบิดเมื่อเครื่องสูบน้ำทำงานเต็มที่ (Full Load) Breakaway Torque ของเครื่องสูบน้ำแต่ละประเภทจะไม่เหมือนกัน เมื่อเลือกใช้อินเวอร์เตอร์ ต้องพิจารณาค่านี้เสมอ ถ้าหากเราเลือกค่านี้ผิด จะทำให้อินเวอร์เตอร์ทำงานไม่ได้และมอเตอร์จะไม่สามารถสตาร์ทออกตัวได้

สรุปข้อดีของการใช้อุปกรณ์ปรับความเร็วรอบมอเตอร์มีดังนี้

- การสตาร์ทที่นุ่มนวล (Soft Start)

- ไม่มีการกระชากของกระแส (Inrush Current)

- สามารถปรับอัตราเร่งและอัตราหน่วงได้

- สามารถควบคุมได้จากระยะไกล (Remote Control)

- สามารถควบคุมการทำงานโดยกต่อเชื่อมกับสัญญานจากอุปกรณ์ว้ด

- มีระบบ Protection ลดค่าใช้จ่ายในการซ่อมบำรุง เช่น ป้องกันมอเตอร์ไหม้ ป้องกันไฟขาดเฟส ป้องกันแรงดันไฟฟ้าสูง/ต่ำเกินไป เป็นต้น

- ประหยัดพลังงาน (Energy Saving)

ข้อควรระวังคือ อินเวอร์เตอร์เป็นแหล่งกำเนิดปัญหาฮาโมนิคส์ (Harmonics) ซึ่งเป็นความบิดเบือน (Distortion) ในระบบไฟฟ้ากำลังซึ่งอาจทำให้เกิดรีโซแนนซ์ (Resonance) ทำให้อุปกรณ์ไฟฟ้าต่างๆเกิดความร้อน เบรกเกอร์ตัด ฟิวส์ระเบิด มิเตอร์อ่านผิดพลาด และอุปกรณ์ไฟฟ้ามีอายุการใช้งานลดลง อินเวอร์เตอร์จึงต้องมีอุปกรณ์กรองฮาโมนิคส์ไม่ให้มีค่าเกินมาตรฐาน EMC(ElectroMagnetic Compatibility)

บทส่งท้าย

ก่อนที่จะแก้ไขปัญหาเครื่องสูบน้ำจะต้องตรวจวัดการทำงานของระบบส่งน้ำที่ใช้อยู่ปัจจุบันเพื่อให้ทราบปัญหา การตรวจวัดต้องการเครื่องวัดอัตราการไหลแบบอัลตร้าโซนิก(Ultrasonic flow meter)ซึ่งติดตั้งที่ท่อตรงด้านนอกท่อได้โดยไม่ต้องตัดต่อท่อ จำเป็นต้องเจาะท่อเพื่อติดตั้งอุปกรณ์วัดความดันที่ก่อนและหลังวาล์ควบคุม มีแผนภูมิการทำงานของเครื่องสูบน้ำ

เมื่อเครื่องสูบน้ำใหญ่กว่าความต้องการมาก การเปลี่ยนเครื่องสูบน้ำที่เหมาะสมมีความเป็นไปได้ตามกรณีแรกส่วนการต่อท่อวนกลับจะใช้สำหรับการเริ่มเดินเครื่องของเครื่องสูบน้ำใหญ่เท่านั้น ไม่เหมาะสำหรับการใช้ต่อเนื่อง เพราะจะสูญเสียพลังงานมาก การเจียรลดขนาดของใบพัดเครื่องสูบน้ำช่วยลดการใช้พลังงานโดยใช้เงินลงทุนน้อยที่สุด เหมาะสำหรับเมื่อแน่ใจขอบเขตการทำงานของระบบส่งน้ำเพราะเมื่อเจียรแล้วจะต้องเปลี่ยนใบพัดใหม่ในภายหลังไม่ได้ การเปลี่ยนมอเตอร์ที่มีจำนวนขั้วมากขึ้นทำให้สามารถลดความเร็วรอบมีความเป็นไปได้น้อยที่สุด ส่วนการติดตั้งอุปกรณ์ VSD มีความยืดหยุ่นดีที่สุด แต่ก็มีผลกระทบมาก จะต้องคำนึงถึงต้นทุนการแก้ไขผลกระทบด้วย

ควรตรวจสอบวิธีการแก้ไขแต่ละวิธีที่มีความเป็นไปได้ตามที่อธิบายไว้แล้วข้างต้น เปรียบเทียบหาวิธีที่เหมาะสมที่สุดในแต่ละกรณ๊ เพื่อให้มีการลงทุนปรับปรุงน้อยที่สุด มีค่าลงทุนมากกว่าแต่ได้ผลตอบแทนจากการประหยัดพลังงานมากกว่า คืนทุนเร็วกว่า ให้ความมั่นคงของระบบส่งน้ำมากกว่า มีอายุการใช้งานของเครื่องสูบน้ำมากกว่า มีผลกระทบแก่ระบบที่เกี่ยวข้องน้อยกว่า และต้องคำนึงถึงการแก้ไขผลกระทบที่จะเกิดขึ้นจากการแก้ไขด้วย