บทนำ (INTRODUCTION)
ในบทนี้จะอธิบายถึงหลักการทำงาน หลักการควบคุมและการปรับปรุงประสิทธิภาพของระบบอัดอากาศ และรวมถึงแนวทางในการอนุรักษ์พลังงานในระบบดังกล่าว เพื่อเป็นการลดต้นทุนในการผลิต ในที่นี้จะศึกษาถึง ประเภท หลักการทำงาน คุณลักษณะ และสมรรถภาพของเครื่องอัดอากาศ รวมทั้งวิธีการควบคุมที่ถูกต้อง และแนวทางการอนุรักษ์ในระบบต่างๆ ที่เกี่ยวข้อง
1. ประเภทและหลักการทำงานของเครื่องอัดอากาศ
(TYPE AND PRINCIPLE OF OPERATION OF AIR COMPRESSORS)
โดยทั่วไปเครื่องอัดอากาศอาจแบ่งได้ 2 ประเภท คือ ประเภทปริมาตรแทนที่เชิงบวก และแบบไดนามิคส์
-
-
-
- เครื่องอัดอากาศประเภทปริมาตรแทนที่เชิงบวก (Positive Displacement) มีหลักการทำงาน คือ ให้อากาศเข้าไปในช่องปริมาตรแล้วทำให้ปริมาตรอากาศนี้เล็กลงโดยใช้พลังงานจากภายนอก เมื่อปริมาตรของอากาศลดลงก็จะทำให้ความดันสูงขึ้น เครื่องอัดอากาศแบ่งปริมาตรแทนที่มีทั้งแบบลูกสูบและโรตารี่
-
-
-
- เครื่องอัดอากาศประเภทไดนามิคส์ (Dynamics) มีหลักการทำงานคือ ให้พลังงานกลแก่อากาศทำให้อากาศมีความเร็วเพิ่มขึ้นโดยผ่าน โรเตอร์แล้วอาศัยรูปร่าง Casing ภายในเครื่องอัดอากาศลดความเร็วลง ทำให้พลังงานจลน์ของอากาศเปลี่ยนรูปเป็นความดัน เครื่องอัดอากาศประเภทนี้ได้แก่ Centrifugal Compressor , Turbo Compressor , Air jet
รูปที่ 1 แสดงประเภทของเครื่องอัดอากาศ
เครื่องอัดอากาศที่นิยมใช้โดยทั่วไปแบ่งได้เป็น 3 กลุ่มใหญ่ๆ คือ
1.1 เครื่องอัดอากาศแบบลูกสูบ (Reciprocating compressors)
1.2 เครื่องอัดอากาศแบบโรตารี่ (Rotary compressors)
1.3 เครื่องอัดอากาศแบบหมุนเหวี่ยง (Centrifugal compressors)
1.1 เครื่องอัดอากาศแบบลูกสูบ (Reciprocating compressors)
เครื่องอัดอากาศประเภทนี้ ส่วนใหญ่จะมีขนาดเล็กใช้ต้นกำลังจากมอเตอร์ไฟฟ้าหรือเครื่องยนต์ขนาดเล็ก โดยมีสายพานเป็นอุปกรณ์ถ่ายทอดกำลังงานไปสู่เครื่องอัดเพื่อให้ลูกสูบเคลื่อนที่อัดอากาศให้มีปริมาตรเล็กลง และความดันของอากาศสูงขึ้น อากาศอัดจะถูกส่งไปเก็บไว้ในถังลมก่อนที่จะนำไปใช้งานต่อไป เครื่องอัดอากาศประเภทนี้ส่วนใหญ่ จะระบายความร้อนด้วยอากาศ ดังนั้นบริเวณรอบๆเสื้อสูบของเครื่องอัดจึงทำเป็นแผ่นครีบ (vane) เพื่อเพิ่มพื้นที่ในการระบายความร้อนให้มากยิ่งขึ้น การเคลื่อนที่ของลูกสูบในจังหวะอัดแต่ละครั้งจะทำให้อากาศหรือแก๊สเกิดการอัดตัวขึ้น และการไหลของอากาศอัดจะมีลักษณะเป็นแบบห้วงๆ (pulsation) ไม่ต่อเนื่องกัน ซึ่งเป็นผลเสียต่อระบบท่อส่ง เพราะอาจทำให้เกิดความดันย้อนกลับ ณ จุดที่มีการหักเลี้ยวในระบบท่อส่งได้ ทำให้ท่อส่งได้รับความเสียหายในภายหลัง
เนื่องจากในอากาศมีความชื้น หรือไอน้ำและฝุ่นละอองปะปนอยู่ด้วยไม่มากก็น้อย ดังนั้นอากาศที่เข้าสู่เครื่องอัดอากาศจึงมีมีไอน้ำและฝุ่นละอองปะปนเข้าไปด้วย เมื่ออากาศถูกอัดตัว โมเลกุลของอากาศจะเกิดการเสียดสีกันทำให้อากาศที่ถูกอัดมีความร้อนสูงขึ้น ดังนั้น อากาศที่ถูกอัดก่อนที่จะถูกนำไปยังถังอัดอากาศจึงต้องมีการระบายความร้อนออกเสียก่อน เพื่อป้องกันอันตรายจากความร้อนซึ่งจะทำให้ชิ้นส่วนภายในเครื่องอัดอากาศได้รับความเสียหายได้ อากาศอัดดังกล่าวเมื่อถูกนำไปเก็บในถังอัดอากาศจะยังมีความร้อนเหลืออยู่บ้าง เมื่ออากาศอัดภายในถังอากาศเย็นตัวลง ก็จะทำให้ไอน้ำกลั่นตัวเป็นหยดน้ำอยู่ในถังอัดอากาศ ซึ่งจะก่อให้เกิดความเสียหายได้ในขณะที่นำอากาศไปใช้งาน ดังนั้นจึงต้องมีการระบายน้ำส่วนนี้ออกไปจากถังอัดอากาศ ก่อนที่จะมีการใช้งานอยู่เสมอทุกวัน
รูปที่ 2 แสดงลักษณะภายในเครื่องอัดอากาศแบบลูกสูบ
1.2 เครื่องอัดอากาศแบบโรตารี่ (Rotary compressors)
เครื่องอัดอากาศแบบโรตารีหรือแบบลูกสูบหมุน จะอัดอากาศอันเป็นผลมาจากการเคลื่อนที่ผลักดันของโรเตอร์ในลักษณะการแทนที่ของอากาศ อากาศอัดที่ได้จะมีอัตราการไหลอย่างสม่ำเสมอ แต่ปริมาณอากาศอัดที่ได้จะมีค่าความดันค่อนข้างต่ำกว่ามาก การหมุนของโรเตอร์เพื่อ
อัดอากาศจะต้องหมุนด้วยความเร็วรอบที่สูง ซึ่งจะก่อให้เกิดเสียงดังและชิ้นส่วนที่เคลื่อนที่ภายในจะมีอัตราการสึกหรอค่อนข้างสูง เครื่องอัดอากาศประเภทนี้แบ่งเป็นลักษณะย่อยๆ ดังนี้
1.2.1 Sliding vane compressors
รูปที่ 3 แสดงลักษณะภายในเครื่องอัดอากาศแบบโรตารี่ชนิด vane
เครื่องอัดอากาศแบบโรตารี่ชนิดนี้จะมีแผ่นกวาด (vane) เลื่อนเข้า และเลื่อนออกในแนวรัศมีอยู่ภายในเครื่องอัด แผ่นกวาด จะทำหน้าที่กวาดอัดอากาศให้มีปริมาตรเล็กลง แล้วทำการส่งอากาศอัดออกไปจากเครื่องอัดเพื่อนำไปใช้งานต่อไป
1.2.2 Liquid piston compressors
รูปที่ 4 แสดงลักษณะภายในของเครื่องอัดอากาศแบบโรตารีชนิด Liquid piston
1.2.3 Two –impeller straight – lobe
รูปที่ 5 แสดงลักษณะภายในของเครื่องอัดอากาศแบบโรตารีชนิด straight – lobe
1.2.4 Helical or spiral lobe
เครื่องอัดอากาศชนิดนี้ จะมีอุปกรณ์ในการอัดอากาศเป็นลักษณะโรเตอร์หมุนอยู่ภายในตัวเรือน เครื่องอัดอากาศจำนวน 2 ตัว ตัวหนึ่งจะเป็นเกลียวตัวผู้ (Helical) จะทำหน้าที่ในการอัดอากาศ อากาศอัดจะเกิดการเคลื่อนที่ ในลักษณะของการแทนที่อย่างต่อเนื่อง
รูปที่ 6 แสดงลักษณะภายในของเครื่องอัดอากาศแบบโรตารี่ชนิด Helical or spiral lobe
1.3 เครื่องอัดอากาศแบบหมุนเหวี่ยง (Centrifugal compressors)
เป็นเครื่องอัดอากาศที่ใช้หลักการทางด้านพลศาสตร์ ทำงานด้วยการเปลี่ยนพลังงานจลน์เป็นความดัน ทิศทางการเคลื่อนที่ของอากาศอัดจะถูกเหวี่ยงตัวออกไปในแนวรัศมี ลมดูดจะเข้าสู่พื้นที่ตรงกลางเพลาใบพัดและถูกเหวี่ยงตัวออกไปในแนวรัศมีของใบพัดสู่ผนังเครื่องอัด และถูกส่งไปตามระบบท่อ อากาศอัดจะมีความดันสูงขึ้นแต่ความเร็วยังคงที่ เมื่อเราต้องการอากาศอัดที่มีค่าความดันสูงมากขึ้น เราสามารถกระทำได้โดยการใช้เครื่องอัดอากาศหลายสเตจ โดยที่อากาศอัดซึ่งได้จากสเตจแรกจะถูกส่งต่อไปยังสเตจต่อไปและอัดอากาศให้ได้ความดันที่ต้องการ อากาศที่อัดได้ในแต่ละสเตจจะมีความร้อนสูงขึ้น ดังนั้นจึงต้องมีการระบายความร้อนออกจากอากาศอัดก่อนที่จะส่งอากาศอัดไปยังสเตจต่อๆไป
รูปที่ 7 แสดงเครื่องอัดอากาศแบบหมุนเหวี่ยง
2. คุณลักษณะและสมรรถนะการทำงานของเครื่องอัดอากาศ
(CHARACTERISTICS AND PERFORMANCE OF AIR COMPRESSORS)
เครื่องอัดอากาศแบบลูกสูบและแบบสกรูซึ่งใช้วิธีอัดแบบปริมาตรแทนที่ แบ่งเป็นแบบใช้น้ำมันกับแบบไม่ใช้น้ำมัน (oil free) เครื่องอัดอากาศแบบเทอร์โบโดยโครงสร้างแล้วจะเป็นแบบไม่ใช้น้ำมัน แบบใช้น้ำมันจะช่วยผนึกการรั่วของอากาศ ดังนั้น จึงมีกำลังขับจำเพาะ ต่ำกว่าแบบไม่ใช้น้ำมัน นิยมใช้กันมากในเครื่องอัดอากาศขนาดเล็กและขนาดกลาง อย่างไรก็ตามในอากาศที่ดูดเข้ามาจะมีละอองน้ำมันหล่อลื่นและไฮโดรคาร์บอนปะปนอยู่ด้วย เครื่องอัดอากาศแบบสกรูจะมีขนาดใหญ่ตั้งแต่150 [kW] ขึ้นไปส่วนใหญ่จะเป็นแบบไม่ใช้น้ำมันเกือบทั้งหมด
เครื่องอัดอากาศแบบหลายชั้นจะลดกำลังขับเพลาให้ต่ำลงด้วยการระบายความร้อนของอากาศอัดด้วยอินเตอร์คูลเลอร์ในแต่ละกระบวนการอัดอากาศ กรณีที่ความดันขาออกเท่ากับ 0.7 [MPa] หากเปลี่ยนการอัดอากาศ 1 ชั้นให้เป็น 2 ชั้นแล้วจะลดกำลังขับเพลาลงได้ประมาณ 15 [%] ด้วยความดันดังที่กล่าว โดยทั่วไปเครื่องอัดอากาศแบบลูกสูบและแบบสกรูจะใช้ 1-2 ชั้น และแบบเทอร์โบจะใช้ 2-3 ชั้น
เครื่องอัดอากาศแบบลูกสูบจะมีการสั่นสะเทือนและเสียงดังมากกว่าแบบสกรู รวมทั้งมีอากาศขาออกจะมีการกระเพื่อมสูงกว่า ส่วนเครื่องอัดอากาศแบบเทอร์โบจะไม่มีการกระเพื่อม แต่จะมีเสียงดังมาก แบบสกรูจะมีระยะเวลาบำรุงรักษา 12,000-20,000 ชั่วโมง แต่แบบลูกสูบจะมีระยะเวลาสั้นเพียง 1 ใน 4 เท่านั้น และแบบเทอร์โบจะสั้นประมาณ 70%
รูปที่ 8 คุณลักษณะการทำงานเครื่องอัดอากาศ
2.1 ความสิ้นเปลืองกำลังขับกับเงื่อนไขการทำงาน
ยิ่งเครื่องอัดอากาศมีความดันขาออกสูงเท่าใด จะยิ่งต้องใช้กำลังขับมากขึ้นเท่านั้น ตัวอย่างเช่น ถ้าความดันขาออกลดลงจาก 0.7 [MPa] เป็น 0.6 [MPa] แล้ว กำลังขับจะลดลงประมาณ 8 [%] และยิ่งอุณหภูมิขาเข้าของเครื่องอากาศมีค่าต่ำเท่าใด กำลังขับจะยิ่งลดลงเท่านั้น หากอุณหภูมิขาเข้าลดลง 10 [°C] เครื่องอัดอากาศแบบลูกสูบและแบบสกรูจะใช้กำลังขับลดลงประมาณ 2 [%] ส่วนแบบเทอร์โบจะลดลง 1-1.5 [%] จึงสามารถอนุรักษ์พลังงานได้ ดังนั้น กรณีที่ดูดอากาศจากภายในอาคารจึงต้องพิจารณาเรื่องการระบายอากาศให้ถี่ถ้วน ทั้งนี้ กรณีที่ดูดอากาศจากภายนอกอาคารจะต้องระมัดระวังเรื่องความดันสูญเสียและเสียงดังด้วย
ความสิ้นเปลืองกำลังขับในกรณีที่เดินเครื่องที่ภาระต่ำกว่าพิกัด (เมื่อปริมาณอากาศมีค่าต่ำกว่าพิกัด) จะขึ้นอยู่กับวิธีควบคุม ตัวอย่างแสดงไว้ในรูป 1.34 จะเห็นว่าเมื่อ load factor มีค่าต่ำกว่า 100 [%] แม้แต่ในแบบลูกสูบซึ่งกำลังขับมีค่าต่ำสุดก็ยังมีค่ากำลังขับเมื่อไม่มีภาระโดยมีค่าประมาณ 10 [%]
เครื่องอัดอากาศแบบลูกสูบ ถ้าควบคุมด้วยวิธี unloader และปริมาณอากาศขาออกลดลงจนความดันของกระแสลมขาออก (discharge line) ต่ำกว่าค่าที่กำหนดไว้แล้ว วาล์วลูกสูบ unloader จะเปิดวาล์วดูดเข้าค้างไว้ ทำให้เกิดการเดินเครื่องโดย ไม่มีการอัดอากาศ ซึ่งแม้ว่าจะทำให้ความดันขาออกกระเพื่อม แต่จะมีประสิทธิผลมากในการอนุรักษ์พลังงาน
ในเครื่องอัดอากาศแบบสกรูที่ใช้น้ำมัน จะมีการจ่ายอากาศอัดความดันออกมาโดยปิดวาล์วดูดเข้าพร้อมๆ กับเปิดวาล์วปรับความดัน
ขาออก เนื่องจากเครื่องจะจ่ายอากาศอัดความดัน การที่ภาระไม่เต็มพิกัดจึงมีผลน้อยต่อการอนุรักษ์พลังงาน ตัวอย่างเช่น หากปริมาณอากาศที่จ่ายออกลดลง 50 [%] กำลังขับเพลาจะลดลงเพียงประมาณ 15 [%] เท่านั้น
รูปที่ 9 คุณลักษณะการทำงานเครื่องอัดอากาศ
3. การควบคุมการทำงานของระบบอากาศอัด
(OPERATION CONTROL OF AIR-COMPRESSOR)
3.1 การควบคุมการทำงานของระบบอากาศอัด
เครื่องอัดอากาศส่วนใหญ่ทำงานต่ำกว่าพิกัดเพราะความต้องการมักจะไม่คงที่ในแต่ละวัน ดังนั้นการควบคุมการทำงานของเครื่องอัดอากาศเพื่อรับภาระที่เปลี่ยนแปลงอย่างมีประสิทธิภาพทำให้ประหยัดพลังงานได้ประมาณ 5-20 เปอร์เซ็นของค่าใช้จ่ายที่เกิดขึ้นทั้งหมด หลักเกณฑ์การควบคุมเครื่องอัดอากาศ 3 ประการที่ต้องคำนึงถึงคือ
(1) การควบคุมเครื่องอัดอากาศแยกแต่ละเครื่อง
(2) การควบคุมเครื่องอัดอากาศแบบหลายเครื่อง
(3) การควบคุมระบบเครื่องอัดอากาศโดยรวม
3.1.1 การควบคุมเครื่องอัดอากาศแยกแต่ละเครื่อง
วิธีการควบคุมเครื่องอัดอากาศมีหลายรูปแบบที่นิยมใช้มากที่สุดคือ
- การเปิด/ปิด เฉพาะเครื่องขนาดเล็ก
- มีภาระและปลดภาระ (On-Line/Off-Line)
- ลดโหลด (Unloading) ใช้กับเครื่องอัดอากาศแบบลูกสูบ
- แบบมอดูเลติ้ง (Modulating)
(1) ระบบเปิดปิดอัตโนมัติ (Automatic Start/Stop) ของเครื่องอัดอากาศแบบลูกสูบ เวนและสกรู
สำหรับเครื่องอัดอากาศที่มีอัตราการผลิตอากาศน้อยกว่า 10 ลิตรต่อวินาที มอเตอร์เครื่องอัดอากาศจะปิดเมื่อไม่ต้องการใช้งาน จะเปิดเมื่อมีการทำงานพร้อมกับมีการใช้พลังงานอย่างคงที่ ณ ระดับความดันปกติ อย่างไรก็ตามอาจมีปัญหาที่หลีกเลี่ยงไม่ได้เกิดขึ้นเมื่อระบบทำงานที่โหลดบางส่วนทำให้เครื่องอัดอากาศมีการเปิด/ปิดบ่อยๆ ดังนั้นวิธีนี้จึงไม่เหมาะที่จะนำไปใช้กับ เครื่องอัดอากาศขนาดใหญ่
(2) ระบบควบคุมแบบมีภาระ/ปลดภาระ (On-Line / Off-Line) ของเครื่องอัดอากาศแบบลูกสูบ เวนและสกรู
เครื่องอัดอากาศแบบลูกสูบ เวนและสกรู ส่วนมากจะใช้กับวิธีควบคุมแบบมีภาระ / ปลดภาระ (On-Line / Off-Line)
รูปที่ 12 แสดงการควบคุมแบบมีภาระ / ปลดภาระ (On-Line / Off-Line)
จากรูปแสดงให้เห็นถึงการควบคุมแบบมีภาระ / ปลดภาระ (On-Line / Off-Line) โดยมีโหลดบางส่วน และยังแสดงให้เห็นถึงอัตราเฉลี่ยของความต้องการพลังงานไฟฟ้า ที่ภาระโหลดเฉพาะ
การควบคุมเครื่องอัดอากาศแบบลูกสูบบางรุ่นโดยการปิดวาล์วที่ท่อทางเข้าของอากาศการปิดวาล์วที่ตำแหน่งท่อดูดจะทำให้มีผลต่อการปลดภาระ เมื่อระบบความดันอยู่ที่ระดับสูงสุดที่กำหนดไว้จะทำให้การทำงานของเครื่องอัดอากาศย้อนกลับมาที่มีภาระระดับ ความดันต่ำตามที่กำหนดไว้ การควบคุมแบบนี้จะทำให้ประหยัดพลังงานได้อย่างมากในการใช้เครื่องอัดอากาศแบบลูกสูบ การใช้พลังงานจะลดลงประมาณ 20 เปอร์เซ็นของโหลดเต็มพิกัด
สำหรับเครื่องอัดอากาศแบบสกรูและแบบโรตารี่เวนชนิดมีน้ำมัน ปกติจะมีระบบฉีดน้ำมันเพื่อรักษาระดับความดัน ซึ่งจะทำให้มีการใช้พลังงานในช่วงไม่มีภาระโหลดประมาณ 30-40 เปอร์เซ็นของโหลดเต็มพิกัด
การใช้ On-line / Off-line ควบคุมการไหลที่ท่อทางเข้าของเครื่องอัดอากาศแบบสกูรชนิดไม่มีน้ำมันจะคล้ายกับวิธีการที่อธิบายมาแล้วข้างต้น โดยส่วนใหญ่เครื่องอัดอากาศชนิดไม่มีน้ำมันจะทำงาน 2 ขั้นตอน ในขั้นตอนแรกจะเป็นการควบคุมอัตราการไหลเวียนของอากาศ ในขั้นตอนที่ 2 จะนำกลับมาที่ท่อทางเข้าเพื่อลดอุณหภูมิที่ชุดหล่อเย็น ซึ่งวิธีนี้จะช่วยลดการใช้พลังงานได้น้อยกว่าเครื่องอัดอากาศแบบโรตารี่สกรูชนิดใช้น้ำมัน
การควบคุมแบบมีภาระ / ปลดภาระและแบบอัตโนมัติ (On-line/ Off-line + Auto) สวิทซ์ปิดอัตโนมัติของมอเตอร์ จะทำงานเมื่อเครื่องทำงานโดยไม่มีโหลดตามที่ผู้ใช้กำหนดเวลาไว้และเครื่องจะเปิดใหม่เมื่อต้องการอากาศอัด การหยุด/การเริ่มเดินอัตโนมัติทำให้สามารถนำระบบซอฟสตาร์ทเตอร์ (Solf Starter) มาใช้กับมอเตอร์ เมื่อต้องการเปิด-ปิดเครื่องบ่อยๆ ซึ่งจะทำให้สามารถประหยัดพลังงานได้อย่างมาก
(3) การควบคุมแบบหลายขั้นตอน (Clearance Pocket Unloading) เฉพาะเครื่องอัดอากาศแบบลูกสูบ
เป็นความสัมพันธ์ที่เหมาะสมของอากาศที่ท่อทางเข้ากับความดันป้อนเข้าภายในฝาครอบส่งเข้าไปในกระบอกสูบ มีค่าเท่ากับหนึ่งในสี่ส่วนของอัตราการผลิตอากาศของเครื่องอัดอากาศ ลักษณะเฉพาะของการทำงานที่มีภาระโหลดบางส่วน จะคล้ายๆ กับการควบคุมแบบ On-line/Off-line ที่ใช้กับเครื่องอัดอากาศแบบลูกสูบแต่สามารถปรับปริมาณอากาศได้ถึง 5 ระดับ คือ 100% -75%-50%-25% และ 0 % อย่างไรก็ตามวิธีนี้ถูกมองว่ามีประสิทธิภาพต่ำ
(4) การควบคุมแบบมอดูลเลติ้งโดยการหมุนวาล์ว (Modulating-by Turn Valves) สำหรับเครื่องอัดอากาศแบบ สกูรชนิดฉีดน้ำมัน
โดยอากาศอัดมีการเปลี่ยนแปลงด้วยการแทนที่ของอากาศด้วยการหมุนวาล์วควบคุมแบบเกลียวก้นหอย โดยการปิดทางเข้าของท่อรองเพื่อทำให้อากาศส่วนเกินไหลย้อนกลับไปยังท่อทางเข้าเครื่อง วิธีการนี้มีประสิทธิภาพคล้ายการควบคุมแบบ On-line/Off-line อย่างไรก็ตามระบบนี้ทำให้สามารถควบคุมความดันแตกต่างภายในได้0.1 บาร์
(5) การควบคุมแบบมอดูลเลติ้ง ด้วยคันบังคับการไหลเข้า (Modulating-by Inlet Throttling) สำหรับเครื่องอัดอากาศ แบบลูกสูบ เวนและสกรู
วิธีการนี้นำมาใช้กับการเปลี่ยนแปลงช่องวาล์วโดยยอมให้อากาศบางส่วนไหลมาที่ท่อทางเข้า ทำให้ระบบมีความดันเพื่อขึ้น เพื่อทำให้อากาศที่ผลิตจากเครื่องลดลง ข้อดีของวิธีนี้สามารถรักษาระดับความดันภายในให้มีความแตกต่างกันน้อยที่สุด
ถ้ามีการควบคุมการไหลอย่างต่อเนื่องจะทำให้ความดันที่ท่อทางเข้าลดลงและอัตราส่วนของการอัดอากาศเพื่อขึ้น ทำให้มีความต้องการใช้พลังงานที่ต่ำ วิธีการควบคุมการไหลของอากาศอัดที่ผลิตได้วิธีนี้จะมีประสิทธิภาพน้อยกว่าการควบคุมแบบ On-line/Off-line และจะนำมาใช้กับเครื่องอัดอากาศที่มีภาระโหลดสูงเท่านั้น
(6) การควบคุมแบบมอดูลเลติ้ง ด้วยคันบังคับการไหลเข้า (Modulating-by Inlet Throttling) ร่วมกับการควบคุมแบบ On-line / Off-line สำหรับเครื่องอัดอากาศแบบลูกสูบ เวนและสกรู
การเลือกการควบคุมแบบมอดูเลติ้งหรือควบคุมแบบ On-line / Off-line เพื่อทำให้มั่นใจได้ว่าการควบคุมมอดูลเลติ้งจะไม่ถูกนำมาใช้กับการทำงานที่มีโหลดต่ำกว่า 70 เปอร์เซ็น
รูปที่ 13 แสดงการควบคุมแบบมอดูลเลติ้งด้วยวาล์วควบคุมการไหลที่ทางเข้าร่วมกับท่อบายพาส
(7) การควบคุมแบบมอดูลเลติ้งด้วยวาล์วที่ท่อด้านดูด (Modulating – by Suction Valve) ที่ไม่มีโหลด ใช้เฉพาะเครื่อง อัดอากาศแบบลูกสูบ
การทำงานของวาล์วที่ท่อด้านดูดจะสามารถปรับเพิ่มเพื่อรองรับการเปลี่ยนแปลงการควบคุมระยะเวลาระหว่างการเปิดวาล์ว ซึ่งวิธีนี้สามารถที่จะนำมาใช้ควบคุมจังหวะการเปิดให้น้อยลงจากภาวะที่ไร้ภาระโหลดจนถึงภาวะที่มีโหลดเต็มพิกัด
(8) การควบคุมแบบมอดูลเลติ้งด้วยวาล์วควบคุมการไหลที่ ทางเข้าคร่อมกับท่อบายพาส (Modulating – by Inlet Throttle with Bypass) ใช้เฉพาะเครื่องอัดอากาศแบบ เทอร์โบ
เครื่องอัดอากาศแบบไดนามิค (Dynamic) จะถูกออกแบบเพื่อทำให้มั่นใจว่า จะไม่เกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างฉับพลันของอุณหภูมิสูงและความดันต่ำในแต่ละวันดังรูป รวมทั้งการไหลย้อนกลับของอากาศทันทีทันใดภายในเครื่องอัดอากาศ
การควบคุมวิธีนี้เป็นวิธีที่ทำให้การใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพมากว่าการควบคุมแบบมอดูลเลติ้ง การใช้พลังงานจะลดลงเหลือ 70 เปอร์เซ็นของโหลดเต็มพิกัด
(9) การควบคุมอากาศด้วยครีบนำร่องทางเข้ากับบายพาส (Inlet Guide Vanes with Atmospheric Bypass) ใช้เฉพาะเครื่องอัดอากาศแบบเทอร์โบ
จะเป็นใบพัดชนิดปรับมุมได้ที่ติดตั้งที่ท่อลมดูดของเครื่องอัดอากาศแบบเทอร์โบ การควบคุมวิธีนี้นิยมใช้มากกว่าการควบคุมการไหลที่ท่อทางเข้า ซึ่งจะทำให้การทำงานที่มีโหลดบางส่วนมีประสิทธิภาพมากกว่า
(10) การควบคุมแบบอัตโนมัติ (Automatic Dual Control) ใช้เฉพาะเครื่องอัดอากาศแบบเทอร์โบ
เพื่อหลีกเลี่ยงการสูญเสียของอากาศอัดจากการทำงานโดยวิธีการควบคุมแบบอัตโนมัติ สามารถที่จะนำมาใช้เพื่อหาเหตุผลของจุดย้อนกลับสูงสุดและอยู่ใกล้กับวาล์วควบคุมการไหลที่ท่อทางเข้า การควบคุมวิธีนี้จะใช้วิธีการเดียวกับ Modulatimg + On-line/Off-line ซึ่งจะทำให้การใช้พลังงานน้อยลง
(11) การควบคุมความเร็วรอบของมอเตอร์เครื่องอัดอากาศ
การใช้อุปกรณ์ควบคุมความเร็วรอบ ทำให้สามารถผลิตอากาศอัดได้สอดคล้องกับความต้องการ เป็นวิธีที่เหมาะกับเครื่องอัดอากาศแบบลูกสูบ แบบโรตารี่เวน และแบบสกรู ที่มีโหลดบางส่วนเป็นระยะเวลานานๆ แต่จะไม่เหมาะกับเครื่องอัดอากาศที่มีโหลดเต็มพิกัดเพราะไม่มีผลต่อการประหยัดพลังงาน
3.1.2 การควบคุมแบบหลายๆเครื่อง (Multiple Compressor Control)
ลักษณะการติดตั้งเครื่องอัดอากาศส่วนใหญ่จะมี เครื่องอัดอากาศมากกว่า 1 เครื่อง เพื่อให้ทำงานร่วมกันอย่างดีและเหมาะสมที่สุดเหมาะกับความดันที่ต้องการ วิธีการควบคุมแบบอัตโนมัติที่เหมาะกับเครื่องอัดอากาศหลายๆ เครื่องที่นิยมใช้อยู่ มี 2 วิธี คือ
(1) การควบคุมความดันตามลำดับขั้น (Cascade Pressure Control)
เป็นการควบคุมพื้นฐานของสวิทซ์ควบคุมความดันของเครื่องอัดอากาศซึ่งนำไปสู่การควบคุมเครื่องจำนวนมากเพื่อป้องกันความดันตกคร่อม
รูปที่ 14 แสดงการควบคุมความดันตามลำดับขั้น
จากรูปที่ 14 แสดงการทำงานของเครื่องอัดอากาศ โดย เครื่องที่ 1. “เครื่องสำคัญที่สุด” ที่กำหนดให้มีความดันสูงที่ความต้องการอากาศต่ำๆ ซึ่งถ้ามีการต้องการอากาศเพิ่มขึ้น ความดันจะลดลงนำไปสู่การทำงานของเครื่องที่ 2. และจะส่งต่อไปยังเครื่องต่อๆไป จนถึงระดับความต้องการอากาศสูงสุดสำหรับเครื่องอัดอากาศ ทั้ง 4 เครื่อง
(2) การควบคุมด้วยอิเล็กทรอนิกส์ (Electronic Control)
การควบคุมด้วยอิเล็คทรอนิกส์สามารถนำมาใช้กับการควบคุมตามลำดับขั้นบนพื้นฐานของการรวมความดันและความต้องการอากาศที่สัมพันธ์กันวิธีนี้จำเป็นต้องหลีกเลี่ยงการกำหนดค่าความดันที่ต่อเนื่องกันสำหรับเครื่องอัดอากาศแต่ละเครื่อง ซึ่งความดันที่เกิดขึ้นจะผันแปรสอดคล้องกับความต้องการความดันอากาศอัดและอาจมีความดันต่ำเกิดขึ้นระหว่างช่วงเย็นและสุดสัปดาห์
รูปที่ 15 แสดงการควบคุมด้วยอิเล็กทรอนิกส์
3.1.3 การควบคุมระบบโดยรวม (Overall System Control)
โดยทั่วไประบบควบคุมที่มีความซับซ้อนมากจะสามารถให้ความยืดหยุ่นและประหยัดพลังงานที่มากขึ้น แต่ต้องระมัดระวังระดับความต้องการอากาศของระบบทั้งหมด ต้องติดตามตรวจวัดเพื่อให้มั่นใจว่าทำงานถูกต้องอย่างต่อเนื่องและเชื่อมต่อกับระบบการจัดการอาคารสำนักงาน (Building Mangement System)
(1) การควบคุมอย่างง่าย
-
- ระบบจำเป็นต้องสัมพันธ์กันกับพื้นที่ควบคุมที่ไม่ซับซ้อนและยอมให้บางส่วนของระบบหยุดการทำงานเมื่อไม่ได้ใช้งาน
-
- การควบคุมด้วยสวิทซ์เวลาอย่างง่ายๆ เป็นรูปแบบที่นิยมใช้กันมากที่สุด ซึ่งสามารถนำมาใช้กับจุดที่มีการเปลี่ยนแปลงของการผลิตอากาศที่อยู่ไกลออกไป
(2) การควบคุมแบบรวมศูนย์ (Integrated Control)
การควบคุมแบบรวมศูนย์อาจนำมารวมกับระบบการจัดการอาคาร (Building Managements System) สามารถนำมาใช้เป็นเครื่องมือติดตามผลปฏิบัติงานในโรงงาน โดยสามารถนำมาแสดงให้เห็นถึงความต้องการบำรุงรักษาตามชั่วโมงการทำงาน
รูปที่ 16 แสดงการควบคุมแบบรวมศูนย์
4. แนวทางการอนุรักษ์พลังงานในระบบอากาศอัด
(ENERGY CONSERVATION IN COMPRESSED AIR SYSTEM)
4.1 ประสิทธิภาพของเครื่องอัดอากาศ
กำลังขับเคลื่อนตามทฤษฎีของเครื่องอัดอากาศ จะมีความซับซ้อนเล็กน้อย ในกรณีของการอัดโดยไม่มีการถ่ายเทความร้อน ความดันก๊าซกับปริมาตร จะมีความสัมพันธ์กันดังนี้
โดย K คือ specific heat ratio (adiabatic index) = ความร้อนจำเพาะที่ความดันคงที่ / ความร้อนจำเพาะที่ ปริมาตรคงที่
จากความสัมพันธ์นี้ กำลังขับเคลื่อนตามทฤษฎี P เพื่อทำการอัดปริมาณลม Q [CMM] ตั้งแต่ความดัน P1 [Pa] จนถึง P2 [Pa] จะหาได้จากสูตรต่อไปนี้
ดังนั้น หากให้ผลคูณของประสิทธิภาพเชิงกลและประสิทธิภาพการอัดโดยไม่มีการถ่ายเทความร้อน เท่ากับ η [%] และให้ ค่าเผื่อขนาดไว้เท่ากับ αPm กำลังขาออกที่ใช้ในเครื่องมอเตอร์ จะหาค่าได้จากสูตรต่อไปนี้
4.2 แนวทางการอนุรักษ์พลังงานในระบบอากาศอัด
(Guideline for energy conservation in compressed air system)
ประเด็นสำคัญในการอนุรักษ์พลังงานของระบบอากาศอัด
(1) คำนวณต้นทุนของอากาศอัด [บาท/Cu.m.] แล้วใช้ต้นทุนนี้ในการคำนวณค่าใช้จ่ายตามปริมาณความสิ้นเปลืองอากาศอัดที่แต่ละอุปกรณ์ ในจำนวนต้นทุนนี้จะมีค่าไฟฟ้าของเครื่องอัดอากาศเป็นองค์ประกอบหลัก
(2) ปริมาณอากาศขาออกของเครื่องอัดอากาศต่อกำลังขับจำเพาะ โดยทั่วไปจะมีค่าประมาณ 7.5-5.5 [kW/CMM] (ANR) กล่าวคือเท่ากับ 0.13-0.18 [CMM/kW] (ANR) ต่อ 7.5 [kW]
(3) เครื่องอัดอากาศขนาดเล็กจะใช้แบบลูกสูบ ขนาดกลางจะใช้แบบสกรู และขนาดใหญ่จะใช้แบบเทอร์โบ เป็นหลัก ประเด็นสำคัญในการเลือกใช้เครื่องปรับอากาศคือ จะใช้แบบใช้น้ำมันหรือไม่ใช้น้ำมัน จำนวนชั้นของการอัดอากาศ การสั่นสะเทือน เสียงดัง และวิธีควบคุม capacity เมื่อมีการเปลี่ยนแปลงภาระ
(4) หากมีเครื่องอัดอากาศหลายตัว แล้วใช้วิธีควบคุมจำนวนการเดินเครื่องให้สอดคล้องกับการเปลี่ยนแปลงภาระ จะทำให้การอนุรักษ์พลังงานใกล้เคียงกับเส้นกราฟกำลังขับในอุดมคติ และในกรณีที่จัดกลุ่มเครื่องอัดอากาศ ไม่ควรให้มีกลุ่มเครื่องอัดอากาศประเภทปริมาตรทดแทนเชิงบวก (Positive Displacement) รวมกับกลุ่มเครื่องอัดอากาศประเภทไดนามิคส์ (Dynamics) เนื่องจากในสภาวะ Unload เครื่องอัดอากาศประเภทปริมาตรทดแทนเชิงบวก จะสร้างความดันอากาศอย่างต่อเนื่อง ทำให้สูญเสียพลังงานไฟฟ้า
(5) สิ่งที่สำคัญคือการอนุรักษ์พลังงานทางด้านผู้ใช้อากาศอัด (การปรับความดันให้เหมาะสม การลดการปล่อยอากาศทิ้งและอากาศรั่ว เป็นต้น)
TIP
การประหยัดพลังงานของระบบอากาศอัดประกอบด้วย การออกแบบระบบที่ดี การเลือกใช้ประเภทและขนาดให้เหมาะสม ขนาดของถังเก็บอากาศมีปริมาณที่เพียงพอกับลักษณะงาน ขนาดของท่อเมนต้องโตพอที่ทำให้ความเร็วของอากาศไม่สูงเกินไปจนทำให้เสียความดันในการใช้งานและมีการบำรุงรักษาที่ดี
(1) เครื่องอัดอากาศแบบลูกสูบ เป็นเครื่องอัดอากาศที่มีประสิทธิภาพสูง ยิ่งมีจำนวนขั้น (Stage) เพิ่มขึ้นยิ่งมีประสิทธิภาพสูง ส่วนใหญ่ใช้เพียง 2 ขั้น เครื่องอัดอากาศแบบระบายความร้อนด้วยน้ำจะมีประสิทธิภาพสูงกว่าการระบายความร้อนด้วยอากาศ เครื่องอัดอากาศแบบลูกสูบเหมาะสมกับการรับโหลดที่ไม่สม่ำเสมอได้ดี เนื่องจากมีอุปกรณ์ Un-load ที่ดี การใช้อุปกรณ์ Un-load น้อยมากเมื่อเทียบกับเครื่องแบบอื่นๆ การควบคุมยังสามารถทำเป็นแบบ multi step ในช่วงการเดิน Part load จะให้ประสิทธิภาพดี
(2) เครื่องอัดอากาศแบบโรตารี่สกรู เป็นเครื่องที่มีความสึกหรอน้อยเนื่องจากตัวสกรูไม่ได้สัมผัสกัน การอัดอากาศมีประสิทธิภาพพอสมควรแต่โครงสร้างเป็นตัวสกรูกำหนดให้มีอัตราส่วนความดันคงที่ เครื่องอัดอากาศแบบโรตารี่สกรูเหมาะกับการรับโหลดเต็มพิกัดและสม่ำเสมอ จึงจะให้ประสิทธิภาพที่ดีได้
(3) เครื่องอัดอากาศแบบหอยโข่ง เป็นเครื่องอัดอากาศที่มีประสิทธิภาพสูงพอควรเหมาะกับระบบที่ความต้องการอากาศมาก
Bibliography
กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน กระทรวงพลังงาน. (2004). ตอนที่ 4 บทที่ 1 ระบบอัดอากาศ ปั๊มน้ำ และพัดลม. In ตำราฝึกอบรมผู้รับผิดชอบด้านพลังงานอาวุโส (ผอส.) ด้านความร้อน (pp. 1-1 - 1-72).
