Water Hammer ทีเกิดจากการหยุดปั๊มสร้างปัญหา? แก้ด้วย Torque Control ฟังก์ชั่นของ AltiStart 48 Soft Starter

วันนี้เราจะมาพูดถึง Water Hammer ที่เกิดจากการหยุดปั๊ม Water Hammer หรือในภาษาไทยเรียกว่า ค้อนน้ำ ที่สามารถสร้างความเสียหายให้กับตัวท่อ โดยเฉพาะตรงรอยต่อของท่อ แล้วก็วาวล์ต่างๆ ได้ ในบทความมันจะช่วยบอกได้ว่ามันเกิดขึ้นมาได้อย่างไร และเราจะพูดถึงอุปกรณ์ เช่น ซอฟ สตาร์ท Soft Starter ที่สามารถช่วยกำจัด Water Hammer ที่เกิดขึ้นจากการหยุดปั๊มเร็วเกินไปได้ครับ

New call-to-action

Water Hammer (ค้อนน้ำ) คืออะไร

คือ ปรากฎการที่เกิดหลังจากมีการหยุดจ่ายน้ำอย่างกระทันหัน เช่น ปิดวาวล์ (ประตูน้ำ) หรือสต๊อปมอเตอร์ปั๊มแบบทันทีทันใด ทำให้เกิดความดันในท่อมีการเปลี่ยนแปลงอย่างฉับพลัน โดยที่ความดันนั้นเพิ่มขึ้นและลดลงจากความดันเดิมในลักษณะเป็นคลื่นขึ้นลงที่สลับกัน หลักๆแล้ววอเตอร์แฮมเมอร์นั้นเกิดจากการเปลี่ยนแปลงความเร็วของการไหลในท่ออย่างกะทันหัน ทำให้เกิดโมเมนตัมของของเหลวและถูกเปลี่ยนไปกลายเป็นแรงกระแทกบนประตูน้ำบนผนังของท่อ ซึ่งแรงกระแทกนั้นถ้ามากมีค่ามากพออาจทำให้เกิดความเสียหายกับระบบได้เช่น ท่อระเบิด, ระบบวาล์วหรือประตูกันน้ำเสียหาย, ใบพัดปั๊มแตก และอื่นๆ

ซอฟ สตาร์ท เตอร์ ลด Water Hammer

ก่อนอื่นเราจะมาอธิบายว่า Water Hammer หรือว่า ค้อนน้ำ คืออะไร? กันก่อนเลยครับ Water Hammer เกิดขึ้นจากการที่มีการเปลี่ยนแปลงฉับพลันของความดันน้ำ ทำให้เกิดโมเมนตรัมของของเหลว กลายเป็นช็อคเวพกระแทกใส่ประตูน้ำหรือผนังท่อ ปรากฏการณ์นี้จะเกิดขึ้นจากการหยุดจ่ายน้ำอย่างกะทันหัน เช่น การปิดวาวล์หรือการหยุดปั๊มอย่างกะทันหัน แรงกระแทกนั้นมีค่ามากพอที่ทำให้เกิดความเสียหายแก่ระบบ เช่น ท่อแตกหรือวาวล์มีปัญหา รวมถึงพวกใบพัดของตัวปั๊มเอง

การหยุดปั๊มที่ไม่นิ่มนวลทำให้เกิด Water Hammer

ซอฟ สตาร์ท เตอร์ ลด Water Hammer

อย่างที่เราทราบกันมาแล้วว่า water hammer เกิดจากมีการเปลี่ยนแปลงความเร็วของการไหลของของเหลวในท่ออย่างฉับพลัน สำหรับการหยุดมอเตอร์ปั๊มอย่างกระทันหันหรือไม่นิ่มนวลนั้นเป็นปัจจัยหนึ่งที่ทำให้เกิดวอเตอร์แฮมเมอร์ได้เช่นกัน โดยระบบการสตาร์ทที่ไม่มีการควบคุมการสต๊อปนั้น จะให้มอเตอร์หยุดแบบไม่นิ่มนวลได้ เช่น การสตาร์ทโดยตรง (DOL: Direct online) และการสตาร์ทแบบสตาร์ เดลต้า (star-delta) ดังนั้นในการเลือกวิธีการสตาร์ทมอเตอร์ปั๊มนั้นผู้ออกแบบควรคำนึงถึงการหยุดมอเตอร์ปั๊มด้วย

ผมมีวิดีโอตัวอย่างจาก Schneider Electric มาให้ดูกันครับ ในวิดีโอที่เห็นจะเป็นโมเดลทดลองที่ถูกออกแบบไว้สำหรับการทดลองเกี่ยวกับ Water Hammer โดยเฉพาะเลย การทำงานของมันเริ่มจากน้ำจะถูกปั๊มจากถังน้ำด้านล่างไปด้านบนด้วย Centrifugal pump หรือบ้านเราเรียกว่า ปั๊มหอยโข่ง แล้วน้ำก็จะหมุนวนอยู่ในท่อ เราสามารถเปลี่ยนความยาวของท่อได้โดยการใช้วาวล์ จากนั้นน้ำจะถูกปั๊มมาพักไว้ที่ด้านบน แล้วจะใช้ Flow meter และ Pressure sensor ในการวัดการกระชากของ Water Hammer

ในกรณีสตาร์ทแบบสตาร์-เดลต้า การสตาร์ทจะนิ่มนวลกว่า แต่ด้วยธรรมชาติของแรงบิดต้านของปั๊มมันจะเพิ่มขึ้นมากเรื่อยๆ ตอนที่สวิทช์จากสตาร์เป็นเดลต้าอาจจะยังมีกระแสกระชากที่เป็นไปได้ว่ามีค่าพอๆ กับ Inrush current ของการสตาร์ทแบบ Direct on line ต่อไปเราจะลองสตาร์ทระบบด้วยวิธี Direct on line ดูนะครับ

การสตาร์ทแบบ Direct on line จะปั๊มน้ำเร็วมาก เห็นได้เลยว่าแรงดันจะกระชากเกินเข้ามาอยู่ส่วนหนึ่ง แต่พอหยุดจะหยุดทันที ทำให้น้ำกระแทกเกิดเป็น Water Hammer ขึ้น ซึ่งเป็นการกระแทกที่รุนแรงกว่า อีกทั้งการไปเพิ่มระยะของท่อยิ่งทำให้ปัญหามันรุนแรงขึ้นไปอีก ในวิดีโอเห็นได้ชัดเลยว่าความรุนแรงของ Water Hammer รุนแรงกว่ามากและแรงดันในท่อมีมากกว่าด้วย

เราได้เห็นแล้วว่าการที่หยุดปั๊มแบบกะทันหัน ทำให้เกิด Water Hammer ขึ้น วิธีสตาร์ทโดยใช้ DOL หรือ Star-delta เวลาที่ Stop มันจะไม่ Soft Stop เหมือนกับตัว Soft Starter หรือ VFD ก็จะทำให้มีปัญหาของ Water Hammer อยู่

วิธีการแก้ไข Water Hammer

ซอฟ สตาร์ท เตอร์ ลด Water Hammer

มาถึงวิธีการแก้ไขปัญหาของ Water Hammer เนื้อหาของบทความนี้ทางเราได้อธิบายวิธีการแก้ไข Water Hammer อย่างละเอียด ข้อมูลที่เรารวบรวมไว้ส่วนใหญ่แล้วจะเป็นการใช้พวกวาวล์พิเศษหรืิอใช้ตัวแทงค์ขนาดใหญ่ๆ ไว้สำหรับป้องกัน Water Hammer และ Water Hammer ที่เกิดขึ้นจากการหยุดน้ำเร็วเกินไปของวาวล์ จำเป็นต้องใช้ระบบแมกคานิคในการช่วยป้องกันไม่ให้เกิด Water Hammer ขึ้นได้

Credit: Thai Water City

  1. Pressure Relief valve เป็นวาล์ว ที่ทำหน้าที่ในลักษณะเดียวกันกับวาล์วนิรภัย (safety valve) กล่าวคือเมื่อความดันในท่อสูงกว่าที่กำหนดไว้ มันก็จะ เปิดกว้างออกและระบายน้ำทิ้งเพื่อลดความดันลง ความดันที่ตั้งไว้อาจควบคุมโดยสปริงหรือน้ำหนักก็ได้ อุปกรณ์แบบนี้เหมาะสำหรับท่อที่มีขนาดไม่ใหญ่มากนัก ซึ่งการระบายน้ำทิ้งจะมีผลช่วยให้ลดความดันในท่อลงไดับ้าง
  2. Air lnlet-relief valve เป็นวาล์วที่จะเปิดให้อากาศไหลเข้ามาในท่อโดยอัตโนมัติเมื่อความดันในท่อต่ำกว่าความดันของบรรยากาศ  ซึ่งจะเป็นการป้องกันไม่ให้ท่อแบนลง   อุปกรณ์ดังกล่าวนี้ยังใช้สำหรับระบายอากาคออกจากท่อด้วย โดยการติดตั้งไว้หลังท่อในบริเวณที่อยู่สูงกว่าแนวท่อส่วนอื่น อากาศที่ติดมากับน้ำก็จะไหลเข้าไปในอุปกรณ์นี้แล้วทำให้ลูกลอยลดระดับลงวาล์วเปิดและอากาศก็จะถูกระบายออกไป     การที่จำเป็นต้องระบายอากาศในท่อออกไปก็เพราะว่าถ้าความเร็วของการไหลไม่มากพอโพรงอากาศในท่อจะเป็นสิ่งกีดขวางการไหลโดยทำให้การไหลในช่วงดังกล่าวมีลักษณะเป็นการไหลในทางน้ำเปิดแทนที่จะเป็นการไหลเต็มท่อ
  3. Air chamber เป็นอุปกรณ์ช่วยลดความรุนแรงของวอเตอร์แฮมเมอร์อีกแบบหนึ่งที่มีลักษณะเป็นถังบรรจุอากาศต่อเข้ากับหลังท่อ    อากาศในถังซึ่งยืดหดตัวได้ดีกว่าน้ำก็จะทำหน้าที่ผ่อนคลายความรุนแรงลงเมื่อมีความดันเพิ่มขึ้นอย่างฉับพลันนอกจากนั้นอุปกรณ์ชนิดนี้ยังใช้ต่อเข้ากับด้านจ่ายของปั๊มแบบสูบชักก่อนส่งน้ำเข้าสู่ระบบ เพื่อให้การไหลสม่ำเสมอตลอดเวลาอีกด้วย
  4. Surge suppressor เป็นอุปกรณ์ที่มีลักษณะคล้ายกับ Air chamber แต่แทนที่จะใช้อากาศเป็นตัวผ่อนคลายแรงดันก็เปลี่ยนไปใช้สปริงแทน  อุปกรณ์ชนิดนี้ใช้กับท่อขนาดเล็ก เช่น ท่อน้ำใช้ในบ้านมากกว่าที่จะใช้กับระบบท่อขนาดใหญ่
  5. Surge Tank เป็นถังช่วยลดความดันที่เพิ่มขึ้นจากวอเตอร์แฮมเมอร์ในระบบขนาดใหญ่ซึ่งมีทั้งประเภทเปิดดัานบนของถังเเละแบบปิด   สำหรับแบบเปิดนั้นความสูงของถังจะต้องมากพอที่จะไม่ให้น้ำไหลล้นออกมาได้ ส่วนในแบบปิดจะมีลักษณะคล้ายกับ Air chamber แต่มีท่อขนาดเดียวกันกับท่อส่งน้ำเป็นตัวจ่ายน้ำเข้าไปในถังอีกทีหนึ่ง    การลดความรุนแรงของความดันจะถูกควบคุมโดยการไหลของน้ำเข้าไปใน surge Tank และการยืดหดตัวของอากาศในถัง
  6. Soft Stop คือการค่อยๆหยุดปั๊ม เป็นการแก้ปัญหาที่ต้นเหตุและดีที่สุด แต่สามารถกำจัด Water hammer ได้เฉพาะค้อนน้ำที่เกิดขึ้นจากการหยุดปั๊ม

Soft Stop แก้ปัญหา Water hammer ที่ต้นเหตุ

ซอฟ สตาร์ท เตอร์ ลด Water Hammer

ถ้าเป็น Water Hammer ที่เกิดขึ้นจากปั๊ม เราสามารถแก้ที่ต้นเหตุได้โดยการใช้ซอฟสตาร์ทเตอร์ Soft Starter หรือ VFD ได้ วิธีแก้ก็คือ ฟังก์ชั่นพวก Soft Stop หรือที่เรียกง่ายๆ ว่า ปิดเบาๆ จะค่อยๆ หรี่ปั๊มน้ำให้อัตราการไหลของน้ำค่อยๆ ลดลงเรื่อยๆ จนกระทั่งหยุด ซึ่งตัว Soft Starter กับ Variable Frequency Drives หรือเรียกอีกชื่อว่า อินเวอร์เตอร์ (Inverter) สามารถทำได้เลย

Soft Stop ทำได้อย่างไร?

ซอฟ สตาร์ท เตอร์ ลด Water Hammer

ผมจะเริ่มจากตัวไดร์ฟก่อนนะครับ พวกไดร์ฟทุกตัวเนี่ย สามารถที่จะทำได้และทำได้ดีด้วย Torque Control แต่ถ้าเราไม่มีความจำเป็นที่จะต้องปรับความเร็วรอบ การที่ไปใช้ไดร์ฟที่มันมีราคาสูงอยู่แล้วก็จะเป็นการสิ้นเปลืองเกินไป แต่การใช้ตัว Soft Starter จะมีวิธีการทำ Soft stop ทำการหยุดแบบนิ่มๆ อยู่ 2 วิธี 

วิธีแรกเป็นวิธีทั่วๆ ไป จะเรียกว่า Voltage Ramp คือการลดแรงดันของตัวมอเตอร์ ให้มันค่อยๆ ลดลง วิธีนี้เป็นวิธีที่ช่วยลดความรุนแรงของ Water Hammer ได้ ถึงแม้จะไม่ใช่วิธีที่สามารถกำจัด Water Hammer ออกไปได้ เนื่องจากการควบคุมปั๊มแบบ Voltage Ramp อาจจะยังไม่ดีพอ จำเป็นต้องใช้ฟังก์ชั่นของ Torque Control เข้ามาช่วย เพราะฉะนั้นก็ต้องหา Soft start ที่ีมีฟังก์ชั่น Torque Control เพื่อที่จะแก้ไขปัญหา Water Hammer

ก่อนที่จะพูดถึงฟังก์ชั่น Torque Control ของ Soft Starter เราจะมาดูตัวอย่างการใช้ Voltage Ramp ฟังก์ชั่นที่ลด Water Hammer แต่ยังไม่ได้กำจัด Water Hammer ออกไป การปิดจะเห็นได้ชัดว่าปั๊มไม่ได้ทำการหรี่ทันที ต้องรอสักพักหนึ่งก่อนมันถึงจะเริ่มลดลง แล้วมันอาจจะไม่นิ่มพอที่จะกำจัด Water Hammer ได้

stop-water-hammer-by-altistart48-06-02

Soft Stop โดยการควบคุมแรงบิด Torque Control ดีกว่าอย่างไร

ซอฟ สตาร์ท เตอร์ ลด Water Hammer

ใน Soft Starter จึงได้มีการออกแบบฟังก์ชั่นที่เอาไว้ควบคุมแรงบิด (Torque) ของมอเตอร์ เรียกว่า Torque Control แทนที่จะใช้การลดแรงดันอย่างเดียว วิธีนี้จะมีการเพิ่มเซ็นเซอร์เข้าไปไว้วัดกระแสและแรงดันที่จ่ายให้กับตัวมอเตอร์แล้วเอาไปคำนวณให้เป็น Torque ซึ่งการที่เราควบคุมแรงบิด (Torque) ของมอเตอร์ในขณะที่หรี่ตัวมอเตอร์ สามารถที่จะควบคุมให้ตัวปั๊มมีการหรี่ได้ในอัตราที่เหมาะสมที่สุด และสามารถกำจัดตัว Water Hammer ที่เกิดขึ้นมาจากปั๊มได้

ซอฟสตาร์ท (Soft Start) โดยทั่วๆ ไปจะใช้หลักการลดและเพิ่มแรงดันแบบเชิงเส้น (Voltage Ramp) เพื่อช่วยในการลดค่ากระแสไฟฟ้าในช่วงของการ Start ของมอเตอร์ เพื่อไม่ให้เกิดผลกระทบต่อระบบไฟฟ้า เช่นแรงดันตก หรือผลกระทบต่อระบบกลไก ทำให้สึกหรอเร็วกว่าที่ควร แต่ปัญหาที่มักจะพบเจอสำหรับวิธีการควบคุม Voltage Ramp นั้น คือการรักษาแรงบิดและความเร็วรอบของตัวมอเตอร์เอง ไม่ได้ลดลง หรือเพิ่มขึ้นตามความเป็นเชิงเส้นของแรงดัน เนื่องจากตัวมอเตอร์จะมีการรักษาสภาพของความเร็วและแรงบิดในตัวโดยการกินกระแสมากขึ้นเมื่อแรงดันลดลง

จากปัญหาดังกล่าวจึงทำให้การ Start และ Stop Motor ไม่ราบรื่นเท่าที่ควร ซึ่งเมื่อใช้ในระบบปั้มน้ำ ทำให้ไม่สามารถแก้ปัญหาการเกิด Water Hammer ได้ จึงได้มีการคิดค้นวิธีควบคุมแรงบิดของมอเตอร์แทน หรือ Torque Control โดยวิธีการนี้จะใช้ตัว เซนเซอร์วัดทั้งกระแส และแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายให้กับตัวมอเตอร์ โดยดูจากรูปด้านล่าง

จากรูปเพื่อที่จะควบคุมค่าแรงบิดของมอเตอร์ ให้เป็นไปตามค่าแรงบิดอุดมคติ ที่เหมาะสำหรับการป้องกันการเกิด Water Hammer นั้น จะมีการควบคุมค่าแรงดันให้เป็นไปตามค่าการคำนวนเพื่อให้ค่าแรงบิดของมอเตอร์นั้นลดลงอย่างเป็นเชิงเส้นมากที่สุด ซึ่งวิธีการนี้จะเห็นได้ว่าค่าแรงดันไฟฟ้าที่ลดลงจะไม่ได้ลดลงอย่างเป็นเชิงเส้น แต่ตัวแรงบิดของมอเตอร์นั้นจะลดลงอย่างเป็นเชิงเส้น โดยสามารถดูได้จากสามารด้านล่าง

T = CT x Vph²

T = แรงบิดของตัวมอเตอร์
CT = สัมประสิทธิแรงบิดของมอเตอร์
Vph = แรงดันเฟส

จะเห็นได้ว่า Torque Control นั้น ไม่ได้ใช้วิธีการ Votage Ramp เหมือน Softstart ทั่วๆ ไป ซึ่งถ้าดูจากสมการแล้ว จะควบคุมแรงดันของมอเตอร์ เพื่อให้ได้ค่า Torque ที่เหมาะสำหรับการหยุดมอเตอร์มากที่สุด ซึ่งถ้าเราเปรียบเทียบกราฟความเร็วรอบเทียบกับเวลาระหว่างการควบคุมทั้ง 2 วิธี จะเห็นได้ว่า Torque Control นั้นจะสามารถลดความเร็วรอบของมอเตอร์ได้อย่างเป็นเชิงเส้นกว่า

Soft Stop Altistart 48 จาก Schneider สามารถกำจัด Water Hammer ที่มาจากปั๊มได้

ซอฟ สตาร์ท เตอร์ ลด Water Hammer

Feature

  • ออกแบบให้มีขนาด 7.5 – 630 kW
  • สามารถสตาร์ท สต๊อป ด้วยเทคโนโลยีควบคุมแรงบิดของมอเตอร์ (Torque Control System) ซึ่งสามารถปรับแรงบิดได้ตลอดช่วงการเร่งความเร็ว นองจากนี้ยังสามารถปรับแรงบิดให้มีค่าคงที่ตลอดตั้งแต่สตาร์ทจนถึงความเร็วสูงสุด
  • สามารถควบคุมการเริ่มหมุนและลดควมเร็วมอเตอร์หลายๆตัวในการต่อแบบ Cascade
  • ระบบป้องกันมอเตอร์กลับทางหมุน และตรวจจับความผิดปกติของระบบไฟฟ้าของระบบจ่ายไฟหรือของมอเตอร์
  • สำหรับระบบงานที่ใช้กับปั๊ม สามารถแก้ปัญหาการกระแทกของน้ำ (Water hammer) ได้ โดยการลดความเร็วด้วยวิธีการปรับแรงบิด (Torque Control)
  • มีพอร์ตสื่อสารหลากหลาย เช่น  Modbus Integrated, FIPIO, PROFIBUS DP, DeviceNet, Ethernet
altistart 48 Soft Starter

เรายกตัวอย่างเป็นซอฟสตาร์ทเตอร์รุ่น AltiStart 48 ของ Schneider Electric ที่ีมีฟังก์ชั่น Torque Control อยู่ AltiStart 48 มีตัวย่อว่า ATS 48 เมื่อกดสวิทช์เริ่มแล้ว สังเกตว่าจะสตาร์ทมอเตอร์ได้อย่างนิ่มนวลมาก พอลองไปกดปุ่ม Stop การหรี่ตัวมอเตอร์ด้วย Torque Control จะค่อยๆ ลดลงอย่างสมูทมาก สังเกตว่าน้ำค่อยๆ ลดลงไป โดยไม่มี Water Hammer เกิดขึ้น ไม่มีการกระแทกของน้ำเกิดขึ้น ตรงหน้าปัดมาตรวัดน้ำด้านบนจะเป็น AltiStart 48 ส่วนด้านล่างเป็นการหยุดปั๊มแบบ DOL

ตรงการเปรียบเทียบการหยุดปั๊มทั้ง 3 วิธี สังเกตว่าการหยุดแบบ  Torque Control มันจะนิ่มนวลกว่ามาก ซึ่งโดยปกติแล้วถ้าใช้ Soft Start ที่เป็น Voltage Ramp การหรี่โดยใช้แรงดันอาจจะดีกว่าแต่ก็ยังไม่ดีพอ แต่ว่าถ้ามีฟังก์ชั่น Torque control มันจะควบคุมได้ดีกว่า

สนใจ Soft Starter? ติดต่อเรา

จบแล้วครับในเรื่องของการแก้ปัญหา Water Hammer ด้วย Torque control เราได้เห็นแล้วว่า Water Hammer เกิดขึ้นมาได้อย่างไร และมีอาการเป็นอย่างไร ซึ่งสามารถแก้ได้ด้วยการค่อยๆ หรี่มอเตอร์ที่ควบคุมปั๊มอยู่ การใช้ฟังก์ชั่น Voltage Ramp หรือการค่อยๆ ลดแรงดัน ช่วยลดปัญหา Water Hammer ในกรณีที่มันยังไม่ดีพอ ให้ใช้ Torque control ของตัว soft start หรือจะใช้ไดร์ฟ สามารถที่จะแก้ไขปัญหาตัว Water Hammer ได้

Button-N07
Button-02-Home-back-New
ซอฟสตาร์ท (Soft Starter)
ซอฟสตาร์ท (Soft Starter)
ซอฟสตาร์ท (Soft Starter)
ซอฟสตาร์ท (Soft Starter)
ซอฟสตาร์ท (Soft Starter)
ซอฟสตาร์ท (Soft Starter)
ซอฟสตาร์ท (Soft Starter)
Facebook Comments

Share this post