การออกแบบระบบสูบน้ำ

การออกแบบระบบสูบน้ำ

ขั้นตอนในการออกแบบระบบสูบน้ำ

ขบวนการในการออกแบบระบบสูบน้ำเพื่อนำน้ำจากแหล่งใดๆมาใช้อาจแบ่งออกเป็นสองขั้นตอนด้วยกัน คือ  การเก็บรวบรวมข้อมูลที่จำเป็นต้องใช้ในการออกแบบและ การออกแบบ โดย การกำหนดขนาดวิธีการติดตั้ง  ตลอดจนกำหนดอุปกรณ์เครื่องควบคุมต่างๆเพื่อให้ระบบสูบน้ำนั้นทำงานได้ตรงตาม วัตถุประสงค์อย่างมีประสิทธิภาพและประหยัด

ก.      การเก็บรวบรวมข้อมูล การออกแบบที่ดีจำเป็นต้องตั้งอยู่บนพื้นฐานของข้อมูลที่ถูกต้องในการออกแบบระบบสูบน้ำ  ผู้ออกแบบจะต้องทราบข้อมูลดังต่อไปนี้ คือ

1.    ลักษณะ และสภาพของแหล่งน้ำที่จะสูบ เช่นแหล่งน้ำที่จะสูบขึ้นมาใช้นั้นเป็นบึง  แม่น้ำลำคลองหรือบ่อบาดาล  ระดับน้ำสูงสุดและต่ำสุด ระดับน้ำตามปกติ อัตราการไหล ความเร็วของการไหลและสิ่งที่ลอยมากับน้ำ  ในกรณีที่เป็นบ่อบาดาลและบ่อตื้นควรจะทราบอัตราการให้น้ำสูงสุดและการลด ระดับน้ำในบ่อ(Draw  Down) ขณะสูบ  คุณภาพของน้ำ  ในกรณีที่น้ำที่สูบขึ้นมานั้นมีคุณสมบัติทางเคมีหรือฟิสิกส์แตกต่างจากน้ำ ธรรมชาติมาก

2      ลักษณะ ที่ตั้งของสถานีสูบน้ำและแนวท่อ ในกรณีที่ต้องตั้งสถานีสูบน้ำถาวรจากแม่น้ำลำคลองแล้วต่อท่อไปใช้ก็จำเป็น ต้องทราบลักษณะของลาดตลิ่ง  ความสูง  และรูปตัดความยาวตลอดแนวท่อค่าระดับความสูงที่จุดต่างๆและเฮดที่ต้องการที่ จุดใช้น้ำ  เพื่อกำหนดให้มีอุปกรณ์ในระบบท่อให้เหมาะสม เช่น แนวท่อที่ตัดผ่านร่องน้ำหรือโผล่ขึ้นมาเหนือผิวดินอาจจำเป็นต้องยกระดับให้ สูงขึ้นและใช้ท่อเหล็ก  บริเวณที่แนวท่อโค้งขึ้นกว่าระดับปกติอาจต้องติดตั้งวาล์ระบายอากาศ (Air  Relief  Valve) เพื่อป้องกันมิให้โพรงอากาศกีดขวางการไหลของน้ำในท่อ  เป็นต้น

3      ลักษณะ การใช้งาน  ได้แก่อัตราการสูบปกติ  อัตราการสูบสูงสุด  ชั่วโมงการทำงานในแต่ละวันสำหรับอัตราการสูบข้างต้น ช่วงเวลาที่นานที่สุดที่ยอมให้หยุดซ่อมได้ความจำเป็นที่ต้องมีเครื่องสำรอง ไว้ถ้าหากมีเหตุขัดข้อง  เป็นต้น

4      ต้น กำลังที่ใช้ขับเคลื่อนปั๊ม  ว่าต้องการใช้เป็นเครื่องยนต์  มอเตอร์  หรือต้นกำลังอื่นในกรณีที่เป็นมอเตอร์จะต้องทราบความยาวของแนวสายไฟที่จะต่อ เข้ามาใช้  ตลอดจนความเชื่อถือได้ของกระแสไฟฟ้าในบริเวณนั้นและขนาดของสายไฟว่าโตพอที่ จะให้เครื่องสูบน้ำใช้เพิ่มขึ้นได้อีกหรือไม่

5       จำนวน เงินลงทุนสูงสุดที่จะใช้ในโครงการได้  เนื่องจากราคาของปั๊มและอุปกรณ์ของระบบนั้นอาจแตกต่างกันมาก  ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับคุณภาพ  ประเภท คุณสมบัติเฉพาะและอุปกรณ์พิเศษต่างๆ  ดังนั้นผู้ออกแบบควรจะทราบงบประมาณของโครงการด้วยเพื่อที่ได้เลือกใช้ปั๊ม และอุปกรณ์ให้อยู่ในวงเงินที่เหมาะสม  การเก็บรวบรวมข้อมูล เพื่อการออกแบบอาจจะใช้แบบฟอร์มที่ให้ไว้นี้

ข.      การออกแบบ ใน การออกแบบระบบสูบน้ำ  ผู้ออกแบบจะต้องปรึกษากับเจ้าของโครงการและบริษัทผู้ผลิตหรือจำหน่ายปั๊มและ อุปกรณ์ต่างๆเพื่อให้ได้ระบบสูบน้ำโดยใช้ปั๊มและอุปกรณ์ที่สามารถหาซื้อได้  โดยมียอดค่าใช้จ่ายทั้งหมดอยู่ในงบประมาณที่เป็นที่พอใจของเจ้าของโครงการ

งานออกแบบในขั้นนี้จะเป็นการพิจารณาเลือก  กำหนด และให้รายละเอียดสิ่งต่างๆดังต่อไปนี้  คือ

1.       เลือกกำหนดประเภทและขนาดของท่อส่งน้ำตลอดจนอุปกรณ์ต่างๆ ในระบบท่อ

2.       เลือก ประเภทของปั๊มพร้อมต้นกำลังให้เหมาะสมกับอัตราการสูบ เฮด และแหล่งพลังงานที่มีอยู่หรือที่ต้องการใช้ ตลอดจนอุปกรณ์ควบคุมต่างๆ เช่น แผงสวิทช์ควบคุมมอเตอร์ เป็นต้น

3.       กำหนดขนาดของท่อดูดและอุปกรณ์ที่เหมาะสม

4.       ใน กรณีที่เป็นปั๊มแบบเซนตริฟูกอล ก็อาจจะเลือกกำหนดวิธีการล่อน้ำ (Priming) ยกเว้นในกรณีที่เป็นเซนตริฟูกอลแบบที่ใบพัดต้องจมอยู่ในน้ำ หรือแบบล่อน้ำเองได้ (Self Priming)

5.       เลือกกำหนดขนาดและลักษณะของบ่อสูบ (Pump Sump)

6.       ให้รายละเอียดการติดตั้งอุปกรณ์ต่างๆที่กล่าวข้างต้น

นอกเหนือจากการพิจารณาเลือก กำหนด และให้รายละเอียดต่างๆ ดังรายการข้างบนแล้ว

ผู้ ออกแบบอาจ จะได้รับการขอร้องให้เตรียมการดำเนินการให้ด้วย เป็นต้นว่าทำบัญชีรายการอุปกรณ์และวัสดุที่ต้องใช้ กำหนดรายการรายละเอียด (Specification) เพื่อจัดซื้อหรือจ้างเหมาก่อสร้างด้วย เป็นต้น

การกำหนดประเภทและขนาดของท่อส่งน้ำ

ท่อ ส่งน้ำที่ ใช้กันทั่วๆไปก็มีท่อหล่อ (Cast Iron) ท่อเหล็กเหนียว (Steel Pipe) ท่อซีเมนต์ใยหิน หรือท่อ AC (Asbestos Cement) และท่อ PVC (Polyvinyl Chloride)

สำหรับประเทศไทยท่อส่งน้ำที่นิยมใช้กันมากที่สุด คือ ท่อซีเมนต์ใยหินชนิดทนความดัน ท่อชนิดนี้ผลิตขึ้นจากปูนซีเมนต์ แร่ใยหินและน้ำ เป็นท่อที่มีเนื้อเดียวกันตลอด ไร้ตะเข็บไม่เป็นสนิมทนต่อการกัดกร่อนและต่อได้สะดวกโดยใช้ข้อต่อตรงทำด้วย ซีเมนต์ใยหินเช่นเดียวกัน  หรือข้อต่อทำด้วยเหล็กหล่อมีซื่อเฉพาะว่าจีโบล์ท(Gibault)ท่อซีเมนต์ใยหิน ที่ผลิตขึ้นโดยบริษัทกระเบื้อง กระดาษไทยจำกัด ซึ่งเป็นบริษัทในเครือของบริษัทปูนซีเมนต์ไทยมี 3 ระดับชั้นคุณภาพ คือ PP15,PP20 และPP25ซึ่งผ่านการทดสอบที่ความดันซึ่งเทียบให้เป็นความสูง ของแท่งน้ำ 150,200 และ250เมตรตามลำดับ    ท่อเหล่านี้กำหนดให้ใช้งานไม่เกิน 50 เปอร์เซนต์ของความดันทดสอบ  หรือเท่ากับเฮด  75,100และ125เมตรซึ่งเพียงพอสำหรับงานส่งน้ำเกือบทุกระดับ

เนื่อง จากท่อ ซีเมนต์ใยหินนั้นมีความเปราะจึงไม่เหมาะที่จะใช้เหนือผิวดินในบริเวณที่อาจ ถูกกระแทกได้ง่าย และเนื่องจากซีเมนต์ที่ใช้ทำท่อโดยทั่วๆไปเป็นแบบ Type I ซึ่งไม่ทนทานต่อซัลเฟต ดังนั้นจึงไม่ควรใช้บริเวณชายทะเลหรือบริเวณที่ดินมีซัลเฟตผสมอยู่สูงมาก ควรจะเปลี่ยนมาใช้ท่อที่ทำด้วยซีเมนต์ Type V ซึ่งสามารถทนต่อพวกเกลือซัลเฟต

สำหรับท่อ เหล็กเหนียวผลิตขึ้นโดยการนำเหล็กแผ่นมาม้วนเป็นรูปท่อแล้วเชื่อมเข้าด้วย กันเป็นแนวตรงตะเข็บเดียว หรือเป็นเกลียวรอบท่อ (Spiral Welded)ก็ได้ ความแข็งแรงของท่อขึ้นอยู่กับความหนาและคุณสมบัติของเหล็กแผ่นซึ่งเลือกได้ ดังนั้นจึงไม่มีปัญหาเรื่องความแข็งแรงเมื่อนำมาใช้เป็นท่อส่งน้ำ อย่างไรก็ตาม ท่อเหล่านี้มีราคาแพงและอาจเกิดสนิมได้ง่ายเมื่อฝังไว้ใต้ดิน  ส่วนใหญ่จึงใช้เฉพาะส่วนที่โผล่ขึ้นมาเหนือผิวดิน หรือบริเวณที่ต้องรับแรงกดจากภายนอกมากนั้น

ท่อเหล็กหล่อ ที่ใช้ส่วนใหญ่เป็นอุปกรณ์ เช่น ข้องอ ข้อโค้ง สามทาง เป็นต้น สำหรับท่อ PVC ส่วนมากใช้กับงานขนาดเล็ก เช่น เป็นท่อส่งน้ำเพื่ออุปโภคบริโภค  ระบบชลประทานขนาดเล็ก เป็นต้นท่อ PVC ควรฝังอยู่ใต้ดินเช่นเดียวกันกับท่อซีเมนต์ใยหิน

การ เลือกขนาด ของท่อส่งเป็นสิ่งที่ตัดสินใจได้ยากถ้าไม่มีการคำนวณเปรียบเทียบราคาของท่อ รวมติดตั้งและราคาพลังงานที่ต้องใช้ในการสูบน้ำ  เพราะถึงแม้ว่าท่อขนาดเล็กจะมีราคารวมติดตั้งถูกกว่าท่อขนาดใหญ่แต่จะมีการ สูญเสียพลังงานเนื่องจากความฝืดสูงกว่า  ดังนั้นจะต้องใช้ต้นกำลังโตและเสียค่าเชื้อเพลิงหรือพลังงานไฟฟ้าต่อหนึ่ง หน่วยปริมาตรของน้ำสูงกว่า  ซึ่งถ้าชั่วโมงการทำงานของปั๊มสูงพอ  ค่าใช้จ่ายในการสูบน้ำรวมค่าสึกหรอของระบบที่มีท่อส่งขนาดใหญ่ก็จะถูกกว่า ระบบที่มีท่อส่งขนาดเล็ก

การคำนวณ เปรียบเทียบราคาอาจจะเริ่มโดยการเลือกขนาดท่อจากความเร็วสูงสุดในท่อดูดและ ท่อส่งที่ยอมให้ใช้ได้ดังแสดงในรูปที่ 1 จากนั้นเลือกท่อที่มีขนาดเดียวกับค่าที่คำนวณได้และที่โตกว่ามา 3-4 ขนาดทำตารางแล้วคำนวณราคารวมอุปกรณ์และค่าติดตั้งของแต่ละขนาด  สำหรับราคาท่อและอุปกรณ์จะแพงขึ้นตามขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางที่โตขึ้น  ส่วนค่าติดตั้งอาจจะไม่แตกต่างกันมากซึ่งอาจถือว่าเท่ากันได้ถ้าขนาดไม่แตก ต่างกันมาก

สำหรับค่า พลังงานซึ่งเป็นค่าใช้จ่ายที่ขึ้นอยู่กับปริมาตรที่จะสูบโดยตรงก็คำนวณจาก ปริมาตรที่ออกแบบหรือกำหนดไว้ว่าจะสูบภายในระยะเวลาที่กำหนด  เช่น ปีละ6 ล้านลบ.เมตร  เป็นต้น เมื่อคูณค่านี้ด้วยพลังงานที่ใช้ต่อหนึ่งหน่วยปริมาตรน้ำที่สูบและราคาต่อ หน่วยพลังงานก็จะได้ค่าใช้จ่ายในลักษณะเช่นเดียวกันกับค่าท่อและอุปกรณ์

ความเร็วเฉลี่ย (ฟุตต่อวินาที)

รูปที่ 1    ความเร็วสูงสุดในท่อดูดและท่อส่งที่ยอมให้ใช้ได้

เมื่อ นำค่า ใช้จ่ายต่อปีของทั้งสองอย่างมาเขียนลงในกระดาษกราฟโดยให้แกนตั้งแทนค่าใช้ จ่ายและแกนราบแทนขนาดของท่อ  ก็จะได้ความสัมพันธ์ของค่าท่อและค่าพลังงานต่อขนาดของท่อซึ่งจะมีอัตราเพิ่ม สวนทางกันและเมื่อนำความสัมพันธ์ทั้งสองมารวมกันโดยรวมค่าใช้จ่ายที่ท่อขนาด เดียวกันเข้าด้วยกันก็จะได้กราฟเป็นเส้นโค้งรูปกระทะหงายดังรูป2กราฟดัง กล่าวนี้แสดงราคารวมซึ่งจะชี้ให้เห็นว่าควรเลือกใช้ท่อขนาดใดจึงจะให้ราคา ต่ำสุด  ในกรณีที่ที่เส้นกราฟแบนราบมากก็แสดงว่าราคารวมไม่แตกต่างกัน

รูปที่ 2  การเปรียบเทียบราคารวมของท่อและอุปกรณ์ และค่าพลังงานที่ใช้ในการสูบน้ำเพื่อหาขนาดท่อที่เหมาะสม

ที่มา : ปั๊มและระบบสูบน้ำ  รศ.ดร.วิบุลย์ บุญญธโรกุล