การควบคุมการไหลของน้ำ – วิธีการทำงาน

วาล์วควบคุมการไหลคืออะไร?

วาล์วควบคุมการไหลได้รับการออกแบบมาเพื่อรักษาอัตราการไหลสูงสุดที่ตั้งไว้ล่วงหน้าให้คงที่ ไม่ว่าจะมีความต้องการใช้งานหรือแรงดันในระบบเปลี่ยนแปลงเพียงใดก็ตาม การจำกัดการไหลเป็นสิ่งจำเป็นที่จุดจ่ายจากระบบหลักไปยังผู้ใช้งาน เช่น ระบบรอง (ท่อหลักไปยังท่อหัวจ่ายน้ำ; ท่อหัวจ่ายน้ำไปยังท่อกระจายน้ำ) อ่างเก็บน้ำ ฯลฯ เพื่อป้องกันการใช้งานเกินขนาดจากระบบต้นทาง การบริโภคน้ำจะถูกกำหนดโดยความต้องการของผู้ใช้งานที่อยู่ปลายน้ำจาก วาล์วควบคุมการไหล — ขึ้นอยู่กับจำนวนหัวจ่ายในพื้นที่และข้อมูลอัตราการไหลของแต่ละหัวจ่าย จำนวนผู้ใช้งานที่รดน้ำพร้อมกัน รวมถึงอุปกรณ์ภายนอก เช่น อ่างเก็บน้ำและระบบสำรอง

อัตราการไหลของระบบเทียบกับเวลา โดยมีวาล์วจำกัดการไหลและไม่มี (เส้นประ)

ไม่สามารถควบคุมผู้ใช้งานได้ นักออกแบบจึงใช้ วาล์วควบคุมการไหล เพื่อให้แน่ใจว่าอัตราการไหลจะไม่เกินค่าที่ออกแบบไว้มากเกินไป โดยการจำกัดการไหล เราจะปกป้องระบบจ่ายน้ำจากความต้องการที่มากเกินไป โดยให้ความสำคัญกับระบบมากกว่าผู้ใช้เมื่อพยายามใช้น้ำเกินกว่าข้อกำหนดของระบบ

<>

บทนำ

การปรับปรุงระบบชลประทานมีเป้าหมายเพื่อประหยัดน้ำและพลังงานโดยการพัฒนาโครงสร้างพื้นฐานของระบบชลประทาน — อัปเกรดจากระบบน้ำท่วมไปสู่ระบบแรงดัน และด้วยวิธีนี้จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการชลประทานและเพิ่มประสิทธิผลในการใช้ทรัพยากรน้ำที่มีอยู่ การออกแบบระบบชลประทานแบบแรงดันจะอ้างอิงจากสองพารามิเตอร์หลัก ได้แก่ อัตราการไหลและความดัน โดยอิงจากพารามิเตอร์เหล่านี้จะมีการกำหนดการออกแบบระบบทั้งหมด เช่น การเลือกปั๊ม การกำหนดประเภทและขนาดของระบบกรอง การกำหนดวัสดุและขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อเมนและท่อจ่าย รวมถึงจำนวน ขนาด และตำแหน่งของอ่างเก็บน้ำที่ต้องการ

การใช้อัตราการไหลที่น้อยกว่าแต่ใช้เวลานานขึ้น ทำให้ “รูปแบบการทำงานของระบบชลประทาน” (การแบ่งรอบชลประทาน) กลายเป็นเครื่องมือหลักในการออกแบบเพื่อลดพลังงานที่ต้องใช้และขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อและส่วนประกอบของระบบ การชลประทานจึงถูกแบ่งเป็นรอบเพื่อช่วยประหยัดพลังงานและค่าใช้จ่ายเริ่มต้น การออกแบบรายละเอียดนี้อ้างอิงจากข้อเท็จจริงที่ว่าอัตราการไหลในท่อหลักและอัตราการไหลที่ต้องการในแต่ละรอบชลประทานเป็นที่ทราบแน่ชัด

ดังนั้น หากเราไม่จำกัดการไหลในระบบที่มีผู้ใช้งานหลายราย การใช้น้ำโดยไม่ควบคุมจะทำให้เกิดการลดลงของแรงดันอย่างมีนัยสำคัญในระบบทั้งหมด ซึ่งอาจนำไปสู่การเกิดโพรงอากาศในปั๊มและชิ้นส่วนต่าง ๆ การใช้พลังงานเกินกำลัง การเกิดอากาศในระบบ การดูดสิ่งสกปรก ฯลฯ การเบี่ยงเบนจากค่าการออกแบบที่ทราบของอัตราการไหลและแรงดันมากกว่า 10-15% จะส่งผลให้ระบบชลประทานทำงานได้ไม่ดีอย่างมาก ปัญหาเหล่านี้สามารถหลีกเลี่ยงได้โดยการติดตั้งวาล์วจำกัดการไหล

ความต้องการใช้งานในพื้นที่สูงกว่าการไหลที่ออกแบบไว้สามารถเกิดขึ้นได้เนื่องจาก:

• การเติมท่อ
• เปลี่ยนรอบการให้น้ำ
• แรงดันกระแทก
• การล้างย้อนตัวกรอง
• การเติมน้ำในถังเก็บ

การใช้งานการควบคุมการไหลในระบบชลประทาน

1. การป้องกันปั๊มและระบบ

a) จำกัดอัตราการไหลที่ทางออกไปยังแปลงเพื่อป้องกันปั๊มจากการทำงานเกินกำลัง, การรับภาระเกิน และภาวะคาวิเทชัน รวมถึงเพื่อรักษาอัตราการไหลตามที่ออกแบบไว้
b) จำกัดการไหลในท่อเมนหลักเพื่อป้องกันปั๊มและระบบจากการรับภาระเกินและคาวิเทชัน เพื่อรักษาเส้นกราฟปั๊มให้ราบเรียบตามที่แสดงในกราฟด้านล่าง เมื่อความต้องการใช้น้ำสูงกว่าค่าที่ออกแบบไว้อย่างมีนัยสำคัญ:

• แรงดันที่จ่ายในสนามถูกลดลง 
• ใบพัดของปั๊มหมุนด้วยความเร็วสูงมาก ส่งผลให้เกิดสภาวะคาวิเทชันและแรงกดในแนวตั้งที่เพลา
• การใช้พลังงานเกินกว่าพารามิเตอร์ที่ออกแบบไว้ ส่งผลให้มีการใช้กระแสไฟฟ้าสูงขึ้น ซึ่งอาจทำให้เกิดปัญหากับปั๊มน้ำเนื่องจากเครือข่ายไฟฟ้าเกินโหลด

2. บรรทัดว่าง “เติมเต็ม” การควบคุม 

การควบคุมการไหลสำหรับระบบที่มีการระบายน้ำออกระหว่างรอบการให้น้ำ เช่น:

• เครื่องจักรชลประทาน และเซ็นเตอร์พิวอต
• ระบบสปริงเกลอร์บนพื้นที่ลาดชัน
• ระบบน้ำหยดแรงดันต่ำแบบไม่ชดเชย
• ระบบชลประทานแบบพัลส์  

วิดีโอต่อไปนี้แสดงกระบวนการเติมน้ำของเครื่องจักรชลประทาน (เซ็นเตอร์พิวอต):

3. การควบคุมการไหลระหว่างการล้างย้อนกรอง

การควบคุมการไหลเพื่อป้องกันไม่ให้สื่อกรอง “ไหลล้น” ออกจากตัวกรอง ตะแกรง และป้องกันการยุบตัวของไส้กรอง รวมถึงช่วยประหยัดน้ำและพลังงาน

วิดีโอต่อไปนี้แสดงตัวอย่างวาล์วควบคุมประเภทต่าง ๆ ที่จำเป็นในระบบกรองน้ำ รวมถึงวาล์วควบคุมการไหล:

4. เติมถังเก็บน้ำและควบคุมระดับน้ำ

วาล์วควบคุมระดับน้ำจะทำงานเมื่อระดับน้ำในถังเก็บลดลง เมื่อเหตุการณ์นี้เกิดขึ้นพร้อมกับที่ระบบกำลังทำงานหรือรดน้ำ อาจทำให้แรงดันลดลงสำหรับผู้ใช้งานรายอื่น ๆ ดังนั้น การจำกัดอัตราการเติมน้ำเข้าสู่ถังเก็บจะช่วยป้องกันระบบจากปัญหาแรงดันตกประเภทนี้ นอกจากนี้ การใช้วาล์วควบคุมการไหลและระดับน้ำยังช่วยปกป้องทั้งวาล์วและถังเก็บจากอัตราการเติมน้ำที่สูงเกินไปและสภาวะเกิดโพรงอากาศ

ระบบที่มีวาล์วควบคุมการไหล – หลักการ

1. วาล์วควบคุมการไหล จะตอบสนองต่อการเพิ่มขึ้นของพารามิเตอร์ที่ควบคุมโดยการปิดลง
2. นี่คือกระบวนการแบบ “โปรเกรสซีฟ” = เมื่อความต้องการเพิ่มขึ้น วาล์วจะลดการไหลลงอย่างต่อเนื่อง
3. ยิ่งวาล์วปิดมากเท่าไร แรงดันขาออกก็จะยิ่งลดลงเท่านั้น
4. เมื่อความต้องการต่ำกว่าค่าที่ออกแบบไว้ วาล์วจะเปิดเต็มที่

หากตั้งค่าการไหลของวาล์วเท่ากับอัตราการไหลที่กำหนดไว้ วาล์วจะอยู่ในโหมดควบคุมการไหลตลอดเวลา ส่งผลให้เกิดการสูญเสียแรงดันสูงขึ้น (แรงดันขาออกที่พื้นที่ต่ำลง) และสภาวะการทำงานที่หนักมากขึ้น ซึ่งเสี่ยงต่อการเกิดความเสียหายจากคาวิเทชั่นของวาล์ว

เหตุผลดีๆ ที่ควรสอบเทียบสูงกว่าการออกแบบการไหล 10-15%:

Bermad ขอแนะนำอย่างยิ่งให้ปรับเทียบ วาล์วควบคุมการไหล ให้สูงกว่าค่าออกแบบการไหลของแปลง 10-15% ด้วยเหตุผลดังต่อไปนี้:

1. หากตั้งค่าการไหลของวาล์วให้เท่ากับอัตราการไหลที่กำหนดไว้ วาล์วจะอยู่ในโหมดควบคุมการไหลตลอดเวลา ผู้ใช้งานจะประสบปัญหาแรงดันใช้งานต่ำ และวาล์วจะต้องทำงานภายใต้สภาวะที่หนักอย่างต่อเนื่อง
2. โอกาสที่ผู้ใช้งานระบบชลประทานแรงดันทุกคนจะรดน้ำพร้อมกันนั้นมีน้อยในเชิงสถิติ ดังนั้นความเสี่ยงที่จะเกิดความต้องการใช้น้ำเกินในระบบ แม้จะตั้งค่าไว้สูงกว่าอัตราปกติ 15% ก็มีโอกาสเกิดขึ้นได้น้อยมาก
3. ข้อควรพิจารณาด้านการออกแบบเน้นที่การคำนวณพลังงาน และควรเลือกใช้วาล์วที่มีการสูญเสียหัวต่ำที่สุด การบังคับให้วาล์วอยู่ในโหมดควบคุมตลอดเวลาจะรบกวนและขัดแย้งกับแนวโน้มนี้
4. หากเราตั้งค่าเป็นอัตราการไหลที่กำหนด อัตราการไหลจะไม่เพิ่มขึ้นแม้จะเกิดท่อแตกในแปลง ซึ่งจะป้องกันไม่ให้ตัวควบคุมระบบตรวจจับและแจ้งเตือนเมื่อเกิดท่อแตก

วาล์วควบคุมการไหล – เซ็นเซอร์การไหลและวิธีควบคุมที่ใช้บ่อย

1. ช่องรูที่ต้นทางเป็นเซ็นเซอร์วัดการไหล

ติดตั้งที่ต้นทางของวาล์ว แผ่นรูเจาะที่ผ่านการกลึงจะถูกกำหนดขนาดเพื่อสร้างความดันต่างที่ทราบค่า สำหรับอัตราการไหลที่กำหนด

2. ท่อวัดความดันต่าง (ภายใน “TubeOrifice”) ใช้เป็นเซ็นเซอร์วัดการไหล

ท่อวัดความดันต่างภายในเป็นอุปกรณ์ที่ติดตั้งอยู่ภายในวาล์ว ออกแบบมาเพื่อรับรู้ค่าความดันต่างที่กำหนดไว้สำหรับอัตราการไหลที่กำหนด ประโยชน์ของ TubeOrifice เมื่อเทียบกับออริฟิสมาตรฐาน ได้แก่:

3. ช่องรูทางออกด้านท้ายน้ำเป็นเซ็นเซอร์วัดการไหล (สำหรับการเติมน้ำในถังเก็บ)

เนื่องจากอยู่ที่ด้านขาออกของวาล์ว ความดันต่างระหว่างรูออริฟิซสามารถกำหนดได้โดยการควบคุมเฉพาะความดันขาเข้าของรูออริฟิซ เนื่องจากความดันขาออกของรูออริฟิซจะคงที่เท่ากับระดับน้ำในถังเก็บ วาล์วจะจำกัดอัตราการเติมน้ำเข้าสู่ถังเก็บโดยการลดความดันขาเข้าก่อนถึงรูออริฟิซ (ระหว่างรูออริฟิซกับวาล์ว) จึงให้ความสำคัญกับผู้ใช้น้ำมากกว่าการเติมน้ำถังเก็บ และยังควบคุมระดับน้ำพร้อมทั้งป้องกันการเกิดโพรงอากาศในวาล์ว

4. ไพล็อตแบบใบพายเป็นเซ็นเซอร์วัดการไหล

• หากความต้องการเพิ่มขึ้น ความเร็วของการไหลจะเพิ่มขึ้น — ผลักใบพายให้ไพล็อตควบคุมวาล์วให้ปิดลงและจำกัดการไหลกลับไปยังค่าที่ตั้งไว้ของไพล็อต หากความต้องการลดลง ความเร็วของการไหลจะลดลง ทำให้สปริงของไพล็อตดันใบพายกลับไปยังตำแหน่งแนวตั้ง และไพล็อตจะควบคุมวาล์วให้เปิดเต็มที่
• วิธีนี้มีความสูญเสียแรงดันต่ำมาก (เมื่อเทียบกับเซ็นเซอร์วัดความดันต่าง) และมีช่วงการตั้งค่าที่กว้างมากซึ่งสามารถปรับได้ง่ายในภาคสนาม

หมายเหตุ: สำหรับความเร็วการไหลต่ำกว่า 1 เมตรต่อวินาที แนะนำให้ใช้ไพล็อตเซอร์โวแบบใบพาย 2/3 ทาง

วาล์วควบคุมการไหล – การติดตั้งโครงการ

ระบบบริหารจัดการจุดจ่ายน้ำ Orissa, อินเดีย

ภาพด้านล่างแสดงระบบบริหารจัดการจุดจ่ายน้ำทั่วไปในประเทศอินเดียที่ติดตั้งวาล์วควบคุมการไหลและวาล์วลดแรงดันในสนาม วาล์วลดแรงดัน (Bermad Model IR-2″L-172) โดยแต่ละวาล์วจะควบคุมการให้น้ำในแปลงของเกษตรกรแต่ละราย โครงการนี้ประกอบด้วยระบบบริหารจัดการจุดจ่ายน้ำ (OMS) จำนวน 726 ชุด โดยแต่ละชุดประกอบด้วยวาล์วแยก, ตัวกรองดักเศษหิน, วาล์วอากาศ, วาล์วควบคุมในสนาม และระบบอัตโนมัติ

การไหลถูกควบคุมโดยไพล็อตแบบใบพาย 3-ทาง

Bermad เป็นผู้จัดหาหลักสำหรับโครงการนี้อย่างต่อเนื่อง โดยมีวาล์วโพลิเมอร์ประมาณ 3,500 ตัว ซึ่งแต่ละตัวได้รับการทดสอบและปรับเทียบตามข้อกำหนดการออกแบบที่โรงงาน Bermad

ภาพทางซ้ายแสดงวาล์วควบคุมการไหลและลดแรงดัน Bermad รุ่น IR-172 บนแท่นทดสอบสำหรับการทดสอบและปรับเทียบ; ภาพทางขวาแสดงการติดตั้ง OMS ที่หน้างาน รัฐโอริสสา ประเทศอินเดีย

กรณีศึกษา: CCRR Callen ในประเทศสเปน

CCRR Callen ในประเทศสเปน เป็นกลุ่มสหกรณ์ชลประทานขนาด 1,872 เฮกตาร์ มีผู้ใช้งาน 70 ราย ซึ่งปลูกข้าวโพด ข้าวบาร์เลย์ ข้าวสาลี และอัลฟัลฟา กลุ่มสหกรณ์ต้องการปรับปรุงโครงสร้างพื้นฐานระบบชลประทานให้ทันสมัย เนื่องจากระบบเดิมล้าสมัย ไม่มีประสิทธิภาพ และต้องใช้แรงงานคนในการดำเนินงานอย่างเข้มข้น

โซลูชันระบบชลประทานแบบบูรณาการของ Bermad สำหรับ Callen ประกอบด้วยท่อเมนหลักและโซลูชันป้องกันแรงดันกระแทก รวมถึงไฮโดรมิเตอร์ควบคุมแรงดันลดแรงดันและควบคุมการไหลระยะไกล IR-972 สำหรับแต่ละแปลง

กลุ่มผู้ร่วมโครงการควบคุมไฮโดรมิเตอร์แต่ละตัวจากระยะไกลตามรอบการให้น้ำที่ออกแบบไว้

ไฮโดรมิเตอร์ควบคุมการไหลรุ่น IR-972 พร้อมไพล็อตแบบใบพาย ติดตั้งที่หัวระบบชลประทานเพื่อควบคุม:

• ชลประทานปกติ: รักษาแรงดันของระบบและส่วนประกอบ (ปั๊ม ท่อ กรอง วาล์ว วาล์วอากาศ) ไม่ให้เกินข้อกำหนดการออกแบบ
• การเติมน้ำในท่อ: จำกัดอัตราการเติมน้ำในท่อ เพื่อป้องกันความดันตกในระบบจ่ายน้ำและป้องกันการเกิดแรงกระแทกของน้ำ (Water Hammer) ที่อาจเกิดขึ้นจากความเร็วสูงในช่วงท้ายของกระบวนการเติมน้ำในท่อ
• แรงดันกระแทก: รับประกันการทำงานของระบบแม้ในกรณีที่ท่อแตกที่ฝั่งเกษตรกร