ถังเก็บก๊าซอุตสาหกรรมแบบไครโอเจนิก

ความท้าทายในการรักษาสิ่งของให้เย็น

ก๊าซธรรมชาติเหลว (LNG) ไนโตรเจนเหลว และออกซิเจนเหลว ไม่ใช่สินค้าทั่วไปที่สามารถเก็บไว้ในถังความดันบรรยากาศธรรมดาได้ เมื่ออุณหภูมิต่ำกว่า -150°C กฎเกณฑ์ทั้งหมดจะเปลี่ยนไป วัสดุจะเปราะบางลง ฉนวนกันความร้อนจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง และตัวผลิตภัณฑ์เองก็มีแนวโน้มที่จะระเหยขึ้นอย่างต่อเนื่อง ถังเก็บแบบคริโอเจนิกคือคำตอบเชิงวิศวกรรมต่อความท้าทายเหล่านี้ และได้พัฒนาขึ้นเรื่อยๆ เป็นเวลานานหลายทศวรรษจนกลายเป็นภาชนะรับแรงดันที่ซับซ้อนที่สุดชนิดหนึ่งในโลกอุตสาหกรรม

ขนาดนั้นน่าทึ่งอย่างยิ่ง ถังเก็บก๊าซธรรมชาติเหลว (LNG) ขนาดใหญ่เพียงถังเดียวสามารถบรรจุของเหลวได้ถึง 160,000 ลูกบาศก์เมตร ซึ่งเพียงพอต่อการจ่ายพลังงานให้กับเมืองขนาดกลางเป็นเวลาหลายวัน ในทางกลับกัน ถังไนโตรเจนเหลวขนาด 50 ลูกบาศก์เมตรอาจใช้สำหรับโรงพยาบาลแห่งหนึ่งแห่งหรือโรงงานผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แห่งหนึ่ง แต่ไม่ว่าจะมีขนาดเท่าใด หลักการทางฟิสิกส์และวิศวกรรมพื้นฐานก็ยังคงเหมือนกัน

ประเภทของถัง: จากแบบโครงสร้างเดี่ยวถึงแบบเยื่อบุ (Membrane)

ถังเก็บสารที่มีอุณหภูมิต่ำจัด (Cryogenic) มีหลายรูปแบบ โดยแต่ละแบบมีแนวคิดด้านความปลอดภัยและโครงสร้างต้นทุนที่แตกต่างกัน .

ถังแบบโครงสร้างเดี่ยว เป็นการออกแบบขั้นพื้นฐานที่สุด ซึ่งประกอบด้วยถังที่มีผนังเดี่ยวหรือผนังคู่สำหรับเก็บสาร cryogenic หากเกิดการรั่วไหล ของเหลวจะถูกกักเก็บไว้ภายในกำแพงกั้นภายนอก (berm หรือ dike) ถังประเภทนี้มีราคาถูกที่สุด แต่ต้องใช้พื้นที่ค่อนข้างมากสำหรับบริเวณกักเก็บ

ถังแบบโครงสร้างคู่ เพิ่มผนังรองรอบถังหลัก หากถังด้านในรั่ว ผนังด้านนอกจะกักเก็บของเหลวไว้และสร้างผนึกที่ป้องกันการระเหยได้อย่างสมบูรณ์ วิธีนี้ช่วยขจัดความจำเป็นในการใช้เขื่อนกักเก็บขนาดใหญ่ และลดพื้นที่ที่ใช้ในการติดตั้ง

ถังกักเก็บแบบเต็มรูปแบบ เป็นเทคโนโลยีล่าสุดสำหรับการจัดเก็บก๊าซธรรมชาติเหลว (LNG) ขนาดใหญ่ ทั้งถังด้านในและถังด้านนอกออกแบบมาให้สามารถกักเก็บของเหลวได้ โดยถังด้านนอกยังทำหน้าที่กักเก็บไอระเหยได้อย่างสมบูรณ์ ในกรณีที่ถังด้านในล้มเหลว ถังด้านนอกจะสามารถรองรับเนื้อหาทั้งหมดได้อย่างปลอดภัย ถังประเภทนี้มีราคาแพงที่สุด แต่ให้ระดับความปลอดภัยสูงสุด และเป็นข้อกำหนดตามกฎหมายของหน่วยงานกำกับดูแลหลายแห่งสำหรับการจัดเก็บในปริมาณมาก

ถังแบบเมมเบรน ใช้แผ่นเมมเบรนสแตนเลสบางๆ ที่รองรับด้วยฉนวนกันความร้อนและเปลือกคอนกรีตด้านนอก เดิมพัฒนาขึ้นสำหรับเรือขนส่ง LNG ซึ่งต่อมาได้นำมาใช้งานบนบก และให้ประสิทธิภาพการกักเก็บที่ยอดเยี่ยมพร้อมน้ำหนักวัสดุที่เบากว่าถังกักเก็บแบบเต็มรูปแบบ

มาตรฐานที่ควบคุมการจัดเก็บที่อุณหภูมิต่ำจัด

ถังเก็บก๊าซที่อุณหภูมิต่ำจัดไม่สามารถสร้างขึ้นได้โดยปราศจากมาตรฐานที่มีความหนาแน่นและครอบคลุมเป็นจำนวนมาก เอกสารหลักที่เกี่ยวข้อง ได้แก่ :

• API 625 – มาตรฐานหลักสำหรับการออกแบบและก่อสร้างถังเก็บก๊าซธรรมชาติเหลว (LNG) ครอบคลุมทุกด้าน ตั้งแต่วัสดุไปจนถึงการทดสอบ

• EN 14620 – มาตรฐานยุโรปสำหรับการก่อสร้างถังเก็บก๊าซธรรมชาติเหลวแบบเต็มรูปแบบ (full-containment)

• NFPA 59A – มาตรฐานด้านความปลอดภัย ครอบคลุมระบบป้องกันอัคคีภัย การเว้นระยะห่าง และการป้องกันอันตรายต่างๆ

• BS 7777 / EEMUA – แนวทางสำหรับการออกแบบถังเก็บสารทำความเย็น

API 625 เป็นมาตรฐานระดับโลกที่ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางที่สุด มาตรฐานนี้กำหนดความดันในการออกแบบ วัสดุที่ใช้ ข้อกำหนดด้านฉนวนความร้อน และขั้นตอนการทดสอบ ความสอดคล้องตาม API 625 ไม่ใช่เรื่องที่เลือกได้สำหรับโครงการขนาดใหญ่ส่วนใหญ่—แต่ถูกบัญญัติไว้อย่างชัดเจนในกรมธรรม์ประกันภัยและข้อตกลงสินเชื่อ

การระเหยเนื่องจากความร้อน (Boil-Off): การสูญเสียที่หลีกเลี่ยงไม่ได้

นี่คือข้อเท็จจริงหนึ่งที่มักทำให้ผู้เริ่มต้นในด้านการจัดเก็บสารที่อุณหภูมิต่ำจัดรู้สึกประหลาดใจ: ของเหลวภายในถังจะเดือดอยู่เสมอ แม้จะมีฉนวนกันความร้อนที่ดีที่สุด ความร้อนก็ยังรั่วเข้าไปในถัง และทำให้ของเหลวบางส่วนเปลี่ยนสถานะเป็นไอ สิ่งนี้เรียกว่า 'ก๊าซที่เกิดจากการระเหยเนื่องจากความร้อน (BOG)' และการจัดการก๊าซชนิดนี้ถือเป็นหนึ่งในหน้าที่หลักของผู้ปฏิบัติงาน

อัตราการระเหยเนื่องจากความร้อน (boil-off rate) ที่ยอมรับได้ตามมาตรฐานอุตสาหกรรมสำหรับถังเก็บก๊าซธรรมชาติเหลว (LNG) โดยทั่วไปคือ ≤0.2% ของปริมาตรถังต่อวัน สำหรับถังแบบเต็มรูปแบบ (full-containment) ขนาดใหญ่สามารถบรรลุอัตราที่ต่ำกว่านี้ได้ คือ 0.05–0.08% ต่อวัน เนื่องจากอัตราส่วนพื้นที่ผิวต่อปริมาตรดีขึ้นเมื่อขนาดถังใหญ่ขึ้น ตัวอย่างเช่น ถังขนาด 160,000 ลูกบาศก์เมตรที่มีอัตราการระเหย 0.08% ต่อวัน จะสูญเสียก๊าซธรรมชาติเหลวประมาณ 128 ลูกบาศก์เมตรต่อวัน ซึ่งไม่ใช่จำนวนที่น้อยนัก — ปริมาณก๊าซนี้เพียงพอที่จะใช้ทำความร้อนให้กับบ้านหลายพันหลัง

แล้วก๊าซที่ระเหยออกมาจะเกิดอะไรขึ้น? ในสถานีรับส่งส่วนใหญ่ ก๊าซดังกล่าวจะถูกเก็บรวบรวมและนำกลับมาทำให้กลายเป็นของเหลวอีกครั้ง หรือส่งไปยังระบบก๊าซเชื้อเพลิงของโรงงาน ในสถานีขนาดเล็กกว่านั้น อาจมีการเผาก๊าซทิ้ง (flaring) หรือปล่อยทิ้งสู่บรรยากาศ (venting) อย่างไรก็ตาม ข้อบังคับด้านสิ่งแวดล้อมในปัจจุบันเริ่มจำกัดวิธีการดังกล่าวมากขึ้นเรื่อยๆ ต้นทุนในการจัดการก๊าซ BOG มีความสำคัญอย่างยิ่ง เนื่องจากก๊าซ LNG ทุกหนึ่งลูกบาศก์เมตรที่ระเหยออก หมายถึงผลิตภัณฑ์ที่ไม่สามารถขายได้

ฉนวนกันความร้อน: ฮีโร่ที่แท้จริง

ประสิทธิภาพของถังเก็บสารทำความเย็นขึ้นอยู่กับระบบฉนวนกันความร้อนเป็นหลัก สำหรับถังเก็บ LNG ฉนวนกันความร้อนมักประกอบด้วยเพอร์ไลต์แบบขยายตัว (expanded perlite) ซึ่งเป็นแก้วภูเขาไฟที่มีน้ำหนักเบา ใช้บรรจุระหว่างผนังด้านในกับผนังด้านนอก หรือโฟมโพลียูรีเทนสำหรับถังขนาดเล็ก ส่วนการฉนวนแบบสุญญากาศจะใช้กับถังเก็บไนโตรเจนเหลวและออกซิเจนเหลวบางประเภท โดยเฉพาะเมื่อมีข้อจำกัดด้านพื้นที่และมีความต่างของอุณหภูมิสูงมาก

ฉนวนกันความร้อนจากเพอร์ไลต์ในถังเก็บ LNG ขนาดใหญ่สามารถมีความหนาได้หลายฟุต ความท้าทายไม่ได้อยู่เพียงแค่ประสิทธิภาพด้านความร้อนเท่านั้น แต่ยังรวมถึงปัญหาการยุบตัวของเพอร์ไลต์ด้วย เพอร์ไลต์จะยุบตัวลงตามระยะเวลา ส่งผลให้เกิดช่องว่างบริเวณส่วนบนของพื้นที่ฉนวนกันความร้อน ซึ่งทำให้ความร้อนสามารถไหลผ่านบริเวณนั้นได้โดยไม่ผ่านฉนวนกันความร้อน การออกแบบสมัยใหม่จึงรวมถึงตัวบ่งชี้การยุบตัว และมาตรการสำหรับเติมเพอร์ไลต์เพิ่มเติมในช่วงที่ถังหยุดใช้งาน

อีกด้านหนึ่งที่มักถูกมองข้ามคือฉนวนกันความร้อนรอบจุดเจาะของถัง เช่น ท่อ ระบบเครื่องมือวัด และฝาเปิดเข้าไปภายในถัง ซึ่งจุดเหล่านี้ถือเป็นจุดอ่อนที่ความร้อนสามารถแทรกซึมเข้ามาได้ หากจุดเจาะไม่มีฉนวนกันความร้อนที่เหมาะสม จะทำให้เกิดจุดเย็นบริเวณผนังภายนอกของถัง ส่งผลให้เกิดน้ำแข็งสะสม สนิมกัดกร่อน และในที่สุดอาจนำไปสู่ปัญหาด้านโครงสร้าง ดังนั้นการออกแบบถังที่ดีที่สุดจึงให้ความสำคัญกับจุดเจาะอย่างเข้มงวดไม่ต่างจากผนังหลักของถัง

การเลือกวัสดุ: ความท้าทายจากอุณหภูมิต่ำ

เหล็กกล้าคาร์บอนจะเปราะบางลงที่อุณหภูมิแบบคริโอเจนิก ซึ่งเป็นปัญหาเนื่องจากถังเก็บวัสดุในอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ผลิตจากเหล็กกล้าคาร์บอน ทางออกคือการใช้วัสดุที่ยังคงความเหนียวได้ที่อุณหภูมิ -162°C และต่ำกว่านั้น

สำหรับถังก๊าซธรรมชาติเหลว (LNG) ถังด้านในมักผลิตจากเหล็กกล้าผสมนิกเกิล 9% หรือโลหะผสมอลูมิเนียม โดยเหล็กกล้าผสมนิกเกิล 9% เป็นวัสดุหลักที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย เนื่องจากสามารถรักษาความต้านทานแรงกระแทกได้จนถึงอุณหภูมิ -196°C และเชื่อมได้โดยใช้ขั้นตอนการเชื่อมที่เหมาะสม ส่วนโลหะผสมอลูมิเนียมมีน้ำหนักเบาและมีสมบัติที่ดีเยี่ยมที่อุณหภูมิต่ำ แต่มีราคาสูงกว่าและต้องใช้เทคนิคการเชื่อมพิเศษ

ส่วนถังด้านนอกนั้นโดยทั่วไปผลิตจากเหล็กกล้าคาร์บอนหรือคอนกรีตเสริมเหล็ก ซึ่งไม่สัมผัสกับอุณหภูมิแบบคริโอเจนิกโดยตรง เนื่องจากฉนวนกันความร้อนช่วยรักษาอุณหภูมิให้สูงไว้ แต่ถังด้านนอกยังต้องสามารถทนต่อแรงดันไฮโดรสเตติกจากเนื้อหาภายในถังด้านในได้ในกรณีที่เกิดการรั่วไหล

ความเป็นจริงในการปฏิบัติงาน: สิ่งที่คู่มือไม่ได้บอกคุณ

ถังเก็บสารที่อยู่ในสภาวะเยือกแข็งมีความน่าเชื่อถือสูงมาก แต่ไม่ได้หมายความว่าจะไม่ต้องบำรุงรักษาเลย ปัญหาการดำเนินงานที่พบบ่อยที่สุดคือ การแยกชั้นเชิงอุณหภูมิ (thermal stratification) ซึ่งหมายถึงความแตกต่างของอุณหภูมิภายในของของเหลวที่อาจทำให้ความดันเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว หากไม่มีการควบคุมอย่างเหมาะสม ผู้ปฏิบัติงานจะตรวจสอบอุณหภูมิของถังที่ระดับความสูงต่าง ๆ และใช้อุปกรณ์ผสมหรือปั๊มหมุนเวียนเพื่อรักษาระดับอุณหภูมิให้สม่ำเสมอ

อีกหนึ่งความจริงที่ต้องพิจารณาคือ การเติมและระบายสารออกจากถังเก็บสารที่อยู่ในสภาวะเยือกแข็งจะก่อให้เกิดแรงเครียดจากความร้อน ซึ่งทำให้ถังด้านในขยายตัวและหดตัวตามการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ในขณะที่ข้อต่อท่อต้องสามารถรองรับการเคลื่อนที่นี้ได้ จึงมักใช้เบลโลว์ (bellows) และลูปขยายตัว (expansion loops) เป็นมาตรฐาน อย่างไรก็ตาม อุปกรณ์เหล่านี้จำเป็นต้องได้รับการตรวจสอบเป็นระยะ และบางครั้งอาจต้องเปลี่ยนใหม่ โรงงานไนโตรเจนเหลวแห่งหนึ่งในภาคกลางของสหรัฐอเมริกาได้เรียนรู้บทเรียนนี้อย่างเจ็บปวด เมื่อเบลโลว์เกิดความล้มเหลวระหว่างการเติมสาร ส่งผลให้ก๊าซเย็นรั่วไหลออกและทำให้โรงงานต้องหยุดดำเนินการเป็นเวลาหกสัปดาห์

ความท้าทายด้านการผลิตและการก่อสร้าง

การสร้างถังเก็บสารที่อุณหภูมิต่ำจัด (cryogenic) ไม่เหมือนกับการสร้างถังความดันมาตรฐาน เนื่องจากค่าความคลาดเคลื่อนที่ยอมรับได้มีความเข้มงวดมากขึ้น ขั้นตอนการเชื่อมต้องใช้ความชำนาญสูงกว่า และข้อกำหนดในการตรวจสอบก็เข้มงวดยิ่งกว่าเดิม รอยเชื่อมที่บกพร่องเพียงจุดเดียวในถังด้านในอาจทำให้ระบบปิดล้อมทั้งหมดเสียหายได้

สำหรับเจ้าของโครงการ การเลือกผู้ผลิต (fabricator) มีความสำคัญอย่างยิ่ง ผู้ผลิตที่มีประสบการณ์ในการผลิตอุปกรณ์สำหรับงานที่อุณหภูมิต่ำจัดจะเข้าใจขั้นตอนการเชื่อมพิเศษ ข้อกำหนดในการทดสอบแบบไม่ทำลาย (non-destructive testing) และความสำคัญอย่างยิ่งยวดของการรักษาความสะอาดระหว่างกระบวนการผลิต บริษัทอย่าง GreenFir ซึ่งมีประวัติการผลิตอุปกรณ์สำหรับงานที่อุณหภูมิต่ำจัดมาอย่างยาวนาน สามารถนำประสบการณ์เหล่านี้มาประยุกต์ใช้กับทุกโครงการถังเก็บสาร ช่วยลดความเสี่ยงของปัญหาที่อาจเกิดขึ้นในสนาม (field issues) และมั่นใจได้ว่าถังจะทำงานตามที่ออกแบบไว้ตั้งแต่ครั้งแรกที่เติมสาร