Roterende machines zoals turbines, pompen en compressoren worden voortdurend blootgesteld aan grote mechanische krachten. Omdat de meeste van deze machines kritisch zijn voor het proces, worden systemen geïmplementeerd met beveiligings- en/of bewakingsfuncties om storingen te voorkomen. In dit artikel belichten we enkele veelvoorkomende snelheidsgerelateerde storingen die kunnen optreden bij roterende machines.
Speedbescherming
1. Overspeed
De constructie van roterende machines is ontworpen om bestand te zijn tegen een bepaalde rotatiesnelheid, die bekend staat als de constructiesnelheid. Bij overspeed draait de as van de machine sneller dan de constructie van de machine aankan. De krachten nemen exponentieel toe met de rotatiesnelheid waardoor onderdelen los kunnen komen. Dit kan catastrofale gevolgen hebben voor het proces, het personeel en het milieu. Risicoanalyses tonen daarom aan dat een overspeedbeveiligingssysteem in de meeste gevallen verplicht is. Door speedmetingen kan de rotatiesnelheid (RPM) worden gemeten. Een overspeedbeveiligingssysteem zorgt ervoor dat de rotatiesnelheid binnen bepaalde grenzen blijft om schade aan de machine te voorkomen. Als de vooraf gedefinieerde grenswaarden worden overschreden, wordt de machine onmiddellijk uitgeschakeld (Afbeelding 1). Dit uitschakelen van de machine moet binnen een zeer kort tijdsbestek gebeuren. Volgens de huidige machinerichtlijnen (API 670) mogen overspeedbeveiligingssystemen niet langer dan 40 ms reageren.
Overspeed is de grootste angst van elke bediener van roterende machines. Niet op tijd reageren of het niet goed functioneren van een overspeedbeveiligingssysteem kan ervoor zorgen dat turbinebladen of rotordelen losraken. In het ergste geval gaan deze onderdelen dwars door de turbinebehuizing heen, waardoor de veiligheid van het personeel in gevaar komt en grote schade ontstaat aan de apparatuur die door de turbine wordt aangedreven.
2. Acceleratie
Een te snelle acceleratie van een roterende machine kan ertoe leiden dat een roterende machine ondanks het aanwezige overspeedbeveiligingssysteem in een overspeed terechtkomt, waardoor een gevaarlijke situatie ontstaat. Afhankelijk van de acceleratiesnelheid zal het stoppen van de aandrijving van een machine niet onmiddellijk leiden tot een afname van de rotatiesnelheid. Door grote krachten kan de speed zelfs toenemen vanaf een korte tijd nadat de bestuurder al is gestopt. Wanneer een overspeedbeveiligingssysteem afslaat wanneer de grenswaarde van 110% van de maximaal toelaatbare rotatiesnelheid is bereikt, kan een bepaalde mate van acceleratie er nog steeds voor zorgen dat de opgebouwde speed de toegestane 110% overschrijdt (Afbeelding 2). Op deze manier bereikt de machine nog steeds een kritieke rotatiesnelheid, met schade als gevolg.
Tijdens het opstarten van een roterende machine moet deze, afhankelijk van de beschikbare energie, worden beveiligd tegen acceleratie. In tegenstelling tot de overspeedbeveiliging kijkt de versnellingsbeveiliging niet alleen naar het toerental, maar naar de toename van het toerental binnen een vooraf bepaald tijdsinterval. Wanneer de speedsensoren een buitensporige toename van de acceleratie detecteren, zal het monitoringsysteem de turbine uitschakelen.
Wanneer de machine niet beveiligd is tegen acceleratie, zal deze toch in de overspeed situatie terechtkomen. Een overspeedbeveiligingssysteem is niet in staat om de machine op tijd te stoppen tijdens een overmatige acceleratietoename.
Speedmonitoring
3. Omgekeerde rotatie
Het kan voorkomen dat een compressor door de druk van het proces in de verkeerde richting draait, terwijl de turbine die deze compressor aandrijft niet draait. Dit staat bekend als omgekeerde rotatie. Deze druk kan ontstaan doordat de zuigklep niet goed sluit, waardoor een lek ontstaat. Als de turbine tijdens deze toestand van de compressor wordt opgestart, leidt dit tot schade. De druk die wordt opgebouwd als gevolg van de omkering van de draairichting en de druk van de turbine zullen elkaar tegenwerken, waardoor bijvoorbeeld de koppeling beschadigd kan raken. Dit betreft vaak financiële schade, maar vormt geen direct gevaar voor personeel en milieu.
4. Stilstand
Het is belangrijk dat een turbine daadwerkelijk stilstaat voordat turnaround worden gestart. De enorme massa van een turbine kan immers gevaarlijke situaties veroorzaken als onderhoudswerkzaamheden worden gestart terwijl de turbine nog langzaam roteert. Om dit te controleren moeten speedmetingen over een langere periode worden uitgevoerd dan normale speedmetingen, omdat de turbine tijdens het stilzetten op een zeer laag toerental draait.
5. Underspeed
Underspeed is het tegenovergestelde van overspeed, maar is een minder kritieke fout. Om een proces draaiende te houden, moet een installatie een minimaal toerental aanhouden. Het proces kan niet meer aangedreven worden met een lager toerental. Hoewel underspeed zeer onwenselijk is door een verstoring van het productieproces, heeft het niet dezelfde catastrofale impact als overspeed. Er kunnen limietwaarden worden ingesteld zodat er een alarm wordt geactiveerd wanneer het minimum toerental om het proces draaiende te houden wordt bereikt. Hierdoor kan de operator voorkomen dat underspeed optreedt. Metingen van underspeed kunnen ook worden gebruikt om bijvoorbeeld aan te geven dat een jog-motor kan worden ingeschakeld.
Istec-hardware
De SpeedSys 200 is een SIL2 gecertificeerd overspeedbeveiligingssysteem. Het robuuste ontwerp met geavanceerde self-monitoring, galvanisch gescheiden in- en uitgangen en certificering door ontwerp maken een high-end product dat zich onderscheidt in de markt. De focus op de belangrijkste veiligheidsfuncties zorgt voor een systeem dat eenvoudig te gebruiken en te onderhouden is, met zeer lange testintervallen.
Lees meer over de SpeedSys 200 »
Voor het testen en verifiëren van overspeedbeveiligingssystemen heeft Istec de IST-101 frequentiegenerator ontwikkeld. Dit instrument simuleert snelheidssignalen, waardoor de uitschakelfunctie van een monitoringsysteem volledig kan worden getest zonder een werkelijke overspeedbeveiligingssituatie te creëren.
