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 veel voorkomende snelheidsgerelateerde storingen die kunnen optreden bij roterende machines.
Speed bescherming
1. Overtoeren
De constructie van roterende machines is ontworpen om een bepaalde rotatiesnelheid te weerstaan, die bekend staat als de constructiesnelheid. Bij overtoeren draait de as van de machine sneller dan de constructie van de machine aankan. De krachten nemen exponentieel toe met de draaisnelheid waardoor onderdelen los kunnen raken. Dit kan catastrofale gevolgen hebben voor zowel het proces, het personeel als het milieu. Risicoanalyses tonen daarom aan dat het in de meeste gevallen verplicht is om een overspeed-bewakingssysteem te hebben. Door speedmetingen kan de rotatiesnelheid (RPM) worden gemeten. Een overspeed bewakingssysteem 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 beveiligingssystemen tegen te hoog toerental niet langer dan 40 ms reageren.

Overspeed is de grootste angst van elke operator van roterende machines. Als je niet op tijd reageert of als een overspeed-bewakingssysteem niet goed werkt, kunnen 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 overspeed-bewakingssysteem in een te hoge speed terechtkomt, wat een gevaarlijke situatie veroorzaakt. Afhankelijk van de acceleratiesnelheid zal het stoppen van de bestuurder 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 overspeed-bewakingssysteem 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 beveiliging tegen te hoog toerental, 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 op topsnelheid gaan. Een overspeed-bewakingssysteem is niet in staat om de machine op tijd te stoppen tijdens een overmatige acceleratietoename.
Speed bewaking
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 / Kruip
Het is belangrijk dat een turbine daadwerkelijk stilstaat voordat turnaround / onderhoudswerkzaamheden worden gestart. De enorme massa van een turbine kan immers gevaarlijke situaties veroorzaken als onderhoudswerkzaamheden worden gestart terwijl de turbine nog langzaam draait. 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 overspeed-bewakingssysteem. Het robuuste ontwerp met geavanceerde self-monitoring, galvanisch gescheiden in- en uitgangen en certificering door ontwerp maken een hoogwaardig product dat zich onderscheidt op 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 snelheidsbegrenzers heeft Istec de IST-101 frequentiegenerator ontwikkeld. Dit instrument simuleert snelheidssignalen, waardoor de uitschakelfunctie van een monitoringsysteem volledig kan worden getest zonder een werkelijke snelheidsoverschrijding te creëren.