Maszyny wirujące, takie jak turbiny, pompy i sprężarki, są stale poddawane działaniu dużych sił mechanicznych. Ponieważ większość tych maszyn ma krytyczne znaczenie dla procesu, wdrażane są systemy z funkcjami ochrony i/lub monitorowania w celu zapobiegania awariom. W tym artykule przedstawiamy kilka typowych awarii związanych z prędkością obrotową, które mogą wystąpić w przypadku maszyn wirujących.
Ochrona prędkości
1. Nadmierna prędkość
Konstrukcja maszyn wirujących jest zaprojektowana tak, aby wytrzymać określoną prędkość obrotową, zwaną prędkością konstrukcyjną. W przypadku wystąpienia nadmiernej prędkości obrotowej wał maszyny obraca się szybciej niż konstrukcja maszyny jest w stanie wytrzymać. Siły rosną wykładniczo wraz z prędkością obrotową, co może spowodować poluzowanie się części. Może to mieć katastrofalny wpływ zarówno na proces, personel, jak i środowisko. Analizy ryzyka pokazują zatem, że w większości przypadków obowiązkowe jest posiadanie systemu ochrony przed nadmierną prędkością. Dzięki pomiarom prędkości można zmierzyć prędkość obrotową (RPM). System ochrony przed nadmierną prędkością obrotową zapewnia utrzymanie prędkości obrotowej w określonych granicach, aby zapobiec uszkodzeniom maszyny. Jeśli predefiniowane wartości graniczne zostaną przekroczone, maszyna zostanie natychmiast wyłączona (rysunek 1). Wyłączenie maszyny musi nastąpić w bardzo krótkim czasie. Zgodnie z aktualnymi wytycznymi dotyczącymi maszyn (API 670), systemy zabezpieczające przed nadmierną prędkością muszą mieć czas reakcji nie dłuższy niż 40 ms.
Nadmierna prędkość to największa obawa każdego operatora maszyn wirujących. Brak reakcji na czas lub nieprawidłowe działanie systemu zabezpieczającego przed nadmierną prędkością może spowodować poluzowanie łopatek turbiny lub części wirnika. W najgorszym przypadku części te przebiją się przez obudowę turbiny, zagrażając bezpieczeństwu personelu i powodując poważne uszkodzenia sprzętu zasilanego przez turbinę.
2. Przyspieszenie
Zbyt gwałtowne przyspieszenie maszyny wirującej może spowodować, że maszyna wirująca wejdzie w stan nadmiernej prędkości pomimo obecnego systemu ochrony przed nadmierną prędkością, powodując niebezpieczną sytuację. W zależności od prędkości przyspieszania, zatrzymanie sterownika maszyny nie spowoduje natychmiastowego zmniejszenia prędkości obrotowej. Ze względu na duże siły prędkość może nawet wzrosnąć w krótkim czasie po zatrzymaniu sterownika. Gdy system zabezpieczający przed nadmierną prędkością zadziała po osiągnięciu wartości granicznej 110% maksymalnej dopuszczalnej prędkości obrotowej, pewien stopień przyspieszenia może nadal powodować, że naliczona prędkość przekroczy dopuszczalne 110% (rysunek 2). W ten sposób maszyna nadal osiąga krytyczną prędkość obrotową, co prowadzi do jej uszkodzenia.
Podczas rozruchu maszyny wirującej, w zależności od dostępnej energii, powinna ona być chroniona przed przyspieszeniem. W przeciwieństwie do ochrony przed nadmierną prędkością, ochrona przed przyspieszeniem nie tylko sprawdza obroty, ale także wzrost obrotów w określonym przedziale czasu. Gdy czujniki prędkości wykryją nadmierny wzrost przyspieszenia, system zabezpieczający wyłączy turbinę.
Gdy maszyna nie jest zabezpieczona przed przyspieszaniem, nadal będzie się rozpędzać do nadmiernej prędkości. System ochrony przed nadmierną prędkością nie jest w stanie zatrzymać maszyny na czas podczas nadmiernego wzrostu przyspieszenia.
Monitorowanie prędkości
3. Obrót wsteczny
Może się zdarzyć, że ciśnienie z procesu spowoduje obrót sprężarki w niewłaściwym kierunku, podczas gdy turbina napędzająca tę sprężarkę nie działa. Jest to znane jako obrót wsteczny. Ciśnienie to może wystąpić, ponieważ zawór ssący nie zamyka się prawidłowo, powodując nieszczelność. Gdy turbina zostanie uruchomiona w takim stanie sprężarki, doprowadzi to do jej uszkodzenia. Ciśnienie powstałe w wyniku obrotów wstecznych i ciśnienie z turbiny będą sobie przeciwdziałać, co może na przykład spowodować uszkodzenie sprzęgła. Często wiąże się to ze stratami finansowymi, ale nie stanowi bezpośredniego zagrożenia dla personelu i środowiska.
4. Postój/ruch pełzający
Ważne jest, aby turbina faktycznie stała w miejscu przed rozpoczęciem prac remontowych/konserwacyjnych. W końcu ogromna masa turbiny może spowodować niebezpieczne sytuacje, jeśli prace konserwacyjne zostaną rozpoczęte, gdy turbina nadal obraca się powoli. Aby to monitorować, pomiary prędkości muszą być wykonywane przez dłuższy okres niż w przypadku standardowych pomiarów prędkości, ponieważ turbina pracuje z bardzo niską prędkością podczas procesu wyłączania.
5. Zmniejszona prędkość
Niedostateczna prędkość jest przeciwieństwem nadmiernej prędkości, ale jest mniej krytyczną awarią. Aby utrzymać proces w ruchu, instalacja musi utrzymywać minimalną prędkość obrotową. Proces nie może być napędzany przy niższych obrotach. Chociaż zbyt niska prędkość jest wysoce niepożądana ze względu na zakłócenie procesu produkcyjnego, nie ma ona tak katastrofalnego wpływu jak nadmierna prędkość. Wartości graniczne można ustawić w taki sposób, aby alarm był wyzwalany po osiągnięciu minimalnej prędkości obrotowej zapewniającej ciągłość procesu. Pozwala to operatorowi zapobiec wystąpieniu zbyt niskiej prędkości. Pomiary zbyt niskiej prędkości obrotowej mogą być również wykorzystywane do wskazywania, na przykład, że można włączyć silnik impulsowy.
Sprzęt Istec
SpeedSys 200 to certyfikowany zgodnie z SIL 2 system zabezpieczenia przed nadmierną prędkością. Solidna konstrukcja z zaawansowanym samokontrolowaniem, galwanicznie odseparowanymi wejściami i wyjściami oraz certyfikacją na etapie projektowania tworzy produkt z najwyższej półki, który wyróżnia się na rynku. Skupienie się na podstawowych funkcjach bezpieczeństwa sprawia, że system jest łatwy w obsłudze i konserwacji, a okresy między testami sprawdzającymi są bardzo długie.
Przeczytaj więcej o SpeedSys 200 »
Aby przetestować i zweryfikować systemy zabezpieczające przed nadmierną prędkością, Istec opracował generator częstotliwości IST-101. Narzędzie to symuluje sygnały prędkości, co pozwala w pełni przetestować funkcję wyzwalania systemu zabezpieczającego bez tworzenia rzeczywistej sytuacji nadmiernej prędkości.
