Maszyny wirujące, takie jak turbiny, pompy i sprężarki, są nieustannie narażone na działanie znacznych sił mechanicznych. Ponieważ większość tych maszyn ma kluczowe znaczenie dla procesu, wdrażane są systemy wyposażone w funkcje zabezpieczające i/lub monitorujące, mające na celu zapobieganie awariom. W niniejszym artykule przedstawiamy kilka typowych awarii związanych z prędkością, które mogą wystąpić w maszynach wirujących.
Ochrona przed nadmierną prędkością
1. Przekroczenie prędkości
Konstrukcja maszyn wirujących jest zaprojektowana tak, aby wytrzymać określoną prędkość obrotową, zwaną prędkością konstrukcyjną. W przypadku wystąpienia nadmiernej prędkości wał maszyny obraca się szybciej, niż jest w stanie wytrzymać konstrukcja maszyny. 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 wskazują zatem, że w większości przypadków obowiązkowe jest posiadanie systemu zabezpieczenia przed nadmierną prędkością obrotową. Prędkość obrotową (RPM) można zmierzyć za pomocą pomiarów prędkości. System zabezpieczenia przed nadmierną prędkością obrotową zapewnia utrzymanie prędkości obrotowej w określonych granicach, aby zapobiec uszkodzeniom maszyny. W przypadku przekroczenia z góry określonych wartości granicznych maszyna zostaje natychmiast wyłączona (rysunek 1). Wyłączenie maszyny musi nastąpić w bardzo krótkim czasie. Zgodnie z aktualnymi wytycznymi dotyczącymi maszyn (API 670) systemy zabezpieczenia przed nadmierną prędkością obrotową muszą charakteryzować się czasem reakcji nieprzekraczającym 40 ms.
Przekroczenie prędkości jest największym zagrożeniem dla każdego operatora maszyn wirujących. Brak odpowiedniej reakcji lub nieprawidłowe działanie systemu zabezpieczającego przed przekroczeniem prędkości może spowodować poluzowanie łopatek turbiny lub części wirnika. W najgorszym przypadku części te przebiją obudowę turbiny, zagrażając bezpieczeństwu personelu i powodując poważne uszkodzenia urządzeń napędzanych przez turbinę.
2. Przyspieszenie
Zbyt gwałtowne przyspieszenie maszyny wirującej może spowodować, że maszyna ta osiągnie nadmierną prędkość pomimo obecnego systemu zabezpieczenia przed nadmierną prędkością, co prowadzi do niebezpiecznej sytuacji. W zależności od szybkości przyspieszenia zatrzymanie napędu maszyny nie spowoduje natychmiastowego spadku prędkości obrotowej. Ze względu na działanie znacznych sił prędkość może nawet wzrosnąć w krótkim czasie po zatrzymaniu napędu. Gdy system zabezpieczenia przed nadmierną prędkością zadziała po osiągnięciu wartości granicznej wynoszącej 110% maksymalnej dopuszczalnej prędkości obrotowej, pewien stopień przyspieszenia może nadal spowodować, że prędkość obrotowa przekroczy dopuszczalne 110% (rysunek 2). W ten sposób maszyna nadal osiąga krytyczną prędkość obrotową, co skutkuje uszkodzeniem.
Podczas uruchamiania maszyny wirującej, w zależności od dostępnej energii, należy ją zabezpieczyć przed przyspieszeniem. W przeciwieństwie do zabezpieczenia przed nadmierną prędkością, zabezpieczenie przed przyspieszeniem uwzględnia nie tylko prędkość obrotową (RPM), ale także wzrost prędkości obrotowej w określonym przedziale czasowym. Gdy czujniki prędkości wykryją nadmierny wzrost przyspieszenia, system zabezpieczający wyłączy turbinę.
Gdy maszyna nie jest zabezpieczona przed przyspieszeniem, nadal może osiągnąć nadmierną prędkość. System zabezpieczenia przed nadmierną prędkością nie jest w stanie zatrzymać maszyny na czas w przypadku nadmiernego wzrostu przyspieszenia.
Monitorowanie prędkości
3. Odwrotny kierunek obrotów
Może się zdarzyć, że ciśnienie w procesie spowoduje obrót sprężarki w niewłaściwym kierunku, podczas gdy turbina napędzająca tę sprężarkę nie pracuje. Zjawisko to nazywa się odwróconym obrotem. Ciśnienie to może powstać w wyniku nieprawidłowego zamknięcia zaworu ssącego, co powoduje wyciek. Uruchomienie turbiny w takim stanie sprężarki doprowadzi do uszkodzeń. Ciśnienie, które narasta w wyniku odwrotnego obrotu, oraz ciśnienie pochodzące z turbiny będą się wzajemnie znosić, 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 zwykłych pomiarów prędkości, ponieważ turbina pracuje z bardzo niską prędkością podczas procesu wyłączania.
5. Niedostateczna prędkość
Niedostateczna prędkość obrotowa jest przeciwieństwem nadmiernej prędkości obrotowej, ale stanowi mniej krytyczną awarię. Aby proces mógł nadal przebiegać, instalacja musi utrzymywać minimalną prędkość obrotową (RPM). Proces nie może być już napędzany przy niższej prędkości obrotowej. Chociaż niedostateczna prędkość obrotowa jest wysoce niepożądana ze względu na zakłócenie procesu produkcyjnego, nie ma ona tak katastrofalnych skutków jak nadmierna prędkość obrotowa. Można ustawić wartości graniczne tak, aby alarm uruchamiał się po osiągnięciu minimalnej prędkości obrotowej niezbędnej do utrzymania procesu. Pozwala to operatorowi zapobiec wystąpieniu niedostatecznej prędkości obrotowej. Pomiary niedostatecznej prędkości obrotowej mogą być również wykorzystywane do sygnalizowania, 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 podstawie projektu sprawia, że jest to 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 odstępy między testami sprawdzającymi są bardzo długie.
Dowiedz się więcej o SpeedSys 200 »
W celu testowania i weryfikacji systemów zabezpieczeń przed nadmierną prędkością firma Istec opracowała generator częstotliwości IST-101. Narzędzie to symuluje sygnały prędkości, co pozwala na pełne przetestowanie funkcji wyzwalania systemu zabezpieczeń bez wywoływania rzeczywistej sytuacji nadmiernej prędkości.
