ЗАЩИТА ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН И УСТАНОВОК
ОТ ОПАСНЫХ РЕЖИМОВ
В процессе работы холодильных машин и установок из-за отказов отдельных узлов или агрегатов, а также из-за нарушений в системах энерго- и водоснабжения могут возникать опасные режимы: повышение давления и температуры, уровня жидкости в отдельных аппаратах или узлах машин, прекращение смазки трущихся пар, отсутствие охлаждающей воды и т.д. Если не будут приняты своевременные меры, могут быть повреждены или разрушены компрессоры, теплообменные аппараты или другие элементы установки. При этом возникает серьезная опасность для здоровья и жизни обслуживающего персонала.
Защита холодильных машин и установок включает в себя целый комплекс технических и организационных мероприятий, обеспечивающих их безопасную эксплуатацию. В этой главе будут рассмотрены лишь те из них, которые выполняются на основе автоматических приборов и устройств.
СПОСОБЫ ЗАЩИТЫ
К способам защиты относят остановку машины или всей установки, включение аварийных устройств, выпуск рабочего вещества в атмосферу или перепуск в другие аппараты.
Остановка машины или всей установки. Этот способ осуществляется с помощью системы автоматической защиты (САЗ), которая состоит из первичных устройств - датчиков-реле защиты (или просто реле защиты) и электрической схемы, преобразующей сигналы от реле защиты в сигнал остановки. Этот сигнал передается в схему автоматического управления.
Реле защиты воспринимают контролируемые технологические величины и при достижении ими предельно допустимых значений вырабатывают аварийный сигнал. Эти приборы обладают чаще всего релейными двухпозиционными характеристиками. Число входящих в САЗ датчиков-реле определяется минимально необходимым количеством контролируемых величин.
Электрическая схема выполняется в одном из трех вариантов, в соответствии с чем САЗ бывают однократного действия, с повторным включением и комбинированными.
САЗ однократного действия осуществляет остановку машины или установки при срабатывании любого реле защиты и делает невозможным автоматический пуск до вмешательства обслуживающего персонала. Этот тип САЗ распространен преимущественно на крупных и средних машинах. Если установка работает без непрерывного обслуживания и оборудование не имеет автоматически включаемого резерва, то САЗ дополняется специальной сигнализацией для экстренного вызова персонала.
САЗ с повторным включением останавливает машину при срабатывании реле защиты и не препятствует ее автоматическому включению при возвращении реле в нормальное состояние. Ее применяют главным образом в малых установках торгового типа, где стремятся к упрощению схемы автоматики.
В комбинированных САЗ часть реле защиты, контролирующих наиболее опасные параметры, включают в электрическую схему однократного действия, а часть с менее опасными параметрами - в схему с повторным включением. Это позволяет, не прибегая к помощи персонала, вновь автоматически пускать машину, если это не сопряжено с опасностью аварии.
На практике встречается также разновидность защиты, называемая блокировкой. Ее отличие состоит в том, что сигнал получают не от реле защиты, а от элемента схемы контроля или управления другим агрегатом или узлом установки (например, насосом, вентилятором и т.д.). Блокировка исключает пуск или работу машины при невыполнении заданного порядка пуска контролируемых агрегатов. Обычно блокировку выполняют по схеме с повторным включением.
Включение аварийных устройств. Этот способ осуществляется также САЗ.
К аварийным устройствам относят:
- предупредительную сигнализацию об опасных режимах, которую применяют на особо крупных установках с непрерывным обслуживанием, чтобы по возможности избежать остановки машины;
- аварийную сигнализацию, информирующую персонал о срабатывании защиты, а также расшифровывающую конкретную причину аварийного срабатывания;
- аварийную вентиляцию, включаемую при повышении местной или общей концентрации в воздухе взрыво- и пожароопасных, а также токсичных рабочих веществ (например, аммиака).
Выпуск рабочего вещества в атмосферу или перепуск в другие аппараты. Этот способ осуществляется специальными предохранительными устройствами (предохранительными клапанами, предохранительными пластинами, плавкими пробками и др.), не входящими в САЗ. Их назначение - предотвратить разрушение или взрыв сосудов и аппаратов при повышении давления в результате неисправности установки, а также в случае пожара. Выбор предохранительных устройств и правила их использования определяются нормативными документами в соответствии с правилами безопасности и эксплуатации сосудов, работающих под давлением.
ПОСТРОЕНИЕ СИСТЕМ ЗАЩИТЫ
Системы защиты различаются в зависимости от типа холодильной установки, ее размеров, принятого способа эксплуатации и др. При построении всех САЗ необходимо учитывать общие принципы, обеспечивающие в наибольшей степени безопасность работы. В качестве примера рассматривается принципиальная схема САЗ компрессионной холодильной установки, состоящей из компрессора Км с электродвигателем Д, теплообменных аппаратов ТА и вспомогательных устройств ВУ - насосов, вентиляторов и др. (рис. 7.1). Схема представлена в общем виде без указаний конкретных величин и параметров, подвергаемых контролю.
Рис. 7.1. Принципиальная схема САЗ
Следует условиться, что САЗ предназначена для остановки компрессора при достижении одним из параметров предельно допустимого значения.
САЗ имеет десять каналов защиты. Каналы 1-8 работают от соответствующих реле защиты, воспринимающих технологические параметры. Каналы 9 и 10 обеспечивают блокировку компрессора и вспомогательных устройств.
В систему входит ключ, с помощью которого при необходимости (при пробах и обкатках) можно выключить часть защитных реле и цепей блокировки (2, 3, 5, 6, 8, 9, 10). Не подлежат выключению те защиты, которые должны функционировать в любом режиме работы установки.
Электрическая схема САЗ состоит из двух частей. Первая часть, в которую включены каналы 2, 5, 9 и 10, работает по способу с повторным включением, а вторая с остальными каналами обеспечивает защиту, работающую по принципу однократного действия, и контролирует наиболее ответственные параметры. При достижении ими предельно допустимых значений САЗ останавливает компрессор. Последующий пуск его возможен лишь после вмешательства персонала, который пользуется специальной кнопкой ввода в работу защит.
Сигналы от электрической схемы САЗ подаются в схему автоматического управления АУ. Эти сигналы останавливают двигатель компрессора независимо от сигналов оперативного управления ОУ.
Кроме основной функции САЗ - аварийной остановки компрессора, она выполняет и вспомогательные операции: включение необходимых аварийных устройств, а также световой и звуковой сигнализации. Расшифровывающая сигнализация защит с повторным включением действует только до тех пор, пока контролируемый параметр не вошел в нормальные пределы. Сигнализация защит однократного действия остается включенной после срабатывания до нажатия кнопки ввода в работу независимо от фактического состояния контролируемого параметра. Такая схема как бы «запоминает» происшедшее срабатывание защиты и информирует персонал в течение неограниченного времени.
Представленная схема может рассматриваться лишь как пример построения САЗ. Конкретные системы могут от нее отличаться количеством каналов и способами их включения.
Основным требованием к САЗ является высокая надежность, которая достигается применением высоконадежных реле защиты и элементов электрических схем, резервированием реле и других элементов защиты в особо ответственных случаях, уменьшением числа элементов, последовательно включаемых в САЗ, использованием наиболее безопасных вариантов электрических схем, организацией профилактических проверок и ремонтов в процессе эксплуатации.
Применение высоконадежных реле защиты и элементов электрических схем - наиболее простой и естественный путь, так как при прочих равных условиях использование более надежных элементов позволяет создать более надежную систему. Следует лишь иметь в виду, что при эксплуатации реле и другие элементы САЗ имеют весьма малую циклическую наработку (малое число срабатываний). Поэтому при оценке надежности в расчет следует принимать не циклическую долговечность и циклическую наработку на отказ, а другие показатели, характеризующие способность элементов сохранять готовность к срабатыванию (например, наработку на отказ по времени). При этом за отказ принимают любое нарушение способности элемента к срабатыванию.
Резервирование представляет собой параллельное включение двух или более однородных и совместно работающих элементов, выполняющих одинаковые функции. Выход из строя одного из них не нарушает работоспособности системы в целом. Резервирование используют в особо опасных случаях, когда внезапный отказ САЗ может привести к серьезным последствиям. К таким случаям относят, например, защиту от попадания жидкого аммиака в поршневой компрессор. Для этого на сосудах перед компрессором устанавливают основные и резервные реле уровня.
На упрощенной схеме (рис. 7.2) показан отделитель жидкого аммиака ОЖ, установленный между испарителем и компрессором Км. При нормальной работе жидкий аммиак в отделителе жидкости отсутствует. При выбросе жидкости из испарителя она накапливается в отделителе жидкого аммиака, и, если ее уровень достигает допустимого предела, срабатывают реле защит РЗ1 и РЗ2 (на схеме показаны их первичные преобразователи). Оба реле постоянно включены в работу и выполняют одну и ту же функцию. Такое резервирование значительно повышает надежность, так как вероятность одновременного отказа обоих реле крайне мала.
Уменьшение числа элементов, последовательно включаемых в САЗ, является одним из способов повышения надежности электрических схем САЗ. Наиболее надежна система, в которой реле защиты связаны непосредственно с пускателем двигателя компрессора без промежуточных элементов. Однако такую схему применяют только на самых малых установках. На более крупных установках приходится использовать промежуточные реле, что уменьшает надежность. Поэтому число последовательных промежуточных элементов, входящих в цепь аварийного отключения компрессора, должно быть минимальным.
Рис. 7.2. Упрощенная схема отделителя жидкости с резервированием реле защиты
от влажного хода компрессора
При использовании наиболее безопасных электрических схем обеспечивается остановка компрессора при возникновении отказов в САЗ. Наиболее характерным отказом электрической цепи является обрыв (исчезновение напряжения или тока), что может иметь место при физическом обрыве проводов, подгорании контактов, выходе из строя радиоэлектронных элементов (диодов, транзисторов, резисторов и др.), нарушениях в работе источников электропитания. Для того чтобы указанные отказы сигнализировались как аварийные, необходимо, чтобы в цепях защиты при нормальном состоянии циркулировал ток, а сигнал аварийной остановки соответствовал его прекращению. Следовательно, наиболее безопасной является электрическая схема защиты на нормально замкнутых контактах или других элементах.
Так, в схеме (рис. 7.3) контакты реле защиты РЗ1, РЗ2 и РЗ3 замкнуты, если контролируемые величины находятся в нормальных пределах, и разомкнуты при достижении предельно допустимых значений. Эти контакты включены последовательно в цепь обмотки электромагнитного реле РА, которое при срабатывании защиты отключает обмотку магнитного пускателя (на схеме не показан) и останавливает компрессор.
Рис. 7.3. Электрическая схема защиты на нормально замкнутых контактах
Когда все контакты реле защит замкнуты, цепь электромагнитного реле можно ввести в работу кратковременным нажатием кнопки КВЗ. При этом через обмотку электромагнитного реле потечет ток, это реле сработает и замкнет свой контакт РА. После отпускания кнопки цепь остается под током. Достаточно одному из реле защит разомкнуть контакт, как электромагнитное реле отпустит и его контакт разомкнется. Повторное включение будет возможно только после нажатия кнопки. Это схема однократного действия. В схеме с повторным включением контакт РА и кнопка не требуются.
Организация профилактических проверок и ремонтов в процессе эксплуатации играет решающую роль в обеспечении безопасной работы установок. Эти меры, если они выполняются через необходимые промежутки времени, практически исключают опасные ситуации, связанные с внезапными отказами в саз.
Для организации профилактических проверок необходимо, чтобы САЗ снабжались устройствами и приспособлениями, позволяющими по возможности в полном объеме проверять работоспособность защит. При этом желательно, чтобы проверка не вызывала вывода установки за предельно допустимые режимы. Так, в схеме (см. рис. 7.2) проверить работу реле защит можно без наполнения отделителя жидкости.
При нормальной работе вентили В1 и В2 открыты, а вентиль В3 закрыт. Первичные преобразователи реле защит РЗ1 и РЗ2 подключены к сосуду.
Для проверки закрывают вентиль В2 и открывают вентиль В3. Из трубопровода жидкость подается непосредственно в поплавковые камеры реле уровня и заполняет их. Если реле исправны, то они, срабатывая, выдают соответствующие сигналы.
После этого вентиль В3 закрывают, а вентиль В2 открывают. Жидкость стекает в сосуд, что свидетельствует об отсутствии засорения соединительного патрубка.
В процессе эксплуатации должен действовать график профилактических проверок, периодичность которых должна быть выбрана с учетом фактических показателей надежности.
СОСТАВ САЗ
Количество параметров, контролируемых с помощью САЗ, зависит от вида оборудования, его размеров и производительности, вида хладагента и др. Обычно число защит увеличивается с увеличением размеров оборудования. Более сложные САЗ обычно применяют на аммиачных установках.
В табл. 7.1 приведен рекомендуемый перечень контролируемых параметров для наиболее распространенных видов холодильного оборудования. Для некоторых видов оборудования предлагается несколько вариантов набора защит, которые выбираются исходя из конкретных условий. Так, для герметичных компрессоров можно использовать два варианта. Вариант со встроенными устройствами для защиты от повышения температуры обмоток электродвигателей является предпочтительным, так как при том же числе приборов обеспечивается защита от большего числа неисправностей.
В табл. 7.1 не вошли компрессоры бытовых холодильников и кондиционеров.
Некоторые из защит, входящих в состав САЗ, не обязательно вводить в схему однократного действия, при необходимости допускается включать их в схему с повторным включением.
На особо крупных установках с винтовыми и центробежными компрессорами целесообразно применять предупредительную сигнализацию. При достижении параметров предельно допустимых значений включается предупредительная сигнализация. Компрессор останавливается лишь в том случае, когда через заданный промежуток времени параметр не войдет в нормальные пределы. Параметры, допускающие включение через предупредительную сигнализацию, также отмечены в табл. 7.1. При этом следует обратить внимание на надежность устройства временной задержки и при необходимости принять соответствующие меры, например резервирование.
Таблица 7.1
 |
| Оборудование | Давление | Перепад давлений в маслосистеме | Температура | Уровень жидкости | Осевой сдвиг вала | Область применения | ||||||||
| кипения (температура) | всасывания | нагнетания | нагнетания | масла | масла редуктора | обмоток электродвигателя | подшипников | выходящего теплоносителя | ||||||
| Компрессор поршневой герметичный | +* +* | +* +* +* +* | + | Хладоновые компрессоры малых холодильных установок (торговое оборудование, кондиционеры и др.) То же » | ||||||||||
| Компрессор поршневой бессальниковый | + + + + + +* | + + + + + +* | + + + + | + | + + | Хладоновые компрессоры средней производительности То же Хладоновые компрессоры большой производительности То же Хладоновые компрессоры малых холодильных установок | ||||||||
| Компрессор поршневой открытый | + + | + + | + + | + | Хладоновые и аммиачные компрессоры средней производительности То же, большой производительности | |||||||||
Окончание табл. 7.1
| Оборудование | Давление | Перепад давлений в маслосистеме | Температура | Уровень жидкости | Осевой сдвиг вала | Область применения | |||||||
| кипения (температура) | всасывания | нагнетания | нагнетания | масла | масла редуктора | обмоток электродвигателя | подшипников | выходящего теплоносителя | |||||
| Агрегат компрессорный винтовой | +** | + | + | +** | Аммиачные и хладоновые агрегаты | ||||||||
| Агрегат компрессорный центорожный | +** | + | + | +** | +** | +** | +** | + | Аммиачные и хладоновые агрегаты | ||||
| Аммиачный кожухотрубный испаритель | +*** | Без ограничения | |||||||||||
| Испаритель хладоновый с межтрубным кипением | +*** | То же | |||||||||||
| Испаритель хладоновый с внутритрубным кипением | +*** | » | |||||||||||
| Отделитель жидкости, ресивер циркуляционный | + | » |
Примечание. Звездочка (*) означает, что предусматривается защита:
* Допускается включение по схеме с повторным включением.
** Допускается остановка компрессора после включения предупредительной сигнализации.
*** Допускается включение через предупредительную сигнализацию.
АВТОМАТИЗАЦИЯ СИСТЕМ
КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА