Устройство защиты турбокомпрессора от осевого сдвига
М.В. Кипервассер, к.т.н., доцент, ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет»
Д.С. Аниканов, инженер-наладчик ООО «Пусконаладочное Управление Объединенной Компании «Сибшахтострой»
Турбокомпрессоры – это центробежные компрессорные машины. Они применяются преимущественно при подаче больших объёмов газа под давлением 0,15–1,0 МПа. Сжатие происходит за счёт выброса газа рабочими колёсами в радиальном направлении под действием центробежной силы. Для большей эффективности турбокомпрессоры делают многоступенчатыми – на общем валу насаживается несколько рабочих колёс, отделённых друг от друга собственными диффузорами. Турбокомпрессоры нашли широкое применение в горной промышленности. Они используются для сжатия атмосферного воздуха, который затем расходуется при проведении горных работ. Основным потребителем пневмоэнергии на подземных горнодобывающих предприятиях является буровой инструмент. По ряду причин применение сжатого воздуха в качестве энергоносителя для бурового инструмента предпочтительно по сравнению с другими типами энергоресурсов (электроэнергией, гидравлической энергией).
Поэтому многие подземные предприятия (особенно по добыче различных руд) имеют в своём составе поверхностные компрессорные станции, оснащённые турбокомпрессорами большой производительности. Так, на крупных железорудных шахтах «Шерегешская», «Абаканская» одновременно находится в работе по 5–7 компрессорных агрегатов суммарной производительностью 1500–1800 м3/мин. [1].
Турбокомпрессор – это ответственный и энергонапряженный агрегат. Мощность приводных синхронных двигателей может достигать 12,5 МВт [2] и выше, а частота вращения рабочих колёс до 30000 об/мин. Как и любое техническое устройство, турбокомпрессорная установка подвержена негативным последствиям эксплуатации – износу трущихся поверхностей, снижению прочности высоконагруженных частей вследствие усталости металла, ослаблению соединений вследствие вибраций и т.д. Все эти факторы при негативном стечении обстоятельств могут привести в серьёзной аварии. К характерным неисправностям турбокомпрессора относятся следующие: нецилиндричность шейки валов, нарушение центровки валов, дефекты зубчатых соединений редуктора и соединительных муфт, осевой сдвиг вала турбины.
Осевой сдвиг вала – одна из самых неблагоприятных аварийных ситуаций, требующая распознавания на ранних стадиях её возникновения. Осевой сдвиг вала турбины возникает вследствие того, что турбокомпрессор развивает определённую реактивную силу тяги. Это вызвано забором воздуха рабочими колёсами и его движением под давлением в осевом направлении. Под действием реактивной силы рабочие колёса смещаются и начинают соприкасаться с диффузором турбокомпрессора.[3] Следствием аварии является разрушение диффузоров, рабочих колёс, длительные простои и потери производства.
При недостатке в современных условиях эксплуатирующего персонала для своевременного обнаружения аварии необходимо использовать все возможные ресурсы, в том числе – косвенные методы диагностики. В связи с этим нами было предложено устройство, зарегистрированное патентом [4].
Принцип работы предлагаемого устройства основан на контроле электрических параметров приводного синхронного двигателя турбокомпрессора. При возникновении осевого сдвига меняется механический момент на валу приводного электродвигателя, что в свою очередь приводит к изменению электрических параметров электродвигателя [5].
Устройство защиты турбокомпрессора от осевого сдвига содержит блок 1 управления синхронным двигателем, датчик тока 2, выполненный на базе установленных в питающую цепь статора двигателя измерительных трансформаторов тока по одному на каждую фазу, первый ключ 3, блок 4 задания уставки, второй блок 5 сравнения, блок 6 снятия значения, блок 7 памяти, блок 8 регистрации, третий ключ 9, первый блок 10 сравнения, блок 11 индикации, блок 12 задания величины скачка, блок 13 контроля работы механизма, второй ключ 14, блок 15 задержки.
В момент запуска механизма посредством релейной схемы и блока контроля работы механизма, подается управляющий сигнал на первый 3 и третий 9 ключи. Сигнал изменяется с низкого на высокий и остается таковым до момента команды на остановку компрессора. Второй ключ замыкается в момент времени τ1. Это происходит в результате подачи сигнала с блока контроля работы механизма на блок 15 задержки, с выхода которого поступает на вход второго ключа. Блок 15 задержки формирует выдержку времени необходимую для разгона двигателя турбокомпрессора. Блок 6 снятия значения предназначен для снятия текущих значений тока статора.
Выходной сигнал блока 6 снятия значения поступает на первый вход третьего ключа 9 и второй вход второго ключа 14.
Таким образом, на входе второго блока 5 сравнения, подключенного к выходу третьего ключа 9, имеем сигнал, пропорциональный величине тока статора. С выхода второго блока 5 сравнения сигнал поступает на вход первого блока 10 сравнения. В момент времени τ1 начинается фиксация значения тока статора, длящаяся до момента времени остановки механизма τ2. На выходе блока 15 задержки сигнал изменяется с низкого уровня на высокий в момент времени τ1 и поступает на информационный вход второго ключа 14. В блоке 7 памяти производится запоминание значения тока статора, поданного на его информационный вход с выхода второго ключа 14. На процесс запоминания информации в блоке 7 памяти отводится интервал времени (τ1–τ2). Выходные сигналы блока 7 памяти и второго блока 5 сравнения поступают на второй и первый входы первого блока 10 сравнения. Во втором блоке 5 сравнения определяется разность текущего значения тока статора и значения тока в нормальном режиме, хранящегося в блоке 7 памяти. С выхода первого блока 10 сравнения полученный сигнал разности поступает на вход блока 11 индикации и вход блока 1 управления синхронным двигателем, который состоит из промежуточного реле и высоковольтного выключателя синхронного двигателя. На первый вход второго блока 5 сравнения поступает сигнал с третьего ключа 9, а на второй вход поступает сигнал с блока 4 задания уставки.
Во втором блоке 5 сравнения реализуется следующая логическая функция:
где: x(τ) – выходной сигнал второго блока сравнения, имеющий два уровня Откл. и Раб.;
Δ2 – выходной сигнал третьего ключа 9;
Δ3 – выходной сигнал блока 4 задатчика уставки.
Если сигнал Δ2 с третьего ключа 9 будет больше чем сигнал Δ3 из блока 4 задания уставки, то есть больше величины допустимого тока, то сигнал с выхода второго блока 5 сравнения, поступает на вход блока 1 управления синхронным двигателем и двигатель турбокомпрессора останавливается. В противном случае сигнал не считается аварийным и работа турбокомпрессора продолжается.
На третий вход первого блока 10 сравнения поступает сигнал с блока 12 задания величины скачка.
В первом блоке 10 сравнения реализуется следующая логическая функция:
где: y(τ) – выходной сигнал второго блока сравнения, имеющий два уровня: Откл. и Раб.;
Δ1 – выходной сигнал блока 12 задатчика величины скачка тока;
Δ – выходной сигнал второго блока 5 сравнения;
Δ* – выходной сигнал блока 7 памяти.
Если сумма величин Δ1+Δ будет больше , то со второго выхода первого блока 10 сравнения на вход блока 1 управления СД поступает сигнал отключения. Сигнал со второго выхода блока 10 сравнения приходит на вход блок 11 индикации. А в случае, когда сумма величин Δ1+Δ будет меньше Δ*, сигнал считается неаварийным и турбокомпрессор продолжает работать.
С выхода второго блока 5 сравнения сигнал поступает на вход блока 8 регистрации, в памяти которого записываются значения токограммы привода компрессора.
Появление аварийного сигнала обеспечивается последовательным срабатыванием пяти блоков при контроле величины текущего значения тока статора двигателя и шести блоков при контроле величины скачка тока. При собственном времени срабатывания аналоговых блоков 5·10–6…10–5 полное время срабатывания устройства будет определяться в основном собственным временем срабатывания блока управления синхронным двигателем 1, составляющим 0,06–0,08 с и складывающимся из времени срабатывания реле (0,02–0,03 с) и высоковольтного выключателя (0,04–0,05 с). Таким образом, предлагаемое устройство позволяет распознать аварийную ситуацию осевого сдвига вала турбокомпрессора на ранних стадиях и повысит быстродействие срабатывания защиты. Такие характеристики защиты снижают степень тяжести последствий аварии и уменьшают экономический ущерб предприятия.
Информационные источники:
1. Савельев А.Н. Моисеев Л.Л. Кипервассер М.В. Оценка эффективности линейной системы пневмоэнергоснабжения. - Известия вузов. Черная металлургия. – 2008. №2. – с. 58–62.
2. Инструкция по эксплуатации синхронных двигателей серии СТДП мощностью от 1250 кВт до 12500 кВт.
3. Статья из которой взята информация по турбокомпрессору
4. Патент на изобретение №2531465,заявка №2013130395. Зарегистрирован в Государственном реестре изобретений Российской Федерации 25 августа 2014 г.
5. Кипервассер М.В., Аниканов Д.С. Устройство защиты механизма конвейера при обрыве несущей ленты. – Горная промышленность: №2 (114)/2014, С. 115–116.
