УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ТУРБОКОМПРЕССОРА ОТ ОСЕВОГО СДВИГА
TURBOCOMPRESSOR PROTECTOR FROM AXIAL THRUST

Изобретение относится к устройствам и системам защиты турбокомпрессора от осевого сдвига.
Известно устройство защиты от осевого сдвига с использованием токовихревых датчиков положения. Датчики виброперемещений токовихревые представляют собой первичные преобразователи, принцип действия которых основан на создании вихревых токов в металлическом стержне при помощи переменного магнитного поля. В зависимости от расстояния между торцом стержня и объектом измерения изменяется величина тока в катушке, создающей магнитное поле, что и используется для измерения указанного расстояния (Государственный реестр средств измерений. Регистрационный №23084-02. ТУ 4277-033-00205435-01). Датчики состоят из собственно первичных преобразователей и преобразователей сигналов (выносных согласующих устройств). При этом на объект измерения устанавливают первичный преобразователь, который связан с блоком питания и обработки информации специальным кабелем.
Недостатком схемы контроля с использованием токовихревых датчиков является сложность их точной настройки. Зона нечувствительности токовихревых датчиков (2-3 мм) сравнима с величиной аварийного смещения ротора компрессора. В случае неточной калибровки датчиков или отклонения их от нормального положения из-за теплового расширения корпуса и других причин происходит нарушение работы схемы. Аварийный сигнал при осевом сдвиге ротора компрессора отсутствует.
Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности и достигаемому результату решением является устройство (см. а.с. №100685), включающее в себя реле осевого сдвига, блок управления синхронным двигателем, включающим в себя промежуточное реле и высоковольтный выключатель синхронного двигателя. Работа устройства основана на том, что при осевом сдвиге ротора возникает механический контакт между диском ротора и статором турбины. При возникновении контакта происходит разрушение чувствительного элемента, расположенного на статоре. Корпус чувствительного элемента служит заглушкой системы смазки турбины, и при его разрушении снижается давление масла в маслосистеме. Датчик контроля давления смазки выдает аварийный сигнал на остановку компрессора.
Существенным недостатком устройства контроля с использованием реле осевого сдвига, контролирующего положение оси турбокомпрессора, является низкое быстродействие. Процесс регистрации осевого сдвига заключается в разрушении контролирующего элемента, вызывающем снижение давления масла в системе, что приводит к срабатыванию датчика давления, промежуточного реле и отключению высоковольтного выключателя. Каждый из этапов имеет собственное время реализации. В результате суммарное время срабатывания защиты превышает несколько секунд (более 3 секунд). Результатом низкого быстродействия могут быть тяжелые аварии, а именно разрушение лопаток рабочих колес турбины, разрушение направляющих лопаток статора, выход из строя подшипниковых узлов.
Задачей настоящего изобретения является повышение быстродействия и предупреждение аварийных ситуаций на ранних стадиях с целью минимизации последствий аварии.
Решение поставленной задачи достигается тем, что устройство защиты турбокомпрессора от осевого сдвига содержит блок управления синхронным двигателем, включающий в себя промежуточное реле и высоковольтный выключатель синхронного двигателя, отличающееся тем, что дополнительно содержит блок памяти, первый и второй блоки сравнения, блок задания уставки, выход которого соединен со вторым входом второго блока сравнения, первый вход которого подключен к выходу третьего ключа, блок индикации, на вход которого поступает сигнал с первого выхода первого блока сравнения, датчик тока, выполненный на базе трех трансформаторов тока, включенных первичными обмотками в фазные проводники питающего кабеля обмотки статора электродвигателя, первый, второй и третий ключи, блок задержки, блок снятия значения, блок регистрации и блок задания величины скачка тока, при этом сигнал на вход блока задержки поступает при пуске турбокомпрессора со второго выхода блока контроля работы механизма, блок задержки подключен к первому входу второго ключа, выход датчика тока подключен к информационному входу первого ключа, выход первого ключа подключен к входу блока снятия значения, первый выход которого связан со вторым входом второго ключа, выход которого в свою очередь подключен к блоку памяти, второй выход блока снятия значения подключен к первому входу третьего ключа, второй выход второго блока сравнения подключен ко второму входу первого блока сравнения, а первый выход второго блока сравнения подключен к первому входу блока управления синхронным двигателем, выход блока памяти подключен к первому входу первого блока сравнения, третий выход второго блока сравнения подключен к входу блока регистрации, выход блока задания величины скачка тока подключен к третьему входу первого блока сравнения, второй выход первого блока сравнения подключен ко второму входу блока управления синхронным двигателем, первый выход блока управления синхронным двигателем подключен к входу блока контроля работы механизма и на второй вход третьего ключа, первый выход блока контроля работы механизма подключен к первому входу первого ключа.
На фиг.1 приведена функциональная схема заявленного устройства защиты турбокомпрессора от осевого сдвига; на фиг.2 - временные циклограммы работы блоков, входящих в устройство.
Устройство защиты турбокомпрессора от осевого сдвига (фиг.1) 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.
Устройство защиты турбокомпрессора от осевого сдвига содержит блок 1 управления синхронным двигателем, включающий в себя промежуточное реле и высоковольтный выключатель синхронного двигателя, отличающееся тем, что дополнительно содержит блок 7 памяти, первый 10 и второй 5 блоки сравнения, блок 4 задания уставки, выход которого соединен со вторым входом второго блока 5 сравнения, первый вход которого подключен к выходу третьего ключа 9, блок 11 индикации, на вход которого поступает сигнал с первого выхода первого блока 10 сравнения, датчик тока 2, выполненный на базе трех трансформаторов тока, включенных первичными обмотками в фазные проводники питающего кабеля обмотки статора электродвигателя, первый 3, второй 14 и третий 9 ключи, блок 15 задержки, блок 6 снятия значения, блок 8 регистрации и блок 12 задания величины скачка тока, при этом сигнал на вход блока 15 задержки поступает при пуске турбокомпрессора со второго выхода блока 13 контроля работы механизма, блок 15 задержки подключен к первому входу второго ключа 14, выход датчика тока 2 подключен к информационному входу первого ключа 3, выход первого ключа 3 подключен к входу блока 6 снятия значения, первый выход которого связан со вторым входом второго ключа 14, выход которого в свою очередь подключен к блоку 7 памяти, второй выход блока 6 снятия значения подключен к первому входу третьего ключа 9, второй выход второго блока 5 сравнения подключен ко второму входу первого блока 10 сравнения, а первый выход второго блока 5 сравнения подключен к первому входу блока 1 управления синхронным двигателем, выход блока 7 памяти подключен к первому входу первого блока 10 сравнения, третий выход второго блока 5 сравнения подключен к входу блока 8 регистрации, выход блока 12 задания величины скачка тока подключен к третьему входу первого блока 10 сравнения, второй выход первого блока 10 сравнения подключен ко второму входу блока 1 управления синхронным двигателем, первый выход блока 1 управления синхронным двигателем подключен к входу блока 13 контроля работы механизма и на второй вход третьего ключа 9, первый выход блока 13 контроля работы механизма подключен к первому входу первого ключа 3.
На фиг.2, а-ж обозначены: а - угловая скорость вращения двигателя турбокомпрессора; б - ток статора синхронного двигателя турбокомпрессора; в - исходный сигнал управления двигателем турбокомпрессора, имеющий два состояния («Пуск турбокомпрессора», «Остановка турбокомпрессора»); г - выход блока 13 контроля работы механизма; д - выход первого и третьего ключа 3,9; е - состояние второго ключа 14; ж - выход блока 15 задержки.
Устройство защиты турбокомпрессора от осевого сдвига работает следующим образом.
Включение системы в работу (условно принято за момент времени τ=0) происходит по сигналу («Пуск турбокомпрессора»), поступающему с управляющего входа схемы управления и изменение которого показано на фиг.2,в. Этот сигнал подается с местного пульта управления оператором.
На фиг.2,а приведен график изменения угловой скорости вращения двигателя турбокомпрессора. Весь цикл работы состоит из трех участков:
1
1
1. Первый участок (τ=0÷τ) - участок разгона, где двигатель турбокомпрессора движется с ускорением до момента t набора номинально скорости.
2. Второй участок - участок движения турбокомпрессора с равномерной скоростью.
3. Третий участок - участок торможения (после команды «Остановка турбокомпрессора»).
1
На фиг.2,б приведен график изменения действующих значений тока статора двигателя турбокомпрессора. Начиная с момента пуска (τ=0) протекает процесс разгона двигателя до установившейся синхронной скорости, который длится до момента времени τ (5-8 с), после чего ток стабилизируется (также, как и скорость вращения турбокомпрессора).
Выходное напряжение U датчика тока 2 пропорционально току двигателя
д
т.т
д.т ,
U=I*К*К
т.т
где К - коэффициент трансформатора тока;
д.т.
К - коэффициент схемы датчика тока.
д
График изменения выходного напряжения U повторяет динамику изменения действующих значений тока статора I. Выход датчика тока 2 является информационным входом устройства.
Управляющий выход блока 1 управления синхронным двигателем подключен одновременно к входам блока 13 контроля работы механизма и третьего ключа 9.
На фиг.2,г и 2,д приведены выходные сигналы блока 13 контроля работы механизма и третьего ключа 9.
1
1
2
1
1
2
В момент запуска механизма посредством релейной схемы и блока 13 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 14 замыкается в момент времени t. Это происходит в результате подачи сигнала с блока 13 контроля работы механизма на блок 15 задержки, с выхода которого поступает на вход второго ключа 14. Блок 15 задержки формирует выдержку времени, необходимую для разгона двигателя турбокомпрессора. На фиг.2,ж приведен выходной сигнал блока 15 задержки. 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 τ начинается фиксация значения тока статора, длящаяся до момента времени остановки механизма τ. На выходе блока 15 задержки (фиг.2,ж) сигнал изменяется с низкого уровня на высокий в момент времени τ 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 (τ-τ). 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 х(τ) - выходной сигнал второго блока сравнения, имеющий два уровня Откл. и Раб.;
2
Δ - выходной сигнал третьего ключа 9;
3
Δ - выходной сигнал блока 4 задания уставки.
2
3
Если сигнал Δ с третьего ключа 9 будет больше, чем сигнал Δ 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 у(τ) - выходной сигнал второго блока сравнения, имеющий два уровня Откл. и Раб.;
1
Δ - выходной сигнал блока 12 задания величины скачка тока;
Δ - выходной сигнал второго блока 5 сравнения;
*
Δ - выходной сигнал блока 7 памяти.
1
1
*
Если сумма величин Δ+Δ будет больше Δ, 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 Δ+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.
-6
-5
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*10-10 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 повысить быстродействие срабатывания защиты.