УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ПРОМЫШЛЕННОГО ТУРБОКОМПРЕССОРА ОТ ПОМПАЖА
DEVICE FOR PROTECTION OF INDUSTRIAL TURBOCHARGER FROM SURGING

Изобретение относится к устройствам и системам защиты промышленного турбокомпрессора от помпажа.
Известен способ защиты турбокомпрессора от помпажа, включающий измерение на всасе и нагнетании турбокомпрессора температуры и давления газа, измерение скорости вращения ротора турбокомпрессора, измерение влажности газа и барометрического давления атмосферного воздуха, определение абсолютной температуры и давления газа на всасе и нагнетании, определение объемного состава газа на входе в компрессор, определение текущей степени сжатия турбокомпрессора, определение функциональную зависимость степени сжатия от расхода по известной графической или табличной газодинамической характеристике турбокомпрессора таким образом, чтобы среднеквадратичная оценка относительной погрешности на диапазоне определений степени сжатия не превышала ±1%, определение по найденной зависимости и безразмерному заданию по запасу устойчивости к помпажу степень сжатия в точке заданного запаса устойчивости и использование ее в качестве задания ПИД-регулятору степени сжатия, воздействующему на противопомпажный клапан. Далее определяется текущие значения газовой постоянной, коэффициента сжимаемости на всасе, показателя изоэнтропы газа и политропного коэффициента полезного действия, на основе которых, а также на основе значений этих параметров и скорости вращения ротора, определенных при получении газодинамической характеристики турбокомпрессора, пересчитывают с учетом измеренной скорости вращения ротора текущую степень сжатия на условия всасывания, при которых получена газодинамическая характеристика, и используют найденную таким образом степень сжатия в качестве регулируемой переменной в ПИД-регуляторе степени сжатия (патент RU №2434162, МПК F04D 27/02, опубл. 20.11.2011).
Недостатком данного способа защиты является его сложность, необходимость контроля большого количества входных параметров, получаемых от датчиков. При этом, большое количество датчиков предполагает, соответственно, большое количество контрольных кабелей, для передачи информационных сигналов и достаточно сложную систему их обработки. В случае обрыва кабельных связей или выхода из строя датчиков система защиты может оказаться неработоспособна, что может привести к тяжелой аварии и разрушению турбокомпрессора.
Наиболее близким по технической сущности является способ диагностики помпажа турбокомпрессора и система для его реализации (патент RU №2172433, МПК F04D 27/02, G04B 13/02, опубл. 20.08.2001). Сущность предлагаемого способа заключается в том, что в качестве критерия диагностики помпажа принимают результат сравнения с пороговым значением отношения среднеквадратичного отклонения измеряемого значения параметра к его среднему значению за определенный интервал времени. Система диагностики помпажа промышленного турбокомпрессора содержит датчик перепада давления на сужающем устройстве, установленном в проточной части турбокомпрессора. Выход датчика перепада давления соединен с входом квадратора и фильтра нижних частот, выход которого соединен с входом квадратора и вторым входом делителя, выход квадратора соединен с входом другого фильтра нижних частот, выходы этого фильтра и квадратора соединены с прямым и инверсным входами сумматора соответственно, а выход сумматора соединен с входом корнеизвлекающего элемента, выход которого соединен с первым входом делителя, выход которого, в свою очередь, соединен с входом порогового элемента.
Недостатком известного технического решения является низкое быстродействие защиты, связанное с большим временем отклика датчика перепада давления на изменение давления в нагнетающем трубопроводе турбокомпрессора. Собственное время отклика датчика может достигать 0,6-0,9 с, а полное время срабатывания устройства превышает 1,0 с.
Техническая проблема, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в повышении быстродействия и предупреждения аварийных ситуаций, связанных с возникновением помпажа промышленного турбокомпрессора на ранних стадиях с целью минимизации последствий аварий.
Существующая техническая проблема решается тем, что в известном устройстве защиты промышленного турбокомпрессора от помпажа, включающем датчик измеряемого параметра, соединенный с турбокомпрессором, согласно изобретению, датчиком измеряемого параметра служит датчик тока, вход которого соединен с питающей сетью, а его первый выход соединен через высоковольтный выключатель электродвигателя с турбокомпрессором, а второй выход соединен с входом блока анализа тока, содержащим последовательно соединенные управляемый током источник напряжения, аналогово-цифровой преобразователь, блок цифровой обработки сигнала и цифро-аналоговый преобразователь, выход которого является выходом блока анализа тока и соединен с первым входом блока управления, включающего триггер Шмидта, соединенный последовательно с блоком выходных реле, причем первый вход триггера Шмидта является первым входом блока управления, а второй вход триггера Шмидта является вторым входом блока управления, при этом выход блока выходных реле формирует выход блока управления, который соединен с входом блока релейной защиты и автоматики электродвигателя, выход которого соединен со вторым входом высоковольтного выключателя электродвигателя, при этом вход промежуточного трансформатора напряжения соединен с выходом трансформатора напряжения, соединенного с питающей сетью, а выход промежуточного трансформатора напряжения соединен через выпрямитель со сглаживающим фильтром, выход которого соединен со вторым входом устройства коррекции опорного напряжения, при этом выход источника опорного напряжения соединен через блок регулятора уровня опорного напряжения с первым входом устройства коррекции опорного напряжения, выход которого соединен со вторым входом блока управления.
Технический результат, получаемый в результате использования изобретения заключается в повышенном быстродействии устройства, что позволяет распознать аварийную ситуацию на ранней стадии и минимизировать последствия аварии.
Технический результат достигается последовательным срабатыванием датчика тока и семи блоков: блока анализа тока, источника опорного напряжения, регулятора опорного напряжения, устройства коррекции опорного напряжения, промежуточного трансформатора напряжения, выпрямителя, сглаживающего фильтра.
Ток статора синхронного электродвигателя (СД) проходя через датчик тока (ДТ), формирует сигнал, который передается в блок анализа тока (БАТ).
макс.раб
ср
макс.раб
Преобразованный в постоянное напряжение сигнал с БАТ поступает на первый вход блока управления (БУ). Блок управления БУ реализует функцию срабатывания защиты по заданной уставке. Защита действует на отключение синхронного электродвигателя от питающей сети и срабатывает, в случае, если амплитуда колебания тока составляет более 1,2 I  (I≥1,2⋅I).
Триггер Шмидта (ТШ) реализуют функцию сравнения, сравнивая значения приходящего из БАТ сигнала с сигналом уставки срабатывания, формирующемся в блоке устройства коррекции опорного напряжения (УКОН). Источник опорного напряжения (ИОН) формирует стабильное по амплитуде напряжение на своем выходе, которое подается на вход регулятора уровня опорного напряжения (РУОН), на выходе которого формируется выходной уровень напряжения, задающий уставку срабатывания защиты. Так как в процессе работы турбокомпрессорной установки возможны колебания напряжения питающей сети, приводящие к колебаниям тока статора синхронного электродвигателя, для исключения ложного срабатывания защиты, выходной сигнал РУОН подается на первый вход блока устройства коррекции опорного напряжения (УКОН). Этот элемент обеспечивают сравнение величины текущего напряжения питающей сети, измеренного трансформатором напряжения (ТН), с номинальным напряжением питающей сети. При отклонении величины текущего напряжения от номинального, происходит обратно-пропорциональная коррекция величины опорного напряжения. Промежуточный трансформатор напряжения (ПТН) понижает величину напряжения сети до значений, необходимых для работы внутренних схем блока устройства защиты (БУЗ). Сигнал с выхода ПТН подается на вход выпрямителя (В), который преобразует переменное напряжение ПТН в выпрямленное. Сигнал с выхода выпрямителя подается на вход сглаживающего фильтра (СФ), который сглаживает пульсации сигнала с выхода выпрямителя. Сигнал с выхода сглаживающего фильтра (СФ) подается на второй вход УКОН, с которого сигнал уставки срабатывания подается на второй вход БУ. Выходной аварийный сигнал блока выходных реле (БВР) подается на вход блока релейной защиты и автоматики электродвигателя (РЗиАД), с которого выходной сигнал подается на вход высоковольтного выключателя электродвигателя.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежом, где изображена функциональная схема устройства защиты промышленного турбокомпрессора от помпажа.
Устройство защиты турбокомпрессора от помпажа содержит датчик тока 1, вход которого соединен с питающей сетью, а его первый выход соединен с входом блока анализа тока 2, содержащим последовательно соединенные управляемый током источник напряжения 3 (УТИН), аналогово-цифровой преобразователь 4, блок цифровой обработки сигнала 5, цифро-аналоговых преобразователь 6, выход которого является выходом блока анализа тока 2 и соединен с первым входом блока управления 7, содержащего в своем составе триггер Шмидта 8, соединенный своим выходом с блоком выходных реле 9. Первый вход триггера Шмидта 8 является первым входом блока управления 7, а второй вход триггера Шмидта
8 является вторым входом блока управления 7. Выход блока выходных реле 9 формирует выход блока управления 7, который соединен с входом блока релейной защиты и автоматики электродвигателя 10, а его выход соединен с входом высоковольтного выключателя 11 электродвигателя, Вход промежуточного трансформатора напряжения 12 соединен с выходом трансформатора напряжения 13, вход которого соединен с питающей сетью. Промежуточный трансформатор напряжения 12 своим выходом соединен с выпрямителем 14, выход которого соединен со сглаживающим фильтром 15, а выход последнего соединен со вторым входом устройства коррекции опорного напряжения 16. Источник опорного напряжения 17 своим выходом соединен с входом блока регулятора уровня опорного напряжения 18, а его выход соединен с первым входом устройства коррекции опорного напряжения 16. Выход устройства коррекции опорного напряжения 16 соединен со вторым входом блока управления 7. Датчик тока 1 через высоковольтный выключатель 11 электродвигателя соединен с синхронным электродвигателем 19 турбокомпрессора 20.
Устройство защиты промышленного турбокомпрессора от помпажа работает следующим образом. Ток статора синхронного электродвигателя 19, проходя через датчик тока 1, формирует сигнал, который передается в блок анализа тока 2. Вначале токовый сигнал преобразуется в сигнал напряжения посредством управляемого током источника напряжения 3. Далее аналогово-цифровой преобразователь 4 производит оцифровку аналогового сигнала и передает его в блок цифровой обработки сигнала 5, где производится цифровая фильтрация и выделение полезного сигнала в диапазоне 7-10 Гц. Полученный цифровой сигнал поступает на цифро-аналоговый преобразователь 6, который преобразует сигнал блока цифровой обработки сигнала 5 в постоянное напряжение. Далее сигнал поступает на первый вход блока управления 7.
макс.раб
cp
Блок управления 7 реализует функцию срабатывания защиты по заданной уставке. Защита действует на отключение синхронного электродвигателя 19 от питающей сети и срабатывает, в случае, если амплитуда колебания тока составляет более 1,2 I(I≥1,2⋅Iмакс.раб).
Триггер Шмидта 8 реализуют функцию сравнения, сравнивая значения приходящего из блока анализа тока 2 сигнала с сигналом уставки срабатывания, формирующимся в блоке устройства коррекции опорного напряжения 16.
Источник опорного напряжения 17 формирует стабильное по амплитуде напряжение на своем выходе, которое подается на вход регулятора уровня опорного напряжения 18. На выходе регулятора уровня опорного напряжения 18 формируется выходной уровень напряжения, задающий уставку срабатывания защиты. Так как в процессе работы турбокомпрессорной установки возможны колебания напряжения питающей сети, приводящие к колебаниям тока статора синхронного электродвигателя 19, для исключения ложного срабатывания защиты, вызванного колебанием напряжения питающей сети и колебаниями тока, выходной сигнал регулятора уровня опорного напряжения 18 подается на первый вход блока устройства коррекции опорного напряжения 16. Этот элемент обеспечивают сравнение величины текущего напряжения питающей сети, измеренного трансформатором напряжения 13, с номинальным напряжением питающей сети. При отклонении величины текущего напряжения от номинального, происходит обратно-пропорциональная коррекция величины опорного напряжения.
Величина текущего напряжения питающей сети, измеренная трансформатором напряжения 13, с его выхода подается на вход промежуточного трансформатора напряжения 12. Промежуточный трансформатор напряжения 12 понижает величину напряжения сети до значений, необходимых для работы внутренних схем блока устройства защиты. Сигнал с выхода промежуточного трансформатора напряжения 12 подается на вход выпрямителя 14, который преобразуют переменное напряжение промежуточного трансформатора напряжения 12 в выпрямленное. Сигнал с выхода выпрямителя 14 подается на вход сглаживающего фильтра 15, который сглаживает пульсации сигнала с выхода выпрямителя 14. Сигнал с выхода сглаживающего фильтра 15 подается на второй вход блока устройства коррекции опорного напряжения 16. С выхода блока устройства коррекции опорного напряжения 16 сигнал уставки срабатывания подается на второй вход блока управления 7.
Выходной сигнал триггера Шмидта 8 подается на вход блока выходных реле 9. Блок выходных реле 9 содержит электромеханические или твердотельные реле с набором нормально открытых и нормально закрытых контактов. Выходной аварийный сигнал блока выходных реле 9 подается на вход блока 10 релейной защиты и автоматики электродвигателя. Выходной сигнал блока 10 релейной защиты и автоматики электродвигателя подается на вход высоковольтного выключателя 11 электродвигателя.
-5
-4
-5
-4
-5
-4
Появление аварийного сигнала срабатывания защиты обеспечивается последовательным срабатыванием датчика тока 1 и семи блоков: 2, 17, 18, 16, 12, 14, 13. Время отклика датчика тока составляет 10-10 с, а совокупное время срабатывания блоков составляет 7⋅10-7⋅10 с. Полное время срабатывания устройства будет составлять 8⋅10-8⋅10 с (0,00008…0,0008 с).
Таким образом, предлагаемое устройство защиты промышленного турбокомпрессора от помпажа обладает повышенным быстродействием, что позволяет распознать аварийную ситуацию на ранней стадии и минимизировать последствия аварии.