2. Регулирование температуры в охлаждаемом объекте
3. Регулирование давления хладагента
4. Реле контроля смазки
5. Регулирование холодопроизводительности
6. Регулирование давления конденсации
7. Регуляторы давления испарения.
8. Регуляторы производительности.
9. Пусковые регуляторы.
10. Соленоидные вентили и клапаны обратимости цикла
11. Автоматическое оттаивание испарителей.
12. Микропроцессорные приборы управления для холодильных установок.
13. Схемы автоматизации торгового холодильного оборудования.
1. Системы автоматического регулирования
Для обеспечения нормальной работы холодильной установки необходимо поддерживать в определенных пределах или регулировать в соответствии с заданной программой значения целого ряда физических величин или параметров, основными из которых являются:
1. Температура в охлаждаемом объеме.
2. Оптимальное заполнение испарителя хладагентом.
3. Давления кипения и конденсации хладагента.
4. Производительность компрессора.
Автоматическое регулирование холодильной машины позволяет обеспечить точность поддержания заданных параметров. В результате поддержания оптимального режима эксплуатации холодильного оборудования сокращаются потери пищевых продуктов в холодильной камере, сохраняется их качество, снижаются эксплуатационные затраты, увеличивается срок службы холодильных установок.
Автоматизация процессов регулирования, защиты и сигнализации. Автоматизация холодильной установки включает автоматизацию процессов сигнализации, защиты и регулирования.
Регулирование - это процесс поддержания значения параметра (температуры, давления и т.п.), называемого регулируемым, постоянным либо в заданных пределах. Процесс поддержания постоянной температуры в охлаждаемом помещении называется регулированием температуры. Соответственно сама температура будет регулируемым параметром. Система автоматического регулирования обеспечивает поддержание регулируемого параметра (температуры, давления или уровня) в заданных пределах.
Она включает в себя объект регулирования, автоматический регулятор, регулирующий орган, а также связи между ними (рис. 12.1).
Рис. 12.1. Структурная схема системы автоматического регулирования
Объект регулирования - это помещение, емкость, система или механизм, в которых регулируется протекающий процесс, т.е. поддерживается постоянное значение регулируемого параметра. Так, при регулировании температуры в охлаждаемом помещении объектом регулирования будет само помещение.
Автоматический регулятор - контролирует заданный процесс в объекте регулирования и управляет работой регулирующего органа в соответствии с задачей регулирования.
Регулирующий орган (клапан, механизм) служит для изменения расхода вещества (хладагента, воздуха, рассола), подводимого к объекту регулирования.
Система автоматического регулирования работает следующим образом. Автоматический регулятор постоянно замеряет значение регулируемого параметра и сравнивает его с заданным. При отклонении регулируемого параметра от заданного значения автоматический регулятор через регулирующий орган изменяет расход подводимого вещества таким образом, чтобы регулируемый параметр вернулся в исходное состояние. Например, увеличение тепловой нагрузки в охлаждаемом помещении вызовет в нем рост температуры. Автоматический регулятор, определив значение и знак отклонения регулируемой температуры от заданной, даст управляющий сигнал на регулирующий орган. Он увеличивает отвод теплоты из помещения, и его температура вернется к заданному значению.
Системы автоматической защиты - устраняют возможность аварий при внезапном изменении режима работы агрегата. При достижении предельного значения контролируемого параметра автоматический регулятор через регулирующий орган либо выключает контролируемый агрегат, либо ограничивает рост параметра во избежание разрушения механизма.
Системы автоматической сигнализации в зависимости от назначения делятся на две группы:
1. Системы аварийно-предупредительной сигнализации.
2. Системы сигнализации работающих механизмов.
Система аварийно-предупредительной сигнализации - при достижении контролируемым параметром предельного значения выдает световой или звуковой сигнал. Обслуживающий персонал изменяет опасный режим работы механизма, воздействуя на регулирующий орган.
Система сигнализации работающих механизмов - дает световую индикацию на пульте управления о включении в работу наиболее важных механизмов.
Приборы автоматического регулирования и контроля процессов, протекающих при работе холодильной установки, предназначены для обеспечения безопасной эксплуатации установки и повышения эффективности ее работы. Экономичность эксплуатации повышается главным образом за счет уменьшения затрат труда на обслуживание холодильной установки и повышения производительности труда персонала. Использование приборов автоматики и защиты позволяет решить главную задачу - поддержание заданной температуры охлаждаемого объекта. К задачам автоматизации процессов установки относят также поддержание определенного уровня жидкого хладагента в аппаратах и постоянной температуры конденсации; обеспечение защиты от гидравлического удара, перегрева отдельных частей установки, взрыва аппаратов, замерзания хладоносителя, срыва работы насоса.
Задачей обслуживающего персонала является грамотное техническое обслуживание приборов, входящих в состав схемы, и периодическая проверка их исправности: защитных реле уровня - один раз в 10 дней, других приборов автоматики - один раз в месяц. Среди приборов автоматики наибольшее применение находят реле температуры, давления и разности давлений, регуляторы уровня и реле уровня с исполнительными механизмами, терморегулирующие вентили, реле протока и расхода. Настройка этих приборов, как правило, производится при пусконаладочных работах. Современные торговые хладоновые холодильные машины оснащены рядом приборов, полностью или частично автоматизирующих рабочие процессы. Применяются различные схемы автоматизации. При полной автоматизации отпадает необходимость в систематическом контроле за работой холодильной машины, и обслуживающий персонал осуществляет лишь периодическое наблюдение, проверяя исправность оборудования и устраняя возникшие технические неполадки.
Широко используемые в торговле хладоновые холодильные машины с непосредственной системой охлаждения, как правило, полностью автоматизированы.
Применение средств автоматизации делает работу холодильных машин более производительной, экономически выгодной и безопасной.
Холод применяют в технологиях многих процессов переработки сельскохозяйственной продукции. Благодаря холодильникам значительно сокращаются потери при хранении продукции. Охлажденные продукты можно транспортировать на большие расстояния.
Молоко, предназначенное для переработки или реализации, как правило, предварительно охлаждают. Перед отправкой на предприятие молочной промышленности молоко допускается хранить не более 20 ч при температуре не выше 10 "С.
В сельском хозяйстве мясо охлаждают в основном на фермах и птицефабриках. При этом используют следующие способы охлаждения: в воздухе, холодной воде, в воде с тающим льдом и орошением холодной водой. Подмораживание мяса птицы производят либо холодным воздухом, либо погружением в холодный рассол. Воздушное подмораживание осуществляют при температуре воздуха в холодильных камерах от -23 до -25 °С и скорости движения воздуха 3...4 м/с. Для подмораживания погружением в рассол применяют растворы хлористого кальция или пропиленгликоля с температурой от -10 °С и ниже.
Мясо, предназначенное для длительного хранения, замораживают теми же способами, что и подмораживание. Замораживание
воздухом осуществляют при температуре охлаждаемого воздуха от -30 до -40 °С, при замораживании в рассоле температура раствора равна -25...-28 °С.
Яйца хранят в холодильниках при температуре -1...-2 °С и относительной влажности 85...88 %. После охлаждения до 2...3 °С их помещают в камеру хранения.
Фрукты и овощи охлаждают в стационарных хранилищах. Плодоовощную продукцию хранят в холодильных камерах с охлаждающими батареями, в которых циркулирует холодный агент или рассол.
В системах с воздушным охлаждением сначала охлаждается воздух, который затем вентиляторами нагнетается в камеры хранения. В смешанных системах продукты охлаждаются холодным воздухом и от батареи.
В сельском хозяйстве холод получают как безмашинным способом (ледники, льдосоленое охлаждение), так и при помощи специальных холодильных машин. При машинном охлаждении теплота от охлаждаемой среды отводится во внешнее окружающее пространство при помощи низкокипящих холодильных агентов (фреон или аммиак).
В сельском хозяйстве широко применяют паровые компрессоры и абсорбционные холодильные машины.
Простейший способ получения температуры рабочего тела ниже температуры окружающей среды заключается в том, что это рабочее тело (холодильный агент) сжимают в компрессоре, затем охлаждают до температуры окружающей среды и после этого подвергают адиабатическому расширению. При этом рабочее тело совершает работу за счет своей внутренней энергии и температура его уменьшается по сравнению с температурой окружающей среды. Таким образом, рабочее тело становится источником получения холода.
В качестве холодильных агентов в принципе можно применять любой пар или газ. В первых холодильных машинах с механическим приводом в качестве холодильного агента применяли воздух, но уже с конца XIX в. он был заменен аммиаком и углекислотой, поскольку воздушная холодильная машина менее экономична и более громоздка, чем паровая, из-за большого расхода воздуха, обусловленного его малой теплоемкостью.
В современных холодильных установках рабочим телом являются пары жидкостей, которые при давлениях, близких к атмосферному, кипят при низких температурах. Примерами таких холодильных агентов могут служить аммиак NH3, сернистый ангидрид SO2, диоксид углерода С0 2 и фреоны - фторохлоропроизводные углеводороды типа C m H x F y Cl2. Температура кипения аммиака при атмосферном давлении составляет 33,5 °С, «Фреона- 12» -30°С, «Фреона-22» -42 °С.
В качестве холодильных агентов широко применяют фреоны - галоидные производные насыщенных углеводородов (C m H n), полученные путем замены атомов водорода атомами хлора и фтора. В технике из-за большого разнообразия фреонов и относительно сложного их наименования установлена условная числовая система обозначения, согласно которой каждое такое соединение в зависимости от химической формулы имеет свое число. Первые цифры в этом числе условно обозначают углеводород, производным которого является данный фреон: метан - 1, этан - 11, пропан - 21. Если в соединении присутствуют незамещенные атомы водорода, то их число прибавляют к этим цифрам. Далее к полученной сумме или к первоначальному числу (если все атомы водорода в соединении замещены) дописывают в виде следующего знака цифру, выражающую число атомов фтора. Так получают обозначения: R11 вместо монофтортрихлорметана CFCI2, R12 вместо дифтордихлорметана CF 2 C1 2 и т. д.
В холодильных установках в качестве холодильного агента обычно используют R12, а в перспективе будут широко применять R22 и R142. Преимущества фреонов - относительная безвредность, химическая инертность, негорючесть и взрывобезопас- ность; недостатки - низкая вязкость, способствующая утечке, и возможность растворяться в масле.
На рисунке 8.15 показана принципиальная схема парокомпрессорной холодильной установки и ее идеальный цикл в 75-диаграмме. В компрессоре 1 сжимается влажный пар холодильного агента, в результате чего (участок а-Ь) получается сухой насыщенный или перегретый пар. Обычно степень перегрева не превышает
130... 140 “С, чтобы не усложнять эксплуатацию компрессора из-за повышенных механических напряжений и не применять масла
Рис. 8.15.
/ - компрессор; 2 - охлаждаемое помещение; 3- дроссельный вентиль; 4 - конденсатор специальных сортов. Из компрессора перегретый пар с параметрами pi и 02 поступает в охладитель (конденсатор 2). В конденсаторе при постоянном давлении перегретый пар отдает охлаждающей воде теплоту перегрева (процесс Ь-с) и его температура становится равной температуре насыщения 0 н2 . Отдавая в дальнейшем теплоту парообразования (процесс c-d), насыщенный пар превращается в кипящую жидкость (точка d). Эта жидкость поступает к дроссельному вентилю 3, пройдя через который она превращается в насыщенный пар небольшой степени сухости (х 5 = 0,1...0,2).
Известно, что энтальпия рабочего тела до и после дросселирования одинакова, а давление и температура понижаются. На 7s- диаграмме изображена штриховая линия постоянной энтальпии d-e, точка е которой характеризует состояние пара после дросселирования.
Далее влажный пар поступает в охлаждаемую емкость, называемую рефрижератором 4. Здесь при неизменных давлении и температуре пар расширяется (процесс е-а), отнимая определенное количество теплоты. Степень сухости пара при этом увеличивается (х| = 0,9...0,95). Пар с параметрами состояния, характеризуемыми точкой 1, засасывается в компрессор, и работа установки повторяется.
На практике пар после дроссельного вентиля поступает не в рефрижератор, а в испаритель, где отнимает теплоту у рассола, который, в свою очередь, отнимает теплоту от рефрижератора. Это объясняется тем, что в большинстве случаев холодильная установка обслуживает ряд потребителей холода, и тогда незамерзающий рассол служит промежуточным хладоносителем, непрерывно циркулируя между испарителем, где он охлаждается, и специальными воздухоохладителями в рефрижераторах. В качестве рассолов применяют водные растворы хлорида натрия и хлорида кальция, имеющие достаточно низкие температуры замерзания. Растворы пригодны для использования лишь при температурах, превышающих те, при которых они замерзают как однородная смесь, образуя соленый лед (так называемая криогидратная точка). Криогидратной точке для раствора NaCl с массовой концентрацией 22,4 % соответствует температура -21,2 "С, а для раствора СаС1 2 с концентрацией 29,9 - температура -55 °С.
Показателем энергетической эффективности холодильных установок служит холодильный коэффициент е, представляющий собой отношение удельной холодопроизводительности к затраченной энергии.
Действительный цикл парокомпрессорной холодильной установки отличается от теоретического тем, что из-за наличия внутренних потерь на трение сжатие в компрессоре происходит не по адиабате, а по политропе. В результате уменьшается затрата энергии в компрессоре и снижается холодильный коэффициент.
Для получения низких температур (-40...70 °С), требуемых в некоторых технологических процессах, одноступенчатые парокомпрессорные установки оказываются или неэкономичными, или совершенно непригодными из-за снижения КПД компрессора, обусловленного высокими температурами рабочего тела в конце процесса сжатия. В таких случаях применяют или специальные холодильные циклы, или в большинстве случаев двухступенчатое или многоступенчатое сжатие. Например, двухступенчатым сжатием аммиачных паров получают температуры до -50 °С, а трехступенчатым - до -70 °С.
Основное преимущество абсорбционных холодильных установок по сравнению с компрессорными - использование для выработки холода не электрической, а тепловой энергии низкого и среднего потенциалов. Последнюю можно получить от водяного пара, отбираемого, например, из турбины на теплоэлектроцентралях.
Абсорбцией называется явление поглощения пара жидким веществом (абсорбентом). При этом температура пара может быть ниже температуры абсорбента, поглощающего пар. Для процесса абсорбции необходимо, чтобы концентрация абсорбируемого пара была равна или больше равновесной концентрации этого пара над абсорбентом. Естественно, что в абсорбционных холодильных установках жидкие абсорбенты должны с достаточной скоростью поглощать холодильный агент, и при одинаковых давлениях температура их кипения должна быть значительно выше температуры кипения холодильного агента.
Наиболее распространены водно-аммиачные абсорбционные установки, в которых аммиак служит холодильным агентом, а вода - абсорбентом. Аммиак хорошо растворим в воде. Например, при 0 °С в одном объеме воды растворяется до 1148 объемов парообразного аммиака, и при этом выделяется теплота около 1220 кДж/кг.
Холод в абсорбционной установке вырабатывается по схеме, изображенной на рисунке 8.16. На этой схеме нанесены примерные значения параметров рабочего тела в установке без учета потерь давления в трубопроводах и потерь температурного напора в конденсаторе.
В генераторе 1 происходит выпаривание насыщенного аммиачного раствора при подогреве его водяным паром. В результате этого отгоняется легкокипящий компонент - аммиачный пар с незначительной примесью паров воды. Если поддерживать температуру раствора около 20 “С, то давление насыщения паров аммиака составит примерно 0,88 МПа. Чтобы содержание NH 3 в растворе не уменьшилось, с помощью перекачивающего насоса 10 из абсорбера в генератор непрерывно подается крепкий концентриро-
Рис. 8.16.
/-генератор; 2- конденсатор; 3 - дроссельный вентиль; 4- испаритель; 5-насос; б-перепускной вентиль; 7- охлаждаемая емкость; абсорбер; 9-змеевик; 10- насос
ванный аммиачный раствор. Насыщенный аммиачный пар (х= 1), получаемый в генераторе, направляется в конденсатор 2, где аммиак превращается в жидкость (х = 0). После дросселя 3 аммиак поступает в испаритель 4, при этом давление его снижается до 0,3 МПа (/ н = -10 °С) и степень сухости становится равной примерно 0,2.„0,3. В испарителе аммиачный раствор выпаривается за счет теплоты, подводимой рассолом из охлаждаемой емкости 7. При этом температура рассола понижается от -5 до -8 °С. С помощью насоса 5 он обратно перегоняется в емкость 7, где вновь нагревается до -5 °С, отбирая теплоту от помещения и поддерживая в нем постоянную температуру, примерно -2 °С. Выпаренный в испарителе аммиак со степенью сухости х= 1 поступает в абсорбер 8, где поглощается слабым раствором, подаваемым через перепускной вентиль 6 из генератора. Поскольку абсорбция - экзотермическая реакция, то для обеспечения непрерывности процесса теплообмена абсорбцит отводят охлаждающей водой. Полученный в абсорбере крепкий аммиачный раствор насос 10 перекачивает в генератор.
Таким образом, в рассмотренной установке имеются два аппарата (генератор и испаритель), где теплота подводится к рабочему телу извне, и два аппарата (конденсатор и абсорбер), в которых теплота отводится от рабочего тела. Сравнивая принципиальные схемы парокомпрессорной и абсорбционной установок, можно отметить, что генератор в абсорбционной установке заменяет нагнетательную, а абсорбер - всасывающую части поршневого компрессора. Сжатие холодильного агента происходит без затраты механической энергии, если не считать небольших расходов на перекачивание крепкого раствора из абсорбера в генератор.
В практических расчетах в качестве энергетического показателя абсорбционной установки также принимают холодильный коэффициент е, представляющий собой отношение количества теплоты q 2 воспринимаемого рабочим телом в испарителе к количеству теплоты q u затрачиваемому в генераторе. Подсчитанный таким образом холодильный коэффициент всегда меньше холодильного коэффициента парокомпрессорной установки. Однако сравнительная оценка энергетической эффективности рассмотренных способов получения холода в результате непосредственного сопоставления способов только холодильных коэффициентов абсорбционной и парокомпрессорной установок неправильна, так как она определяется не только количеством, но и видом затраченной энергии. Два метода получения холода следует сравнивать по значению приведенного холодильного коэффициента, представляющему собой отношение холодопроизводительности q 2 к расходу теплоты топлива q it т. е. ? пр = Яг Я- Оказывается, что при температурах испарения от -15 до -20 °С (используемых основной массой потребителей) е пр абсорбционных установок выше, чем парокомпрессорных, вследствие чего в ряде случаев абсорбционные установки выгоднее не только при снабжении их паром, отбираемым из турбин, но и при снабжении их паром непосредственно из паровых котлов.
Автоматизация холодильных установок предполагает оснащение их автоматическими устройствами (приборами и средствами автоматизации), с помощью которых обеспечиваются безопасная работа и проведение производственного процесса или отдельных операций без непосредственного участия обслуживающего персонала или с частичным его участием.
Объекты автоматизации совместно с автоматическими устройствами образуют системы автоматизации с различными функциями: контроля, сигнализации, защиты, регулирования и управления. Автоматизация повышает экономическую эффективность работы холодильных установок, так как уменьшается численность обслуживающего персонала, снижается расход электроэнергии, воды и других материалов, увеличивается срок службы установок, вследствие поддержания автоматическими устройствами оптимального режима их работы. Автоматизация требует капитальных затрат, поэтому проводить ее надо, основываясь на результатах технико-экономического анализа.
Холодильную установку можно автоматизировать частично, полностью или комплексно.
Частичная автоматизация предусматривает обязательную для всех холодильных установок автоматическую защиту, а также контроль, сигнализацию и нередко управление. Обслуживающий персонал регулирует основные параметры (температуру и влажность воздуха в камерах, температуру кипения и конденсации холодильного агента и т.д.) при отклонении их от заданных значений и нарушении работы оборудования, о чем информируют системы контроля и сигнализации, а некоторые вспомогательные периодические процессы (оттаивание инея с поверхности охлаждающих приборов, удаление масла из системы) выполняются вручную.
Полная автоматизация охватывает все процессы, связанные с поддержанием требуемых параметров в охлаждаемых помещениях и элементах холодильной установки. Обслуживающий персонал может присутствовать лишь периодически. Полностью автоматизируют небольшие по мощности холодильные установки, безотказные и долговечные.
Для крупных промышленных холодильных установок более характерна комплексная автоматизация автоматические контроль, сигнализация, защита).
Автоматический контроль обеспечивает дистанционное измерение, а иногда и запись параметров, определяющих режим работы оборудования.
Автоматическая сигнализация - извещение с помощью звукового и светового сигнала о достижении заданных величин, тех или иных параметров, включении или выключении элементов холодильной установки. Автоматическую сигнализацию подразделяют на технологическую, предупредительную и аварийную.
Технологическая сигнализация - световая, информирует о работе компрессоров, наличии напряжения в электрических цепях.
Предупредительная сигнализация на защитных, циркуляционных ресиверах сообщает, что величина контролируемого параметра приближается к предельно допустимому значению.
Аварийная сигнализация световым и звуковым сигналами извещает о том, что сработала автоматическая защита.
Автоматическая защита, обеспечивающая безопасность обслуживающего персонала, обязательная для любого производства. Она предотвращает возникновение аварийных ситуаций, выключая отдельные элементы или установку в целом, когда контролируемый параметр достигает предельно допустимого значения.
Надежную защиту в случае возникновения опасной ситуации должна обеспечивать система автоматической защиты (САЗ). В простейшем варианте САЗ состоит из датчика-реле (реле защиты), контролирующего величину параметра и вырабатывающего сигнал при достижении ее предельного значения, и устройства, преобразующего сигнал реле защиты в сигнал остановки, который направляется в систему управления.
На холодильных установках большой мощности САЗ выполняют так, чтобы после срабатывания реле защиты автоматический пуск отказавшего элемента без устранения вызвавшей остановку причины был невозможен. На небольших холодильных установках, например на предприятиях торговли, где авария не может привести к тяжелым последствиям, нет постоянного обслуживания, объект включается автоматически, если величина контролируемого параметра возвращается в допустимую область.
Наибольшее число видов защиты имеют компрессоры, поскольку по опыту эксплуатации 75% всех аварий на холодильных установках происходит именно с ними.
Число параметров, контролируемых САЗ, зависит от типа мощности компрессора и вида холодильного агента.
Вида защиты компрессоров:
От недопустимого повышения давления нагнетания - предотвращает нарушение плотности соединений или разрушение элементов;
Недопустимого понижения давления всасывания - предотвращает повышение нагрузки на сальник компрессора, вспенивание масла в картере, замерзание хладоносителя в испарителе (реле высокого и низкого давления, оснащают практически все компрессоры);
Уменьшения разности давлений (до и после насоса) в масляной системе - предотвращает аварийный износ трущихся деталей и заклинивание механизма движения компрессора, реле разности давлений контролирует разность давлений на стороне нагнетания и всасывания масляного насоса;
Недопустимого повышения температуры нагнетания -предотвращает нарушение режима смазки цилиндра и аварийный износ трущихся деталей;
Повышения температуры обмоток встроенного электродвигателя герметичных и бессальниковых хладоновых компрессоров - предотвращает перегрев обмоток, заклинивание ротора и работу на двух фазах;
Гидравлического удара (попадание жидкого холодильного агента в полость сжатия) - предотвращает серьезную аварию поршневого компрессора: нарушение плотности, а иногда и разрушение.
Виды защиты других элементов холодильной установки:
- - от замерзания хладоносителя - предотвращает разрыв труб испарителя;
- - переполнения линейного ресивера - предохраняет от снижения эффективности конденсатора в результате заполнения части его объема жидким холодильным агентом;
- - опорожнения линейного ресивера - предотвращает прорыв газа высокого давления в испарительную систему и опасность гидравлического удара.
Предотвращение аварийной ситуации обеспечивает защита от недопустимой концентрации аммиака в помещении, что может вызвать пожар и взрыв. Концентрация аммиака (максимум 1,5 г/м.куб., или 0,021% по объему) в воздухе контролируется газоанализатором.
Холодильные машины и установки могут быть автоматизированы частично или полностью. Частично автоматизированные установки требуют постоянного присутствия обслуживающего персонала и его активного участия в управлении. В полностью автоматизированных установках обслуживающий персонал только наблюдает за их работой.
В схемах автоматизации холодильных установок применяют помимо описанных систем регулирования, защиты и сигнализации следующие виды автоматического управления: пуск агрегатов в заданной последовательности; автоматическое включение рассольных насосов, вентиляторов воздухоохладителей, вентилей и задвижек с электроприводом;
полуавтоматическое управление, при котором после автоматического выключения машин приборами защиты и регулирования их включение производится вручную;
дистанционное управление отдельными узлами и механизмами со щита управления.
На рис. 1 показана расстановка средств автоматизации в схеме аммиачной двухступенчатой холодильной машины.
Рис.1.
МО -- маслоотделитель, ОК -- обратный клапан, РТ -- реле температуры, РД -- реле давления, СВ -- соленоидный вентиль, ПС -- промежуточный сосуд, РУ -- регулятор уровня, ОЖ -- отделитель жидкости, КМ НС и КМ ВС -- компрессоры низкой и высокой ступени, РР -- реле расхода, РКС -- реле контроля смазки, РВ -- регулирующий вентиль, Д -- двигатель, ПР -- поплавковый регулятор
Объектами регулирования в таких машинах являются: заполнение испарителей и ресиверов; температура испарения; температура конденсации, проток воды; давление масла; уровень в промсосуде.
Холодильные турбоагрегаты выпускают с автоматическим регулированием холодопроизводительности в зависимости от изменений тепловой нагрузки. Работа отдельных узлов турбоагрегата также автоматизирована. Подача хладагента в испарители с одновременным дросселированием производится поплавковым регулирующим вентилем ПРВ, получающим импульс от поплавкового датчика.
В большинстве случаев в системе смазки турбокомпрессоров имеются два насоса с приводом от разных источников -- рабочий, приводимый в движение от вала машины или сети переменного тока, и резервный, работающий на постоянном токе (от аккумуляторной батареи или от выпрямителя тока). При пуске машины автоматически включается пусковой насос, и лишь после того, как он создаст необходимое давление, включается двигатель компрессора. Когда машина разовьет полное число оборотов, пусковой насос автоматически выключается и смазка начинает подаваться рабочим насосом.
Автоматизируются и другие элементы, обеспечивающие безопасную работу турбокомпрессоров: противопомпажная защита, защита двигателя от перегрузки и других нарушений режима, создающих аварийную ситуацию. Турбокомпрессоры оборудуются также устройствами автоматического выключения при чрезмерном увеличении давления нагнетания, недопустимом падении давления смазки, перегреве подшипников и сильном падении температуры кипения хладагента. Для этого в различных точках турбоагрегатов ставятся специальные датчики. Импульсы от них передаются на реле, срабатывание которого приводит к остановке агрегата.
Автоматическая противоаварийная защита поршневого компрессора включает защиту от попадания жидкого хладагента во всасывающий трубопровод компрессора и от недопустимых отклонений параметров компрессоров от нормальных рабочих значений.
Защиту от попадания жидкого хладагента во всасывающий трубопровод компрессора обеспечивает автоматический контроль уровней в аппаратах стороны низкого давления; при достижении недопустимых уровней предусматривается аварийная остановка компрессоров и подача сигнала в схему автоматизации.
Защита компрессора одноступенчатого сжатия от недопустимых отклонений рабочих параметров должна предусматривать отключение его электродвигателя при отклонениях ниже допустимого значения давления всасывания и разности давлений в системе смазки, выше допустимого значения давления нагнетания и температуры нагнетания, а также при прекращении протока воды через охлаждающие рубашки компрессора.
Защита компрессора двухступенчатого сжатия должна предусматривать отключение компрессора при отклонениях ниже допустимого значения: давления всасывания низкой ступени, разности давлений в системе смазки; выше допустимого значения: давлений нагнетания низкой и высокой ступеней, температур нагнетания низкой и высокой ступеней, уровня жидкого хладагента в промежуточном сосуде, а также при прекращении протока воды через охлаждающие рубашки компрессора.
Система автоматической защиты не должна допускать самозапуск машины до устранения причины, вызвавшей срабатывание защиты.
Автоматизация работы испарительного узла имеет целью регулирование заполнения испарителей жидким хладагентом, автоматическое регулирование температуры хладоносителя, управление работой насосов для его циркуляции, а также защиту испарителей от замерзания хладоносителя.
Система автоматизации конденсаторной группы предусматривает: контроль за уровнем жидкого хладагента в линейном ресивере, управление работой водяных насосов, регулирование уровня воды в бассейнах или резервуарах, управление вентиляторами испарительных конденсаторов и вентиляторных градирен.
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 РЗ 1 и РЗ 2 (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 РЗ 1 , РЗ 2 и РЗ 3 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 В 1 и В 2 открыты, а вентиль В 3 закрыт. Первичные преобразователи реле защит РЗ 1 и РЗ 2 подключены к сосуду.
Для проверки закрывают вентиль В 2 и открывают вентиль В 3 . 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 В 3 закрывают, а вентиль В 2 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 | 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 | +** | + | + | +** | |||||||||
| 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
Похожая информация.