Comprensione dei sistemi di protezione delle macchine
Definizione: Che cosa si intende per protezione dei macchinari?
Protezione dei macchinari (chiamato anche protezione delle apparecchiature o salvaguardia delle macchine) si riferisce ai sistemi di monitoraggio e controllo che rilevano automaticamente condizioni operative pericolose (vibrazione superamento dei limiti di sicurezza, temperature eccessive, pressioni anomale) ed eseguono azioni protettive (allarmi, arresti) per prevenire danni catastrofici alle apparecchiature, rischi per la sicurezza o rilasci ambientali. I sistemi di protezione danno priorità alla prevenzione dei danni rispetto al mantenimento della produzione, implementando progetti a prova di guasto in cui guasti ai sensori o all'alimentazione causano arresti in sicurezza anziché la continuazione del funzionamento.
La protezione dei macchinari è distinta da monitoraggio delle condizioni (che monitora lo stato di salute delle apparecchiature per la pianificazione della manutenzione): i sistemi di protezione forniscono una risposta immediata alle emergenze eseguendo arresti automatici in pochi secondi quando vengono superate soglie critiche, mentre il monitoraggio delle condizioni fornisce avvisi tempestivi nel giro di settimane o mesi per gli interventi pianificati.
Componenti del sistema di protezione
Sensori (installati in modo permanente)
- Sonde di prossimità misurazione dello spostamento dell'albero
- Accelerometri sugli alloggiamenti dei cuscinetti
- Sensori di temperatura (RTD, termocoppie)
- Trasmettitori di pressione e portata
- Sensori di posizione assiale
- Tipicamente ridondante (2 o 3 sensori per misurazione)
Hardware di monitoraggio
- Processore del sistema di protezione dedicato
- Elaborazione del segnale in tempo reale
- Logica di voto (2 su 2 o 2 su 3)
- Uscite relè per lo spegnimento
- Separato da DCS/PLC per indipendenza
Logica di arresto e attuatori
- Circuiti di interruzione cablati (non solo software)
- Elettrovalvole per gli scatti della turbina
- Interruttori automatici per viaggi a motore
- Progettazione a prova di guasto (la perdita di potenza provoca lo scatto)
Standard API 670
Requisiti per le turbomacchine
Standard di settore per la protezione dei macchinari:
- Obbligatorio per turbomacchine > 10.000 CV
- Specifica i tipi e le quantità dei sensori
- Definisce la logica di voto e la ridondanza
- Imposta i tempi di ritardo dell'allarme e del viaggio
- Richiede indipendenza dal controllo del processo
Configurazione tipica del sensore (secondo API 670)
- Vibrazione radiale: 2 set di sonde di prossimità XY (4 sonde per cuscinetto)
- Posizione assiale: 2 sonde di spostamento assiale
- Keyphasor: 2 sensori di riferimento di fase
- Temperatura del cuscinetto: 2 sensori di temperatura per cuscinetto
- Totale: Tipicamente 12-20 canali per macchina
Protezione vs. monitoraggio delle condizioni
| Aspetto | Monitoraggio delle condizioni | Sistema di protezione |
|---|---|---|
| Scopo | Rilevamento precoce dei guasti per la pianificazione | Prevenire danni catastrofici |
| Tempo di risposta | Da ore a settimane | Secondi |
| Soglie | Inferiore (allarme precoce) | Più alto (pericolo immediato) |
| Azioni | Notifiche, ordini di lavoro | Spegnimento automatico |
| Affidabilità | Precisione importante | Critico a prova di errore |
| Ridondanza | Opzionale | Obbligatorio |
Integrazione
- I sistemi moderni combinano entrambe le funzioni
- Gli stessi sensori servono per protezione e CM
- Diversi livelli di elaborazione e di allarme
- Percorsi di protezione indipendenti e cablati
Parametri di protezione
Vibrazioni
- Spostamento dell'albero: Misurazione della sonda di prossimità, corsa tipica 25 mils (635 µm) pp
- Velocità dell'alloggiamento del cuscinetto: Corsa tipica di 0,5-0,6 pollici/s (12-15 mm/s)
- Accelerazione: Per la protezione ad alta frequenza
Posizione
- Posizione assiale: Scatti dovuti a movimenti eccessivi dell'albero (guasto del cuscinetto reggispinta)
- Espansione differenziale: Crescita del rotore rispetto all'involucro
- Eccentricità: Posizione del rotore nel gioco del cuscinetto
Temperatura
- Temperatura del metallo del cuscinetto (tipicamente 110-120°C di viaggio)
- Temperatura dell'olio di scarico del cuscinetto
- Temperature di avvolgimento
Votazione e licenziamento
2 su 2 (logica AND)
- Entrambi i sensori devono essere d'accordo per scattare
- Previene viaggi spuri dovuti al guasto di un singolo sensore
- Rischio: entrambi i sensori devono funzionare (nessuna protezione se entrambi falliscono)
2 su 3 (maggioranza)
- Due dei tre sensori concordanti causano lo scatto
- Massima affidabilità (tollera un sensore guasto)
- Più costoso (tre sensori)
- Preferito per applicazioni critiche
Bypass e test
- Possibilità di bypassare singoli canali per test/manutenzione
- Impossibile bypassare tutti i canali di protezione contemporaneamente
- Comandi di bypass bloccati a chiave
- Ripristino automatico del bypass dopo il tempo
Test e manutenzione
Test funzionali
- Test periodici completi del sistema (trimestrali o annuali)
- Simulare le condizioni di viaggio
- Verifica l'esecuzione dell'arresto
- Testare tutti i canali ridondanti
- Risultati del documento
Calibrazione del sensore
- Annuale o secondo le specifiche
- Verifica del punto di regolazione del viaggio
- Test del tempo di risposta del sistema
- Mantenere i registri di calibrazione
Manutenzione del sistema
- Mantenere i sensori puliti e funzionanti
- Verificare gli alimentatori
- Controllare il funzionamento del relè e dell'attuatore
- Aggiornare software/firmware secondo necessità
I sistemi di protezione dei macchinari rappresentano la rete di sicurezza che previene guasti catastrofici delle apparecchiature mediante l'arresto automatico in caso di rilevamento di condizioni pericolose. Mentre il monitoraggio delle condizioni fornisce avvisi tempestivi per la manutenzione programmata, i sistemi di protezione forniscono una risposta immediata alle emergenze, rendendoli caratteristiche di sicurezza obbligatorie su turbomacchine critiche e apparecchiature rotanti di alto valore, dove i guasti potrebbero avere gravi conseguenze operative, di sicurezza o ambientali.
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