تتعرض الآلات الدوارة مثل التوربينات والمضخات والضواغط باستمرار لقوى ميكانيكية كبيرة. ونظرًا لأن معظم هذه الآلات ذات أهمية حاسمة للعملية، يتم تنفيذ الأنظمة بوظائف حماية و/أو مراقبة لمنع حدوث الأعطال. في هذه المقالة، نسلط الضوء على بعض الأعطال الشائعة المتعلقة بالسرعة والتي قد تحدث في الآلات الدوارة.
حماية Speed
1. السرعة الزائدة
تم تصميم هيكل الآلات الدوارة لتحمل سرعة دوران معينة، تُعرف باسم «سرعة التصميم». وعند حدوث السرعة الزائدة، يدور عمود الآلة بسرعة أكبر مما يستطيع هيكل الآلة تحمله. وتزداد القوى بشكل أسي مع سرعة الدوران، مما قد يؤدي إلى انفكاك الأجزاء. وقد يكون لهذا تأثير كارثي على كل من العملية والموظفين والبيئة. لذلك تُظهر تحليلات المخاطر أنه في معظم الحالات يكون وجود نظام حماية من السرعة الزائدة أمرًا إلزاميًا. ويمكن قياس سرعة الدوران (RPM) من خلال قياسات السرعة. يضمن نظام الحماية من السرعة الزائدة بقاء سرعة الدوران ضمن حدود معينة، لمنع حدوث أضرار بالآلة. في حالة تجاوز القيم الحدية المحددة مسبقًا، يتم إيقاف تشغيل الآلة على الفور (الشكل 1). ويجب أن تحدث عمليات إيقاف تشغيل الآلة هذه في غضون فترة زمنية قصيرة جدًّا. وفقًا للمبادئ التوجيهية الحالية الخاصة بالآلات (API 670)، يجب ألا يتجاوز زمن استجابة أنظمة الحماية من السرعة الزائدة 40 مللي ثانية.
تعد السرعة الزائدة أكبر مخاوف أي مشغل للآلات الدوارة. فقد يؤدي عدم الاستجابة في الوقت المناسب أو حدوث خلل في نظام الحماية من السرعة الزائدة إلى انفكاك شفرات التوربين أو أجزاء الدوار. وفي أسوأ الأحوال، تخترق هذه الأجزاء غلاف التوربين مباشرةً، مما يعرض سلامة الموظفين للخطر ويسبب أضرارًا جسيمة للمعدات التي يعمل التوربين على تشغيلها.
2. التسارع
يمكن أن يؤدي التسارع المفرط لآلة دوارة إلى دخولها في حالة السرعة الزائدة على الرغم من وجود نظام الحماية من السرعة الزائدة، مما يتسبب في موقف خطير. اعتمادًا على سرعة التسارع، لن يؤدي إيقاف محرك الآلة إلى انخفاض فوري في سرعة الدوران. وبسبب القوى الكبيرة، قد تزداد السرعة حتى بعد فترة قصيرة من توقف المحرك بالفعل. عندما ينطلق نظام الحماية من السرعة الزائدة عند بلوغ القيمة الحدية البالغة 110٪ من سرعة الدوران القصوى المسموح بها، فإن درجة معينة من التسارع يمكن أن تؤدي مع ذلك إلى تجاوز السرعة المتراكمة للحد المسموح به البالغ 110٪ (الشكل 2). وبهذه الطريقة، لا تزال الآلة تصل إلى سرعة دوران حرجة، مما يؤدي إلى حدوث أضرار.
أثناء بدء تشغيل آلة دوارة، وبناءً على الطاقة المتاحة، يجب حمايتها من التسارع. وعلى عكس الحماية من السرعة الزائدة، لا تراعي الحماية من التسارع عدد الدورات في الدقيقة (RPM) فحسب، بل تراعي أيضًا الزيادة في عدد الدورات في الدقيقة خلال فترة زمنية محددة مسبقًا. وعندما تكتشف مستشعرات السرعة زيادة مفرطة في التسارع، يقوم نظام الحماية بإيقاف التوربين.
عندما لا تكون الآلة محمية ضد التسارع، فإنها ستدخل في حالة السرعة الزائدة. نظام الحماية من السرعة الزائدة غير قادر على إيقاف الآلة في الوقت المناسب أثناء زيادة التسارع المفرطة.
مراقبة Speed
3. الدوران العكسي
قد يحدث أن يؤدي الضغط الناتج عن العملية إلى دوران الضاغط في الاتجاه الخاطئ بينما التوربين الذي يحرك هذا الضاغط غير قيد التشغيل. ويُعرف هذا بالدوران العكسي. وقد يحدث هذا الضغط بسبب عدم إغلاق صمام الشفط بشكل صحيح، مما يتسبب في حدوث تسرب. وعندما يتم تشغيل التوربين أثناء وجود الضاغط في هذه الحالة، سيؤدي ذلك إلى حدوث تلف. سيتعارض الضغط المتراكم نتيجة الدوران العكسي مع الضغط الناتج عن التوربين، مما قد يتسبب، على سبيل المثال، في تلف أداة التوصيل. وغالبًا ما يتعلق ذلك بأضرار مالية، ولكنه لا يشكل خطرًا مباشرًا على الموظفين والبيئة.
4. التوقف التام/التحرك البطيء
من المهم أن تكون التوربينة متوقفة فعليًا قبل بدء أعمال الصيانة أو إعادة التشغيل ( turnaround). ففي النهاية، يمكن أن تتسبب الكتلة الهائلة للتوربينة في مواقف خطيرة إذا بدأت أعمال الصيانة بينما لا تزال التوربينة تدور ببطء. لمراقبة ذلك، يجب إجراء قياسات السرعة على مدى فترة أطول من قياسات السرعة العادية لأن التوربينة تعمل بسرعة منخفضة جدًّا أثناء عملية إيقاف تشغيلها.
5. السرعة المنخفضة
انخفاض السرعة هو عكس زيادة السرعة، ولكنه عطل أقل خطورة. للحفاظ على استمرار العملية، يجب أن يحافظ المنشأة على الحد الأدنى من عدد الدورات في الدقيقة (RPM). لا يمكن تشغيل العملية بعد الآن بعدد دورات أقل من ذلك. على الرغم من أن انخفاض السرعة أمر غير مرغوب فيه للغاية بسبب تعطيل عملية الإنتاج، إلا أنه لا يترتب عليه نفس التأثير الكارثي الذي تترتب عليه زيادة السرعة. يمكن ضبط القيم الحدية بحيث يتم تشغيل إنذار عند الوصول إلى الحد الأدنى لعدد الدورات في الدقيقة (RPM) اللازم للحفاظ على استمرار العملية. وهذا يتيح للمشغل منع حدوث انخفاض السرعة. كما يمكن استخدام قياسات انخفاض السرعة للإشارة، على سبيل المثال، إلى إمكانية تشغيل محرك التشغيل المتقطع.
أجهزة Istec
يُعد SpeedSys 200 نظامًا للحماية من السرعة الزائدة معتمدًا وفقًا لمعيار SIL 2. ويشكل التصميم القوي المزود بمراقبة ذاتية متقدمة، ومدخلات ومخرجات معزولة كهربائيًا، والاعتماد حسب التصميم، منتجًا راقيًا يبرز في السوق. ويؤدي التركيز على وظائف السلامة الأساسية إلى إنشاء نظام سهل الاستخدام والصيانة، مع فترات اختبار إثبات طويلة جدًّا.
لاختبار أنظمة الحماية من السرعة الزائدة والتحقق منها، طورت شركة Istec مولد التردد IST-101. تحاكي هذه الأداة إشارات السرعة، مما يسمح باختبار وظيفة التشغيل لنظام الحماية بشكل كامل دون التسبب في حالة سرعة زائدة فعلية.
