способ автоматической защиты машины по вибрации и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ автоматической защиты машины от вибрации, основанный на преобразовании одного из параметров вибрации в каждой контролируемой точке машины в информационный сигнал, формировании опорного сигнала, соответствующего предельно допустимому значению параметра вибрации, и сравнении информационного и опорного сигналов с помощью индивидуального канала, формировании по результатам сравнения сигнала управления исполнительным органом, отличающийся тем, что в нем формируют тестовый сигнал, соответствующий предельно допустимому значению параметра вибрации, и сравнивают его с опорным сигналом с помощью контрольного канала, по результатам сравнения тестового и опорного сигналов формируют сигнал исправности контрольного канала, при появлении в контролируемой точке вибрации с предельно допустимым параметром прекращают сравнение тестового и опорного сигналов и с помощью контрольного канала осуществляют преобразование предельно допустимого параметра вибрации контролируемой точки в информационный сигнал и сравнение его с опорным сигналом, а формирование сигнала управления исполнительным органом осуществляют при совпадении результатов сравнения информационного сигнала с опорным в индивидуальном и контрольном каналах.

2. Устройство для автоматической защиты машины от вибрации, содержащее для каждой контролируемой точки машины последовательно соединенные вибропреобразователь и формирователь информационного сигнала, выход которого соединен с входом индивидуального канала, содержащего пороговый элемент сравнения, первый вход которого является входом индивидуального канала, элемент уставки аварийного уровня, выход которого соединен с вторым входом порогового элемента сравнения, и релейный элемент, вход которого подключен к выходу порогового элемента сравнения, выходы релейных элементов индивидуальных каналов соединены с входами блока формирования сигнала защиты, отличающееся тем, что в него введены блок задания сигнала, формирователь тестового сигнала, идентичный формирователю информационного сигнала, контрольный канал, идентичный индивидуальному каналу, реле коммутации и индикатор, выход блока задания сигнала через размыкающий контакт реле коммутации соединен с первым выводом первого из последовательно соединенных размыкающих контактов релейных элементов индивидуальных каналов, второй вывод размыкающего контакта релейного элемента последнего индивидуального канала соединен с входом формирователя тестового сигнала, выход которого соединен с входом релейного элемента контрольного канала, первый вывод первого замыкающего контакта релейного элемента контрольного канала соединен с одной шиной питания, а второй с первыми выводами обмотки реле коммутации и индикатора, вторые выводы которых соединены с другой шиной питания, выходы вибропреобразователей соединены с первыми выводами первых замыкающих контактов релейных элементов одноименных индивидуальных каналов, вторые выводы первых замыкающих и вторые выводы размыкающих контактов релейного элемента каждого индивидуального канала объединены.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что блок формирования сигнала защиты содержит выходной элемент защиты, элемент задержки, второй замыкающий контакт релейного элемента контрольного канала и вторые замыкающие контакты релейных элементов индивидуальных каналов, которые являются входами блока, их первые выводы соединены с шиной питания, вторые выводы соединены с первым выводом второго замыкающего контакта релейного элемента контрольного канала, второй вывод которого через элемент задержки соединен с выходным элементом защиты.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в него введены индивидуальные индикаторы, подключенные к входам одноименных каналов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области автоматической защиты объектов, в частности к виброизмерительной технике, предназначенной для защиты вращающихся машин по вибрации, и может применяться на тепловых и атомных электростанциях в системе технологических защит и сигнализации турбоагрегатов и механизмом собственных нужд.

К системе защиты машин по вибрации предъявляются исключительно высокие требования, а именно с одной стороны она должна обеспечить безусловное отклонение машин из работы при возникновении действительно аварийного (опасного для целостности машины) вибрационного ее состояния, а с другой стороны она не должна производить ложное отключение машины из работы при отсутствии такого состояния.

Эти высокие требования диктуются тем, что отказ или ложная работа машины наносят большой экономический ущерб народному хозяйству.

Известен способ защиты машины по вибрации путем отключения ее из работы при достижении суммарного сигнала контролируемого параметра вибрации и скорости его нарастания до заранее установленной пороговой величины в одной из точек контроля вибрации машины (1).

Недостатком данного способа защиты машины по вибрации является низкая его надежность вследствие того, что он не обеспечивает достаточной достоверности информации об аварийном (опасном) вибрационном состоянии машины по причине определения диагнозов этого состояния лишь по факту срабатывания выходного релейного элемента устройства контроля вибрации.

Такой способ выявления аварийного вибрационного состояния машины при повреждении виброаппаратуры контроля вибрации, сопровождающийся срабатыванием ее выходного релейного элемента, приводит к ложному ее отключению из работы и вследствие этого к большому народно-хозяйственному ущербу за счет нарушения технологического процесса, в котором участвует машина, и т.о. данный способ имеет низкую надежность работы защиты.

Другим недостатком этого способа является неопределенность критерия для определения уставки срабатывания защиты, так как она должна формироваться на основании суммы сигналов параметра вибрации и скорости его изменения, что приводит к практической невозможности его использования, по крайней мере, в настоящее время такого критерия в определении аварийного вибрационного состояния по сумме указанных сигналов не существует, например, для турбоагрегатов тепловых и атомных электростанций, а также и для гидроагрегатов гидравлических электростанций.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ защиты машины по вибрации путем отключения ее из работы при одновременном возникновении двух, основного и подтверждающего, защитных сигналов по двум точкам контроля вибрации машины (2).

По этому способу отключение машины из работы производят при одновременном достижении аварийного уровня вибрации на одном подшипнике данного ротора турбоагрегата и более низкого предупредительного уровня вибрации на другом подшипнике того же ротора турбоагрегата ( принцип защиты по роторам машины).

Недостатком этого способа является недостаточная надежность работы защиты из-за возможности ее отказа вследствие того, что возникновение аварийного уровня вибрации на одном подшипнике данного ротора турбоагрегата далеко не всегда приводит к возникновению предупредительного уровня вибрации на другом подшипнике этого же ротора, вибрация на этом подшипнике может повышаться, но не достигать именно предупредительного уровня вибрации.

Несрабатывание защиты при возникновении действительно аварийного вибрационного состояния машины может привести вследствие несвоевременного отключения ее из работы к значительному повреждению не только отдельных элементов, но и машины в целом, вплоть до полного ее разрушения.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство, контролирующее среднее-квадратичное значение виброскорости, состоящее из последовательно-соединенных вибропреобразователя. усилителя, выпрямителя, интегратора, средне-квадратичного детектора, порогового элемента сравнения, второй вход которого подключен к элементу уставки аварийного (опасного) уровня и выходного релейного элемента, контрольного прибора для визуального наблюдения, подключенного к выходу средне-квадратичного детектора (2).

Недостатком данного устройства является пониженная надежность из-за недостаточной достоверности информации об аварийном вибрационном состоянии машины.

Устройство не может дать дополнительной достоверной информации о действительно аварийном уровне вибрации машины.

Этот недостаток является следствием того, что определение вибрационного состояния машины производится только по факту срабатывания релейного элемента и никакой достоверной проверки правильного или ложного его срабатывания устройство не содержит. В связи с этим при повреждении виброаппаратуры контроля вибрации машины, сопровождающимся срабатыванием выходных релейных элементов, приводит к ложной информации о вибрационном состоянии машины, а следовательно, и к ложной работе защиты и отключению машины из работы.

Таким образом, это устройство не обеспечивает достаточной надежности работы защиты вследствие недостаточной достоверности выявления истинного вибрационного состояния машины.

Задача, решаемая изобретением, повышение надежности работы машины.

Эта задача решается за счет того, что в способе автоматической защиты машины по вибрации, основанном на преобразовании одного из параметров вибрации в каждой контролируемой точке машины в информационный сигнал, формировании опорного сигнала, соответствующего предельно допустимому значению параметра вибрации, и сравнении информационного и опорного сигналов с помощью индивидуального канала, формировании по результатам сравнения сигнала управления исполнительным органом, формируют тестовый сигнал, соответствующий предельно допустимому значению параметра вибрации и сравнивают его с опорным сигналом с помощью контрольного канала, по результатам сравнения тестового и опорного сигналов формируют сигнал исправности контрольного канала, при появлении в контролируемой точке вибрации с предельно допустимым параметром прекращают сравнение тестового и опорного сигналов и с помощью контрольного канала осуществляют преобразование предельно допустимого параметра вибрации контролируемой точки в информационный сигнал и сравнение его с опорным сигналом, а формирование сигнала управления исполнительным органом осуществляют при совпадении результатов сравнения информационного сигнала с опорным в индивидуальном и контрольном каналах.

Для решение этой задачи в устройство для автоматической защиты машины по вибрации, содержащее для каждой контролируемой точки машины последовательно соединенные вибропреобразователь и формирователь информационного сигнала, выход которого соединен со входом индивидуального канала, содержащего пороговый элемент сравнения, первый вход которого является входом индивидуального канала, элемент уставки аварийного уровня, выход которого соединен со вторым входом порогового элемента сравнения, и релейный элемент, вход которого подключен к выходу порогового элемента сравнения, выходы релейных элементов индивидуальных каналов соединены с входами блока формирования сигнала защиты, введены блок задания сигнала, формирователь тестового сигнала, идентичный формирователю информационного сигнала, контрольный канал, идентичный индивидуальному каналу, реле коммутации и индикатор, выход блока задания сигнала через размыкающий контакт реле коммутации соединен с первым выводом первого из последовательно соединенных размыкающих контактов релейных элементов индивидуальных каналов, второй вывод размыкающего контакта релейного элемента последнего индивидуального канала соединен с выпрямителем 3, интегратором 4 и средне-квадратичным детектором 5, и индивидуальный канал, образованный пороговым элементом сравнения 6, элементом 7 уставки аварийного уровня и выходным релейным элементом 8, а также стрелочный индикатор 9 для визуального наблюдения за уровнем вибрации, подключенный к выходу средне-квадратичного детектора 5, блок 10 формирования сигнала защиты, формирователь тестового сигнала, содержащий усилитель 2", выпрямитель 3", интегратор 4" и средне-квадратичный детектор 5", контрольный канал, содержащий пороговый элемент сравнения 6", элемент 7" уставки аварийного уровня и выходной релейный элемент 8", переключатель 11, образованный размыкающими контактами 12₁^oC12_n и замыкающими контактами 13₁^oC13_n индивидуальных каналов, реле 14 коммутации с размыкающими контактами 15, индикатор 16, блок 17 задания сигнала, содержащий вибропреобразователь 1", источник 18 сигнала и источник 19 промышленной частоты.

Тестовый сигнал создают в вибропреобразователе 1" или в источнике 18 сигнала. Сигнал в вибропреобразователь 1" создают за счет наличия в нем контрольной пьезопластины.

Пьезоэлектрический вибропреобразователь 1 имеет две пьезопластины для каждой точки контроля вибрации: одна пьезопластины измерительная, а другая - контрольная. Последняя используется для периодической проверки исправности тракта передачи сигнала вибрации в процессе эксплуатации путем воздействия на него тестового сигнала в виде переменного напряжения промышленной частот 50 Гц, лежащей в пределах частотного диапазона виброаппаратуры (10 -1000 Гц). За счет явления обратного пьезоэффекта в контрольной пьезопластине возникают механические колебания, которые за счет явления прямого пьезоэффекта воспринимаются измерительной пьезопластиной в виде вибрации, которая и измеряется виброаппаратурой данного тракта контроля вибрации машины. Совпадение показаний измерительного прибора вибрации в момент профилактической проверки с его показаниями в процессе настройки перед включением виброаппаратуры в эксплуатацию указывает на исправную работу всего тракта передачи сигнала вибрации.

В данном случае тестовый сигнал воздействует непрерывно на контрольную пьезопластину вибропреобразователя 1" из источника 19 промышленной частоты (50 Гц) такой величины, чтобы с измерительной пьезопластины снимался сигнал, который после прохождения формирователя тестового сигнала (блоки 2"- 5") с таким же коэффициентом передачи, что и коэффициент передачи формирователя информационного сигнала должен быть равен уставке аварийного уровня вибрации машины, которая заранее выставлена в элементе уставки 7". Вместо вибропреобразователя 1" может быть использован любой другой источник 18 сигнала переменного тока с указанными выше параметрами, например понижающий трансформатор.

На фиг. 2 показана схема переключателя 11, выполненная на контактных выходных релейных элементов 8. При этом последовательно соединенные в порядке номеров точек контроля вибрации машины размыкающие контакты 12₁ - 12_n этих релейных элементов 8 включены между выходом вибропреобразователя 1" или источника 18 через размыкающий контакт 15 реле 14 коммутации и входом усилителя 2", а замыкающие контакты 13₁ - 13_n соединяют выходы вибропреобразователей 1 соответствующих трактов контроля вибрации машины с точками соединения размыкающих контактов 12₁ 12_n в соответствии с порядковыми номером точек контроля вибрации машины.

На фиг. 3 представлена одна из возможных схем блока 10 формирования защитного сигнала на отключение машины при срабатывании выходных релейных элементов 8 информационного канала и выходного релейного элемента 8" контрольного канала, а именно: защитный сигнал образуется в последовательно соединенной цепи из параллельно соединенных замыкающих контактов 20₁ - 20_n выходных релейных элементов 8 и замыкающего контакта 21₁ выходного релейного элемента 8" и воздействует через элемент 22 временной задержки (например, реле времени того или иного типа) на выходной элемент 23 защиты, воздействующий на отключение машины. Элемент 22 задержки в данном варианте исполнения блока 10 формирования защитного сигнала служит для получения подтверждения работы выходного релейного элемента 8" от выходного сигнала вибропреобразователя 1 после разрыва цепи входа усилителя 2" от выхода вибропреобразователя 1" (или от источника 18), а также может служить для получения необходимой задержки на прохождение защитного сигнала для фиксации устойчивого повышения вибрации машины аварийного уровня.

Возможны другие варианты выполнения схемы блока формирования защитного сигнала, но суть их должна соответствовать предложенному способу, а именно блок формирования должен выдавать сигнал на отключение машины из работы, только при наличии фиксации аварийного уровня вибрации машины виброаппаратурой контроля вибрации машины и контрольным комплектом виброаппаратуры. Если же виброаппаратура контроля вибрации машины по срабатыванию выходного релейного элемента зафиксировала сигнал, соответствующий уставке аварийного уровня вибрации, а контрольный комплект виброаппаратуры по отпаданию выходного релейного элемента не зафиксировал наличие аварийного уровня вибрации машины, то блок формирования не выдает сигнала на отключение машины из работы.

На фиг. 4 приведена схема подключения реле 14 коммутации и индикатора 16 сигнализации к источнику питания через замыкающий контакт 22" выходного релейного элемента 8" контрольного канала.

Устройство работает следующим образом.

Сигнал вибрации в точках контроля машины для каждого из трактов ее контроля преобразуется вибропреобразователем 1 и электрический сигнал, усиливается усилителем 2, выпрямляется выпрямителем 3, интегрируется интегратором 4 и через средне-квадратичный детектор 5 подается на вход порогового элемента сравнения, где сравнивается с сигналом от элемента 7 уставки, поданным на второй вход элемента сравнения 6, который при достижении вибрационным сигналом аварийного уровня срабатывает, что приводит к срабатыванию выходного релейного элемента 8.

Визуальное наблюдение за уровнем вибрации производится по стрелочному индикатору 9, подключенному на выход средне-квадратичного детектора 5.

В нормальном спокойном стационарном режиме работы машины уровень ее вибрации во всех точках контроля ниже заранее установленных в элементах 7 уставок аварийного уровня вибрации, пороговые элементы сравнения 6 не срабатывают и все выходные релейные элементы 8 всех трактов контроля вибрации машины также не срабатывают. Искусственно созданный, благодаря возбуждению контрольной пьезопластины в вибропреобразователе 1" от источника 19 переменного напряжения тестовый сигнал вибрации подается через размыкающий контакт 15 реле коммутации 14 на вход усилителя 2" через переключатель 11, состоящий из последовательно-соединенных в порядке номеров точек контроля вибрации машины размыкающих контактов 12₁ -12_n выходных релейных элементов 8. Уровень этого имитированного тестового сигнала устанавливается такой величины, чтобы после его прохождения через блоки 2"-8" он соответствовал уставке аварийного уровня вибрации машины и обеспечивал срабатывание выходного релейного элемента 8". Элемент 8" срабатывая подает через замыкающий контакт 21₂ напряжение питания на реле 14 коммутации. Последнее срабатывает и своим размыкающим контактом кратковременно разрывает цепь выхода тестового сигнала от 1" (или 18), что приводит к отпусканию реле 8". После отпускания реле 8" разрывается цепь напряжения питания реле 14 коммутации, оно отпускает и его размыкающий контакт 15 вновь восстанавливает цепь выдачи тестового сигнала от 1" (или 18). Вновь срабатывает реле 8" и т.д. цикличность срабатывания и отпускания реле 8" повторяется индикатора 16 сигнализации напряжение питания то подается, то нет. Параметры временных характеристик (t_ср. и t_oтп) реле 8" и 14 подбираются таким образом, что индикатор 16 сигнализации четко то загорался, то гас и это дает оператору информацию о непрерывной исправной работе контрольного комплекта виброаппаратуры. Этим обеспечивается непрерывный контроль исправности всего тракта измерения тестового сигнала контрольного комплекта виброаппаратуры.

В случае нарушения такого периодического срабатывания индикатора 16 сигнализации оператор это обнаружит и примет меры по устранению повреждения контрольного комплекта виброаппаратуры.

Выходы вибропреобразователей 1 всех трактов контроля вибрации машины отключены от входа усилителя 2" размыкающими контактами 13₁ - 13_n соответствующих трактов контроля вибрации машины. Эти контакты 13₁ 13₂, как видно из фиг. 2, подключены в порядке номеров точек контроля вибрации машины к точкам соединения также в порядке номеров точек контроля вибрации последовательно включенных размыкающих контактов 12₁ 12_n в цепи соединения элементов 1" и 2". Эти контакты 12,13 и являются, как указано выше, переключателем 11, обеспечивающим автоматическое переключение входа приемной части контрольного комплекта виброаппаратуры от выхода вибропреобразователя 1" к выходу соответствующего вибропреобразователя 1 блоков контрольного канала при возникновении аварийного уровня вибрации.

При срабатывании по той или иной причине хотя бы одного из выходных релейных элементов 8 трактов контроля вибрации машины, например, тракта N 1, цепь выхода вибропреобразователя 1" с входом усилителя 2" разрывается контактом 12₁, а выход вибропреобразователя 1 дополнительно соединяется с входом усилителя 2" через последовательно соединенные контакт 13₁ и контакты 12₂-12_n выходных релейных элементов 8. при этом, если вибропреобразователь 1 действительно выявил аварийный уровень вибрации в точке N 1 контроля вибрации машины, и то поскольку виброаппаратура из элементов 2"- 8" работала исправно, то она также выявит этот аварийный уровень вибрации.

При этом выходной релейный элемент 8" будет находиться в сработавшем состоянии уже по сигналу вибрации машины от вибропреобразователя 1.

Формирование защитного сигнала производится через последовательно соединенную цепь из параллельно-соединенных замыкающих контактов 20₁ - 20_n выходных релейных элементов 8 и замыкающего контакта 21 ₁ выходного релейного элемента 8", воздействующего через элемент 22 задержки времени на выходной элемент 23 защиты, который отключает машину из работы. Элемент 22 обеспечивает необходимую задержку на прохождение защитного сигнала для подтверждения работы выходного релейного элемента 8 от выходного сигнала вибропреобразователя 1 и для фиксации устойчивого повышения вибрации машины с аварийным уровнем.

Если выходной релейный элемент 8 тракта контроля вибрации машины в первой ее точке сработал ложно из-за повреждения элементов виброаппаратуры 2-8, то поскольку сигнала с аварийным уровнем вибрации с выхода вибропреобразователя 1 этой точки контроля вибрации машины не будет, выходной релейный элемент 8" длительно (больше выдержки времени элемента 22) не будет находиться в сработавшем состоянии и цепи на элемент защиты не образуется отключение машины из работы не произойдет.

Таким образом, способ и устройство предотвращает ложное отключение машины из работы при повреждении виброаппаратуры контроля ее вибрации.

В то же время способ и устройство обеспечивают безусловное отключение машины при возникновении действительно аварийного вибрационного ее состояния потому, что каждый раз при срабатывании выходного релейного элемента виброаппаратуры контроля вибрации машины производится косвенная проверка исправности всех ее элементов, кроме вибропреобразователей и поскольку последние являются долговечными и самыми надежными элементами виброаппаратуры, то достоверность информации после ее диагностики заведомо исправным контрольным комплектом виброаппаратуры не вызывает сомнений.

В целом и устройство идеально обеспечивают выполнение противоречивых требований к системе защиты машины по вибрации, так как они с одной стороны обеспечивают безусловное отключение машины из работы при выявлении виброаппаратурой контроля машины действительно аварийного уровня ее вибрации, а с другой стороны предотвращают ложное отключение машины из работы и этим они существенно отличаются от существующих решений как у нас, так и за границей.

Этот эффект повышения надежности работы защиты в связи с повышением достоверности выявления аварийного вибрационного состояния машины достигается за счет получения подтверждающего защитного сигнала об этом состоянии всего лишь одним комплектом контрольной виброаппаратуры на все точки (все комплекты) контроля вибрации машины.

Таким образом, в нормальном стационарном режиме работы машины 1, каждый тракт контроля вибрации машины в точках N 1-n контролирует вибрационное состояние машины, а контрольный комплект виброаппаратуры осуществляет контроль исправности всех элементов своего тракта, и с его помощью в момент возникновения аварийного уровня сигнала вибрации производят достоверную проверку правильности работы виброаппаратуры 2 8 трактов контроля вибрации машины и по результатам этой проверки подтверждают ее исправность или выявляют ложную ее работу.

Рассмотренная конкретная схема реализации способа не исчерпывает всех ее возможных путей без изменения существа способа.

Так, если в качестве виброаппаратуры для контроля вибрации машины используется виброппаратура с вибропреобразователем, не дающим возможность создать на его выходе имитированный сигнал вибрации электрическим путем как в приведенной выше схеме с пьезоэлектрическим датчиком (индуктивный и др.), то для создания этого сигнала можно вместо вибропреобразователя использовать обычное того или иного вида устройства, выдающее сигнал с частотой, лежащей в пределах частотного диапазона используемой для контроля вибрации машины виброаппаратуры, и с величиной, равной после его прохождения через приемную часть контрольного комплекта виброаппаратуры, уставке аварийного уровня вибрации машины. Могут быть использованы и другие возможности для создания указанного сигнала (установка вибропреобразователя дополнительного комплекта виброаппаратуры на малогабаритный стенд и др.).

Кроме того, по способу может быть осуществлена схема сигнализации о повышении уровня вибрации до предупредительного уровня. Дело в том, что к системе сигнализации машины по вибрации предъявляются также высокие требования к ее достоверность, в частности к предупредительной сигнализации о повышении сигнала вибрации до предупредительного уровня. Уровень уставки этого сигнала хотя и ниже аварийного уровня вибрации машины, однако при его получении необходимо предпринять меры по ее снижению, в противном случае возможно дальнейшее ее повышение вплоть до аварийного (опасного) уровня вибрации машины. В существующих системах контроля предупредительного уровня вибрации (Х2) нет проверки правильности его выявления. Если такая сигнализация не соответствует действительному вибрационному состоянию машины, а эксплуатационный персонал начнет производить ложные, не нужные операции по снижению вибрации (разгрузка машины, изменение температурного режима работы отдельных ее элементов и сред и т.д.), то это может привести к понижению экономичности и надежности работы машины.

Оперативная проверка правильности показаний измерительного прибора виброаппаратуры контроля вибрации машины специальным переносным прибором измерения вибрации может быть затруднена особенно в ночное время в связи с необходимостью вызова специалиста-вибрационщика.

В этих условиях персонал вынужден будет произвести отключение (останов) машины из работы и производить поиск причин ложной информации о повышении уровня вибрации с разгрузкой отдельных узлов машины, что может привести к большому простою машины, связанному с значительным материальным ущербом.

Выполнение схемы сигнализации о возникновении вибрации до предупредительного уровня по данным способу и устройству позволяет производить автоматическую проверку наличия сигнала вибрации предупредительного уровня при каждом случае срабатывания выходного релейного элемента, контролирующего этот уровень.

Способ и устройство применимы при использовании для контроля вибрации машины виброаппаратуры любого типа и для любого количества точек контроля вибрации машины.