Схемы автоматизации холодильных установок
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. 100 показана расстановка средств автоматизации в схеме аммиачной двухступенчатой холодильной машины.
Рис. 100. Принципиальная схема аммиачной двухступенчатой холодильной машины с элементами автоматизации:
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.
Схемы холодильных установок
Схемой холодильной установки называется упрощенное изображение реальной или проектируемой установки, дающее представление как о наличии машин, аппаратов, приборов и других элементов, необходимых для эксплуатации установки, так и об их взаимном расположении и взаимодействии. Одновременно под схемой понимают своеобразное сочетание машин и аппаратов, позволяющее осуществить заданный процесс.
На холодильных установках имеются трубопроводы для хладагента, хладоносителя, охлаждающей воды, смазочного масла. В соответствии с этим различают схемы трубопроводов хладагента, хладоносителя, воды, масла.
В работе холодильных установок имеются особенности, значительно усложняющие работу обслуживающего персонала: большое количество охлаждаемых объектов, нередко находящихся на значительном удалении от машинного отделения; разветвленные системы трубопроводов; применение в ряде случаев токсичных холодильных агентов; возможность резких колебаний тепловых нагрузок.
В связи с этим схема холодильной установки должна отвечать следующим требованиям:
Применение средств автоматики в значительной степени облегчает выполнение всех этих требований.
Схемы холодильных установок можно представить скомпонованными из нескольких характерных узлов со своими специфическими особенностями. Такие узлы могут быть образованы из элементов холодильной установки по их функциональному назначению. Узлы оборудования, относящиеся к машинному отделению, отличаются некоторыми особенностями, обусловленными применением различных способов охлаждения (непосредственного или косвенного), различным числом ступеней сжатия и температур кипения, типом применяемого оборудования и числом установленных единиц.
Узел одноступенчатых компрессоров при наличии нескольких температур кипения. Схема узла для трех температур кипения показана на рис.1. В схеме может быть применен любой тип: центробежный, винтовой. Однако на рисунке изображены поршневые компрессоры. Каждый из трех компрессоров (или группа параллельно включенных) предназначен для работы на свою температуру кипения (в соответствии с номером). Пар из каждой испарительной системы проходит через отделитель жидкости 2 и по отдельному для каждой температуры кипения трубопроводу поступает в общий всасывающий трубопровод 3. Вентили на коллекторе позволяют направить пар в компрессор своей температуры кипения и в случае необходимости заменить один компрессор другим или сосредоточить на одной температуре кипения два.
Рис.1. Узел одноступенчатых компрессоров на несколько температур кипения:
1 — компрессор; 2 — отделитель жидкости; 3 — всасывающий; 4 — фильтр;
5 — нагнетательный; 6 — щит с измерительными приборами;
7 — оттаивательный; 8 — маслоотделитель;
9 — масляный трубопровод; 10 — маслособиратель; 1′-4′ — запорные вентили
Соединение сторон всасывания компрессоров общим трубопроводом оказывается полезным и при ремонте, так как позволяет освободить компрессор, подлежащий ремонту, от хладагента путем отсасывания его из этого компрессора другим.
На всасывающих трубопроводах перед всасывающим вентилем устанавливают фильтр 4, предназначенный для очистки поступающего пара от механических загрязнений. В некоторых конструкциях фильтры встраивают непосредственно во всасывающий коллектор. Сжатый компрессором пар нагнетается в конденсатор по общему нагнетательному трубопроводу 5. Если магистральные и общие коллекторы располагаются выше компрессоров (верхняя разводка), то присоединять всасывающие и нагнетательные трубы от компрессоров к магистральным следует не снизу, а сверху, как показано на рисунке. Это выполняют в связи с тем, что одновременно могут работать не все компрессоры и в трубопроводах, относящихся к неработающим компрессорам, при присоединении труб снизу возможно скопление жидкого агента или масла, что может вызвать гидравлический удар при пуске холодильной установки.
На нагнетательном трубопроводе, предназначенного для автоматического пуска с открытым байпасом, поставлен обратный клапан ОК. У винтовых и центробежных компрессоров обратные клапаны устанавливают как на нагнетательных, так и на всасывающих линиях, во избежание возникновения обратного потока пара. Обратные клапаны на стороне нагнетания разгружают компрессоры при их остановке от высокого давления на стороне нагнетания. Кроме того, обратные клапаны защищают компрессорное помещение от прорывов хладагента из аппаратов стороны высокого давления при авариях с компрессором. Так как в аппаратах стороны высокого давления (конденсаторах, линейных ресиверах) находится обычно значительное количество хладагента, то наличие обратного клапана позволяет уменьшить последствия аварии.
На пути пара между компрессором и конденсатором устанавливают маслоотделитель 8, предназначенный для освобождения пара хладагента от увлеченного им из компрессора смазочного масла. За маслоотделителем к магистрали присоединяют оттаивательный трубопровод 7 подачи пара с нагнетательной стороны в охлаждающие приборы непосредственного охлаждения для плавления инея (удаления снеговой шубы) с их поверхности.
У одного из компрессоров желательно иметь мост переключений с вентилями 3′ и 4′, позволяющий удалять (отсасывать) пар из нагнетательного трубопровода и конденсатора при их ремонте. Так как любое вскрытие трубопроводов, аппаратов и машин холодильной установки возможно только после того, как давление в них будет понижено до атмосферного, то, чтобы не допустить потерь хладагента, в схемах предусматривают возможность удаления пара из этих элементов установки путем отсасывания компрессором. Например, при ремонте конденсатора жидкое рабочее тело из него удаляется в ресивер или испарительную систему. Оставшийся пар отсасывается. Для этого закрывают всасывающий Г и нагнетательный 2′ вентили, а вместо них открывают вентили 3′ и 4′.
Так как обратный клапан пропускает пар только в одном направлении, то на случай отсасывания пара из конденсатора в обход обратного клапана выполнен обводной мост с вентилем, который при нормальной работе установки должен быть закрыт и запломбирован. Таким образом, в случае необходимости пар из конденсатора отсасывается компрессором 1 по нагнетательной линии 5, через вентиль 3′ поступает в компрессор и через вентиль 4′ нагнетается во всасывающий трубопровод 3. Разумеется, такой процесс осуществим только в то время, когда остальные компрессоры не работают. Нередко ограничиваются соединением оттаивательной линии с всасывающим коллектором, что позволяет перед ремонтом понизить давление в конденсаторе или нагнетательном трубопроводе; полностью же аппараты освобождают выпусканием хладагента в воздух или воду.
Выпускать масло (при ручном обслуживании) непосредственно из аппаратов высокого давления недопустимо, так как это может быть опасным для персонала. Поэтому масло из маслоотделителя аммиачных установок периодически выпускают по трубопроводу 9 в маслособиратель 10, который соединен со стороной низкого давления, врезка которого должна осуществляться до отделителя жидкости, что позволяет понизить давление в маслособирателе до значения, близкого к атмосферному (после того как закрыт вентиль9), и выпускать масло через нижний вентиль под небольшим избыточным давлением (20 — 30 кПа), контролируемым манометром на этом аппарате.
Для того чтобы контролировать давление в испарительных системах разных температур кипения, предусмотрены манометры, соединенные с объектами (отделителями жидкости, циркуляционными ресиверами, испарителями) на каждую температуру кипения, а также манометр, позволяющий контролировать давление конденсации, присоединенный к конденсатору (что более правильно) или к маслоотделителю. Манометры следует присоединять к емкостям (сосудам), а не непосредственно к трубопроводам, так как в сосудах значительно сглаживаются пульсации давления, которые наблюдаются при использовании поршневых компрессоров. Перед манометром необходимо устанавливать вентиль, что позволяет отсоединять манометр при его замене для ремонта или проверки, а также прикрытием вентиля уменьшать колебания стрелки прибора, вызванные пульсацией давления.
Устройство всасывающего коллектора в некоторых случаях может оказаться громоздким, то всасывающие трубопроводы от объектов могут идти непосредственно к компрессорам (рис. 2а). Вентили на соединительных линиях позволяют производить некоторые замены компрессоров, а также необходимые эксплуатационные манипуляции. В редких случаях, когда может потребоваться универсальность включения, т.е. возможность работы каждого компрессора (или насоса) на любом из объектов, необходимые переключения могут осуществляться с помощью моста (рис. 2б). Выполнение такого моста требует большого расхода запорной арматуры и специального места для ее размещения. Подобные мосты используются для присоединения резервных агрегатов или насосов к системе любой температуры кипения.
Рис.2. Узел присоединения всасывающих линий к компрессорам:
а — простая обвязка; б — с использованием моста
Узел конденсатора и линейного ресивера. Один из вариантов этого узла приведен на рис.3. По нагнетательному трубопроводу, а пар поступает в конденсатор 1. Образовавшаяся жидкость по сливному трубопроводу 3 стекает в линейный ресивер 5. Он предназначен для выполнения различных функций. Прежде всего, линейный ресивер является сборником конденсата, благодаря чему жидкость в конденсаторе не затапливает его теплообменную поверхность. Для того чтобы обеспечить надежный сток жидкости, на аммиачных установках линейный ресивер устанавливается ниже конденсатора, а паровые пространства конденсатора и ресивера соединяются уравнительной линией 2, благодаря чему в обоих аппаратах давление выравнивается, и жидкость под действием силы тяжести стекает из конденсатора.
Рис.3. Узел конденсатора и линейного ресивера:
1 — конденсатор; 2 — уравнительная линия; 3 — сливной трубопровод;
4 — отстойник; 5 — линейный ресивер; 6 — охладитель;
7 — коллектор; 1′ — заправочный вентиль
Другой функцией, выполняемой линейным ресивером, является компенсация неравномерности подачи хладагента в охлаждающие приборы потребителей холода. В соответствии с колебаниями тепловой нагрузки должно изменяться количество хладагента, подаваемого в испарители в единицу времени, а потому линейный ресивер используется как емкость, в которой накапливается хладагент при уменьшении количества подаваемой в испарители жидкости. Кроме того, в линейном ресивере создается запас хладагента, который должен компенсировать возможные утечки его из системы; этот запас регулярно пополняют при периодической дозарядке.
Линейный ресивер используют также как емкость для сбора хладагента из испарителей (или охлаждающих приборов) во время их ремонта или остановки на длительный срок. Наконец, в линейном ресивере создается гидравлический затвор, препятствующий перетеканию пара со стороны высокого давления в испарительную систему, что имело бы своим следствием уменьшение холодопроизводительности установки. Как видно из рис. 3, жидкий хладагент отводится из линейного ресивера по трубе, опущенной под уровень жидкости, что предотвращает прорыв пара по этому трубопроводу в испарительную систему.
Контроль за уровнем жидкости в ресивере ведут по указателю уровня УУ. Конденсатор, ресивер снабжены предохранительными клапанами ПК с переключающим вентилем, от предохранительных клапанов выведены трубопроводы для аварийного сброса хладагента в атмосферу. У каждого из этих аппаратов на аммиачных установках имеются отстойники 4 для сбора масла и загрязнений; из отстойников эти примеси могут отводиться в маслособиратель (см. рис.1).
Из ресивера хладагент поступает в охладитель жидкости (переохладитель) 6, который должен включаться после ресивера (рис. 3). Если охладитель жидкости не используется, то жидкий хладагент может быть направлен по обводной линии мимо него.
От коллектора 7 регулирующей станции жидкий хладагент при ручном регулировании распределяется посредством регулирующих вентилей РВ по охлаждаемым объектам (в общем случае — разных температур кипения). В случае применения автоматических регуляторов подачи хладагента в испарительную систему коллектор 7 становится распределительным. При помощи запорных вентилей на этом коллекторе можно прекращать подачу хладагента во все объекты данной температуры кипения или в группу объектов. Регулирующие вентили коллектора могут использоваться при выходе из строя автоматических регуляторов подачи, расположенных у объектов.
Обычно как ручные, так и автоматические регулирующие вентили находятся между двумя запорными вентилями, что позволяет при засорении регулирующего вентиля легко отсоединить его от системы для осмотра и очистки, без нарушения режима работы других объектов. Иногда ограничиваются постановкой одного запорного вентиля перед регулирующим. В этом случае перед вскрытием неисправного регулирующего вентиля необходимо закрыть запорный вентиль и отсосать хладагент из всего трубопровода. На коллекторе предусматривают вентиль Г для зарядки и пополнения системы хладагентом.
На всех хладоновых установках и обычно на небольших аммиачных установках линейные ресиверы располагают на одном уровне с конденсатором.
В этом случае конденсатор и линейный ресивер не соединяются уравнительной линией, а жидкий хладагент выдавливается из конденсатора в линейный ресивер через обратный клапан ОК (или гидравлический затвор) давлением конденсации, так как в линейном ресивере давление ниже, чем в конденсаторе, из-за периодического открытия регулирующего вентиля и перепуска жидкого хладагента в охлаждающие приборы.
На крупных холодильных установках обычно приходится использовать несколько конденсаторов, которые могут быть соединены последовательно или параллельно. Для аппаратов одного типа применяют, как правило, параллельное соединение конденсаторов. При таком соединении гидравлические сопротивления всех конденсаторов с соединительными трубопроводами должны быть равны, в противном случае будут подтапливаться конденсатом аппараты с меньшим гидравлическим сопротивлением. Для того чтобы гарантировать равенство гидравлического сопротивления всех конденсаторов с трубопроводами, их сопротивление увеличивают, предусматривая отвод конденсата из коллектора по сливной трубе (рис. 4) с подъемом h0, обеспечивающим дополнительное требуемое гидравлическое сопротивление Δp=ρgh0.
Рис.4. Узел испарительных конденсаторов и линейного ресивера:
1 — испарительный конденсатор; 2 — водяной насос; 3 — линейный ресивер
