Система вибрационной защиты турбоагрегата по API 670: что входит

Система вибрационной защиты по API 670 непрерывно контролирует радиальную вибрацию вала, вибрацию корпуса, осевое положение ротора, частоту вращения, разгон, фазовую отметку и критические температуры. В неё входят вихретоковые и сейсмические датчики, стойка мониторов с уставками «предупреждение» и «опасность», релейные модули с логикой голосования, которые выдают команду на останов, и резервированное питание.

Что такое API 670 и откуда наши данные

API 670 «Machinery Protection Systems» — стандарт Американского института нефти. Действующая редакция — пятое издание 2014 года (256 страниц), подтверждённое в 2022 году: API STD 670:2014(R2022). Стандарт платный, поэтому мы его не цитируем. Всё ниже основано на открытой аннотации стандарта и на документации Bently Nevada, где прямо сказано, какие требования API 670 выполняет оборудование.

По аннотации, API 670 задаёт минимальные требования к системе защиты машин, которая измеряет:

Параметр	Чем обычно измеряют
Радиальная вибрация вала	Вихретоковые датчики
Вибрация корпуса	Акселерометры, датчики скорости
Осевое положение вала	Вихретоковые датчики
Частота вращения вала	Вихретоковые датчики, магнитные датчики
Опускание штока поршня (поршневые компрессоры)	В этой статье не рассматривается
Фазовая отметка (Keyphasor)	Вихретоковый датчик
Разгон (превышение скорости)	Отдельная система с резервированием
Критические температуры (металл подшипников, обмотки двигателя)	Термосопротивления (RTD), термопары

Колонка «Чем обычно измеряют» составлена по документации Bently Nevada на датчики и мониторы, это не цитата из стандарта.

Типовая архитектура системы

1. Датчики на машине. Вихретоковые датчики на радиальную вибрацию и осевое положение, отметчик фазы, датчики температуры подшипников, при необходимости акселерометры или датчики скорости на корпус.
2. Стойка мониторов. Модули сравнивают измеренные значения с уставками Alert (предупреждение) и Danger (опасность) и проверяют исправность каждого датчика и линии.
3. Релейные модули. Реле срабатывают по заданной логике: например, останов только при опасности по двум каналам одновременно.
4. Выход на останов. Контакты реле заводят в схему аварийного останова машины.
5. Сигнализация и диагностика. Аналоговые и цифровые выходы — в АСУ ТП для отображения и трендов, данные — в систему диагностики.

Сколько датчиков на подшипник

Для радиальной вибрации на каждый подшипник обычно ставят два вихретоковых датчика под углом 90° (пара X/Y). Fabrico описывает такую схему как типовую. Мониторы 3500 программируются парами каналов: каналы 1 и 2 выполняют одну функцию, каналы 3 и 4 — ту же или другую.

Что делает Bently Nevada 3500

По даташиту Bently Nevada, система 3500 предназначена для непрерывного мониторинга, пригодного для защиты машин, и спроектирована под требования API 670. Она предназначена для систем автоматического останова, где нужны очень высокая надёжность и готовность. В списке применений — промышленные газовые и паровые турбины, авиапроизводные газовые турбины, гидротурбины, компрессоры, турбодетандеры, электродвигатели и генераторы, редукторы, насосы, вентиляторы.

Состав стойки

Компонент	Обязателен	Что делает
3500/05 — стойка	Да	19" стойка: 14 слотов под модули плюс позиции блоков питания и TDI. Мини-стойка 12" — 7 слотов
3500/15 — блок питания	Да, один или два	Каждый блок питает всю стойку. При двух блоках нижний основной, верхний резервный и подхватывает нагрузку без перерыва
3500/22M TDI	Да	Интерфейс к ПО конфигурации и System 1. Не входит в критический контур защиты
Мониторы 3500/XX	Да, один и более	Измерение, уставки Alert и Danger, проверка датчиков
3500/32M (4 реле) или 3500/33 (16 реле)	Нет, но настоятельно рекомендуется	Реле на останов с логикой голосования
3500/25 — Keyphasor	Нет, один или два	Сигнал фазовой отметки для мониторов
3500/92 — коммуникационный шлюз	Нет	Связь с АСУ ТП по промышленным протоколам
Модули ввода-вывода, ПО конфигурации	Да	Подключение полевых линий, настройка

Четырёхканальные мониторы позволяют разместить в полной стойке на 14 слотов до 56 каналов.

Какие модули закрывают пункты API 670

Параметр API 670	Модуль 3500	Что указано в даташите
Радиальная вибрация, вибрация корпуса	3500/42M	4 канала; входы от вихретоковых и сейсмических датчиков; радиальная вибрация, осевое положение, эксцентриситет, ускорение, скорость, Shaft Absolute и другие
Осевое положение, относительное расширение	3500/45	4 канала; осевое положение, разные схемы относительного расширения, расширение корпуса, положение клапана
Фазовая отметка	3500/25	2 канала на модуль; до 4 сигналов Keyphasor на стойку (до 8 в парной схеме); по сигналу мониторы считают частоту вращения, амплитуду и фазу 1X
Частота вращения	3500/50M	2 канала; частота вращения, ускорение ротора, нулевая скорость, обратное вращение
Температуры подшипников	3500/60	6 каналов; RTD и термопары
Выход на останов	3500/32M	4 реле; логика AND/OR по статусам Alert, Danger, Not OK любых каналов стойки

Защита от разгона: отдельная задача

Тахометрический модуль 3500/50M меряет скорость, но Bently Nevada прямо предупреждает: его нельзя использовать ни отдельно, ни в составе системы регулирования скорости или защиты от разгона, потому что у него нет нужного резервирования и быстродействия. Уставки скорости на 3500/50M годятся только для сигнализации. Для защиты от разгона производитель направляет к системе аварийного останова 3701/55.

Уставки и задержки срабатывания

На примере 3500/42M по даташиту Bently Nevada:

Параметр	Значение
Уставки	Alert для каждой измеряемой величины, Danger для любых двух из них; от 0 до 100 % шкалы
Точность уставок	в пределах 0,13 % от заданного значения
Задержка Alert	от 1 до 60 с с шагом 1 с
Задержка Danger	0,1 с или от 1 до 60 с с шагом 0,5 с

Задержка нужна, чтобы кратковременный выброс сигнала не останавливал машину. Её значение выбирают под конкретный агрегат.

Чего нельзя делать

1. Заводить останов через 4–20 мА или Modbus. По даташиту системы 3500, эти выходы предназначены только для сигнализации и трендов: у них нет нужной отказоустойчивости и целостности. Для автоматического останова используют релейные модули 3500/32M или 3500/33.
2. Использовать реле Rack OK для останова. Его переводят в NOT OK десятки разных событий в стойке, поэтому Bently Nevada рекомендует реле Rack OK только для общей сигнализации.
3. Защищать от разгона модулем 3500/50M. См. выше.
4. Ставить вихретоковые датчики на слишком тонкий вал. Для 3300 XL 8 мм минимальный диаметр вала 50,8 мм, рекомендуемый 76,2 мм; на валах меньше 76,2 мм коэффициент преобразования обычно меняется.

Датчики под API 670

Стандартная система 3300 XL 8 мм с длиной 5 м, по даташиту Bently Nevada, полностью соответствует API 670 по конструкции, линейному диапазону, точности и температурной стабильности. Её чувствительность 7,87 В/мм (200 мВ/mil), линейный диапазон 2 мм. Компоненты 3300 XL 8 мм взаимозаменяемы без подбора и калибровки на стенде. Пример применения на крупных вентиляторах — в статье «Вихретоковые датчики 3300 XL на крупных вентиляторах».

Для вспомогательного оборудования (насосы, дымососы, мельницы) часто хватает отдельной стойки с мониторами 3500/42M. Чем она отличается от защиты главного турбоагрегата, разобрано в статье «Виброконтроль вспомогательного оборудования ТЭЦ: модуль 3500/42M».

Что выбрать для турбоагрегата

• Стойка и питание — 3500/05 и два блока 3500/15 для резервирования.
• Радиальная вибрация — мониторы 3500/42M и датчики 3300 XL.
• Осевое положение и относительное расширение — 3500/45.
• Фазовая отметка — 3500/25.
• Температуры подшипников — 3500/60.
• Реле на останов — 3500/32M.

KEG TRK поставляет оборудование Bently Nevada в Казахстане. Цена по запросу.

Источники

• American Petroleum Institute. API 670:2014 Machinery Protection Systems: аннотация, издание, статус (страница магазина стандартов).
• Bently Nevada. 3500 System Datasheet 162096.
• Bently Nevada. 3500/42M Proximitor Seismic Monitor Datasheet 143694.
• Bently Nevada. 3500/45 Position Monitor Datasheet 141537.
• Bently Nevada. 3500/25 Enhanced Keyphasor Module Datasheet 141532.
• Bently Nevada. 3500/32M 4-Channel Relay Module Datasheet 141533.
• Bently Nevada. 3500/50M Tachometer Module Datasheet 141538.
• Bently Nevada. 3500/60 and 3500/61 Temperature Modules Datasheet 141540.
• Bently Nevada. 3300 XL 8 mm Proximity Transducer System Datasheet 141194.
• Fabrico. API 670 machinery protection: типовая схема X/Y датчиков.