6 Системи управління суднових холодильних установок

Автоматизовану систему управління судновою холодильною установкою слід розглядати, як групу технічних і програмних засобів та рішень призначених для управління, зазвичай автоматичного, судновою холодильною установкою. Ця система може мати зв'язок з системою управління більш високого рівня, наприклад, системою управління судновою енергетичною установкою окремого судна або навіть системою управління судноплавної компанії в цілому.

Складовими частками системи управління холодильною установкою можуть бути окремі системи та автоматизовані пристрої, з’єднані в загальний комплекс. Автоматизована система управління має єдину систему операторського керування у вигляді одного або декількох пультів керування, засобів обробки та збереження інформації про хід процесів впродовж експлуатації.

Головною особливістю системи управління будь якого рівня є периодична або регулярна участь людини-оператора в її роботі.

Для інформаційного звязку всіх підсистем застосовується система контролю. Окрім системи контролю до системи управління належать системи сигналізації та аварійного захисту.

В цілому система управління судновою холодильною установкою повинна забезпечити:

• контроль за параметрами процесу та управління режимом функціонування з метою пітримання регламентованих значень характерних параметрів (температура, тиск, вологість, тощо);

• проведення операцій безпечних пуску та зупинки;

• видачу сигналів про аварію та несправності;

• керування процесом відтаювання.

1. Системи захисту холодильних установок

6.1.1 Загальні заходи захисту холодильних установок від небезпечних

режимів

У випадку відмови окремих вузлів та агрегатів суднових холодильних установок, а також у випадку порушень в функціюванні систем енерго- і водоживлення можливо виникнення небезпечних режимів: підвищення тиску і температури, рівня рідини в окремих апаратах, порушення режиму мащення, відсутності надходження охолоджуючої рідини або повітря та інші.

У випадку відсутності відповідних дій можливо пошкодження та навіть руйнування окремих елементів холодильної установки та її перехід до непрацездатного стану. В деяких випадках можливо виникнення досить значної погрози для життя і здоров’я обслуговуючого персоналу.

Захист холодильної установки об’єднує комплекс технічних і організаційних заходів, що забезпечують безпечну експлуатацію суднового холодильного обладнання.

Основними заходами для захисту суднових холодильних установок є: зупинка холодимльної машини або всієї установки; включення аварійних пристроїв; викід робочої речовини в атмосферу чи перепуск в інші апарати.

Зупинка машини або всієї установки здійснюється за допомогою системи автоматичного захисту (САЗ), до складу якої входять первинні пристрої (датчики та захисні реле), електричні схеми для перетворення сигналів від первинних пристроїв в сигнал зупинки, який надсилається до схеми автоматичного керування.

Захисні реле реагують на зміну значень технологічних параметрів, що контролюються та при досягненні ними критичних значень генерують аварійний сигнал. Зазвичай, ці пристрої мають релейні двопозиційні характеристики. Кількість наявних в складі САЗ датчиків та реле визначається мінімально необхідною кількістю параметрів, що контролюються.

Електрична схема САЗ може бути виконана у трьох варіантах:

• однократної дії;

• з повторним включенням;

• комбінована.

Система однократної дії здійснює зупинку об’єкту захисту при

спрацюванні будь-якого з встановленних первинних пристроїв. При цьому пуск об’єкту стає неможливим без втручання обслуговуючого персоналу. САЗ цього типу застосовуються для великих та середніх холодильних машин. У випадку, якщо холодильна установка експлуатується без постійного обслуговування, а обладнання не має автоматично вмикаючогося резерву, що є характерною особливістю суднових холодильних установок, САЗ доповнюється спеціальною сигналізацією для термінового виклику персоналу.

САЗ з повторним включенням зупиняють холодильну машину при спрацюванні первинних пристроїв та не перешкоджають її автоматичному пуску при поверненні параметру, що контролюється до заданого значення. САЗ цього типу зазвичай використовуються у малих установках з нескладними системами автоматизації. Однак, в таких системах обов’язкова наявність сигналізації для інформування обслуговуючого персоналу про зупинку та причини, що її викликали.

В комбінованих САЗ частина первинних пристроїв, які контролюють найбільш небезпечні параметри та входять до складу електричної схеми однократної дії, а інші, з менш небезпечними, до схеми з повторним включенням. Таке рішення дозволяє здійснити автоматичний пуск установки після зупинки по сигналу САЗ, якщо це не погрожує виникненню аварійної ситуації.

Одним з різновидів захисту є блокування. Його особливість в тому, що сигнал надходить не від первинного пристрою захисту, а від схеми контролю або керування іншим елементом установки (наприклад, насосом чи вентилятором). Блокування виключає пуск холодильної установки при порушенні заданого алгоритму пуску агрегатів, що контролюються.

Системою аварійного захисту також здійснюється включення аварійних пристроїв та систем.

До аварійних пристроїв та систем можливо віднести аварійну та попереджувальну сигналізації, аварійну вентиляцію та дублюючі агрегати, що вмикаються автоматично.

Запобіжні пристрої, що забезпечують випуск робочої речовини до атмосфери або перепуск до інших агрегатів, зазвичай, не належать до складу САЗ та спрацьовують самостійно. Їх призначення запобігти руйнуванню сосудів та апаратів у випадку підвищення тиску в наслідок аварійної ситуації або надмірного підвищення температури, наприклад, у випадку пожежі. Обрання запобіжних пристроїв та правила їх установки визначаються відповідними нормативними документами.

6.1.2 Структура систем захисту

При побудові схеми САЗ необхідно враховувати загальні положення, що будуть максимально забезпечувати необхідну безпеку функціювання обєкту. На рисунку 6.1 наведена принципова схема САЗ парокомпресійної холодильної установки, що складається з компресора КМ з електродвигуном Д, теплообмінних апаратів ТА і допоміжних пристроїв ДП.

Рис. 6.1 – Принципова схема системи аварійного захисту парокомпресійної холодильної установки

Призначення САЗ цього типу – зупинка компресору у випадку досягнення одним з контролююмих параметрів межевого припустимого значення. САЗ має десять каналів захисту. Канали з 1-го по 8-й працюють від відповідних реле захисту, контролюючих технологічні параметри. Канали 9 та 10 забезпечують блокування компресора та допоміжних пристроїв. В систему входить пристрій «Ключ відключення захисту», який у випадку необхідності дозволяє вимкнути частину захисних ланцюгів та блокувань (2, 3, 5, 6, 8, 9, 10). Захисні ланцюги, які повинні функціювати за будь яких вимог, відключенню не підлягають (1, 4, 7). Розглянута система є комбінованою САЗ. Перша частина, до якої належать канали 2, 5, 9 та 10, працює як система з повторним включенням, інша забезпечує захист за принципом однократної дії, яка контролює найбільш важливі параметри. У випадку досягнення цими параметрами критично припустимих значень, САЗ зупиняє компресор, а наступний пуск стає можливим тільки при участі обслуговуючого персоналу. Попередньо пуску необхідно використати пристрій введення захистів до функціювання.

Сигнали від електричних схем САЗ надходять до системи автоматичного управління (АУ). Система автоматичного управління забезпечує зупинку холодильної машини незалежно від сигналів оперативного управління ОУ.

Окрім головних функцій захисту САЗ спроможна виконувати і допоміжні операції: включення додаткових пристроїв, світлової та звукової сигналізації.

Сигналізація захистів з повторним включенням діє тільки до того часу, доки контролююмий параметр не повернувся до визначених при налаштуванні меж. Сигналізація захистів однократної дії залишається працюючою після включення до втручання обслуговуючого персоналу.

Система захисту може бути доповнена запам’ятовуючим пристроєм, який буде фіксувати та зберігати всі випадки спрацювання захистів зазделегідб визначений час.

Однією з головних вимог до систем захисту є висока надійність. Для виконання цієї вимоги, окрім використання високонадійних елементів, в особливо відповідальних випадках застосовується резервування. Слід враховувати, що під час експлуатації захисні реле та інші елементи САЗ мають достатньо малу циклічну наработку на відмову (малу кількість спрацьовування), у зв’язку з цим під час оцінки надійності САЗ доцільно використання показників, які характеризують здібність елементів зберігати готовність до спрацювання, наприклад, наработку на відмову в часі.

Виходячи з того, що найбільш характерною відмовою електричного ланцюга є зникнення напруги або струму (розрив ланцюга), потрібно забезпечити циркулювання електричного струму в ланцюгах захисту при нормальному стані, таким чином сигнал аварійної зупинки буде відповідати знеструмленню (розриву ланцюга). Виконання цієї умови вимагає застосування в системах захисту релейних пристроїв з нормально замкнутими контактами.

Організація профілактичних перевірок та ремонтів під час експлуатації має найважливіше значення в забезпеченні безпечного функціювання установки. Для забезпечення цих заходів необхідна наявність в складі САЗ пристроїв, що дозволяють перевірити дієздатність захистів у повному обсязі. При цьому бажано, щоб перевірка не вимагала виводу установки за межі припустимих режимів.

В якості прикладу розглянемо структуру, склад та функціювання системи аварійного захисту холодильної машини, до складу якої входять поршньовий безсальниковий компресор К_м, водяний кожухотрубний конденсатор К_д та випарник В_п (рис. 6.2).

Рис. 6.2 – Схема аварійного захисту холодильної машини

На схемі означені місця вимірів контролюючих параметрів та датчики – первинні перетворювачі. Реле захисту наведені в нижній частині структури (щит приладів). Відповідні зв’язки проміж елементів розташовані безпосередньо на обладнанні та пристроях та визначенні на щиті та пульті цифрами.

До системи входять шість реле захисту, які контролюють наступні параметри: РЗ₁ – різниця між тисками мастилами після мастильного насосу і в картері компресора (ΔР_м), сигнал надходить у випадку порушень в функціюванні системи мащення, під час пуску компресора реле РЗ₁ вимикається автоматично або примусово оператором; РЗ₂ – температура нагнітання (t_н), датчик реле змонтований на нагнітальому трубопроводі компресора, сигнал надходить у випадку підвищення температури у наслідок порушення режиму роботи у випадку пошкодження клапанної групи або за інших причин; РЗ₃ – тиск нагнітання (Р_н), вимір параметра здійснюється безпосередньо перед вентилем на нагнітанні, сигнал надходить у випадку підвищення тиску, що можливо в наслідок недостатнього охолодження конденсатору, не повного відкриття нагнітального вентилю, скупчення неконденсуючих газів (наприклад, повітря) у конденсаторі; РЗ₄ - тиск всмоктування, вимір параметру може здійснюватися як перед так і після всмоктувального вентилю, сигнал надходить у випадку зниження тиску всмоктування. Причинами можуть бути порушення режиму живлення випарників, забруднення фільтрів і дроселюючих пристроїв, зменшення теплового навантаження на випарник. РЗ₅ – температура статору вбудованого електродвигуна компресора (t_обм), датчики вбудовані безпосередньо в обмотку, сигнал надходить у випадку перевантаження електродвигуна або при недостатній кількості пари холодильного агенту, що охолоджує електродвигун. РЗ₆ – температура проміжного холодоносія на виході з випарника (t_S2), сигнал подається при зниженні температури до мінімально припустимого значення.

Усі реле захисту підключені до електронної схеми АЗ. У випадку спрацювання будь-якого реле схема відправляє сигнал зупинки до схеми автоматичного управління АУ, яка вимикає пускач П елктродвигуна компресора. Одночасно вмикається свытловий сигнал, який відповідає реле, що спрацювало (Л₁…Л₆).

Для повернення САЗ до нормального стану використовується кнопка КВЗ (кнопка включення захисту), при натисканні на яку реле повертається до нормального стану і дозволяється автоматичний пуск компресора. Свытловий сигнал гасне вимикаэться.

До складу САЗ також входить система блокування (Б_л), яка сигналом χ_бл дозволяє пуск компресора тільки при попередніх пусках насосу конденсатора (Н_w) та насосу (або вентилятора) холодоносія (Н_s).

До складу системи входить ключ (К_л), який дозволяє запустити компресор вручну при вимкнених захистах або частини з них.

6.1.3 Пристрої та засоби захисту

Схеми автоматичного захисту базуються на використанні реле тиску та температури, в деяких холодильних установках також застосовані реле рівня для запобігання переповнення рідким холодильним агентом судин та апаратів.

До групи, що об’єднує реле тиску, належать двопозиційні реле низького та високого тиску, подвоєні реле тиску та реле різниці тиску, останні використовуються для контроля функціювання системи мащення компресорів, що мають вбудований мастильний насос.

Одинарні (однодатчикові) реле реагують на зміну значення одного параметру (тиску), а подвоєні одночасно контролюють два параметри, діючи на загальний вихідний пристрій.

Схема реле низького тиску наведена на рисунку 6.3.

Рис. 6.3 – Реле низького тиску

Чутливим елементом реле є сильфон 1, розміщений в геметичному корпусі 2. Контролюючий тиск надходить в порожнину між сільфоном та корпусом. Зусилля на сильфон при зміні тиску змінюється, викликає переміщення днища сильфону, до якого приєднаний штовхач 5. Окрім зусилля з боку сильфону на штовхач діє пружина 4, яка спирається на площину 3. З іншого боку на штовхач діє важель 7.

Сила, що створюється сильфоном, визначається різницею між контрольованим та атмосферним тисками. Останнє діє на внутрішню поверхню сильфону. У випадку, якщо контролюється тиск нижче атмосферного, працездатність забезпечується пружиною 4, яка при будь-яких тисках а корпусі сильфона забезпечує контакт штовхача та важелю 7.

Супротив переміщенню штовхача вгору визначається початковим напруженням пружини 8. Це напруження є задаючим та залежить від положення гвинта задатчика 14. Після початку руху важеля його ліва кінцівка входить в контакт з верхньою частиною вилки 6. До сил діючих на важель 7 додається сила, що розтягує пружину 9. Ця сила визначає значення зони повернення (диференціалу) реле. Початковий натяг пружини «диференціалу» визначається положенням гвинта 10 налаштування зони повернення.

Рух важеля 7 передається на його вертикальну частину 22, яка при підвищенні тиску рухається за часовою стрілкою (вправо), при цьому вона діє на важель 21, який також переміщується вправо.

Кріплення верхньої кінцівки пружини 20 (з’єднання а) рухається відносно центру с, переміщуючись вправо. Доки вісь пружини 20 знаходиться лівіше поводка 23, сила натягу пружини створює момент, який відхиляє важель з рухомою частиною контакта 18 вправо. При положенні пружини відповідаючому паралельності її осі поводку 23, сила натяжіння створює момент, що повертає контактний важель вліво. Контактний важель змінює своє положення. При цьому контакт 17-18 замкнеться, а контакт 18-19 розімкнеться.

Для налаштування тиску розімкнення використовується шкала 13 з вказівником 15, який пов'язаний з «задатчиком». Шкала 13 з вказівником 11 дозволяє налаштувати зону повернення.

Під час налаштування реле тиску цього типу слід враховувати те, що значення тиску, при якому відбувається розмикання контактів 17-18 залежить тільки від натягу пружини 8, в той час як різниця між тисками замкнення та розімкнення визначається натягом пружини 9.

Схема реле високого тиску наведена на рисунку 6.4.

Рис. 6.4 – Реле високого тиску

Реле складається з тих самих елементів, що і реле низького тиску.

Відмінність міститься у відсутності додаткової пружини сильфону, тому ще реле працює тільки в зоні тисків, що значно перевищують атмосферний. Окрім цього пружина зони повернення 9 інакше зєднана з важелем 6, це обумовлено тим, що замкнення контактів відбувається при зниженні тиску на значення відповідає зоні повернення.

З підвищенням тиску в корпусі сильфону 2 контакти 17-18 розмикаються, а 18-19 замикаються. Налаштування реле по шкалі 13 відповідає значенню тиску прямого спрацювання. В іншому принцип і послідовність роботи реле високого тиску ідентичні роботі реле низького тиску.

Достатньо часто в системах захисту малих та середніх хладонових компресорів використовуються подвоєні реле тиску, які виконують функції як реле низького, так і високого тиску. Принципова схема подвоєного реле наведена на рисунку 6.5.

Рис. 6.5 – Подвоєне реле

Низький тиск подається до корпусу 1 сильфону і діє на сильфон низького тиску 2. При зниженні тиску змінюється сила впливу штовхача 3 на важель 22. Важель своєю частиною 21 діє на перемикач 12 таким чином, що при зниженні тиску контакти розмикаються. Призначення та принцип дії важеля 4 з пружиною 5 та задатчиком зони повернення 6, а також пружини 9 та задатчика 10, відповідають призначенню цих елементів в одинарних реле тиску.

Високий тиск подається до сильфону 20 скрізь порожнину в корпусі 19.

Механічна частина складається з штовхача 18 та двоплечевого важеля 17. На горизонтальне плече важеля діє сила натягу пружини 16, визначена положенням задатчика 14.

Підвищення тиску викликає переміщення важеля 17 проти часової стрілки, при цьому своїм лівим кінцем він натискає на важель 21. Переважуючи опір пружини 11, важель 17 відводить важель 21 від перемикача, що супроводжується розмиканням контактів.

Реле має три шкали: 8 – розмикання контактів при зниженні низького тиску до встановленого значення; 7 – визначена зона повернення по низькому тиску; 15 – розмикання контактів з умови досягнення високим тиском визначеної межі. Зона повернення за високим тиском в таких реле встановлюється при первинному налаштуванні під час монтажу.

Для контролю функціювання системи мащення хладонових поршньових компресорів, конструкція яких передбачає наявність вбудованого мастильного насосу, використовують реле різниці тисків яке ще називають «реле контролю мащення». Принципова схема такого реле наведена на рисунку 6.6.

Рис. 6.6 – Принципова схема реле різниці тисків

Реле складається з таких самих елементів, як і звичайні реле тисків. Тиски, шо контролюються (наприклад, тиск нагнітання мастильного насосу компресора Р₂ і тиск в картері компресора, що відповідає тиску всмоктування) підводяться до коробок сильфонів 2 і 9, в яких розташовані сильфони 1 і 8. Сильфони з’єднані штоком 7 та трансформують сумарне зусилля на важель 16 за допомогою прижини 3 та штовхача 17. Зверху на важель 16 діє зусилля від задаючої пружини 10, напруження якої може змінюватися задатчиком 6. При зростанні різниці тисків, що свідчить про нормальну роботу мастильного насосу, важель повертається за годинною стрілкою. Плече 11 за допомогою важелю 12 діє на перемикач, який складається з пружини 13, повідка 14 і контактного важелю 15. Робота перемикача не відрізняється від роботи перемикача реле низького тиску.

Налаштування різниці тисків спрацювання здійснюється за допомогою шкали 4 з вказівником 5. Реле різниці тисків зазвичай не мають можливості налаштування зони повернення, значення якої визначені характеристиками механізма та перемикача.

Застосовуються реле різниці тиску, до складу яких включені реле часу з кнопкою возврату та перевірки. Наявність реле часу дозволяє автоматично пускати компресор. У випадку, якщо до спрацювання реле часу тиск в системі мащення не досягне заданного значення, ланцюг керування розімкнеться і компресор буде зупинено.

Реле температури, що використовуються в системах захисту за принципом своєї дії та устрою ідентичні реле тиску. Принципова відмінність в тому, що для перетворення значення температури у відповідне значення тиску використовується манометрична термосистема.

Манометрична термосистема – це перетворювач, в якому вимірювані зміни температури послідовно перетворюються в зміни тиску, а потім в механічні переміщення. Функції чутливого елементу виконує термобалон, який приймає температуру середовища, яке контролюється. Зміна температури наповнювача термобалону супроводжується зміною тиску. Термобалон за допомогою капілярною трубки з’єднується з герметичним корпусом пружного елементу (сильфону або мембрани), на яких діє тиск, що визначений температурою (дивись принцип дії механічного ТРВ). У подальшому робота термореле повністю відповідає функціюванню реле тиску.

В деяких апаратах та судинах суднових холодильних установок наявна чітко визначена межа між рідинною та паровою фазами холодильного агенту, тобто рівень.

У таких випадках виникає необхідність у засобах, що забезпечать контроль зміни рівня і сигналізацію при досягненні ним критичного значення.

В системах автоматизації судновими холодильними установками найбільш розповсюджені поплавкові регулятора рівня, в окремих випадках можливо зустріти регулятори температурного типу.

Схема найпростішого поплавкового регулятора рівня прямої дії наведена на рисунку 6. 7.

Рис. 6.7 – Поплавковий регулятор рівня прямої дії

Регулятор призначено для видалення надлишків рідкого холодильного агенту з конденсаторів, випарників та інших апаратів.

Такий регулятор може забезпечити дроселювання холодильного агенту, розділення сторін низького та високого тиску, створення надійного гідравлічного затвору.

В поплавковій камері 10, що має з’ємну кришку 4, розміщено поплавок 9, який важелем 8 з’єднаний з противагою 5, закріпленою шпилькою 6. Важель, у свою чергу, з’єднаний віссю 7 зі штоком 3 клапану 1, що перекриває вихід з поплавкової камери. Обводна трубка 2 призначена для відводу газу (пари) і запобігає утворюванню парової порожнини. Рідина надходить до поплавкової камери по правому штуцеру і при досягненні визначеного рівня, скрізь клапан відводиться до нижньої трубки, зєднаної з дренажним трубопроводом. Переміщення поплавка викликає не тільки відкриття клапану 1, а в одночас супроводжується замкненням або разомкненням контактів, що буде супроводжуватися спрацюванням сигналізації.

Поплавкову регулятори прямої дії зазвичай мають відносно невелику пропускну спроможність (до 0,5 м³/год).

Регулятори рівня непрямої дії без використання зовнішньої енергії, які ще мають назву пілотних регуляторів рівня, могуть мати двопозиційні або плавні характеристики. Прикладом пілотного регулятора з двопозиційною характеристикою може бути регулятор типу ПРУД, схема якого наведена на рисунку 6.8.

Рис. 6.8 – Пілотний регулятор рівня з двопозиційною характеристикою:

а) принципова схема; б) устрій

Регулятор складається з датчика-пілота та виконуючого пристрою 4. Датчик має вигляд поплавкової камери, яка двома урівнювальними трубопроводами зєднана з сосудом, що контролюється. Поплавок 1 за допомогою допоміжного клапану перекриває вихід з трубки 3, яка з’єднує датчик з виконуючим пристроєм та забезпечує роботу основного клапану. Основний клапан встановлюється на лінії живлення рідким холодильним агентом, наприклад, з конденсатору до випарника або іншого сосуду. Функції дроселюючого пристрою виконує регулюючий вентиль 5, встановлений після клапану регулятора. Дроселювання в установках без різкого коливання теплового навантаження може здійснюватися скрізь діафрагму фіксованого перетину.

Устрій регулятора наведено на рисунку 6.8, б. В циліндричній поплавковій камері 3, що має кришку 7, розміщено поплавок 2 приєднаний до важелю 1. Важель має можливість обертатися навкруги осі 6. На кінці важелю знаходиться допоміжний клапан 4, що має можливість перекривати седло 5.

Вихідний клапан датчика з’єднується з трубкою 8, яка пов’язує датчик з виконуючим пристроєм.

Якщо контрольований рівень вище заданого, поплавок піднято і допоміжний клапан перекриває седло 5. Тиск під мембраною 10 виконуючого пристрою і над нею вирівнюється, в наслідок чого відбувається перетікання середовища скрізь малий отвір в узлі клапану 9. У цьому випадку основний клапан 11 притиснуто до седла 12 повним перепадом тисків в виконуючому пристрої і на виході з нього. Постачання рідини до сосуду відсутнє.

Зі зниженням рівня поплавок опускається та седло 5 починає відкриватися. Порожнина під мембраною з’єднується зі стороною низького тиску в сосуді Р_о. В цієї порожнині знижується тиск. Виникає сила, що намагається підняти основний клапан. При достатньому відкритті допоміжного клапану 4, тиск під мембраною знижається настільки, що сила розвинута мембраною та спрямована вгору, стає більше сили, яка притискає клапан 11 до седла. Клапан відходить від седла і рідина заповнює простір від регулюючого вентилю до клапану. Тиск під клапаном зростає та зусилля, що закриває клапан зникає.

З підвищенням рівня клапан знову починає закриватися. Тиски на мембрані вирівнюються. Під дією власної ваги та зворотньої пружини клапан 11 перекриває седло. В частині трубопроводу від клапану до дроселю тиск швидко знижується, наближаючись до Р_о, в наслідок цього клапан щільно притискається до седла.

2. Системи автоматичного управління судновими холодильними установками

Системи автоматичного управління суднових холодильних установок

(системи автоматизації) забезпечують їх надійне функціювання без постійного обслуговування. Особливості системи автоматизації обумовлюються типом компресору, прийнятим способом зміни холодопродуктивності, особливостями використаного випарника та конденсатора, кількістю ступенів стискування чи каскадів охолодження. Далі будуть розглянуті найбільш поширені в суднових умовах системи.

6.2.1 Система з безсальниковим компресором, водяним конденсатором та одним об’єктом охолодження

Система управління для установки такого типу може бути охарактеризована як базова та найпростіша.

Схема системи автоматизації та контролю наведена на рисунку 6.9.

Рис. 6.9 – Принципова схема системи управління холодильної установки з водяним конденсатором та одним об’єктом охолодження

Система передбачає управління, захист, вимірювання основних робочих параметрів та включення аварійного сигналу в приміщеннях, де згнаходиться обслуговуючий персонал.

До складу установки входять безсальниковий компресор К_м, випарник-повітроохолоджувая В, його вентилятор ВВ та водяний кожухотрубний конденсатор К_д.

Основним завданням установки є підтримування температури t_В в охолоджувальному об’єкті К, що забезпечується двопозиційним управлінням за способом «пуск-зупинка», відповідно сигналам реле температури РТ. Чутливим елементом реле температури є термобалон Тб₁, який розташований в охолоджувальній камері.

Установка може функціювати в ручному або автоматичному режимах. Вибір режимів здійснюється за допомогою двох ключів управління 1КУ та 2КУ, кожний з яких має три положення: «автоматичний режим», «ручне включення», «повне відключення». Ключ 1КУ визначає роботу компресора, 2КУ – роботу вентилятора повітроохолоджувача.

Управління електродвигунами компресора та вентилятора здійснюється за допомогою магнітних пускачів 1МП і 2МП. Сінхронно з компресором ціклічно працюють електромагнітні вентилі 1СВ і 2СВ.

Призначення вентиля 1СВ – перекриття надходження холодильного агенту до випарника при зупинці компресора. Вентиль 2СВ встановлюється на вході охолоджуючої води до конденсатору.

Живлення випарника рідким холодильним агентом здійснюється по значенню перегріву пари терморегулюючим вентилем ТРВ скрізь розподілювач Р. Термобалон Тб₂ терморегулюючого вентилю бажано монтувати безпосередньо в охолоджувальній камері, що зменшує вплив навколишнього середовища. До комплексу захисних пристроїв належать: реле тиску всмоктування (Р_вс) 1РД, реле тиску нагнітання (Р_н) 2РД та реле різниці тисків (ΔР_м) в системі мащення компресора РРД. Під час пуску контакти РРД повинні бути шунтовані на час необхідний для встановлення тиску в системі мащення.

Контакти реле захисту включені до електричної схеми, яка забезпечує однократне спрацювання. Умовно елементи цієї схеми мають назву «аварійного захисту» (АЗ). Для повернення схеми до робочого стану використовується кнопка К_н В.

Система АЗ керує магнітними пускачами, які вимикаються при спрацюванні будь-якого з захисних пристроїв. Ця ж схема забезпечує передачу зовнішнього сигналу «С» до місця знаходження обслуговуючого персоналу.

Для налагодження та контролю за нормальним функціюванням установки застосовані мановакуумметри 1М (тиск мастила), 2М (тиск в картері компресора) та 3М (тиск конденсації).

6.2.2 Система з повітряним конденсатором

Установки цього типу застосовуються в рефрижераторних контейнерах. Схема автоматичного управління наведена на рисунку 6.10.

До складу установки входять безсальниковий компресор К_м, випарник-повітроохолоджувач В з вентилятором ВВ, повітряний конденсатор К_д з вентилятором ВК, ресивер Р_с та регенеративний теплообмінник Т₀. Головна ціль упраління – підтримання заданої температури t_В в вантажному просторі К шляхом пусків та зупинок холодильної машини. Сигнали управління формуються електронним реле температури, датчик якого Т_м розміщено в вантажному просторі.

Процес пуску відбувається у декілька послідовних кроків.

Рис. 6.10 – Принципова схема системи управління холодильною установкою з повітряним конденсатором

Безпосередньо перед пуском компресора спрацьовує електромагнітний вентиль 2СВ байпасу, після цього пускається компресор, після проходження заданого часу зачиняється байпас. Задана послідовність операцій забезпечується схемою автоматичного управління АУ. Тривалість окремих етапів задається програмним реле часу ПРЧ. Живлення випарника регулюється за допомогою ТРВ, термобалон якого Тб розташовано безпосередньо на виході холодильного агенту з випарника. На час зупинки компресора живлення випарника холодильним агентом припиняється закриттям соленоїдного вентиля 1СВ.

Захисні функції виконують реле тиску 1РД та 2РД і реле контролю мащення РРД.

Назовні передаються сигнали аварійної зупинки Б та нормального функціювання В. Передбачено дистанційне вимірювання температури ТС з передачею значень на дистанційний щит.

Обмеження вживаної потужності та полегшення пускових режимів забезпечуються автоматичним байпасом 2СВ зі зворотнім клапаном ОК та регулятором тиску всмоктування Р₂Д. Регулятор обмежує вживану потужність запобігаючи підвищення тиску всмоктування вище заданого значення.

6.2.3 Система з декількома об’єктами охолодження

Установка з декількома об’єктами охолодження є типовою при охолодженні суднових провізійних камер. В камерах, що підключені до однієї холодильної машини, повинні підтримуватися різні температури.

Схема автоматичного управління трьохкамерною установкою, яка є найбільш поширеною, в якості установки охолодження провізійних камер транспортних суден, наведена на рисунку 6.11.

Рис. 6.11 – Принципова схема системи управління треьохкамерною холодильною установкою

Кожна камера обладнана випарником-повітроохолоджувачем (1В, 2В, 3В), двигуни вентиляторів яких керуються відповідними магнітними пускачами (1МП, 2МП, 3МП). До установки також входять безсальниковий компресор К_м, водяний кожухотрубний конденсатор К_д і ресивер Р_с.

В камері 1 пітримується температура, яка потрібна для зберігання заморожених харчових продуктів (приблизно -15⁰С), а в камерах 2 та 3 плюсові температури (+4⁰С та +5⁰С відповідно). При цьому, бажано, витримати умову, щоб температура випарювання холодильного агенту у випарниках 2В та 3В не була нижчою за -3⁰С.

Підтримання необхідної температури в камерах здійснюється шляхом включення та відключення відповідного випарника. В залежності від вимог до технології зберігання включення та відключення випарника може здійснюватись припиненням надходження холодильного агенту з одночасною зупинкою вентилятора або з безперервною роботою останього. Обрання режиму роботи здійснюють за допомогою ключів (1КУ, 2КУ, 3КУ). Автоматичне управління здійснюють реле температури 1РТ, 2РТ і 3РТ, чутливі елементи яких розміщені в камерах. Живлення випарників рідким холодильним агентом здійснюється терморегулюючими вентилями 1ТРВ, 2ТРВ і 3ТРВ, скрізь електромагнітні вентилі 1СВ, 2СВ і 3СВ.

Для пітримання потрібної температури випарювання холодильного агенту у випарниках 2В та 3В на вихідній лінії пари з них встановлено регулятор тиску випарювання «до себе» 1Р_гТ. Випарник камери 1, в якій забезпечується більш низька температура, підключено до всмоктуючої сторони компресора безпосередньо з використанням зворотнього клапану 1ОК. Призначення зворотніх клапанів – це запобігання перетіканню холодильного агенту та його конденсації в найбільш холодному випарнику під час зупинки компресора.

Управління роботою компресора здійснюється за командами регулюючих камерних реле температури. Сигнали від камерних реле передаються до пускача МП за допомогою блоку автоматичного управління АУ.

В процесі функціювання при виключенні однієї або двох камер тиск всмоктування може знизитися, що негативно впливає на режим функціювання камери, до випарника якої надходить холодильний агент, та безпосередньо компресора.

Для запобігання цього явища застосовується байпасний регулятор тиску всмоктування (дросельний регулятор тиску «після себе») 2Р_гТ, який при зниженні тиску перепускає частину пари з ресиверу Р_с на всмоктуючу сторону компресора. За допомогою ключа КУ компресор може бути включений на автоматичну роботу (А), пущений вручну (П) або відключений (О).

До складу системи автоматичного захисту входять: реле тиску 1РТ та 2РТ, реле контролю системи мащення РРТ, блок системи захисту АЗ з кнопкою повернення до працездатного стану К_нВ.

Система сигналізації включає світлові сигнали 1Л, 2Л та 3Л, інформуючи про причину зупинки та загальний світловий аварійний сигнал 4Л. Передбачений також звуковий сигнал Зв аварійної зупинки компресору.

6.2.4 Система з холодоносієм та кожухотрубним випарником

В установках з хладоносієм може бути використані: розчин NаСl, КСl, етиленгліколь або вода (з умови технологічних температур вище 0⁰С), які застосовуються в системах комфортного кондиціювання повітря пасажирських суден та суден з великою чисельністю членів екіпажу, а також суден рибопромислового флоту для забезпечення технологічних процесів переробки та збереження продукції. Схема автоматичного управління такою установкою наведена на рисунку 6.12.

Рис. 6.12 – Принципова схема системи управління з холодоносієм та компресором регульованої холодопродуктивності

До складу холодильної машини включено компресор регульованої холодопродуктивності К_м з двигуном Д, випарник кожухотрубного типу В з кипінням холодильного агенту у трубках та кожухотрубний конденсатор К_д. Компресор обладнано вбудованими пристроями для зміни холодопродуктивності. Система управління може забезпечувати 100, 75, та 25 відсотків холодопродуктивності.

Основне завдання управління – підтримання заданої температури холодоносія, вирішується ступеневою зміною холодопродуктивності компресора при спрацюванні реле температури 2Рt. Датчик цього реле Т_м може бути розташований на вході холодоносія до випарника або на виході холодоносія, чи в спеціальному змішувальному баці, який не включений до складу холодильної машини. Трипозиційне електронне реле температури може видавати сигнали «Нижче», «Норма» та «Вище».

Сигнал «Нижче» інформує, що температура досягла найнижчого можливого значення, що потребує зменшення холодопродуктивності. Сигнал «Норма» свідчить про відповідність холодопродуктивності потребам. При сигналі «Вище» холодопродуктивність машини потребує збільшення. Сигнали від реле температури надходять до схеми перетворення П_р, яка змінює холодопродуктивність компресора. З метою забезпечення нормального функціювання системи живлення випарника він поділений на дві самостійних секції, кожна з яких живиться скрізь окремий терморегулюючий вентиль 1ТРВ та 2ТРВ. Якщо холодильна машина працює на степенях 100 та 75% продуктивності, то підключені обидві секції, електромагнітні вентилі 1СВ та 2СВ відкриті. При зміні режиму на холодопродуктивність 50 та 25% один з соленоїдних вентилів (1СВ або 2СВ) перекривається та відключає одну з секцій.

Роботою компресора керує магнітний пускач МП. Трипозиційний ключ КУ дозволяє працювати в автоматичному чи ручному режимах або відключити холодильну машину. В автоматичному режимі, при зниженні теплового навантаження нижче 15% від номінального, компресор переходить до циклічної роботи.

Система аварійного захисту побудована звичайним чином та включає реле температури 1РТ, реле тиску 1РД і 2РДТ та реле різниці тисків РРД. Призначення реле температури 1РТ - захист від заморожування холодоносія. Реле захисту включені в схему АЗ, що забезпечує одноразову дію захисту та відключення компресору. Кнопка К_нВ використовується для вводу схеми в роботу.

Робочі параметри контролюються по показанням манометрів 1М, 2М і 3М.

Для дистанційного оповіщення при аварійному відключенні установки до зовнішніх ланцюгів надходить сигнал В_нС.

6.2.5 Схема управління агрегату з гвинтовим компресором

Автоматизовані агрегати з гвинтовими компресорами входять до складу холодильних установок різноманітного призначення. У звязку з різноманіттям установок цього типу питання комплектування систем управління зазвичай вирішуються безпосередньо під час проектування або в заводських умовах під час виготовлення машини.

Схеми управління конденсаторів та випарників таких агрегатів аналогічні схемам установок, що розглянуті вище. Схема для гвинтового мотор-компресорного агрегату наведена на рисунку 6.13.

До складу агрегату включено гвинтовий компресор К_м з електродвигуном Д, два масловідділювача 1МО та 2МО, водяний охолоджувач масла Охл. Якщо компресор не має вбудованого масляного насосу, до схеми включається окремий насос Н з електродвигуном.

Рис. 6.13 – Принципова схема системи управління мотор-компресорного агрегату

Система упрвління здійснює автоматичну зміну холодопродуктивності, захист агрегату від небезпечних режимів, також контроль та регулювання в контурі циркуляції масла. Пуск та зупинка агрегату здійснюються вручну при автоматичному блокуванні за обраними параметрами.

Під час роботи агрегату пара всмоктується з випарної системи по лінії І, стискається в компресорі і в стані суміші з маслом надходить до масловідділювача 1МО, в якому забезпечується первинне відділення масла від пари холодильного агенту, далі пара проходить скрізь масловідділювач 2МО, залишки масла відділяються і пара спрямовується до конденсатора.

На всмоктуючий лінії встановлено зворотній клапан ОК, що перешкоджає перетіканню холодильного агента з конденсатору до випарної системи під час зупинки компресора. Масло з відділювача 1МО забирає насос Н та спрямовує його до водяного охолоджувача Охл. Після цього потік масла поділяється, одна частина по лінії V спрямовується безпосередньо до порожнини компресора, інша – до розподілювача Р. У розподілювачі забезпечується розділення на дві частини: по лінії ІІІ мастило надходить до вхідного підшипника, а по лінії ІV – до вихідного.

Пуск агрегату починається включенням масляного насосу кнопкою 2КП. При цьому спрацьовує пускач 2П і включається двигун насосу. Якщо мастильна система не має ушкоджень, через деякий час тиск масла підвищується і захисне реле РРТ замикає контакти. Окрім того, потрібно включити водяний насос, про що свідчать відповідні сигнали, що надходять до системи автоматичного управління АУ.

Якщо всі захисні реле фіксують нормальні значення параметрів, що контролюються і немає заперечень з ланцюга загального захисту ОЗ, натисканням кнопки КВЗ схема автоматичного захисту АЗ стає до робочого стану. Однак, пуск агрегату стає можливим тільки з умови, якщо температура масла не нижче припустимого значення. Цю блокировку здійснює реле температури 3РТ, чутливий елемент якого встановлено на лінії після мастильного насосу.

При виконанні всіх умов вмикається сигнальна лампа 6Л «пуск дозволено». Натисканням кнопки 1КП вмикається пускач П та надається живлення на двигун Д. Про введення компресора до роботи свідчить надходження сигналу Б на головний щит управління.

Зміна холодопродуктивності здійснюється вбудованим золотниковим пристроєм, який переміщується віиконавчим механізмом ВМ.

Зміна холодопродуктивності може здійснюватися відповідно до значень температур холодоносія або кипіння холодильного агенту. Замість температури, зазвичай, регулюють тиск кипіння.

Регулюючий пристрій РгД контролює тиск всмоктування та за допомогою ключів управління 1КУ і 2КУ та реверсивного пускача ЗП керує роботою виконавчого механізму ВМ.

Ключ 1КУ призначено для обрання режиму функціювання регулятора: у положенні А виконуючим механізмом керує пристрій РгД; у положенні Р – управління здійснюється вручну за допомогою ключа 2КУ; у положенні О регулятор вимкнено. Ключ 2КУ має два положення: відкрито і замкнено.

Під час роботи регулятора здійснюється дистанційна індикація положення золотникового пристрою за допомогою прибору УП, шкала якого відградуйована відповідно до ступеню. Відкриття (0÷100%). Окрім того виконавчий механізм ВМ має сигнальний контакт, замикання якого інформує про досягнення мінімальної продуктивності (зазвичай 10%), про що інформує лампа 7Л на головному щиту управління.

Регулювання циркуляції в контурі мащення здійснюється трьома регуляторами прямої дії.

Регулятор різниці тисків РгРД контролює різницю ΔРм між тиском нагнітання і тиском масла.

Регуляторо рівня РгУ забезпечує автоматичне повернення масла, що видалено з холодильного агенту у відділювачі 2МО до компресора.

Регулятор температури РгТ забезпечує підтримання температури масла, що надходить до компресора, в оптимальних межах.

Система автоматичного захисту САЗ складається з пристроїв захисту та схеми захисту АЗ.

Реле низького тиску 1РД запобігає роботі компресора при надмірно низьких тисках всмоктування.

Реле високого тиску 2РД запобігає неприпустимому підвищенню тиску нагнітання та порушенням в роботі конденсатора.

Реле різниці тисків РРД контролює функціювання системи мащення та захищає компресор у випадках порушень роботи насосу.

Реле температури 1РТ захищає компресор у випадку неприпустимого підвищення температури нагнітання.

Реле температури 2РТ захищає частини тертя від перегріву, фіксуючи температуру масла на виході з масловідділювача 1МО.

Контакти захисних реле включені до схеми АЗ, виконану за принципом одноразової дії. При спрацюванні будь-якого з захисних реле схема АЗ надсилає сигнал аварійної зупинки в схему АУ, яка зупиняє компресор. При цьому вмикається відповідна сигналізуюча лампа (1Л-5Л), уточнюючи причину зупинки.

Нагляд за роботою агрегату здійснюється за допомогою вимірюючих пристроїв. Тиск в системі мащення, на всмоктувальних та нагнітальних сторонах компресору визначають по манометрах 1М, 2М і 3М. Для вимірювання температур застосовується логометр Л з перемикачем П, до якого підключені датчики, які контролюють температуру пари, яка нагнітається компресором (1ТС) та масла, що подається до компресору (2ТС).

Питання для самоконтролю

1. Яке призначення автоматизованих систем управління судновими холодильними установками?

2. Які елементи можуть складати систему автоматичного управління?

3. Які варіанти систем автоматичного захисту застосовуються в суднових холодильних установках?

4. Призначення систем аварійного захисту.

5. Принциповий устрій та призначення реле низького тиску.

6. Принциповий устрій та призначення реле високого тиску.

7. Принциповий устрій та призначення реле різниці тисків.

8. Основні функції системи управління однооб’єктною холодильною установкою.

9. Основні функції системи управління багатооб’єктною холодильною установкою.

10. Основні функції системи управління холодильною установкою, в якій використовуються холодоносії.

11. Основні функції системи управління гвинтовим мотор-компресорним агрегатом.

СПИСОК РЕКОМЕНДОВАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

1. Голіков В.А., Козьминих М.А., Онищенко О.А. Автоматизация суднових холодильних установок. –Одеса: ОНМА, 2015. -88 с.

2. Загоруйко В.А., Голіков О.А. Суднова холодильная техника. –Киев: «Наукова думка», 2000. -607 с.

3. Прохоренков А.М. Автоматизация судовых холодильых установок. –М.: Моркнига, 2012. – 288 с.

4. Ужанский В.С. Автоматизация холодильных машин и установок. –М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982. -304 с.

5. Синєглазов В.М., Сергеєв І.Ю. Автоматизація технологічних процесів. –Київ: «Наукова думка», 2015. -341 с.

6. Полевой А.А. Автоматизация холодильных установок и систем кондиционирования воздуха. –Київ: «Професія», 2013. -256 с.

7. Трегуб В.Г. Автоматизація об’єктів періодичної дії. –Кіїв: «Ліра-К», 2017. -136 с.