מערכות שחרור לחץ וזיהוי תקלות שנאי

​​​​​​​

 

1. הקדמה

 

בשנאים טבולים-בשמן, שינויי לחץ פנימיים הם חלק נורמלי מהפעולה. כאשר שמן שנאי מתחמם ומתקרר במהלך מחזורי טעינה, חלל הגז האטום בתוך המיכל מתרחב ומתכווץ, מה שגורם לתנודות לחץ הדרגתיות בתוך מתחם השנאי. בתנאי הפעלה רגילים, שינויי לחץ אלו מתרחשים באיטיות וקשורים בעיקר לשונות טמפרטורת הסביבה ולטעינת השנאים.

עם זאת, תקלות חשמליות פנימיות יוצרות התנהגות לחץ שונה לחלוטין. אירועים כמו כשלים בפיתול או קשתות פנימיות עלולים לפרק במהירות שמן בידוד לגז, וליצור גל לחץ פתאומי בתוך המיכל. מכיוון שעליות הלחץ שנוצרות- אלו מתרחשות בתוך אלפיות שניות, שנאים דורשים לא רק התקני שחרור לחץ, אלא גם מערכות ייעודיות לזיהוי תקלות המסוגלות לזהות התנהגות לחץ חריגה לפני שמתרחש כשל קטסטרופלי במיכל.

מסיבה זו, מערכות הגנת שנאים מודרניות מחולקות בדרך כלל לשתי קטגוריות עיקריות:

• מערכות שחרור לחץ
• מערכות איתור תקלות

פילוסופיית הגנה שכבות זו באה לידי ביטוי נרחב בתקני IEEE C57 ובנוהלי תכנון שנאים של IEC 60076.

 

2. הקלת לחץ לעומת איתור תקלות

 

למרות שהמונחים "הקלה בלחץ" ו"זיהוי תקלות" משמשים לעתים לסירוגין בתעשיית השנאים, הם ממלאים תפקידים שונים מהותית.

התקן שחרור לחץ שנאי נועד לשחרר פיזית לחץ מיכל יתר על מנת למנוע עיוות מכני או קרע של מיכל השנאי. התקנים אלה מגיבים בעיקר לעוצמת הלחץ ומהווים את הבסיס למערכות הגנת לחץ שנאי.

מכשירים לזיהוי תקלות, לעומת זאת, עוקבים אחר המהירות או המאפיינים של שינוי הלחץ הקשורים לתקלות חשמליות פנימיות. במקום לשחרר לחץ, הם יוצרים אותות אזעקה או יציאה כדי לבודד את השנאי ממערכת החשמל.

הבחנה זו הופכת חשובה יותר ככל שגודל השנאי ורמת אנרגיית התקלה עולים.

 

טבלה 1 – ההבדל בין הקלה בלחץ לזיהוי תקלות

3. מכשירי שחרור לחץ שנאי

 

3.1 שסתום שחרור לחץ (PRV)​​​​​​​

שסתום שחרור הלחץ נועד להגן על מיכל השנאי מפני לחץ מוגזם בפנים. ברגע שהלחץ במיכל יגיע ללחץ השחרור, השסתום ייפתח אוטומטית לשחרור הגז עד שהלחץ יירד ללחץ הבטוח. בנוסף, בכל פעם שנדרש, משתמשים רשאים להפעיל ידנית את שסתום שחרור הלחץ ביישומי שנאים על ידי משיכת טבעת ההפעלה כדי להפחית את הלחץ הפנימי.

לפי תרגול IEEE, לחץ הפיצוח הטיפוסי עבור עיצוב שנאי PRV הוא כ-10 PSIG ±2 PSIG, בעוד שיישומי CSA משתמשים לרוב בהגדרות לחץ נמוכות יותר. לאחר שחרור הלחץ, שסתום שחרור הלחץ במערכות שנאים נסגר מחדש באופן אוטומטי כדי לשמור על שלמות מיכל השנאי.

 

בשל הבנייה הפשוטה והפעולה האמינה שלו, PRV נמצא בשימוש נרחב ב:

• שנאים-מוצבים בעמוד
• שנאים-מותקנים במשטח
• שנאי הפצה-טבולים בשמן
• תחנות משנה קטנות

 

בהשוואה למערכות PRD גדולות יותר, PRVs מועדפים בדרך כלל עבור שנאי kVA נמוך יותר שבהם עליית הלחץ מתונה יחסית וניתנת לחיזוי. ביישומי שנאי הפצה רבים, שסתום ה-PRV במיכלי שנאים נשאר הצורה הנפוצה ביותר של הגנת לחץ מכני בסיסי.

3.2 התקן לשחרור לחץ (PRD)

התקני שחרור לחץ (PRDs) משרתים בעצם אותה מטרה כמו שסתומי שחרור לחץ (PRVs): הם מגנים על מיכל השנאי מפני לחץ פנימי מוגזם. עם זאת, בפועל, PRDs מקושרים יותר עם דירוגי כוח גדולים יותר. בדרך כלל אינך רואה PRD מותקן על שנאים מתחת לכ-1,500 קילוואט, אם כי אין שום דבר רע מבחינה טכנית בשימוש באחד ביחידות קטנות יותר אם היישום דורש זאת.

רוב ה-PRDs מותקנים בחלק העליון של מיכל השנאי, שם ניתן לשחרר גז פנימי או הצטברות לחץ במהירות בזמן תקלה.

הטרמינולוגיה יכולה להיות מבלבלת מכיוון ש"מכשיר לשחרור לחץ" משמש לעתים קרובות כמונח תעשייתי כללי הן ל-PRVs והן ל-PRDs. ברוב המקרים, נעשה שימוש ב-PRV בשנאי הפצה קטנים יותר, בעוד ש-PRD נפוצים יותר ביחידות גדולות יותר או ביישומים הדורשים תגובת לחץ מהירה יותר ואינדיקטור תקלות.

התקן שחרור לחץ שנאי מבצע את אותה פונקציה בסיסית כמו PRV - המשחרר לחץ פנימי מופרז - אך מתוכנן בדרך כלל עם יכולת זרימה גבוהה יותר, זמן תגובה מהיר, ביצועי איטום מחדש אמינים ופונקציות אזעקה או ניטור אופציונליות. עיצובי PRD מתקדמים מספקים לחץ פתיחה מדויק, זמן פעולה קצר, ביצועים חיצוניים אמינים לטווח ארוך- ואיטום יעיל מפני לחות, אבק ואוויר, עוזרים לשמור על לחץ מיכל חיובי ולשפר את אמינות הפעולה של השנאי.

 

יתרון מרכזי אחד של PRDs-מותקנים בכיסוי הוא יכולת הניטור. מכלולים רבים של מכשירי הקלת לחץ שנאים כוללים:

• סמפורות חזותיות או מחווני פעולה
• אנשי קשר אזעקה מרחוק
• יציאות ניטור תואמות-SCADA

 

זה הופך את ה-PRD למתאימים במיוחד עבור תחנות משנה ומערכות חשמל תעשייתיות בהן נדרש ניטור מרחוק.

PRDs מיושמים בדרך כלל ב:

• שנאי תחנות משנה יחידה
• שנאי כוח בינוני
• שנאי כוח גדולים
• שנאים של תחנות משנה שירות

 

עבור יישומי שירות גדולים יותר, המהנדסים בוחרים לעתים קרובות בסידור שנאי של התקן שחרור לחץ במקום PRV קטן יותר בגלל אנרגיית תקלות פנימית ונפח שמן גבוהים יותר.

3.3 פריצת דיסק

תקליטורי פריצה משמשים בדרך כלל כהתקני שחרור לחץ חירום אולטימטיביים ביישומי שנאי-באנרגיה גבוהה.

בניגוד ל-PRVs או PRDs סטנדרטיים, דיסקי פריצה הם התקנים לא-ניתנים לאיפוס שנועדו להתפוצץ באופן מיידי כאשר הלחץ הפנימי מגיע לגבול קריטי. המטרה העיקרית שלהם היא לספק אוורור מהיר של שטח מלא- במהלך אירועי תקלות פנימיות קטסטרופליות.

 

מכיוון שדיסקי פריצה חייבים להיות מוחלפים לאחר הניתוח, הם בדרך כלל שמורים ל:

• שנאי כוח גדולים
• שנאי תנור
• שנאי מתיחה
• מערכות תעשייתיות ברמת-תקלות גבוהה

בפרקטיקה ההנדסית, דיסקיות פריצה מייצגות את הרמה הגבוהה ביותר של הגנת לחץ מכני.

4. התקני איתור תקלות שנאי

 

4.1 גלאי תקלות פנימי (IFD)

גלאי תקלות פנימיים (IFDs) נמצאים בשימוש נרחב בשנאים-מוצבים על מוטות ורפידים-כאמצעי בטיחות בשטח פשוט אך יעיל ביותר.

IFD מזהה עליית לחץ פנימית פתאומית הנגרמת על ידי תקלות קשתות בתוך מיכל השנאי. כאשר הוא מופעל, מחוון חזותי בצבע עז קופץ החוצה, המאפשר לצוותי השירות לזהות מיד שהשנאי חווה תקלה פנימית ואין להפעיל אותו מחדש.-

 

יתרון מרכזי אחד של מערכות IFD מודרניות הוא שתכנונים רבים משלבים PRV סטנדרטי תואם IEEE או CSA במכלולי שנאים לאותו התקן, תוך שילוב:

• הפגת לחץ
• חיווי תקלה

למבנה קומפקטי אחד.

 

IFDs משמשים בדרך כלל ב:

• שנאים-חד פאזיים המוצבים בעמוד-
• שנאים תלת-פאזיים-מוטבים
• שנאים-מותקנים במשטח
• שנאי תחנות משנה קטנות

בהשוואה למערכות SPR, IFDs פשוטים יותר, חסכוניים יותר ומתאימים במיוחד ליישומים ברמת הפצה.-

4.2 ממסר לחץ פתאומי (SPR / RPR)

 

מערכות אלו משמשות בדרך כלל ב:

• שנאי כוח בינוני
• שנאי כוח גדולים
• שנאים מיישרים
• שנאי תנור
• שנאי מתיחה

 

בהשוואה ל-IFDs, מערכות הגנת ממסר עליית לחץ מהירה מספקות אינטגרציה חשמלית מהירה יותר ומתאימות יותר ליישומי שירות ותעשייתיים קריטיים.

4.3 ממסר בוכהולץ

ממסר בוכהולץ הוא מכשיר לזיהוי תקלות- ו- ונפט המופעל-והתקן לזיהוי תקלות המשמש בשנאים מסוג קונסרטור-.

בניגוד למערכות SPR ו-IFD, המגיבות בעיקר לשינויי לחץ, ממסרי בוכהולץ מזהים תקלות פנימיות באמצעות:

• הצטברות גז
• תנועת גל שמן

 

הממסר פועל בדרך כלל בשני שלבים:

• אזעקה לתקלות מתחילות
• נסיעה לתקלות פנימיות חמורות

 

ממסרי Buchholz נמצאים בשימוש נרחב ב:

• תחנות משנה של יחידות מסוג-שמר
• שנאי כוח בינוני
• שנאי כוח גדולים

 

בגלל יכולתם לזהות תקלות בידוד המתפתחות באיטיות, ממסרי Buchholz נותרו אחד מההתקנים החשובים ביותר לזיהוי תקלות בשנאים גדולים מלאי שמן-.

 

5​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​. היררכיית הגנה בהנדסה

 

ביישומי שנאים אמיתיים, התקנים אלה אינם נמצאים בשימוש שווה בכל מחלקות השנאים. במקום זאת, מערכות ההגנה נעשות מתקדמות יותר ויותר ככל שגודל השנאי ואנרגיית התקלה גדלים.

 

טבלה 2 - יישום התקן הגנה טיפוסי לפי מחלקת שנאי

תצורה שכבתית זו משקפת את העיקרון ההנדסי לפיו הגנת שנאים מתפתחת מהורדת לחץ מכני בסיסית למערכות משולבות להגנה מפני תקלות מכניות וחשמליות.

6. מסקנה

 

תכנון בטיחות שנאים מודרני מבוסס על תיאום של מערכות שחרור לחץ וזיהוי תקלות במקום הסתמכות על מכשיר בודד.

PRVs ו-PRDs מספקים הקלת לחץ מכאנית מבוקרת במהלך תנאי הפעלה רגילים וחריגים. דיסקי פריצה מספקים הגנה אולטימטיבית לשעת חירום במהלך תקלות קטסטרופליות. IFDs ומערכות ממסר לחץ פתאומי מזהים עליית לחץ פתאומית הנגרמת על ידי תקלות חשמליות פנימיות, בעוד שממסרי Buchholz עוקבים אחר ייצור גז ותנועת שמן הקשורים להתפתחות כשלים בבידוד.

ביחד, התקנים אלה יוצרים ארכיטקטורת הגנה מרובה-שכבת שנאים שמשפרת את המהימנות התפעולית, את בטיחות הצוות ואת יכולת בידוד התקלות במערכות חלוקה, תעשייתיות ומערכות חשמל.