安全保护系统是实现溴化锂机组自动化的必要部分,也是安全可靠运行的必要保障。它的主要功能是在系统出现异常工作状态时,能够及时发出预报或警告,并能视情形恶化的程度,采取相应的保护措施,防止事故发生。此外,还可进行安全性监视等工作。

溴化锂吸收式制冷机组的安全保护故障按故障发生的程度可划分为两种：一种为重故障保护；另一种为轻故障保护。重故障保护是针对机组设备发生的异常情况而采取的保护措施。这种情况下,系统故障发生,导致安全保护装置动作后必须检测设备,查出机组异常工作的原因,待排除故障后,再通过人工起动才能使机组恢复正常运行。

例如冷媒水流量过小(或断水)、高压发生器溶液温度过高、高压发生器压力过高、屏蔽泵过载、冷却水断水、冷却水低温等均属于重故障保护。轻故障保护是针对机组偏离正常工况而采取的一种保护措施。

通常,机组自动控制系统能够根据异常情况采取相应措施。使运行参数从异常恢复到正常,并使机组自动重新起动运行。例如冷媒水低温、冷剂水低温和溶晶管高温等均属于轻故障保护。

1.机组安全保护系统的设定范围

以双效机组为例,溴化锂双效制冷机组主要包括高压发生器、低压发生器、吸收器、蒸发器、冷凝器及屏蔽泵等。安全保护系统深入到各个部件中,根据各部件自身的特点采取一系列保护措施。

(1)蒸发器

蒸发器是机组制取冷量并输出冷量的设备。由于制冷机组使用水作为载冷剂,因此就要充分考虑水的结冰给机组带来的危害。通常机组处于正常工况运行时,载冷剂所带走的冷量必须与机组的制冷量相匹配,才能维持蒸发器内的温度和冷媒水的温度保持稳定。一旦载冷剂所带走的冷量小于机组的制冷量,冷媒水的温度就会逐渐降低。当降低到水的冰点温度时,就会产生冻结现象而导致蒸发器管子破裂。严重时会使蒸发器中的管子大量破损,造成重大事故。

导致这种现象发生主要有以下两个原因：一个是由于外界热负荷远远小于机组的制冷量,热源来不及调节而导致冷媒水温度下降；另一个是由于设备故障而导致冷媒水温度的下降,如冷媒水泵突然发生故障或冷媒水系统中管道阀门未打开,以及管道中杂质过多堵塞过滤装置,使冷媒水的流量降至额定值的50%以下等。

针对上述两种情况,通常所采用的保护措施如下：

1)在冷剂水或冷媒水管道上安装温控器。这种温控器是一种具有单边差动的双位控制器。该控制器参数设定值包括设定给定值和设定差动值。当冷剂水或冷媒水温度低于设定给定值时,温控器动作,启动报警信号,同时工作热源被切断,机组转入稀释运行状态。当冷媒水水温回升至高于设定给定值与设定差动值的和后,机组重新投入正常运行。一般冷剂水报警温度的设定给定值为2～3℃,设定差动值为1～2℃；冷媒水报警温度设定给定值为3～4℃,设定差动值为1～2℃。

2)在冷媒水管道上安装流量控制器,当冷媒水流量低于额定流量的50%时,流量控制器动作,报警信息启动,机组停止运行。待冷媒水系统故障排除后,流量恢复到额定流量的65%以上时,机组才可以重新起动。通常所用的流量控制器包括靶式流量控制器等。另外由于管道中的流量变化,与泵两端的压差变化密切相关,流量增大时,泵压差也增大；流量减小时,泵压差也减小。因此,也可用冷媒水泵两端的压差发信,采用压差控制器进行控制。这时,设定的压差值为上述设定流量所对应的泵压差值。

(2)高压发生器

高压发生器是机组溶液循环时温度和压力最高的部位。这里突出的安全保护是指溴化锂溶液的防结晶和恒液位等问题。通常在机组运行过程中,溴化锂溶液温度过低或质量分数过高,都会产生结晶现象,而结晶现象的产生会使机组的循环产生障碍,无法正常工作。

在高压发生器中,温度越高,溶液质量分数也越高,因此要合理控制溶液温度。限制高压发生器中溶液的最高温度,是保证溶液质量分数低于结晶范围的前提。

防止结晶所采取的安全保护措施是,在高压发生器浓溶液的出口管道上安装温控器,进行高压发生器溶液超温保护。当高压发生器溶液温度高于设定值时,温控器触点动作,报警信号启动,同时关闭加热源,机组进入稀释运行状态。待机组故障排除后,才能重新起动运行。通常,高压发生器浓溶液出口设定温度为160～170℃。

此外,高压发生器的液位必须被控制在某个范围内,因而装有液位控制器。液位控制器可进行高液位和低液位保护。当高压发生器的液位超过规定的高液位时,溶液泵关闭；当高压发生器的液位低于规定的低液位时,溶液泵重新起动。在工作液位的范围内,也可通过变频装置控制溶液泵的流量,起到稳定液位的调节作用。

高压发生器还会产生压力超高现象,主要原因包括蒸汽调节阀因失控而开启过大、系统内存在非凝性气体及冷却水温度过高等。保护的方法是检测高压发生器中的压力。当这个压力超过95kPa时,压力控制器动作,报警信号启动,同时关闭热源,机组转入稀释运行状态。待故障排除,压力差到90kPa时,机组重新起动运行。

(3)低压发生器

虽然控制了溶液的质量分数,但若稀溶液温度过低,也会在低温溶液热交换器浓溶液出口处产生结晶。为此,在低压发生器液囊中装有自助溶晶管,并在溶晶管上装有温度继电器。当溶晶管处于高温状态时,表示机组中出现了结晶现象。温度继电器动作并报警,同时切断热源使机组转入稀释运行。

(4)吸收器和冷凝器

与发生器所采取的安全保护系统类似,吸收器中的安全保护系统也是紧紧围绕着溶液的防结晶问题。吸收器中的吸收热是通过冷却水带走的,因此冷却水的温度及流量就直接决定了吸收器中吸收热备带走的情况,也就直接决定了吸收器的吸收效果。有如下两个原因容易形成溶液的结晶现象：

1)冷却水流量减少或发生断流,会使稀溶液质量分数升高而易发生结晶故障。

2)冷却水温度过低,会导致溶液热交换器稀溶液侧温度过低,溶液质量分数下降等情况的发生,还会使蒸发器冷剂水液位下降而影响冷剂泵的正常工作。

采取的安全保护措施有如下两种：

1)在冷却水管道上安装流量控制器。当冷却水的流量小到一定值时(如减小到额定值的70%以下),启动报警信号,同时切断热源,机组进入稀释运行状态。另外,与前面所述蒸发器中冷媒水管道上的流量控制相类似,也可在冷却水管道上安装压差控制器。通过冷却水泵进出口直接的压差发出信号,控制压差控制器开关动作,达到水流量安全保护的目的。

2)在冷却水管道上安装温控器。安装的方法有几种,各有其利弊,应视具体机组而定。

①控制器检测冷却水的出水温度,根据设定值确定偏差,再发出控制信号,使用二通阀或三通阀控制冷却水量的增减,以使冷凝器冷却水出水温度基本稳定。

②控制器检测冷却水的进水温度,使用三通阀或二通阀进行控制,使冷凝器冷却水进水温度基本恒定。

③控制器检测冷却水的进口或出口温度,控制冷却塔风机的起动或停止或转速,这样也可保证吸收器进水温度基本恒定。

(5)屏蔽泵

屏蔽泵是整个系统得以循环的动力。它对机组的正常运行起着关键作用,与常规泵相同,主要包括两种安全保护形式。

1)吸空保护。泵的吸空现象主要是由于屏蔽泵工作时的吸入高度不够而引起的,特别是冷剂泵,其吸入高度随运行状态及运行工况而变化,更需进行吸空保护。保护方法之一是设置液位控制器,直接对蒸发器液囊液位进行控制。低液位时停泵,高液位时起动。方法之二是间接对液位进行控制。

①利用时间继电器控制设定时间(溶液泵起动后至蒸发器液囊结液,使冷剂泵正常运转所需的时间)；

②利用温度继电器控制发生器出口处浓溶液的温度,该温度值也间接反映了蒸发器液囊液位的高低。

2)屏蔽泵电动机的过电流保护。该保护是在电路中安装热继电器或熔断器等保护装置。当屏蔽泵因故障而出现过载情况时,保护装置能够及时切断电源。有些屏蔽泵,电动机绕组中安装有温度继电器,进行高温过热保护。

(6)机组

机组的安全保护主要涉及机组的真空度保护。溴化锂机组是在高真空状态下工作的。一旦机组发生泄漏,系统将混入非凝性气体,会使机组的吸收和蒸发效果大大减弱,使送往吸收器的稀溶液质量分数升高,导致发生器出口处浓溶液的质量分数过高而发生结晶故障。因此,可随时监控机组内的真空度,一旦发现泄漏,可立即报警或起动真空泵。

2.直燃型溴化锂吸收式热水机组的安全保护系统

以燃气机为例,直燃型机组与蒸汽型机组的主要区别来自于热源。它在许多部位上与蒸汽型机组具有同样的安全保护装置。但由于热源的不同,直燃型机组还需一些特殊的安全保护装置。

(1)安全点火装置

直燃型机组的燃烧系统分为主燃烧系统和点火燃烧系统。主燃烧系统是机组的加热源,它是由主燃烧器、主稳压器及燃烧控制阀等组成的,供机组在制冷或制热时使用。点火燃烧系统是由点火燃烧器、点火稳压器、点火电磁阀等组成的,其作用是辅助主燃烧器点火。点火燃烧器内设有电打火装置。起动时,点火燃烧器先投入工作,经火焰检测器确定正常后,延时打开主燃料阀,使主燃料系统进行正常燃烧。一旦主燃烧器正常工作,点火燃烧器即自动熄灭。如果点火燃烧器点火失败,受火焰检测器控制的主燃烧器阀将不会被打开,防止燃料大量溢出,发生泄漏或爆炸事故。

(2)燃气压力保护系统

燃气压力过高或过低,都会影响燃料的供给量和燃烧过程。压力过低可能造成回火,压力过高会威胁管道系统。因此机组工作时,需要保持燃料压力相对稳定。采取的措施是,在系统中安装燃气压力控制器。当燃气压力的波动超过允许的范围时,压力控制器立即动作,启动报警信号,同时切断对燃料的供应,停止燃烧过程,并使机组转入稀释运行状态。

(3)熄火自动保护系统

熄火自动保护系统的功能是当燃烧器在点火失败或正常运行过程中火焰熄灭时,能够迅速切断对燃料的供给,并使机组转入稀释运行状态。如果机组运行中,火焰熄灭后没有及时切断对燃料的供给,燃烧继续进入炉膛。当足够多的燃料在高温下自燃时,则会引起炉膛爆炸。因此,熄火保护系统不但要可靠,而且应响应迅速。熄火保护系统的关键部件是火焰检测器。当它检测出熄火信号后,燃烧监视继电器动作,指示、警报、切断对燃料的供应,机组转入稀释运行状态。

(4)烟气高温控制器

当烟气温度在300℃左右时,机组将自动停止运行。

(5)风压过低自动保护

风压过低,说明送风系统阻力过大或发生故障,空气流量不足以维持正常的燃烧。因此,当空气压力低于490Pa时,保护系统应及时切断燃料供给,停止燃烧过程,机组转入稀释运行状态。

(6)燃烧器风扇的过电流保护

为防止燃烧器风扇故障,则在燃烧器风扇电动机电路中,安装热继电器或熔断器等保护装置。若过载保护器动作,机组将自动停止运行。

在安全保护系统中,需要指出的是,微机控制系统的加入,使得原来复杂的控制保护系统变得简单,实现了一个控制器控制多个参数的目标。因此,安全保护系统不但能够实现继电保护,而且能够实现非正常条件下的调节。这种调节避免了继电保护的断续性,使系统能够在非正常条件下逐渐克服故障,恢复正常的工作状态,保证了系统的连续运行。如果系统确实存在故障,即非正常运行状态下不能被克服,则机组将执行继电保护。

例如微机控制的直燃型机组高压发生器的高温保护,常规保护通常使用一个温度继电器。当被控制温度超过设定上限温度时,即切断热源。在微机控制的系统中,当发生器浓溶液出口温度高于155℃时,控制器即发信号给燃烧器的燃气调节阀,限制热量的输入。如果温度继续上升,则控制器每5s发送一个关闭信号。若温度继续上升,升至170℃,燃烧器停止燃烧,同时报警停机,机组转入稀释运行状态。

再例如直燃型机组对高压发生器蒸汽饱和温度的限制(即高压发生器压力的限制),高压发生器蒸汽饱和温度达到93℃,控制器则发送信号给燃烧器,限制供热量的输入。如果这个温度继续上升,则每升高0.3℃,就发出一个“关”信号给燃烧器。如果温度超过95℃,每隔5s发出一个“关”的信号。这样就保证了高压发生器蒸汽饱和温度处于一定的范围内。

3.机组运行安全保护系统的工作程序

(1)蒸汽型机组起动的程序流程

程序起动流程如图4-27所示,具体步骤如下：(www.daowen.com)

1)连通主电源开关,接通机组及系统的电源。

2)检查各开关位置,将各开关至于相应的位置。例如控制方式至于“自动/手动”,起动方式至于“直控/遥控”等,随后打开蒸汽供给阀。

3)发出指令起动机组,运转指示灯亮(该指令可由现场操作人员按键发出,也可由集中控制系统通过遥控方式操作)。

4)起动冷媒水泵及冷却水泵,安装在冷媒水管道与冷却水管道上的流量控制器动作。若流量在正常范围内,机组转入下一步起动程序。同时,安装在冷却水进口管道上的温控器动作。当冷却水温度低于低温设定温度时发出指令,调节冷却水流量,以防止机组结晶。当冷却水温度高于设定温度时,起动冷却塔风机,进行冷却降温。

5)设置的安全保护装置投入工作,对机组及系统的状态进行检测,确保机组安全进入起动状态。如果发生故障,机组停止起动,处于自锁状态。

6)起动溶液泵,使发生器液位处于正常位置。

图4-27 溴化锂蒸汽型机组起动系统流程

7)以溶液泵的起动时间为依据,延迟若干分钟,待发生器液位处于正常位置,按规定程序慢慢开启蒸汽调节阀。

8)起动冷剂泵。

冷剂泵的起动控制常用如下3种方式：

①以溶液泵的起动时间为依据,延迟若干分钟后起动。

②以发生器出口处浓溶液的温度为依据,到达一定值后起动。

③由蒸发器上安装的液位控制器发出信号,当液位达到一定高度后自动起动冷剂泵。冷剂泵起动后,机组进入制冷状态。

需要指出的是,溴化锂机组的起动过程有一定的时间性,要经过若干时间才能达到满负荷状态。

(2)直燃型机组起动的程序流程

正常起动流程如图4-28所示。正常制冷起动步骤如下：

图4-28 溴化锂直燃型机组起动系统流程

1)接通总电源。起动前检查机组与燃烧器开关的位置,包括：

①直流电源“开/关”；

②溶液泵“自动/手动”；

③制冷与供热选择；

④能量控制“开/关”、“自动/手动”；

⑤运行操作“遥控/直控”。

2)打开燃烧供应主阀。

3)按下起动按钮,冷热水泵起动,冷却水泵和冷却塔风机起动。

4)确定保护系统(冷媒水断水、高压发生器液位过低以及烟气排烟温度过高等)正常工作。

5)起动溶液泵,使发生器的液位处于正常位置,并进行炉膛预扫气,检验燃烧控制器动作。

6)以溶液泵的起动时间为依据,延迟若干分钟。待发生器液位处于正常位置,按规定程序发出燃烧信号,进入安全检查及点火控制程序,点火完成开始燃烧。

7)其余各项起动程序与蒸汽型相同。

(3)蒸汽型停机程序流程

图4-29 溴化锂蒸汽型机组正常停机系统流程

程序正常停机流程如图4-29所示,具体步骤如下：

1)操作人员按下“停止”按钮或当控制器检测到外界所需要的热负荷太小时,热源随即被切断。运转指示灯灭,停机指示灯亮。

2)机组转入稀释运行状态,由控制器根据温度、时间或质量分数控制稀释过程。溶液泵、冷剂泵继续运转一段时间,使机组内溶液充分混合。

3)稀释时间(或温度)达到设定要求后,溶液泵和冷却泵停止运转。

4)冷媒水泵、冷却水泵和冷却塔风机关闭。

5)断开总电源开关,机组和系统处于静止状态。

(4)直燃型停机程序流程

程序正常停机流程如图4-30所示,具体步骤如下：

1)操作人员按下“停止”按钮或控制器检测到外界所需要的热负荷太小。

2)燃烧器得到控制信号后转入小火,延迟一段时间后,关闭燃气阀,燃烧停止。

3)如果是供热工况,冷剂泵一般不工作。如果是制冷工况,检查是否到达冷剂稀释液位。

4)根据停机程序,检验高压发生器溶液温度,确定是否能停止溶液泵的运转并关闭冷却水泵与冷却塔风机。

图4-30 溴化锂直燃型机组正常停机系统流程

5)如果机组是因为负载太小而自动停机,则冷媒水泵始终保持运行,以等待控制器重新发出的起动信号。如果是操作人员手动停机,则需要手动关闭冷热水泵、冷却水泵和冷却塔风机。

(5)故障停机流程

机组程序重故障时将导致故障停机。故障停机有两种程序：一种是机组不进行稀释运转而直接停机,同时发出声光报警信号,相关的故障指示灯亮；另一种是机组稀释运行后再停机,同时发出故障报警,相关的故障指示灯亮。

1)蒸汽型机组：故障发生后,不进行稀释直接停机的故障包括冷媒水断水或冷媒水量不足、屏蔽泵故障及冷剂水低温等。故障发生后,进行稀释运行的故障包括蒸汽压力过高、高压发生器液位过高或过低及高压发生器温度过高等。程序故障停机系统流程,如图4-31所示。

2)直燃型机组：故障发生后,不进行稀释的故障包括冷媒水断水或冷媒水量不足、屏蔽泵故障及冷剂水温过低；进行稀释运行的故障包括燃烧器熄火、高压发生器液位过高或过低、高压发生器溶液高温、高压及排气温度过高等。程序故障停机流程,如图4-32所示。

图4-31 溴化锂蒸汽型机组程序故障停机系统流程

图4-32 溴化锂直燃型机组故障停机系统流程