السرعة عامل مهم جدًا يدل على تشغيل المعدات الدوارة، وخاصةً السرعة الحرجة، وهي السرعة التي يتردد عندها تردد اهتزاز النظام مع التردد الطبيعي للمعدات الدوارة. بعد تفريغ التوربين البخاري، تكون السرعة عرضة للارتفاع المفاجئ. لتجنب السرعة الحرجة والارتفاع المفاجئ، يجب أن يكون قياس السرعة دقيقًا وموثوقًا. توجد عمومًا وسائل عديدة لقياس السرعة، مثل الطرد المركزي (مقياس سرعة الدوران)، والحث المغناطيسي الكهربائي، وقياس هول، والتيار الدوامي، والقياس الكهروضوئي، وغيرها. أما نوعا قياس السرعة المستخدمان في التوربينات البخارية فهما بشكل رئيسي الحث المغناطيسي الكهربائي وقياس هول.

1.1 مستشعر الحث المغناطيسي الكهربائي
يعتمد مبدأ عمل مستشعر الحث المغناطيسي الكهربائي على الحث الكهرومغناطيسي، والذي ينقسم إلى نوعين: نوع ذو تدفق مغناطيسي ثابت ونوع ذو تدفق مغناطيسي متغير (ممانعة). يُستخدم النوع الأخير على نطاق واسع لقياس سرعة دوران التروس المغناطيسية، والدوافع، والأقراص المثقبة، وغيرها. يُغلَّف المستشعر بمغناطيس دائم وملف، مما يُشكِّل مجالًا مغناطيسيًا أمامه. عند دوران قرص الترس، تُحدِث الأسنان المغناطيسية الحديدية تغيرًا دوريًا في التدفق المغناطيسي للملف، مما يُولِّد قوة دافعة كهربائية متناوبة السعة، ويرتبط ترددها بعدد أسنان التروس وسرعة الدوران.

ن=60 ف/ز
(n - السرعة المقاسة؛ Z - عدد أسنان التروس؛ f - تردد القوة الدافعة الكهربائية المُستحثة). عندما يكون عدد أسنان التروس 60، تكون السرعة n هي تردد القوة الدافعة الكهربائية المُستحثة f. تشمل العوامل المؤثرة على القوة الدافعة الكهربائية المُستحثة: سرعة سطح صفيحة التروس، وحجم وتباعد المستشعر وصفيحة التروس، ومعاوقة دائرة القياس. عند تحديد جسم القياس ودائرة الكشف، كلما زادت السرعة، زادت القوة الدافعة الكهربائية المُستحثة؛ وكلما صغرت الفجوة بين المستشعر والترس، زادت القوة الدافعة الكهربائية المُستحثة.

في أحد المشاريع، يستخدم توربين البخار ذي الضغط الخلفي، الذي يُشغّل مضخة المياه الدائرية، نظام التحكم المركزي بجامعة تشجيانغ ووحدة التحكم الخاصة به، وذلك لحماية التوربين من السرعة الزائدة (OPS)، حيث تصل دورة قياس السرعة إلى 20 مللي ثانية. تستقبل الوحدة إشارات السرعة من ثلاث مجموعات من مستشعرات التدفق المتغير في الموقع، وتستقبل في الوقت نفسه إشارتي التلامس الجاف DI لفصل المفتاح والتوقف الطارئ، ثم تُصدر إشارة إنذار سريعة وموثوقة لسرعة التوربين، وتُشغّل صمام الملف اللولبي لحماية السرعة الزائدة عبر مخرج التتابع، وذلك لحماية التوربين من السرعة الزائدة. تجدر الإشارة إلى أنه يجب استخدام وحدة التحكم الخاصة بالتوربين مع بطاقة تحكم رئيسية محددة.

وحدة قياس سرعة التوربين البخاري هي في الواقع وحدة إدخال نبضية، إلا أن سعة الإشارة المُكتشفة أكبر من وحدة النبضات العادية، ودورة قياس السرعة أقصر، ودقتها أعلى. تُستقبل إشارة مستشعر التدفق المتغير عبر وحدة النبضات العادية. عندما تكون مسبار السرعة ولوحة التروس ومعاوقة حلقة الاختبار متسقة تمامًا، يُدار المسبار (SE-0002~0004) نصف دورة إلى الداخل لتقليل الفجوة مع لوحة التروس. تظهر النتائج قبل وبعد التعديل في الشكلين 1 و2 على التوالي. التحليل المقارن كما يلي:

في نطاق السرعة المنخفضة، لا تحتوي المجسات الثلاثة (SE-0002~0004) على بيانات. بعد زيادة السرعة، يمكن قياسها تدريجيًا. يُعتقد أن سرعة السطح منخفضة جدًا عند السرعة المنخفضة، وأن القوة الدافعة الكهربائية المُستحثة تكون دائمًا أقل من الحد الأدنى لنطاق الإشارة عالية المستوى بعد الترشيح والتضخيم، وبالتالي لا يمكن تمييز تردد الإشارة.

في نطاق السرعة المتوسطة، تكون بيانات المجسات الثلاثة مماثلة للبيانات التي تم قياسها بواسطة نظام التحكم في السرعة 505 (SE-0001)، والذي يتحقق من أن إشارة خرج مستشعر التدفق المتغير لها خاصية تردد تعتمد على السرعة؛

في نطاق السرعة العالية، تُظهر بعض إشارات خرج المسبار اتجاهًا واضحًا للتشويه. ويُعتقد أن القوة الدافعة الكهربائية المُستحثة بواسطة الملف تكون دائمًا قريبة من الحد الأدنى لنطاق الإشارة عالية المستوى أو أعلى منه بعد الترشيح والتضخيم بسرعات عالية، مما يُصعّب تمييز تردد الإشارة.

1.2 مستشعر هول
بعد انتهاء التوربين من وضع الخمول بعد فصله، يرفع البخار المتراكم في الأسطوانة درجة حرارة الأسطوانة العلوية عن السفلية، مما يُسبب تسخينًا غير متساوٍ للدوار. يمكن تجنب الانحناء الحراري للدوار من خلال تدوير الدوار باستمرار بسرعة معينة. تتطلب بعض هياكل القابض الدوارة إيقاف الدوار تمامًا قبل الدوران، لذا من الضروري ضبط قياس السرعة الصفرية (مفهوم السرعة الصفرية ليس مجرد سرعة صفرية مطلقة، بل هو أيضًا مؤشر على التشغيل بأقل من الحد الأدنى لسرعة الدوران). في الوقت نفسه، تُساعد السرعة الصفرية أيضًا في تحديد ما إذا كان الدوران يعمل بشكل صحيح. إذن، كيف يُمكن قياس السرعة الصفرية؟ يُمكن لمستشعرات هول القيام بذلك.

مستشعرات هول هي مستشعرات تستخدم تأثير هول لتحويل الكميات الفيزيائية المقاسة إلى قوة دافعة كهربائية. عند وضع رقاقة شبه موصلة في مجال مغناطيسي بشدة حث B ويمر تيار I عبر طرفي الرقاقة، تتولد قوة دافعة كهربائية في اتجاه عمودي على التيار والمجال المغناطيسي. تُعرف هذه الظاهرة بتأثير هول. مقدار القوة الدافعة الكهربائية هو U = KIB، حيث K هو معامل حساسية هول، والذي يُحدد حسب مادة وسمك رقاقة شبه الموصل. يتضح أن جهد هول لا يعتمد على السرعة. بشكل عام، يتشكل مجال مغناطيسي مستقر بواسطة المغناطيسات الدائمة المضمنة في أسنان صفيحة التروس. يمكن الكشف عن الدوران الطفيف لصفيحة التروس من خلال وجود أو عدم وجود جهد هول. يحتوي نظام التحكم العام أيضًا على نطاق تذبذب مسموح به معين لإشارة المستشعر، وبالتالي فإن متطلبات استقرار التيار في عنصر هول منخفضة نسبيًا. وبطبيعة الحال، فإن المسافة بين المستشعر ولوحة التروس تعكس بشكل مباشر قوة المجال المغناطيسي، وهي أيضًا نقطة يجب الانتباه إليها أثناء التثبيت.

العلاقة بين السرعة والتردد المقيسين بواسطة مستشعر هول تتوافق مع علاقة مستشعر الحث المغناطيسي الكهربائي، وهو أمر لن نكرره هنا. كما يمكن استخدام مستشعرات هول لقياس الاهتزاز والإزاحة.

باختصار، لا يتطلب نوع التدفق المتغير (الممانعة) مصدر طاقة خارجيًا، ولكنه غير مناسب لنطاقات السرعة المنخفضة. على سبيل المثال، لا تستطيع وحدة الإدخال في وحدة التحكم 505 قياس السرعة عندما يكون جهد خرج المستشعر أقل من 1 فولت جذر متوسط مربع (الجهد الفعال). يستطيع مستشعر هول قياس السرعة الصفرية، ويتميز بقدرة عالية على مقاومة التداخل، ولكنه يتطلب مصدر طاقة خارجيًا، ويجب أن تكون لوحة التروس مزودة بمغناطيس دائم ذي قوة مماثلة.

2 التحكم في السرعة
إن التحكم في سرعة التوربينات البخارية يرتبط ارتباطًا وثيقًا بالتحكم في الحمل وهو معقد نسبيًا، ولكن التكنولوجيا أصبحت الآن ناضجة للغاية ويمكن تحقيقها بشكل عام من خلال وحدات تحكم مخصصة، مثل وحدة التحكم 505/505E من Woodward ( 9907-162 ) ووحدة التحكم Peak150؛ يمكن أيضًا تحقيق وحدات كبيرة (مثل مجموعات المولدات) من خلال نظام التحكم الكهروهيدروليكي الرقمي المتكامل (DEH) للتوربينات البخارية، حيث يعد التحكم في السرعة والحمل أحد أهم أجزاء نظام DEH؛ إذا تم استخدام التوربين البخاري لتشغيل وحدة ضاغط كبيرة ذات متطلبات أمان أعلى، فيمكن تحقيق ذلك من خلال نظام التحكم المتكامل لوحدة ضاغط التوربينات (ITCC)، مثل نظام Vanguard من CCC، ونظام TS3000 من TRICON، ونظام T6300 Trusted من RockWell (المعروف سابقًا باسم ICS Triplex)، والذي يمكنه تحقيق التحكم المزدوج أو الثلاثي، والوظائف المتكاملة أكثر قوة وتعقيدًا.

3 نظام حماية التوربينات البخارية
قد يؤدي تجاوز بعض معايير توربين البخار بشكل خطير إلى تلف المعدات أو حتى تدميرها. ومن بين هذه المعايير، تُعد السرعة الزائدة للتوربين البخاري الأكثر ضررًا. لذلك، قد تتطلب هذه السرعة إجراءات حماية متعددة، مثل الحماية من السرعة الزائدة والفصل الطارئ. ويتم ربط معايير مهمة أخرى من خلال نظام الفصل الطارئ لتنفيذ الإغلاق الطارئ.
3.1 نظام حماية توربينات البخار من السرعة الزائدة
3.1.1 الحماية الإلكترونية من السرعة الزائدة
لضمان موثوقية عالية لحماية التوربينات البخارية من السرعة الزائدة، تُستخدم عادةً ثلاثة مستشعرات سرعة مستقلة وثلاث وحدات كشف مستقلة (قنوات) لتحقيق تأثير 2 من 3 مقاوم للأخطاء. عند اكتشاف تجاوز مجموعتين أو أكثر من إشارات السرعة للحد الأقصى، تُرسل إشارة إيقاف التشغيل فورًا إلى نظام الفصل الطارئ. كما يُساعد نظام 2 من 3 المقاوم للأخطاء على اكتشاف الأعطال. في حال وجود أي خلل في أي مجموعة من الإشارات، يُمكن ترتيب الصيانة في الوقت المناسب وبطريقة منظمة.

3.1.2 الحماية الميكانيكية من السرعة الزائدة
يتم تحقيق الحماية الميكانيكية من السرعة الزائدة للتوربين البخاري من خلال قوة الطرد المركزي. عند زيادة السرعة، تزداد قوة الطرد المركزي المؤثرة على حلقة الزنبرك (أو حلقة الزنبرك) لجهاز الفصل الطارئ حتى تكفي لكسر قوة زنبرك الحمل المسبق والاندفاع، مما يؤدي إلى اصطدامه بجهاز الفصل الطارئ وإيقاف التوربين البخاري. هذه الطريقة لاستخدام قوة الطرد المركزي الميكانيكية لتحقيق إيقاف الحماية من السرعة الزائدة ليست دقيقة بالضرورة. على سبيل المثال، تتراوح قيمة ضبط سرعة الفصل الميكانيكية لتوربين بخاري صغير ومتوسط الحجم في مشروع معين بين 6180 و6294 دورة في الدقيقة. في اختبارين للحماية من السرعة الزائدة، كانت البيانات المقاسة 6137 و6129 دورة في الدقيقة على التوالي.
في ظل التطوير المستمر للتوربينات البخارية، أثبتت تقنياتٌ موثوقية الحماية الإلكترونية من السرعة الزائدة، مثل نظام الحماية Protech GII من Woodward. بعض محطات التوربينات البخارية تُجهّز الحماية الإلكترونية من السرعة الزائدة بنظام GII فقط، بدلاً من الحماية الميكانيكية.

3.2 نظام الحماية الإلكترونية للتوربينات البخارية
بالإضافة إلى الحماية الإلكترونية من السرعة الزائدة، عادةً ما تُضبط شروط الحماية الإلكترونية لوحدات التوربينات البخارية مع اهتزازات كبيرة للمحمل، وإزاحة محورية كبيرة، ودرجة حرارة عالية للمحمل، وانخفاض ضغط زيت التشحيم، وزر إيقاف طارئ في الموقع أو في غرفة التحكم، وما إلى ذلك. في الوحدات ذات الأغراض المختلفة، قد تكون هناك درجة حرارة عالية لزيت التشحيم، وانخفاض مستوى الزيت في خزان الزيت، وارتفاع ضغط العادم، ودرجة حرارة عالية للعادم، وظروف حماية أخرى. عندما تتجاوز المعلمات المقاسة الحد الأقصى، يتم إصدار إشارة إنذار وإيقاف [8]، ويتم تنشيط صمام الملف اللولبي لقطع إمداد البخار عن الوحدة.
يتم تحقيق وظيفة الحماية الإلكترونية بواسطة نظام التحكم الموزع (DCS)، وقد طُبّقت بنجاح في وحدات التوربينات البخارية الصغيرة. وهي اقتصادية نسبيًا. ومع ذلك، يجب تحقيق ذلك من خلال ضبط معلمات بطاقة نظام التحكم الموزع (DCS) وتقصير دورة المسح. كلما قصرت دورة المسح، زاد الحمل على وحدة التحكم.

عادةً ما تستخدم الوحدات الكبيرة أو ذات متطلبات السلامة العالية أنظمة مراقبة وحماية سلامة التوربينات (TSI، أو أنظمة المراقبة والحماية الميكانيكية MMS) وتتعاون مع نظام التفريغ الكهروستاتيكي (ESD) لتحقيق ذلك. تشمل معدات TSI الشائعة الاستخدام حاليًا سلسلتي 3300 و3500. 3500/22 مليون ) ل بنتلي (الآن جزء من مجموعة جنرال إلكتريك للطاقة ) في الولايات المتحدة، سلسلة EPRO MMS6000( A6500-UM ) ل إيبرو (سابقًا Philips) في ألمانيا، وسلسلة VM600( MPC4 ) ل جهاز قياس الاهتزاز في سويسرا.
3.3 نظام إيقاف التشغيل الطارئ للتوربينات البخارية
نظام إيقاف التشغيل الطارئ للتوربينات البخارية هو نظام يربط الحماية الإلكترونية، ونظام الحماية من السرعة الزائدة، وصمام الملف اللولبي للإيقاف. يتم إيقاف جميع إشارات الإيقاف الناتجة عن أمر إيقاف التوربينات البخارية، ونظام الحماية من السرعة الزائدة، ونظام الحماية الإلكترونية، وزر الإيقاف، وغيرها، عبر صمام الملف اللولبي لإيقاف التوربينات البخارية لإيقاف تشغيل الوحدة.

4 الخاتمة
بعد فهم مبادئ قياس سرعة التوربينات واهتزازها وإزاحتها، ليس من الصعب تحديد حل تصميمي موثوق. ومع ذلك، يرتبط نظام التحكم والحماية ارتباطًا وثيقًا بحجم وحدة التوربين وظروف تطبيقها ومتطلبات مستوى السلامة فيها، ويجب التوفيق بين الكفاءة والموثوقية. بالإضافة إلى التوربين، يُعدّ التحكم الآلي في المعدات الدوارة الأخرى ذا أهمية أيضًا. إن فهم خصائص المعدات يُسهم إلى حد ما في تصميم التحكم الآلي.