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    离心压缩机叶片扩压器诱发管道高频振动的原因及处理.pdf

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    离心压缩机叶片扩压器诱发管道高频振动的原因及处理.pdf

    Cl咖CALGINEERING DEIGN 化工设计2014,242 离心压缩机叶片扩压器诱发管道高频 振动的原因及处理 刘文明’ 沈阳透平机械股份有限公司沈阳110869 摘要 分析离心压缩机由于叶片扩压器压力脉动引发管道高频振动的案例,提出有效解决方案。 关键词 离心压缩机有叶扩压器高频振动 1 问题引出 管道振动的类型及原因较多,离心压缩机叶 片扩压器压力脉动也会引起管道高频振动。 离心压缩机是一种叶片旋转式机械。气体经 过其吸气室吸人,通过叶轮对气体做功,使气体 压力、速度、温度提高,然后进入扩压器,将气 体动能转化为压力能,使气体速度降低、压力升 高。离心压缩机的扩压器可分为有叶扩压器和无 叶扩压器两种。与叶片扩压器相比,无叶扩压器 的结构简单,造价低,性能曲线平坦,稳定工作 范围大;缺点是气体流动路程较长,摩擦损失较 大,其工作效率比叶片扩压器低。叶片扩压器有 扩压程度大、尺寸小的优点,在设计工况下,损 失比无叶扩压器小,效率较高;缺点是由于叶片 的存在,变工况时冲击损失大,效率下降较多。 随着石化、化工等行业装置规模的不断扩大, 为了提高离心压缩机的工作效率,压缩机的扩压 器较多采用叶片扩压器。而叶片扩压器压力脉动 易诱发管道产生高频振动。 2实例介绍 下面通过两个大型离心压缩机管道实例,阐 述由于有叶扩压器压力脉动引发管道高频振动 现象。 2.1实例1 该离心压缩机机型为整体式齿轮压缩机,由 四级叶轮组成,其中叶轮叶片数为13个,扩压器 为叶片扩压器。机组额定转速为6o42 rpm。在开车 时各级出口管道发生程度不同的高频振动,经测 试发现主要振动频率为叶片通过频率即13倍的 额定转速,对此振动问题设备制造商经过多次改 进处理,最后采取的措施是将有叶扩压器改为无 叶扩压器,管道振动幅值减少非常明显。图1、图 2为测得的高频振动功率谱及振动速度频谱图。 宕 一 遥 1孽 图1 速度信号高频部分细化功率谱图 ,崭 2钾m twJ ■●■ ’ ’ H‘ ● L一 图2振动速度频谱图 2.2实例2 该离心压缩机机型为MC014,压缩机额定 转速为49oo rpm,叶轮叶片数为13个,叶片通过 频率BPF为1061.7 Hz,进口导叶为12个,扩压 器叶片为22个。运行时出口管路处出现较大振动。 管道振动的最后解决方案依然是把叶片扩压器改 刘文明高级工程师 1988年毕业于沈阳机械工业职工大学。从事压缩机设计工作。联系电话0H2580ol67,Etnail web.u126.como 刘文明 离心压缩机叶片扩压器诱发管道高频振动的原因及处理 31 为无叶扩压器,修改前后测试点振动数据见表1。 测试点的振动速度为不同运行工况下采集所得, 从表1可知,流量小则振动速度小,无叶扩压器下 的振动速度比任何流量下的有叶扩压器振动速度 低,效果非常明显。测点7处测得的震动频率谱图 见图3。 善 。 ... 。 。 ..-F。 图3测点7处振动频谱图 表1不同流量和不同扩压器下测点的振动速度表 3问题处理 两个实例均说明管道的高频振动原因是离心 压缩机的扩压器压力脉动诱发了管道高频振动。 在管道振动早期,由于没有对扩压器叶片脉动引 起注意,主要对管道结构进行优化,例如对管壁 加厚、更换管道材料、增设限位支架等来提高管 道强度及刚度的改进措施,但均未取得实质效果, 不能解决管道严重的高频振动问题。最后把原来 常规叶片扩压器取消,改为无叶扩压器,机组效 率降低约3%一5%。为保证机组效率,后来改用 半高叶片扩压器,基本成功解决管道振动及效率 降低的问题。 基于此修改方案可有效解决该类问题的情况, 有必要研究扩压器对管路振动的影响,经大量调 研发现,在大型离心压缩机组中,由叶片扩压器 非定常流场产生的压力脉动诱发的管路振动问题 十分突出。扩压器叶片结构形式的不同,可大幅 影响因转定子耦合引起的压力脉动的大小,对此 需要进行深入的非定常流场分析及管路振动分析。 从管道振动技术资料的调研中发现,离心压 缩机管道振动大都为高频振动,其频率为叶轮叶 片通过频率,幅值主要与叶轮叶片和扩压器叶片 之间的距离有关,距离越小,激励幅值越大,反 之亦然。国外解决此类问题同样主要是改动扩压 器叶片,即把有叶扩压器改为无叶扩压器,或者 在管道内加入阻尼材料。德莱赛兰Dresser Rand 公司采取了一种基于声场的全新方法,在扩压器 上加入声学管道,不但能成功解决管道振动问题, 还可大幅减少压缩机噪声。 从结构和声学两方面研究,离心压缩机系统 的管壁振动可归结为①由于出口压力脉动激起 了结构共振;②声学共振引起了巨大的激振力; ③非声学和结构共振的强迫结构振动。研究显示, 后一种振动是最有可能的破坏机理,也可能有一 些共振,但是叶片通过频率的高幅值是管道振动 的主要激励源。 研究无叶扩压器对脉动和管道振动的影响, 并与叶片扩压器进行对比,见图4和图5。 图4不同入口流量.有叶与无叶压缩器下的振动值 压缩机运行速度比转速 图5有叶和无叶扩压器下的最大振动值 CI皿MICAL ENGINEERING DEIGN 化工设计2014,242 2.2.4 HAzOP分析应用结果 本次HAzOP分析评价小组自2013年5月开始 策划准备实施,历时1个月,依据工艺流程功能区 及主要设备,按照HAzOP分析流程,先后划分了 43个节点,制作了各节点的PID图,辨识出Ⅲ级 以上风险80余项,提出改进建议36项,其中争议 问题2项,经HAZOP主席决定做留后处理,待征 询相关HAZOP分析专家意见,并于2013年6月形 成了完整的HAzOP分析报告。通过这次HAzOP 分析,公司采纳了34项建议整改项进行逐步整改, 改善了原有设计、操作控制上的隐秘危险点,提 高了安全生产条件,有力保证了SBS生产装置安 全稳定长周期运行。 3结语 通过此次HAZOP分析法在SBS生产装置的应 用,有效地识别了工艺生产过程中的潜在危险, 评价出了各类风险状况,同时提出具有针对性和 操作性的建议措施,这些建议措施的提出有助于 该装置安全生产条件的进一步完善。HAzOP分析 法对化工装置查找工艺风险,提高装置本质安全 起到了良好的示范作用。 1提高了装置本质安全水平。通过整改 HAOZP分析中的建议项,SBS装置弥补了一些原 有设计的缺陷,调整了部分程序和数值的设定。 提高了装置的本质安全水平。比如在对聚合工艺 HAZOP分析中,为防止两釜卸料阀意外串料,提 出了对聚合釜釜底卸料阀控制程序的修改建议; 为防止苯乙烯爆聚,改进了活化剂加入方式等安 全措施,这些措施的落实使装置的运行风险进一 步降低,从而使装置的本质安全性能得到了进一 步提高。 2提升了管理人员对装置的驾驭能力。通 过一系列的HAZOP分析会议,使生产、电仪和机 械、技术等人员对装置流程更加熟悉,对装置因 各种参数的偏离及开停工等因素所导致的安全风 险认识更加全面,对装置工艺、设备的相关规程、 预案等的全面性和可操作性得到了进一步确认。 3提高了风险管控水平。通过员工参与 HAzOP分析,使员工辩识风险的能力和意识有所 提高,对装置运行过中各种参数的偏离可能导致 的风险和每种风险的防范措施更加明确,进一步 提高员工的工艺风险管控水平,减少装置的非计 划停车及事故的发生。 参考文献 1吴重光.危险与可操作性研究应用指南[M].中国石化 出版社,2o12,8. 2 中国石油化工股份有限公司青岛安全工程研究院编著[M] .HAz0P分析指南,中国石化出版社,2oo8.o4. 3胡安云.如何提高HAZOP分析深度的探讨[J].化工安 全与环境.2013,42 收稿日期2013一l202 毒l∈※米米※米※米※※※来※※※※※※※米※※米※※※※※※※※※※※.※※.※※※※.※※※柴米※ 上接第33页 处的管道中焊接交叉板,能大幅增加管道的声学 自然频率,而且管壁的自然频率也得到提高。 4在管道中考虑增加约束层阻尼,减少共振 响应。 6结语 管道振动破坏的激励源为叶轮与扩压器叶片 互相耦合引起,激励频率为叶片通过频率;振动 机理为叶片通过激励与声学固有频率发生共振, 在压缩机内部及管道内部叶片通过激励幅值大幅 增加类似于功率放大器,与出口管路耦合产生 高频共振/强迫的管壁振动,导致管路本身及附着 件振动破坏。 参考文献 1党锡淇,黄幼玲.工程中的管道振动问题[J].力学与实 践,1993,o4. 2孙春一,邓子龙.5 L型压缩机管路振动分析与减振措施 [N].辽宁石油化工大学学报,2oo6,03. 3苏欣平,闰祥安,张承谱.管道结构振动有限元法分析及 减振研究[N].工程设计学报,2002,03. 4王乐勤,何秋良.管道系统振动分析与工程应用[J].流 体机械,2002,1O. 5张向东,赵杰,刘录.压缩机一级出口管线振动分析 及改造[J].机电产品开发与创新,20o8,02. 6刁安娜,王宇,冯健美,彭学院.天然气压缩机管路系 统气流脉动及管道振动分析[J].流体机械,20o8, 05. 修改回稿20140121

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