往复压缩机组的气流脉冲与振动控制

往复压缩机组的气流脉冲与振动控制
耿卫东 才立启 杨盛启
(齐鲁石油化工工程公司,山东淄博,255400)
摘要 往复式机组的气流脉冲与振动(简称脉动)控制是设计选型工作中的重要课题,规定机组的气流脉动控制要求,与厂商共同协商确定机组管系的有关设计及布置要求成为这项工作的必要环节,不同参数工况的机组对这一要求可有不同的选择。

本文结合目前国际上通常采用的设计分析方法在大型机组脉冲与振动控制中的应用及设计选型,谈谈大型往复机组设计选型中对气流脉冲与振动的控制问题。

关键词 气流脉动 机组管系 数字仿真 峰)峰值 脉冲抑制
收稿日期:2001-04-02。

作者简介:耿卫东,男,1988年毕业于大连理工大学化工机械与设备系,从事化工机械与设备设计工作8年,现从事工程设计管理工作。

往复式压缩机(活塞式、柱塞式)的出口管路振动是压缩机运行中容易产生的但难以解决的问题之一,振动的存在不仅造成管系及相关部件存在疲劳破坏的危险,往往也产生与此相关的过高噪声,特别是对大型高压压缩机组而言,它的存在更增加了破坏的危险性。

由于机组的布置,特别是进出口管路(包括级间)的布置设计与压缩单元的工程设计密不可分,在选型设计中不仅需要明确规定对气流脉动的控制要求,而且在进出口管系的布置设计上亦应充分考虑这一问题。

文献[2]在气流的脉冲和振动控制的相关规定条款中,对有关要求在1986年版规定内容的基础上作了新的补充和完善。

经修订的标准内容更加侧重了对脉冲与振动的控制,为执行这一标准的设备质量控制作出了具体的原则规定,也为其它非API618标准的设备气流脉动控制提供了参考。

1 脉冲抑制与现行的脉冲声学分析方法
对气体脉冲的抑制及方式的选择问题,制造厂在设计中将予考虑,选型中应对其进行审查。

常见的脉冲抑制主要是采用进、排气缓冲罐,共用的消声器、分离器、脉冲过滤器(有内件)、缩口管段、孔板系统以及气体管路的配置等方式。

一般来说,通常所采用的是进出口缓冲器,进排气集合管路系统来吸收压力脉冲。

制造厂在计算(按选择将用不同的计算方法)的基础上确定在管路中设置孔板的必要性。

对缓冲罐的尺寸受限或由于声学仿真分析中存在谐振的场合,将采用消
声器、压力脉冲过滤器等专用部件。

对压力脉冲水平的控制首先是机组的设计中控制气缸的进出口法兰处的初始压力脉冲峰)峰值水平。

按照文献[2]中第319节的规定,压力脉冲在气缸进出口法兰处的脉冲水平(P cf )的控制应按下述要求。

P cf (%)[min{3R #7%P L }(1)
其中:R )该级压缩比;
P cf (%))未经过滤的允许最高脉冲峰)峰值;
P L )管线平均压力(绝压),按计算场合分别取进气压力或排气压力。

式(1)是压缩机系统设计中控制压力脉冲的最基本判据,是对压力脉冲在进入脉冲过滤系统前的最大脉冲控制要求。

按文献[2],如果没有保证压缩效率等其它条款要求的限制,本气缸进出口法兰处的峰)峰值指标应予保证。

压力脉冲的过滤和抑制系统的设计配置通常基于对系统气流脉冲的声学分析而作出的,有三种方法可供选择。

第一种设计分析方法是采用一种简化的方法,通过使用缓冲器并确定其必需的容积来满足相对应的脉冲容许值要求,对气体管路及其布置的影响不予考虑。

只有当管路系统的固有振频可
2001年
大 氮 肥
Large Scale Nitrogenous Fertilizer Industry
第24卷 第2期
能会与气流脉冲声学频率一致而发生共振时,需要对配管系统进行必要的简单分析以确定配管的临界长度等参数。

通常这一固有频率值是以估算为基础求得的。

第二种设计分析方法是在采用第一种方法的缓冲器的基础上同时对管路系统做布置和管支撑方法的机械分析,包括管路布置的空间走向,管支撑位置、间距及其夹持方式的分析设计,通过加强管束的约束来提高管系的固有振频。

这种分析方法考虑了压缩机主机、缓冲器、配管之间声学上的相互作用,以及压力脉冲效应对压缩机性能的影响。

同时,分析中对诱导振力水平作定量的评价,并在配管中考虑了热应力的影响。

第三种设计分析方法是在第二种设计分析方法的基础上,在机械性分析中同时考虑了所有的相关部件,包括压缩机气缸、集合管、相连的管路系统,即对整个系统作机械分析。

对压缩机的气阀、气体流道之间声学上的相互作用也一并作出分析与确定,并据此修正压缩机的性能指标。

这种分析方法是以压缩机整个机组为对象,包括管路和缓冲器等各类设备,对整个系统作全部的声学和机械分析研究,在控制机组气流脉冲水平的同时对机组性能及配置进行优化。

在第二、三种分析方法中对气流脉冲的声学研究是采用计算机仿真的方法来完成,目前早期采用的模拟仿真分析方法已淘汰,现均采用数字仿真的计算机分析程序,这种方法在计算中通过考虑各种工况变化(转速波动偏差、温度变化及相应的音速变化),并在?16%的声速偏离范围内计算出系统各划定节点处的脉冲峰)峰值,并提出推荐的设计要求,如限流孔板的设置等。

2脉冲控制的分析方法选择与脉冲峰)峰值控制水平的确定
对气流脉冲的分析方法选择是机组选型及报价分析工作的重要内容。

过分简化要求将无法保证脉动水平的控制,过高要求将会增加过大的投资。

一种原则的确定方法是从机组的排气压力和轴功率两参数来确定,见表1。

表1在分析方法的选择上只能作为一般性的指导原则,选择上尚需具体考虑机组构成的复杂程序,计算费用投资等因素。

对多级压缩、多列布置的机组,其声学上的相互作用明显。

如LDPE 装置中的初级压缩机等较复杂的机组,应该选用第三种脉动分析方法研究控制脉动问题。

而对炼厂制氢装置、加氢装置的氢气升压机机组,因仅为一段或二段压缩,进出口管系不复杂,可采用第二种方法,甚至用第一种方法计算、配置机组,控制脉动问题。

表1脉动控制分析方法选择原则
轴功率(每级)
kW
排气压力/MPa(A)
315720>20 >3733333
3732233
1121223
按文献[2]第3191315~3191317条的规定,气流脉冲峰)峰值控制按情况不同亦采用不同的判据。

对采用第一种分析方法的场合,其峰)峰值控制的最大允许值为:
P1(%)=411
(P L)"-
(2)其中:P1(%))脉冲最大允许峰)峰值,以气体平均绝对压力的百分值表示;
P L)气体管线的平均绝压,MPa(A)。

对采用第二种或第三种方法分析控制脉动时,对机组的每一级,其允许脉冲峰)峰值为: P1(%)=
39711
(P L#d i#f)"-
(3)其中:d i)管线内径,mm;
f)脉冲频率,Hz;f=
n#N
60
;
N)曲轴每转的吸/排气次数频率,整数;
n)转速,r/min。

式(3)确定的P1(%)值适用于管线平均压力:0135MPa-abs[P L[20MPa-abs。

对P L< 0135MPa-abs的场合,P L直接采用管线平均压力的具体数值,此时P L<0135MPa-abs。

对P L> 20MPa-abs的场合,最大允许脉冲峰)峰值水平除式(3)确定P1(%)外,尚应校核在此峰值压力下的受压部件在循环脉冲下的峰值应力。

对于碳钢材料而言,其峰值应力(脉冲循环下)R F应符合下述控制要求:R F<180MPa。

这里的R F包含了各种应力成分,对出口管路而言,它包括了管路所受的气压一次薄膜应力,各种变形因素产生局部应力时二次应力和压力脉冲下的循环峰值应力。

对高压压缩机组而言(P L>20MPa),这一数值应
118大氮肥2001年第24卷
详细计算并对受压部件作应力强度的校核。

一般来说,P1(%)数值应控制在[2%(缓冲器后);对采用第二、三种分析方法的场合,P1 (%)的系统出口指标(气体在进入下一个工艺设备前)应控制在P1(%)[1%。

3管路振动的分析与控制
对采用第三种分析方法分析控制气流脉冲的重要场合,选型中可视工况要求对管路的振动控制提出研究要求。

振动分析同样采用数字仿真的电算方法分析研究管路的振动问题,因文献[2]对此项没有具体的规定要求,因此,选型中应根据工况和工程经验确定其选择要求。

振动分析主要由两部分组成。

第一部分是确定各管段的自振周期。

计算通常采用专用电算程序ANSYS的振动分析程序(不同于应力分析篇),用有限元的计算方法作出的。

由于管路系统的构成很复杂,特别是多数场合和现场的工程设计配管有关,因此,计算的建模和管段的单元划分工作是极为繁杂的。

通过各管段的自振动周期的计算,找出其较低的自振频率值,并对照相应的脉冲声学分析中对应管段的激振频率,找出是否存在共振的现象及其发生管段,如果存在下述情况:
019f cig[f c x c[f cig
其中:f ci g)管段的固有振频;
f c x c)脉冲激振频率。

对应管段需采取防共振措施。

通常是减小管子直段长度或设置孔板的方式予以调整,直至满足要求。

振动分析的第二部分工作是计算由气体脉冲激振力产生的动态位移和弯曲压力。

这两个数值的计算是在上述振动分析计算程序中同时完成的,其振动所用的压力脉冲值取自气流脉冲分析所得出的数值。

因尚没有对应规范规定这一项目的控制标准,目前其允许值一般定为最大激振振幅(管路系统):1mm(全振幅);振动弯曲应力:作为峰值应力来考虑校核部件应力强度。

4机组管系布置的防振考虑
机组中的气体管路是由各个部分构成的。

其中对于脉冲振动最为重要的部分是处于进出口缓冲器之间的这些管段,而远离缓冲器的管段则相对明显减弱。

为此,设计中一般使缓冲器尽量靠近缸体出口法兰。

对应这样的重要管段的危险长度为:
1)两端与容器等其它容积部件相连的管线
L H=30@C
n@N
其中:L H)管振动危险长度,m;
C)对应气体的音速,m/s;
n)曲轴每转的压缩次数(整数);
N)压缩机转速,r/min。

2)泄放阀或旁路等管线
一端封死而另一端与其它容积部件相通时,则:
L Q=
15@C
n@N
其中:L Q)管段振动危险长度,m。

一旦布置有此种长度的管线,需要调整以避免使用,并至少要求其长度上差别在?10%以上。

对缓冲器等容积设备下游的管线,因布置上差别很大,其尺寸将按管线的振动分析计算结果调整确定。

5小结
采用数字仿真的电算方法分析大型机组的气流脉冲水平及管线振动问题,是近年发展起来并逐步研究完善的先进方法,设备的设计选型中需要明确提出这方面的控制要求。

由于气体管线的振动是一个多发性的问题,在机组的设计选型中必须重视,在设备设计和管路布置中控制气流脉冲这个振动的/源0,并截住管线发生共振的这个/流0。

文献[2]作出的一定范围内的规定为设计选型提供了原则参考,其具体技术要求的提出及超出规范的内容,需要在实际选型中与制造商协商确定。

作为安全性、运行平稳性和保证长周期运行的要求,脉冲与振动问题的控制在往复式机组的设计选型中成为必要的技术项目之一。

参考文献
1西安交通大学1往复式压缩机管路的安全与防振1北京:劳动出版社
2石油、化学及天然气工业用往复式压缩机11995年版1美国石油学会标准API618
119
第2期耿卫东等1往复压缩机组的气流脉冲与振动控制。