往复压缩机气流脉动及管道振动分析_张士永

#22
#
2011年第1期(总225期)
收稿日期:2010-11-23
文章编号:1006-2971(2011)01-0022-04
往复压缩机气流脉动及管道振动分析
张士永,马 静
(沈阳远大压缩机制造有限公司,辽宁沈阳110000)
摘 要:为了提高大型往复压缩机管路系统运行的可靠性、安全性,基于转移矩阵的声学模拟分析方法,将机械领域的谐振问题转化为声学领域的问题,并借助C A ESAR II 分析软件建立工艺管道系统的数学模型,对复杂管系进行模拟分析,以获得整个工艺管系的振动特征和稳态动力响应特性。

经过多年长期深入研究,探求出新的、更准确的压缩机组管道系统脉动及振动分析方法技术。

该技术在解决很多实际压缩机工程振动问题时,获得良好的效果,同时也证明了这种方法技术对于解决复杂管系振动问题的有效性。

关键词:往复压缩机;气流脉动;管道振动;固有频率;动力响应中图分类号:TH 457 文献标志码:B
The TechnicalM ethod for Analyzing Flo w F luctuation and P ipe V ibration of Reci p rocati n g Co mpressor
ZHANG Sh-i yong ,MA Ji n g
(Sheny ang Yuanda Compressor M anufacturing Co.,L t d.Shenyang 110000,China )
A bstrac t :In order to i m prove the reli ab ility and sa fety o f the operati on o f large type rec i procati ng compressor p i ping syste m,t he resonance curves in the areas o fm echanics are converted to the i ssues i n the a reas o f acous -ti cs based on t he flo w acoustics si m u lati on ana l y si s m ethod o f transf e r m atri x.The m athem ati ca l model o f p i pe fl ow syste m is estab lished w ith the he l p of CAES AR II analysis so ft w are ,wh i ch is used to s i m u l ate and ana l yze t he comp lica ted pipe syste m and t he v i bra ti on characteristics and the steady-state dyna m ic response characte r -istics o f the w ho le techno logy p i pe syste m are ob tai ned .T he ne w er and m ore accurate techn i ca lm ethod for ana -lyzi ng pu l sati on and v ibra tion co m pressor unit p i pe system is resea rched and deve l oped .M ean w hil e ,it is used t o so l ve the v i bration prob le m s i n practi ca l co m pressor eng i neeri ng .Th i s m ethod has been ver ified to be effecti ve i n so l v i ng v i bra ti on prob le m s i n rec i procati ng com pressor unit comp licated p i pe syste m.
K ey word s :rec i pro ca ti ng compresso r ;flo w fl uct uation ;pi pe v i brati on ;natura l frequency ;dyna m ics response
1 前言
往复压缩机是石油化工工艺装置中重要的机器
设备,工艺管路系统的振动是管道设计和压缩机运行中经常遇到的问题。

压缩机管道的剧烈振动具有极大的危害性,它会降低压缩机的容积效率,减少排气量,增加功率消耗,导致气阀及控制仪表使用寿命缩短,更严重的是管道与其附件连接部位易发生松动和破裂,对装置安全、经济运行构成严重威胁。

尤其是对易燃、易爆的气体,极易发生泄漏着火或爆炸
事故。

因此控制和消减管路系统的振动问题,具有
非常重要的意义。

2 往复压缩机气体管道机械振动的原因
211 机器振动引起的管道振动
往复压缩机的振动在某种程度上也可能带动管道振动。

这类振动一般只发生在机器附近的管道,随着管道位置与机器的距离加大,管道振动很快衰减。

通常此类振动分两种情况:一种是机器自身振动带动直接相连的管道振动;另一种是压缩机主机的动力平衡性能欠佳或基础设计不良,机器的振动引起其基础振动,而管道支吊架的生根部位与基础
2011年第1期张士永,等:往复压缩机气流脉动及管道振动分析#23#
相连接,从而造成管道的振动。

上述情况是由于机器本身设计、安装或其基础的设计、施工缺陷造成的,不属于气流脉动引起的管路振动范畴,要从根本上解决问题,应从机器及其基础的设计、施工方面寻找原因,并制定相应的解决方案。

212工艺管内的气流脉动引起管道的机械振动往复压缩机的工作特点是活塞在气缸中进行周期性的往复运动,引起吸排气呈间歇性和周期性,管内气体参数,如压力、速度、密度等不但随位置变化,还随时间作周期性变化,这种现象称为气流脉动。

脉动气流遇到弯头、异径管、控制阀、盲板等元件后,将产生随时间变化的激振力,受此激振力的作用,管道产生一定的机械振动响应,此类振动可以沿着管道系统传至很远。

当激发频率与某一阶的气柱固有频率相重合时,则气柱系统呈现出最大振动响应,形成强烈的气流压力脉动,出现气柱共振现象。

同样,当某一阶激发频率与管路机械振动固有频率相重合时,则管路系统呈现出最大的振动响应,形成强烈的机械振动,发生管路机械共振现象。

当激发频率与气柱固有频率、管路机械固有频率三者相等时,则气柱和管道均处于共振状态,导致管道发生强烈振动以致无法使用。

由于往复压缩机组压力脉动始终存在,管道在允许范围内存在振动,但是,振动过于剧烈将导致管道破坏,造成严重后果。

如1976年,陕西某煤矿空压机站因集气管道振动剧烈,导致与之相连的储气罐破裂爆炸,碎片飞出数十米远,砖墙被推倒,附近门窗玻璃被震碎;1982年,吉林化学公司某厂从原联邦德国引进一套年产酒精10万t的生产装置,由于配管设计方案有误,试车72h后,放空阀处即因管道剧烈振动而断裂,乙烯气随即泄出管外立即着火,车间屋架很快烧毁(引自西交大出版社出版的5活塞压缩机气流脉动与管道振动6)。

从上面的事例说明,如果我们能事先做好整机的气流脉动和振动分析计算制定有效措施,那就能避免很多不必要的损失和重大事故的发生。

尤其是新设计的机组,必须使装置的气流脉动和管道振动得到有效的消减与控制。

3工艺气体管道振动的控制
对于往复压缩机管道气体压力脉动和管道振动的控制,国内尚无标准,目前主要参考美国石油学会的API618标准。

由于管道压力脉动和振动的大小与机器本身的设计、缓冲罐的大小等因素直接相关。

因此,API618标准也规定,管道的振动控制应主要由压缩机制造厂负责,并且规定了压缩机制造厂应做的工作和必须满足的要求。

为了压缩机装置的气流脉动和管道振动得到有效的消减与控制,API618对压缩机制造厂规定了3种分析设计方法,并要求制造厂采用其中的一种方法来进行计算和分析。

具体采用何种方法,由买卖双方协商决定。

通过3种设计方法的对比可以看出,一比一个内容更详细,要求更严格。

究竟采用哪种方法更合适,可根据API618第719141211条款图表的推荐来进行选取。

一般压缩机功率越大、出口压力越高,要求做的分析越详细、越严格。

4压缩机装置气流脉动及管路振动分析
内容
我们知道压缩机运行的好坏不单单在压缩机本身还和管路系统有关,气流脉动及管路振动分析的目的就是解决机组间的相互影响问题,它把压缩机和管路系统作为一个整体来考虑,反过来考核压缩机的可靠性。

气流脉动及管路振动分析包括以下几部分(包括机组所有的运行工况):
(1)气流压力脉动声学模拟分析;
(2)气流脉动和压力降对机组性能影响分析;
(3)管路机械系统的静力分析;
(4)管路机械系统的模态分析;
(5)管路机械系统的谐波响应分析;
(6)分析后的结论和建议性措施。

5分析研究的范围和依据
通常按照制造厂与用户签订的压缩机技术协议中规定的API618分析方法进行,对各气缸、各缓冲罐、级间管线和包括从压缩机入口上游买方第一个大容器始至压缩机出口下游买方第一个大容器止在内的所有买方的主支管线和旁路管线进行声学脉动计算,包括满负荷工况和各种部分负荷工况、各种气体条件以及单机运行、双机并联工况。

6气流脉动及管路振动分析方法
由于工艺气体介质与传输的管道机械系统之间存在相对独立性,我们将气柱的声学模拟分析和管
#24 #
压缩机技术
2011年第1期
道系统机械振动分析分别进行,然后两者进行耦合分析。

611 气流脉动分析
(a)气柱声学模拟分析采用转移矩阵方法的计算机程序。

该程序的物理基本原理是声学近似方法,将机械学领域的谐振曲线转化为声学领域的问题。

通过建立管道气流系统的数学模型,运用结构单元传递压力波动和速度波动的转移矩阵,并忽略高阶小量,将速度的波动函数以压力的波动函数来表示,使非稳态管流的微分方程线性化。

程序中假设在整个系统里气体的变幻是等熵的,并将气体分阶的看作理想气体。

通过多年实践验证,程序是有效的,它适用于当相对压力波动小于10%的情况。

(b)分析中考虑到驱动机转速变化会对压力波动产生影响,我们是以额定转数为基准,?10转为偏差的范围来进行计算以补偿压缩机性能上的(如温度、压力、工艺气体组分、摩尔质量等)微小变化,并且对每个转数进行10阶频谱分析,进而对十阶频谱矢量合成以获得相对压力脉动值。

例如一台压缩机的额定转数为n =420r /m i n ,则其计算范围为410~430r/m i n ,即以每10转为步长来划分和计算,获得其谐波分量的最大值,因此计算结论是趋于保守
和全面的。

图1 脉动幅值最大节点处随压缩机曲拐旋转360b
的压力脉动波形图
图2 脉动幅值最大节点处10阶激发频率压力脉动幅值与AP I618第719款允许值对比图
612 管路振动分析
(1)管道系统机械振动分析,我们采用得到国
际普遍认可的管道应力分析软件CAESAR II ,遵照
配管图纸以及有限元分析的边界条件建立管道系统的三维力学模型,分别进行模态分析、静力分析和动态分析,如图3。

从而获得的管系固有频率、振型、振幅和节点的应力、位移以及力矩等数据,采取有力措施以便在实际配管中避免共振,并保证管道具有足够的柔性满足API 618第719141215121511条款要求的循环应力峰-峰值应小于180M Pa 的条件。

图3
(2)在管道系统机械响应分析中所遵循的原则。

一般在机械工程中大多考虑前10阶模态对系统影响,对于往复压缩机来说,由于激发频率较低,因此管道的固有频率比激发频率越高越好,至少应该避开前3阶振型。

然而,对于较复杂管系,固有频率分布非常密集,很难使管系完全脱离共振区域,但是高阶共振的振幅较小,基频共振的振幅最大,因此我们计算前10阶模态,主要考虑避开低频前3阶的管系固有频率、气柱固有频率以及压缩机的激发频率三者发生共振可能性。

(3)管道设计振动准则。

管道振动振幅(峰-峰值)的许用值和危险值参照API6185石油、化学和气体工业设施用往复压缩机6标准五版第
7191412151214条款中的指导值。

(a)对频率低于10H z(频率10H z 也是根据I SO 10816),固定的许用振幅为015mm 峰-峰值(20m ils 峰-峰值);
(b)频率在10至200H z 之间,固定的许用振动速度约为32mm /s 峰-峰值(1125in ./s 峰-峰值)。

7 分析过程中应注意的问题
711 共振区
工程上通常把固有频率018~112倍的范围称为共振区,分析时要求激振力频率不能落在共振区间。

由于压缩机的激振频率一般是不可更改的,所
2011年第1期张士永,等:往复压缩机气流脉动及管道振动分析#25#
以要通过调整管系固有频率来避免出现共振问题。

712管道布置要求
(1)对于往复压缩机管道,应尽量沿地面敷设。

这样有利于设置管道支架,一旦出现振动问题,也比较容易增设支架和采取其它减振措施。

(2)管道的走向应考虑尽量减少弯头的数量,以减少激振力的作用,尤其是重要管段。

(3)对于连接气缸和缓冲罐的重要管段,在避开共振管长的条件下,尽可能缩短管长,使缓冲罐位置尽量靠近气缸,以消减脉动冲击。

管长愈短,消振效果愈显著。

最好是气缸进出口法兰直接与缓冲罐连接。

在无法改变重要区段的管长时,也可采用扩径的办法,一般取气缸接头管的115倍。

713防振支架设计要求
(1)往复压缩机管道系统的支架应采用防振管卡或固定支架,不能采用简单支托,更不能采用吊架;
(2)防振管卡应采用钢板制作,并且防振管卡与管道之间应垫衬一周2mm~3mm橡胶垫;
(3)若采用带管托的防振管卡,则管托必须与其生根部位焊接牢固,不能简单放置;
(4)防振支架应设独立基础,避免生根在压缩机基础、操作平台和厂房的梁柱上,以防止相互影响扩散振动;
(5)防振支架的结构和支架的生根部分应具有足够的刚度。

714给出分析结论以及建议性措施
综合分析所有计算结果,并根据API618标准中对气流脉动的相关规定,对管道系统进行评价,依据评价结果提出管道系统的设计修改建议,保障压缩机组能够满足长期平稳运行的要求。

8结束语
为了满足今后几年我国经济增长对能源的需求,国家将不断扩大能源供应能力,预计往复压缩机的应用必将是广泛的,对于往复压缩机管道压力脉动和管道振动分析与控制的研究依然具有特别重要的意义。

参考文献:
[1]活塞压缩机设计编写组.活塞压缩机设计[M].北京:机械工
业出版社,1974.
[2]郁永章.往复活塞压缩机[M].西安交通大学能动学院,2006.
[3]郁永章,孙嗣莹,陈洪俊,等.容积式压缩机技术手册[M].北
京:机械工业出版社,2000.
[4]美国石油学会API618标准.石油、化学和气体工业设施用往
复压缩机,5版[S].
[5]中国成达化学工程公司.HG21629-1999管架标准图[S].
[6]王怀义.石油化工管道安装设计便查手册[M].北京:中国石
化出版社,2007.
[7]张德姜,王怀义,刘绍叶.石油化工装置工艺管道安装设计施
工图册[M].北京:中国石化出版社,2007.
[8]AS M E B3113-2006PR OCESS PI PI NG[J].工艺管道,2007,31(5).
[9]唐永进.压力管道应力分析[M].北京:中国石化出版社,
2003.。