往复压缩机气流脉动及管道振动分析_张士永

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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