二氧化碳壓縮機管路振動原因分析與優(yōu)化

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(河南心連心化肥有限公司 ， 河南 新鄉(xiāng) 453731)

二氧化碳壓縮機管路振動原因分析與優(yōu)化

荊恒鑄，孔凡楊

(河南心連心化肥有限公司 ， 河南 新鄉(xiāng) 453731)

二氧化碳壓縮機一級進氣管路運行中存在氣流脈動及管道振動現象，對其建立了氣流脈動和振動模態(tài)分析模型，進行管路內脈動激振力和管路結構模態(tài)分析，經過優(yōu)化分析設計，并提出解決方案。

壓縮機 ； 氣流脈動 ； 管道振動 ； 分析

0 前言

公司二氧化碳壓縮機一級進氣管路系統(tǒng)存在氣流脈動及管道振動現象，對其進行分析研究，并提出控制振動的優(yōu)化方案。與優(yōu)化前相比，優(yōu)化后的進氣管路振動情況大為改善，滿足正常生產需求。

本文分析方法遵循API618第5版標準中7.9款推薦的近似設計方法3進行分析。其中，氣流脈動分析主要依據平面波動理論，采用美國Bentley公司脈動專用分析軟件PULS進行建模計算；管路振動分析采用振動分析專用軟件CAESARⅡ進行建模計算。

1 系統(tǒng)振動情況介紹

低溫甲醇洗單元同時運行4臺二氧化碳壓縮機，五級壓縮，額定轉速300 r/min，氣缸作用形式為雙作用。其中C-4001A機組安裝氣量無級調節(jié)系統(tǒng)，2016年2月22日開始運行，在95%負荷下運行，未發(fā)現異常；負荷降到85%時，未出現明顯振動；負荷降至75%時，一級前水分離器到壓縮機一級入口緩沖罐間的管道振動較大。當前主要運行在81%負荷狀態(tài)，進氣管道、一級前水分離器和一級進氣緩沖器振動較大。

2 氣流脈動分析

往復壓縮機管道振動的主要根源之一是氣流脈

動，控制壓縮機管道系統(tǒng)內的壓力脈動，使之處于允許范圍之內，是解決管道振動的有效途徑。

該二氧化碳壓縮機一級進氣管路系統(tǒng)流程為：二氧化碳氣體由總管路進入一級前水分離器，流經一級進氣管路進入一級進氣緩沖器，最后進入一級進氣氣缸。當前在一級前水分離器入口設置孔徑為280 mm孔板，一級進氣緩沖器入口法蘭處設置孔徑為240 mm孔板。

根據壓縮機運行負荷調節(jié)狀態(tài)，分別按100%、95%、85%、81%、75%5種工況進行氣流脈動分析。

2.1氣流脈動分析模型

脈動模擬時，該一級進氣管路系統(tǒng)具體模型如圖1所示。

圖1 1#進氣管路脈動分析模型

2.2氣流脈動計算結果

在調節(jié)負荷工況下，對1#進氣管線進行氣流脈動分析計算，從計算結果中提取出現較大脈動值和激振力的概況如表1所示。

2.3氣流脈動評價

①氣柱固有頻率。通過計算，1#進氣管線發(fā)生二階氣柱低階共振。②脈動抑制裝置滿足API技術要求的情況。

表1 分析結果概況1#進氣管線

根據規(guī)定的一級進氣緩沖器的容積V0=6.079 m3，實際一級進氣緩沖器容積V1=3.047 m3，實際值占規(guī)定值的50%，由于小于規(guī)定值，需要根據詳細脈動計算判斷系統(tǒng)內的脈動水平是否滿足規(guī)范。在給定工況下，壓縮機氣缸法蘭處的脈動水平數據和結論如表2所示。

表2 氣缸法蘭處脈動評估

注：氣缸法蘭處脈動允許值為6.5%。

3 管道振動分析

3.1管道分析模型圖

根據壓縮機圖紙及管路圖，建立管路系統(tǒng)的完整振動分析模型。模型如圖2所示。

3.2管路模態(tài)分析報告結果

根據計算結果，管路的第1階固有頻率與壓縮機激發(fā)頻率的4倍接近，第2階固有頻率與壓縮機激發(fā)頻率的8倍接近，管路容易產生低階共振。

圖2 一級進氣管路系統(tǒng)振動分析模型

3.3振動位移分析結果

計算的動態(tài)響應位移與現場測量響應位移對比如表3所示。

表3 振動位移計算值與測量值對比

從計算結果和測量值對比結果看，節(jié)點10和80間管道的振動位移趨勢近似。

3.4管道振動分析綜合評價

根據上述數據，對管道系統(tǒng)動態(tài)振動綜合評價如下：①管路的第一階固有頻率與壓縮機激發(fā)頻率的4倍接近，第二階固有頻率與壓縮機激發(fā)頻率的8倍接近。可以認為管路的固有頻率與激發(fā)基頻的倍頻接近，引起管路結構共振，導致管路振動。②管道系統(tǒng)振動位移超出API618規(guī)范要求。

4 管路系統(tǒng)改造方案

4.1管路氣流脈動優(yōu)化

①縮小一級進氣緩沖器入口法蘭處孔板的孔徑。管徑規(guī)格為D488 mm×10 mm，孔徑比取0.42，孔徑205 mm，孔板厚度取10 mm。②孔板壓降。孔徑比取0.42時，各調節(jié)負荷工況下孔板處壓降如表4所示。

表4 孔板壓降

4.2管路結構優(yōu)化

在進氣立管上增加一處支架，新增支架約束X方向，距離一級前水分離器法蘭面1 200 mm，在主管兩側焊接DN150支耳，支耳用防振管夾限制，支撐結構采用斜撐支架。振動情況對比如表5所示。

表5 管路結構振動對比

在進氣立管處增加支架，提高管路的固有頻率，有效避免了共振發(fā)生，優(yōu)化后的進氣管路振動情況大為改善，滿足正常生產需求。

5 結論

通過對管路進行氣流脈動和管道振動分析，找到了管路振動的主要原因是管路內低階氣柱固有頻率接近激發(fā)主頻率，管路內脈動激振力較大，再加上管路結構固有頻率與激發(fā)頻率靠近，發(fā)生了氣柱共振和管路結構低階共振。通過優(yōu)化管路內孔板尺寸及位置，增加支撐結構，改變了管路內的氣柱固有頻率，同時提高了管路結構的固有頻率，有效避免了共振發(fā)生，管路的振動情況均滿足API618的要求。

TQ050.7

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1003-3467(2017)09-0047-03

2017-05-15

荊恒鑄(1988-),男,助理工程師,從事化工設計及尿素工藝研究工作,E-mail：470004308@qq.com。