離心式LNG壓縮機出口管路振動問題分析及解決方案

馮浩

摘 要：近年來，我國的工業(yè)化進程有了很大進展，對離心式壓縮機的應(yīng)用也越來越廣泛。離心式壓縮機具有適用性強、安裝使用方便等特點，被廣泛應(yīng)用于化工、煉油等工業(yè)生產(chǎn)中，發(fā)揮著很好的作用。某項目LNG離心壓縮機，負荷運行發(fā)現(xiàn)壓縮機驅(qū)動端軸振動值在42～62u間波動、非驅(qū)動端軸振動值26～33u間波動、二段出口管路振動。本文通過信息分析確定排查方向，對核算結(jié)果進行復(fù)查后判定振動原因，根據(jù)振動原因的分析給出處理建議，作出相應(yīng)處理后機組一直平穩(wěn)運行。

關(guān)鍵詞：離心壓縮機;出口管路;振動

引言

離心式壓縮機管道振動產(chǎn)生的原因包括壓縮機機組轉(zhuǎn)子與定子不對中、運動部件質(zhì)量不平衡、管道內(nèi)流體激振等，其中管道內(nèi)氣流激振是主要原因。

1 離心壓縮機的工作原理

介質(zhì)氣在通過高速旋轉(zhuǎn)的葉輪時，在離心力的作用下，一方面壓力得到提升，另一方面速度也得到極大增加，原動機的機械能轉(zhuǎn)變成氣體的靜壓能和動能。此后，氣體流經(jīng)擴壓器通道時流道截流面積逐漸增大，前面氣體流速降低，后面的氣體又不斷涌向前，使氣體的動能進一步轉(zhuǎn)換成靜壓能，達到最終的增壓目的。

2 設(shè)計信息

機組為兩段7級，電機驅(qū)動，齒輪箱增速，采用公共底座。壓縮機工作轉(zhuǎn)速8144r/min，一段進氣壓力0.275MPa（A），溫度40℃，流量71561Nm3/h，二段出口壓力4.1MPa（A），溫度125.6℃，流量67856Nm3/h，中間沒有抽加氣。

3 振動原因判定

離心壓縮機在正常運行過程中通常都會發(fā)生輕微振動，但如果振動幅度和聲音過大，則壓縮機可能出現(xiàn)了嚴重故障。離心壓縮機在小流量運行狀態(tài)下葉輪和擴壓器的流道內(nèi)氣體會產(chǎn)生一定的渦流，渦流的消失和產(chǎn)生會引起流道時通時堵的問題。如果壓縮機及管網(wǎng)系統(tǒng)的氣體反復(fù)出現(xiàn)倒流和正流，并引起整個系統(tǒng)的周期性低頻和大振幅氣流振蕩，則說明壓縮機出現(xiàn)了喘振現(xiàn)象。這種現(xiàn)象具有一定的危害性，其會使壓縮機機組發(fā)生猛烈振動，并損壞軸承等組件，甚至可能會引發(fā)設(shè)備停車等嚴重故障。離心壓縮機因為內(nèi)部氣體無法正常排出而產(chǎn)生的振動一般是由實際負載低于規(guī)定范圍引起的。

4 管路振動分析及處理建議

4.1 管道內(nèi)介質(zhì)流速超標問題

由于管道內(nèi)介質(zhì)流速高，對管路造成一定沖擊，建議將二段出口管路由DN250更改為DN300;第一個直管段較短，經(jīng)驗上高溫高壓氣體在700mm短的通道內(nèi)極速改變流動方向，不利于穩(wěn)定運行，建議將第一個直管段由700mm更改為1000mm以上。更改后，壓縮機整體受理校核結(jié)果：2FC+MC=112.07。核算結(jié)果雖然略高于API617規(guī)范要求，但根據(jù)以往設(shè)計經(jīng)驗，可以滿足安全穩(wěn)定運行。

4.2 加強設(shè)備內(nèi)部氣體的控制

壓縮機內(nèi)部氣體的控制關(guān)系到壓縮機啟動之后能否順利進行自動加載，因此，加強壓縮機內(nèi)部氣體控制是保證設(shè)備正常運行、減少設(shè)備喘振的重要措施。一般來說，壓縮機內(nèi)部的氣體循環(huán)包括熱氣循環(huán)、冷氣循環(huán)以及熱氣加冷氣的旁通循環(huán)三種。加強對著三種循環(huán)的控制就是常用的氣體控制方法。具體來說，熱氣循環(huán)控制就是設(shè)備的內(nèi)部穩(wěn)定接近危險值時，把壓縮機的內(nèi)部氣體由出口向入口進行循環(huán)并增大流量，從而起到控制氣體的功效。冷氣循環(huán)是把壓縮機內(nèi)部的氣體由入口向出口進行循環(huán)并提升壓縮機流量的方法。熱氣加冷氣的旁通循環(huán)則可以充分結(jié)合兩種循環(huán)的優(yōu)勢，從而實現(xiàn)更好的氣體控制效果。

4.3 喘振

喘振是壓縮機的危險工況，目前所有壓縮機都設(shè)有防喘振控制畫面，較好判斷，要注意的是工藝工況調(diào)節(jié)時要避免運行點落入喘振區(qū)。

4.4 管路支撐不達標問題

①現(xiàn)場4個管道的支架均生根到一個結(jié)構(gòu)梁上。由于管道內(nèi)介質(zhì)是動態(tài)的，因此管道不可避免的會隨著介質(zhì)的流動發(fā)生一定的振動情況。如果所有管道均生根在1個結(jié)構(gòu)梁上，振動會隨著結(jié)構(gòu)梁傳動，造成管路振動加劇。根據(jù)相關(guān)振動理論，振動會向整個結(jié)構(gòu)中剛度最低的系統(tǒng)進行傳遞，結(jié)合該項目的具體情況，振動一定會向末段出氣管路傳遞。因此建議將4個彈簧支架單獨做鋼結(jié)構(gòu)進行支撐，避免管道之間互相影響。理論核算龍門支架會發(fā)生一定變形，實際同樣發(fā)生了一定變形。其中4個彈簧支撐的作用點變形量分別為：一段進氣支撐—0.203mm，一段出氣支撐—0.179mm，二段進氣支撐—0.481mm，二段出氣支撐—0.477mm。而根據(jù)計算的4個彈簧在工作狀態(tài)的變形量分別為：一段進氣彈簧變形量—0.113mm，一段出氣彈簧變形量0.092mm，二段進氣彈簧變形量0.375mm，二段出氣彈簧變形量1.091mm。生根變形量帶入模型重新進行了計算，此時4個彈簧支撐發(fā)生了脫空現(xiàn)象，即由于彈簧支撐的生根梁發(fā)生了變形，造成4個彈簧支撐未能起到設(shè)計時的預(yù)期。建議將門型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)置斜撐以增加支撐剛度，如果條件允許，最好在橫梁中部設(shè)置立柱防止橫梁發(fā)生變形。②壓縮機各進出氣風筒外側(cè)第一個豎直管下方設(shè)計了4個彈簧限位支架，設(shè)計期望通過限位，實現(xiàn)管道由于溫度產(chǎn)生的荷載不會傳遞至壓縮機上。而現(xiàn)場實際也是通過一個門型鋼結(jié)構(gòu)支架以實現(xiàn)限位作用。同樣根據(jù)現(xiàn)場提供的鋼結(jié)構(gòu)型號進行了力學計算。實際4個限位荷載點的變形量分別為：一段進氣8.741mm，一段出氣6.798mm，二段進氣9.743mm，二段出氣9.367mm。而根據(jù)設(shè)計時的管路應(yīng)力分析結(jié)果，這4個點的溫度變形分別為（限位支架）：一段進氣：0.968mm，一段出氣6.399mm，二段進氣1.359mm，二段出氣6.372mm。在限位荷載的作用下，限位鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生的變形量大于溫度變形，該鋼結(jié)構(gòu)未能起到設(shè)計預(yù)期的限位作用。建議在限位橫梁鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)立面之間增設(shè)剛性支撐，減小限位鋼結(jié)構(gòu)的支腿變形。并在限位支腿處4個方向設(shè)置斜拉筋，防止限位鋼板發(fā)生變形。同時，將限位支腿鋼板與鋼結(jié)構(gòu)橫梁之間的間隙利用橡膠或鋼板填塞，同時利用螺栓緊固，確保鋼板與橫梁之間無間隙。（3）根據(jù)上述現(xiàn)場實際的情況進行了應(yīng)力分析，建立模型與現(xiàn)場實際的情況保持一致，校核結(jié)果：2FC+MC=240.56，超出API要求值，故得出結(jié)論，壓縮機組的振動應(yīng)該是由于管路作用在壓縮機各進出氣風筒法蘭上荷載的合力、合力矩超出了標準2.4倍要求。而該荷載較大的原因是由于現(xiàn)場的支架生根剛度不足，沒有實現(xiàn)設(shè)計預(yù)期的效果造成的。更改后所有支架符合計算模型要求時，整機校核結(jié)果：2FC+MC=100.34，雖然也略超出規(guī)范要求，但根據(jù)以往設(shè)計經(jīng)驗，可以滿足壓縮機的正常運轉(zhuǎn)要求。

結(jié)束語

綜上所述，該壓縮機組發(fā)生振動原因：管路應(yīng)力、管路支撐設(shè)計不達標，實際管路支撐安裝存在一定問題。氣流對管路存在一定沖擊，氣流頻率與管路固有頻率接近，容易引發(fā)共振問題造成管路振動偏大，引發(fā)壓縮機振動。管路應(yīng)力不達標，導致管路管口對壓縮機風筒作用載荷變大，隨壓力溫度的提升效果更佳劇烈，管路管口對壓縮機整機反作用載荷超標造成管路振動大，引發(fā)壓縮機振動。管路支撐設(shè)計存在問題及實際支撐安裝存在問題，管路內(nèi)介質(zhì)氣高速流動，管路不能得到充分的支撐或限位，管路易發(fā)生振動，引發(fā)壓縮機振動。

參考文獻

[1]API617-2002石油化學和氣體工業(yè)用軸流離心壓縮機及膨脹機-壓縮機.

[2]蒲曉艷，田峰，田曉萍.煤化工離心式壓縮機故障原因及處理方法[J].化工管理，2018，493（22）：143-144.

[3]丁繼超，何立東，冀沛堯，等.富氣壓縮機管線的阻尼減振應(yīng)用[J].化工進展，2018，37（增刊1）：229-234.