二氧化碳?jí)嚎s機(jī)管路振動(dòng)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?jí)嚎s機(jī)管路振動(dòng)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?jí)嚎s機(jī)一級(jí)進(jìn)氣管路運(yùn)行中存在氣流脈動(dòng)及管道振動(dòng)現(xiàn)象，對(duì)其建立了氣流脈動(dòng)和振動(dòng)模態(tài)分析模型，進(jìn)行管路內(nèi)脈動(dòng)激振力和管路結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，經(jīng)過(guò)優(yōu)化分析設(shè)計(jì)，并提出解決方案。

壓縮機(jī) ； 氣流脈動(dòng) ； 管道振動(dòng) ； 分析

0 前言

公司二氧化碳?jí)嚎s機(jī)一級(jí)進(jìn)氣管路系統(tǒng)存在氣流脈動(dòng)及管道振動(dòng)現(xiàn)象，對(duì)其進(jìn)行分析研究，并提出控制振動(dòng)的優(yōu)化方案。與優(yōu)化前相比，優(yōu)化后的進(jìn)氣管路振動(dòng)情況大為改善，滿足正常生產(chǎn)需求。

本文分析方法遵循API618第5版標(biāo)準(zhǔn)中7.9款推薦的近似設(shè)計(jì)方法3進(jìn)行分析。其中，氣流脈動(dòng)分析主要依據(jù)平面波動(dòng)理論，采用美國(guó)Bentley公司脈動(dòng)專(zhuān)用分析軟件PULS進(jìn)行建模計(jì)算；管路振動(dòng)分析采用振動(dòng)分析專(zhuān)用軟件CAESARⅡ進(jìn)行建模計(jì)算。

1 系統(tǒng)振動(dòng)情況介紹

低溫甲醇洗單元同時(shí)運(yùn)行4臺(tái)二氧化碳?jí)嚎s機(jī)，五級(jí)壓縮，額定轉(zhuǎn)速300 r/min，氣缸作用形式為雙作用。其中C-4001A機(jī)組安裝氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，2016年2月22日開(kāi)始運(yùn)行，在95%負(fù)荷下運(yùn)行，未發(fā)現(xiàn)異常；負(fù)荷降到85%時(shí)，未出現(xiàn)明顯振動(dòng)；負(fù)荷降至75%時(shí)，一級(jí)前水分離器到壓縮機(jī)一級(jí)入口緩沖罐間的管道振動(dòng)較大。當(dāng)前主要運(yùn)行在81%負(fù)荷狀態(tài)，進(jìn)氣管道、一級(jí)前水分離器和一級(jí)進(jìn)氣緩沖器振動(dòng)較大。

2 氣流脈動(dòng)分析

往復(fù)壓縮機(jī)管道振動(dòng)的主要根源之一是氣流脈

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

該二氧化碳?jí)嚎s機(jī)一級(jí)進(jìn)氣管路系統(tǒng)流程為：二氧化碳?xì)怏w由總管路進(jìn)入一級(jí)前水分離器，流經(jīng)一級(jí)進(jìn)氣管路進(jìn)入一級(jí)進(jìn)氣緩沖器，最后進(jìn)入一級(jí)進(jìn)氣氣缸。當(dāng)前在一級(jí)前水分離器入口設(shè)置孔徑為280 mm孔板，一級(jí)進(jìn)氣緩沖器入口法蘭處設(shè)置孔徑為240 mm孔板。

根據(jù)壓縮機(jī)運(yùn)行負(fù)荷調(diào)節(jié)狀態(tài)，分別按100%、95%、85%、81%、75%5種工況進(jìn)行氣流脈動(dòng)分析。

2.1氣流脈動(dòng)分析模型

脈動(dòng)模擬時(shí)，該一級(jí)進(jìn)氣管路系統(tǒng)具體模型如圖1所示。

圖1 1#進(jìn)氣管路脈動(dòng)分析模型

2.2氣流脈動(dòng)計(jì)算結(jié)果

在調(diào)節(jié)負(fù)荷工況下，對(duì)1#進(jìn)氣管線進(jìn)行氣流脈動(dòng)分析計(jì)算，從計(jì)算結(jié)果中提取出現(xiàn)較大脈動(dòng)值和激振力的概況如表1所示。

2.3氣流脈動(dòng)評(píng)價(jià)

①氣柱固有頻率。通過(guò)計(jì)算，1#進(jìn)氣管線發(fā)生二階氣柱低階共振。②脈動(dòng)抑制裝置滿足API技術(shù)要求的情況。

表1 分析結(jié)果概況1#進(jìn)氣管線

根據(jù)規(guī)定的一級(jí)進(jìn)氣緩沖器的容積V0=6.079 m3，實(shí)際一級(jí)進(jìn)氣緩沖器容積V1=3.047 m3，實(shí)際值占規(guī)定值的50%，由于小于規(guī)定值，需要根據(jù)詳細(xì)脈動(dòng)計(jì)算判斷系統(tǒng)內(nèi)的脈動(dòng)水平是否滿足規(guī)范。在給定工況下，壓縮機(jī)氣缸法蘭處的脈動(dòng)水平數(shù)據(jù)和結(jié)論如表2所示。

表2 氣缸法蘭處脈動(dòng)評(píng)估

注：氣缸法蘭處脈動(dòng)允許值為6.5%。

3 管道振動(dòng)分析

3.1管道分析模型圖

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

3.2管路模態(tài)分析報(bào)告結(jié)果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，管路的第1階固有頻率與壓縮機(jī)激發(fā)頻率的4倍接近，第2階固有頻率與壓縮機(jī)激發(fā)頻率的8倍接近，管路容易產(chǎn)生低階共振。

圖2 一級(jí)進(jìn)氣管路系統(tǒng)振動(dòng)分析模型

3.3振動(dòng)位移分析結(jié)果

計(jì)算的動(dòng)態(tài)響應(yīng)位移與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量響應(yīng)位移對(duì)比如表3所示。

表3 振動(dòng)位移計(jì)算值與測(cè)量值對(duì)比

從計(jì)算結(jié)果和測(cè)量值對(duì)比結(jié)果看，節(jié)點(diǎn)10和80間管道的振動(dòng)位移趨勢(shì)近似。

3.4管道振動(dòng)分析綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)上述數(shù)據(jù)，對(duì)管道系統(tǒng)動(dòng)態(tài)振動(dòng)綜合評(píng)價(jià)如下：①管路的第一階固有頻率與壓縮機(jī)激發(fā)頻率的4倍接近，第二階固有頻率與壓縮機(jī)激發(fā)頻率的8倍接近。可以認(rèn)為管路的固有頻率與激發(fā)基頻的倍頻接近，引起管路結(jié)構(gòu)共振，導(dǎo)致管路振動(dòng)。②管道系統(tǒng)振動(dòng)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(dòng)優(yōu)化

①縮小一級(jí)進(jìn)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(shí)，各調(diào)節(jié)負(fù)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(jié)構(gòu)優(yōu)化

在進(jìn)氣立管上增加一處支架，新增支架約束X方向，距離一級(jí)前水分離器法蘭面1 200 mm，在主管兩側(cè)焊接DN150支耳，支耳用防振管夾限制，支撐結(jié)構(gòu)采用斜撐支架。振動(dòng)情況對(duì)比如表5所示。

表5 管路結(jié)構(gòu)振動(dòng)對(duì)比

在進(jìn)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(jìn)氣管路振動(dòng)情況大為改善，滿足正常生產(chǎn)需求。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)管路進(jìn)行氣流脈動(dòng)和管道振動(dòng)分析，找到了管路振動(dòng)的主要原因是管路內(nèi)低階氣柱固有頻率接近激發(fā)主頻率，管路內(nèi)脈動(dòng)激振力較大，再加上管路結(jié)構(gòu)固有頻率與激發(fā)頻率靠近，發(fā)生了氣柱共振和管路結(jié)構(gòu)低階共振。通過(guò)優(yōu)化管路內(nèi)孔板尺寸及位置，增加支撐結(jié)構(gòu)，改變了管路內(nèi)的氣柱固有頻率，同時(shí)提高了管路結(jié)構(gòu)的固有頻率，有效避免了共振發(fā)生，管路的振動(dòng)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(shè)計(jì)及尿素工藝研究工作,E-mail：470004308@qq.com。