往復(fù)式壓縮機工藝管道振動分析及消減措施

費文普

(同煤廣發(fā)化學(xué)工業(yè)有限公司,山西 大同 037003)

引 言

往復(fù)式壓縮機作為石油、化工等生產(chǎn)系統(tǒng)中較為常用的大型設(shè)備，介質(zhì)經(jīng)過氣缸活塞運行可按照所需值提高[1]。加氫裝置往往需要在較高的壓力下進行反應(yīng)，因此會選擇往復(fù)式壓縮機提供較大的壓縮比例。限于往復(fù)式壓縮機的工作原理，所流經(jīng)的工藝介質(zhì)間斷性輸送至工藝管道中，管道中的氣體存在氣流壓力脈動(簡稱氣流脈動)[2]，因此較多的往復(fù)式壓縮機在實際運行中均出現(xiàn)出入口管線因內(nèi)部介質(zhì)產(chǎn)生的激振力激發(fā)管線振動情況。工藝管道振動起因不同，解決的方式和方法均不同。本文結(jié)合國內(nèi)某50萬t/a催化汽油加氫脫硫裝置循環(huán)氫壓縮機出入口管線振動分析及解決辦法，對分析和解決類似問題提供一定的借鑒意義。

1 基本情況介紹

國內(nèi)某煉廠新建一套50萬t/a全餾份催化汽油選擇性加氫脫硫裝置，生產(chǎn)滿足國V汽油，提高全廠的經(jīng)濟效益。該裝置由反應(yīng)和汽提兩部分組成，采用往復(fù)式壓縮機為反應(yīng)系統(tǒng)提供循環(huán)氫。裝置設(shè)計操作彈性為60%～110%，年開工時數(shù)8 400 h，原料由催化裂化裝置吸收穩(wěn)定系統(tǒng)直供進入本裝置。該裝置于2012年12月24日實現(xiàn)裝置一次性開車成功。裝置開工后循環(huán)氫壓縮機出入口壓縮緩沖罐直聯(lián)管線存在振動情況，最大振動幅度達到40 mm/s。帶動相連鋼結(jié)構(gòu)和管道支撐框架同樣振動。長時間高幅振動極易導(dǎo)致焊口撕裂，成為急需解決的重大安全隱患。

2 原因分析

往復(fù)式壓縮機產(chǎn)生的氣流脈動流經(jīng)彎頭、閥門、變徑管、合流等部位時將產(chǎn)生隨時間周期性變化的激振力，該激振力將觸發(fā)管系的機械振動響應(yīng)，因此通常認為氣流脈動是管道在非機械外力作用下的內(nèi)因。往復(fù)式壓縮機產(chǎn)生的管道振動是多因素共同作用下產(chǎn)生的表觀現(xiàn)象。通常按照其作用機理可分為以下四種：1) 往復(fù)式壓縮機自身動不平衡導(dǎo)致出入口管線隨機體振動；2) 由于氣流脈動影響產(chǎn)生的氣柱振動；3) 氣柱壓力脈動與管道固有頻率相近產(chǎn)生的共振；4) 由于管道上單向閥等節(jié)流元件間斷性開閉導(dǎo)致的管道振動[3]。通常1)和4)較容易判斷和解決。而2)和3)相對較難判斷和解決。通過實際測量，已經(jīng)排除了1)作用機理的原因，初步懷疑為氣流脈動產(chǎn)生的氣柱振動與管道固有頻率相近導(dǎo)致共振加之流經(jīng)單向閥節(jié)流元件導(dǎo)致管道振動加劇。

2.1 管道布置引起管線振動

從第162頁圖1可以看出，壓縮機出口富余的循環(huán)氫流經(jīng)控制閥組和單向閥與經(jīng)循環(huán)氫脫硫塔脫硫后的循環(huán)氫合流進入到壓縮機入口分液罐中，壓縮機分液罐頂部經(jīng)水平管道進入到循環(huán)氫壓縮機入口緩沖罐。

壓縮機出入口管道振動最大位置主要集中在循環(huán)氫合流位置，該處振動最大振幅達到40 mm/s。該位置振動連帶著框架、支撐和相關(guān)聯(lián)管道振動。

從管道布置上看，壓縮機出口富余的循環(huán)氫經(jīng)與脫硫后循環(huán)氫合流前需經(jīng)過單向閥，而單向閥作為節(jié)流元件易改變流體流通狀態(tài)，此外該流程管道支撐設(shè)置較少，相鄰支撐跨度較大，在激振力作用下管線容易振動，并且較少的限位支撐導(dǎo)致管道的固有頻率較小，若激振頻率與管道固有頻率相近時極易引發(fā)共振。

圖1 流程示意圖

2.2 設(shè)計偏離產(chǎn)生管線振動的疊加

催化汽油選擇性加氫脫硫裝置循環(huán)氫壓縮機采用兩臺沈陽遠大制造2D80-74/16-28型往復(fù)式壓縮機，單機設(shè)計氣量為66 000 m3/h，按照一開一備進行操作。由于裝置設(shè)計條件較為苛刻，實際運行時氫油比較小，操作條件較為緩和。因此，實際生產(chǎn)中實際循環(huán)氫量僅為單機設(shè)計氣量的70%～80%，約有20 000 m3/h左右的富余氫氣通過返回線返回至壓縮機入口。大量的氫氣返回至壓縮機入口管線，振動最大位置就是循環(huán)氫合流位置。兩種氣流脈動相疊加促使管道振動進一步加劇。

3 消振措施

3.1 增加防振支架

如上文所述，管線布置時應(yīng)當(dāng)充分考慮優(yōu)化布置，合理配置防振支架。按照《HG/T 21629-1999雙排螺栓壓緊管卡和高壓減振管托》中相關(guān)要求。往復(fù)壓縮機管道系統(tǒng)的支架應(yīng)采用防振管卡或固定支架，不能采用簡單支托，更不能采用吊架。防振管卡應(yīng)采用扁鋼制作，并且防振管卡與管道之間應(yīng)墊襯一周2 mm～3 mm橡膠墊。防振支架應(yīng)設(shè)獨立基礎(chǔ)，具有足夠的剛度，避免生根在壓縮機基礎(chǔ)、操作平臺和廠房的梁柱上，以防止相互影響擴散振動。

增加防振支架措施一定程度上對工藝管線位移進行限制，適當(dāng)改變了管道的固有頻率。實際改造中在圖1中安裝了3處防振支架。但如上文所述，管系振動的振源來自于管道內(nèi)介質(zhì)氣流脈動和合流后沖擊造成的管線振動，增加限位器和防振支架僅表觀上消減了管道局部振動幅度，振源產(chǎn)生的能量仍需在其它部位釋放，因此不會從根本上解決問題[4]。

3.2 增加孔板消減氣流脈動影響

因氣流脈動是造成管道振動的內(nèi)因，因此通過對管線安裝防振支架只能緩解不能從根本上消除氣流脈動的影響。在管線合適位置安裝孔板可消減氣流脈動影響，避免管道內(nèi)介質(zhì)形成脈動氣柱。通常認為孔板應(yīng)安裝在較大容器的入口處。孔板是將氣體在其前面形成局部高壓。從聲學(xué)角度分析，孔板是將氣體運動行徑油柱形波改為行波，形成波動的無條件反射，從而減緩脈動產(chǎn)生的振幅增益[2]。經(jīng)與設(shè)計單位討論，在一級進氣緩沖罐入口法蘭處增加限流孔板，減緩介質(zhì)脈沖輸送帶來管線震蕩振幅，在裝置正常生產(chǎn)期間，將壓縮機單獨隔離吹掃完成，可以實現(xiàn)在線安裝孔板。孔板安裝完成后，一定程度上減緩了工藝介質(zhì)周期性間斷輸送引發(fā)的激振影響。

3.3 增加無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)

為了徹底消除20 000 m3/h余氫對返回線合流位置沖擊影響，經(jīng)與設(shè)計單位溝通，考慮對其中一臺循環(huán)氫壓縮機進行改造，增加一套HydroCOM氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)。該無極氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括：液壓執(zhí)行機構(gòu)HA(Hydraulic Actuator)、專用進氣閥的卸荷器、CIU控制單元、專用油站HU等多部件組成。理論上可實現(xiàn)壓縮機0%～100%負荷范圍內(nèi)的無級調(diào)節(jié)。對循環(huán)氫壓縮機出入口壓力進行自動控制，系統(tǒng)可根據(jù)壓力輸入值自動跟蹤并穩(wěn)定此壓力，并進行自動控制，保證壓縮機處于最佳壓比下運行。裝置運行期間，對其中一臺循環(huán)氫壓縮機進行吹掃和隔離，安裝無極調(diào)節(jié)系統(tǒng)，經(jīng)實際使用，可以實現(xiàn)余氫零返回。降低冷卻器的負荷和保證壓縮機最佳工況下運行的同時，降低旁通回流帶來的負面影響，基本解決管線的振動問題，經(jīng)實際測量循環(huán)氫合流位置振動幅度降低至4 mm/s～6 mm/s，滿足API相關(guān)標準的要求。

4 結(jié)論

50萬t/a選擇性催化汽油加氫脫硫裝置出入口管道振動原因為氣流脈動產(chǎn)生的氣柱振動與管道固有頻率相近產(chǎn)生共振加之流經(jīng)單向閥節(jié)流元件導(dǎo)致管道振動加劇。通過增加防振支架改變管道的固有

頻率、增加孔板消減氣流脈動的激振影響和循環(huán)氫壓縮機增加無極調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)余氫零返回消除合流的氣流脈動引發(fā)的振動疊加，循環(huán)氫出入口管線振動情況得到有效控制，最大振動位置振幅由40 mm/s降低至4 mm/s～6 mm/s，減振效果明顯。