大型空分裝置配套空壓機放空管道振動研究

孟 強，張 麗

（1.鞍鋼集團工程技術有限公司；2.鞍山師范學院，遼寧鞍山 114021）

前言

空壓機是空分裝置的主要動力設備，空氣經過空壓機壓縮、凈化、換熱等工序后進入分餾塔進行空氣分離。大型空壓機采用離心式壓縮機，為了防止離心式壓縮機喘振一般都設置防喘振放空閥，通過管道和消音器將壓縮空氣排向大氣，防止發生喘振。大型空分裝置調試階段需要開啟空壓機小流量吹掃和置換，有很大一部分空氣將通過防喘振閥長時間放空。由于管道和流量的不匹配造成管道振動超標，鞍鋼工程技術有限公司結合工程實際和理論模擬進行了大量的研究和改進，對管道振動的成因進行了科研攻關，提出了一種消除管道振動切實可行的方法，并取得了良好的效果。為同類放空管道的設計提供參考。

1 空壓機放空管道振動

1.1 放空管道參數及布置

某空壓機的排氣量為30 萬m3/h，排氣壓力為0.58 MPa，空壓機出口管道為DN1400，放空管道為DN600，放空閥為DN500，經過放空閥后管徑變成DN1200，然后經消音器放空，消音器的入口為DN500。

空壓機采用立式冷卻器布置，不設置后冷卻器，空壓機排氣溫度約為100 ℃，放空管道是從排氣管道的上部接出。

1.2 放空管道振動

從力學角度考慮管系布置合理，通過CAESA?RII 應力分析軟件，計算空壓機出口的力和力矩滿足要求，現場按照圖紙施工完畢，檢測和試壓合格后，開始試車，準備提供吹掃空分管線的壓縮空氣。

空壓機啟動后經過調試后可以實現滿負荷輸出，當放空量加大后放空管道振動劇烈，特別是放空閥前后的振動更大，放空閥的儀表管由于振幅過大而損壞，現場發出強烈的噪音。

2 放空管道振動原因分析

空壓機放空管道的振動一般是由放空閥局部強烈渦流引起的，在放空閥前后的管道震動強烈。管系的布置不合理、氣體流速太快等會造成氣體的邊界層分離，從而造成管道內壁局部真空，在周期性的壓力波動的情況下管道會發生強烈振動。

對于上述的振動情況，采用ANSYS Fluent 軟件對放空管道內的流體進行了模擬分析，首先模擬放空閥前管道為DN600 時的管道內流體的分布情況，如圖1 所示，模擬結果顯示放空閥的直管道及彎頭部分壓力分布極其不均勻，出現了嚴重的邊界層分離，管壁受周期性的力和力矩的作用，造成管道的強烈振動。然后將放空閥前管道改成DN800 時模擬管道內流體的分布情況，如圖2所示，管道內及直觀到內流體分布均勻，沒有出現明顯的邊界層分離等，說明流體流動接近層流狀態。

圖1 放空閥前DN600的流體模擬

圖2 放空閥前DN800的流體模擬

根據上述模擬結果分析認為空壓機放空閥前的DN600 的管道偏小，放空閥前的直管段內壓力分布特別不均勻，出現了嚴重的邊界層分離，也就是說放空閥前的直管段也是振源。

3 放空管道消除振動的改進方法

通過上述分析將放空閥前管道改成DN800，并調整了管道的走向，并用CAESARII 應力分析軟件對管系進行了重新的計算和校核，空壓機的出口的力和力矩滿足要求，具體如圖3 所示。管系走向改變后又通過ANSYS Fluent 軟件對流場進行了模擬分析，具體如圖4所示，流體分布均勻。

圖3 放空閥前DN800的應力分析模型

圖4 放空閥前DN800的流場分析模型

從理論上模擬分析，放空管道的振動會得到有效的緩減，集合工程實際，給出了最終的改進方法：將放空閥前的管道由DN600 改為DN800，管道走向改變，增加方形補償，放空閥所在的管道標高由3.21 m 降到1.3 m，放空閥往后移1.4 m，并在放空閥前后設置強有力的約束，采用加大混凝土基礎的體積，增加支架型鋼的截面，采用加寬加厚的帶鋼來連接管道和支架。這樣設計的目的一是通過改進流體的流態減少振動源的能量，二是通過加強外部對管系的約束減少管道的振幅，減少對管道附件的破壞力。具體的施工布置圖如圖5所示。

圖5 放空閥前DN800的施工平面布置圖

4 放空管道改造后的效果

經過擴大放空閥前的管徑，改變放空閥前管道走向，降低放空閥的標高等措施，現場實際改造完后設備再次運行，空壓機出口部位、放空管道、放空閥、消音器入口管道等部位的振動降低到規范允許的范圍內。放空管道的噪音也隨之降低，支架和儀表管的振動也大幅度減小。通過專業儀器現場監測上述部位，各位置的加速度、速度、位移等均在允許的范圍內，并且經過72 h 的運行，整個系統的振動值均保持穩定，沒有隨著時間出現偏離。

空壓機運行穩定，放空閥調節平穩細膩，放空管道放空能力滿足空壓機調節需求，為空壓機長期穩定運行奠定基礎，也為空分裝置后續的分子篩活化、吹掃、置換、裸冷提供了合格的壓縮空氣。

經過改造消除了放空管道的振動，消除了現場的安全隱患、最終的效果是明顯的。到目前為止，已經長期穩定運行五年之久，在這期間空分多次開停車、大加熱、裸冷等操作，空壓機均在各階段提供相應的空氣量，放空閥保持對應的開度放空，放空管道一直安全運行，沒有出現振動值超標的現象，有力地證明了放空管道的改造效果良好。

5 結論

根據以上分析、空壓機放空管道發生振動的主要原因不單單是由于放空閥的不斷動作產生的振動，同時還要考慮放空閥前管道本身由于氣流原因引起的振動。

根據理論分析優化和現場實際的驗證，對空壓機放空管道的設計總結如下幾點：

（1）空壓機放空管道應該采用應力分析軟件進行應力計算，一次應力滿足支撐需要，二次應力滿足壓縮機廠家或規范的要求。

（2）要合理地確定放空管道的管徑和走向，保證放空管道內的流體的流速在合理的范圍內，流速不能太大，否則會出現管道內流體的流場分布不均勻，引起管道本身的振動，這樣放空閥的振動和放空管道的振動疊加，導致整個放空系統振動更復雜。

（3）對于大型空壓機放空管道，應該將放空閥設置在地面，放空閥前后的管道直接約束在混凝土墩上，管道要加管托和卡箍，徑向約束、軸向滑動，增加管系的剛性和穩定性。