往复压缩机气流脉动及管道振动分析_张士永

󰀁22󰀁2011年第1期(总225期)

收稿日期:2010-11-23文章编号:1006-2971(2011)01-0022-04

往复压缩机气流脉动及管道振动分析

张士永,马󰀁静

(沈阳远大压缩机制造有限公司,辽宁沈阳110000)

摘󰀁要:为了提高大型往复压缩机管路系统运行的可靠性、安全性,基于转移矩阵的声学模拟分析方法,将机械领域的谐振问题转化为声学领域的问题,并借助CAESARII分析软件建立工艺管道系统的数学模型,对复杂管系进行模拟分析,以获得整个工艺管系的振动特征和稳态动力响应特性。经过多年长期深入研究,探求出新的、更准确的压缩机组管道系统脉动及振动分析方法技术。该技术在解决很多实际压缩机工程振动问题时,获得良好的效果,同时也证明了这种方法技术对于解决复杂管系振动问题的有效性。关键词:往复压缩机;气流脉动;管道振动;固有频率;动力响应中图分类号:TH457󰀁󰀁文献标志码:B󰀁

TheTechnicalMethodforAnalyzingFlowFluctuation

andPipeVibrationofReciprocatingCompressor

ZHANGSh-iyong,MAJing(ShenyangYuandaCompressorManufacturingCo.,Ltd.Shenyang110000,China)

Abstract:Inordertoimprovethereliabilityandsafetyoftheoperationoflargetypereciprocatingcompressorpipingsystem,theresonancecurvesintheareasofmechanicsareconvertedtotheissuesintheareasofacous-ticsbasedontheflowacousticssimulationanalysismethodoftransfermatrix.ThemathematicalmodelofpipeflowsystemisestablishedwiththehelpofCAESARIIanalysissoftware,whichisusedtosimulateandanalyzethecomplicatedpipesystemandthevibrationcharacteristicsandthesteady-statedynamicresponsecharacter-isticsofthewholetechnologypipesystemareobtained.Thenewerandmoreaccuratetechnicalmethodforana-lyzingpulsationandvibrationcompressorunitpipesystemisresearchedanddeveloped.Meanwhile,itisusedtosolvethevibrationproblemsinpracticalcompressorengineering.Thismethodhasbeenverifiedtobeeffectiveinsolvingvibrationproblemsinreciprocatingcompressorunitcomplicatedpipesystem.Keywords:reciprocatingcompressor;flowfluctuation;pipevibration;naturalfrequency;dynamicsresponse

1󰀁前言

往复压缩机是石油化工工艺装置中重要的机器设备,工艺管路系统的振动是管道设计和压缩机运

行中经常遇到的问题。压缩机管道的剧烈振动具有

极大的危害性,它会降低压缩机的容积效率,减少排气量,增加功率消耗,导致气阀及控制仪表使用寿命

缩短,更严重的是管道与其附件连接部位易发生松

动和破裂,对装置安全、经济运行构成严重威胁。尤

其是对易燃、易爆的气体,极易发生泄漏着火或爆炸事故。因此控制和消减管路系统的振动问题,具有非常重要的意义。

2󰀁往复压缩机气体管道机械振动的原因

2󰀁1󰀁机器振动引起的管道振动往复压缩机的振动在某种程度上也可能带动管

道振动。这类振动一般只发生在机器附近的管道,

随着管道位置与机器的距离加大,管道振动很快衰减。通常此类振动分两种情况:一种是机器自身振

动带动直接相连的管道振动;另一种是压缩机主机

的动力平衡性能欠佳或基础设计不良,机器的振动

引起其基础振动,而管道支吊架的生根部位与基础2011年第1期张士永,等:往复压缩机气流脉动及管道振动分析󰀁23󰀁󰀁

相连接,从而造成管道的振动。上述情况是由于机器本身设计、安装或其基础的设计、施工缺陷造成

的,不属于气流脉动引起的管路振动范畴,要从根本

上解决问题,应从机器及其基础的设计、施工方面寻

找原因,并制定相应的解决方案。2󰀁2󰀁工艺管内的气流脉动引起管道的机械振动

往复压缩机的工作特点是活塞在气缸中进行周

期性的往复运动,引起吸排气呈间歇性和周期性,管

内气体参数,如压力、速度、密度等不但随位置变化,还随时间作周期性变化,这种现象称为气流脉动。

脉动气流遇到弯头、异径管、控制阀、盲板等元件后,

将产生随时间变化的激振力,受此激振力的作用,管道产生一定的机械振动响应,此类振动可以沿着管

道系统传至很远。当激发频率与某一阶的气柱固有

频率相重合时,则气柱系统呈现出最大振动响应,形

成强烈的气流压力脉动,出现气柱共振现象。同样,当某一阶激发频率与管路机械振动固有频率相重合

时,则管路系统呈现出最大的振动响应,形成强烈的

机械振动,发生管路机械共振现象。当激发频率与气柱固有频率、管路机械固有频率三者相等时,则气

柱和管道均处于共振状态,导致管道发生强烈振动

以致无法使用。

由于往复压缩机组压力脉动始终存在,管道在允许范围内存在振动,但是,振动过于剧烈将导致管

道破坏,造成严重后果。如1976年,陕西某煤矿空

压机站因集气管道振动剧烈,导致与之相连的储气罐破裂爆炸,碎片飞出数十米远,砖墙被推倒,附近

门窗玻璃被震碎;1982年,吉林化学公司某厂从原

联邦德国引进一套年产酒精10万t的生产装置,由

于配管设计方案有误,试车72h后,放空阀处即因管道剧烈振动而断裂,乙烯气随即泄出管外立即着

火,车间屋架很快烧毁(引自西交大出版社出版的󰀁活塞压缩机气流脉动与管道振动󰀁)。从上面的事

例说明,如果我们能事先做好整机的气流脉动和振动分析计算制定有效措施,那就能避免很多不必要

的损失和重大事故的发生。尤其是新设计的机组,

必须使装置的气流脉动和管道振动得到有效的消减与控制。

3󰀁工艺气体管道振动的控制

对于往复压缩机管道气体压力脉动和管道振动的控制,国内尚无标准,目前主要参考美国石油学会的API618标准。由于管道压力脉动和振动的大小与机器本身的设计、缓冲罐的大小等因素直接相关。因此,API618标准也规定,管道的振动控制应主要

由压缩机制造厂负责,并且规定了压缩机制造厂应

做的工作和必须满足的要求。为了压缩机装置的气流脉动和管道振动得到有

效的消减与控制,API618对压缩机制造厂规定了3种分析设计方法,并要求制造厂采用其中的一种方

法来进行计算和分析。具体采用何种方法,由买卖

双方协商决定。通过3种设计方法的对比可以看出,一比一个

内容更详细,要求更严格。究竟采用哪种方法更合适,可根据API618第7󰀁9󰀁4󰀁2󰀁1条款图表的推荐来

进行选取。

一般压缩机功率越大、出口压力越高,要求做的分析越详细、越严格。

4󰀁压缩机装置气流脉动及管路振动分析

内容

󰀁󰀁我们知道压缩机运行的好坏不单单在压缩机本

身还和管路系统有关,气流脉动及管路振动分析的

目的就是解决机组间的相互影响问题,它把压缩机

和管路系统作为一个整体来考虑,反过来考核压缩机的可靠性。气流脉动及管路振动分析包括以下几

部分(包括机组所有的运行工况):(1)气流压力脉动声学模拟分析;

(2)气流脉动和压力降对机组性能影响分析;

(3)管路机械系统的静力分析;(4)管路机械系统的模态分析;

(5)管路机械系统的谐波响应分析;(6)分析后的结论和建议性措施。

5󰀁分析研究的范围和依据

通常按照制造厂与用户签订的压缩机技术协议

中规定的API618分析方法进行,对各气缸、各缓冲罐、级间管线和包括从压缩机入口上游买方第一个

大容器始至压缩机出口下游买方第一个大容器止在

内的所有买方的主支管线和旁路管线进行声学脉动计算,包括满负荷工况和各种部分负荷工况、各种气

体条件以及单机运行、双机并联工况。

6󰀁气流脉动及管路振动分析方法

由于工艺气体介质与传输的管道机械系统之间存在相对独立性,我们将气柱的声学模拟分析和管󰀁24󰀁󰀁压缩机技术2011年第1期

道系统机械振动分析分别进行,然后两者进行耦合分析。

6󰀁1󰀁气流脉动分析

(a)气柱声学模拟分析采用转移矩阵方法的计

算机程序。该程序的物理基本原理是声学近似方法,将机械学领域的谐振曲线转化为声学领域的问

题。通过建立管道气流系统的数学模型,运用结构

单元传递压力波动和速度波动的转移矩阵,并忽略

高阶小量,将速度的波动函数以压力的波动函数来表示,使非稳态管流的微分方程线性化。程序中假

设在整个系统里气体的变幻是等熵的,并将气体分

阶的看作理想气体。通过多年实践验证,程序是有效的,它适用于当相对压力波动小于10%的情况。

(b)分析中考虑到驱动机转速变化会对压力波

动产生影响,我们是以额定转数为基准,󰀁10转为

偏差的范围来进行计算以补偿压缩机性能上的(如温度、压力、工艺气体组分、摩尔质量等)微小变化,

并且对每个转数进行10阶频谱分析,进而对十阶频

谱矢量合成以获得相对压力脉动值。例如一台压缩机的额定转数为n=420r/min,则其计算范围为410

~430r/min,即以每10转为步长来划分和计算,获

得其谐波分量的最大值,因此计算结论是趋于保守和全面的。

图1󰀁脉动幅值最大节点处随压缩机曲拐旋转360󰀁的压力脉动波形图

图2󰀁脉动幅值最大节点处10阶激发频率

压力脉动幅值与API618第7󰀁9款允许值对比图6󰀁2󰀁管路振动分析(1)管道系统机械振动分析,我们采用得到国际普遍认可的管道应力分析软件CAESARII,遵照配管图纸以及有限元分析的边界条件建立管道系统

的三维力学模型,分别进行模态分析、静力分析和动

态分析,如图3。从而获得的管系固有频率、振型、

振幅和节点的应力、位移以及力矩等数据,采取有力措施以便在实际配管中避免共振,并保证管道具有

足够的柔性满足API618第7󰀁9󰀁4󰀁2󰀁5󰀁2󰀁5󰀁1条款

要求的循环应力峰-峰值应小于180MPa的条件。

图3󰀁(2)在管道系统机械响应分析中所遵循的原

则。一般在机械工程中大多考虑前10阶模态对系

统影响,对于往复压缩机来说,由于激发频率较低,

因此管道的固有频率比激发频率越高越好,至少应

该避开前3阶振型。然而,对于较复杂管系,固有频

率分布非常密集,很难使管系完全脱离共振区域,但

是高阶共振的振幅较小,基频共振的振幅最大,因此

我们计算前10阶模态,主要考虑避开低频前3阶的

管系固有频率、气柱固有频率以及压缩机的激发频