離心式LNG壓縮機(jī)出口管路振動(dòng)問(wèn)題分析及解決方案

馮浩

摘 要：近年來(lái)，我國(guó)的工業(yè)化進(jìn)程有了很大進(jìn)展，對(duì)離心式壓縮機(jī)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。離心式壓縮機(jī)具有適用性強(qiáng)、安裝使用方便等特點(diǎn)，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(xiàng)目LNG離心壓縮機(jī)，負(fù)荷運(yùn)行發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸振動(dòng)值在42～62u間波動(dòng)、非驅(qū)動(dòng)端軸振動(dòng)值26～33u間波動(dòng)、二段出口管路振動(dòng)。本文通過(guò)信息分析確定排查方向，對(duì)核算結(jié)果進(jìn)行復(fù)查后判定振動(dòng)原因，根據(jù)振動(dòng)原因的分析給出處理建議，作出相應(yīng)處理后機(jī)組一直平穩(wěn)運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：離心壓縮機(jī);出口管路;振動(dòng)

引言

離心式壓縮機(jī)管道振動(dòng)產(chǎn)生的原因包括壓縮機(jī)機(jī)組轉(zhuǎn)子與定子不對(duì)中、運(yùn)動(dòng)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(jī)的工作原理

介質(zhì)氣在通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)的葉輪時(shí)，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(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)變成氣體的靜壓能和動(dòng)能。此后，氣體流經(jīng)擴(kuò)壓器通道時(shí)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(dòng)能進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成靜壓能，達(dá)到最終的增壓目的。

2 設(shè)計(jì)信息

機(jī)組為兩段7級(jí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)，齒輪箱增速，采用公共底座。壓縮機(jī)工作轉(zhuǎn)速8144r/min，一段進(jìn)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(méi)有抽加氣。

3 振動(dòng)原因判定

離心壓縮機(jī)在正常運(yùn)行過(guò)程中通常都會(huì)發(fā)生輕微振動(dòng)，但如果振動(dòng)幅度和聲音過(guò)大，則壓縮機(jī)可能出現(xiàn)了嚴(yán)重故障。離心壓縮機(jī)在小流量運(yùn)行狀態(tài)下葉輪和擴(kuò)壓器的流道內(nèi)氣體會(huì)產(chǎn)生一定的渦流，渦流的消失和產(chǎn)生會(huì)引起流道時(shí)通時(shí)堵的問(wèn)題。如果壓縮機(jī)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(gè)系統(tǒng)的周期性低頻和大振幅氣流振蕩，則說(shuō)明壓縮機(jī)出現(xiàn)了喘振現(xiàn)象。這種現(xiàn)象具有一定的危害性，其會(huì)使壓縮機(jī)機(jī)組發(fā)生猛烈振動(dòng)，并損壞軸承等組件，甚至可能會(huì)引發(fā)設(shè)備停車等嚴(yán)重故障。離心壓縮機(jī)因?yàn)閮?nèi)部氣體無(wú)法正常排出而產(chǎn)生的振動(dòng)一般是由實(shí)際負(fù)載低于規(guī)定范圍引起的。

4 管路振動(dòng)分析及處理建議

4.1 管道內(nèi)介質(zhì)流速超標(biāo)問(wèn)題

由于管道內(nèi)介質(zhì)流速高，對(duì)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(gè)直管段較短，經(jīng)驗(yàn)上高溫高壓氣體在700mm短的通道內(nèi)極速改變流動(dòng)方向，不利于穩(wěn)定運(yùn)行，建議將第一個(gè)直管段由700mm更改為1000mm以上。更改后，壓縮機(jī)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(jì)經(jīng)驗(yàn)，可以滿足安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4.2 加強(qiáng)設(shè)備內(nèi)部氣體的控制

壓縮機(jī)內(nèi)部氣體的控制關(guān)系到壓縮機(jī)啟動(dòng)之后能否順利進(jìn)行自動(dòng)加載，因此，加強(qiáng)壓縮機(jī)內(nèi)部氣體控制是保證設(shè)備正常運(yùn)行、減少設(shè)備喘振的重要措施。一般來(lái)說(shuō)，壓縮機(jī)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(qiáng)對(duì)著三種循環(huán)的控制就是常用的氣體控制方法。具體來(lái)說(shuō)，熱氣循環(huán)控制就是設(shè)備的內(nèi)部穩(wěn)定接近危險(xiǎn)值時(shí)，把壓縮機(jī)的內(nèi)部氣體由出口向入口進(jìn)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(jī)內(nèi)部的氣體由入口向出口進(jìn)行循環(huán)并提升壓縮機(jī)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(shì)，從而實(shí)現(xiàn)更好的氣體控制效果。

4.3 喘振

喘振是壓縮機(jī)的危險(xiǎn)工況，目前所有壓縮機(jī)都設(shè)有防喘振控制畫(huà)面，較好判斷，要注意的是工藝工況調(diào)節(jié)時(shí)要避免運(yùn)行點(diǎn)落入喘振區(qū)。

4.4 管路支撐不達(dá)標(biāo)問(wèn)題

①現(xiàn)場(chǎng)4個(gè)管道的支架均生根到一個(gè)結(jié)構(gòu)梁上。由于管道內(nèi)介質(zhì)是動(dòng)態(tài)的，因此管道不可避免的會(huì)隨著介質(zhì)的流動(dòng)發(fā)生一定的振動(dòng)情況。如果所有管道均生根在1個(gè)結(jié)構(gòu)梁上，振動(dòng)會(huì)隨著結(jié)構(gòu)梁傳動(dòng)，造成管路振動(dòng)加劇。根據(jù)相關(guān)振動(dòng)理論，振動(dòng)會(huì)向整個(gè)結(jié)構(gòu)中剛度最低的系統(tǒng)進(jìn)行傳遞，結(jié)合該項(xiàng)目的具體情況，振動(dòng)一定會(huì)向末段出氣管路傳遞。因此建議將4個(gè)彈簧支架單獨(dú)做鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行支撐，避免管道之間互相影響。理論核算龍門(mén)支架會(huì)發(fā)生一定變形，實(shí)際同樣發(fā)生了一定變形。其中4個(gè)彈簧支撐的作用點(diǎn)變形量分別為：一段進(jìn)氣支撐—0.203mm，一段出氣支撐—0.179mm，二段進(jìn)氣支撐—0.481mm，二段出氣支撐—0.477mm。而根據(jù)計(jì)算的4個(gè)彈簧在工作狀態(tài)的變形量分別為：一段進(jìn)氣彈簧變形量—0.113mm，一段出氣彈簧變形量0.092mm，二段進(jìn)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(jìn)行了計(jì)算，此時(shí)4個(gè)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(gè)彈簧支撐未能起到設(shè)計(jì)時(shí)的預(yù)期。建議將門(mén)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(jī)各進(jìn)出氣風(fēng)筒外側(cè)第一個(gè)豎直管下方設(shè)計(jì)了4個(gè)彈簧限位支架，設(shè)計(jì)期望通過(guò)限位，實(shí)現(xiàn)管道由于溫度產(chǎn)生的荷載不會(huì)傳遞至壓縮機(jī)上。而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際也是通過(guò)一個(gè)門(mén)型鋼結(jié)構(gòu)支架以實(shí)現(xiàn)限位作用。同樣根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)提供的鋼結(jié)構(gòu)型號(hào)進(jìn)行了力學(xué)計(jì)算。實(shí)際4個(gè)限位荷載點(diǎn)的變形量分別為：一段進(jìn)氣8.741mm，一段出氣6.798mm，二段進(jìn)氣9.743mm，二段出氣9.367mm。而根據(jù)設(shè)計(jì)時(shí)的管路應(yīng)力分析結(jié)果，這4個(gè)點(diǎn)的溫度變形分別為（限位支架）：一段進(jìn)氣：0.968mm，一段出氣6.399mm，二段進(jìn)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(jì)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(gè)方向設(shè)置斜拉筋，防止限位鋼板發(fā)生變形。同時(shí)，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(shí)利用螺栓緊固，確保鋼板與橫梁之間無(wú)間隙。（3）根據(jù)上述現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的情況進(jìn)行了應(yīng)力分析，建立模型與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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(jī)組的振動(dòng)應(yīng)該是由于管路作用在壓縮機(jī)各進(jìn)出氣風(fēng)筒法蘭上荷載的合力、合力矩超出了標(biāo)準(zhǔn)2.4倍要求。而該荷載較大的原因是由于現(xiàn)場(chǎng)的支架生根剛度不足，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)預(yù)期的效果造成的。更改后所有支架符合計(jì)算模型要求時(shí)，整機(jī)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(jì)經(jīng)驗(yàn)，可以滿足壓縮機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)要求。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，該壓縮機(jī)組發(fā)生振動(dòng)原因：管路應(yīng)力、管路支撐設(shè)計(jì)不達(dá)標(biāo)，實(shí)際管路支撐安裝存在一定問(wèn)題。氣流對(duì)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(wèn)題造成管路振動(dòng)偏大，引發(fā)壓縮機(jī)振動(dòng)。管路應(yīng)力不達(dá)標(biāo)，導(dǎo)致管路管口對(duì)壓縮機(jī)風(fēng)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(duì)壓縮機(jī)整機(jī)反作用載荷超標(biāo)造成管路振動(dòng)大，引發(fā)壓縮機(jī)振動(dòng)。管路支撐設(shè)計(jì)存在問(wèn)題及實(shí)際支撐安裝存在問(wèn)題，管路內(nèi)介質(zhì)氣高速流動(dòng)，管路不能得到充分的支撐或限位，管路易發(fā)生振動(dòng)，引發(fā)壓縮機(jī)振動(dòng)。

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