往復(fù)式壓縮機出口管線振動的分析與改造

摘要：某廠220×104t/a加氫處理裝置在實際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)加氫精制裝置高分壓力控制不穩(wěn)，引起往復(fù)式壓縮機出口管線振動。本文首先對往復(fù)式壓縮機出口管線振動的原因進行分析，得出壓力脈動為主要因素。然后，通過對管系的重要區(qū)段進行改造，將往復(fù)式壓縮機采用的Ⅰ回Ⅰ，Ⅱ回Ⅱ的控制方案改為Ⅱ回Ⅰ的控制方案。并對改造前后的方案分別采用DDC控制系統(tǒng)進行動態(tài)模擬實驗，得到高分壓力隨時間變化的關(guān)系圖，并進行壓力不均勻度計算。最后，對比二種方案高分壓力隨時間變化的關(guān)系圖以及壓力不均勻度，得出Ⅱ回Ⅰ的控制方案比Ⅰ回Ⅰ，Ⅱ回Ⅱ控制方案大大降低管線振動，使壓力控制平穩(wěn)。

關(guān)鍵詞：往復(fù)式壓縮機；壓力脈動；DDC；動態(tài)模擬

引言

某廠加氫處理裝置主要由反應(yīng)部分、分餾部分、富氫氣體脫硫部分、熱回收和產(chǎn)汽系統(tǒng)以及公用工程部分等組成。其中，由新氫壓縮機與循環(huán)氫壓縮機二合一機組對反應(yīng)系統(tǒng)的壓力進行控制[1]。近年來國內(nèi)外也有不少關(guān)于如何優(yōu)化壓縮機操作條件方面的研究[2，3]。加氫精制裝置高分壓力及新氫壓縮機控制是往復(fù)式壓縮機逐段分程、選擇控制相結(jié)合的壓力遞推自平衡控制方法[4]，往復(fù)式壓縮機采用Ⅰ回Ⅰ，Ⅱ回Ⅱ的控制方案[5]，此方案易引起壓縮機出口管線的振動。壓縮機管道承受變形的能力具有一定的范圍，過度的振動會降低壓縮機的容積效率，減少排氣量，更嚴重的是對裝置安全、經(jīng)濟運行構(gòu)成嚴重威脅。尤其是對易燃易爆氣體極易發(fā)生泄露或爆炸事故。因此徹底解決其振動問題，具有非常重要的意義。

1管道振動的原因分析和控制

1.1振動的原因[6-8]

(1)機體振動。由機組運動的不平衡或基礎(chǔ)設(shè)計不當(dāng)引起的，因振動具有傳遞性，機體振動將引起管道振動，故機體振動越烈管道振動也越烈。

(2)共振。當(dāng)往復(fù)式壓縮機激發(fā)頻率與管道的固有頻率重合或接近時，管道即產(chǎn)生對應(yīng)于該階頻率的共振。

(3)流體脈動。往復(fù)式壓縮機的工作特點是活塞在氣缸中進行周期性的往復(fù)運動，引起吸排氣呈間歇性和周期性。當(dāng)氣體穩(wěn)定流動時，管線不會產(chǎn)生振動，脈動的流體沿管道輸送時，遇到彎頭、異徑管、控制閥等元件后，由于瞬間壓力、速度、密度的變化，將產(chǎn)生隨時間變化的激振力，管線受到的沖擊力就會大，如果彎頭處缺少固定支點或支點強度不夠，就會產(chǎn)生劇烈振動。一般來說，壓力脈動是往復(fù)式壓縮機出口管道產(chǎn)生振動的主要原因。氣流壓力脈動程度可用壓力不均勻度δ來表示，表達式如下：(1)

其中：

1.2 工程設(shè)計中的管道防振措施

工程設(shè)計中的防振措施主要有以下三種：選擇合理的氣缸作用方式；管系重要區(qū)段的設(shè)計；采用脈動抑制孔板[5]。加氫處理裝置中往復(fù)式壓縮機采用Ⅰ回Ⅰ，Ⅱ回Ⅱ控制方案，如圖1所示。由圖1可知：Ⅰ回Ⅰ、Ⅱ回Ⅱ的控制方案中有許多管線，彎頭及控制閥，易產(chǎn)生流體脈動。所以本文對該控制方案進行改造，即對管系重要區(qū)段進行設(shè)計，將Ⅰ回Ⅰ，Ⅱ回Ⅱ控制方案改為Ⅱ回Ⅰ控制方案，從而降低流體脈動，使反應(yīng)系統(tǒng)壓力控制更為平穩(wěn)。具體措施如下：

(1)去掉一級出口返回一級入口的管線；

(2)去掉二級出口返回二級入口的管線；

(3)添加從二級出口返回一級入口的管線；

改造后的Ⅱ回Ⅰ控制方案如圖2所示：

2 DDC中的PID算式

目前使用的DDC系統(tǒng)中，PID控制是最基本，應(yīng)用最為廣泛的控制方式[9]。本文采用PID算式進行模擬。理想的模擬PID算式可表示為：

3改造前后二種控制方案的分析比較

3.1Ⅰ回Ⅰ，Ⅱ回Ⅱ控制方案

由圖1知：新氫自制氫裝置引入至新氫緩沖罐V105A，經(jīng)過壓力控制PIC103A將一部分富余氫氣排向放空罐和燃料氣分液罐。當(dāng)PIC103A的開度值大于或等于0.5，且將M111和M112其中之一投上自動時，V105A的壓力由M111或M112自動控制。V105A氫氣進壓縮機C104A一級入口增壓。增壓后的氣體部分通過返回控制閥M109A至V105A，另一部分進入壓縮機二級入口緩沖罐V106A。其中，控制閥M109A采用低選控制。當(dāng)PIC103A的開度值小于0.5且PIC102A的開度值大于或等于0.5時，選擇二者中開度值小的反向值做為M109A的開度值。二級入口緩沖罐V106A的氣體進入新氫壓縮機二級入口增壓。增壓后的氣體部分通過返回控制閥PIC102A至V106A，另一部分作為補充氫氣去混氫線。同樣，控制閥M110A也采用低選控制。當(dāng)PIC102A的開度值小于0.5時，比較PIC102A與PIC101A的開度值，取開度值較小的反向值作為M110A的開度值。

下面以反應(yīng)部分的預(yù)硫化開工為例(預(yù)硫化條件：V105A高分壓力：11.04 MPa；反應(yīng)器入口溫度：160℃；循環(huán)氫壓縮機全量循環(huán)；循環(huán)氫純度：≮85％)，對Ⅰ回Ⅰ，Ⅱ回Ⅱ控制方案進行DDC系統(tǒng)動態(tài)模擬，得到加氫精制裝置高分壓力隨時間變化的關(guān)系圖3。

壓力不均勻度的計算：

3.2Ⅱ回Ⅰ控制方案

由圖2可知：新氫自制氫裝置引入至新氫緩沖罐V105A，經(jīng)過壓力控制PIC202A將一部分富余氫氣排向放空罐和燃料氣分液罐。當(dāng)PIC202A的開度值大于或等于0.5，且將M204和M206其中之一投上自動時，V105A的壓力由M204或M206自動控制。V105A氫氣進壓縮機C104A一級入口增壓。增壓后的氣體進入壓縮機二級入口緩沖罐106A。二級入口緩沖罐V106A的氣體進入新氫壓縮機二級入口增壓。增壓后的氣體部分通過返回控制閥PIC202A至V105A，另一部分作為補充氫氣去混氫線。當(dāng)PIC202A的開度值小于0.5時， M203采用低選控制，比較PIC202A與PIC201A的開度值，選擇較小值的反向值作為M203的開度值。

同樣以預(yù)硫化開工為例，對Ⅱ回Ⅰ控制方案進行DDC系統(tǒng)動態(tài)模擬，得到加氫精制裝置高分壓力隨時間變化的關(guān)系圖3。

壓力不均勻度的計算：

3.3 改造前后二種控制方案的比較

對比圖1和圖2可知：Ⅰ回Ⅰ，Ⅱ回Ⅱ控制方案較Ⅱ回Ⅰ控制方案復(fù)雜。從流程設(shè)計方面看，前者有二段氫氣返回，后者只有一段。而每段氫氣返回都需要通過控制閥的低選進行控制，這無疑會增加不少管線彎頭及控制閥，易產(chǎn)生流體脈動。通過對二種控制方案進行DDC系統(tǒng)動態(tài)模擬所得到的高分壓力隨時間變化的關(guān)系圖3可以看出：Ⅰ回Ⅰ，Ⅱ回Ⅱ控制方案的高分壓力極不穩(wěn)定，隨時間變化的頻率較大。Ⅱ回Ⅰ控制方案的高分壓力在開始時隨時間變化也有一定波動，但該波動與前者相比明顯減小，且隨著時間的增加，高分壓力波動極小并逐漸趨于穩(wěn)定。根據(jù)圖3分別對二種控制方案進行壓力不均勻度的計算，由計算結(jié)果可知，Ⅱ回Ⅰ控制方案的壓力不均勻度遠小于Ⅰ回Ⅰ，Ⅱ回Ⅱ控制方案的壓力不均勻度。通過以上分析比較可得，改造后的方案明顯優(yōu)于改造前。

4結(jié)論

模擬實驗結(jié)果表明：Ⅱ回Ⅰ控制方案比Ⅰ回Ⅰ，Ⅱ回Ⅱ控制方案設(shè)計簡單，容易控制。通過與該廠技術(shù)人員研究討，論證明該改造方案的可行性，在實際生產(chǎn)中不但能使壓力控制平穩(wěn)，解決壓縮機出口管線的振動問題，而且減少一部分管線、彎頭和控制閥，降低生產(chǎn)成本。

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PIPING VIBRATION ANALYSIS AND REBUILDING FOR THE TYPE OF RECIPROCATING COMPRESSOR

ZHOU MeiWU HuiXiong

( College of Chemical Engineering， Beijing University of Chemical Technology， Beijing 100029)

Abstract: On the basis of 220×104t/a hydrogenation equipment， the factory found that the pressure of V100 was unstable， which can made piping vibration of reciprocating compressor. First of all， this paper analyzed the reasons of piping vibration of reciprocating compressor and found that pressure vibrancy was the main factor. Then the paper changed the control-method of Ⅰ returning to Ⅰ and Ⅱ returning to Ⅱ to control-method of Ⅱ returning to Ⅰ through redesigning the basilic piping. And by performing a dynamic simulation experiment of DDC control system on the reconstructive method， this paper got the picture of the pressure of V100 fluctuating with time and calculated pressure asymmetry. At last， contrasting the picture and result of the two methods， we could see that reconstructive method clearly reduced piping vibration of reciprocating compressor and controlled the pressure of V100 steadily.

Key words: reciprocating compressor; pressure vibrancy; DDC; dynamic simulation