K102ABC新氫壓縮機(jī)機(jī)組進(jìn)氣管線振動(dòng)分析與整改

劉 冬，劉守信，王德帥，韓福利

（沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，遼寧沈陽(yáng)110869）

1 引言

隨著石化行業(yè)裝置的大型化和多機(jī)組化，對(duì)設(shè)備提供商保證產(chǎn)品的安全性和運(yùn)行穩(wěn)定性的要求日益嚴(yán)格。因往復(fù)壓縮機(jī)的特性所致，正常工況下往復(fù)機(jī)管線內(nèi)的氣體存在氣流脈動(dòng)；并因此產(chǎn)生激振力激發(fā)管線的振動(dòng)會(huì)危害到裝置的生產(chǎn)運(yùn)行，嚴(yán)重的還會(huì)造成生產(chǎn)事故發(fā)生。所以設(shè)計(jì)院和供貨商應(yīng)該在設(shè)計(jì)階段就對(duì)管線振動(dòng)進(jìn)行模擬計(jì)算分析，并提出相應(yīng)的整改方案以便最大程度的保證安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 原設(shè)計(jì)下的氣流脈動(dòng)情況

某公司290萬(wàn)t/a蠟油加氫裂化裝置，K102ABC新氫壓縮機(jī)機(jī)組是由3臺(tái)4M125（4M125-55/21.81-179-BX型）對(duì)稱(chēng)平衡型、雙作用活塞式往復(fù)壓縮機(jī)組成；在脈動(dòng)分析中發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣總管部分，A-B機(jī)工作時(shí)都有較大超標(biāo)。更改前進(jìn)氣管線部分的CAESAR II應(yīng)力模型圖（圖1）及A-B機(jī)工作狀態(tài)下使用DIGMO計(jì)算得出的氣流脈動(dòng)圖譜（主頻沿該管系分布的壓力不均勻度幅值與API618中3.9款允許值對(duì)比情況見(jiàn)圖2）。

圖1 更改前的進(jìn)氣總管線

圖2 更改前AB機(jī)工作時(shí)Ⅰ級(jí)進(jìn)氣管內(nèi)的氣流脈動(dòng)模擬值對(duì)比允許值

3 振動(dòng)機(jī)理和控制措施

由于往復(fù)壓縮機(jī)的間歇式吸排氣這一狀況，在管內(nèi)形成了一段段氣柱，當(dāng)氣體以氣柱形式沿管道輸送時(shí)，遇到彎頭、異徑管、分支管、閥門(mén)、盲板等元件就會(huì)產(chǎn)生周期性非正弦型變化的激振力，管系在該激振力的作用下將會(huì)表現(xiàn)出相應(yīng)的機(jī)械響應(yīng)，即管道出現(xiàn)不可避免的強(qiáng)迫振動(dòng)。因此往復(fù)壓縮機(jī)管系在氣流的激振力作用下的振動(dòng)是氣流脈動(dòng)的外在表現(xiàn)，而氣流脈動(dòng)則是管線振動(dòng)（機(jī)械響應(yīng)）的內(nèi)因。通過(guò)對(duì)往復(fù)壓縮機(jī)的振動(dòng)進(jìn)行分析，認(rèn)為振動(dòng)的產(chǎn)生主要有如下這4個(gè)方面原因：

（1）由壓縮機(jī)本身的動(dòng)不平衡而引起的壓縮機(jī)本體和與其相連管道及管內(nèi)介質(zhì)的振動(dòng)；

（2）由壓縮機(jī)間歇性的吸氣和排氣而引起的管內(nèi)氣柱振動(dòng)；

（3）由于氣柱的壓力脈動(dòng)而激起的管道振動(dòng)；

（4）由管道上節(jié)流及啟閉元件引起的介質(zhì)渦流而激起的管道振動(dòng)。

對(duì)產(chǎn)生管線振動(dòng)的4種不同種因素給予了各相對(duì)應(yīng)的控制方式和方法。第1種要在工藝流程上選取機(jī)型時(shí)盡量選取平衡式的，主機(jī)設(shè)計(jì)中注意對(duì)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)元件進(jìn)行往復(fù)質(zhì)量的平衡配重就可獲得較好的控制。第2種振動(dòng)可以通過(guò)加設(shè)脈動(dòng)抑制裝置（如緩沖器、孔板等等）和布置安全、經(jīng)濟(jì)、合理的管線來(lái)獲得較好的控制。加設(shè)緩沖器的主要作用是，使得氣流速度減緩，并形成壓力趨于穩(wěn)定的流場(chǎng)；增加孔板的主要作用是，讓氣流由駐波變?yōu)樾胁ǎ淖儦饬鞯牟ㄐ吻蚁麥p波峰和波谷，從而降低脈動(dòng)幅值；更改管線布置的主要作用是，讓氣流的頻率和管系的固有頻率錯(cuò)開(kāi)，以免產(chǎn)生共振效應(yīng)。第3種的管道振動(dòng)可通過(guò)對(duì)管道布置的更改、支架的選型以及合理的設(shè)置支架位置等辦法來(lái)給予解決。無(wú)論是對(duì)管道布置的更改，還是增加修改支架，都是為了增強(qiáng)管線的剛性，減小氣流所產(chǎn)生的激振力對(duì)整體管系的振動(dòng)影響。第4種的激振力很難定量或定性地描繪出來(lái)，一般通過(guò)加強(qiáng)局部管道支撐來(lái)解決。通過(guò)對(duì)管線振動(dòng)原因的分析判斷，再結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件和用戶(hù)要求，最終去給出相對(duì)應(yīng)的解決方式，具體的整改方案。

圖3 更改后的進(jìn)氣總管線

圖4 更改后AB機(jī)工作時(shí)Ⅰ級(jí)進(jìn)氣管內(nèi)的氣流脈動(dòng)模擬值對(duì)比允許值

圖5 加孔板后的進(jìn)氣總管線

4 具體整改方案

（1）通過(guò)更改管路布置來(lái)降低管內(nèi)氣流脈動(dòng)，從而達(dá)到對(duì)管系振動(dòng)的控制作用。更改管線布置后的管線應(yīng)力模型圖（圖3），氣流脈動(dòng)圖譜（主頻沿該管系分布的壓力不均勻度幅值與API618中3.9款允許值對(duì)比情況見(jiàn)圖4）。調(diào)整管道布置后的管內(nèi)氣流脈動(dòng)主頻沿該管系分布的壓力不均勻度幅值皆低于API618中3.9款允許值。

（2）通過(guò)在管系內(nèi)加設(shè)脈動(dòng)抑制裝置（孔板）來(lái)降低管路內(nèi)部氣流脈動(dòng)，起到對(duì)管系振動(dòng)的控制作用。增加孔板后的管線應(yīng)力模型圖（圖5），氣流脈動(dòng)圖譜（主頻沿該管系分布的壓力不均勻度幅值與API618中3.9款允許值對(duì)比情況見(jiàn)圖6）。為使脈動(dòng)情況符合API618的要求，經(jīng)調(diào)整，在管廊上的一級(jí)進(jìn)氣管線B機(jī)至C機(jī)部分增加2塊孔板，孔板位于距離相近的支架600mm處；2塊孔板尺寸相同，數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

圖6 加孔板后AB機(jī)工作時(shí)Ⅰ級(jí)進(jìn)氣管內(nèi)的氣流脈動(dòng)模擬值對(duì)比允許值

表1 Ⅰ級(jí)進(jìn)氣總管管廊處孔板

5 結(jié)語(yǔ)

K102ABC新氫壓縮機(jī)3臺(tái)機(jī)組原管線布置的進(jìn)氣管線入氣口在機(jī)組的一端，導(dǎo)致AB機(jī)工作時(shí)遠(yuǎn)端處的氣流脈動(dòng)值超出API618允許值。為了削減管內(nèi)的氣流脈動(dòng)，提出了2種不同方式的解決方案：一種是更改管線布置；另一種是加設(shè)脈動(dòng)抑制裝置（孔板）。更改管線布置整改措施的優(yōu)點(diǎn)是脈動(dòng)值大幅度降低，缺點(diǎn)是增加管段和管件帶來(lái)經(jīng)濟(jì)成本的上升，還要在新增管線上布置支架及其支架基礎(chǔ)，這需要廠區(qū)提供相應(yīng)的空間；加設(shè)脈動(dòng)抑制裝置（孔板）整改措施的優(yōu)點(diǎn)操作較為簡(jiǎn)單，更改范圍小，缺點(diǎn)是脈動(dòng)值下降有限，不利于氣流中水分冷凝析出排泄。這2種整改措施各有優(yōu)缺點(diǎn)，可和設(shè)計(jì)院及用戶(hù)進(jìn)行三方協(xié)商來(lái)選取更加適合本機(jī)組的方案。