活塞式壓縮機(jī)振動(dòng)原因分析及解決措施

胡涌濤

（呼倫貝爾金新化工有限公司，內(nèi)蒙古呼倫貝爾 021506）

1 現(xiàn)狀和存在的問題

呼倫貝爾金新化工有限公司年產(chǎn)50萬噸合成氨80萬噸尿素項(xiàng)目低溫甲醇洗裝置循環(huán)氫壓縮機(jī)為上海東方壓縮機(jī)制造有限公司設(shè)計(jì)并制造的往復(fù)式壓縮機(jī)；如圖1、2所示，循環(huán)氫壓縮機(jī)共有3列氣缸并聯(lián)，缸體為雙作用式成對置型分布，Ⅰ缸單獨(dú)使用一個(gè)進(jìn)氣緩沖罐和排氣緩沖罐，Ⅱ缸和Ⅲ缸共用一個(gè)進(jìn)氣緩沖罐和排氣緩沖罐。壓縮機(jī)自安裝試車以來，始終存在機(jī)組Ⅱ缸和Ⅲ缸垂直方向上振動(dòng)值偏高的問題，曾出現(xiàn)緩沖罐焊縫振斷的情況。下面，筆者就針對壓縮機(jī)的振動(dòng)原因展開分析。

2 振動(dòng)分析

2.1 壓縮機(jī)振動(dòng)值測量

在壓縮機(jī)正常運(yùn)行時(shí)對壓縮機(jī)曲軸箱、缸體和管道等部位進(jìn)行了不同方向上的振動(dòng)值測量，結(jié)果如表1。

通過表1 所示振動(dòng)值，參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T6075.6-2002對往復(fù)壓縮機(jī)振動(dòng)烈度等級進(jìn)行劃分，得出表2。

2.2 壓縮機(jī)振動(dòng)原因分析

往復(fù)壓縮機(jī)振動(dòng)產(chǎn)生的原因較為復(fù)雜，歸納起來一般可從以下2種原因展開分析。

2.2.1 動(dòng)力平衡原因

如果壓縮機(jī)的動(dòng)力平衡性不好，即由曲柄旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的慣性力和活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的往復(fù)力不能很好的達(dá)到平衡，或是3列活塞之間慣性力未能達(dá)到很好的平衡，都會使壓縮機(jī)的振動(dòng)值增大。此類原因引起的振動(dòng)通常首先反應(yīng)在壓縮機(jī)曲軸箱的振動(dòng)值增大。

但是由于該壓縮機(jī)3列缸體為水平對置分布，曲軸上的3處曲拐之間的錯(cuò)角為120°，此結(jié)構(gòu)能夠很好的平衡3處曲拐的慣性力，又由表2可以看出，曲軸箱的振動(dòng)烈度級較小，符合國家標(biāo)準(zhǔn)，因此可以確定，壓縮機(jī)的振動(dòng)值過高并非機(jī)組動(dòng)力平衡性不好所導(dǎo)致。

2.2.2 氣流脈動(dòng)原因

氣流脈動(dòng)引起的振動(dòng)，通常是由工藝介質(zhì)在缸體及管道內(nèi)流通不暢所致，過高的振動(dòng)值通常集中反應(yīng)在壓縮機(jī)的進(jìn)出口管路系統(tǒng)和緩沖罐上。

由表2可以看出，缸體的振動(dòng)烈度級適中，而包括進(jìn)氣緩沖罐和排氣緩沖罐在內(nèi)的進(jìn)氣管道和排氣管道振動(dòng)烈度級較高，因此可以推斷，機(jī)組振動(dòng)主要是由氣流脈動(dòng)原因引起的。

2.3 參數(shù)計(jì)算

氣流脈動(dòng)引起的振動(dòng)可分為緩沖罐設(shè)計(jì)不當(dāng)引起的機(jī)械振動(dòng)和進(jìn)排氣管道長度設(shè)計(jì)不當(dāng)引起的氣柱共振。為進(jìn)一步驗(yàn)證壓縮機(jī)振動(dòng)是由氣流脈動(dòng)引起的，根據(jù)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行以下計(jì)算。

2.3.1 緩沖罐容積計(jì)算

往復(fù)壓縮機(jī)緩沖罐能起到消弱氣流脈動(dòng)的作用，若緩沖罐緩沖容積過小，則不能有效的削弱氣流脈動(dòng)對壓縮機(jī)的影響，會使機(jī)組振動(dòng)值升高。緩沖罐的設(shè)計(jì)通常以API標(biāo)準(zhǔn)和國內(nèi)常用容器設(shè)計(jì)規(guī)范為依據(jù)，API618關(guān)于緩沖罐最小容積的計(jì)算如下

式中 Vs——需要的最小進(jìn)氣緩沖罐容積，m3

PD——與緩沖罐相連的氣缸往復(fù)一次的總吸氣量，m3

K——介質(zhì)氣體的等熵壓縮指數(shù)

Ts——進(jìn)氣的絕對溫度，K

M——介質(zhì)氣體的相對分子量

R——壓縮比

Vd——需要的最小排氣緩沖罐容積，m3

圖1 循環(huán)氫壓縮機(jī)緩沖罐分布簡圖

圖2 循環(huán)氫壓縮機(jī)缸體分布簡圖

表1 循環(huán)氫壓縮機(jī)各位置振動(dòng)測量值 單位：mm/s

表2 循環(huán)氫壓縮機(jī)各位置振動(dòng)烈度級

表3 循環(huán)氫壓縮機(jī)相關(guān)參數(shù)

經(jīng)查閱化工工藝設(shè)計(jì)手冊得出K=1.41，通過表3計(jì)算得出R=3.51，Ⅰ缸PD=0.103，由于Ⅱ缸和Ⅲ缸共用一個(gè)進(jìn)氣緩沖罐和排氣緩沖罐，因此Ⅱ缸和Ⅲ缸PD=0.207，通過表4計(jì)算可得出M=37.29，通過上述2個(gè)公式式計(jì)算得出API標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的緩沖罐最小容積。

另外，根據(jù)國內(nèi)常規(guī)緩沖罐容積設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，要求進(jìn)氣緩沖罐緩沖容積不小于氣缸行程容積的12至15倍，排氣緩沖罐緩沖容積不小于氣缸行程容積的10倍。由表3可得出各個(gè)緩沖罐國內(nèi)常規(guī)要求的最小設(shè)計(jì)容積，三者比較得出表5。

因此通過表5可知，循環(huán)氫壓縮機(jī)II缸和III缸進(jìn)氣緩沖罐和排氣緩沖罐容積均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，緩沖效果不良。

2.3.2 進(jìn)、排氣管道長度計(jì)算

往復(fù)壓縮機(jī)進(jìn)氣和排氣管道內(nèi)容納的氣體稱為氣柱，氣柱具有自身的固有頻率f，并且氣柱的固有頻率f與氣柱長度即管道長度有關(guān)。壓縮機(jī)在運(yùn)行過程中，由于活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)壓縮氣體，會使氣體產(chǎn)生激發(fā)頻率，當(dāng)氣體這種激發(fā)頻率f（x）與氣柱固有頻率的不同階次相同或接近時(shí)，二者會產(chǎn)生共振，使壓縮機(jī)的振動(dòng)值加劇。

式中 f（x）——壓縮機(jī)的激發(fā)頻率，Hz

f——?dú)庵墓逃蓄l率，Hz

m——?dú)飧淄鶑?fù)一次向管道吸排氣的次數(shù)，單作用為1，雙作用為2

n——壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min

i——?dú)庵逃蓄l率階次，i=1，3，5，…

K——介質(zhì)氣體的絕熱指數(shù)，取K=1.41

R——?dú)怏w常數(shù)

T——介質(zhì)氣體的絕對溫度，K

L——管線長度，m

發(fā)生氣柱共振的條件為當(dāng)激發(fā)頻率f（x）在（0.8～1.2）倍的氣柱不同階次的固有頻率內(nèi)，即：即管線設(shè)計(jì)長度L在以內(nèi)，會發(fā)生氣柱共振。i分別取1、3、5、7，通過計(jì)算得出表6。

對循環(huán)氫壓縮機(jī)，管線長度分別取進(jìn)出口總管三通到各緩沖罐的距離。經(jīng)過現(xiàn)場測量，Ⅰ缸進(jìn)氣管線長度為5.2 m，排氣管線長度為8.2 m，排氣管線氣柱的3階固有頻率均與激發(fā)頻率相近；Ⅱ缸和Ⅲ缸進(jìn)氣管線長4.5 m，排氣管線長1.2 m，進(jìn)氣管線氣柱的3階固有頻率與激發(fā)頻率相近。

3 結(jié)論和解決措施

3.1 結(jié)論

綜上可以得出結(jié)論，循環(huán)氫壓縮機(jī)振動(dòng)值超標(biāo)原因有2點(diǎn)：一是Ⅱ缸和Ⅲ缸進(jìn)氣緩沖罐和排氣緩沖罐容積過小，不能很好的起到緩沖氣流脈動(dòng)的作用，導(dǎo)致了Ⅱ缸和Ⅲ缸振動(dòng)值過高；二是進(jìn)氣管道和排氣管道長度設(shè)計(jì)不合理，產(chǎn)生了氣柱共振，造成了管路系統(tǒng)的振動(dòng)值過高。

3.2 解決措施

針對循環(huán)氫壓縮機(jī)振動(dòng)過大，由于進(jìn)排氣管道已經(jīng)安裝完成，長度無法更改，只能通過對管道進(jìn)行加固的方法進(jìn)行改進(jìn)；而緩沖罐容積過小的缺陷，可以通過更換大容積緩沖罐的方法得以改善。

表4 循環(huán)氫壓縮機(jī)介質(zhì)氣體體積分?jǐn)?shù)%

表5 緩沖罐容積比較 單位：m3

表6 壓縮機(jī)進(jìn)排氣管線氣柱共振長度范圍 單位：m

表7 循環(huán)氫壓縮機(jī)各位置振動(dòng)烈度級

3.2.1 管道加固

通過實(shí)際測量和計(jì)算分析，Ⅰ缸排氣管道、Ⅱ缸和Ⅲ缸進(jìn)氣管道振動(dòng)過大，需要對其支撐進(jìn)行增加和改進(jìn)。增加支撐首先要選擇使用鞍式支撐，支撐與管道間填充木方緩沖，另外支撐要加在管路彎頭等受氣流脈沖較大的位置，并且支撐基礎(chǔ)要打在地面，支撐基礎(chǔ)絕對不可與壓縮機(jī)基礎(chǔ)打在同一個(gè)框架上，那樣會加劇振動(dòng)。

3.2.2 改變緩沖罐容積

由于Ⅱ缸和Ⅲ缸進(jìn)排氣緩沖罐容積與設(shè)計(jì)要求偏差較大，所以對這2個(gè)緩沖罐進(jìn)行了更換，其中Ⅱ缸和Ⅲ缸進(jìn)氣緩沖罐更換后容積變?yōu)?.6 m3，排氣緩沖罐更換后容積變?yōu)?.9 m3。

以上2種改進(jìn)方法實(shí)施以后，機(jī)組再次開車，測得的振動(dòng)值轉(zhuǎn)換成振動(dòng)烈度級見表7。

與表2相比較可見，通過改進(jìn)，循環(huán)氫壓縮機(jī)的振動(dòng)值得到了有效地控制，大大降低了壓縮機(jī)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)語

往復(fù)壓縮機(jī)振動(dòng)原因比較復(fù)雜，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況找到引起振動(dòng)的主要原因，有針對性的提出解決措施；同時(shí)壓縮機(jī)在設(shè)計(jì)制造方面應(yīng)該嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，使緩沖罐的緩沖容積大于最小設(shè)計(jì)要求，使管道長度避開氣柱共振長度區(qū)域。通過此次對現(xiàn)場實(shí)際問題的研究解決，為以后此臺機(jī)組更好的運(yùn)行維護(hù)打下了基礎(chǔ)。