軸流式空壓機出口放空管道優(yōu)化設(shè)計

高海見

（中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315103）

壓縮空氣是石油化工裝置中不可或缺的公用工程介質(zhì)，且用量大，用途廣。軸流式壓縮機具有流量大、結(jié)構(gòu)簡單、便于維護等優(yōu)點，廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)中。而“喘振”是導(dǎo)致壓縮機損壞的主要原因之一，具有較大危害性，在工程設(shè)計及實際運行中應(yīng)極力避免或減少“喘振”的發(fā)生。對于清潔、無毒的空氣介質(zhì)，一般選擇在壓縮機出口管線上設(shè)置放空閥及管線，將介質(zhì)直接放空來實現(xiàn)防喘振[1-2]。當(dāng)壓縮機發(fā)生喘振時，需將其工作點盡快拉回到正常工作區(qū)，這時需盡快將出口放空閥打開以排出管道內(nèi)的氣體。由于放空時流量大、流速高，常造成放空管線及防喘振閥劇烈振動，并且產(chǎn)生較大噪聲[3-4]。因此，合理的壓縮機出口管道布置、合理的消聲設(shè)備選擇[5-6]，對壓縮機的平穩(wěn)運行起著至關(guān)重要的作用。本文以某裝置空壓機為案例，對其出口管道的布置、放空消聲設(shè)備選擇的缺點進行了分析，并提出一種優(yōu)化設(shè)計方案。

1 項目原設(shè)計方案

1.1 原工藝方案

某裝置有兩臺軸流式空壓機，為下游工段提供吹掃空氣。單臺壓縮機的設(shè)計流量為460 000 kg/ h。壓縮機出口操作壓力為0.115 MPa，操作溫度為98℃，設(shè)計壓力為0.18 MPa，設(shè)計溫度為145 ℃。根據(jù)工藝設(shè)計參數(shù)，壓縮機供應(yīng)商選擇的出口管道口徑為DN 1 600，為實現(xiàn)防喘振功能，每臺壓縮機出口設(shè)置了兩路防喘振放空管線，放空閥前管線口徑均為DN 1 000，閥后口徑均為DN 1 400，其中一路放空閥的口徑為DN 600，另一路放空閥的口徑為DN 750。每條放空管線末端均設(shè)置一臺立式圓筒式消聲器，消聲器的尺寸為2 700 mm×5 000 mm（內(nèi)徑×高度）?？諌簷C氣路工藝流程簡圖如圖1 所示。

圖1 空壓機工藝流程簡圖Fig.1 Process flow diagram of air compressor

1.2 原設(shè)備及出口管道布置方案

根據(jù)以上工藝方案，兩臺空壓機及出口管道的布置如圖2 ～ 4 所示。

圖2 空壓機及出口管道平面布置（EL.0 m 層）Fig.2 Layout of air compressor and outlet pipeline （EL.0 m floor）

兩臺空壓機布置在半敞開式廠房內(nèi)，廠房采用鋼結(jié)構(gòu)型式。因空壓機排出口朝下，出口管道則沿地面敷設(shè)，以減小振動并方便設(shè)置管道支架。出口管道末端連接立式圓筒式放空消聲器。兩臺空壓機一共設(shè)置了4 臺消聲器，為了節(jié)省占地及減小排放時的噪聲，設(shè)備布置時利用廠房立柱設(shè)計了一個鋼結(jié)構(gòu)框架來支撐。消聲器支耳標(biāo)高為EL.21.5 m，放空閥布置在EL.10.0 m 鋼結(jié)構(gòu)平臺上。

空壓機開車運行初期，需將放空閥全部打開，以降低空壓機的啟動負(fù)載。當(dāng)空壓機因為某種原因?qū)е氯肟诹髁窟^小時，也需要將放空閥打開，以免機器進入喘振區(qū)運行。但在裝置實際操作中出現(xiàn)了如下現(xiàn)象，當(dāng)防喘振閥打開后，閥門及閥后管道，消聲器均產(chǎn)生了較強烈振動，消聲器地腳螺栓甚至出現(xiàn)了松動、脫落的現(xiàn)象。

2 出口管道振動原因分析

不同于往復(fù)式壓縮機管道內(nèi)氣流周期性脈動引起的低頻振動，軸流式壓縮機由于葉片旋轉(zhuǎn)速度高，管道內(nèi)氣體受激發(fā)往往產(chǎn)生高頻振動。當(dāng)氣體流經(jīng)彎頭、閥門等位置時易產(chǎn)生渦流，從而導(dǎo)致管道也產(chǎn)生相應(yīng)的高頻振動。理論上常采用聲學(xué)方法對此類振動進行分析，但由于管路系統(tǒng)的復(fù)雜性及機組運行時的不穩(wěn)定等因素，理論分析方法往往與實際偏差較大。工程上常見的解決振動問題的方法是通過改變管道的布置、調(diào)整管道支撐來增加管道的剛度[7-8]，從而降低振動響應(yīng)，避免共振。

圖3 空壓機及出口管道平面布置（EL.10 m 層）Fig.3 Layout of air compressor and outlet pipeline （EL.10 m floor）

圖4 空壓機及出口管道立面布置Fig.4 Vertical layout of air compressor and outlet pipeline

針對空壓機放空時閥門及管道振動的情形，從管道布置及支架設(shè)置的角度進行了分析，出口管道支架的設(shè)置見圖6，得出本裝置管道振動的主要原因有如下兩點：

（1）放空閥布置在鋼結(jié)構(gòu)平臺上，由于放空閥前后均有一段較長立管，閥門所在的水平管段在熱態(tài)時有豎直向上的位移，因此閥前后均需要設(shè)置彈簧支架來支撐，若設(shè)置剛性支架，支架在熱態(tài)時會脫空，起不到支撐作用。由于鋼結(jié)構(gòu)平臺及彈簧支架自身剛度有限，抗振性能較弱。放空時，閥后管道流速高，從而產(chǎn)生較強烈受迫振動。

（2）放空消聲器空氣入口朝下，閥后管道須豎直進入消聲器。由于消聲器支耳處為固定端，在管道走向確定的前提下，為滿足應(yīng)力計算的需要，立管上需設(shè)置一組萬向鉸鏈型膨脹節(jié)，以吸收管道在X和Z方向的熱位移。相比于同口徑的管道，膨脹節(jié)柔性要大的多，放空時在高流速沖擊下產(chǎn)生了較強烈振動。

圖5 原方案出口管道支架設(shè)置Fig.5 Outlet pipe support setting in the original scheme

3 優(yōu)化設(shè)計方案

根據(jù)對以上管道振動原因的分析發(fā)現(xiàn)，立式放空消聲器需支撐在較高的鋼結(jié)構(gòu)框架上，導(dǎo)致放空閥后管道必須有一段較長立管。從應(yīng)力分析的角度來看，這種管道布置有難以避免的缺陷。為了滿足二次應(yīng)力的要求，立管上必須設(shè)置膨脹節(jié)以吸收兩個水平方向的橫向位移，放空閥所在的水平管道又因有向上位移而必須設(shè)置彈簧支架，這樣的支架設(shè)置會導(dǎo)致整個放空管道柔性太大，不利于管道的抗振[9-10]。另外，從投資角度來看，兩臺空壓機需設(shè)置4 臺相同的不銹鋼材質(zhì)放空消聲器，其造價較高。

從工藝原理分析，放空消聲器的選擇實際是為了降低排放時的噪聲，因此，可選擇用一臺消聲塔來代替4 臺消聲器。

3.1 工藝可行性分析

從圖1 可以看出，兩路放空管線間有聯(lián)通旁路，當(dāng)單臺空壓機全量放空時，氣體同時通過兩臺消聲器排向大氣，則單個消聲器內(nèi)的最大質(zhì)量流量為230 000 kg/h。排放空氣的密度為2.02 kg/m3，經(jīng)計算得單個消聲器內(nèi)氣體流速為5.53 m/s。當(dāng)采用消聲塔后，消聲塔的尺寸需滿足兩臺空壓機同時全量放空時的需求，即最大質(zhì)量流量為920 000 kg/h，消聲塔截面設(shè)計尺寸為5 m×5 m，高度為15 m，經(jīng)計算塔內(nèi)最大流速為5.06 m/s，略低于消聲器內(nèi)的最大流速。因此，從工藝角度來說，一臺消聲塔替代4 臺放空消聲器是可行的。

消聲塔為混凝土結(jié)構(gòu)，金屬消聲片內(nèi)置于塔出口附近。典型的消聲塔結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 典型消聲塔結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Typical structural drawing of silencing tower

3.2 優(yōu)化后的設(shè)備及管道布置

將放空消聲器改為消聲塔后，設(shè)備及管道布置相應(yīng)發(fā)生變化，修改后的設(shè)備及管道布置如圖7 ～ 8所示。

圖7 優(yōu)化后的設(shè)備及管道平面布置Fig.7 Optimized equipment and pipeline layout

從圖7 和圖8 可以看出，放空消聲塔生根于地面，且空氣入口也在地面附近。因此，整個放空管道可沿地面敷設(shè)。根據(jù)應(yīng)力計算，放空閥前后管道上只需設(shè)置剛性支架而不用設(shè)置彈簧。另外，由于不存在立管，膨脹節(jié)也因此取消。這樣優(yōu)化后，大大增加了整個放空管道的剛度，從而增強了排放時的抗振性能。

圖8 優(yōu)化后的設(shè)備及管道立面布置Fig.8 Optimized vertical layout of equipment and pipeline

3.2 采用放空消聲塔的注意事項

將4 臺消聲器改為1 臺消聲塔后，有如下事項在設(shè)計時需注意。

（1）由于消聲塔排放和消聲器排放時管道系統(tǒng)的阻力降不一樣，這樣會導(dǎo)致放空閥后背壓存在區(qū)別，而放空閥前后壓差對閥門的排氣量存在影響，尤其放空閥的選型跟壓縮機的防喘振控制息息相關(guān)，因此，改為消聲塔后，需將整個管道系統(tǒng)交于供貨商進行核算，以確認(rèn)所選放空閥對各種排放工況的適應(yīng) 性。

（2）放空管道需深入消聲塔內(nèi)部，管道尾部不應(yīng)為開口，否則高速氣流會直接沖向?qū)?cè)墻壁而損壞消聲塔。實際氣體應(yīng)朝下排放，通常做法是在管道下方一定角度內(nèi)按規(guī)則開若干小孔，一方面可以防止氣流損壞消聲塔內(nèi)壁，另一方面也可以降低排放時的噪聲。典型的排氣管結(jié)構(gòu)如圖9 所示。

圖9 典型排氣管結(jié)構(gòu)圖Fig.9 Typical exhaust pipe structure diagram

（3）對于放空管道，由于排放時的溫度在100 ℃左右，此溫度下管道的熱位移并不會很大，且正常開車后閥后管道無介質(zhì)流通。為了增加管道的抗振性能，放空管道盡量不要設(shè)置彈簧支架及膨脹節(jié)，管道熱位移需靠自然補償來吸收。放空閥后應(yīng)盡量設(shè)置四向限位或者固定支架，以免閥門在放空時產(chǎn)生較強烈振動。

4 新舊方案技術(shù)經(jīng)濟對比

采用優(yōu)化設(shè)計方案后，從技術(shù)角度增加了管道運行的穩(wěn)定性，減少了管線振動；從經(jīng)濟角度來看，也可節(jié)省一定投資。兩種方案放空管道的主要設(shè)備及管道投資如表1 所示。

表1 放空管線主材投資對比表Table 1 Comparison of main material investment of vent pipeline

從表1 可以看出，新方案消音器、膨脹節(jié)、彈簧支吊架、管道等數(shù)量具有明顯下降，主材投資可節(jié)省約52.5 萬元。

5 結(jié)束語

通過對原方案軸流空壓機出口管線振動產(chǎn)生的原因進行分析，認(rèn)為原方案放空閥布置在鋼結(jié)構(gòu)平臺上，閥前后采用彈簧支架支撐，且進入消聲器前的立管上設(shè)置了膨脹節(jié)，導(dǎo)致整個放空管道的柔性太大，是造成振動的主要原因。在對工藝及配管進行深入分析的基礎(chǔ)上對方案進行優(yōu)化，將4 臺消聲器改為1 臺消聲塔，并將消聲塔生根于地面。這樣使得放空管道可以全部沿地面敷設(shè)，并且通過應(yīng)力計算可以取消放空管線上的彈簧支架及膨脹節(jié)，這樣使管道剛度大大增加，有效地解決了防閥開啟時的管線振動問題。同時管線投資有了明顯降低，取得較好的效果。因此，建議在以后類似項目中，應(yīng)盡量采用此優(yōu)化方案。