往复式天然气压缩机橇座抑振分析.pdf

第 4 1卷增刊 1 2 O 1 2年 8月 石油化工设备 P ETR CHEMI C AL EQUI P M E NT Vo1 ．4 1 Su ppl e me n t 1 Au g．2 01 2 文 章 编 号 1 0 0 0 7 4 6 6 2 0 1 2 增 刊 1 0 0 0 7 0 4 往复式天然气压 缩机橇座 抑振分析 樊文斌 ，陈再 玉 ，楚光宇。 ，张世 民 ，苏 同权 1 ． 海洋 石油 工程 股份有限公司 ，天津3 0 0 4 5 1 ； 2 ． 海洋石油工程 青岛 有 限公 司 ，山东 青 岛 2 6 6 5 2 0 摘 要 以长 宽为 6 0 0 0 mm3 8 0 0 mm 的往 复式 天然 气压 缩机 橇 座设 计 为例 ， 运 用 S o l i d Wo r k s 对橇座进行三维建模 ， 导入 ANS YS Wo r k b e n c h软件对橇座结构进行模 态分析， 得到橇座 的固有 频率和振型特征 ， 其结果可为往复式天然气压缩机橇座的设计提供参考。 关 键词 往复式天然气压缩机；橇座；振动；模态分析 ；固有频率 中图分 类号 TQ 0 5 1 ． 2 1 文献 标 志码 B 1 59． 97 1 56． 47 l 35． 72 乏 。 妻 十“ 十“ 十“十“ 1一“十“十“ “ 十” 十”十” ” -” “ “十“ 十“十“ 十 图 7水 冷 壁 F集 箱 外 壁 向火 侧 热 应 力 循 环 图 由图 7可 知 ， 3种 工 况 下 有 限 元计 算 的轴 向应 力值较大 ， 经验公式计算 的轴 向应力值均 比有 限元 结 果小 。在多 次循 环 交 变 过程 中 ， 锅 炉下 集 箱 外 壁 负荷变 化 幅度 大 、 锅 炉 启 停 频 繁 以 及 下集 箱 壁 承 受 周期性循环应力载荷 ， 是导致下集箱表 面裂纹萌生 和扩展 的根 源 。 3 结 语 利 用 ANS YS对 电站 锅炉 水冷 壁下 集 箱 的热 应 力 循环 载荷 进行 了模 拟计 算分 析 ， 结 果表 明 ①支 管 的约束 对下 集箱 的 受 力 与变 形 情 况 有 显 著影 响 ， 在 分 析下集 箱 的热 应 力循 环 载 荷 过 程 中 ， 应 该 考 虑 支 管对下集箱的约束作用所引起的应力变化 。②在各 种 工况 下 ， 有 限元 计 算 的 下集 箱 向火 侧 应 力 值 均 比 经验 公式 计算 的结 果 偏 大 ， 传统 的经 验 公 式计 算 结 果偏 于不 安全 。在频 繁启 、 停 炉情况 下 ， 下 集箱 实际 的寿命 可 能会缩 短 。有 限元 计算 得 出 的下 集箱 热应 力载 荷循 环 图为进一 步准 确分 析预测 下集 箱 的疲 劳 裂纹扩展速率和疲劳寿命提供了可靠条件 。 参考文献 [ 1 ] 郑 思 定． 准 定 常温 度分 布 下长 圆筒体 的热应 力计 算 [ J ] ． 动力工程学报 ， 1 9 8 6 ， 2 2 1 2 5 ， 6 7 ． [ 2 ]师俊平 ， 刘协 会 ， 赵 巨才． 锅炉管 道在 内压及温 度作用 下 的应力 分析 I- J ] ． 甘肃 工业 大学 学 报 ， 1 9 9 3 ， 1 9 4 95 99 ． [ 3 ] 库兹涅佐 夫 ． 锅 炉机组 热力计 算标 准方法 F M] ． 北京 锅炉厂 ， 译． 北京 机械 工业 出版社 ， 1 9 7 6 ． [ 4 ] 樊泉桂 ， 阎维平． 锅 炉 原理 [ M] ． 北京 中国 电力 出版 社 ， 2 0 0 3 ． [ 5 ] 冯俊 凯 ， 沈 幼庭 ， 杨 瑞 昌． 锅 炉 原理 及计 算 [ M] ． 第 三 版 ． 北 京 科 学 出 版 社 ， 2 0 0 3 ． [ 6 3 郑 昌浩 ， 徐旭常． 电站锅炉对 流过热器 和再热器 壁温数 值计算方 法 的研究 [ J ] ． 动 力 工程 ， 2 0 0 0 ， 2 0 4 7 3 0 7 31 ． [ 7 ] 孙保 民， 徐旭 常． w 型火 焰煤 粉锅 炉炉 内过程 的综 合 数值模 拟 及 流场 实 验 研究 [ J ] ． 中 国 电机 工 程学 报 ， 1 99 6， 1 6 4 2 3 0 23 5． [ 8 ] 徐 明厚 ， 袁建 传 ， 丁士 发． 1 0 2 5 t ／ h锅 炉 烟温 、 气温 偏 差的数值 模 拟 [ J ] ． 中国 电机工 程 学报 ， 1 9 9 6 ， 1 6 4 2 6 6 2 70 ． [ 9 ] GB 5 3 1 O 1 9 9 5 ， 高压锅炉用无缝钢管[ s ] ． 张 编 收 稿 日期 2 O 1 2 0 3 1 7 作者简介 樊文斌 1 9 7 8 ， 男 ，山西洪洞人 ， 工程师 ， 硕士 ，主要从事油气开采与储运设备的研究与设计工作 。 6 0 7 6 0 4 1 2 6 8 4 26 0 2 8● }●2 一 一 一 一 一 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油化工设备 2 0 1 2 年第 4 1 卷 Vi b r a t i o n An a l y s i s o f S ki d o f Re c i pr o c a t i n g Co mp r e s s o r s f o r Na t u r a l Ga s FAN W e n bi n ，CHEN Za i y u ，CHU Gu a ng - y u ， ZHANG S h i mi n ．S U To ng - q u a n 1 ． Of f s h o r e Oi l En g i n e e r i n g Co ．Lt d ． ，Ti a n j i n 3 0 0 4 5 1 ，Ch i n a ； 2 ．Of f s h o r e Oi l En g i n e e r i n g Qi n g d a o Co ．Lt d ． ，Qi n g d a o 2 6 6 5 2 0 ，Ch i n a Ab s t r a c t Th e t h r e e d i me n s i o n a l mo d e l o f t h e s k i d wa s b u i l t b v S o l i d W o r k s s o f t wa r e 。a n d mo d e l a n a l ys i s wa s c o n du c t e d，us i ng ANSYS W or kb e n c h s o f t wa r e，t o g e t t he na t ur a l f r e q u e nc y a n d v i b r a t i o n f e a t u r e ． Al l t he s e wi l l pr o v i de t he r e f e r e n c e f o r t he s ki d de s i gn a n d l a y t he f o un da t i o n f or i n d e pt h s t u dy of t h e vi b r a t i on，f a t i g ue a nd no i s e pr o bl e m s of t h e s k i d ． Ke y wo r d s r e c i p r o c a t i n g n a t u r a l g a s c o mp r e s s o r ；s k i d ；v i b r a t i o n；mo d e l a n a l y s i s ；n a t u r a l f r e qUenc Y 随着 海洋 油气 田 的广泛 开 采 ， 天 然 气压 缩 机 橇 块 装置在 海洋 平 台 的使 用 日益 增 多 ， 如 气 田燃 气 和 油 田伴生气的增压输送、 原油分 离气集输以及透平 燃气增压供气等。该装置工艺流程复杂， 包 括燃气 单级或多级 洗涤 、 单级或多级 压缩和 单级或多 级 冷却 等工 艺 ， 这 些复 杂 的工艺过 程要 在一个 橇块 内部实 现 ， 所 以天 然 气压 缩 机 橇 块装 置 设 计 是一 项 复 杂 的工作 。在 天然气 压缩 机成橇设 计 方面 国 内的 起步比较晚 ， 有十多家燃气处理成橇公司， 一般 以进 口 C AME R ON、 GE、 AR I E L等 厂 家 的 压 缩 机 为 基 础 进行 压缩 机成 橇设计 。 橇 块装 置 中的天 然气压 缩机 大多选 用往 复式 压 缩机 ， 振动 大是该 类 压缩机 的一 大特点 ， 为 防止压 缩 机工 作时产 生较 大 振 动或 共 振 ， 对 设 备 和平 台造 成 影 响 ， 因此 往复 式压 缩 机 成橇 设 计 的抑振 分 析 非 常 重 要 。 1 抑振设计原则 往 复式 天 然气 压 缩 机橇 块 内部 设 备 较多 ， 工 艺 复 杂 ， 橇 座 的大小 要 考 虑设 备 安 装 、 管 线 布局 、 电缆 线布置以及操作维修的便利等 。橇座的强度要满足 静 力强 度 、 吊装及运 输强 度 的要求 。除此 之外 ， 还要 考 虑橇 座 的刚度要 求 ， 防止 压 缩 机运 行 时 产 生较 大 的振动 或共 振 ， 对设 备 运转 和平 台造成影 响 。 减 小结 构振 动 的方法 有两 种 ① 改变 结构 的 固 有 频率 ， 避开 压缩 机产 生的激 振 力频 率 。② 增 强结 构 的刚 度 ， 减 小 其 柔 度[ 1 ] 。这 两种 方 法 都 以结 构 的 模 态分 析为基 础 ， 求 得 结 构 的 固有 频率 后 与 设备 激 振 力 的频率进 行 比较 ， 通 过 结构 修 改避 免 二 者 接近 或 重叠 。 图 1为典型的压缩机橇座结构 ， 其结构主要包 括 底座 和辅座 ， 辅 座位于 底座 的中 间 ， 用于 安装 和支 撑 压缩 机及原 动机 ， 洗涤 罐 、 热 交换器 等辅 助设备 以 及有关 管线 安装 在底座 的 四周 。橇 座选用 型钢或 钢 材拼接 而成 ， 压缩 机 橇座 的长 度 和宽 度 根 据其 上 相 关设备 的使 用要 求和体 积大小 而定 。 在 满 足 强度 要 求 的条件 下 ， 要 提 高橇 座 的抑 振 效果 ， 需增 加橇座 的高 度 ， 逐 点进 行 模 态分 析 ， 确 定 合理的底座高度。适 当增 加底 座高度会提高其刚 度 ， 但过分提高底座高度， 不仅会造成材料浪费 ， 而 且会增加压缩机重心的高度， 特别是辅座高度的增 加 ， 会 增 加压缩 机振 动的可 能性 。 图 1 压缩机橇座结构模型图 2 模 态 分 析 2 ． 1基本理论 机械系统结构可以离散为一种具有 n个 自由度 的线 弹性 系统 ， 其 运动微 分方程 为 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 增刊 1 樊文斌 ， 等 往 复式天然气压缩机橇座抑振分析 [ M] { j [ C ] { j } [ K] { f } 一{ F } 1 式 中 ， [ M] 、 [ c ] 、 [ K] 分 别 为 机 械 系统 的质 量 矩 阵 、 阻尼 矩 阵和 刚 度矩 阵 ； { 互 ￡ 、 { 主 } 、 { } 分 别 为机 械 系统结 构质 点 的加 速 度 、 速 度 和位 移 响应 向 量 ； { F ￡ } 为 机械 系统所 承 受 的激 振 力 向量 。 当 系统 作 无 阻尼 自由振动 时 ， 阻尼 力 和 干扰 力 为 0 ， 这时 系统 的运动 方程 可写 成 ] [ M] { j } E K] { ￡ 一0 2 对 个 自由度 系统 ， 位 移 向量 为 { } 一 [ 。 ,3 7 。 ⋯ ] ， [ M] 、 [ K] 均 为 阶对称 矩 阵 ， 且 正定 。 自由振 动方 程 2 是 二 阶 常 系数 齐 次 微 分 方 程 组 ， 设 各个 位移 分量 作相 同 的简谐振 动 ， 即 { } 一{ X} s i n 西 3 式 中 ， { X} 为 振 幅 向量 ， { X 一[ X X。 X。 ⋯ x ] ； 叫 为振动 圆频 率 ， r a d ／ s ； 为振 动初 相位 ， r a d 。 把 式 3 代入 式 2 ， 消去 s i n c o t 之 后得 [ K] 一 。 [ M] { X} 一0 4 式 4 中 [ K]一 [ M] 称 为特征 矩阵 ， 是式 2 有非 0解的充要条件式 ， 该特征矩阵的行列式为 0， 即 d e t [ K] 一 。 [ M] 一0 5 式 5 称 为特 征方程 ， 它 是 。 的 次多 项式 ， 它 有 个 根 co 、 co 、 ⋯ 、 co 。 ， 其 中 co 是 系统 的第 i阶 固有频率 ， 各阶的固有频率一般不相等 ， 把这 ”个固 有频 率 代 入 式 4 中 ， 可 以求 得 个 非 0向量 { “ } { U 。 ⋯ { U } 称 为系统 的振 型 向量 或称 特 征 向量 ， 反映结 构 的模 态 振 型 。如果 出现 等 固有 频 率 时 ， 利 用 特征 向量 与 [ M] 、 [ K] 具 有 的正 交性 ， 也 可 以得 出 等固有频率下不 同的特征 向量 。由这些特征 向量作 为列向量组成的矩阵称为模态矩阵 ， 表示为 [ 【 ， ] 一[ { “ { “ } 。 ⋯{ “ ] 6 从 对式 1 和式 2 的分 析 求解 可知 ， 对 于 有 个 自由度 的系统 ， 有 个 固有频率 和 个振 动模 态 。 2 ． 2橇座 模 态分析 利用 ANS YS软件进 行结 构模 态分 析 的主要 步 骤有建模 、 设定材料属性 、 定义边界条件、 划分网格、 求解 、 查看 结果 ] 。 以长 宽 为 6 0 0 0 mm3 8 0 0 mm 的 天然 气 压 缩 机橇 座设 计 为例 ， 应用 S o l i d Wo r k s 软件 建立 机 组 三维模 型， 导入 ANS YS Wo r k b e n c h软件 ， 设材 料 弹 性 模 量 为 2 0 0 GP a ， 泊 松 比 为 0 ．3 ， 密 度 为 7 8 0 0 k g ／ m。 。采 用 四面 体 单元 S OI D9 2对模 型进 行 网格 划 分 ， 将 底座 下 的 4条边 线设 为全 约束 ， 选用 B l o c k L a n c z o s 方 法提取 模 态进行 分 析 ， 设 置 模 态提 取数 为 6 可 根 据 实 际 需 求 增 加模 态提 取 数 ， 计 算 得 到 橇 座 前 6阶 固 有 频 率 。橇 座 高 度 分 别 为 4 0 0 mm、 5 0 0 mm 和 6 0 0 mm 的前 6阶 固有 频 率 见 表 1 ， 高 度 为 4 0 0 mm 橇 座 的 前 6阶 振 型见 图 2 限 于篇 幅只列 出高度 为 4 0 0 rai n的底 座 的阵 型 图 ， 其 它类似 。 表 1 橇 座 高 度 为 4 0 0 mm、 5 0 0 mm 和 6 0 0 mm 时 前 6阶 固 有 频 率 Hz 橇 座高 阶数 度 4 0 0 mm 橇座高 度 5 0 0 mm 橇 座高 度 6 O 0 mi D_ 一 阶 二阶 三 阶 四阶 五 阶 六阶 该橇座拟安装一额定转速为 1 2 0 0 r ／ mi n的双 缸水平 对 置式往 复式 天然 气压缩 机 ， 气缸 为双作 用 。 根 据 AP I 6 1 8 2 ] 7 Re c i p r o c a t i n g C o mp r e s s o r s f o r Pe t r ol e u m ，Ch e mi c a l ，a n d Ga s I nd us t r y Se r v i c e s l 1 ] ， 橇底 座 的 固有 频 率 大 于 激 振 力 频 率 的 1 ． 2 倍 才能 有效 避开 共振 区 。 激 振力 频率 可 由下 式计算 口 ] S 一 n ／ 6 0 Ⅲ 7 式 中 ，T ／ 为 压 缩 机 曲轴 转 速 ， r ／ mi n ； 为 压 缩 机 每 转 的激 发次数 ， 单 缸单 作 用 压缩 机 m一 1 ， 单 缸 双作 用 压缩 机 2 。 根据式 7 可得该压缩机产生的激振力频率 为 4 0 Hz ， 为避开 共振 区 ， 橇 座 的最 低 阶 固有 频 率应 大 于 6 0 Hz ， 从 表 1可知 ， 高度 为 4 0 0 mm 的橇 座满 足 要求 。 从 表 1 可 知 ， 随着 橇 座高度 的增 加 ， 橇 座 的固有 频 率 提高 ， 这与厚 度增 加 刚性增 加 的一般规 律相符 ， 可为设计提供参考依据。 从 图 2橇 座 的振 型 图可 以预 测 橇 座 的振 动 模 式 ， 观 察 橇 座 结 构 各 点 的 振 动 强 度 ， 为 橇 座 实 际 振动测试 传 感器 的布置 和橇 座结 构 的改 进 提供 参 考 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m