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2D8型压缩机管道振动分析及处理 吴孝强 秦江阳 独山子石化总厂研究院 833600 摘 要 对炼油厂空分装置2D8活塞式压缩机出口管道振动的原因进行了分析。从平面波动理论出 发,根据出口管道元件的转移矩阵及管道的端点边界条件,编程求出各阶气流脉动频率,并采用敲击法测出 管道的固有频率,计算出压缩机间歇吸排气产生的激发频率。通过比较,认为激发频率与固有频率及气流脉 动频率相近造成了管道和气柱的共振,并针对该振动形式采取了相应的措施,最终消除了管线的振动。 关键词 管道 固有频率 共振 1 前言 通常,活塞式压缩机管道振动的原因有二种一 种是由于运动机构的动力平衡性差或基础设计不当 而引起;另一种由气流脉动引起。 前者的振动只发生 在机器附近的管道,而后者则可以传至很远。 实践表 明生产中遇到的压缩机管道振动绝大多数是气流 脉动引起的 〔1〕 。压缩机间歇吸排气产生一定的激发 频率,当激发频率、 管道固有频率及气流脉动频率相 近时则发生管道和气柱共振,引起管道强烈振动,影 响压缩机的正常工作。 2 压缩机简介 空分装置2D8- 1745-˚ 型压缩机是杭州制 氧机厂生产的无油润滑、 二列对称平衡、 四级压缩的 空气压缩机。 自投用以来,因管道结构设计上的不合 理,其四级出口管道振动非常剧烈,在满负荷时,最 大振动处的振动超过2mm。 该压缩机工作状况如下 吸气压力 011 M Pa; 吸气温度 38℃; 排气压力 4. 51 M Pa; 排气温度 146℃; 排气量 17m 3 m in吸入状态 ; 活塞行程 240mm; 转速 375rm in; 连杆长 600mm; 四级活塞行程死隙 3. 0mm。 3 振动原因分析 a四级出口管道直径校核 根据入口压力、 入口流量、 入口温度、 出口压力、 出口温度,利用热力学公式p1V1T1p2V2T2可求 出出口流量为0. 542m 3 m in,根据出口流量及气体 在管道内的平均流速中压V 8～15ms , 求得允 许管道内径为28～38mm〔 2〕 ,现用管道直径为 89mm ,满足要求。因此振动不是由于管道直径不够 所引起的。 b管道固有频率及振动的测试 四级出口管道结构示意见图1 图1 四级出口管道结构示意图 图1中5个测点处所测得的管道固有频率值见 收稿日期 1998212218 作者简介吴孝强, 1990年毕业于华东化工学院流体机械专业,现从 事动设备的振动研究工作,工程师。 活塞式压缩机管线振动分析 一文, 1994年获新疆石油学会炼化分会第十届年会十佳论文奖。 检维修技术 石油化工设备技术, 1999, 20464 Petro2Chem ical Equipment Technology 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. w w w . b z f x w . c o m 表1, 5个测点处所测的振动值见表2,振动值超标 严重。通过压力表显示四级出口压力在2. 9～3. 2 M Pa之间波动,因此压力脉动为3. 2 - 2. 9 [ 3. 2 2. 92 ] 0. 098,大 于 许 用 值 0102～ 0106〔 3〕 。 表1 管道固有频率测试值 测振点测振方向频 率Hz 1Y68. 3 2X15, 20, 26. 7, 53. 3, 60 3X105, 113. 3 4Z20, 26. 7 5Y16. 7, 30, 36. 7, 41. 7, 51. 7 表2 各点在X,Y,Z方向上的振动值mm 项目12345 X0. 4080. 8390. 9680. 7600. 333 Y0. 6420. 5790. 5570. 7871. 041 Z1. 2671. 2280. 0730. 6500. 225 c气流脉动频率 管路单元示意图见图2〔 1〕 。 图2 管路单元简图 经测试L1 14. 1m;L2 28. 85m;L3 21. 6m; S1 0. 005m 2; S2 0. 013m 2; S3 0. 002m 2; V 0. 022m 3。 经编程计算气流脉动频率见表3〔 4〕 。 表3 气流脉动频率 阶次f1f2f3f4f5f6f7f8 频率Hz 1. 193. 627. 8411. 10 13. 61 16. 49 20. 27 23. 36 d激振频率 fn60 37560 6. 25Hz; 12. 5Hz 2 倍 ; 18. 75Hz 3 倍。 比较三者频率可以看出,激发频率的2, 3阶与 管道固有频率的前三阶及气流脉动频率的第4, 6, 7 阶处于共振区内 0. 8 ～1. 2f , 因此造成振动的原 因是气柱共振和管道共振,主振频率在激振频率的 二倍频的共振区 10 ～15Hz内,其中以气柱共振为 主。 4 解决方案 因激发频率和气流脉动频率较低,比较各点的 管道固有频率可以看出,支撑较好的1, 3点管道固 有频率较高,支撑较差的2, 4点管道固有频率较低。 因此须改善A B段管道支撑,使其管道固有频率提 高以避开激振频率。 同时因该段管道弯头较多,四级 出口到冷却器前就有8个90 弯头,且曲率半径较 小,当压力脉动较大时引起的激振力就很大,故四级 出口应有一定的缓冲能力,由四级气缸行程容积、 压 力比、 多方指数、 余隙容积及连杆行程比,求出缓冲 容积为气缸行程容积的35倍 〔2〕 。 四级气缸行程容积 为0. 0045m 3, 因此缓冲容积应为0. 16m 3。该段管道 的容积为0. 044m 3, 不能起到缓冲作用,因该段管道 已经较粗,满足对出口管径的要求,且该段管道弯头 较多,通过加粗管道消除压力脉动不能很好地减少 激振力的影响,同时管径的变化对气流脉动频率影 响不大。 为消减压力脉动,同时也为改变气流脉动频 率,需在四级出口处设一缓冲罐,缓冲罐容积为0. 16 m 3。 加上缓冲罐后的管道单元示意图见图3〔 1〕 。 图3 改进后管道单元简图 L1 2. 1m;L2 6. 65m;L3 28, 85m;L4 21. 6m;V1 0. 16m 3; S1 50cm 2; S2 50cm 2; S3 130cm 2; S4 20cm 2;V 2 0. 022m 3。 经计算加上缓冲罐后的气流脉动频率见表 4〔 4〕 。 表4 加上缓冲罐后的气流脉动频率 阶次f1f2f3f4f5f6f7f8 频率Hz 0. 723. 346. 929. 3911. 18 15. 12 20. 13 21. 17 加上缓冲罐后的气流脉动频率的4, 5阶仍在主 振频率的范围内,因此仍有一定的气柱共振,但加上 缓冲罐后气流平稳使压力脉动减小,激振力降低,因 56 第20卷第4期吴孝强等. 2D8型压缩机管道振动分析及处理 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 w w w . b z f x w . c o m 此虽有一定的气柱共振,但振动不会很大。 且加上缓 冲罐及加固支撑后的管道固有频率也应提高,应能 避开一定的管道共振,故该方案具有一定的减振效 果。 5 消振效果 考虑到设计、 安全、 维修及提高管道的固有频率 等几个方面的因素,将缓冲罐的容积扩大到11 5m 3, 并把2点处的管道与冷却器焊到一起,提高刚性,加 上缓冲罐后的管道单元示意图见图3,V1 1. 5m 3, 经计算加上缓冲罐后的气流脉动频率见表5〔 4〕 。 表5 实际加上缓冲罐后的气流脉动频率 阶次f1f2f3f4f5f6f7f8 频率Hz 1. 744. 528. 6210. 15 14. 26 15. 36 20. 72 22. 32 加上缓冲罐后, 5个测点处所测的振动值见表 6,管道固有频率测试值见表7,通过压力表显示四 级出口压力为2. 97 M Pa,看不到指针波动,因此压 力脉动很小,在许用范围之内。 表6 各点在X,Y,Z方向上的振动值mm 项目12345 X0. 1120. 0360. 0200. 0300. 005 Y0. 1350. 0980. 1320. 1290. 075 Z0. 0590. 0840. 0070. 0750. 032 表7 管道固有频率测试值 测振点测振方向频 率Hz 1Y210, 215 2X95, 105 3X105, 120 4Z95, 105 5Y95, 105 通过表7与表2对比可以看出,加上缓冲罐后, 管道的固有频率有很大的提高,这样避开了管道共 振,通过表5与表3对比,气流脉动频率有一定提 高,较好地避开了激发频率,因此避开大部分气柱共 振,通过表6与表1对比可以看出加上缓冲罐后,由 于避开了管道与气柱共振,因此振动值有很大的降 低,最多降到原来的160,最大处振动值为0. 135 mm ,在文献〔1〕 中要求的管道振动振幅的许用值之 内,压力脉动也由原来的0. 098降到许用值之内。 该 压缩机管道通过上述方法的改造,自1997年10月 运行至今,四级出口管道振动值一直在标准之内,此 项整改取得了较好的效果。 6 结论 a该机组的振动是由气柱共振与管道共振共同 引起的,以气柱共振为主。 b因四级出口管道缓冲能力不足,因此在四级 出口处加装一缓冲罐,以改变气流脉动频率及提高 管道固有频率,避开气柱共振及管道共振。 并把2点 处的管道与冷却器焊到一起,以提高刚性。 c经改造后,气流脉动频率有一定的改善,管道 固有频率大幅度的提高,这样改善了气柱共振,消除 了管道共振。振动最多降为原值的160,最大振动 值为0. 135mm ,满足要求。 参 考 文 献 1 党锡淇,陈守五 1 活塞式压缩机气流脉动与管道振动 1 西安交通大学出版社, 1984 2 郁永章 1 活塞式压缩机 1 北京机械工业出版社, 1982 3 潘永密,李斯特 1 化工机器 1 北京化学工业出版社, 1989 4 吴孝强 1 活塞式压缩机管线振动分析 1 油气加工, 1995 3 上接第44页 组运行工况,达到了预期的目的。 同时主电机电流由 70A降至60A ,电流下降10A ,仅此每小时可以节电 88133kVA。每年开机8000h,每kVA以0120元计 算,每年可节约电耗14113万元,效果显著。 4 结论 在保证装置安全生产的前提下,降低空气压缩 机负荷25左右,不仅解决了当时 级轴瓦温度偏 高问题,又弥补了油冷器换热面积不足的缺陷,保证 了机组安全运行、 稳定了全厂生产、 节约能耗创造了 可观的经济效益。改进后,机组已累计运行5年以 上,取得了可观的经济效益。 66石 油 化 工 设 备 技 术1999年 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.