孔凡楊，荊恒鑄

(河南心連心化肥有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453731)

氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)在運(yùn)行中的問(wèn)題分析及改進(jìn)

孔凡楊，荊恒鑄

(河南心連心化肥有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453731)

往復(fù)式壓縮機(jī)上增加了氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)后，先后出現(xiàn)壓縮機(jī)進(jìn)氣管道最遠(yuǎn)端和進(jìn)口處管道振動(dòng)，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)現(xiàn)象和對(duì)氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作原理的分析，采取了一些減振措施，最終解決振動(dòng)問(wèn)題。

氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)；振動(dòng)；分析；解決

河南心連心化肥有限公司CO2壓縮機(jī)4M40-105/159氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)裝置于2016年8月投運(yùn)，但隨后發(fā)現(xiàn)由低溫甲醇洗崗位送至壓縮機(jī)的CO2管道及壓縮機(jī)一級(jí)緩沖罐進(jìn)口前部分管道振動(dòng)大。管道振動(dòng)對(duì)安全生產(chǎn)是一個(gè)很大的威脅，容易造成管路附件的連接部位發(fā)生松動(dòng)和破裂，影響壓縮機(jī)組的正常運(yùn)行等。針對(duì)此問(wèn)題，我們對(duì)管線進(jìn)行振動(dòng)原因分析，振動(dòng)數(shù)據(jù)測(cè)量，采取減振措施，最終解決了振動(dòng)問(wèn)題，保證了氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)和壓縮機(jī)系統(tǒng)的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。

1 管道振動(dòng)的分析

1.1 氣流脈動(dòng)引起的管道振動(dòng)

往復(fù)式壓縮機(jī)的工作特點(diǎn)是吸排介質(zhì)呈間歇性和周期性，激起管內(nèi)流體呈脈動(dòng)狀態(tài)，流體脈動(dòng)的大小用壓力不均勻度來(lái)表示。管道內(nèi)的流體壓力不均勻度越大，振動(dòng)頻率越高。脈動(dòng)的流體沿管道輸送時(shí)，遇到彎頭、異徑管、控制閥、盲板等元件后，由于瞬間壓力、速度、密度的變化，將產(chǎn)生隨時(shí)間變化的激振力，受該力的作用，管道結(jié)構(gòu)及附件便產(chǎn)生一定的機(jī)械振動(dòng)響應(yīng)。

1.2 共振

共振分為兩類，一是氣柱共振：往復(fù)式壓縮機(jī)管路內(nèi)輸送的氣體可視為靜止的，稱為氣柱。氣柱可以壓縮、膨脹，故可以看作一個(gè)類似彈簧的振動(dòng)系統(tǒng)，具有一系列的固有頻率，當(dāng)往復(fù)式壓縮機(jī)激發(fā)頻率與某階固有頻率相等或相近時(shí)，系統(tǒng)即產(chǎn)生對(duì)應(yīng)該階頻率的共振，從而引起很大的氣流壓力脈動(dòng)值，即對(duì)管路產(chǎn)生很大的諧波激振力；二是管道機(jī)械共振：由管子、管件和支架組成的管道本身也是一個(gè)彈性系統(tǒng)。管道系統(tǒng)根據(jù)配管情況、支撐的類型和位置，也會(huì)有一系列的固有頻率，當(dāng)激發(fā)頻率與某階固有頻率相等或相近時(shí)，便發(fā)生管道的機(jī)械振動(dòng)，共振對(duì)管道的振動(dòng)具有很大的影響。

根據(jù)以上理論進(jìn)行分析，CO2管道的振動(dòng)既有氣流脈動(dòng)的影響，也有共振的影響。因?yàn)樵黾託饬繜o(wú)級(jí)調(diào)節(jié)裝置后，在活塞向蓋側(cè)壓縮的過(guò)程中，進(jìn)氣閥被強(qiáng)制打開(kāi)一段時(shí)間，使缸內(nèi)氣體重新返回到進(jìn)氣管中，這樣給氣柱的脈動(dòng)又增加了一股脈動(dòng)，這股脈動(dòng)打破了之前平穩(wěn)、規(guī)律的氣柱脈動(dòng)，改變了激發(fā)頻率，使得氣柱脈動(dòng)頻率與管系的固有頻率接近，使管道產(chǎn)生共振；同時(shí)該路管線長(zhǎng)度二百多米，整個(gè)管線上沒(méi)有防振管夾，也沒(méi)有限位支架，使得整個(gè)管系的剛性特別差，抗外界干擾能力較弱，而且整條管線共有4次變徑，有8個(gè)90°彎頭，多次的管道變徑和曲折的管道走向也增加了激振力的強(qiáng)度和數(shù)量，也會(huì)加重管道的振動(dòng)。

2 管道減振措施

2.1 改變固有頻率

經(jīng)過(guò)計(jì)算，當(dāng)氣流的頻率與管道的第9階頻率2.089Hz重合時(shí)就會(huì)引起管廊前三跨的外管振動(dòng)，這一分析與現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)情況相吻合，所以我們將管廊的所有滑動(dòng)支架調(diào)整為防振管夾，對(duì)管廊上與管道接觸的支架等進(jìn)行加固，調(diào)整后管道的一階固有頻率增至2.899HZ。這樣一方面提高管道的剛度，另一方面避開(kāi)共振頻率來(lái)減輕振動(dòng)。

圖1 管廊上的放空管支架

振動(dòng)管道的放空管經(jīng)過(guò)該支架匯入放空總管，該支架由250mm工字鋼組成，高出管廊將近5m，支撐性較差，支架隨著管道的振動(dòng)晃動(dòng)時(shí)幅度較大，對(duì)支架加斜撐和立柱加固后不再晃動(dòng)，如圖1所示(圖2中又新增一趟管線及支架，與本文無(wú)關(guān))：

圖2 加固后的支架

2.2 增加孔板

《石油化工裝置工藝管道安裝設(shè)計(jì)手冊(cè)》中關(guān)于往復(fù)式壓縮機(jī)管道設(shè)計(jì)中寫(xiě)道"為減小氣體壓力脈動(dòng)，應(yīng)在壓縮機(jī)入口管道上設(shè)置緩沖罐或者孔板"。國(guó)內(nèi)在幾十年前就開(kāi)始利用孔板來(lái)減輕管道振動(dòng)，各種理論研究和實(shí)際應(yīng)用的案例都有很多，這些案例都表明采用合適的孔徑和安裝位置，可以很明顯地減輕壓縮機(jī)管道振動(dòng)。

⑴孔板孔徑。計(jì)算孔板的孔徑比通常采用公式d/D=0.43～0.5，其中，d 為孔板孔徑，D為管道內(nèi)徑，且孔板內(nèi)徑邊緣處必須保留銳利棱角，不得倒角，目的是將管道內(nèi)的壓力駐波轉(zhuǎn)變成行波，從而降低管道內(nèi)的壓力不均勻度。

⑵孔板位置?？装宓奈恢帽仨毎惭b在足夠大的容器進(jìn)、出口法蘭處，因?yàn)楫?dāng)孔板遠(yuǎn)離容器時(shí)不再形成無(wú)反射的端點(diǎn)條件，而只是一個(gè)單純的局部阻力元件，管道內(nèi)存在的仍是駐波，無(wú)法起到消振作用。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施過(guò)程中，第一次在壓縮機(jī)前水分離器進(jìn)口處增加了孔板，與足夠大的容器進(jìn)口相連，效果比較明顯，振動(dòng)減輕，管廊上振動(dòng)基本消失，但是壓縮機(jī)進(jìn)氣緩沖罐進(jìn)口前管道仍有輕微振動(dòng)，測(cè)量數(shù)據(jù)如表1。

表1 前水分離器進(jìn)口增加孔板前后壓縮機(jī)管道振動(dòng)情況

經(jīng)過(guò)計(jì)算，又在一級(jí)進(jìn)氣緩沖罐進(jìn)口處增加了不同尺寸的孔板，孔板的孔徑仍采用公式d/D=0.43～0.5計(jì)算，取d=0.42，增加孔板后經(jīng)試驗(yàn)，振動(dòng)情況基本消失。

現(xiàn)場(chǎng)裝設(shè)孔板的位置如下圖3。

2.3 緩沖器容量核算

緩沖器被認(rèn)為是最簡(jiǎn)單且有效的減緩氣流脈動(dòng)的設(shè)施，其不僅能改變管系氣柱的固有頻率，而且可以降低氣流脈動(dòng)的幅值。而緩沖器的安裝位置和容積大小及其重要。為了能充分發(fā)揮緩沖器減緩氣流脈動(dòng)的效果，應(yīng)盡量將緩沖器放置在緊靠壓縮機(jī)進(jìn)、排氣口。另外緩沖器的容積大小也對(duì)振動(dòng)有影響，要求是壓縮機(jī)氣缸容積的10倍，我公司壓縮機(jī)一級(jí)進(jìn)氣緩沖器與前水分離器的容積分別為3.2m3和3.82 m3，根據(jù)壓縮機(jī)數(shù)據(jù)計(jì)算出氣缸容積為0.21 m3，滿足對(duì)緩沖器的容積要求。

2.4 改進(jìn)管系結(jié)構(gòu)特性

降低壓力不均勻度，是減小管道振動(dòng)的根本措施，但是管道中總會(huì)有轉(zhuǎn)彎和管件等，脈動(dòng)氣流遇到管道元件時(shí)，由于力的不平衡性，就必然會(huì)出現(xiàn)對(duì)管道的激振力，上述增加孔板和支架也可以達(dá)到改變管系結(jié)構(gòu)特性的作用。

2.5 改變執(zhí)行器安裝位置

目前系統(tǒng)只在蓋側(cè)加裝了四個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如果將蓋側(cè)四個(gè)執(zhí)行器改為軸側(cè)、蓋側(cè)各兩個(gè)執(zhí)行器，氣體向進(jìn)氣管線返氣的頻率會(huì)比四個(gè)氣閥在一側(cè)增加一倍，同時(shí)每次進(jìn)行返氣的氣閥由四個(gè)變?yōu)閮蓚€(gè)，因此返氣量在理論上可以減少一半，氣流造成的脈沖也會(huì)相應(yīng)減小，可以減輕管道的振動(dòng)。但是經(jīng)過(guò)廠家技術(shù)人員的詳細(xì)計(jì)算得出的結(jié)論是這種方法是不成立的。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)裝設(shè)孔板的位置

經(jīng)過(guò)計(jì)算，這樣做不僅會(huì)使壓縮機(jī)進(jìn)排氣溫度上升，幾乎達(dá)到氣閥能承受溫度的上限，而且氣閥所承受的力過(guò)大導(dǎo)致氣閥壽命受到影響，甚至氣閥結(jié)構(gòu)被破壞。具體原因如下：

圖4 系統(tǒng)專用氣閥負(fù)荷-溫度曲線

圖5 氣閥最大卸荷力與壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系

(1)蓋側(cè)四個(gè)閥與軸蓋側(cè)各兩個(gè)閥進(jìn)排氣溫度對(duì)比(綠實(shí)線：蓋側(cè)四個(gè)閥進(jìn)氣溫度；綠虛線：蓋側(cè)四個(gè)閥排氣溫度；粉實(shí)線：兩側(cè)各兩個(gè)閥進(jìn)氣溫度；粉虛線：兩側(cè)各兩個(gè)閥排氣溫度)。

從圖4可以看出，兩側(cè)各兩個(gè)閥的話，在一級(jí)負(fù)荷80%時(shí)，排氣溫度達(dá)到130°左右，基本達(dá)到氣閥可承受溫度上限，對(duì)氣閥壽命影響較大。

(2)圖5為根據(jù)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速(橫軸)確定氣閥允許最大卸荷力(左側(cè)縱軸)和用液壓驅(qū)動(dòng)時(shí)允許最大壓力(右側(cè)縱軸)，我公司壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速300r/min，從圖中可以看出，轉(zhuǎn)速300r/min時(shí)，氣閥允許最大卸荷力為3000N，經(jīng)過(guò)廠家專用軟件計(jì)算，從蓋側(cè)四個(gè)氣閥改為兩側(cè)各兩個(gè)氣閥后，氣閥所承受的卸荷力從1010N增加到3720N，氣閥無(wú)法承受。

3 結(jié)論

往復(fù)式壓縮機(jī)管道現(xiàn)場(chǎng)減振，對(duì)已經(jīng)發(fā)生振動(dòng)的管道，必須先判斷清楚產(chǎn)生振動(dòng)的原因，是氣體脈動(dòng)過(guò)大，還是管系產(chǎn)生了機(jī)械共振。在尚未弄清楚管道振動(dòng)原因時(shí)就盲目加固有時(shí)并無(wú)好處，因?yàn)楫?dāng)氣流壓力脈動(dòng)過(guò)大而引起管道振動(dòng)時(shí)，加固支撐雖然使振動(dòng)現(xiàn)象一時(shí)得以緩解，但管道承受的激振力并沒(méi)有減小，管道動(dòng)應(yīng)力有時(shí)反而會(huì)增加，振動(dòng)有可能會(huì)傳遞到與其相鄰的設(shè)備或管道，引起更大的問(wèn)題，最終通過(guò)對(duì)管道和支架的加固以及管道增加合適尺寸的孔板，振動(dòng)問(wèn)題得以解決。

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2017-07-14

孔凡楊(1989—)，河南新鄉(xiāng)人，助理工程師，主要從事自動(dòng)控制方向研究。

TE974

A

1008-021X(2017)18-0102-03

(本文文獻(xiàn)格式孔凡楊，荊恒鑄.氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)在運(yùn)行中的問(wèn)題分析及改進(jìn)[J].山東化工，2017，46(18)：102-104.)