陳帥甫 王建軍 金有海

(中國石油大學(xué)(華東)化學(xué)工程學(xué)院)

催化劑結(jié)垢引起的煙氣輪機(jī)轉(zhuǎn)子振動特性分析

陳帥甫 王建軍 金有海

(中國石油大學(xué)(華東)化學(xué)工程學(xué)院)

采用ANSYS軟件對煙氣輪機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行數(shù)值建模，對葉片表面結(jié)垢引起的煙氣輪機(jī)轉(zhuǎn)子振動特性進(jìn)行分析。研究了模型在帶有催化劑結(jié)垢情況下的振動特性，并探索了催化劑結(jié)垢質(zhì)量變化的情況下，煙氣輪機(jī)轉(zhuǎn)子振動特性的變化規(guī)律；預(yù)測不同位置和質(zhì)量的結(jié)垢對煙氣輪機(jī)轉(zhuǎn)子振動特性的影響規(guī)律。結(jié)果表明：煙氣輪機(jī)葉片表面結(jié)垢的3個參數(shù)(偏心距、周向角度、質(zhì)量)對轉(zhuǎn)子振動特性的影響各不相同。結(jié)垢質(zhì)量大小和偏心距嚴(yán)重影響煙氣輪機(jī)轉(zhuǎn)子振動速度，質(zhì)量越大、偏心距越大振動速度越大，而結(jié)垢的周向角度對轉(zhuǎn)子振動速度的大小沒有影響。

煙氣輪機(jī) 結(jié)垢 轉(zhuǎn)子 振動特性

煉油廠催化裂化裝置的能量回收系統(tǒng)是催化裂化裝置的重要組成部分，主要作用是以催化劑再生燒焦過程中產(chǎn)生的高溫?zé)煔鉃榻橘|(zhì)，通過核心設(shè)備煙氣輪機(jī)對外做功，用于發(fā)電或驅(qū)動催化裂化裝置的主風(fēng)機(jī)，從而達(dá)到能量回收和降低裝置能耗的目的[1,2]。但是近年來，隨著重油、渣油等劣質(zhì)原油的大量加工，高溫?zé)煔庵写呋瘎╊w粒在煙機(jī)動葉片和圍帶上的結(jié)垢現(xiàn)象日益普遍。結(jié)垢會影響催化煙機(jī)轉(zhuǎn)子的動平衡，造成催化煙機(jī)振動異常、葉片斷裂及沖蝕等故障，嚴(yán)重影響催化裂化裝置長周期安全運(yùn)行，甚至導(dǎo)致煙氣能量回收的經(jīng)濟(jì)效益無法實現(xiàn)[3]。同時催化裂化再生裝置運(yùn)行需要風(fēng)機(jī)提供大量的空氣，一旦煙氣輪機(jī)出現(xiàn)故障甚至停機(jī)，風(fēng)機(jī)就需要電動機(jī)帶動，在故障檢修期間就需要花費(fèi)數(shù)十萬的電費(fèi)，除此之外，再加上檢修費(fèi)、配件費(fèi)等花費(fèi)，一次煙氣輪機(jī)故障將造成近上百萬的損失。因此，為避免煙機(jī)振動超標(biāo)導(dǎo)致催化裂化裝置無法長周期運(yùn)行，預(yù)測不同程度結(jié)垢對煙機(jī)轉(zhuǎn)子振動特性的影響就顯得非常必要。

1 現(xiàn)場煙氣輪機(jī)轉(zhuǎn)子振動特性

煙氣輪機(jī)的常見故障包括葉片磨損、斷裂、粉塵堆積、動靜摩擦、動平衡破壞、同心度偏移、油膜失穩(wěn)及殼體變形等，對安全生產(chǎn)影響較大的是轉(zhuǎn)子振動超標(biāo)。除了設(shè)計、制造、裝配方面的原因外，煙機(jī)在運(yùn)行過程中催化劑顆粒在動葉片表面結(jié)垢造成的轉(zhuǎn)子不平衡是煙機(jī)轉(zhuǎn)子振動的主要原因[4～6]。圖1為由于催化劑結(jié)垢引起的振動造成煙氣輪機(jī)故障的現(xiàn)場照片。通過對煙氣輪機(jī)轉(zhuǎn)子振動的在線監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析可見，頻譜圖顯示振動信號中一倍頻振動速度增大明顯(圖2)，時域波形圖為規(guī)則的正弦曲線，結(jié)合現(xiàn)場情況判斷振動增大是由催化劑在煙氣輪機(jī)轉(zhuǎn)子上結(jié)垢造成[7,8]。

圖1 現(xiàn)場煙氣輪機(jī)結(jié)垢圖

圖2 煙機(jī)轉(zhuǎn)子振動時域波形圖和頻譜圖

2 數(shù)值模擬計算

2.1 煙氣輪機(jī)轉(zhuǎn)子建模

通過測量得到煙氣輪機(jī)單個葉片的尺寸數(shù)據(jù)，采用Gambit軟件對葉片單獨(dú)進(jìn)行建模后導(dǎo)入ANSYS軟件中。輪盤和軸的建模在ANSYS中進(jìn)行，并設(shè)置軸線方向為x軸，與軸線垂直的水平方向為z軸，豎直方向為y軸，建模完成后的煙氣輪機(jī)轉(zhuǎn)子模型如圖3所示。

圖3 煙氣輪機(jī)轉(zhuǎn)子模型

2.2 網(wǎng)格劃分

模型的網(wǎng)格選用四面體單元，自由網(wǎng)格劃分。葉片、輪盤和軸的單元類型為Solid187，軸承支承采用彈簧阻尼單元Combin14進(jìn)行模擬，位置在軸頸的中間對稱面處，分別將這兩個界面記為面1、2，其中面1靠近輪盤一側(cè)，面2靠近聯(lián)軸器一側(cè)。劃分網(wǎng)格后的模型結(jié)果如圖4所示。

2.3 加載和計算

煙機(jī)在實際運(yùn)行過程中，動葉片上的結(jié)垢隨著時間的推移而逐漸增多，同時結(jié)垢在各個葉片上的分布情況也因煙氣中催化劑顆粒濃度和粒度分布、煙氣的流量、溫度及壓力等工況參數(shù)的變化而出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象。煙機(jī)轉(zhuǎn)子的動葉片在運(yùn)轉(zhuǎn)中不可避免地會出現(xiàn)極其微小的振動，而當(dāng)圍帶上的結(jié)垢增厚導(dǎo)致動葉片葉頂與圍帶的間隙減小甚至局部沒有間隙時，動葉片的葉頂就會和圍帶上的結(jié)垢發(fā)生碰磨。高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子即使受到輕微的碰磨也會產(chǎn)生較大的振動，進(jìn)而導(dǎo)致動葉片上的結(jié)垢出現(xiàn)不均勻的脫落現(xiàn)象。上述兩種情況都會改變轉(zhuǎn)子動葉片上的結(jié)垢質(zhì)量分布均勻程度。

圖4 網(wǎng)格劃分結(jié)果

通過將葉片上的塊狀結(jié)垢質(zhì)量轉(zhuǎn)換為質(zhì)心位于葉片中心處的等價質(zhì)點(diǎn)，可以得到葉片上結(jié)垢質(zhì)量簡化后的特征參數(shù)，即質(zhì)量大小m，偏心距e(即該質(zhì)點(diǎn)與輪盤中心處的距離)和周向角度α。不平衡質(zhì)量對高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的作用力可以用該質(zhì)量的特征參數(shù)所表示的離心力進(jìn)行描述[9,10]。如大小為m的不平衡質(zhì)量存在于偏心距為e、周向角度為α的地方，并且轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為ω，那么它所產(chǎn)生的離心力F=ω2me。

將該不平衡質(zhì)量產(chǎn)生的離心力分解到y(tǒng)、z兩個方向上，可以得到在y、z兩個方向上的分力分別為：

Fy=ω2mecos(ωt-α)

Fz=ω2mesin(ωt-α)

當(dāng)不平衡質(zhì)量為兩個或多個時，就需要簡化不平衡質(zhì)量。將每個不平衡質(zhì)量分別計算出離心力之后進(jìn)行矢量疊加，即可得到等效簡化之后的力，加載位置為輪盤中心處的節(jié)點(diǎn)。模擬對應(yīng)的工況轉(zhuǎn)速為6 700r/min。

筆者以結(jié)垢質(zhì)量的3個特征參數(shù)(即質(zhì)量m、周向角度α和偏心距e)為變量；同時把所有數(shù)據(jù)點(diǎn)分為單不平衡質(zhì)量和雙不平衡質(zhì)量兩個大類。設(shè)立分組和有對比性的數(shù)據(jù)點(diǎn)，分別研究3個參考變量對轉(zhuǎn)子振動的影響和兩個不平衡質(zhì)量在不同參數(shù)的情況下在疊加之后對轉(zhuǎn)子振動的影響效果。采用瞬態(tài)動力學(xué)分析方法對加載后的模型進(jìn)行計算。

3 計算結(jié)果與分析

通過對模擬結(jié)果的整理，發(fā)現(xiàn)由不平衡質(zhì)量引起的轉(zhuǎn)子振動現(xiàn)象，其軸心軌跡圖為圓形或者偏心度較小的橢圓形(圖5)，時域波形圖為近似正弦曲線(圖6)，頻譜圖(圖7)中一倍頻的振動速度最大?？梢钥闯?，模擬結(jié)果與現(xiàn)場煙機(jī)轉(zhuǎn)子振動特性曲線一致，可以采用該模型對煙機(jī)葉片結(jié)垢引起的轉(zhuǎn)子振動特性進(jìn)行數(shù)值模擬。

圖5 面1的軸心軌跡圖

圖6 面1豎直方向周向角度為45°時的時域波形圖

圖7 面1豎直方向振動響應(yīng)頻譜圖

3.1 單不平衡質(zhì)量的結(jié)果分析

3.1.1 質(zhì)量為變量

在偏心距和周向角度相同的情況下，質(zhì)量的變化對轉(zhuǎn)子振動的速度產(chǎn)生了很大的影響。從圖8可以看出轉(zhuǎn)子振動的速度幾乎是與質(zhì)量成正比的線性關(guān)系，在實際工況中，轉(zhuǎn)子上的不平衡質(zhì)量越大，振動越劇烈。

圖8 振動速度隨質(zhì)量變化趨勢

3.1.2 偏心距為變量

在質(zhì)量和周向角度相同的情況下，偏心距的變化對轉(zhuǎn)子振動的速度產(chǎn)生了較大的影響。從圖9可以看出轉(zhuǎn)子振動的速度幾乎是與不平衡質(zhì)量位置參數(shù)偏心距成正比的線性關(guān)系，在實際工況中，轉(zhuǎn)子上的不平衡質(zhì)量位置距離輪盤中心越遠(yuǎn)，振動越劇烈。

圖9 振動速度隨偏心距變化趨勢

3.1.3 周向角度為變量

通過分析可見，不平衡質(zhì)量周向角度的改變，對轉(zhuǎn)子振動的振幅幾乎沒有影響，僅對最大幅值出現(xiàn)的時間(即振動響應(yīng)時間)有影響，圖6、10即為面1豎直方向中周向角度分別為45、90°時的時域波形圖。

圖10 面1豎直方向周向角度為90°時的時域波形圖

3.2 雙不平衡質(zhì)量的結(jié)果分析

3.2.1 質(zhì)量為變量

當(dāng)a、b兩不平衡質(zhì)量點(diǎn)周向角度對稱(a點(diǎn)在0°位置，b點(diǎn)在180°位置)、偏心距都為0.43m時，a不平衡質(zhì)量大小為20g固定，b不平衡質(zhì)量大小分別為40、60、80、10g與a進(jìn)行效果疊加，疊加效果與只有a的單不平衡質(zhì)量效果進(jìn)行對比。

通過對比發(fā)現(xiàn)，在誤差允許范圍內(nèi)，加上b不平衡質(zhì)量之后，疊加后造成振動速度等效于質(zhì)量大小為a、b兩點(diǎn)質(zhì)量差的單不平衡質(zhì)量造成的振動速度(圖11)。由此也可以推斷當(dāng)a、b兩不平衡質(zhì)量點(diǎn)的周向角度和偏心距相同時，雙不平衡質(zhì)量疊加后造成振動速度等效于質(zhì)量大小為a、b兩點(diǎn)質(zhì)量和的單不平衡質(zhì)量造成的振動速度。

圖11 a、b周向角度對稱偏心距相同質(zhì)量不同疊加后效果

3.2.2 偏心距為變量

當(dāng)a、b兩不平衡質(zhì)量點(diǎn)周向角度都在0°、質(zhì)量都為40g時，a不平衡質(zhì)量在偏心距為0.43m的位置固定，b不平衡質(zhì)量分別在偏心距為0.13、0.23、0.33m的位置與a進(jìn)行效果疊加，疊加效果與只有a的單不平衡質(zhì)量效果進(jìn)行對比，結(jié)果見表1。通過對比發(fā)現(xiàn)，相對于只有a不平衡質(zhì)量，在加上b不平衡質(zhì)量之后，振動速度明顯增強(qiáng)，b點(diǎn)距離a點(diǎn)越近，增強(qiáng)效果越明顯。

表1 雙不平衡質(zhì)量兩點(diǎn)偏心距不同時振動速度對比

只有單不平衡質(zhì)量a(質(zhì)量大小為40g)時，振動速度為11.394 3μm/s，對比同周向角度的雙不平衡質(zhì)量的情況，可得在同周向角度的雙不平衡質(zhì)量，相對于同質(zhì)量的單不平衡質(zhì)量，對轉(zhuǎn)子的振動速度有加劇作用，這種加劇作用隨b點(diǎn)到輪盤中心的距離增大而增大，符合不平衡質(zhì)量位置參數(shù)偏心距對振動速度的影響。

當(dāng)a、b兩不平衡質(zhì)量點(diǎn)周向角度對稱(a點(diǎn)在0°位置，b點(diǎn)在180°位置)、質(zhì)量都為40g時，a不平衡質(zhì)量在偏心距為0.43m的位置固定，b不平衡質(zhì)量分別在偏心距為0.13、0.23、0.33m的位置與a進(jìn)行效果疊加，疊加效果與只有a的單不平衡質(zhì)量效果進(jìn)行對比，結(jié)果見表2。

表2 雙不平衡質(zhì)量兩點(diǎn)周向角度對稱質(zhì)量相同偏心距不同時振動速度對比

通過對比發(fā)現(xiàn)，相對于只有a不平衡質(zhì)量，在加上b不平衡質(zhì)量之后，振動速度明顯減弱，b點(diǎn)距離輪盤中心越遠(yuǎn)，減弱效果越明顯。并且當(dāng)周向角度也相同時，在誤差允許范圍之內(nèi)，振動效果甚至可以完全抵消。

只有單不平衡質(zhì)量a(質(zhì)量大小為40g)時，振動速度為11.394 3μm/s，對比對稱周向角度的雙不平衡質(zhì)量的情況，可得對稱周向角度的雙不平衡質(zhì)量，相對于同質(zhì)量的單不平衡質(zhì)量，對轉(zhuǎn)子的振動速度有減弱作用，這種減弱作用隨b點(diǎn)到輪盤中心的距離增大而增大，符合不平衡質(zhì)量位置參數(shù)偏心距對振動速度的影響。

3.2.3 周向角度為變量

當(dāng)a、b兩不平衡質(zhì)量大小都為40g、偏心距都為0.43m時，a不平衡質(zhì)量在周向角度為0°固定，b不平衡質(zhì)量位置周向角度分別為0、30、60、90、120、150、180°與a進(jìn)行效果疊加，疊加效果與只有a的單不平衡質(zhì)量效果進(jìn)行對比，如圖12所示。

圖12 單、雙不平衡質(zhì)量時振動速度隨角度變化情況

通過對比發(fā)現(xiàn)，相對于只有a的單不平衡質(zhì)量情況，加上b不平衡質(zhì)量之后，在b周向角度從0～180°的變化中，疊加后造成振動速度會分為兩段，前段對振動速度有加劇作用，但加劇作用隨著角度的變化逐漸變小，后段對振動速度有減弱作用，減弱作用隨著角度的變化逐漸變大。對比單不平衡質(zhì)量點(diǎn)(參數(shù)為質(zhì)量m=40g，偏心距e=0.43m)時的振動速度為11.394 3μm/s，可得在本組數(shù)據(jù)點(diǎn)中當(dāng)b點(diǎn)周向角度在120°左右時，會出現(xiàn)一個位置，其疊加后的效果等效于上述單不平衡質(zhì)量點(diǎn)的效果。通過對其他數(shù)據(jù)模擬結(jié)果的分析發(fā)現(xiàn)，對于其他特定參數(shù)的雙不平衡質(zhì)量點(diǎn)，在周向角度改變的情況下，也會出現(xiàn)某一個位置使得疊加后的效果等效于單不平衡質(zhì)量點(diǎn)的效果。

4 結(jié)束語

通過對單不平衡質(zhì)量和雙不平衡質(zhì)量的研究，可得多不平衡質(zhì)量造成轉(zhuǎn)子振動效果的合成，歸根到底是每個不平衡質(zhì)量在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中對輪盤中心產(chǎn)生的離心力的矢量合成。如果經(jīng)過合成之后的離心力合力比原單不平衡質(zhì)量產(chǎn)生的離心力大，則合成后的振動效果就比單不平衡質(zhì)量的劇烈，反之亦然?？偠灾?，結(jié)垢質(zhì)量大小和結(jié)垢位置參數(shù)偏心距嚴(yán)重影響煙氣輪機(jī)轉(zhuǎn)子振動速度，質(zhì)量越大、偏心距越大，振動速度越大，質(zhì)量越小、偏心距越小，則振動速度越小；而結(jié)垢周向角度對轉(zhuǎn)子振動速度的大小沒有影響，但是會影響到振動的響應(yīng)時間。

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VibrationCharacteristicsAnalysisofFlueGasTurbineRotorCausedbyCatalystFouling

CHEN Shuai-fu, WANG Jian-jun, JIN You-hai
(CollegeofChemicalEngineering,ChinaUniversityofPetroleum(EastChina))

Making use of ANSYS to model flue gas turbine’s rotor and to analyze the rotor’s vibration characteristics caused by the fouling on the blade surface was implemented; and the vibration characteristics of the model with catalyst fouling were investigated, including vibration characteristics’ variation at the time that mass of the catalyst fouling changes; and the influence rule of different positions and fouling masses on the rotor vibration characteristics was predicted. The results show that, the three parameters of the fouling on the blade surface like the eccentricity, circumferential angle and the mass affect the vibration characteristics of the rotor respectively; and both mass and eccentricity of the fouling seriously affects the rotor vibration velocity; the greater mass and eccentricity bring about more obvious rotor vibration velocity; and the circumferential angle of the fouling has no influence on the rotor’s vibration velocity.

flue gas turbine, fouling, rotor, vibration characteristics

山東省自然科學(xué)基金項目(ZR2015EM026)。

陳帥甫(1988-)，博士研究生，從事旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動監(jiān)測的研究，linxuan1958@163.com。

TQ051.1

A

0254-6094(2017)02-0190-06

2016-05-16，

2016-12-26)

(Continued from Page 189)

large amount of vortexes arise at the radius bars where helical ribbon and rotating cone joins and boundary layer separates; under agitation of rotating cones and inner and outer helical ribbons, the fluid turbulently circulates to form into axial, radial and tangential flow and the turbulence degree outside the rotating cone is more obvious than that inside the rotating cone. An experimental device for researching fluid velocity was set up. In the condition of full flow, through replacing the polysilicon slurry with strong brine, the distribution characteristics of axial, radial and tangential three-dimensional component velocities were investigated. The experimental results show that, the rotating cone’s speed and fluid flow’s circulation volume have little effect on the axial velocity; and the vortex formed under the action of rotating cones and helical ribbons has secondary diversion effect which drives the fluid’s periodic motion in axial and radial direction. Experimental results and the fluid simulation results, showing a good consistency, prove the rationality and validity of the design of the continuous airtight and nested double sprial dryer.

Keywordsdryer,polysilicon,design development, CFD numerical simulation, cold-modeling experiment