高海見(jiàn)

（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(jī)具有流量大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)中。而“喘振”是導(dǎo)致壓縮機(jī)損壞的主要原因之一，具有較大危害性，在工程設(shè)計(jì)及實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)極力避免或減少“喘振”的發(fā)生。對(duì)于清潔、無(wú)毒的空氣介質(zhì)，一般選擇在壓縮機(jī)出口管線上設(shè)置放空閥及管線，將介質(zhì)直接放空來(lái)實(shí)現(xiàn)防喘振[1-2]。當(dāng)壓縮機(jī)發(fā)生喘振時(shí)，需將其工作點(diǎn)盡快拉回到正常工作區(qū)，這時(shí)需盡快將出口放空閥打開(kāi)以排出管道內(nèi)的氣體。由于放空時(shí)流量大、流速高，常造成放空管線及防喘振閥劇烈振動(dòng)，并且產(chǎn)生較大噪聲[3-4]。因此，合理的壓縮機(jī)出口管道布置、合理的消聲設(shè)備選擇[5-6]，對(duì)壓縮機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。本文以某裝置空壓機(jī)為案例，對(duì)其出口管道的布置、放空消聲設(shè)備選擇的缺點(diǎn)進(jìn)行了分析，并提出一種優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

1 項(xiàng)目原設(shè)計(jì)方案

1.1 原工藝方案

某裝置有兩臺(tái)軸流式空壓機(jī)，為下游工段提供吹掃空氣。單臺(tái)壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)流量為460 000 kg/ h。壓縮機(jī)出口操作壓力為0.115 MPa，操作溫度為98℃，設(shè)計(jì)壓力為0.18 MPa，設(shè)計(jì)溫度為145 ℃。根據(jù)工藝設(shè)計(jì)參數(shù)，壓縮機(jī)供應(yīng)商選擇的出口管道口徑為DN 1 600，為實(shí)現(xiàn)防喘振功能，每臺(tái)壓縮機(jī)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(tái)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）。空壓機(jī)氣路工藝流程簡(jiǎn)圖如圖1 所示。

圖1 空壓機(jī)工藝流程簡(jiǎn)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(tái)空壓機(jī)及出口管道的布置如圖2 ～ 4 所示。

圖2 空壓機(jī)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(tái)空壓機(jī)布置在半敞開(kāi)式廠房?jī)?nèi)，廠房采用鋼結(jié)構(gòu)型式。因空壓機(jī)排出口朝下，出口管道則沿地面敷設(shè)，以減小振動(dòng)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(tái)空壓機(jī)一共設(shè)置了4 臺(tái)消聲器，為了節(jié)省占地及減小排放時(shí)的噪聲，設(shè)備布置時(shí)利用廠房立柱設(shè)計(jì)了一個(gè)鋼結(jié)構(gòu)框架來(lái)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(tái)上。

空壓機(jī)開(kāi)車運(yùn)行初期，需將放空閥全部打開(kāi)，以降低空壓機(jī)的啟動(dòng)負(fù)載。當(dāng)空壓機(jī)因?yàn)槟撤N原因?qū)е氯肟诹髁窟^(guò)小時(shí)，也需要將放空閥打開(kāi)，以免機(jī)器進(jìn)入喘振區(qū)運(yùn)行。但在裝置實(shí)際操作中出現(xiàn)了如下現(xiàn)象，當(dāng)防喘振閥打開(kāi)后，閥門及閥后管道，消聲器均產(chǎn)生了較強(qiáng)烈振動(dòng)，消聲器地腳螺栓甚至出現(xiàn)了松動(dòng)、脫落的現(xiàn)象。

2 出口管道振動(dòng)原因分析

不同于往復(fù)式壓縮機(jī)管道內(nèi)氣流周期性脈動(dòng)引起的低頻振動(dòng)，軸流式壓縮機(jī)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(dòng)。當(dāng)氣體流經(jīng)彎頭、閥門等位置時(shí)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(dòng)。理論上常采用聲學(xué)方法對(duì)此類振動(dòng)進(jìn)行分析，但由于管路系統(tǒng)的復(fù)雜性及機(jī)組運(yùn)行時(shí)的不穩(wěn)定等因素，理論分析方法往往與實(shí)際偏差較大。工程上常見(jiàn)的解決振動(dòng)問(wèn)題的方法是通過(guò)改變管道的布置、調(diào)整管道支撐來(lái)增加管道的剛度[7-8]，從而降低振動(dòng)響應(yīng)，避免共振。

圖3 空壓機(jī)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(jī)及出口管道立面布置Fig.4 Vertical layout of air compressor and outlet pipeline

針對(duì)空壓機(jī)放空時(shí)閥門及管道振動(dòng)的情形，從管道布置及支架設(shè)置的角度進(jìn)行了分析，出口管道支架的設(shè)置見(jiàn)圖6，得出本裝置管道振動(dòng)的主要原因有如下兩點(diǎn)：

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

（2）放空消聲器空氣入口朝下，閥后管道須豎直進(jìn)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(jì)算的需要，立管上需設(shè)置一組萬(wàn)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(shí)在高流速?zèng)_擊下產(chǎn)生了較強(qiáng)烈振動(dòng)。

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(jì)方案

根據(jù)對(duì)以上管道振動(dòng)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(zhǎng)立管。從應(yīng)力分析的角度來(lái)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(gè)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(huì)導(dǎo)致整個(gè)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(lái)看，兩臺(tái)空壓機(jī)需設(shè)置4 臺(tái)相同的不銹鋼材質(zhì)放空消聲器，其造價(jià)較高。

從工藝原理分析，放空消聲器的選擇實(shí)際是為了降低排放時(shí)的噪聲，因此，可選擇用一臺(tái)消聲塔來(lái)代替4 臺(tái)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(tái)空壓機(jī)全量放空時(shí)，氣體同時(shí)通過(guò)兩臺(tái)消聲器排向大氣，則單個(gè)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(jì)算得單個(gè)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(tái)空壓機(jī)同時(shí)全量放空時(shí)的需求，即最大質(zhì)量流量為920 000 kg/h，消聲塔截面設(shè)計(jì)尺寸為5 m×5 m，高度為15 m，經(jīng)計(jì)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(lái)說(shuō)，一臺(tái)消聲塔替代4 臺(tái)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(gè)放空管道可沿地面敷設(shè)。根據(jù)應(yīng)力計(jì)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(gè)放空管道的剛度，從而增強(qiáng)了排放時(shí)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(xiàng)

將4 臺(tái)消聲器改為1 臺(tái)消聲塔后，有如下事項(xiàng)在設(shè)計(jì)時(shí)需注意。

（1）由于消聲塔排放和消聲器排放時(shí)管道系統(tǒng)的阻力降不一樣，這樣會(huì)導(dǎo)致放空閥后背壓存在區(qū)別，而放空閥前后壓差對(duì)閥門的排氣量存在影響，尤其放空閥的選型跟壓縮機(jī)的防喘振控制息息相關(guān)，因此，改為消聲塔后，需將整個(gè)管道系統(tǒng)交于供貨商進(jìn)行核算，以確認(rèn)所選放空閥對(duì)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(kāi)口，否則高速氣流會(huì)直接沖向?qū)?cè)墻壁而損壞消聲塔。實(shí)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(kāi)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(shí)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(duì)于放空管道，由于排放時(shí)的溫度在100 ℃左右，此溫度下管道的熱位移并不會(huì)很大，且正常開(kāi)車后閥后管道無(wú)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(bǔ)償來(lái)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(shí)產(chǎn)生較強(qiáng)烈振動(dòng)。

4 新舊方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比

采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方案后，從技術(shù)角度增加了管道運(yùn)行的穩(wěn)定性，減少了管線振動(dòng)；從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)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(duì)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(wàn)元。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)原方案軸流空壓機(jī)出口管線振動(dòng)產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，認(rèn)為原方案放空閥布置在鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)上，閥前后采用彈簧支架支撐，且進(jìn)入消聲器前的立管上設(shè)置了膨脹節(jié)，導(dǎo)致整個(gè)放空管道的柔性太大，是造成振動(dòng)的主要原因。在對(duì)工藝及配管進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化，將4 臺(tái)消聲器改為1 臺(tái)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(guò)應(yīng)力計(jì)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(kāi)啟時(shí)的管線振動(dòng)問(wèn)題。同時(shí)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(xiàng)目中，應(yīng)盡量采用此優(yōu)化方案。