離心式LNG壓縮機出口管路振動問題分析及解決方案

馮浩

摘 要：近年來，我國的工業化進程有了很大進展，對離心式壓縮機的應用也越來越廣泛。離心式壓縮機具有適用性強、安裝使用方便等特點，被廣泛應用于化工、煉油等工業生產中，發揮著很好的作用。某項目LNG離心壓縮機，負荷運行發現壓縮機驅動端軸振動值在42～62u間波動、非驅動端軸振動值26～33u間波動、二段出口管路振動。本文通過信息分析確定排查方向，對核算結果進行復查后判定振動原因，根據振動原因的分析給出處理建議，作出相應處理后機組一直平穩運行。

關鍵詞：離心壓縮機;出口管路;振動

引言

離心式壓縮機管道振動產生的原因包括壓縮機機組轉子與定子不對中、運動部件質量不平衡、管道內流體激振等，其中管道內氣流激振是主要原因。

1 離心壓縮機的工作原理

介質氣在通過高速旋轉的葉輪時，在離心力的作用下，一方面壓力得到提升，另一方面速度也得到極大增加，原動機的機械能轉變成氣體的靜壓能和動能。此后，氣體流經擴壓器通道時流道截流面積逐漸增大，前面氣體流速降低，后面的氣體又不斷涌向前，使氣體的動能進一步轉換成靜壓能，達到最終的增壓目的。

2 設計信息

機組為兩段7級，電機驅動，齒輪箱增速，采用公共底座。壓縮機工作轉速8144r/min，一段進氣壓力0.275MPa（A），溫度40℃，流量71561Nm3/h，二段出口壓力4.1MPa（A），溫度125.6℃，流量67856Nm3/h，中間沒有抽加氣。

3 振動原因判定

離心壓縮機在正常運行過程中通常都會發生輕微振動，但如果振動幅度和聲音過大，則壓縮機可能出現了嚴重故障。離心壓縮機在小流量運行狀態下葉輪和擴壓器的流道內氣體會產生一定的渦流，渦流的消失和產生會引起流道時通時堵的問題。如果壓縮機及管網系統的氣體反復出現倒流和正流，并引起整個系統的周期性低頻和大振幅氣流振蕩，則說明壓縮機出現了喘振現象。這種現象具有一定的危害性，其會使壓縮機機組發生猛烈振動，并損壞軸承等組件，甚至可能會引發設備停車等嚴重故障。離心壓縮機因為內部氣體無法正常排出而產生的振動一般是由實際負載低于規定范圍引起的。

4 管路振動分析及處理建議

4.1 管道內介質流速超標問題

由于管道內介質流速高，對管路造成一定沖擊，建議將二段出口管路由DN250更改為DN300;第一個直管段較短，經驗上高溫高壓氣體在700mm短的通道內極速改變流動方向，不利于穩定運行，建議將第一個直管段由700mm更改為1000mm以上。更改后，壓縮機整體受理校核結果：2FC+MC=112.07。核算結果雖然略高于API617規范要求，但根據以往設計經驗，可以滿足安全穩定運行。

4.2 加強設備內部氣體的控制

壓縮機內部氣體的控制關系到壓縮機啟動之后能否順利進行自動加載，因此，加強壓縮機內部氣體控制是保證設備正常運行、減少設備喘振的重要措施。一般來說，壓縮機內部的氣體循環包括熱氣循環、冷氣循環以及熱氣加冷氣的旁通循環三種。加強對著三種循環的控制就是常用的氣體控制方法。具體來說，熱氣循環控制就是設備的內部穩定接近危險值時，把壓縮機的內部氣體由出口向入口進行循環并增大流量，從而起到控制氣體的功效。冷氣循環是把壓縮機內部的氣體由入口向出口進行循環并提升壓縮機流量的方法。熱氣加冷氣的旁通循環則可以充分結合兩種循環的優勢，從而實現更好的氣體控制效果。

4.3 喘振

喘振是壓縮機的危險工況，目前所有壓縮機都設有防喘振控制畫面，較好判斷，要注意的是工藝工況調節時要避免運行點落入喘振區。

4.4 管路支撐不達標問題

①現場4個管道的支架均生根到一個結構梁上。由于管道內介質是動態的，因此管道不可避免的會隨著介質的流動發生一定的振動情況。如果所有管道均生根在1個結構梁上，振動會隨著結構梁傳動，造成管路振動加劇。根據相關振動理論，振動會向整個結構中剛度最低的系統進行傳遞，結合該項目的具體情況，振動一定會向末段出氣管路傳遞。因此建議將4個彈簧支架單獨做鋼結構進行支撐，避免管道之間互相影響。理論核算龍門支架會發生一定變形，實際同樣發生了一定變形。其中4個彈簧支撐的作用點變形量分別為：一段進氣支撐—0.203mm，一段出氣支撐—0.179mm，二段進氣支撐—0.481mm，二段出氣支撐—0.477mm。而根據計算的4個彈簧在工作狀態的變形量分別為：一段進氣彈簧變形量—0.113mm，一段出氣彈簧變形量0.092mm，二段進氣彈簧變形量0.375mm，二段出氣彈簧變形量1.091mm。生根變形量帶入模型重新進行了計算，此時4個彈簧支撐發生了脫空現象，即由于彈簧支撐的生根梁發生了變形，造成4個彈簧支撐未能起到設計時的預期。建議將門型鋼結構設置斜撐以增加支撐剛度，如果條件允許，最好在橫梁中部設置立柱防止橫梁發生變形。②壓縮機各進出氣風筒外側第一個豎直管下方設計了4個彈簧限位支架，設計期望通過限位，實現管道由于溫度產生的荷載不會傳遞至壓縮機上。而現場實際也是通過一個門型鋼結構支架以實現限位作用。同樣根據現場提供的鋼結構型號進行了力學計算。實際4個限位荷載點的變形量分別為：一段進氣8.741mm，一段出氣6.798mm，二段進氣9.743mm，二段出氣9.367mm。而根據設計時的管路應力分析結果，這4個點的溫度變形分別為（限位支架）：一段進氣：0.968mm，一段出氣6.399mm，二段進氣1.359mm，二段出氣6.372mm。在限位荷載的作用下，限位鋼結構發生的變形量大于溫度變形，該鋼結構未能起到設計預期的限位作用。建議在限位橫梁鋼結構基礎立面之間增設剛性支撐，減小限位鋼結構的支腿變形。并在限位支腿處4個方向設置斜拉筋，防止限位鋼板發生變形。同時，將限位支腿鋼板與鋼結構橫梁之間的間隙利用橡膠或鋼板填塞，同時利用螺栓緊固，確保鋼板與橫梁之間無間隙。（3）根據上述現場實際的情況進行了應力分析，建立模型與現場實際的情況保持一致，校核結果：2FC+MC=240.56，超出API要求值，故得出結論，壓縮機組的振動應該是由于管路作用在壓縮機各進出氣風筒法蘭上荷載的合力、合力矩超出了標準2.4倍要求。而該荷載較大的原因是由于現場的支架生根剛度不足，沒有實現設計預期的效果造成的。更改后所有支架符合計算模型要求時，整機校核結果：2FC+MC=100.34，雖然也略超出規范要求，但根據以往設計經驗，可以滿足壓縮機的正常運轉要求。

結束語

綜上所述，該壓縮機組發生振動原因：管路應力、管路支撐設計不達標，實際管路支撐安裝存在一定問題。氣流對管路存在一定沖擊，氣流頻率與管路固有頻率接近，容易引發共振問題造成管路振動偏大，引發壓縮機振動。管路應力不達標，導致管路管口對壓縮機風筒作用載荷變大，隨壓力溫度的提升效果更佳劇烈，管路管口對壓縮機整機反作用載荷超標造成管路振動大，引發壓縮機振動。管路支撐設計存在問題及實際支撐安裝存在問題，管路內介質氣高速流動，管路不能得到充分的支撐或限位，管路易發生振動，引發壓縮機振動。

參考文獻

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