二氧化碳往复压缩机振动原因及解决措施

二氧化碳往复压缩机振动原因及解决措施

郭会权

郭会权

中粮生化能源（肇东）有限公司黑龙江省肇东市151100

摘要：随着科学技术的发展，我国的二氧化碳往复压缩机的应用越来越广泛，二氧化碳往复压缩机可以增大二氧化碳的利用率，二氧化碳往复压缩机也凭借其优良性能受到企业的广泛好评。为保障二氧化碳往复压缩机的平稳运行，需要对二氧化碳往复压缩机的振动原因进行及时分析并采取合理的解决措施。

关键词：二氧化碳压缩机；气体脉动；振动

引言

随着石化行业规模的日益扩大，工业流程提出了高气体压力和大气体产量的要求，这使得二氧化碳往复压缩机朝着大型、多列、高转速方向加速发展。而大型往复压缩机轴系动力学中，扭转共振问题一直制约着往复压缩机的发展。在压缩机正常运转过程中，轴系发生动力学问题轻则引起主轴瓦、连杆瓦等零部件失效，重则使曲轴产生裂纹造成断裂，使得生产工艺过程中断，造成巨大的经济损失。所以对于压缩机轴系扭转共振问题的分析变得尤为迫切。

1振动产生的原因分析

1.1激振力分析

活塞压缩机吸排气为间歇性工作,使气流的压力和速度呈周期性变化且气流脉动较大。在管道的弯头、异径管、阀门等部位产生较大的激振力,引起了管道的振动。(1)弯头。弯头管道的截面积为S,管内压力为可以分解为一平均压力Pm与脉动压力P1。平均压力Pm看作静压力,在管道振动问题中可以不考虑,而脉动压力P1引起管道的周期性变形,即沿轴向伸长与收缩变形以及沿径向的扩大与缩小变形,也就是管道振动的振幅位置。(2)异径管。异径管受力与直管一样只考虑压力脉动部分。其变形除了与直管段类似的沿轴向伸长与收缩变形,以及沿径向的扩大与缩小变形之外,还增加了轴向往复运动。压缩机工艺管道一般同时具有直管、弯头、异径管等,因此,各种变形叠加形成了管道的周期性振动位移,其方向多样。

1.2二氧化碳压缩机设备与管道发生了共振效应

这种效应使得管道偏离了原来的位置。当内部气体具有一定的固有频率，二氧化碳压缩机管道系统固有频率也达到了同样的频率值，两者会发生共振效应，共振分为管道机械共振和气柱共振。当管道内气流所受到的气缸激发力的频率与管道内气柱固有频率相等或相近时，会发生气柱共振，当管道内气流所受到的气缸激发力的频率与管道系统的固有频率相等或相近时，就会产生机械共振。

1.3机械振动系统分析

由管道、管道附件、容器、支架等构成,受到激发后产生机械振动响应,即通常所说的管道振动。当激发力的频率与管道结构系统的固有频率之一相等或相近时,就形成了机械共振,此时出现最大的振动幅度。当激发频率、气柱固有频率、管道结构固有频率三者相等或相近时,出现最严重的管道振动。

2二氧化碳往复压缩机振动故障解决

2.1加固增加管线或改变管线的布置

管架是使用水泥或者槽钢为原材料制作而成的，水泥管线的优点是刚性较大，能够防振或者消解振动带来的副作用，缺点是建造工期太长。而槽钢的优点是施工较快且可以灵活施工，但韧性较大。相比较而言，两种管线减振效果和实际应用均有一定优点，所以在实践生产中均有一定的应用前景，可以来作为一种减振措施。通常会在三级分离器出口至四级入口缓冲器的管道上增加双柱式H型钢管架支撑，并将其安置在振动源点和振幅最大的地方，当然在管线支架附近要添加一定的减振垫隔离物质。

2.2对于机械共振,应采取以下措施

(a)在靠近弯头的两端,在接近三通交叉处的3个支管上均应设置管卡。不可只在某一点强行固定,而要多点分散固定,尽可能降低管道的附加应力;(b)尽可能在振源点设置管卡;(c)根据激振力产生方向设计管架的强度与刚度;(d)管道固定的位置应是其自由状态,切忌撇劲而增加附加载荷;(e)在具有振动的场合应避免管道与管道、管道与管架、管道与紧固螺栓等直接摩察。

2.3增加孔板装置

在活塞式压缩机管道内加入一块圆形开孔的金属板孔做成的增加孔板。这样可以消减二氧化碳往复压缩机的振动，配合缓冲剂使用效果会更好。原理是当气体经过孔板时，孔板作为一种阻力元件消减了气体脉动，使得共振的现象不会再出现。当然在板孔选择时既不能阻力太大也不能阻力过小。

2.4轴系模态分析

轴系曲柄销处所受到的连杆力所分解出的法向分力和由离心质量产生的离心力是造成轴系弯曲的激振力，但本文所计算得到的曲轴固有弯曲频率比曲轴旋转频率（7Hz）大很多，在这种情况下，虽然存在使轴系发生弯曲的激振力，但是仍然不会使轴系产生扭转共振，因此本文忽略轴系的弯曲振动。由连杆力分解出的切向力是轴系产生扭转的激振力，并且轴系存在固有扭转振型，随着曲轴轴身的加长，轴系扭转振动的固有频率就会降低，有些曲轴的扭转固有频率甚至会降低到20Hz左右，很容易与曲轴旋转频率落在扭转共振区间内，引起扭转共振，所以对轴系扭转共振则是研究的重点。

2.5振动监测法

振动信号也是往复压缩机故障诊断的一个敏感特征参数，如气阀损坏、活塞杆下沉、十字头螺栓松动、连杆磨损等大多数故障均伴随着振动信号的异常。基于越来越成熟的信号分析技术，对往复压缩机非稳态振动信号的研究工作也越来越多，如通过加速度传感器测十字头滑道箱、汽缸侧壁、汽缸盖、轴承等处的振动信号来诊断动力性故障，是一种比较有效的方法。

3对二氧化碳压缩机振动所采取的措施

消除管道振动的首要措施是消除气流脉动,下面就气流脉动引起振动的原因作一讨论。(1)防止产生气柱共振。对一台活塞压缩机来说,激发频率是一定的。因此,防止管道气柱共振,就只能调整气柱固有频率,使之避开激发频率,以免产生气柱共振。要改变气柱固有频率,可从改变与之有关的因素入手,共振管长是决定是否产生气柱共振的重要因素。我们采取在缓冲器入口处增设阻尼孔板的方法予以消减激振力,孔板的作用是将管道内的压力驻波转变为纵波,从而降低管道内的压力不均匀度。纵波就是正弦波以声速向一个方向移动传播的波;而驻波是管道内各处的压力波沿正方向传播的纵波(正射波)和沿负方向传播的纵波(反射波)的叠加,它的振幅比行波大。孔板将压力驻波转变为纵波的原理就是将孔板装在了压力节点处,由于孔板有一定局部阻力,破坏了波反射条件,构成了无声学反射端点反射条件,使管路只有单向行进的纵波,从而达到减小压力不均匀度的目的。孔板的开口比:d/D=0.50,厚度:H=5mm。(2)增加揉性支撑,以增大振动的阻力。

结语

综上所述，在实际操作环节，需要对二氧化碳往复压缩机设备进行定时的检测，从不同角度对二氧化碳往复压缩机振动原因进行分析，一般认为振动是由于安装不匹配或者平衡性能或者二氧化碳压缩机设备与管道发生了共振效应引起的。文章对解决这种振动的原因进行了分析并提出了可供参考的解决措施：加固增加管线或改变管线的布置、校核原缓冲器的容积、增加孔板装置。二氧化碳往复压缩机振动的解决可以减少机械疲劳造成的损害，提高二氧化碳往复压缩机系统的安全性。文章的研究成果对企业的实际应用具有一定的指导作用，也具有一定的理论价值。

参考文献：

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