PDF《高速离心压缩机组失稳状态分析及对策》

动设备 石油化工设备技术,2006,27(4)・38・Petro―Ch e mi c a l Equ i p m e nt Te c hn ol ogy 高速 离心压缩机组失稳状态分析及对策 翁刚(中国石油辽 阳石化分公 司, 辽宁 辽阳111003)摘要:高速 离心压缩机组启 、 停 车过程失稳将产 生强烈振动 , 极 易造成动 、 静 部件 损伤.

文章对 离心压 缩机组启、 停车过程 失稳特性进行分析 , 找到 了机组失稳 的原 因及控 制对策. 关键词:离心压 缩机 ;

失稳;

强烈 振动;

涡动力中图分类号 : T E

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4 文献标识码 : B 文章编号 :

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0 2 高速运行 的离心式压缩机组, 在设计工况下 运行是稳定的, 但如果制造 、 安装 、 维修或运行等 方面的原 因发生 变化时,即压 缩机运行偏离 了设 计工况,常常引 起 转子 系 统失 稳,产生强烈振 动,甚至造成 动、静部件损 坏 .由于 压缩机在偏 离设 计 工况 条件 下,失稳 的情 况较 为复 杂,对失稳 原因的准确分析诊断 , 可有效地提高机组运行的安全 性和经济性 , 防止 重大 事故发 生.本文针对一套高速运行的离心压缩机 , 在启 动和工作转速下发生强烈振动的原因进行分析诊 断,并提出了处理措 施.1空气压缩机组概况 某石化 公 司动 力厂的三套离心压缩机组是1995年由国内某 制造厂生产的.三 套机组都是由电机通过变速箱驱动, 变速箱速 比为 1:

3 .

8 . 机组的布置及测点位置如图 1所示 , 机组基本参 数如表1所示.鼾毋~ 压缩机 齿轮箱 电动机 图1机组 的布置及测点位置示 意表1机组设计参数工作转速/ 设备名称 设备型号 额定功率/ k W ( r・mi n ) 压缩机3EP42O一10.732001I488电动机 YK0S

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8 O 压缩 机为单缸、两段、七级叶轮 , 轴承轴瓦为 5块 可倾 瓦 .主要 参数 如表 2所示 . 表2压缩机各段参数人口压力/ 人 口温度/ 出 口压力/ 出 口温度/ 项目级数 Pa M Pa 一段0.097(绝)

0、342373二段0.23045i.0518642机组振 动概 况及 特征

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9 5年机组出厂前试 车时振动值超标 , 经整 机高速动平衡 , 才降低振动幅值 .投入生产以来, 多次在检修后的启动过程 中, 产生强烈振动 , 甚至 造成 零 部件 损坏 .2

0 0 5年 7月 3日, 三 套机 组中的1套机组 由于末级 叶轮组损坏 , 经 更换 、 修复 后,转子做高速 动平衡 .机组检修后各检修参数 均符合要求 , 但两次启动都 因振动值 超标而连锁 停机.经懈体检查 , 并没有发现异常, 振动频谱 图 如图 2所示 . E

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4 o 羹zo0一1.02000040000600008()0OO转速 / ( r mi n . . ) 图2压缩机 A端振动频谱

3 故 障原 因分 析从图2压缩 机A端振动 频谱图上 可见,转子收稿 日期 :

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0 1 . 作者简介 : 翁刚(

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5 5 一) , 男, 辽宁 人.工学 博士 , 教授级 高 级工程师.现任中国石油辽 阳石化 分公司设备 副总工 程师 , 从事设备技术 管理 工作 , 已发表论文 数10篇. 维普资讯 http://www.cqvip.com 第27卷第 4期翁刚.高速离心压缩机 组失稳状态分析及对策 在达到工 作转速时,振幅以工 频为主,幅值较 小;

两分钟 后出现小于的次 谐波,且与同频 一起突然增 大,导致连 锁停 机.(1)振 动机 理 分析 转 子运 转时,由于滑动 轴承的交 叉刚度系数不等于 零,油膜 弹性 力存在轴颈失稳的因 素 .在 不 同的 工作转速下,轴颈中心位置如图3所 示.在一定 工作 转速 下,轴颈中心 位置还随载 荷大小改变 , 其轨迹近似 为一个半圆弧,称为平 衡半圆,即轴承 的轴 颈 中心 原位置,并不是沿着载荷作用的方 向移动 . 对于负载一定 的滑动轴承 , 当转速不是很高 时, 即使受到外部干扰力 的作用 , 轴颈也可恢复到 初 始位 置;

而当转 速高到一定 数 值后 , 一 旦受 到外 部干扰力的作用 , 轴颈便不能回到初始位置 , 而沿 一 近似 椭圆的封闭 的轨 迹涡 动,如图3中 b所示,或者沿 某一 级不 规则的扩 散 曲线 振荡,如图3中 的C所示,这就 形成 了轴承 的失 稳状 态.图3轴心位置运行轨迹当转子以角速度 旋转 时, 若轴 承所受载荷 不变,油膜稳 定,这时 轴颈中心位 置和 偏 心距 e 保持平衡 , 即作 用在 轴颈中心上 的力 大小 相等、方向相反,如图4所示 .假如轴颈中心 在0位置上,轴颈载荷 w 和 油膜 反力P大小 相等 、 方 向相 反,0点就是 轴 颈现在 旋转 的平 衡位 置,可由轴 颈的偏心率 的偏位 角 来确 定.从图5中 看到,当轴 心移动到0位置时,该处的油膜反力 为P与w不再平衡 , 两者 的合力 为F.把 F力 分解 为切 向分 量Fz 和F,力F与轴颈 的位 移方 向相 反,企图把轴 颈推 回到原 处,是一种弹性恢 复力;

力F与轴颈位移 方 向垂 直,推动轴 颈绕 平衡 中心 作旋 绕运动,这种旋绕运动称为涡 动力 .如果涡动力大于阻尼 , 则 轴心 轨迹 继续扩大.图4轴颈的受力分析 y J / . 一一一'

/一'

I l | / 图5轴颈半速涡动分析 2号离 心压缩机在启动过程中,按规程人口蝶阀开启

1 0

9 /

6 ( 满负荷时

5 0

9 /

6 ) , 进气量偏离设计 工况 条件 .在叶轮间易产生旋转失速,在压 缩机转子 A端,由于负荷轻 , 使轴颈 中心在轴瓦 内处 于较高的位置.从转子稳定性来讲 , 由力 学上 的 最小 势 能定律 可知:一个 完整 的保守 系统 , 当其 处 于势 能 最小 的相 对位 置 才是 稳定 平衡的.同轴 颈 中心在轴承中位置愈高 、 其势能愈大、 对转子系统 的稳 定 性愈不 利 .由于压 缩机 轴颈 中心 的位置 过高,造成油膜反力与载荷不再平衡 , 涡动力 Fz 使 转子产生半速涡动 , 使转子失稳 , 产生强烈振动.

4 治 理措 施及 处理 过程根据对 诊 断结 果 的分 析,为降低 轴颈 中心 位(下转 第42页) 维普资讯 http://www.cqvip.com 石油化_T设备技术降2m;

(

6 )A、 B两套 浓缩塔 浓硝 酸镁 由原 来 的共用 一 根进料 管改 为两 塔分 别进 料;

(7)对 氨蒸 发系统进 行彻底清洗 , 对排油线进行 加吹 堵口、 加跨 线 等直排 改造 ;

(

8 )对锅炉 系统进行

2 4 h化 学清洗 , 同时去 掉P101锅炉给水 泵循环水冷却 , 使锅炉循 环水 量 由原 来186m. / h恢复到210~218m. / h , 过热蒸汽喷水系统减温效果恢 复到设计状态.

2 .

4 仪表 方面 (

1 )P L C重新编程 , 修改联锁停车条件 , 理顺 逻辑关 系;

(2) 四合一 机组振动、 位移 、 温度测量信号 由1取1改为2取

2 .

3 取得 的效 果 经过 窗口 检修 , 四合一 机组问题得到 了很好地解 决,主要表 现在 三个 方面 : (

1 )空压机 两 侧径 向轴 瓦及 减 速机 轴 瓦温 度 明显降低 , 达到预期要求 ;

(

2 )氧化氮压缩机静密封点 内、 外泄漏 问题 得到了较好 地解 决;

(3)轴流压缩机摘除末级动、 静叶片后 , 单机 效率有所提高 , 整个机组所需功率有所下降 . 硝 酸装 置设 备运行状况得 到 明显 改善,运行平稳, 故障次数明显减少.2

0 0 5年5~6月,装置 仅停车 2次,运行时间明显延长;

装置实现满负荷 运行,产量明显 提高 .2

0 0 5年 5月 , 稀硝酸、浓硝 酸产量均创投产 以来单月最高产量 . ( 上接 第39页) 置,防止转 子旋转 失速 , 采取 两项 治理 措施 : (

1 )启动过程中烟气轮机人口蝶 阀开 度由10%增 加到

1 5 %, 增 加进 气量 ;

(

2 )油温由

3 4 ℃降到

3 2 ℃, 增加润滑油阻尼. 再次启动后 , 机组运行至额定转速时 , 压缩机 两端振动幅值见表

3 : 表3两端稳定时振动幅值ttm位置 X方向 y方向YI S A1

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1 4 YI S A1 O

2 1

8 1

6 运行15分 钟后当油温 升至35℃时 , A 端突然发生强烈振动 , 联锁停 车, 停车时振动频谱 如图6所示.旨6O主4

0 2 O O ^ ^I . . 一.1..02000040

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0 6

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8 0

0 00 转速 /( r . mi n .) 图6压缩机 自由端振动频谱 从频谱图可见 , 稳定运行 时机组振动以同频 为主, 发生强烈振动后频谱 图中出现低于 次 谐波 , 转子涡动失 稳,分析 其原 因是 油 温升 高后 , 润滑油阻尼降低 , 转子 A端轴颈 中心抬高, 涡动 失稳.对此决定机组启 动后随着油温上升 , 缓慢 开启 人 口蝶 阀;

当油 温达 到30℃时阀门开 启30%, 转 子稳 定后,再次启机,机组振动值 最高为25/~m, 增加负荷后振值降低如表 4所示 . 表4工作 转速 稳定 运行 后振动幅值 t t m 位置 X方向 y方向 Y1 S A1

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1 1 YI S A

1 0

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0 1

4 5 结论 高速离心压缩机在小流量 、 低负荷启动时, 由 于设计工况 的偏离 和维修条件的变化等因素 , 使轴瓦中心位 置升 高,切向分 力 增大 , 以及 可能 产生 的叶轮旋转失速的激励, 都极易失稳产生强振动 , 可通过调整启动方法 , 适当增加进气量和降低 润 滑油温度, 增加阻尼的办法给予解决 , 避免造成压 缩 机轴 系 的损失 . 参 考文 献:1沈庆根.化 工机器 故 障诊 断技术 [ M] .杭州:浙江 大学出版社 ,

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9 4 .

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2 闻邦春 , 张 天侠 , 徐培 民.振 动与波利用技术的新发 展[C].沈阳 : 东北 大学 出版社 ,

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6 ~7

3 黄 文虎 , 夏松波 , 刘瑞岩.设备故 障诊 断原理技术及应 用[M] .北京 : 科学 出版社 ,

1 9

9 6 .

1 5 ~1

7 4 闻邦春 , 顾家柳 , 夏松波等.高等转 子动 力学 [ M] .北京:机械工业 出版社 ,

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3 ~7 维普资讯 http://www.cqvip.com ........