离心式LNG压缩机出口管路振动问题分析及解决方案

冯浩

摘 要：近年来，我国的工业化进程有了很大进展，对离心式压缩机的应用也越来越广泛。离心式压缩机具有适用性强、安装使用方便等特点，被广泛应用于化工、炼油等工业生产中，发挥着很好的作用。某项目LNG离心压缩机，负荷运行发现压缩机驱动端轴振动值在42～62u间波动、非驱动端轴振动值26～33u间波动、二段出口管路振动。本文通过信息分析确定排查方向，对核算结果进行复查后判定振动原因，根据振动原因的分析给出处理建议，作出相应处理后机组一直平稳运行。

关键词：离心压缩机;出口管路;振动

引言

离心式压缩机管道振动产生的原因包括压缩机机组转子与定子不对中、运动部件质量不平衡、管道内流体激振等，其中管道内气流激振是主要原因。

1 离心压缩机的工作原理

介质气在通过高速旋转的叶轮时，在离心力的作用下，一方面压力得到提升，另一方面速度也得到极大增加，原动机的机械能转变成气体的静压能和动能。此后，气体流经扩压器通道时流道截流面积逐渐增大，前面气体流速降低，后面的气体又不断涌向前，使气体的动能进一步转换成静压能，达到最终的增压目的。

2 设计信息

机组为两段7级，电机驱动，齿轮箱增速，采用公共底座。压缩机工作转速8144r/min，一段进气压力0.275MPa（A），温度40℃，流量71561Nm³/h，二段出口压力4.1MPa（A），温度125.6℃，流量67856Nm³/h，中间没有抽加气。

3 振动原因判定

离心压缩机在正常运行过程中通常都会发生轻微振动，但如果振动幅度和声音过大，则压缩机可能出现了严重故障。离心压缩机在小流量运行状态下叶轮和扩压器的流道内气体会产生一定的涡流，涡流的消失和产生会引起流道时通时堵的问题。如果压缩机及管网系统的气体反复出现倒流和正流，并引起整个系统的周期性低频和大振幅气流振荡，则说明压缩机出现了喘振现象。这种现象具有一定的危害性，其会使压缩机机组发生猛烈振动，并损坏轴承等组件，甚至可能会引发设备停车等严重故障。离心压缩机因为内部气体无法正常排出而产生的振动一般是由实际负载低于规定范围引起的。

4 管路振动分析及处理建议

4.1 管道内介质流速超标问题

由于管道内介质流速高，对管路造成一定冲击，建议将二段出口管路由DN250更改为DN300;第一个直管段较短，经验上高温高压气体在700mm短的通道内极速改变流动方向，不利于稳定运行，建议将第一个直管段由700mm更改为1000mm以上。更改后，压缩机整体受理校核结果：2FC+MC=112.07。核算结果虽然略高于API617规范要求，但根据以往设计经验，可以满足安全稳定运行。

4.2 加强设备内部气体的控制

压缩机内部气体的控制关系到压缩机启动之后能否顺利进行自动加载，因此，加强压缩机内部气体控制是保证设备正常运行、减少设备喘振的重要措施。一般来说，压缩机内部的气体循环包括热气循环、冷气循环以及热气加冷气的旁通循环三种。加强对着三种循环的控制就是常用的气体控制方法。具体来说，热气循环控制就是设备的内部稳定接近危险值时，把压缩机的内部气体由出口向入口进行循环并增大流量，从而起到控制气体的功效。冷气循环是把压缩机内部的气体由入口向出口进行循环并提升压缩机流量的方法。热气加冷气的旁通循环则可以充分结合两种循环的优势，从而实现更好的气体控制效果。

4.3 喘振

喘振是压缩机的危险工况，目前所有压缩机都设有防喘振控制画面，较好判断，要注意的是工艺工况调节时要避免运行点落入喘振区。

4.4 管路支撑不达标问题

①现场4个管道的支架均生根到一个结构梁上。由于管道内介质是动态的，因此管道不可避免的会随着介质的流动发生一定的振动情况。如果所有管道均生根在1个结构梁上，振动会随着结构梁传动，造成管路振动加剧。根据相关振动理论，振动会向整个结构中刚度最低的系统进行传递，结合该项目的具体情况，振动一定会向末段出气管路传递。因此建议将4个弹簧支架单独做钢结构进行支撑，避免管道之间互相影响。理论核算龙门支架会发生一定变形，实际同样发生了一定变形。其中4个弹簧支撑的作用点变形量分别为：一段进气支撑—0.203mm，一段出气支撑—0.179mm，二段进气支撑—0.481mm，二段出气支撑—0.477mm。而根据计算的4个弹簧在工作状态的变形量分别为：一段进气弹簧变形量—0.113mm，一段出气弹簧变形量0.092mm，二段进气弹簧变形量0.375mm，二段出气弹簧变形量1.091mm。生根变形量带入模型重新进行了计算，此时4个弹簧支撑发生了脱空现象，即由于弹簧支撑的生根梁发生了变形，造成4个弹簧支撑未能起到设计时的预期。建议将门型钢结构设置斜撑以增加支撑刚度，如果条件允许，最好在横梁中部设置立柱防止横梁发生变形。②压缩机各进出气风筒外侧第一个竖直管下方设计了4个弹簧限位支架，设计期望通过限位，实现管道由于温度产生的荷载不会传递至压缩机上。而现场实际也是通过一个门型钢结构支架以实现限位作用。同樣根据现场提供的钢结构型号进行了力学计算。实际4个限位荷载点的变形量分别为：一段进气8.741mm，一段出气6.798mm，二段进气9.743mm，二段出气9.367mm。而根据设计时的管路应力分析结果，这4个点的温度变形分别为（限位支架）：一段进气：0.968mm，一段出气6.399mm，二段进气1.359mm，二段出气6.372mm。在限位荷载的作用下，限位钢结构发生的变形量大于温度变形，该钢结构未能起到设计预期的限位作用。建议在限位横梁钢结构基础立面之间增设刚性支撑，减小限位钢结构的支腿变形。并在限位支腿处4个方向设置斜拉筋，防止限位钢板发生变形。同时，将限位支腿钢板与钢结构横梁之间的间隙利用橡胶或钢板填塞，同时利用螺栓紧固，确保钢板与横梁之间无间隙。（3）根据上述现场实际的情况进行了应力分析，建立模型与现场实际的情况保持一致，校核结果：2FC+MC=240.56，超出API要求值，故得出结论，压缩机组的振动应该是由于管路作用在压缩机各进出气风筒法兰上荷载的合力、合力矩超出了标准2.4倍要求。而该荷载较大的原因是由于现场的支架生根刚度不足，没有实现设计预期的效果造成的。更改后所有支架符合计算模型要求时，整机校核结果：2FC+MC=100.34，虽然也略超出规范要求，但根据以往设计经验，可以满足压缩机的正常运转要求。

结束语

综上所述，该压缩机组发生振动原因：管路应力、管路支撑设计不达标，实际管路支撑安装存在一定问题。气流对管路存在一定冲击，气流频率与管路固有频率接近，容易引发共振问题造成管路振动偏大，引发压缩机振动。管路应力不达标，导致管路管口对压缩机风筒作用载荷变大，随压力温度的提升效果更佳剧烈，管路管口对压缩机整机反作用载荷超标造成管路振动大，引发压缩机振动。管路支撑设计存在问题及实际支撑安装存在问题，管路内介质气高速流动，管路不能得到充分的支撑或限位，管路易发生振动，引发压缩机振动。

参考文献

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