大型空分裝置配套空壓機(jī)放空管道振動研究

孟 強(qiáng)，張 麗

（1.鞍鋼集團(tuán)工程技術(shù)有限公司；2.鞍山師范學(xué)院，遼寧鞍山 114021）

前言

空壓機(jī)是空分裝置的主要動力設(shè)備，空氣經(jīng)過空壓機(jī)壓縮、凈化、換熱等工序后進(jìn)入分餾塔進(jìn)行空氣分離。大型空壓機(jī)采用離心式壓縮機(jī)，為了防止離心式壓縮機(jī)喘振一般都設(shè)置防喘振放空閥，通過管道和消音器將壓縮空氣排向大氣，防止發(fā)生喘振。大型空分裝置調(diào)試階段需要開啟空壓機(jī)小流量吹掃和置換，有很大一部分空氣將通過防喘振閥長時間放空。由于管道和流量的不匹配造成管道振動超標(biāo)，鞍鋼工程技術(shù)有限公司結(jié)合工程實(shí)際和理論模擬進(jìn)行了大量的研究和改進(jìn)，對管道振動的成因進(jìn)行了科研攻關(guān)，提出了一種消除管道振動切實(shí)可行的方法，并取得了良好的效果。為同類放空管道的設(shè)計提供參考。

1 空壓機(jī)放空管道振動

1.1 放空管道參數(shù)及布置

某空壓機(jī)的排氣量為30 萬m3/h，排氣壓力為0.58 MPa，空壓機(jī)出口管道為DN1400，放空管道為DN600，放空閥為DN500，經(jīng)過放空閥后管徑變成DN1200，然后經(jīng)消音器放空，消音器的入口為DN500。

空壓機(jī)采用立式冷卻器布置，不設(shè)置后冷卻器，空壓機(jī)排氣溫度約為100 ℃，放空管道是從排氣管道的上部接出。

1.2 放空管道振動

從力學(xué)角度考慮管系布置合理，通過CAESA?RII 應(yīng)力分析軟件，計算空壓機(jī)出口的力和力矩滿足要求，現(xiàn)場按照圖紙施工完畢，檢測和試壓合格后，開始試車，準(zhǔn)備提供吹掃空分管線的壓縮空氣。

空壓機(jī)啟動后經(jīng)過調(diào)試后可以實(shí)現(xiàn)滿負(fù)荷輸出，當(dāng)放空量加大后放空管道振動劇烈，特別是放空閥前后的振動更大，放空閥的儀表管由于振幅過大而損壞，現(xiàn)場發(fā)出強(qiáng)烈的噪音。

2 放空管道振動原因分析

空壓機(jī)放空管道的振動一般是由放空閥局部強(qiáng)烈渦流引起的，在放空閥前后的管道震動強(qiáng)烈。管系的布置不合理、氣體流速太快等會造成氣體的邊界層分離，從而造成管道內(nèi)壁局部真空，在周期性的壓力波動的情況下管道會發(fā)生強(qiáng)烈振動。

對于上述的振動情況，采用ANSYS Fluent 軟件對放空管道內(nèi)的流體進(jìn)行了模擬分析，首先模擬放空閥前管道為DN600 時的管道內(nèi)流體的分布情況，如圖1 所示，模擬結(jié)果顯示放空閥的直管道及彎頭部分壓力分布極其不均勻，出現(xiàn)了嚴(yán)重的邊界層分離，管壁受周期性的力和力矩的作用，造成管道的強(qiáng)烈振動。然后將放空閥前管道改成DN800 時模擬管道內(nèi)流體的分布情況，如圖2所示，管道內(nèi)及直觀到內(nèi)流體分布均勻，沒有出現(xiàn)明顯的邊界層分離等，說明流體流動接近層流狀態(tài)。

圖1 放空閥前DN600的流體模擬

圖2 放空閥前DN800的流體模擬

根據(jù)上述模擬結(jié)果分析認(rèn)為空壓機(jī)放空閥前的DN600 的管道偏小，放空閥前的直管段內(nèi)壓力分布特別不均勻，出現(xiàn)了嚴(yán)重的邊界層分離，也就是說放空閥前的直管段也是振源。

3 放空管道消除振動的改進(jìn)方法

通過上述分析將放空閥前管道改成DN800，并調(diào)整了管道的走向，并用CAESARII 應(yīng)力分析軟件對管系進(jìn)行了重新的計算和校核，空壓機(jī)的出口的力和力矩滿足要求，具體如圖3 所示。管系走向改變后又通過ANSYS Fluent 軟件對流場進(jìn)行了模擬分析，具體如圖4所示，流體分布均勻。

圖3 放空閥前DN800的應(yīng)力分析模型

圖4 放空閥前DN800的流場分析模型

從理論上模擬分析，放空管道的振動會得到有效的緩減，集合工程實(shí)際，給出了最終的改進(jìn)方法：將放空閥前的管道由DN600 改為DN800，管道走向改變，增加方形補(bǔ)償，放空閥所在的管道標(biāo)高由3.21 m 降到1.3 m，放空閥往后移1.4 m，并在放空閥前后設(shè)置強(qiáng)有力的約束，采用加大混凝土基礎(chǔ)的體積，增加支架型鋼的截面，采用加寬加厚的帶鋼來連接管道和支架。這樣設(shè)計的目的一是通過改進(jìn)流體的流態(tài)減少振動源的能量，二是通過加強(qiáng)外部對管系的約束減少管道的振幅，減少對管道附件的破壞力。具體的施工布置圖如圖5所示。

圖5 放空閥前DN800的施工平面布置圖

4 放空管道改造后的效果

經(jīng)過擴(kuò)大放空閥前的管徑，改變放空閥前管道走向，降低放空閥的標(biāo)高等措施，現(xiàn)場實(shí)際改造完后設(shè)備再次運(yùn)行，空壓機(jī)出口部位、放空管道、放空閥、消音器入口管道等部位的振動降低到規(guī)范允許的范圍內(nèi)。放空管道的噪音也隨之降低，支架和儀表管的振動也大幅度減小。通過專業(yè)儀器現(xiàn)場監(jiān)測上述部位，各位置的加速度、速度、位移等均在允許的范圍內(nèi)，并且經(jīng)過72 h 的運(yùn)行，整個系統(tǒng)的振動值均保持穩(wěn)定，沒有隨著時間出現(xiàn)偏離。

空壓機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，放空閥調(diào)節(jié)平穩(wěn)細(xì)膩，放空管道放空能力滿足空壓機(jī)調(diào)節(jié)需求，為空壓機(jī)長期穩(wěn)定運(yùn)行奠定基礎(chǔ)，也為空分裝置后續(xù)的分子篩活化、吹掃、置換、裸冷提供了合格的壓縮空氣。

經(jīng)過改造消除了放空管道的振動，消除了現(xiàn)場的安全隱患、最終的效果是明顯的。到目前為止，已經(jīng)長期穩(wěn)定運(yùn)行五年之久，在這期間空分多次開停車、大加熱、裸冷等操作，空壓機(jī)均在各階段提供相應(yīng)的空氣量，放空閥保持對應(yīng)的開度放空，放空管道一直安全運(yùn)行，沒有出現(xiàn)振動值超標(biāo)的現(xiàn)象，有力地證明了放空管道的改造效果良好。

5 結(jié)論

根據(jù)以上分析、空壓機(jī)放空管道發(fā)生振動的主要原因不單單是由于放空閥的不斷動作產(chǎn)生的振動，同時還要考慮放空閥前管道本身由于氣流原因引起的振動。

根據(jù)理論分析優(yōu)化和現(xiàn)場實(shí)際的驗(yàn)證，對空壓機(jī)放空管道的設(shè)計總結(jié)如下幾點(diǎn)：

（1）空壓機(jī)放空管道應(yīng)該采用應(yīng)力分析軟件進(jìn)行應(yīng)力計算，一次應(yīng)力滿足支撐需要，二次應(yīng)力滿足壓縮機(jī)廠家或規(guī)范的要求。

（2）要合理地確定放空管道的管徑和走向，保證放空管道內(nèi)的流體的流速在合理的范圍內(nèi)，流速不能太大，否則會出現(xiàn)管道內(nèi)流體的流場分布不均勻，引起管道本身的振動，這樣放空閥的振動和放空管道的振動疊加，導(dǎo)致整個放空系統(tǒng)振動更復(fù)雜。

（3）對于大型空壓機(jī)放空管道，應(yīng)該將放空閥設(shè)置在地面，放空閥前后的管道直接約束在混凝土墩上，管道要加管托和卡箍，徑向約束、軸向滑動，增加管系的剛性和穩(wěn)定性。