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國內外往復壓縮機發展及應用概論

   【壓縮機網】往復壓縮機是最早被人類發明和使用的一種流體機械,隨著材料、機械設計和制造工藝等學科的技術發展,各種結構布置的往復壓縮機被應用到各個工業領域。往復壓縮機發展到現在,其設計和制造技術已經達到了較高水平。今后往復壓縮機技術的發展方向將主要集中在壓縮機實際運行工況下性能的提高和壓縮機可靠性的提高兩個方面。此外,為了滿足不同應用領域的需求,適應各類特種和極端條件的往復壓縮機也是今后技術發展的方向之一。
  1.隨著電機技術發展,直線電機驅動的往復壓縮機——直線(線性)壓縮機在冰箱等領域將成功應用。
  2.傳感技術的發展。基于數據采集分析處理的往復壓縮機在線監測故障診斷技術逐漸得到發展。尤其是工藝往復壓縮機,因其故障引起的事故,該技術可以獲得往復壓縮機的實時運行狀態,提前捕捉故障信息,達到故障預警的目的。
  3.材料學科的發展。各種具有機械強度高,耐高溫,耐沖擊,阻燃,耐酸堿,耐水解,耐磨和耐疲勞等多方面優越的新材料將被逐步應用到往復壓縮機的零部件中。
  4.一些如海洋工程中要求壓縮機體積小、質量輕、可靠性高和噪聲振動低等特殊領域對往復壓縮機將提出新的要求。
 
  一、往復壓縮機的應用發展趨勢
  1.流體工業
  隨著流程工業普遍朝著大型化、規模化和集成化方向發展,尤其石化通用設備向大型化、高精度、長壽命方向發展,將更多地按石化生產工藝參數要求采用專用設計、個性化和制造,以使設備在最佳設計工況下運行,因而對往復壓縮機的要求也在逐漸提高。流體機械及其系統的大型化對往復壓縮機的設計方法,關鍵共性技術研發,運行狀態實時監控和故障診斷技術的發展帶來了新的挑戰,開發適用于大型化的設計與制造技術是往復壓縮機大型化發展的基本路線。
  2.海洋工程裝備
  往復壓縮機是海上石油和天然氣開發作業平臺上用于氣體處理、運輸的關鍵設備。從天然氣的處理和集輸到發動機提供高壓燃料氣,應用非常廣泛。往復壓縮機由于效率高,制造技術成熟,排氣壓力高且對于氣體組分波動具有較好的適應性,成為海洋工程油氣開采中應用最為廣泛的壓縮機。
  海洋油氣開發的特殊環境對海洋工程油氣開發作業平臺上的設備提出了諸多要求,如體積小,振動噪聲低,可靠性高等。另外,海上工況環境比陸上工況環境更為苛刻,因而陸上的常規天然氣壓縮機已不能滿足海上平臺的要求,而開發出滿足海上作業的大功率往復壓縮機,意義重大。
 
  二、往復壓縮機技術進展及應用
  (一)壓縮機性能計算技術
  近年來,隨著計算機技術的發展,詳細的數值分析技術逐漸被應用到壓縮機的設計計算,性能模擬及優化,強度分析與計算和動力學分析等方面。
  1.設計優化與性能模擬技術
  首先,往復壓縮機設計過程中的熱力學和動力學計算,可利用計算機進行編程,通過計算軟件完成整個計算過程。
  在熱力計算過程中,需根據設計條件(如流量、吸排氣壓力、氣體組分等)確定壓縮機的級數、各級壓比、轉速、功率和效率等參數。通過各種經驗系數的選取和氣體壓縮過程的計算,得到排氣溫度、功率、氣缸直徑等重要設計參數。
  在往復壓縮機設計軟件開發過程中,可將氣體物理性數據植于軟件中,從而獲得單一組分氣體或多組分混合氣體的準確物理性數據,保證設計精度。特別是對于實際氣體,該方法可以準確得到壓縮過程中實際氣體各種狀態點的物理性數值,準確計算壓縮和級間冷卻造成的氣體冷凝析出等。在計算軟件編制過程中,熱力計算與容積流量有關的各種系數(如進氣系數、泄漏系數和析水系數等參數)可以制成數據庫,需要時可以利用計算軟件自動查表和采用插植的方法求取。
  往復壓縮機的動力計算,主要是確定其主要運動部件的受力,解決慣性力和慣性力矩的平衡,計算壓縮機的切向力和確定壓縮機飛輪矩等。對于多列壓縮機,計算軟件可根據各列的布置方案,并根據各列相差的轉角(相位角)進行相應疊加,可快速得到總的切向力及飛輪矩。
  其次,往復壓縮機的理想工作過程由等壓吸氣、氣熵壓縮、等壓排氣和等熵膨脹四個過程組成,而壓縮機的實際工作過程受到泄露、流動損失和傳熱等因素的影響,上述四個過程都會與理想過程發生偏離。
  在壓縮機熱力計算過程中,可以通過各種系數對壓縮機的實際工作過程進行修正,以便使壓縮機的設計更接近實際工作過程。但這種方法不能精確反應壓縮機的真實工作過程和性能,也不能很好地為壓縮機的優化設計提供參考依據。
  因而,計算機技術的發展使得通過數值計算方法模擬壓縮機真實工作過程成為可能。例如:氣是往復壓縮機的關鍵部件之一,其性能對壓縮機運行的可靠性、經濟性都有很大影響。氣是往復壓縮機易損部件之一,延長氣閥的壽命對保證壓縮機可靠性具有重要意義。由于壓縮機工作過程中氣體流經氣閥的流動損失占總氣體流動損失的比例較大,氣閥設計的好壞對壓縮機的經濟性有著直接影響。因此,在實際工作中,可以通過模型假設,對其工作過程建立模型,在各種工況條件下,分別模擬往復壓縮機的工作過程和氣閥運行規律,通過計算機計算結果和分析找出最佳工況和選擇最優工作過程,以延長氣閥壽命。
  2.強度計算與分析
  往復壓縮機工作過程中,其曲軸、活塞桿和連桿等關鍵運動部件受到各種力作用,且大多為周期性交變作用力。當壓縮機結構設計不合理或運行工況偏離設計工況時,往往會造成這些關鍵部件產生裂紋、斷裂,甚至進一步造成爆炸等惡性安全事故。因此,在往復壓縮機的設計階段需要對這些關鍵部件進行力學分析,以確保壓縮機的壽命和可靠性。
  曲軸的強度計算包括靜強度計算和疲勞強度計算。靜強度計算的目的是求出曲軸的應力分布,找出曲軸薄弱部件。疲勞強度計算的目的是求出曲軸在承受交變作用下的最小強度儲備,以安全系數的形式表示。曲軸強度的常用計算有普通計算法和有限元法。在曲軸設計時,初步強度校核或進行方案比較可采用經驗公式的辦法初步計算應力集中系數,從而得到圓角處的最大應力。但在精度要求高的場合,應采用有限元方法進行曲軸的應力場和應變場的數值分析。數值分析曲軸的彎扭疲勞強度是壓縮機曲軸強度計算向前跨出的重要一步。
  在往復壓縮機設計過程中,除了需計算其疲勞強度,還應對曲軸的動力學特性進行分析,而結構件的模擬分析可評估其動力特性。結構設計時需考慮結構的受激頻率是否接近該結構的自然頻率。模態分析是結構動態分析的一種有效手段。通過分析結構的動特性可建立結構在動態模擬條件下的響應預測模擬,預測結構在實際工作狀態下的行為及其對環境的影響。
  (二)往復壓縮機的平衡技術
  往復壓縮機的工作過程中,需要將軸的回轉變為活塞的往復運動,這一功能通常由壓縮機的曲柄連桿機構來實現。往復壓縮機的運動特點導致其工作過程中產生慣性力和慣性力矩,它們的大小和方向隨著曲軸的轉動做周期性變化。這些力和力矩對壓縮機來說是外力,如果機器內沒有相應的力和力矩加以平衡,則會導致整機振動。為了保證機組平穩運行,在壓縮機設計時應力需求所有外力在壓縮機內部平衡。例如:單列壓縮機往往設置相應的平衡質量對這些力進行平衡,多列壓縮機在方案布置時盡量讓壓縮機各列產生的力和力矩能夠相互平衡。
  在壓縮機設計階段,會盡量平衡其各種慣性力。但由于往復壓縮機自身特點和設計方案的局限性,設計過程中往往并不能平衡所有力和力矩,這一情況造成了壓縮機運行過程中的振動,這也是往復壓縮機高速化的一個重要基礎瓶頸。為了提高壓縮機轉速,以滿足特殊領域對往復壓縮機的要求,發展全平衡結構的往復壓縮機技術與產品,可以完全平衡結構的往復壓縮機的慣性力和慣性力矩,但這類產品結構復雜,加工及裝配精度要求極高,增加了設備的設計制造難度,降低了機組的可靠性。
 
  (三)氣流脈動及管道振動技術
  管道振動是往復壓縮機運行過程中經常遇到的問題,直接影響系統安全,其對壓縮機組的影響主要表現在以下方面:
  1.管道及其附件產生疲勞損壞,特別是管道的連接部位發生松動和破裂。
  2.壓縮機工況惡劣,閥片過早損壞。
  3.管道上或附件儀表失真或毀壞。
  4.噪聲增大。
  5.壓縮機運行效率降低。
  往復壓縮機吸排氣管道及其附屬裝置和與之相連接的各種動力設備、裝置構成一個復雜的系統,該系統產生的振動是由多種原因引起的,主要有以下三種:
  1.由氣流脈動引起,氣流脈動增發管路做機械振動。
  2.管道發生共振,從而造成管路系統的振動。
  3.動平衡差或基礎設計不當引起的管道振動。
  往復壓縮機的吸排氣過程是間歇性的,因而氣體的壓力和速度呈周期性變化,進而導致管道內氣體呈脈動狀態,致使管內氣體參數(如壓力、速度、密度等)不僅隨位置變化,而且隨時間做周期性變化,這也就產生了氣流脈動。生產中遇到的往復壓縮機管系振動絕大多數是由氣流脈動引起的。管道振動反過來又會引起機組的振動,因而要消除管道振動,首要的問題是消除氣流脈動。
  目前,采用管系的有限元分析法提供了進行應力分析,解決管道振動問題的有效手段。用有限元方法分析管道系統的結構振動,實質上是用有限個自由度的離散系統替代無限個自由度的連續系統,即用有限個結點和結點的運動替代實際系統與實際系統的運動。通過這種方法改造后的進氣管道系統,氣流脈動明顯降低,從而直接導致振動激發力降低,同時,振動結構也有明顯改變,分離器出口和管道的標高降低使得剛度顯著加強,有效避開低階共振。管道系統匯管前后段管道結構振動明顯減少,主激發頻率,氣柱固有頻率和結構固有頻率基本錯開,從根本上避免了共振。
  (四)在線監測與故障診斷技術
  設備狀態監測與故障診斷技術的實質是了解和掌握設備在運行過程中的狀態,評價、預測設備未來的一段時間在役運行的可靠性,早期發現故障并對其原因、部位、危險程度等進行識別,預報故障的發展趨勢。
  往復壓縮機是石化、煤化工等重要流程工業的核心裝備,但其結構復雜,易損件多,若不能及時發現和排除故障,易造成事故,給生產帶來巨大損失。因此,隨著計算機、傳感器、信號處理等相關技術的進步,往復壓縮機在線監測和故障診斷技術也在近些年得到了較快發展。
  壓縮機運行狀態監測是壓縮機故障診斷的基礎,開展往復壓縮機狀態監測需要實現以下四個目的:
  1.通過監測優化檢修計劃,減少非計劃停機,延長運轉周期,降低維修維護費用。
  2.通過監測了解機器的運行工況,優化運行參數,提高設備運行效率。
  3.通過監測發現故障發生的部位,使檢修做到有的放失,縮短檢修時間。
  4.及時預警,提前采取有效措施,降低故障的發生率,特別預防災難性事故的發生。
  目前,往復壓縮機采用的監測方法主要有工程熱力學參數法(壓力、溫度、流量等),振動監測分析法、沖動振動分析法、噪聲監測分析法、氣體泄漏檢測法、磨損位移監測法、油液分析法等。例如:氣缸內氣體壓力,溫度是往復壓縮機氣閥、活塞、氣缸等故障判斷的重要參數。機殼的振動與活塞桿的下沉可用于判斷曲軸連桿機構的振動狀況與活塞環的磨損情況。通過溫度、壓力、振動、位移、噪聲等各種傳感器在壓縮機重要部位的安裝和運行實時數據的采集,可以及時準確獲得壓縮機各部件的各種狀態。隨著無線傳感技術,基于網絡的遠程在線技術的發展,對往復壓縮機的運行狀態在線監測將越來越深入,而往復壓縮機故障診斷過程包括信號檢測、特征提取、狀態識別三個步頻,其中特征提取和狀態識別最為關鍵。隨著深度,多源信號分析等技術的發展,故障診斷系統的智能化水平不斷提高,診斷準確率也在不斷上升。
  隨著社會的發展,以生產高度數字化、網絡化、機器自組織等技術標志的工業發展,往復壓縮機作為一種流體機械,也將不斷地利用這些技術向著高度智能的方向發展。
 

來源:本站原創

標簽: 壓縮機概論應用  

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