離心壓縮機軸位移故障自愈調(diào)控及密封改進(jìn)增效技術(shù)研究.pdf

1、本論文基于機械裝備復(fù)雜系統(tǒng)故障自愈原理，針對石油化工等過程工業(yè)的心臟設(shè)備高壓離心壓縮機運轉(zhuǎn)過程中存在由于轉(zhuǎn)子軸向位移過大而引起的聯(lián)鎖停車問題和壓縮機內(nèi)泄漏大等重大問題，提出了軸位移故障自愈調(diào)控系統(tǒng)以及平衡盤密封改進(jìn)方案，并對此進(jìn)行了系統(tǒng)的理論與技術(shù)可行性論證，為解決石化以及其它過程設(shè)備的長周期與高效率運轉(zhuǎn)提供了具有創(chuàng)新性的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。 高壓離心壓縮機是很多大型過程工業(yè)的心臟設(shè)備，其安全可靠性是整個過程裝置安全可靠性中最關(guān)鍵的

2、一個環(huán)節(jié)；壓縮機又是高耗能裝置，其運行效率往往是決定產(chǎn)品能耗的主要因素。從上世紀(jì)60年代開始，國際工程科技界開發(fā)了設(shè)備故障監(jiān)測診斷技術(shù)，在工業(yè)企業(yè)逐步推行預(yù)知維修和智能維修，并推廣采用緊急停車聯(lián)鎖系統(tǒng)。大型過程裝置由個別設(shè)備發(fā)生故障而引起的非計劃停車，不但會給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟損失以及對環(huán)境的污染，而且由于停車后裝備的動態(tài)信息立即消失，很不利于對裝備故障的判斷及消除，往往導(dǎo)致在停車檢修后重新啟動時又有可能帶來新的故障。 但是，根

3、據(jù)系統(tǒng)故障自愈原理，某些過程設(shè)備的故障是不必停車就可以“治愈”的。具體到離心壓縮機軸位移故障發(fā)生的原因和條件，本文指出主要是：離心壓縮機轉(zhuǎn)子的殘余軸向力的影響因素眾多，一方面在設(shè)計階段的計算不易準(zhǔn)確，導(dǎo)致壓縮機固有的可靠性低；另一方面在壓縮機運行過程中，由于工況的波動以及自身結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化往往會使殘余軸向力增大，從而導(dǎo)致軸位移故障。在故障自愈理論的指導(dǎo)下，本文提出了軸位移故障自愈調(diào)控系統(tǒng)；基于計算流體力學(xué)理論和計算機數(shù)值分析技術(shù)，在本文

4、中開發(fā)的轉(zhuǎn)子軸向推力精確分析技術(shù)可以精確計算多種因素對轉(zhuǎn)子軸向推力的影響，并且可以證明通過動態(tài)調(diào)整轉(zhuǎn)子的殘余軸向力使得轉(zhuǎn)子保持軸向穩(wěn)定是可行的；在本文中提出了將平衡盤的迷宮密封結(jié)構(gòu)改變?yōu)槊詫m-干氣組合密封結(jié)構(gòu)，不但有利于動態(tài)調(diào)整轉(zhuǎn)子的殘余軸向力，還可使壓縮機的效率提高4％；論文還進(jìn)行了基于流-熱-固耦合的干氣密封可靠性分析。論文的主要研究內(nèi)容和具有技術(shù)創(chuàng)新性的研究成果如下： (1)闡述了故障自愈理論并提出軸位移故障自愈調(diào)控系統(tǒng)。

5、基于故障自愈工程一般理論，提出了轉(zhuǎn)子軸向力調(diào)控策略；總結(jié)出了軸位移故障的特征和導(dǎo)致故障的直接原因；在此基礎(chǔ)上通過在線實時檢測機器的軸位移、軸向力以及軸承溫度，由專家系統(tǒng)決定是否需要故障自愈調(diào)控系統(tǒng)；結(jié)合工程實際，給出不同故障模式下的調(diào)控方案；并且研制了自愈調(diào)控試驗臺來研究自愈調(diào)控系統(tǒng)的有效性。 (2)針對工程上對離心壓縮機殘余軸向力計算常常不準(zhǔn)確的實際問題，提出了對轉(zhuǎn)子軸向推力精確計算的方法，并應(yīng)用此方法對一臺在役離心壓縮機組軸

6、向力進(jìn)行計算，找出其軸向力設(shè)計問題，診斷出壓縮機軸位移故障的根本原因。運用計算流體力學(xué)的方法建立葉輪兩側(cè)間隙及迷宮密封內(nèi)氣體的三維整體模型，避免了解析法中對間隙形狀的簡化；選擇雷諾應(yīng)力模型作為湍流模型以適應(yīng)葉輪兩側(cè)間隙內(nèi)流體的強漩流流動，并考慮了氣體的可壓縮性，從而提高軸向推力計算的精度。通過對一臺現(xiàn)場運行的軸位移故障頻發(fā)的壓縮機組的軸向推力分析，發(fā)現(xiàn)其設(shè)計上的不足。 (3)設(shè)計出迷宮-干氣組合式平衡盤密封結(jié)構(gòu)。運用三維計算流體

7、力學(xué)的方法研究了通過壓縮機平衡盤密封的泄漏，發(fā)現(xiàn)在壓縮進(jìn)正常運行過程中，壓縮機內(nèi)氣體通過平衡盤的泄漏量為入口流量的5-10％，結(jié)合迷宮密封的高可靠性以及干氣密封低泄漏量的特點，首次提出迷宮-干氣組合式平衡盤密封系統(tǒng)；通過對干氣密封氣膜的流場進(jìn)行數(shù)值模擬，計算密封面寬度以及槽壩比對干氣密封性能的影響，設(shè)計出適合平衡盤處使用的干氣密封端面結(jié)構(gòu)。對一壓縮機的分析結(jié)果表明，在平衡盤采用組合式密封后，通過平衡盤的泄漏量由原來排氣量的5％降到0.0

8、7％，可使壓縮機效率提高4％。通過實驗研究，對數(shù)值計算的結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定，并驗證了小平衡系數(shù)下，干氣密封可以穩(wěn)定運行，具有良好的密封性能。 (4)開發(fā)了對干氣密封系統(tǒng)進(jìn)行流-熱-固耦合分析的參數(shù)化專用程序。針對在平衡盤處應(yīng)用干氣密封所遇到的高線速度、高壓差、高介質(zhì)溫度等問題，運用流-固耦合的方法，計算出密封運行過程中非等溫流場，密封環(huán)的力變形和熱變形，為干氣密封向高參數(shù)化方向發(fā)展提供了技術(shù)基礎(chǔ)。并對商業(yè)固體力學(xué)軟件(ANSYS)和流