離心壓縮機(jī)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(jī)械裝備復(fù)雜系統(tǒng)故障自愈原理，針對(duì)石油化工等過(guò)程工業(yè)的心臟設(shè)備高壓離心壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中存在由于轉(zhuǎn)子軸向位移過(guò)大而引起的聯(lián)鎖停車問(wèn)題和壓縮機(jī)內(nèi)泄漏大等重大問(wèn)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(duì)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(guò)程設(shè)備的長(zhǎng)周期與高效率運(yùn)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(jī)是很多大型過(guò)程工業(yè)的心臟設(shè)備，其安全可靠性是整個(gè)過(guò)程裝置安全可靠性中最關(guān)鍵的

2、一個(gè)環(huán)節(jié)；壓縮機(jī)又是高耗能裝置，其運(yùn)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(kāi)始，國(guó)際工程科技界開(kāi)發(fā)了設(shè)備故障監(jiān)測(cè)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(guò)程裝置由個(gè)別設(shè)備發(fā)生故障而引起的非計(jì)劃停車，不但會(huì)給企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失以及對(duì)環(huán)境的污染，而且由于停車后裝備的動(dòng)態(tài)信息立即消失，很不利于對(duì)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(dòng)時(shí)又有可能帶來(lái)新的故障。 但是，根

3、據(jù)系統(tǒng)故障自愈原理，某些過(guò)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(jī)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(jī)轉(zhuǎn)子的殘余軸向力的影響因素眾多，一方面在設(shè)計(jì)階段的計(jì)算不易準(zhǔn)確，導(dǎo)致壓縮機(jī)固有的可靠性低；另一方面在壓縮機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，由于工況的波動(dòng)以及自身結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化往往會(huì)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(jì)算流體力學(xué)理論和計(jì)算機(jī)數(shù)值分析技術(shù)，在本文

4、中開(kāi)發(fā)的轉(zhuǎn)子軸向推力精確分析技術(shù)可以精確計(jì)算多種因素對(duì)轉(zhuǎn)子軸向推力的影響，并且可以證明通過(guò)動(dòng)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(dòng)態(tài)調(diào)整轉(zhuǎn)子的殘余軸向力，還可使壓縮機(jī)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?jī)?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(guò)在線實(shí)時(shí)檢測(cè)機(jī)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(shí)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(yàn)臺(tái)來(lái)研究自愈調(diào)控系統(tǒng)的有效性。 (2)針對(duì)工程上對(duì)離心壓縮機(jī)殘余軸向力計(jì)算常常不準(zhǔn)確的實(shí)際問(wèn)題，提出了對(duì)轉(zhuǎn)子軸向推力精確計(jì)算的方法，并應(yīng)用此方法對(duì)一臺(tái)在役離心壓縮機(jī)組軸

6、向力進(jìn)行計(jì)算，找出其軸向力設(shè)計(jì)問(wèn)題，診斷出壓縮機(jī)軸位移故障的根本原因。運(yùn)用計(jì)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(duì)間隙形狀的簡(jiǎn)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(qiáng)漩流流動(dòng)，并考慮了氣體的可壓縮性，從而提高軸向推力計(jì)算的精度。通過(guò)對(duì)一臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的軸位移故障頻發(fā)的壓縮機(jī)組的軸向推力分析，發(fā)現(xiàn)其設(shè)計(jì)上的不足。 (3)設(shè)計(jì)出迷宮-干氣組合式平衡盤密封結(jié)構(gòu)。運(yùn)用三維計(jì)算流體

7、力學(xué)的方法研究了通過(guò)壓縮機(jī)平衡盤密封的泄漏，發(fā)現(xiàn)在壓縮進(jìn)正常運(yùn)行過(guò)程中，壓縮機(jī)內(nèi)氣體通過(guò)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(diǎn)，首次提出迷宮-干氣組合式平衡盤密封系統(tǒng)；通過(guò)對(duì)干氣密封氣膜的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算密封面寬度以及槽壩比對(duì)干氣密封性能的影響，設(shè)計(jì)出適合平衡盤處使用的干氣密封端面結(jié)構(gòu)。對(duì)一壓縮機(jī)的分析結(jié)果表明，在平衡盤采用組合式密封后，通過(guò)平衡盤的泄漏量由原來(lái)排氣量的5％降到0.0

8、7％，可使壓縮機(jī)效率提高4％。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)數(shù)值計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定，并驗(yàn)證了小平衡系數(shù)下，干氣密封可以穩(wěn)定運(yùn)行，具有良好的密封性能。 (4)開(kāi)發(fā)了對(duì)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(duì)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(wèn)題，運(yùn)用流-固耦合的方法，計(jì)算出密封運(yùn)行過(guò)程中非等溫流場(chǎng)，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(duì)商業(yè)固體力學(xué)軟件(ANSYS)和流