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    壓縮機網(wǎng) >雜志精華>正文

    天然氣儲氣庫用4RDSA-2/1500壓縮機國產(chǎn)化研制<上>

      【壓縮機網(wǎng)1 項目概況

      1.1 項目研究目標與難點(diǎn)

      打破國外技術(shù)壁壘,掌握一批具有自主知識產(chǎn)權、達到國際同等水平的壓縮機設計、制造技術(shù),實(shí)現25MPa高壓儲氣庫壓縮機的國產(chǎn)化,實(shí)現“零”的突破,提升儲氣庫壓縮機設計研發(fā)能力,為我國儲氣庫工程建設提供質(zhì)優(yōu)價(jià)廉、安全可靠的國產(chǎn)壓縮機,為我國儲氣庫工程建設提供大型、關(guān)鍵的國產(chǎn)化裝備保障,為國民經(jīng)濟發(fā)展作出貢獻。

      項目研發(fā)面臨四大難題:

      儲氣庫壓縮機寬工況設計;高壓氣缸設計及密封問(wèn)題;高壓氣缸套磨損控制;長(cháng)薄壁缸套制造問(wèn)題。

      1.2 項目合同規定的任務(wù)

      1)高壓大缸徑氣缸開(kāi)發(fā)

     ?。╝)結構形式研究;(b)安全性研究;(c)耐磨性研究;(d)冷卻方式研究;(e)切削加工性研究。

      2)高壓填料、活塞環(huán)設計研究

     ?。╝)填料耐磨性研究;(b)填料長(cháng)壽命研究;(c)填料密封性研究;(d)活塞環(huán)、支撐環(huán)結構形式研究;(e)支撐環(huán)壓應力研究。

      3)高壓冷卻器設計研究

     ?。╝)結構形式研究;(b)減振性研究;(c)抗疲勞研究;(d)降噪研究。

      4)高壓容器研究

     ?。╝)高壓動(dòng)載荷設計研究;(b)疲勞強度研究;(c)末級高精度過(guò)濾器研究。

      5)壓縮機組振動(dòng)控制研究

     ?。╝)脈動(dòng)及振動(dòng)的成因研究;(b)壓縮機組扭振分析;(c)整機脈動(dòng)分析研究。
     

      1.3 項目考核指標

     ?。?)主要技術(shù)指標(見(jiàn)表1)

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     ?。?)主要經(jīng)濟指標

      通過(guò)成功進(jìn)行天然氣儲氣庫壓縮機國產(chǎn)化研制,單機采購成本比同類(lèi)型進(jìn)口機組降低30%左右。

     ?。?)專(zhuān)有技術(shù)及論文

      ● 2項專(zhuān)有技術(shù):高壓氣缸結構設計

      氣缸缸套熱處理工藝

      ● 2項制造技術(shù):高壓氣缸結構設計

      氣缸缸套熱處理

      ● 發(fā)表論文1篇

      2 項目實(shí)施情況

      2.1 項目目標、任務(wù)總體完成情況

      本項目完成合同規定的5項任務(wù),研制出1臺儲氣庫壓縮機組,建立了1套技術(shù)規范,形成專(zhuān)利1項、專(zhuān)有技術(shù)2項、制造技術(shù)2項,發(fā)表論文2篇,培養技術(shù)骨干10人,全面完成各項考核任務(wù)。

     ?。?)全面完成合同要求的各項研究?jì)热荩ㄒ?jiàn)表2):

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     ?。?)全面完成合同任務(wù)指標

      1)預期成果完成情況

      全面完成合同預期成果(見(jiàn)表3)。

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      2)技術(shù)考核指標完成情況

      項目的17項技術(shù)指標全部完成,達到考核要求(表4)

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      3)主要經(jīng)濟指標

      通過(guò)成功進(jìn)行天然氣儲氣庫壓縮機國產(chǎn)化研制,單機采購成本比同類(lèi)型進(jìn)口機組降低50%左右(表5)。

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      4)完成廠(chǎng)內主要試驗(表6)

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      2.2 主要成果情況

      通過(guò)本項目的開(kāi)展與實(shí)施,形成4大核心成果(表7)。

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      2.2.1 形成了儲氣庫壓縮機寬工況設計技術(shù)

      通過(guò)熱力學(xué)專(zhuān)用軟件計算分析,研究壓縮機動(dòng)力特性及振動(dòng)控制分析,形成儲氣庫壓縮機主機配置及機組總體設計方案。

     ?。?)儲氣庫壓縮機總體方案

      通過(guò)方案設計,提出二種主機配置方案進(jìn)行對比分析,一種方案為四缸二級壓縮,一級氣缸兩個(gè),二級氣缸兩個(gè);另一種方案為二缸二級壓縮,一級氣缸一個(gè),二級氣缸一個(gè),二種方案的一級氣缸均配有可調余隙。

      對兩種方案進(jìn)行計算,通過(guò)分析可知:

      1)四列機組比二列機組行程短,活塞線(xiàn)速度低;

      2)四列機組比二列機組綜合桿載更小,提高了機組的安全性 ;

      3)二列機組的氣體力較大,且反向角很小,為保證機組有一定的反向角,二級氣缸需要設置尾桿(貫穿活塞桿)。四列機組不存在反向角小的問(wèn)題。

      4)四列機組比二列機組的不平衡力矩要小,因此四列機組的振動(dòng)要?。▓D1)。

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     ?。?)壓縮機負載柔性控制技術(shù)

      1)壓縮機負載啟動(dòng)柔性控制技術(shù)

      研究壓縮過(guò)程負荷特性,采用遞階控制結構,創(chuàng )建壓縮機負載柔性控制方法,協(xié)調控制先導組與進(jìn)氣門(mén),適應高壓進(jìn)氣變化,降低機組啟動(dòng)負載。

      2)壓縮機加/卸負載柔性控制技術(shù)

      研究機組加\卸負載特性,采用模糊控制技術(shù),創(chuàng )建負荷柔性調節方法,實(shí)現加載平穩漸進(jìn)、卸載回流控制。避免加載對電網(wǎng)干擾、卸載高壓對罐體容器和安全閥沖擊。根據實(shí)時(shí)檢測排氣壓力變化值調整加載閥門(mén)關(guān)閉速度,使機組負載在一個(gè)合理的變化規律內緩慢增加,減小對電機軸承損害和對電網(wǎng)的干擾;根據實(shí)時(shí)檢測進(jìn)、排壓力變化值調整閥門(mén)開(kāi)啟速度,減小高壓氣回流對進(jìn)氣洗滌罐內濾網(wǎng)的沖擊力,同時(shí)可保證卸載時(shí)機組進(jìn)氣管線(xiàn)內壓力不超過(guò)安全閥工作設定值。

     ?。?)壓縮機振動(dòng)控制技術(shù)

      采用API618規定的第三種方法進(jìn)行氣流脈動(dòng)分析,優(yōu)化管線(xiàn)、支撐布置和緩沖罐結構,減小氣流脈動(dòng)力,降低管線(xiàn)振動(dòng)。

      a) 壓縮機和管路系統的固有頻率分析

      b) 壓縮機力學(xué)模型的受力機械響應分析

      c) 管路系統受力機械響應(圖2)

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      1)壓縮機振動(dòng)控制技術(shù)軸系共振控制

      針對壓縮機軸系進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析。在往復式壓縮機軸系中施加活塞、連桿、十字頭以及驅動(dòng)電機轉子等慣性質(zhì)量的基本方法,建立考慮各種慣性質(zhì)量的軸系動(dòng)力學(xué)分析模型,選取了集總參數法,對軸系進(jìn)行了簡(jiǎn)化,將模型繼續簡(jiǎn)化成有限個(gè)自由度的模型。在構成集總參數模型時(shí),對軸系的總節點(diǎn)數N由一定的要求(圖3)

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      對軸系進(jìn)行了簡(jiǎn)化:分布質(zhì)量離散化,集總到許多節點(diǎn)上,簡(jiǎn)化成有限個(gè)自由度的分析模型(END~MBR為壓縮機軸,CP1~CP2為聯(lián)軸器,MN1~AUX為電機軸)。

     ?。ü街衂i為轉子第i個(gè)截面的受力和變形狀態(tài)的狀態(tài)矢量,Xi為截面的徑向位移,ai繞角,Mi為彎矩,Qi為剪力,l為軸段長(cháng)度;E為材料的彈性模量;I為軸段的截面矩;V則為考慮截面上剪切影響的系數:          其中G為材料的切變模量;Ar為截面積,Kt為截面系數。)

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      研究壓縮機動(dòng)力特性,采用轉子動(dòng)力學(xué)分析,建立了集總參數模型后,采用傳遞矩陣法(如圖4),建立這些構件兩端狀態(tài)矢量之間的傳遞關(guān)系,利用連續條件,得到整個(gè)軸系兩端截面的狀態(tài)矢量之間的關(guān)系式,再根據軸系的邊界條件就可導出頻率方程式,求解頻率方程式,得到軸系的各階固有頻率和振型,形成扭轉振動(dòng)分析方法,掌握了扭振控制技術(shù),避免軸系共振計算軸系臨界轉速和瞬態(tài)響應(圖5)。

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      因整個(gè)軸系中,z*薄弱、z*有可能發(fā)生破壞的部件為聯(lián)軸器,分析得到軸系的響應幅值小于聯(lián)軸器許用扭矩值,確認軸系安全。

      2)壓縮機振動(dòng)控制技術(shù)-氣流脈動(dòng)力控制

      根據壓縮機氣流脈動(dòng)聲學(xué)特性及聲阻抗網(wǎng)絡(luò )分析模型技術(shù),建立壓縮機管系和元件結構的三維分析模型,提供管系和元件的振動(dòng)分析數學(xué)模型??紤]環(huán)境因素(管系與外界的熱交換、環(huán)境噪聲等)的情況下,建立更加完善的數學(xué)模型和特征型方程組,分析儲氣庫工況要求,算了模型固有頻率及響應,形成脈動(dòng)分析方法,掌握脈動(dòng)控制技術(shù),優(yōu)化工藝氣管路設計(圖6,7,8)。

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      圖8左為排氣緩沖罐改進(jìn)前不平衡力曲線(xiàn)圖,圖8右為排氣緩沖罐改進(jìn)后的不平衡力曲線(xiàn),紅色曲線(xiàn)為API618標準規定值。通過(guò)氣流脈動(dòng)分析后,發(fā)現有些頻率段脈動(dòng)不平衡力很大,通過(guò)改進(jìn)設計后,降不平衡力降低到標準值以下。

      3)壓縮機振動(dòng)控制技術(shù)-機械振動(dòng)控制

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      采用有限元分析理論,建立了彈性體物理方程矩陣(如圖9)和機組有限元模型(如圖10),找到其固有頻率及頻響特性,提出解決方案(如圖11),掌握機械振動(dòng)分析方法,優(yōu)化機組結構設計。

    天然氣儲氣庫用4RDSA-2/1500壓縮機國產(chǎn)化研制<上>

      其中  為正應力, 為剪應力, 為彈性體沿X軸正方向的位移, 為Y軸正方向的位移, 為Z軸正方向的位移,G為剪切模量。

      通過(guò)機械振動(dòng)分析后,需要提高洗滌罐支撐座固有頻率,避免與機組發(fā)生共振。

     ?。?)高壓高精度氣液分離技術(shù)

      1)論證了不同分離結構的過(guò)濾效果,形成高壓大排量高精度過(guò)濾分離方案,控制天然氣出口含液量低于1ppm。

      2)分析液體的聚結特性,優(yōu)選了“層壓法”處理過(guò)濾濾芯, 該濾芯不但可以滿(mǎn)足技術(shù)要求,并且極大延長(cháng)了濾芯使用壽命,濾芯的z*大更換周期在18個(gè)月。采用“層壓法”聚結濾芯可將工藝氣流中的液體污染物去除至0.01ppmw以下,同時(shí)對天然氣中少量固體顆粒物的去除率為99.98%(0.3um以上)。該聚結濾芯在生產(chǎn)工藝中采用了疏油處理技術(shù),可以將聚結液體在只占整個(gè)濾芯25-30%的底部排除,從而避免液沫夾帶現象,防止聚結液體潤濕介質(zhì),加速液體在介質(zhì)纖維上的排出。

      3)末級高壓分離器,因工作壓力變化范圍較大,氣流脈動(dòng)影響較大,承受各種靜、動(dòng)載荷或交變載荷,還有附加的機械或溫度載荷,情況很復雜。因此在設計時(shí),選擇厚壁管補強,運用等面積補強法對末級分離器進(jìn)口接管開(kāi)孔進(jìn)行補強設計,進(jìn)行疲勞分析,評定結構承受疲勞載荷的能力,保證承受交變載荷的容器不致在其壽命期限內發(fā)生疲勞破壞。z*終設計出開(kāi)式分段高壓高精度過(guò)濾器結構和專(zhuān)用液壓工具,解決了高壓大壁厚大通徑制造難題(圖12,13)。

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      <本文未完待續,更多精彩見(jiàn)下期>
     

    來(lái)源:中石化石油機械股份有限公司壓縮機分公司

    標簽: 天然氣儲氣庫壓縮機空壓機  

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