LNG 冷剂离心压缩机不同选型方案的稳定性对比分析

赵志玲 王玉旌 王 宏/沈阳鼓风机集团股份有限公司

那 淼/大连理工大学能源动力学院

0 引言

转子系统的稳定性是指转子在受到某种扰动后能否随时间的推移而恢复原来状态的能力，也就是说扰动响应能否随时间增加而消失。如果响应随时间增加而消失，则转子系统是稳定的，若响应随时间增加不消失，则转子系统就失稳了。离心压缩机稳定性分析是转子动力学分析的一项重要内容，特别是对于重分子量，高压比的压缩机，如近年来发展迅速的LNG冷剂离心压缩机。

API 617-2002 标准规定，除了最大连续转速低于第一临界转速，按刚性支承计算外，在所有离心或轴流压缩机径流转子上应作稳定性分析。为了这一分析，机器进口和出口条件应该在额定的条件上，不然就在卖方和买方商定的另一运行点上。本文以一个工程实例的LNG冷剂压缩机选型方案结合其稳定性分析结果展现稳定性分析的工程应用。

1 冷剂压缩机选型方案

通常压缩机所能压缩的介质根据工艺流程的需求，具有多样性，就介质的分子量而言，可以是轻介质（以氢气为主要成分），分子量2.0～10.0左右，也可以是重介质，如二氧化碳压缩机，丙烷气压缩机，分子量在40 以上；LNG 冷剂压缩机，介质分子量多在30 以上，属于重介质范畴（见表1），在同等压力条件下，重介质相对轻介质而言，在压缩机叶轮口圈密封处和平衡盘密封处产生气体激振力会更大，会更容易造成转子失稳，需要对轴系进行可靠性分析。

表1 压缩机设计参数表

该LNG冷剂压缩机有两种选型方案，方案数据详见表2。

表2 方案数据表

根据上面表格中的方案对比可以看出，方案一的机型小，压缩机的多变效率高，驱动机功耗小，将会是首选方案。下面结合稳定性分析结果进行方案可靠性评定。

两种方案对应的转子计算数据见表3。

表3 转子计算数据表

2 方案一稳定性分析

2.1 方案一I级稳定性分析

根据API 617-2002 标准规定，基于修正的Alford经验公式计算各级叶轮的预期交叉耦合刚度，继而在转子跨距中间处施加总的预期交叉耦合刚度，完成复模态分析，计算转子系统分别在最大和最小轴承间隙下的第一阶正进动模态的对数衰减率。

分析结果包括第一阶正进动模态下的对数衰减率随着施加的预期交叉耦合刚度的变化曲线图，如图1所示，以及I级稳定性分析筛选准则图，如图2所示。

图1 交叉耦合刚度－对数衰减率曲线[1]

图2 I级稳定性筛选准则图[1]

根据API 617-2002 标准规定，I 级稳定性分析如果下面准则的任何一个适用，将进行Ⅱ级稳定性分析：

1）Q0/QA＜2.0；

2）δA＜0.1；

3）2.0＜Q0/QA＜10 和CSR 还含在图2 的B 区域内。

否则，该稳定性被接受和不要求任何进一步的分析。

I级稳定性分析：如图3所示，图中显示了方案一的转子一阶正进动对数衰减率与交叉耦合刚度的关系，QA为预期的交叉耦合刚度，Q0为产生零对数衰减率所要求的交叉耦合刚度，QA=2.18kN/mm。当轴承间隙取最小值时，Q0=2.43 kN/mm，Q0/QA=1.11，对数衰减率δA=0.025,需要进行II级稳定性分析；当轴承间隙取最大值时,Q0=3.85kN/mm，Q0/QA=1.77，对数衰减率δA=0.19。从I级筛选准则图4中可知筛选点位于B区内，CSR=2.898。

根据I 级稳定性判定准则，同时适用δA＜0.1与2.0＜Q0/QA＜10 和CSR还含在图4的B区域内这两条准则，所以方案一需要进行II 级稳定性分析。

图3 对数衰减率-交叉耦合刚度曲线

图4 I级稳定性筛选原则图

2.2 方案一II级稳定性分析

根据API 617-2002标准规定，II级稳定性分析针对性考察转子系统中的各类气体密封所产生的气体动力交叉耦合效应。理论上，普遍采用基于总体流动（Bulk Flow）理论的单控制体或双控制体理论模型计算各级密封（尤其是叶轮口圈密封和平衡盘密封）的动力特性参数，力求更准确刻画转子系统的失稳激励源，进而完成复模态分析，计算转子系统在最小轴承间隙下的第一阶正进动模态的对数衰减率，判别准则：最小对数衰减率≥0.1。

分析结果提供最小轴承间隙下的第一阶正进动模态对应对数衰减率随着转速变化的曲线图，如图5 所示，从而根据API 617-2002 标准规定进行转子稳定性的最终评估。

图5 对数衰减率－转速曲线图

在最小轴承安装间隙的情况下，转子在气体密封力的作用下的转子动力特性见图6 和图7。

图6 转子一阶正进动的对数衰减率随转速的变化曲线

图7 转子一阶正进动复模态图

从转子一阶正进动复模态图7中得出，转子在最大连续转速下受到气体密封力的最终对数衰减率为-0.109，小于0.1。根据API617-2002标准关于II级稳定性的判定准则，转子在最大连续转速下的对数衰减率应大于0.1，故该值不满足要求。方案一II级稳定性分析不合格。

3 方案二稳定性分析

I级稳定性分析结果

如图8所示，预期交叉耦合刚度QA=2.190 kN/mm，当轴承间隙取最小值时，Q0=7.635kN/mm,Q0/QA=3.48,对数衰减率δA=0.342；当轴承间隙取最大值时,Q0=10.142kN/mm，Q0/QA=4.62，对数衰减率δA=0.489。

图8 对数衰减率-交叉耦合刚度曲线图

需要计算CSR 值决定是否需要进一步稳定性分析。经计算，临界转速比CSR=2.137。由I级稳定性筛选原则图9 结果显示，CSR 位于A 区内。

图9 I级稳定性筛选原则图

分析结果表示方案二满足I级稳定性判定准则，不需要进一步分析。

4 结论

根据稳定性分析结果可知，尽管方案一的压缩机机型小、压缩机的多变效率高，由于其稳定性不满足要求，会导致设备无法安全运转，所以不能采用；而稳定性分析结果显示方案二的稳定性很好，符合工程可靠性设计需求。故从工程安全的角度选择，该参数最终将选择方案二作为工程设计方案。

在压缩机选型设计中，需要考虑的因素有很多，但是稳定性是不能被忽略和回避的问题，一定要根据工程经验和尽可能全的分析数据在初期进行方案选型时对其进行可靠性判别，以确保机组运转的安全、可靠。

[1]API Standard 617,Seventh Edition.Axial and Centrifugal Compressor and Expander-Compressor for Petroleum,Chemical and Gas Industry Services.American Petroleum Institute,Washington D.C.2002.

[2]虞烈，刘恒.轴承－转子系统动力学[M].西安：西安交通大学出版社，2001.

[3]肖忠会.转子－轴承－密封系统动力学建模及其特性研究[D].上海：复旦大学，2006.

[4]肖忠会，王学军，胡永，等.离心压缩机组轴系扭振分析技术与应用[J].风机技术，2013（3）：30-37.

[5]白晖宇，朱瑞，孟光.透平压缩机转子系统常见振动故障分析及处理[J].风机技术，2012（4）：85-88.

[6]唐忠顺.一次风机主轴断裂原因分析及处理[J].风机技术，2011（4）：73-75.

[7]刘传乐，楚武利，张皓光.周向槽机匣对压缩机稳定性的影响[J].风机技术，2011(2):6-9，27.

[8]张文.转子动力学理论基础[M].北京：科学出版社，1990.

[9]James M.Sorokes，MarkJ.Kuzdzai，张海界（编译）.离心压缩机的发展历程[J].风机技术，2011(3):61-71.

[10]Hutten,V.,Beer,C.,Krause,T.,and Demmig,S.VSDS Motor Inverter Design for Compressor Trains Avoiding Interharmonics in Operating Speed Range.Proceedings of the 41st Turbomachinery Symposium,Turbomachinery Laboratory,Texas A&M University，2012.

[11]杨国安.机械设备故障诊断实用技术[M].北京：中国石化出版社，2007.

[12]尚恩清,董友.离心压缩机的振动分析及解决措施[J].风机技术,2011(4):69-72.