大型空分装置配套空压机放空管道振动研究

孟 强，张 丽

（1.鞍钢集团工程技术有限公司；2.鞍山师范学院，辽宁鞍山 114021）

前言

空压机是空分装置的主要动力设备，空气经过空压机压缩、净化、换热等工序后进入分馏塔进行空气分离。大型空压机采用离心式压缩机，为了防止离心式压缩机喘振一般都设置防喘振放空阀，通过管道和消音器将压缩空气排向大气，防止发生喘振。大型空分装置调试阶段需要开启空压机小流量吹扫和置换，有很大一部分空气将通过防喘振阀长时间放空。由于管道和流量的不匹配造成管道振动超标，鞍钢工程技术有限公司结合工程实际和理论模拟进行了大量的研究和改进，对管道振动的成因进行了科研攻关，提出了一种消除管道振动切实可行的方法，并取得了良好的效果。为同类放空管道的设计提供参考。

1 空压机放空管道振动

1.1 放空管道参数及布置

某空压机的排气量为30 万m3/h，排气压力为0.58 MPa，空压机出口管道为DN1400，放空管道为DN600，放空阀为DN500，经过放空阀后管径变成DN1200，然后经消音器放空，消音器的入口为DN500。

空压机采用立式冷却器布置，不设置后冷却器，空压机排气温度约为100 ℃，放空管道是从排气管道的上部接出。

1.2 放空管道振动

从力学角度考虑管系布置合理，通过CAESA⁃RII 应力分析软件，计算空压机出口的力和力矩满足要求，现场按照图纸施工完毕，检测和试压合格后，开始试车，准备提供吹扫空分管线的压缩空气。

空压机启动后经过调试后可以实现满负荷输出，当放空量加大后放空管道振动剧烈，特别是放空阀前后的振动更大，放空阀的仪表管由于振幅过大而损坏，现场发出强烈的噪音。

2 放空管道振动原因分析

空压机放空管道的振动一般是由放空阀局部强烈涡流引起的，在放空阀前后的管道震动强烈。管系的布置不合理、气体流速太快等会造成气体的边界层分离，从而造成管道内壁局部真空，在周期性的压力波动的情况下管道会发生强烈振动。

对于上述的振动情况，采用ANSYS Fluent 软件对放空管道内的流体进行了模拟分析，首先模拟放空阀前管道为DN600 时的管道内流体的分布情况，如图1 所示，模拟结果显示放空阀的直管道及弯头部分压力分布极其不均匀，出现了严重的边界层分离，管壁受周期性的力和力矩的作用，造成管道的强烈振动。然后将放空阀前管道改成DN800 时模拟管道内流体的分布情况，如图2所示，管道内及直观到内流体分布均匀，没有出现明显的边界层分离等，说明流体流动接近层流状态。

图1 放空阀前DN600的流体模拟

图2 放空阀前DN800的流体模拟

根据上述模拟结果分析认为空压机放空阀前的DN600 的管道偏小，放空阀前的直管段内压力分布特别不均匀，出现了严重的边界层分离，也就是说放空阀前的直管段也是振源。

3 放空管道消除振动的改进方法

通过上述分析将放空阀前管道改成DN800，并调整了管道的走向，并用CAESARII 应力分析软件对管系进行了重新的计算和校核，空压机的出口的力和力矩满足要求，具体如图3 所示。管系走向改变后又通过ANSYS Fluent 软件对流场进行了模拟分析，具体如图4所示，流体分布均匀。

图3 放空阀前DN800的应力分析模型

图4 放空阀前DN800的流场分析模型

从理论上模拟分析，放空管道的振动会得到有效的缓减，集合工程实际，给出了最终的改进方法：将放空阀前的管道由DN600 改为DN800，管道走向改变，增加方形补偿，放空阀所在的管道标高由3.21 m 降到1.3 m，放空阀往后移1.4 m，并在放空阀前后设置强有力的约束，采用加大混凝土基础的体积，增加支架型钢的截面，采用加宽加厚的带钢来连接管道和支架。这样设计的目的一是通过改进流体的流态减少振动源的能量，二是通过加强外部对管系的约束减少管道的振幅，减少对管道附件的破坏力。具体的施工布置图如图5所示。

图5 放空阀前DN800的施工平面布置图

4 放空管道改造后的效果

经过扩大放空阀前的管径，改变放空阀前管道走向，降低放空阀的标高等措施，现场实际改造完后设备再次运行，空压机出口部位、放空管道、放空阀、消音器入口管道等部位的振动降低到规范允许的范围内。放空管道的噪音也随之降低，支架和仪表管的振动也大幅度减小。通过专业仪器现场监测上述部位，各位置的加速度、速度、位移等均在允许的范围内，并且经过72 h 的运行，整个系统的振动值均保持稳定，没有随着时间出现偏离。

空压机运行稳定，放空阀调节平稳细腻，放空管道放空能力满足空压机调节需求，为空压机长期稳定运行奠定基础，也为空分装置后续的分子筛活化、吹扫、置换、裸冷提供了合格的压缩空气。

经过改造消除了放空管道的振动，消除了现场的安全隐患、最终的效果是明显的。到目前为止，已经长期稳定运行五年之久，在这期间空分多次开停车、大加热、裸冷等操作，空压机均在各阶段提供相应的空气量，放空阀保持对应的开度放空，放空管道一直安全运行，没有出现振动值超标的现象，有力地证明了放空管道的改造效果良好。

5 结论

根据以上分析、空压机放空管道发生振动的主要原因不单单是由于放空阀的不断动作产生的振动，同时还要考虑放空阀前管道本身由于气流原因引起的振动。

根据理论分析优化和现场实际的验证，对空压机放空管道的设计总结如下几点：

（1）空压机放空管道应该采用应力分析软件进行应力计算，一次应力满足支撑需要，二次应力满足压缩机厂家或规范的要求。

（2）要合理地确定放空管道的管径和走向，保证放空管道内的流体的流速在合理的范围内，流速不能太大，否则会出现管道内流体的流场分布不均匀，引起管道本身的振动，这样放空阀的振动和放空管道的振动叠加，导致整个放空系统振动更复杂。

（3）对于大型空压机放空管道，应该将放空阀设置在地面，放空阀前后的管道直接约束在混凝土墩上，管道要加管托和卡箍，径向约束、轴向滑动，增加管系的刚性和稳定性。