《往复压缩机问题研究开题报告6200字》

学位论文（设计）题目往复压缩机出口管系振动分析研究课题来源及类型课题的意义及国内外现状分析：研究背景及意义研究背景作为流体压缩及输送动力的提供者，压缩机一直被视为石油化工系统中的心脏，物料经由压缩机加压加速后血液般地流向装置的其他部分，其安全平稳运行被认为是衡量一个国家制造加工工业发展水平的重要标志。此外，压缩机广泛应用于航空航天、国防科研、交通运输、海洋工程、电力工业等多个国家支柱产业，成为了衡量国家装备制造业的一项重要标准。伴随着国家工业化进程新阶段的开始，国家装备制造业也开始面临新的机遇和挑战，大型化、高参数化的要求成为压缩机设计制造的新风向，“高效率、低能耗”更成为衡量压缩机性能指标的新标准。对于石油化工行业，生产企业以追求经济利益为核心，而安全稳定生产则是这一切利益的前提和保障，生产连续性强、介质毒性大、介质可燃性高等特点决定了对每一个生产环节的高标准和高要求，作为动力供应，压缩机能否持续的、稳定的安全运行，以及运行过程中的故障预防与诊断、振动控制方法等也越来越受到重视。按照工作原理，压缩机可分为速度型、容积型两类，往复压缩机是容积型压缩机中的常见机型，其依靠气缸内活塞的往复运动达到流体压缩及输送的目的。流体输出后，伴随着气柱压力及速度的周期性变化，以及由于管道形状及走向的变化而产生的激振力作用，极易产生压缩机管道的振动现象，并进一步引发管道疲劳断裂、管道连接仪表失灵、阀片磨损、压缩机容积效率降低等问题。石化行业生产设备复杂、工艺参数弹性多变，但由于压缩机特殊的工作原理，决定了其运转可靠性低、故障种类多样等特点，而压缩机及其连接的附属管道系统的振动故障更成为多起化工事故的诱因，严重危害国家经济和生产安全。研究意义根据《世界石油化工100起特大财产损失事件》的统计，在过去的几十年里，每年因压缩机及其管道系统发生振动并进而引发的化工事故所造成的经济损失高达数百亿美元，排在第二位（第一位是机械故障）。压缩机及其管道的振动通常伴有很大的噪音，严重者甚至伴随有肉眼可见的振动位移和晃动，恶化了工作条件，直接危害到职工的身体健康。因此，重视压缩机及其管道的振动问题，采取有效的减振措施和合理化设计，严格控制压缩机管道及其联接件和设备的振动，对于石化行业乃至各基础生产行业的生产安全都具有十分重要的意义。国内外研究现状国外研究现状对往复压缩机出口管系振动分析的研究国外比国内早二十余年，上世纪五十年代开始，国外学者就开始关注和研究压缩机进出口管线的剧烈振动问题。对于国外研究现状，以下从气柱特性的研究、结构振动的研究、减振技术应用研究几个方面加以介绍。管道气柱特性研究美国在上世纪五十年代中叶就对气流脉动展开了相关研究。为了研究管内气柱的气流特性，L.E.Kinsler和A.K.Frey于1962年推导出了模型相对简单且应用较为方便的平面波动方程组，该理论基于管道中的阻尼正比于气体流速以及当管道的径长比和压力脉动都很小时，管道同截面上各处密度、压力、流速等流体参数相同两个基本条件假设。然而，当管路处于共振状态时，由于振幅大、振动剧烈，阻尼与气体流速的关系己表现出非线性，该理论不再适用；Mohri与Hayama对处于共振状态时的管路，将平面波动理论的条件之一假设为阻尼正比于气体流速的平方，经过修正后的理论相对误差大为减小，基本上可以满足工程需要。1972年，Elson和Soedel提出，在对气流脉动和气柱共振进行数学模拟时应注意考虑通过气阀的质量流量和气阀运动的影响。1973年，维将金利用公式计算了组合系统管道的气柱固有频率，但由于这种管道计算仅限于若干简单管道的组合，偏离生产实际较远，故而不能用于解决工程实际问题。1978年，Werner在普渡压缩机会议上公开发表的气流脉动相关学术论文，使得在研究压缩机气流脉动上形成了相对完善的理论。此后，Maclaren综合考虑了管线系统与外界热交换、噪声等因素的影响，推导出了模型更加完善、结果更为精确的特征型方程组，对于一维非定常流动的计算极其适用，且模拟结果接近管内气流的实际流动情况。管道结构振动的研究上世纪五十年代起，国外学者对管道结构振动特性首先进行研究。Feadasev、Housner等人在不计重力、压力和阻尼的影响下，将等直壁厚的细长管看作梁单元，得到了其振动特性方程。将管路简化为梁单元，可以利用Rayleign法、Ritz法、Dunkerley法等计算简单管路系统的低阶固有频率，而对于复杂管系，则采用转移矩阵法、有限元法、多重网格法、阻抗分析法等求解。转移矩阵法于1972年由史密斯与大卫德森共同提出，1975年Bickford等人考虑轴线可伸缩性、剪切变形等影响，运用该法研究了平面曲梁的振动。Irie于1980年分析得到了用于输流管路振动特性研究的转移矩阵法，随后，Wiggert和Lesmez利用分离变量法开创性地对空间复杂管路的转移矩阵法进行推导，最后得出了含特征值的转移矩阵法，该法也是目前解决空间管线振动问题较为理想的方法之一。阻抗分析法是将管系进行若干个单元的划分，单元矩阵中的元素为阻抗参数。有限元法是研究管线振动比较常用且高效、方便的一种方法，1975年，日本学者藤川猛首次将其应用到管线振动分析领域，计算出了管系结构固有频率，并对结果进行了进一步响应分析。多重网格方法是为其他方法简化边界条件时被人发现，该算法可以在几乎不增加数据存储容量的情况下，依然获得十分准确的结果，而且如果将其与有限差分法结合，可以使迭代计算次数大为减少，收敛速度加快，更好的获得实验结果。所有这些理论方法的提出、发展与应用，都为工程实践研究，起到了很好的指导作用，极大促进了管道振动研究的发展。减振技术应用研究对往复压缩机管线振动进行控制离不开减振装置的设计和减振方法的工程应用。美国的Kartha等对内部设有复合材料作动器的Helmholtz共振腔进行了研究，发现其应用可以大幅降低管内的压力脉动；英国的Brennan等人提出并制造了一种气流脉动作动器，可用于压缩机管线减振，瑞典的Maillard等人对其进行了进一步分析应用，以探究其对管系的气流脉动的控制作用；Narita等对管路支承结构进行了优化研究；除此之外，国外还有许多学者对孔板、缓冲器、脉动衰减器、声学滤波器等振动控制技术进行了研究，其中，衰减器和滤波器的减振效果更佳，但由于它们结构相对复杂、制造成本高，实际应用中尚不及孔板和缓冲器常见。国内研究现状管线振动特性的研究在国内，对往复压缩机管线振动特性研究较早的是西安交通大学和沈阳压缩机研究所。1975年，沈阳压缩机研究所组织翻译并出版了前苏联相关专著《活塞压缩机的脉动与振动》；1984年，西安交大的党锡淇、陈守五合著出版了《活塞压缩机气流脉动与管道振动》一书，对我国在压缩机管线振动问题上的研究起到了巨大的指导和推动作用。谢林章对往复压缩机气体的气柱固有频率和结构固有频率的计算方法进行了归纳总结，给出了某国产对动式氮氢压缩机组相关频率的电算方法，通过降低管线高度、减少弯头、大小头等激振源，管线机械振动明显改善，显示了其电算程序的优越性；韩龙文等根据CFD方法研究了两台并机运行的往复压缩机管线系统关键位置的气流脉动，通过建立的管系流体动力学模型分析了层流及湍流两种管流情况下的气流脉动，实验对比发现计算管路气流脉动时采用湍流模型比层流更合理；张道刚等针对某炼油厂压缩机管系的二级分离器出口管道振动剧烈问题，利用ANSYS软件进行了分析，并与相关实测及计算结果对比发现结构共振为剧烈振动的主因；李永东等对某天然气站的两台增压机根据现场实测数据建立了相关管线的理论分析模型，并利用西安交通大学振动研究课题组自行研究开发的压缩机管道振动分析PAP软件对管路的气柱固有频率、机械结构固有频率、压力不均匀度及机械振动响应等进行了计算；徐斌等针对现有压缩机管系模型计算精度不足等问题，依据平面波动理论对模型进行了适当修正，并使用修正模型编写通用程序求解气流脉动及气柱固有频率，应用该方法及有限元离散思想对某型氮氢气压缩机的级间管路进行了计算，并对管线系统重要位置的振动特性进行了实际测量，证实了修正模型计算的正确性。此外，他们研究指出，将复杂压缩机管路以大容器进出口处为分段点进行分段，利用各简单管路进行气流脉动的计算，方法准确可靠，且能够满足工业要求；陈玲莉等建立了针对管系结构刚度优化的数学计算模型，推导了振幅及频率灵敏度的计算公式，同时给出了两个具体算例，计算结果显示频率灵敏度远大于振幅灵敏度，由此得出在整个优化过程中，起决定性作用的为频率约束，而振幅约束作用相对较小；盛敬超在统筹考虑管路负载阻抗及管路机械振动对管内流体的影响下，对管流采用模态分析法进行了分析；许超洋等人通过类比实验原理，建立了基于声学波动方程及电学系统方程的气柱等效电路，并且采用软件MATLAB/SIMULINKL对管线进行电路模拟仿真，得到了各阶固有频率，为管系气柱固有频率的计算及声电类比的研究提供了依据。减振技术工程应用关于压缩机管道减振技术及工程应用方面的研究，国内目前己有不少研究机构和从业人员做出了贡献，且己取得相当丰富的研究成果。吸振器是一种常用的减振装置，属耗能器件，可对管线内压力脉动造成的管线动能有效吸收，其在管线振动方面也被不少学者研究利用。王震、孙玉东等人设计了一种可对管路振动进行调控的吸振器，数值仿真结果表明，该方法能够有效的减弱管道的低频结构振动；张洪田、李玩幽等人研制了一种电磁式吸振器，与频域自适应算法相结合，是一种新的控制管路振动实用技术；刘明华、程小勇等人设计了一种在结构上由螺栓与管道连接，型式上由弹簧片质量块所构成的弹簧质量系统进行吸振的的动力吸振器，适用于管路系统减振且具有结构简单、安装方便和调频等优点。国内不少减振技术的提出与应用大多有一个共同点，就是多在对某具体企业减振项目的研究过程中取得的。刘录、赵杰等通过对某炼油厂往复压缩机机体引起的管线振动研究，提出通过降低缸头和活塞安装误差、增加缸头配重、均匀拧紧地脚螺栓等措施，可以得到有效控制；田勇等对某轻烃回收装置中气体压缩机管线的激振力、气柱振动系统和机械振动系统进行了分析，提出了在压缩机进出口扩大管道外径及厚度，即相当于增设缓冲段、改变部分管道的高度及走向、卡箍和支撑增加减振垫圈等方法使得原本导致天然气泄漏的管道振动问题得以解决。唐斌等对某型号为DW-247/2，2-14的二级、三列往复压缩机从不平衡力与力矩分析、基础振动分析、轴系振动分析、管道系统振动分析等几个方面进行力研究，发现管系的流固祸合振动是整个系统振动故障的主因，通过管路系统优化、压缩机转速调整等措施使振动幅值降到了API-618标准之下；崔玉清结合大庆石化某大型动力车间的八台往复压缩机的减振改造经验，总结了增设管架、孔板等五种减振方法，并对各种方法的应用场所、减振要领及注意事项等进行了说明。孙静憨对某化肥厂的4M16压缩机系统改双层管道布置为单层，同时增大部分管径，水冷器进出口等振动易损部位增设集管器，并从支架的刚度、位置及安装等方面采取相应措施防止管路机械共振；梁政等对某天然气增压站的往复压缩机管线振动进行了研究与改造，通过对不同转速工况下的现场布点测试、频谱分析、气流脉动分析等，得出压力脉动过大为该套系统振动超标的主因，通过将原有的多条管线共用的单个汇气管重新设计为两个并联汇气管，并增大每个汇气管的直径和容积，使得最大振动位移和最大振动速度都明显降低，不仅减振改造效果明显，增压站的处理能力也得以提升。王蝉月对某柴油加氢精制装置的新氢压缩机管线振动，提出在管道的压力不均匀度较大和支管管段较长的地方设置防振管卡，在压缩机嘴子入口处增设孔板同时增设摩擦减振支架，以降低嘴子受力并对压缩机进行保护;樊长博等对西部某油田承担气举井供气任务的气举压缩机振动进行了分析，通过压缩机空载和负载运转对比实验及频谱分析，找到气柱共振为振动主因，整改措施包括减少管线不必要的拐弯，增大拐弯角度和圆弧半径，避免直角拐弯，同时在压缩机出口处安装带尖锐棱角内边缘的孔板。课题研究目标、研究内容和拟解决的关键问题：研究目标1、构建往复压缩机出口管系振动受力分析模型。2、完成常见的往复压缩机出口管系振动故障改良设计。3、通过压缩机出口管系振动分析项目经验，提高对课题的研究深度。研究内容第一部分：对课题的相关背景、研究现状以及自己的研究工作进行总结概述。第二部分：对压缩机管系振动的基本理论进行分析研究。第三部分：构建压缩机出口管系振动模型，对其进行静力、动力分析。第四部分：针对压缩机出口管系常见振动故障问题，提出改良优化。第五部分：通过自己的实际项目经验，完成压缩机出口管系振动分析研究。第六部分：总结展望解决的关键问题1、完成往复压缩机出口管系振动受力分析过程。2、对于常见的往复压缩机出口管系振动故障问题，做出改良优化设计。3、实例项目经验，完成往复压缩机出口管系振动分析研究。课题的研究方法、设计及试验方案，可行性分析（含经费预算及落实情况）：研究方法文献研究法通过搜索与课题相关的文献资料，对课题理论知识进行熟悉，对前人的研究进行分析，并合理的借用到自己的研究设计中。案例研究法通过自己实际的案例项目经验，来完成往复压缩机出口管系振动分析问题，加深自己对于课题的理解和深度。可行性分析首先本人的工作内容与压缩机相关，对压缩机的工作原理、结构组成，常见故障与问题处理都有比较深的了解，其次，本人也参与了对外压缩机管线振动实际项目研究，在和工程师傅们的交流合作中，能够学到非常多的知识，这些保证了本人能够对本课题进行开展研究，最后在学校指导老师的帮助下，对于本文的理论知识和实际分析问题能力有了很大的提升改进，因此，这些都构成了本文完成本次研究的基础，最后本人还可以借助网络图书馆，学习当前最为前言的压缩机管系振动分析研究，然后基于前人研究结果上，进行本次研究。课题计划进度和预期成果：计划进度1、2019年12月1日-12月31日：确定好题目后，通过查找相关的文献资料，对往复压缩机管系振动的基本理论做深入的分析研究。2、2020年1月01日--1月31日：完成往复压缩机管系振动分析方法的设计，构建分析模型，对压缩机出口管系进行静力、动力分析。3、2020年2月01日--2月28日：对往复压缩机出口管系振动常见的问题进行分析，并找到减振预防