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多级离心式压缩机故障停机反转特性研究

作　者: 苏鹏
导　师: 王彤
学　校: 上海交通大学
专　业: 动力机械及工程
关键词: 反转故障停机转动力学模型多级离心式压缩机 CFD
分类号: TH452
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

离心式压缩机在国民经济各部门中有着重要的地位,相对于容积式压缩机而言,其具有流量大、工艺性能好、结构简单等特点,因此在化工、能源以及冶金等领域有着广泛的应用。近年来,随着设计、制造与控制技术的进步,石化企业大型乙烯装置陆续建成,被称为乙烯装置“心脏设备”的裂解气离心式压缩机也在市场的主导下向大型化趋势发展。在实际生产运行中,压缩机系统中储存的高压工艺气体量显著增加,发生故障停机跳车时,高压气体不能及时排出,导致压缩机各段进出口压力不能迅速达到平衡,工艺气体将从离心式压缩机出口通过压缩机内部流到入口,气体膨胀产生动力,反向推动力可能使压缩机在停机过程中出现反转。压缩机反转将对干气密封及其他零部件造成破坏,严重影响了乙烯装置的平稳、高效运行。本文首先以国内多家石化企业的大型乙烯装置裂解气离心式压缩机为例,对乙烯装置的工艺流程及裂解气压缩机的作用进行了简要介绍。与此同时,分析了正常停机过程与故障停机反转过程中离心式压缩机的运动规律与动力学特性,并对反转过程中压缩机各段的压力平衡过程进行了较为深入的探讨,最终获得故障停机反转过程中系统压力平衡与运动的共性规律。针对离心式压缩机反转造成的破坏,分析了干气密封与可倾瓦轴承的结构及工作原理,给出了产生破坏的原因及部分改造措施。基于对离心式压缩机故障停机过程的分析与共性规律的总结,本文建立了针对简化系统的离心式压缩机正常停机过程与故障停机反转过程动力学模型。与此同时,建立了故障停机反转过程中压缩机各段压力平衡模型。而后,以实际乙烯装置裂解气压缩机故障停机反转过程数据为参考,利用编制的程序对正常停机与故障停机反转过程进行仿真计算,从而对所建立的模型进行了验证。结果表明,离心式压缩机故障停机过程中出现反转,是由于在惰走过程结束后,压缩机各段进出口压力仍没有达到平衡,高压工艺气体从出口通过压缩机内部流到入口,产生了反向推力矩,利用本文中所建立的系统模型得到的计算结果与实际停机过程记录数据较为吻合。针对离心式压缩机故障停机过程中内部流动复杂等特点,本文还对压缩机停机及反转过程进行了数值模拟,计算了不同转速下的流动情况,获得了上述过程中压缩机内部的流动规律及压力分布,分析了轴向推力、转矩等参数随转速的变化趋势并且再次验证了前述动力学模型的可靠性。现场数据验证及CFD计算均表明：理论模型能够较好的模拟结构相近的离心式压缩机故障停机反转过程,进而为压缩机系统改造与控制策略调整提供依据,消除实际生产运行中压缩机反转隐患。因此,本文进行的分析及所建立的理论模型具有一定的现实意义与工程应用价值。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-9
第一章绪论  9-21
  1.1 离心式压缩机及其在石油化工行业中的应用  9-15
    1.1.1 离心式压缩机基本原理及发展概述  9-12
    1.1.2 离心式压缩机在石油化工行业中的应用  12-15
  1.2 大型乙烯装置裂解气离心式压缩机故障停机反转概述  15-16
  1.3 国内外对于多级离心式压缩机故障停机反转的研究现状  16-17
  1.4 CFD在多级离心式压缩机设计与分析中的应用  17-19
  1.5 本文的主要工作内容  19-21
第二章多级离心式压缩机系统故障停机反转过程分析  21-46
  2.1 大型乙烯装置生产工艺流程  21-23
  2.2 乙烯装置裂解气多级离心式压缩机系统  23-24
  2.3 裂解气多级离心式压缩机故障停机反转分析  24-41
    2.3.1 裂解气压缩机故障停机反转分析——机组#1  24-34
    2.3.2 裂解气压缩机正常停机过程分析  34-35
    2.3.3 裂解气压缩机故障停机反转分析——机组#2  35-41
  2.4 裂解气压缩机的干气密封与可倾瓦轴承  41-44
    2.4.1 干气密封  41-43
    2.4.2 可倾瓦轴承  43-44
  2.5 裂解气压缩机故障停机反转产生的破坏  44
  2.6 本章小结  44-46
第三章多级离心式压缩机故障停机反转过程模型  46-76
  3.1 裂解气多级离心式压缩机工艺气体物性计算  46-49
  3.2 多级离心式压缩机参数计算  49-57
    3.2.1 多级离心式压缩机系统性能计算  49-53
    3.2.2 向心透平性能参数计算  53-54
    3.2.3 多级离心式压缩机系统转动惯量计算  54-56
    3.2.4 多级离心式压缩机系统轴向推力计算  56-57
  3.3 多级离心式压缩机系统正常停机过程模型与计算  57-60
    3.3.1 正常停机过程模型  57-59
    3.3.2 正常停机过程模拟计算  59-60
  3.4 多级离心式压缩机系统故障停机压力平衡过程模型与计算  60-69
    3.4.1 故障停机压力平衡过程模型  60-67
    3.4.2 故障停机压力平衡过程模拟计算  67-69
  3.5 多级离心式压缩机系统故障停机反转过程模型与计算  69-75
    3.5.1 故障停机反转过程模型  69-71
    3.5.2 故障停机反转过程计算方法与软件  71-73
      3.5.2.1 经典四阶显式Runge-Kutta法  71-72
      3.5.2.2 多级离心式压缩机故障停机仿真软件  72-73
    3.5.3 故障停机反转过程模拟计算  73-74
    3.5.4 防止故障停机反转的改进措施  74-75
  3.6 本章小结  75-76
第四章离心式压缩机故障停机反转过程CFD计算  76-85
  4.1 离心式压缩机计算模型与边界条件  76-79
    4.1.1 CFD计算模型及计算软件  76-77
    4.1.2 计算网格  77-78
    4.1.3 边界条件与初值设定  78-79
      4.1.3.1 进口边界  78
      4.1.3.2 出口边界  78
      4.1.3.3 固体壁面  78
      4.1.3.4 湍流模型  78-79
  4.2 离心式压缩机故障停机正向旋转过程计算  79-82
  4.3 离心式压缩机故障停机反转过程计算  82-84
  4.4 本章小结  84-85
第五章结论与展望  85-88
  5.1 结论  85-86
  5.2 创新之处  86-87
  5.3 课题展望  87-88
参考文献  88-91
致谢  91-93
攻读硕士学位期间已发表或录用论文  93-96
附件  96

多级离心式压缩机故障停机反转特性研究

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