Vibration, dynamics and noise

formerly BETA Machinery Analysis and SVT Engineering Consultants

Menu

离心式压缩机系统的喘振控制动态分析

Compressor surge analysis on two different centrifugal compressors

压缩机可靠性直接受喘振控制器、管道系统、阀门、循环管线和冷却器之间相互作用的影响。设计不合理的喘振控制系统,会导致多重喘振事件,增加人员安全和压缩机重大损坏的风险。

该研究的目的是评估正常运行和瞬态条件,建议优化的控制策略,包括循环运行和部件。

应在进行新压缩机项目、现有系统改造项目、以及需要判断现有系统的喘振风险时,进行该项目。 

Speak to an expert

1 背景
离心式压缩机在喘振事件中损坏
 
ESD喘振事件(压缩机在喘振时的不稳定性)

离心式压缩机系统可以发生几种瞬态事件;在启动、正常运行、紧急停机(ESD),或快速停止时。若系统设计不合理,这些瞬态事件会引起压缩机喘振。喘振控制设计研究评价系统动态行为,并给出建议,避免运行或可靠性问题。 

在喘振发生时,离心式压缩机和附近的系统组件(比如管道、配件、阀门以及旋转设备等)产生相互作用。

流体惯性和压缩机/驱动转子惯性可能稳定或干扰系统动态响应。压缩机工况特点也会对系统动态行为起重要作用。

并且,离心式压缩机设备周围的循环系统,是设备运行的关键组件。其对启动、停止、喘振保护以及流量控制(放空能力)也起作用。这些操作是瞬态的,所有相关的气体流、设备、以及控制的动态参数,都对系统稳定性、性能和安全性有重要影响。

该研究,包含了瞬态建模,是设计一个新的(或改造已有)压缩机系统应该考虑的分析。

2 影响喘振控制设计因素

在ESD时,压缩机是否会有潜在喘振取决于循环阀门的特性,比如最大容量,流量和开启延迟(例如,阀门开始间隔时间,电磁偶出、以及阀杆运动的启动——通常被称作“前冲程”延迟),阀门的运动时间(比如阀门从开启状态运动至关闭状态的时间——通常被称为“冲程”时间)。

除此之外,压缩机ESD信号时机、燃料气体切断信号时机、燃料气体多支管尺寸(针对燃气涡轮驱动)、传动系统惯性以及压缩机在接近喘振点时的空气动态特性,都会给结果带来影响。

最后,在压缩系统中的其他元素,其燃气和设备动力之间的相互作用,比如检查阀、释放阀、放空系统,也十分重要,需要调查。这就需要机械应力分析、热力学分析以及吸入阀和旁路阀设计。

3 需要动力研究的应用

动态分析适用于低惯性系统(包括压缩机/驱动综合转子系统)。这些压缩机通常被电动马达或气体涡轮机驱动,用于传输、收集和注入管道。离心式压缩机应用于工业中,包括蒸汽涡轮机设备,通常具有高惯性,更不易于出现喘振问题。 

4 动态模拟分析的范围

该动态研究范围包含以下几个步骤:

  1. ​​循环系统。评估压缩机轮路径与循环系统流量的关系。确认系统稳定运行时的机型尺寸/容量(充足性)。建模包含压缩机、管道系统以及阀门特性。
  2. 启动过程。评估系统启动序列,评价排气温度与时间。
  3. 正常关闭过程。评估正常关闭过程,评价阀门关闭序列、时间,速率,以及驱动缓降(涡轮机、电动机、发动机,等等)。
  4. 缓时瞬态分析。为缓时瞬态事件中的压缩机喘振控制提供独立检查,比如吸入阀或排除阀的偶然关闭(比如意外停机)。
  5. 瞬间瞬态分析。由于ESD快速停止或停电,需要在剧烈动态环境下,评估整个系统和循环系统的有效性。
  6. 评估设备间的相互作用(若多台压缩机以串联或并联方式共用燃气或站点管道)。
  7. 根据业主或工程顾问的要求,评估其他“异常”情况。

分析结果包括控制逻辑的更改建议、循环策略以及其他参数,并报告在异常条件以及整个运行范围下的喘振控制特性。

该研究可以在FEED阶段执行,或在细节化设计的初级阶段。这样可以提供充足时间来评审设计,提供改造建议。 

5 北塔经验和代表性案例

该服务由Kamal Botros博士领导,他是北塔的资深顾问。Botros博士是全球著名的喘振控制设计和分析权威,并专攻复杂系统的瞬态流问题,包括离心式压缩机的喘振现象、压力释放系统动态特性、两相分层流体的瞬态流、管线中不同内容物的接触面混合问题、流体结构相互作用以及在热交换器中流体引发的振动问题。Botros博士在各大刊物上发表了超过170篇学术论文,并参与重要会议。代表性案例包括:

  • 主管线系统中,有17个压缩机的机站的动态分析。
  • TransCanada管道系统中,有5个压缩机机站的循环系统的动态分析。
  • 燃气处理机器的动态分析,包括LP、IP、Hp以及一系列的注气压缩系统。
  • 在某分流器中,对焦化装置的湿天然气、硫化氢(H2S)富气的六级离心式压缩机进行动态分析。
  • 高水头离心式压缩机和冷却循环系统的动态不平衡,导致压缩机和检查阀颈的损坏。
  • 对太阳能C-306,6叶轮3.5压力比压缩机喘振保护系统进行了动态分析。
  • 结合太阳能泰坦T130S气体发生器和太阳能C652压缩机,对三个站点进行了动态分析
  • 对电厂凝汽器系统的泵系统进行了动态分析。
  • 为某热交换器管道破裂,将高压闪蒸流排入低压冲液管壁的过程进行动态分析。
  • 为两条并联的蒸发天然气凝析液的过热器向烯烃裂化炉进料的过程,进行动态非稳定性分析。
  • 为集气电池的释放系统进行动态分析,包括两台压缩机,两个脱水设备和一个入口分离器。
6 CENTRAN,动态解决方案专业软件

北塔所使用的动态模拟工具叫做CENTRAN。该动态模型工具由Kamal Botros博士在亲历二十载的实践和理论调查基础上发展而来。CENTRAN已经过现场数据和理论实验的证实。

该算法基于气体流量(包括能量方程)的全控制一维运动方程的特征解法。CENTRAN是分析大量的瞬态和不稳定状态问题的有效工具。

CENTRAN与其他商用模拟软件有显著不同。其他商用软件的限制之处,在于只考虑时间梯度的动态模拟(比如暂时),使用常微分方程描述的动态系统(ODE)。严谨性逊于偏微分方程(PDE)。其被称为“集总参数”的方法,即提供一个分布模型的合理近似解。这种方法,不适合处理涉及循环系统的压缩动态分析,以及压缩机出现的喘振现象分析。

在压缩机组管道段周围的空间梯度是及其重要的,因为它们决定了压力、流量以及热扰动从一个点到另一个点的时间。

从该现象发展而来的模型(CENTRAN),是基于整个PDE的解决方案,并且它是基于分布参数的模型,没有忽略空间梯度的模型。 

7 相关信息
8 相关服务
9 关键词
  • 离心式压缩机振动
  • 燃气系统的瞬态建模
  • 离心式压缩机的喘振控制 

返回页首


更多信息