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    壓縮機氣動類案例:某廠冷劑壓縮機氣體激振故障分析

    1、設備概述

    混合冷劑壓縮機,由變頻電機驅動,工作機為3BCL706離心式壓縮機,三段壓縮,電機和壓縮機中間有增速箱。機組運行時轉速為8599r/min,設計一階臨界轉速為3345r/min,二階臨界轉速為13407 r/min。壓縮氣體介質為混合冷劑,平均分子量在35左右,入口壓力為0.3582MPa(A),出口壓力為4.287 MPa(A),振動的報警門限為63.5μm,聯鎖門限為88.9μm。機組正常運行時,防喘振閥門均處于關閉狀態。

    圖1  冷劑壓縮機組軸系圖

    圖2 冷劑壓縮機組氣路圖

    2、故障現象

    機組正常運行過程中,壓縮機四個通道振動幅值存在頻繁波動的現象,其中非驅動端VIA_22421BX通道幅值從28μm-51μm左右頻繁波動,振動幅值偏高且波動范圍較大,其它3個通道也存在波動現象。查看以往趨勢,當機組轉速提升(負荷增加)過程中,壓縮機振動幅值有明顯上漲且波動幅度更高的現象,最高時曾接近75μm,遠超振動報警門限,接近聯鎖跳車門限。據現場反饋,此現象在以往運行時已多次重復出現。

    圖3 機組正常運行時振動趨勢圖

    圖4以往轉速調整時(22421BX通道)振動趨勢圖

     

    3、故障分析及結論

    2020年9月23日,利用離線分析儀在現場測取振動信號。從頻譜圖中可以看出,機組的工頻成分為143.203Hz,并伴隨2X、3X等倍頻成份,幅值均不高;但在低頻(小于1X)區,51.7188Hz頻率成分幅值較高,且在實時測量過程中觀察到,1X成分幅值始終比較穩定,而51 Hz左右這個頻率成分幅值始終存在上下波動現象,甚至偶爾會出現其幅值超過1X幅值的現象。

    利用離線儀在現場檢測期間雖未采集到振動上漲的過程,但根據振動特征推測,該機組以往出現的振動上漲及大幅波動現象,其異常變化的頻率成分主要為51Hz左右這個頻率。

    圖5 機組正常運行時頻譜圖

    圖6 機組正常運行時頻譜圖

    查看該壓縮機以往在啟機和停機時振動隨轉速變化的趨勢,當振動出現峰值時其對應的轉速分別為3177r/min和3165r/min,由此判斷該壓縮機的實際臨界轉速區間在3100r/min(51.66Hz)左右,與初始設計給出的3345r/min稍有偏離。

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    圖7 機組啟機時壓縮機振動趨勢圖

    圖8 機組停機時壓縮機振動趨勢圖

    壓縮機兩端軸心軌跡圖中,軸心軌跡未呈規則形態,重復性一般,表征轉子在軸承內渦動穩定性較差。

     

    圖9 壓縮機兩端軸心軌跡圖

    診斷結論:

    通過比較,壓縮機的振動異常頻率與轉子的一階臨界固有頻率非常接近,以往運行時,曾多次出現在轉速/負荷提升時振動出現不穩定的現象;另外,該機組介質為冷劑,其組分比較大、機組壓比比較高,綜合上述振動特征,分析該冷劑壓縮機出現振動異常的原因為機組存在氣體激振類故障。

    氣體激振又稱密封流體激振,其發生的原因大多是由于壓縮機內部密封腔內的周向間隙不均勻,使轉子在運轉過程中受到密封氣流激振力的作用,導致轉子失穩。

    此故障在振動上的表現為:

    1. 振動趨勢不穩定,振動可能會在幾秒內被激發出來,而且激發后振幅值較大;
    2. 異常振動的主要特征頻率與轉子一階固有頻率吻合或接近;
    3. 振值對負荷變化敏感,當壓力或負荷達到某一閾值時突然失穩;
    4. 振動和負荷之間具有一定的重復性,再現性強;

    4、運行及檢修建議

    根據現場反饋,該機組以往運行時曾出現過喘振現象,且轉子在軸向出現了較大的竄動量,由此推測壓縮機內部密封可能出現了較為嚴重的磨損,導致其周向間隙不均勻。而氣體激振這類問題,氣流的失穩力主要就來自于葉輪口圈密封和平衡盤密封處。當前機組運行時,需密切注意機組的轉速和負荷,盡量避免在振動出現不穩定的轉速及負荷下運行。待有機會檢修時,需對壓縮機進行拆解,檢查各部密封磨損情況,并對磨損的密封進行更換。

    針對壓縮機出現的氣體激振類問題,若想徹底消除該問題,可通過以下的改造方案徹底解決:

    (1)采用反旋流裝置,減小平衡盤、口圈密封內氣體的切向速度(預旋比),典型的有在平衡盤密封處增加反吹孔,如圖10、圖11所示;在口圈密封處增加阻旋柵,如圖12所示。

    圖10  典型的反吹孔示意圖

    圖11  典型的反吹孔實物圖

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    圖12 典型的阻旋柵

    (2)采用阻尼密封結構,如蜂窩密封(圖13)及袋型密封(圖14),以增加密封的有效阻尼,提高轉子穩定性。

    圖13 蜂窩密封

    圖14 袋型阻尼密封

    在以往遇到的壓縮機存在氣體激振類問題的機組中,通過將平衡盤密封更換為蜂窩密封,并增加反吹氣裝置,氣體激振故障均得到了有效的解決。

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