离心压缩机轴位移故障自愈调控及密封改进增效技术研究
本论文基于机械装备复杂系统故障自愈原理，针对石油化工等过程工业的心脏设备高压离心压缩机运转过程中存在由于转子轴向位移过大而引起的联锁停车问题和压缩机内泄漏大等重大问题，提出了轴位移故障自愈调控系统以及平衡盘密封改进方案，并对此进行了系统的理论与技术可行性论证，为解决石化以及其它过程设备的长周期与高效率运转提供了具有创新性的理论和技术基础。
高压离心压缩机是很多大型过程工业的心脏设备，其安全可靠性是整个过程装置安全可靠性中最关键的一个环节；压缩机又是高耗能装置，其运行效率往往是决定产品能耗的主要因素。从上世纪60年代开始，国际工程科技界开发了设备故障监测诊断技术，在工业企业逐步推行预知维修和智能维修，并推广采用紧急停车联锁系统。大型过程装置由个别设备发生故障而引起的非计划停车，不但会给企业带来巨大的经济损失以及对环境的污染，而且由于停车后装备的动态信息立即消失，很不利于对装备故障的判断及消除，往往导致在停车检修后重新启动时又有可能带来新的故障。
但是，根据系统故障自愈原理，某些过程设备的故障是不必停车就可以“治愈”的。具体到离心压缩机轴位移故障发生的原因和条件，本文指出主要是：离心压缩机转子的残余轴向力的影响因素众多，一方面在设计阶段的计算不易准确，导致压缩机固有的可靠性低；另一方面在压缩机运行过程中，由于工况的波动以及自身结构参数的变化往往会使残余轴向力增大，从而导致轴位移故障。在故障自愈理论的指导下，本文提出了轴位移故障自愈调控系统；基于计算流体力学理论和计算机数值分析技术，在本文中开发的转子轴向推力精确分析技术可以精确计算多种因素对转子轴向推力的影响，并且可以证明通过动态调整转子的残余轴向力使得转子保持轴向稳定是可行的；在本文中提出了将平衡盘的迷宫密封结构改变为迷宫-干气组合密封结构，不但有利于动态调整转子的残余轴向力，还可使压缩机的效率提高4％；论文还进行了基于流-热-固耦合的干气密封可靠性分析。论文的主要研究内容和具有技术创新性的研究成果如下：
(1)阐述了故障自愈理论并提出轴位移故障自愈调控系统。基于故障自愈工程一般理论，提出了转子轴向力调控策略；总结出了轴位移故障的特征和导致故障的直接原因；在此基础上通过在线实时检测机器的轴位移、轴向力以及轴承温度，由专家系统决定是否需要故障自愈调控系统；结合工程实际，给出不同故障模式下的调控方案；并且研制了自愈调控试验台来研究自愈调控系统的有效性。
(2)针对工程上对离心压缩机残余轴向力计算常常不准确的实际问题，提出了对转子轴向推力精确计算的方法，并应用此方法对一台在役离心压缩机组轴向力进行计算，找出其轴向力设计问题，诊断出压缩机轴位移故障的根本原因。运用计算流体力学的方法建立叶轮两侧间隙及迷宫密封内气体的三维整体模型，避免了解析法中对间隙形状的简化；选择雷诺应力模型作为湍流模型以适应叶轮两侧间隙内流体的强漩流流动，并考虑了气体的可压缩性，从而提高轴向推力计算的精度。通过对一台现场运行的轴位移故障频发的压缩机组的轴向推力分析，发现其设计上的不足。
(3)设计出迷宫-干气组合式平衡盘密封结构。运用三维计算流体力学的方法研究了通过压缩机平衡盘密封的泄漏，发现在压缩进正常运行过程中，压缩机内气体通过平衡盘的泄漏量为入口流量的5-10％，结合迷宫密封的高可靠性以及干气密封低泄漏量的特点，首次提出迷宫-干气组合式平衡盘密封系统；通过对干气密封气膜的流场进行数值模拟，计算密封面宽度以及槽坝比对干气密封性能的影响，设计出适合平衡盘处使用的干气密封端面结构。对一压缩机的分析结果表明，在平衡盘采用组合式密封后，通过平衡盘的泄漏量由原来排气量的5％降到0.07％，可使压缩机效率提高4％。通过实验研究，对数值计算的结果进行标定，并验证了小平衡系数下，干气密封可以稳定运行，具有良好的密封性能。
(4)开发了对干气密封系统进行流-热-固耦合分析的参数化专用程序。针对在平衡盘处应用干气密封所遇到的高线速度、高压差、高介质温度等问题，运用流-固耦合的方法，计算出密封运行过程中非等温流场，密封环的力变形和热变形，为干气密封向高参数化方向发展提供了技术基础。并对商业固体力学软件(ANSYS)和流体力学软件(CFX)进行二次开发，研制出参数化干气密封流固耦合计算程序。
离心压缩机;故障自愈;轴位移故障;转子轴向推力;干气密封;流热固耦合
北京化工大学
博士
化工过程机械
高金吉
2006
中文
TH133;TH452;TH171
160
2006-11-17（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）