LDPE超高压压缩机管线气流压力脉动抑制研究_耿茂飞.pdf

加工设备与应用CHINASYNTHETICRESINANDPLASTICS合 成 树 脂 及 塑 料，2023，40（1）：61目前，国内有数十套低密度聚乙烯（LDPE）装置，然而每年仍需大量进口LDPE1。LDPE装置的核心部件是排气压力可达300MPa以上的超高压压缩机，其可靠性是LDPE装置长期安全稳定运行的决定性因素。其中，振动过大是该设备停机、泄漏、疲劳失效、高噪声、火灾和爆炸的主要原因2-4。生产中遇到的压缩机振动绝大多数是气流压力脉动引起的5。为了降低气流压力脉动，在LDPE装置的超高压管线中安装了数个缓冲罐，然而缓冲罐对气流压力脉动的抑制作用非常有限。这是因为当乙烯气体在极高压力条件下，其物性发生明显变化，特别是不可压缩性和高声速引起的管系阻抗增加，产生较大的气流压力脉动，加之超高压条DOI：10.19825/j.issn.1002-1396.2023.01.15件下乙烯气体声速高、压缩性小，导致缓冲罐衰减能力有限。本工作通过建立缓冲罐的气流脉动仿真模型，开展声学仿真分析，并采用非侵入式超高压气流压力脉动测试方法6，通过实验测试的气流压力脉动数据验证分析结果，给出了抑制气流压力脉动的建议措施。LDPE超高压压缩机管线气流压力脉动抑制研究耿茂飞1，肖 军1，钱则刚1，李小仨1，余小玲2，刘 帅3，王树丰3（1.合肥通用机械研究院有限公司压缩机技术国家重点实验室，安徽合肥 230031；2.西安交通大学，陕西西安 710049；3.中国石油化工股份有限公司北京燕山分公司，北京 102500）摘 要：低密度聚乙烯生产线中的超高压压缩机管道长期存在振动问题，为此该管线增加了数个缓冲罐以抑制气流压力脉动，现场运行结果表明，缓冲罐对气流压力脉动的抑制效果不佳。通过建立缓冲罐的气流压力脉动仿真模型，开展声学仿真分析，并通过非侵入式气流压力脉动测试方法验证了分析结果。结果表明：在超高压条件下缓冲罐无法抑制管路中的气流压力脉动，在合适的位置增加孔板可有效改善管路的整体气流压力脉动水平。关键词：低密度聚乙烯 缓冲罐 气流脉动 超高压压缩机中图分类号：TQ320.5 文献标志码：B 文章编号：1002-1396（2023）01-0061-05Study on control method of flow pulsation in LDPE hyper compressor pipelineGeng Maofei1，Xiao Jun1，Qian Zegang1，Li Xiaosa1，Yu Xiaoling2，Liu Shuai3，Wang Shufeng3（1.State Key Laboratory of Compressor Technology，Hefei General Machinery Research Institute Co.，Ltd.，Hefei 230031，China；2.Xi an Jiaotong University，Xi an 710049，China；3.Sinopec Beijing Yanshan Company，Beijing 102500，China）Abstract：Vibrationoccursforlongtimeinhypercompressorpipelineinalowdensitypolyethyleneproductionline.Severalbuffertankswereaddedtothepipelinetosuppressgaspulsation.However，accordingtothefeedbackoffieldoperation，thecontroleffectofbuffertanksonflowpulsationwasnotgood.Acousticsimulationanalysiswascarriedoutbyestablishingasimulationmodelofflowpulsationofbuffertankandverifiestheanalysisresultsbynon-invasiveflowpulsationtestmethod.Theresultsshowthatbuffertankcannotcontrolthegasflowpulsationinthepipelineunderultrahighpressure，orificeplatescanbeaddedtocertainplacetoimprovetheoverallflowpulsationinthepipeline.Keywords：lowdensitypolyethylene；buffertank；flowpulsation；hypercompressor收稿日期：2022-07-27；修回日期：2022-10-26。作者简介：耿茂飞，男，1988年生，博士，高级工程师，2018年毕业于中国科学技术大学核能科学与工程专业，现主要从事压缩机基础理论研究工作。E-mail：。基金项目：中石化重大装备国产化项目（420056-3）；安徽省自然科学基金项目（2208085ME141）；安徽省重点研究与开发计划（202104h04020009）。合 成 树 脂 及 塑 料2023年第40卷.62.1 实验部分1.1 主要原料乙烯，纯度大于等于99.95%，中国石油化工股份有限公司北京燕山分公司。1.2 主要设备CDAQ-9178型采集机箱，NI9237型应变采集模块，Labview采集软件：美国NI公司；KFGS-2-120型应变片，日本共和电业公司；AS300型移动电源，中国贝视特科技有限公司。1.3 测试原理管道在承受内压时，会引起管道外壁面的应变，在弹性变形下，应变量与压力呈线性关系。通过对应变量的处理，即可得到管道内动态压力参数。选择LDPE装置超高压压缩机管线中缓冲罐V7-D，测试进出口管道气流压力脉动参数，分析缓冲罐对LDPE装置超高压压缩机管线气流压力脉动的抑制作用。在管道外壁面黏贴应变片，通过桥接电路放大信号，测量管道周向和轴向的微小应变参数7。相对于管道内部的超高压力，管道外部载荷可以忽略，则应变和应力的关系见式（1）和式（2）。（1）通过承压容器的基本理论推导，得到式（3）。式中：Ri为内半径，mm；Re为外半径，mm；p为管道承受内压，MPa。由式（1）式（3）可得到管道承受内压与管道周向及轴向应变的关系，见式（4）。（4）1.4 实验结果缓冲罐V7-D进出口管道示意见图1，实验结果中时域图选取了1.5s内管线内压力随时间变化参数，通过时域图的傅里叶频谱变换，得到前60Hz的气流压力脉动频谱图。从图2可以看出：缓冲罐进出口气流压力脉动的主要频率分布在6.70Hz左右，该频率下缓冲罐进口和出口气流压力脉动幅值基本相同，因此，对于LDPE超高压压缩机管线，缓冲罐对于气流压力脉动并没有抑制作用。图1 缓冲罐V7-D进出口管道示意Fig.1 InletandoutletpipelinesofbuffertankV7-D注：缓冲罐出口1为去往二次机二级压缩机2-2A；缓冲罐出口2为去往二次机二级压缩机2-2B。下同。图2 缓冲罐V7-D入口、出口1、出口2的气流压力脉动时域与频谱图Fig.2 Timedomainandfrequencyspectrumdiagramofflowpulsationatinlet，outlet1andoutlet2ofV7-Dbuffertank-8-6-4-2024600.51.01.5压力/MPa时间/s时间/s00.51.01.5时间/s01020304050602.51.51.00.52.0频率/Hz压力/MPa01020304050602.51.51.00.52.0频率/Hz102030405060频率/Hz压力/MPa压力/MPa压力/MPa压力/MPa-8-6-4-20246-8-6-4-2024600.51.01.53.02.52.01.51.00.50a 入口时域图b 入口频谱图c 出口1时域图 d 出口1频谱图e 出口2时域图f 出口2频谱图（2）式中：a为轴向应力，MPa；c为周向应力，MPa；为泊松比；a为轴向应变；c为周向应变；E为杨氏模量，MPa。（3）c=2a=2Ri2Re2-Ri2pa=E1-2(a+c)c=E1-2(c+a)E1-2(c+a)p=2Ri2Re2-Ri2缓冲罐V7-D缓冲罐入口缓冲罐出口1缓冲罐出口2第 1 期.63.耿茂飞等.LDPE超高压压缩机管线气流压力脉动抑制研究2 声学分析基于平面波动理论，开展了一维声学仿真分析。独立的气流压力脉动管路系统通过压缩机气缸来辨识，即压缩机气缸将相连接的管路系统划分成不同的管路系统。如压缩机的吸气管道与压缩机的排气管道在气流压力脉动分析中作为不同的管路系统分别建模。对于任意独立的管路系统，需对管路系统进行结构离散，即将一个复杂的管路系统划分为若干个简单的管道元件（单元）。二次机一级压缩机气缸1-1A，1-1B，二次机二级压缩机气缸2-1A，2-1B的压缩机边界相位分别设置为0，180，270和90。二次机一级压缩机气缸1-2A，1-2B，二次机二级压缩机气缸2-2A，2-2B的压缩机边界相应设置与一级压缩机相同。二次机一级气缸出口至二级气缸进口管路模型见图3。图3 二次机一级压缩机气缸出口至二次机二级压缩机气缸进口管路模型Fig.3 Pipelinemodelfromoutletofstage1cylindertoinletofstage2cylindera 缓冲罐入口 b 缓冲罐出口1 c 缓冲罐出口2图4 缓冲罐V7-D进出口气流压力脉动声学仿真分析结果Fig.4 AcousticsimulationanalysisresultsofinletandoutletofbuffertankV7-D2.42.01.61.20.80.40102030405060频率/Hz气流压力脉动/MPa102030405060频率/Hz02.42.01.61.20.80.4气流压力脉动/MPa102030405060频率/Hz2.42.01.61.20.80.40气流压力脉动/MPa从图4可以看出：缓冲罐V7-D进出口气流压力脉动幅值最大处频率均为6.67Hz，为脉动主频（即驱动电机轴旋转频率）的2倍。缓冲罐进出口气流压力脉动基本相同，对气流压力脉动没有抑制效果，与现场反馈的情况一致。声学仿真分析和测试结果都显示，气流压力脉动主要发生在2倍频处（6.67Hz），因此，将声学仿真分析和测试结果在2倍频处的气流压力脉动幅值进行对比，从图5可以看出：声学分析结果与测试结果基本一致，验证了声学分析结果的准确性。3 气流压力脉动抑制措施在API618石油、化工和气体工业设施用往复压缩机和GB/T203222006中明确要求，对于超高压管道的气流压力脉动抑制，必须要通过声学分析来确定整改方案。管道气流压力脉动的抑制措施通常有调整管道走向、改变管道直径、增加孔板、扩大缓冲罐容积等。对于已经建成正在使用的管线，采用扩大缓冲罐容积和增加孔板的措施相对代价较小，比较容易实现。由于压缩机管线是一个整体，因此，在气流压力脉动抑制措施中，将不会局限于缓冲罐自身，也会不局限于某一个特定的缓冲罐，气流压力脉动抑制措施的目的在于降低整个压缩机管线的脉动水平。3.1 扩大缓冲罐容积二次机一级至二级管路间的缓冲罐V-7A，V-7B，V-7C和V-7D，设计内径为200mm，现场实测表明，缓冲罐进口前后气流压力脉动变化很图5 声学分析与测试结果对比Fig.5 Comparisonofacousticanalysisandtestresults 声学分析结果；测试结果00.51.01.52.02.5缓冲罐入口处 缓冲罐出口1缓冲罐出口22倍频气流压力脉动分量/MPa压缩机1-2A压缩机2-2A压缩机2-2B压缩机1-2B缓冲罐V7-B缓冲罐V7-D中冷器E11-C中冷器E11-D合 成