海洋平台往复式压缩机的振动分析及减振措施.pdf
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1、 50 天 津 科 技第 50 卷 第 9 期第 50 卷 第 9 期2023 年 9 月Vol.50 No.9Sept.2023天 津 科 技 TIANJIN SCIENCE&TECHNOLOGY收稿日期:2023-09-010 引 言往复式压缩机是海洋平台不可缺少的生产设备,从天然气的处理、采集外输到为发动机提供高压燃料气,应用十分广泛。往复式压缩机在运行过程中会产生动态激振载荷,如果平台刚度和强度不满足要求,则会造成平台振动响应过大,严重影响压缩机的安全运行,并随之带来一系列问题,主要表现在压缩机设备零部件加速磨损、频繁更换增加维修和保养费用,缩短设备使用寿命,由此引起局部共振,进而导致
2、振源附近的仪器、设备无法正常使用,还会造成平台结构的疲劳损伤、主轴承破坏、螺栓松动和焊缝开裂等1。此外,振动产生的高强噪声会对工作人员身体造成一定伤害,威胁健康安全。因此,对往复式压缩机引起的振动进行评估,并针对性地采取控制和减振措施,将压缩机组的振动控制在允许范围内,对保证机组安全运行具有重要意义。本文以某平台改造新增往复压缩机为例,通过模态分析、谐响应分析和瞬态响应分析解析平台结构的动力特性和动力响应水平,根据分析结果优化压 应用技术海洋平台往复式压缩机的振动分析及减振措施史晓庆1,穆 顷1,安振武1,张晓频1,朱本瑞2(1.中海油能源发展装备技术有限公司设计研发中心 天津 300452;
3、2.天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室 天津 300350)摘 要:往复式压缩机是海洋平台实施采集、增压和运输的关键设备,其运行过程所产生的振动会给平台安全生产带来隐患,针对压缩机进行动力响应评估是非常必要的。以某平台改造新增往复压缩机为例,采用ANASYS软件建立平台上部组块有限元模型对平台进行模态分析、谐响应分析和瞬态响应分析,其结果均满足规范要求,针对性地提出压缩机控制和减振措施,以确保往复压缩机在海上平台的安全运行。压缩机的动力分析方法也可以应用到海洋平台其他设备的振动分析,为类似项目提供参考和借鉴。关键词:海洋平台 往复式压缩机 动力响应分析 减振措施中图分类号:U674.38
4、 文献标志码:A 文章编号:1006-8945(2023)09-0050-06Vibration Analysis and Vibration Reduction Measures of Reciprocating Compressor on Offshore Platform SHI Xiaoqing1,MU Qing1,AN Zhenwu1,ZHANG Xiaopin1,ZHU Benrui2(1.Design&Research Center,CNOOC EnerTech Equipment Technology Co.,Ltd.,Tianjin 300452,China;2.State
5、Key Lab of Hydraulic Engineering Simulation and Safety,Tianjin University,Tianjin 300350,China)Abstract:The reciprocating compressor is the key equipment for collection,pressurization and transportation of the offshore platform,and its operation will generate vibration,which will bring hidden danger
6、s to the safety production of theplatform.Therefore,it is necessary to evaluate the dynamic response of the compressor.Taking the reciprocating compressor newly added in the renovation of a platform as an example,the finite element model of the deck was established by ANASYS software,and the modal a
7、nalysis,harmonic response analysis and transient response analysis of the platform were carried out.The results all meet the specification requirements.Machine control and vibration reduction measures are adopted to ensure the safe operation of reciprocating compressors on offshore platforms.The dyn
8、amic analysis method of the compressor can also be applied to the vibration analysis of other equipment on the offshore platform,providing reference and reference for similar projects.Key words:offshore platform;reciprocating compressor;dynamic response analysis;vibration reduction measures 51 2023
9、年 9 月模时单元类型选取如下:对于上部组块中圆管结构,采用PIPE16 单元模拟;对于支撑甲的梁结构,采用BEAM188 中梁截面单元模拟;对于上部组块锥形结构,采用BEAM188 中Cone截面单元模拟;对于甲板结构,采用SHELL63 单元模拟;对于上部组块相关设备,采用MASS21 单元模拟。上部组块结构模型如图 2 所示,压缩机位置的局部结构模型如图 3 所示。图 2 上部组块有限元模型Fig.2 Finite element model of upper block图 3 新增压缩机位置局部改造模型Fig.3 Local modification model for locatio
10、n of new compressor新增压缩机位置的局部结构,根据压缩机底撬形式进行设计,在支撑电机、压缩机及洗涤罐的底撬结构梁下部均应有对应的平台结构梁。2.2 压缩机资料根据压缩机厂家资料,本次改造新增往复式压缩机型号为Ariel KBT/4,额定功率为 1 400 kW,额定转速为 990 rpm,激励频率约为 16.5 Hz,压缩机组布置总图如图 4 所示。压缩机组和电机中心线高为1 463 mm,电机转轴高度H 315 mm。图 4 Ariel KBT/4 压缩机组示意图Fig.4 Schematic diagram of Ariel KBT/4 compressor unit根据
11、厂家资料获取该压缩机的激励载荷,其中缩机底撬结构和平台支持结构,并设计合理的的压缩机底撬结构和平台支撑梁连接的焊接方案,为平台安全提供技术保障。1 新增压缩机静力分析初步评估某平台改造新增往复压缩机,将其布置在下层甲板东南角,甲板外扩尺寸22.35 m8.35 m,如图1所示。压缩机组整撬尺寸约为 12.3 m5.5 m,重量约为 131 t。图 1 下层甲板设备布置示意图Fig.1 Equipment layout on lower deck在改造方案研究初步阶段,由于压缩机厂家不确定,缺少详细准确的压缩机资料,无法进行动力特性和动力响应水平分析,故可通过先进行结构静力计算来初步评估方案是否
12、可行。首先根据平台结构图纸、结构校核报告、重量控制报告和后期改造资料等基础数据,采用SACS软件建立平台当前服役状态的模型2,然后考虑本次改造新增的设备、管线等荷载,对新增往复压缩机荷载考虑 1.52 倍的动力系数进行加载计算。由于新增往复压缩机重量较大,又布置在平台主轴线外,对平台的结构强度和桩基影响较大,所以需要对平台组块和导管架进行整体校核,重点关注平台结构强度、桩基承载能力、压缩机安装方案和可行的结构加强方案。压缩机的初步静力校核结果可作为评判当前改造方案是否可行的依据和下一阶段动力分析的基础。2 设计基础和动力响应评估标准2.1 上部组块资料和结构有限元模型根据平台结构资料和当前实际
13、状态、平台上部设备重量及其分布、活载荷分布等数据,采用ANSYS软件建立平台上部组块整体有限元模型。建 史晓庆等:海洋平台往复式压缩机的振动分析及减振措施 52 天 津 科 技第 50 卷 第 9 期压缩机组旋转不平衡力和不平衡力矩如表 1 所示。根据Foundations for Dynamic Equipment(ACI 351.3R-04)中方法计算得到电机动载荷,其中转子重量为 1 896 kg,由此数据计算得到电机端动载荷,如表 2 所示。表 1 压缩机组激励载荷Tab.1 Compressor unit excitation load载荷分量力(kN)力矩(kNm)一阶最大垂向0.
14、0072.407一阶最大水平向0.43026.947二阶最大垂向00二阶最大水平向0.1070.025表 2 电机激励载荷Tab.2 Motor excitation load名称数值转子重量(kg)1 896转速(rpm)990离心力(kN)3.072.3 动力响应评估标准新增压缩机组的撬体结构分析由压缩机厂家完成,其内容包括分析压缩机撬体结构在机组运行载荷作用下的强度和变形,以及安装在撬体结构上的管道和设备等压缩机不平衡力和不平衡力矩、电机不平衡力、压缩机气缸气体力、压缩机管道和设备中气流脉动不平衡力等动态激振载荷作用下的振动响应。本文主要针对新增压缩机振动对平台整体结构影响进行分析。振动
15、评定限值可按照制造厂的规定确定,如制造厂没有明确说明,则按国际标准或等同的国家标准进行确定。根据厂家提供的数据,确定平台支撑结构的峰值速度应 6.0 mm/s。根据Reciprocating Compressors for Petroleum,Chemical,and Gas Industry Services(ANSI/API STD 6182007),确定平台支撑结构固有频率应与压缩机激励频率分开20%,新增压缩机型号为Ariel KBK4,其激励频率为 16.5 Hz,故支撑结构频率应13.2 Hz或19.8 Hz。根据Mechanical vibrationMeasurement an
16、d evaluation of machine vibrationPart 8:Reciprocating compressor systems(ISO 20816-82018),对于额定功率 300 kW且 50 MW的大型机组,当电机转轴高度不低于 315 mm且支撑类型为柔性支撑时,速度有效值应 7.1 mm/s。根据Mechanical vibrationGuidelines for the measurement,reporting and evaluation of vibration with regard to habitability on passenger and mer
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