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天然气离心压缩机转子动平衡研究与应用

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付生洪田峰沈思权

摘?要：天然气离心压缩机转子结垢，形成渐发性不平衡，导致机组转子旋转时轴系振动高。现场动平衡是一项复杂的作业，以往都是依赖设备厂家服务工程师完成现场动平衡。设备用户针对振动高问题，通过多次摸索，利用艾默生CSI2140振动分析仪自主实现现场动平衡，解决以往现场动平衡多次停开车和繁复的计算问题。

关键词：离心压缩机;转子结垢;振动;现场动平衡

：TH452???????????????????????：A???????????????????????DOI：10.12296/j.2096-3475.2021.05.234

引言：南海某气田生产平台设置有3台燃气透平驱动的离心压缩机组，为天然气外输提供动力，将天然气增压后通过管道输送至100多公里外的陆地处理终端。在生产过程中，由于离心压缩机转子结垢，导致动不平衡，引起机组振动偏高，甚至振动高高关停机组。有时候通过转子清洗都无法解决振动高问题，需要进行现场动平衡。本文针对解决离心压缩机振动高故障，阐述了用户自主现场动平衡过程。

一、转子结垢导致动平衡破坏

该离心压缩机额定转速15000转/分钟，工作转速高于一阶临界转速，属于柔性转子，采用5片式可倾瓦轴承。由于输送的天然气中含有液态水等杂质，压缩后在压缩机叶轮、流道等部件表面附着结垢，导致通过面积减小、输气能力降低、输气能耗增加。若叶轮上所结垢层发生脱落，可造成压缩机转子动平衡破坏，致使压缩机机体振动上升[1]，严重时可造成压缩机无法运行，甚至发生安全事故[2]。由于结垢导致转子不平衡产生的离心力对转子和轴承造成振动冲击，转子每转一周就会对轴承产生一次振动冲击，所以其振动频率对应于转子的振动频率，也就是一倍频率。在机组转速为8622r/min时，采集机组振动频谱如图1。通过图1可以看出在143.7赫兹处的峰-峰值最大，振动峰-峰值为0.64701微米，比其他频率高出一个数量级，振动主要集中在工频。采集的轴心轨迹如图2，轴心轨迹表现为椭圆形。这些是典型的转子不平衡特征。除此之外的特征是振动随着转速的变化而明显变化。当转速稳定不变时，振动也随之稳定，这个过程具有良好的重复性[3]。

二、现场动平衡方法介绍

高速旋转设备的现场动平衡主要方法有三圆法和矢量法，这两种方法主要区别在于需要动平衡的旋转设备是否带有键相信号。没有配备键相信号的设备，一般使用三圆法進行现场动平衡。三圆法在平衡测试中，把一定质量试重块分别加载转子同一圆周平面三等分点上，测得转子不平衡量的大小，以此为圆心做三个圆，并汇交于一点，以确定不平衡量的轻点的位置和大小，所以三圆法也成为无相平衡法。三圆法示例如图3由于存在画图的误差和测量的误差，三圆法很难找到三圆交汇于某一点上。

配备键相信号的设备，使用矢量法相对三圆法更方便，因为三圆法需要将试重放在3个不同位置测试轴面水平和竖直两个方向振动的变化，整套完整做下来压缩机至少要启停4次进行数据采集并最终计算具体的配重角度和重量。而矢量法，压缩机一般启停2次即可。因为矢量法把一定质量试重块加载在相对于键相位一定的角度、相对于圆心的一定的距离圆周上测得加试重后的振动矢量，就可以通过原始振动矢量和加试重后的振动矢量计算得出最终配重矢量值。矢量法示例如图4。

无论采用哪种方法进行现场动平衡，都要先采集数据，加试重，再采集数据，最后通过分析计算得出最终配重的重量和方位（包括方向和半径），若有固定半径的配重盘，还需要对最终配重进行规整。艾默生CSI21400动平衡分析仪采用矢量法，需要先设定好转子和配重盘的相关参数和不同的转速工况并分别采集相应的振动数据后，由动平衡分析仪根据添加配重前后的振动矢量变化自动计算动平衡数据。

三、使用艾默生CSI21400动平衡分析仪进行现场动平衡

1.任务设置

任务设置是整动平衡作业中最非常关键的步骤，每个参数的设置都会关系到能否成功动平衡，而且需要设置的参数非常多。这需要操作者熟悉离心压缩机的结构、转子质量、轴承类型、传感类型、振动探头安装位置、配重面数量、配重块安装半径和配重块规格等。设置界面如图5。

首先点击艾默生CSI21400面板上的F9键入动平衡应用界面，创建一个现场动平衡任务（job），建议按照设备位号加时间来命名任务，如C25201以方便后期比对查询。

接着进行任务设置，根据压缩机的结构参数设置动平衡分析仪所需的参数，主要设置参数如下：

（1）选择配重面数量

根据离心压缩机配重盘的数量进行设置，只在一端配重则选择1个配重面，前非驱动端同时配重选择2个配重面。配重面的数量一般根据转子的长度和直径的比值