Diagnose und Behandlung von Pumpen-Pipeline-Fehlern
Das 800,000 t/a Hydrocracken eines bestimmten Unternehmens ist eine im Inland hergestellte Ölraffinierungs-Tiefverarbeitungsanlage. Das Gerät verfügt über zwei große Hochdruck-Förderpumpen (eine davon ist eine Ersatzpumpe), um das Rohöl (Wachsöl) vom Eingangsdruck von 0,15 MPa auf den Ausgangsdruck von etwa 10 MPa zu erhöhen und zur Reaktion in das Hydrierungsreaktionssystem zu gelangen . Unter den beiden mehrstufigen Hochdruckpumpen ist eine eine A-Pumpe, 7-Stufenlaufrad, Auslegungsdurchfluss 126,8 m3/min, Förderhöhe 2254 m, Drehzahl 5000 U/min; die andere ist B-Pumpe, 5-Stufenlaufrad, Laufraddurchmesser 293 mm, Laufradschaufelnummer Zl=6, Leitschaufelschaufelnummer Z2=9, Auslegungsdurchfluss 126,8 m3/h, Förderhöhe 2256 m, Geschwindigkeit 5814 U/min. Die beiden Pumpen sind grundsätzlich symmetrisch angeordnet, und die Auslassleitungen verlaufen jeweils durch den Blendendurchflussmesser, das Rückschlagventil, das Handventil und das elektrische Regelventil, vereinigen sich dann im Raum und gelangen dann über eine sehr lange Hauptleitung in das Reaktionssystem Ventilgruppe. Der Rohrleitungsaufbau ist in Abbildung 1 dargestellt. Die Gesamtlänge der Rohrleitung vom Pumpenauslass bis zum Reaktor beträgt 140 m. Nach der Installation der B-Pumpe kam es seit dem ersten Belastungstest zu starken Vibrationen im Rohrleitungs- und Ventilsystem. Da das von der Pumpe geförderte Wachsöl ein brennbares Material ist, sind die Folgen sehr schwerwiegend, wenn das Rohrleitungssystem vibriert und Risse bekommt. Daher ist es sehr wichtig, das Vibrationsproblem des Rohrleitungssystems zu lösen, wenn die B-Pumpe läuft, um die sichere Produktion des Geräts zu gewährleisten.
Um das Vibrationsproblem des Rohrsystems beim Betrieb der Pumpe B zu diagnostizieren, wurden die beiden Pumpen getestet und verglichen. Als Pumpe A lief, waren die Vibrationen des Pumpenkörpers und der Rohrleitung sehr gering, der Anzeigewert des Pumpenauslassdruckmessers betrug 18,8 MPa, die Schwingung des Manometerzeigers war nicht offensichtlich und der Zeiger des Durchflussmessers hatte nur einen leichten Swing. Nach dem Umschalten auf Pumpe B zeigte die Druckleitung starke Vibrationen, unabhängig davon, ob der Durchfluss gering war oder der Volllastbetrieb herrschte. Der Vibrationsweg am Elektroventil betrug 0,8 mm, der Vibrationsweg am Ende der Rohrleitung erreichte 1 mm und die Vibrationsgeschwindigkeit betrug bis zu 10,3 mm/s. Die Vibrationsleistung war intermittierend. Beobachten Sie den Druck und den Durchfluss. Das Auslassdruckmessgerät zeigte 18,3 MPa an, die Zeigerschwingamplitude betrug 0,5-1MPa und die Zeigerschwingamplitude des Saugleitungsdruckmessgeräts betrug 0,4 MPa. Der Durchflussmesser zeigte 100 t/h an und die Zeigerschwingamplitude erreichte 6-10t/h. Der Druck des Reaktorsystems wurde um 1 MPa reduziert und die Vibration des Rohrsystems wurde beobachtet. Der Pumpenauslassdruck und die Durchflusspulsation waren die gleichen wie unter normalen Betriebsbedingungen, und die Vibration des Rohrsystems verbesserte sich nicht.
1. Elektrisches Ventil; 2. Manuelles Ventil; 3. Rückschlagventil; 4. Blendendurchflussmesser; 5. Pipeline mit kleinem Durchfluss; 6. Pumpe A; 7. Pumpe B; 8. Reaktorsystem
Um die Ursache von Vibrationen im Rohrleitungssystem zu untersuchen, wurden Vibrationssignaltests an dem Rückschlagventil, dem elektrischen Regelventil, dem Rohrleitungsende und dem Pumpenkörper mit starken Vibrationen durchgeführt. Darüber hinaus wurde aufgrund der großen Auslenkung des Zeigers des Manometers und des Durchflussmessers und der ungleichmäßigen und instabilen Anzeichen des Flüssigkeitsgeräuschs in der Rohrleitung, das mit einem Abhörstab abgehört wurde, vermutet, dass es in der Flüssigkeit darin zu starken Druckpulsationen kommen könnte der Pumpe und der Rohrleitung, daher wurde der Drucksensor verwendet, um die Druckpulsation in der Rohrleitung direkt zu messen. Das Signal wurde mit einem Tonbandgerät und einem Datenerfassungsgerät aufgezeichnet und anschließend wurden eine Wellenformanalyse und eine Frequenzanalyse auf einem Frequenzanalysator durchgeführt. Das Schwingungsspektrum des Lagers auf der Motorseite des Pumpenkörpers ist in Abbildung 2 dargestellt, wobei die Frequenzkomponenten mit höherer Amplitude A die Netzfrequenz der Pumpe (97 Hz) und die Drehzahlfrequenz des Motors (50 Hz, 100 Hz) sind. .
Abbildung 3 zeigt das Schwingungsspektrum des Lagers am Auslass der Pumpe. Die Komponenten mit den höheren Amplituden in der Abbildung sind die Durchgangsfrequenzen fz1 (582 Hz) und 2fz1 (1160 Hz) der Pumpenschaufeln. Der Pumpenkörper vibriert aufgrund seiner guten Stützsteifigkeit kaum und die Durchgangsfrequenzamplitude des Lagergehäuses beträgt 2,56 mm/s. Das Einwegventil und das Elektroventil vibrieren stark, und die Wellenform und das Spektrum ihrer Vibrationssignale sind in Abbildung 4 dargestellt. Die Hauptvibrationsfrequenz von 9 Hz in der Abbildung ist die Eigenschwingungsfrequenz des Einwegventils und des elektrisches Ventilgruppensystem. Aufgrund des intermittierenden Aufpralls der Flüssigkeit ist die Amplitude der Schwingungswellenform A manchmal hoch und manchmal niedrig, was der Form des „Schlagens“ ähnelt.
Das Ende der Pipeline ist der Teil mit der größten Vibration. Es ist an die Hauptleitung angeschlossen und kann nicht durch den Weltraum unterstützt werden. Daher ist die Vibration unter der Wirkung der Flüssigkeitsanregungskraft sehr groß. Abbildung 5 zeigt die Vibrationswellenform und das Spektrum des Endes der Pipeline. Die Hauptschwingungsfrequenz in der Abbildung beträgt 7 Hz. Wenn die Flüssigkeitsdruckpulsation intermittierend auf das Rohrende einwirkt, nimmt die Amplitude der Frequenzkomponente um 7 Hz im Spektrum des Rohrendes plötzlich zu. Aus der Zeitbereichswellenform ist ersichtlich, dass die Hochfrequenzwelle nach oben und unten schwankt und die Frequenz der periodischen Schwankung 7 Hz beträgt. Nach der Computersimulation und Berechnung mit der Finite-Elemente-Methode ist die 7-Hz-Komponente die Eigenfrequenz einer bestimmten Ordnung des Rohrsystems, und die überlagerte Hochfrequenzkomponente kann die Eigenfrequenz des Ventils am Rohrende sein.
Um herauszufinden, ob die Vibration des Rohrsystems durch die Druckpulsation der Flüssigkeit verursacht wird, wird mit einem Drucksensor die Druckpulsation der Flüssigkeit in der Rohrleitung direkt getestet und analysiert. Die Größe der Fluiddruckpulsation kann durch die Druckungleichmäßigkeit δ ausgedrückt werden:
Abbildung 6 ist das Zeitbereichssignal der Druckpulsation. Die Hochfrequenzwelle in der Abbildung schwankt auf und ab, und die Frequenz der Schwankung beträgt 7 Hz, was der Eigenfrequenz des Rohrsystems entspricht. Der Maximalwert der Schwankungsamplitude △P=Pmax-Pmin=147mV~176mV, die Gleichstromkomponente des Durchschnittsdrucks P0=5,5V und die Druckungleichmäßigkeit δ{{9 }}.027~0.032. Beobachten Sie die Bewegung des Zeigers des Pumpenausgangsdruckmanometers. Bei einem durchschnittlichen Druck von 18,3 MPa beträgt der Zeigerhub 0,5 bis 1 MPa, und die angezeigte Ungleichmäßigkeit der Druckpulsation entspricht dem in Abbildung 6 erhaltenen Ergebnis.
Der oben gemessene Wert der Druckpulsationsungleichmäßigkeit ist offensichtlich zu groß. Obwohl es in China keinen Standard für Kreiselpumpen gibt, ist die Druckpulsationsungleichmäßigkeit des Auslassrohrs im Allgemeinen auf δ{{0}},02~0,04 in Bezug auf Kolbenkompressoren begrenzt. Die Pumpe fördert derzeit inkompressible Flüssigkeit und ihr Wert liegt nahe am maximal zulässigen Wert, der vom Kompressor-Rohrleitungssystem vorgegeben ist, was offensichtlich nicht zulässig ist. Es ist eine so hohe Druckungleichmäßigkeit δ, die große Vibrationen in der Rohrleitung verursacht. Wenn die Druckungleichmäßigkeit δ=0.027 und der Durchschnittsdruck P0=18.3 MPa beträgt, beträgt die Amplitude der Druckpulsation (die maximale Amplitude, die vom Durchschnittsdruck abweicht):
Wenn diese Pulsationsamplitude auf einen rechtwinkligen Krümmer trifft, ist die Aufprallkraft des Flüssigkeitsstroms auf die Rohrwand an der Biegung in Abbildung 7 dargestellt. Die statische resultierende Kraft der Flüssigkeit auf den Krümmer beträgt:
Der Innendurchmesser des Rohres beträgt 132 mm. Wenn die Flüssigkeit pulsiert, beträgt die Aufprallamplitude des pulsierenden Drucks auf den Ellenbogen:
An jeder Rohrbiegung wird eine Kraft von 4777 N ausgeübt, die unweigerlich zu starken Vibrationen des Rohrs führt. Wenn die Flüssigkeit außerdem auf eine Querschnittsverengung, wie beispielsweise ein Ventil oder ein Reduzierstück, trifft, wird ebenfalls eine große Flüssigkeitsaufprallkraft erzeugt. Das Pulsieren des Flüssigkeitsdrucks führt zu pulsierenden Änderungen der Durchflussrate im Rohr. Abbildung 8 ist ein Pulsationsänderungsdiagramm, das durch gleichzeitiges Senden des Druckpulsationssignals und des vom Durchflussmesser ausgegebenen Signals an den Computer und eine Probenahme erhalten wurde. In der Abbildung ist Q der gesamte vom Pumpenauslass abgegebene Durchfluss, Q1 ist ein Teil des in das Reaktionssystem eintretenden Durchflusses und der andere Teil des kleineren Durchflusses kehrt zur Front-End-Ausrüstung der Pumpe zurück. Wie aus der Abbildung ersichtlich ist, ist das Gesetz der Druckpulsation und der Strömungspulsationsänderungen konsistent. Wenn die Druckwelle ihren Höhepunkt erreicht, beschleunigt sich die Flüssigkeit im Rohr, was zu einem augenblicklichen Anstieg des Durchflusses führt; Wenn die Druckwelle augenblicklich abfällt, verlangsamt sich die Flüssigkeit im Rohr und der Durchfluss nimmt augenblicklich ab. In der Abbildung ist der relative Abstand zwischen dem Q-Flow-Messpunkt und dem Druckmesspunkt relativ gering und die Konsistenz der Änderungen zwischen den beiden ist gut. Der Messpunkt Q1 liegt am Ende des Rohrsystems. Einerseits ist es weit von der Druckmessstelle entfernt und andererseits wird es auch durch die Strömung der Kleinflussleitung beeinflusst. Daher ist die Konsistenz der Pulsationsänderungen der vorderen und hinteren Durchflussmesser schlecht. Die oben erwähnten pulsierenden Druck- und Durchflussänderungen wirken sich auf die Rohrleitung aus und verursachen starke Vibrationen im Rohrleitungssystem.
Um herauszufinden, warum die Pumpe Druckpulsationen erzeugt, wird das gesammelte Druckpulsationssignal einer Frequenzanalyse unterzogen. Sein Spektrum ist in Abbildung 9 dargestellt. In der Abbildung erscheinen häufig drei Hauptfrequenzkomponenten: (1) Die {{2 }} Hz-Frequenzkomponente ist oft die Hauptkomponente mit dem größten Spitzenwert. Wie oben erwähnt handelt es sich hierbei um die Eigenfrequenz des Rohrsystems. (2) Die 291-Hz-Frequenzkomponente beträgt das Dreifache der Pumpendrehzahlfrequenz. Die Anzahl der Laufradschaufeln der Pumpe beträgt Z1=6 und die Anzahl der Leitschaufelschaufeln beträgt Z2=9. Der größte gemeinsame Teiler der beiden Flügel erzeugt diese Pulsationsfrequenz. (3) Die 680-Hz-Frequenzkomponente beträgt das Siebenfache der Pumpendrehzahlfrequenz. Diese Frequenzkomponente scheint mit der kombinierten Wirkung der Pumpenleistungsfrequenz und der Eigenfrequenz des Rohrsystems zusammenzuhängen.
Basierend auf dem Vergleich der Testlaufbedingungen der beiden Pumpen und den Test- und Analyseergebnissen der Rohrleitungsvibrationen und Druckpulsationen werden die folgenden Diagnosegutachten abgegeben:
(1) Die Anregungsquelle der Rohrleitungsvibration kommt von der Pumpe B und nicht vom Konstruktionsproblem der Rohrleitung, denn wenn Pumpe A läuft, die grundsätzlich symmetrisch angeordnet ist, vibriert weder das Saugrohr noch das Auslassrohr. Wenn Pumpe B läuft, vibriert nicht nur die Druckleitung heftig, sondern auch die Saugleitung der parallel geschalteten Pumpen A und B weist eine große Amplitude auf. Offensichtlich handelt es sich hierbei nicht um die Übertragung mechanischer Schwingungen, sondern um das Ergebnis der Übertragung von Flüssigkeitsdruckpulsationen.
(2) Das Pulsieren des Flüssigkeitsdrucks ist die direkte Ursache für Rohrleitungsvibrationen. Aufgrund der Druckpulsation wird bei jeder Biegung und Querschnittsänderung einer sehr langen Rohrleitung ein Flüssigkeitsstoß erzeugt, und die Stoßkraft regt die Eigenfrequenz der Rohrleitung und des Ventils an. Am Ende der Rohrleitung werden hauptsächlich niederfrequente Eigenfrequenzen von etwa 1 Hz und 5 bis 10 Hz angeregt, und am elektrischen Ventil und Rückschlagventil wird hauptsächlich eine Eigenfrequenz von 9 Hz angeregt.
(3) Der Grund, warum bei laufender Pumpe B ein Pulsieren des Flüssigkeitsdrucks auftritt, hängt mit der Konstruktion der Pumpe zusammen. Den Angaben zufolge müssen die Anzahl der Laufradschaufeln Z1 und die Anzahl der Leitschaufelschaufeln Z2 gleich groß sein, um die instabile Kraft zu reduzieren, die auf die Schaufelleitschaufel der Flügelzellenpumpe ausgeübt wird; Gleichzeitig muss, um sicherzustellen, dass die Druckpulsamplitude bei der Blattfrequenz minimiert wird, auch die Bedingung erfüllt sein, dass Z1 und 2Z2 zueinander teilerfremd sind. Nun sind Z1 und Z2 der Pumpe nicht prim zueinander und Z1 und 2Z2 sind keine Primzahlen. Der größte gemeinsame Teiler von Z1 und Z2 ist 3, sodass im Druckpulsationssignal eine Frequenzkomponente von 3X97=291Hz erzeugt wird. Der gemeinsame Teiler der Schaufeln und Leitschaufeln ist 3, was bedeutet, dass drei Schaufeln gleichzeitig drei Leitschaufeln entsprechen, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit und der Druck an jedem Austrittspunkt des Laufradschaufelkanals sehr ungleichmäßig sind. Der Flüssigkeitsaufprall auf die Leitschaufel erzeugt eine starke Wechselkraft. Darüber hinaus bildet die ungleichmäßige Strömungsgeschwindigkeit am Laufradauslass eine stärkere Grenzschicht und einen Ablösungswirbel an der Leitschaufel, was zu Druckpulsationen führt, nachdem die Flüssigkeit aus der Pumpe strömt. Ein weiterer möglicher Faktor, der durch Pumpe B verursachte Rohrleitungsvibrationen verursachen kann, ist ein niedriger Ausgangsdruck. Die Leistungskurve der Pumpe ist flach und Druckpulsationen können leicht zu Durchflussschwankungen führen. Strömungsschwankungen verstärken die Aufprallkraft auf die Rohrwand und erzeugen dadurch stärkere Vibrationen im Rohrsystem.
Aus der Diagnose des Vibrationsfehlers im Rohrsystem wird bestätigt, dass die Vibrationsquelle von der Pumpe B selbst und nicht vom Rohrsystem stammt. Daher wird empfohlen, das Pumpendesign zu ändern, d. h. die Rotor- und Statorkomponenten zu modifizieren. Die konkreten Maßnahmen umfassen im Allgemeinen die folgenden zwei Aspekte:
(1) Ändern Sie die Anzahl der Laufradschaufeln, ändern Sie Z1 von 6 auf 7 und beziehen Sie sich auf die Parameter von Pumpe A, um jeden Teil des Strömungskanals sorgfältig zu entwerfen, um die Druckpulsation der Flüssigkeit grundsätzlich zu eliminieren.
(2) Erhöhen Sie den Ausgangsdruck der Pumpe von ursprünglich 18,3 MPa auf 21,3 MPa, wodurch die Antriebskraft der Flüssigkeit im Rohr erheblich erhöht und die Schwankung der Durchflussrate verlangsamt wird.
Nach dem Umbau wurde Pumpe B in Betrieb genommen. Die ursprünglich starke Vibration der Rohrleitung verschwand vollständig und der Vibrationswegwert am Elektroventil sank von 800 μm auf 61,5 μm; Der Vibrationsversatzwert des Rohrendes mit der größten Vibration sank von 1 mm auf 129 μm. Auch die Schwinggeschwindigkeit des Lagergehäuses sank von 2,56 mm/s auf 1,48 mm/s. Der Grad der Mikrovibration der Rohrleitung entspricht nahezu dem der laufenden Pumpe A.
