大型往復(fù)式壓縮機的管道布置和減振探討

程玉峰(東華工程科技有限公司,安徽　合肥　230024)

大型往復(fù)式壓縮機的管道布置和減振探討

程玉峰(東華工程科技有限公司,安徽合肥230024)

近年來隨著我國煤化工產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，往復(fù)式壓縮機在其中應(yīng)用愈加廣泛。隨著裝置的規(guī)模越來越大，對壓縮機的管道布置提出了更高的要求，尤其往復(fù)式壓縮機管道的防振設(shè)計。本文將結(jié)合新疆某項目CO壓縮工段和置換氣壓縮工段往復(fù)式壓縮機的管道布置經(jīng)驗，探討大氣量往復(fù)式壓縮機在管道布置和防振設(shè)計的基本原則和應(yīng)注意的問題。

1　往復(fù)式壓縮機簡介

1.1往復(fù)式壓縮機的工作原理

往復(fù)式壓縮機屬于容積式壓縮機，工作原理是通過曲軸連桿機構(gòu)，將曲軸的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為氣缸內(nèi)活塞的往復(fù)運動，通過減少氣體所占據(jù)的封閉空間的容積，來提高氣體的壓力。曲軸旋轉(zhuǎn)一周，活塞往復(fù)一次，氣缸內(nèi)相繼實現(xiàn)膨脹、吸氣、壓縮、排氣的過程。往復(fù)式壓縮機具有單機打氣量小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壓比可以選擇很大、價格相對較低等特點。由于往復(fù)機運動部件多、易損件多，一般都有備機。

1.2往復(fù)式壓縮機的系統(tǒng)組成

往復(fù)式壓縮機系統(tǒng)一般包含四個子系統(tǒng)：工藝氣系統(tǒng)、油路系統(tǒng)、密封系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，如果是透平驅(qū)動還有蒸汽冷凝液系統(tǒng)。氣路系統(tǒng)作為主系統(tǒng)完成對氣體的加壓。冷卻系統(tǒng)又分為冷卻氣缸、填料的脫鹽水循環(huán)系統(tǒng)和冷卻各級換熱器及驅(qū)動電機的冷卻水循環(huán)系統(tǒng)。油路系統(tǒng)主要是對壓縮機進行潤滑，減輕摩擦，并帶走摩擦產(chǎn)生的熱量。密封系統(tǒng)采用氮氣進行密封，以防止軸封處氣體外泄。

1.3往復(fù)式壓縮機管道系統(tǒng)的特點

往復(fù)式壓縮機在吸氣和排氣的過程中呈周期性和間歇性的動作，使得管道內(nèi)氣流的壓力、流速和密度等參數(shù)都隨著位置和時間作周期性變化，這種現(xiàn)象稱為氣流脈動［1］。脈動的氣流遇到彎頭、三通、異徑管、閥門等管道件后，將產(chǎn)生隨時間變化的激振力，受此激振力的作用，管道系統(tǒng)產(chǎn)生振動。由于壓力脈動始終存在，管道系統(tǒng)在允許的范圍內(nèi)存在一定程度的振動是正常現(xiàn)象，但應(yīng)該避免劇烈的振動。

2　往復(fù)式壓縮機的管道布置

往復(fù)式壓縮機管道布置首先應(yīng)符合工藝及設(shè)備制造商的流程要求，應(yīng)做到安全可靠、經(jīng)濟合理。其次還要保證安裝、操作與檢修方便，尤其要注意留出氣缸、冷卻器的抽芯空間，壓縮機附近管道要整齊美觀。

根據(jù)往復(fù)式壓縮機的工藝特點，分區(qū)布置工藝氣管道、潤滑油管道、氮氣密封管道和冷卻水管道。工藝氣管道的布置是壓縮機管道布置的重點和難點。冷卻水管道的布置則關(guān)系到系統(tǒng)的美觀，尤其是冷卻氣缸的脫鹽水管道，由于管道較多且各級氣缸之間的間距有限，為了確保操作、觀察和檢修方便，盡量將各級氣缸的脫鹽水管道統(tǒng)一引到氣缸外側(cè)，成排布置。潤滑油管道和氮氣密封管道的管徑較小，布置相對簡單，但需避免管道的碰撞和方便閥門的操作。

3　往復(fù)式壓縮機工藝氣管道的防振設(shè)計

在往復(fù)式壓縮機管道布置中，如何降低工藝氣管路的振動一直是設(shè)計人員十分關(guān)注的問題，因為管道系統(tǒng)的劇烈振動，會造成管道及其附件的松動、疲勞、破裂，輕則發(fā)生泄漏，重則造成火災(zāi)、爆炸等嚴重事故。

管道的劇烈振動有兩方面的有原因：一是管道內(nèi)氣柱的壓力脈動，二是管道系統(tǒng)的共振。共振又可分為氣柱共振和機械共振。當激發(fā)頻率與某一階氣柱自振頻率相重合時，氣柱振動系統(tǒng)將產(chǎn)生強烈的振動響應(yīng)，壓力脈動幅值達最大，此為氣柱共振。管道系統(tǒng)本身就是一個連續(xù)彈性體，存在結(jié)構(gòu)固有頻率，當壓力脈動的激振力頻率與管道結(jié)構(gòu)固有頻率相近時，管道產(chǎn)生機械共振［2］。

3.1消減氣柱的壓力脈動

調(diào)整氣柱固有頻率、設(shè)置孔板和緩沖罐等可以有效減小氣柱的壓力脈動。調(diào)整氣柱的固有頻率不僅涉及到管道系統(tǒng)的設(shè)計，還涉及到緩沖器的尺寸和位置等。其中，設(shè)置壓縮機進、出口緩沖罐被認為是最簡單、有效的減緩氣流脈動的措施。進、出口緩沖罐盡量與氣缸直連，氣體經(jīng)過緩沖罐后壓力脈動明顯下降。設(shè)置孔板的目的主要是降低壓力的不均勻度，通常設(shè)置在壓縮機出口處，但實踐中較少采用這種措施，因為孔板會增加系統(tǒng)阻力，造成氣體的壓力損失，而管路中的任何壓力降對工藝的操作都是不利的。

3.2調(diào)整管系固有頻率

控制管道的劇烈振動的有效途徑是改變管系的結(jié)構(gòu)固有頻率，避免發(fā)生機械共振，而管系的固有頻率的改變可以通過優(yōu)化管道走向、調(diào)整管支架型式、數(shù)量和位置來實現(xiàn)。

首先，要優(yōu)化管道走向。壓縮機進出口管道應(yīng)盡可能的用直管，且直管段不宜過長，去往冷卻器和分離罐的管道要短而直，少用彎頭，且管件盡量使用標準管件，因為標準管件強度較強，如彎頭盡可能使用長半徑彎頭或45°彎頭。其次，合理設(shè)置管道支架。對工藝氣管道系統(tǒng)的氣流脈動進行聲學(xué)模擬分析可以幫助我們確定管道支座的型式、位置及數(shù)量，將管道振動控制在合理范圍內(nèi)。支架一般采用防振管卡，管卡與管道之間可以墊木塊、聚四氟乙烯板或石棉橡膠板，保證管道與管卡充分接觸。此外，防振管卡的支架不能支撐在廠房的基礎(chǔ)、樓板、平臺和設(shè)備上，必須是獨立支撐，盡量落地生根。在調(diào)節(jié)閥組、安全閥組等集中質(zhì)量處，應(yīng)增加支架數(shù)量，支架形式也應(yīng)是防振關(guān)卡。

4　結(jié)語

通過對往復(fù)式壓縮機的管道系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，采用合理的減振措施，保證了該項目三臺CO壓縮機和三臺置換氣壓縮機均一次開車成功，目前運行平穩(wěn)。實踐證明，做好往復(fù)式壓縮機的管道布置，需要綜合考慮各種因素，通過合理的布局和不斷優(yōu)化為壓縮機的安全、可靠、平穩(wěn)運行創(chuàng)造良好的條件。

［1］徐臣華.往復(fù)式壓縮機的管道布置及防振措施［J］.化工設(shè)備與管道2008，45（5）：51～54.

［2］郁永章主編.容積式壓縮機技術(shù)手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2000，10.