往復(fù)式壓縮機(jī)氣體脈動(dòng)分析及壓力降計(jì)算

李 程 呂 明 李海三 沈書(shū)乾 楊 平

(1. 廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院茂名檢測(cè)院；2. 中國(guó)石油撫順石化分公司)

往復(fù)式壓縮機(jī)氣體脈動(dòng)分析及壓力降計(jì)算

李 程*1呂 明2李海三1沈書(shū)乾1楊 平1

(1. 廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院茂名檢測(cè)院；2. 中國(guó)石油撫順石化分公司)

概述往復(fù)式壓縮機(jī)出口管道振動(dòng)的主要原因，從氣體脈動(dòng)的角度出發(fā)，應(yīng)用伯努利方程對(duì)氣體脈動(dòng)壓力降進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果和壓縮機(jī)管線(xiàn)振動(dòng)的情況提出一定的改進(jìn)措施。

往復(fù)式壓縮機(jī) 振動(dòng) 氣體脈動(dòng) 壓力降

往復(fù)式壓縮機(jī)廣泛應(yīng)用于石油化工、化學(xué)工程等領(lǐng)域，并且具有效率高、壓力高及工藝成熟等特點(diǎn)。根據(jù)往復(fù)式壓縮機(jī)的工藝特點(diǎn)周期性吸、排氣，不可避免地會(huì)對(duì)管道產(chǎn)生沖擊，引起管道的振動(dòng)，所以在壓縮機(jī)工作中出現(xiàn)振動(dòng)情況屬于正常現(xiàn)象。但是，當(dāng)管道結(jié)構(gòu)固有頻率、管道內(nèi)氣柱固有頻率與往復(fù)式壓縮機(jī)氣流脈動(dòng)所激發(fā)頻率接近時(shí)，這種情況下管道振動(dòng)較為劇烈，使管道及其附件的接連部位極易出現(xiàn)松動(dòng)或斷裂，不利于裝置的平穩(wěn)生產(chǎn)。因此，研究往復(fù)式壓縮機(jī)振動(dòng)尤為重要。

1 往復(fù)式壓縮機(jī)出口管道振動(dòng)的主要原因

工程實(shí)際中，常將所謂的機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)看作是由管道、支架和相連接的各個(gè)設(shè)備或裝置構(gòu)成的，在生產(chǎn)過(guò)程中所產(chǎn)生的振動(dòng)主要有3個(gè)原因：第一是管系振動(dòng)的頻率和激發(fā)頻率相接近，導(dǎo)致管道的共振和管道內(nèi)氣流脈動(dòng)過(guò)大引起的振動(dòng)，在工廠(chǎng)裝置的實(shí)際運(yùn)營(yíng)中氣流脈動(dòng)也是引發(fā)壓縮機(jī)整體裝置振動(dòng)的主要因素；第二是由于設(shè)計(jì)基礎(chǔ)不完善所造成的振動(dòng)，這種振動(dòng)只發(fā)生在機(jī)體本身、基礎(chǔ)和機(jī)體附近的管道；第三是動(dòng)平衡性差或基礎(chǔ)設(shè)計(jì)不當(dāng)而引起的管道振動(dòng)。要減弱乃至消除排氣端管道的振動(dòng)，應(yīng)該重點(diǎn)從第1個(gè)原因入手，消減和排除氣流所引發(fā)的脈動(dòng)，氣流脈動(dòng)不僅會(huì)使管道發(fā)生機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)管道發(fā)生振動(dòng)又會(huì)影響壓縮機(jī)機(jī)組的振動(dòng)，產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)[1,2]。

在理想的狀況下，氣流流動(dòng)過(guò)程中，若沒(méi)有壓力、速度等波動(dòng)，氣流就不會(huì)對(duì)管路起到動(dòng)力作用，在這種靜力作用下，管路就不會(huì)振動(dòng)。但是往復(fù)式壓縮機(jī)的吸排氣過(guò)程是間歇性的，而不是連續(xù)性的，這樣氣體的壓力、速度就會(huì)呈現(xiàn)出周期性變化，管路內(nèi)的流體呈現(xiàn)脈動(dòng)狀態(tài)，這也就造成了管內(nèi)流體在不同位置的自身參數(shù)(例如氣體的壓力、速度等)呈周期性變化，在這種情況下便產(chǎn)生了氣流脈動(dòng)。如果假設(shè)在管路中的流動(dòng)氣體為一元流動(dòng)，可以得出氣體的各項(xiàng)參數(shù)僅與時(shí)間和所在的位置有關(guān)，這屬于一種非定常流動(dòng)。這種不僅隨著位置的變化而變化，還與時(shí)間有關(guān)的現(xiàn)象稱(chēng)為氣流脈動(dòng)，它包含氣流的壓力脈動(dòng)和速度脈動(dòng)。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，壓力脈動(dòng)與速度脈動(dòng)共同作用下會(huì)使官道上產(chǎn)生干擾力。在壓縮機(jī)管道上，這種干擾力主要是由于壓力脈動(dòng)引起的，速度脈動(dòng)的影響還不到10%。在彎頭、閥門(mén)等位置常由于這種脈動(dòng)所產(chǎn)生的激振力造成強(qiáng)烈的沖擊[3]。

2 氣體脈動(dòng)

在壓縮機(jī)的排氣管道里，氣流的流速和壓力的變化規(guī)律是周期性的，這種規(guī)律就叫做氣流的脈動(dòng)。往復(fù)式壓縮機(jī)裝置管道系統(tǒng)內(nèi)的氣流脈動(dòng)的起因存在于整個(gè)系統(tǒng)中，并決定于整個(gè)系統(tǒng)中。

用一個(gè)聲學(xué)模型來(lái)描述活塞體積流量的變化。簡(jiǎn)化模型只取活塞的一端為參考，忽略閥片受活塞運(yùn)動(dòng)的影響，聲學(xué)體積流量如下：

式中A——活塞的有效面積；

l——連桿長(zhǎng)；

R——曲軸半徑；

θ——柄轉(zhuǎn)角，θ=ωt；

ω——轉(zhuǎn)速。

往復(fù)式壓縮機(jī)脈動(dòng)體積流量變化曲線(xiàn)如圖1所示，周期為非正弦曲線(xiàn)的體積流量，所以將會(huì)在頻域中產(chǎn)生一部分相關(guān)諧波。壓縮機(jī)排氣端前三階體積流量變化曲線(xiàn)如圖2所示[4～7]。

圖1 往復(fù)式壓縮機(jī)產(chǎn)生的非正弦曲線(xiàn)

a. 曲柄周期內(nèi)排氣脈動(dòng)

b. 曲柄周期內(nèi)吸氣脈動(dòng)

管道中的激振力是因?yàn)闅饬髅}動(dòng)的存在所引起的，然后加載在管道上。在數(shù)學(xué)分析上壓力脈動(dòng)引發(fā)的占總數(shù)90%以上[8]。

脈動(dòng)速度與脈動(dòng)壓力的關(guān)系如下[9～11]：

a2=(dp/dρ)s=kRT

p=ρa(bǔ)

式中a——在理想氣體中的聲速；

k——比熱容比，cp/cV；

p——壓力脈動(dòng)值；

R——?dú)怏w常數(shù)；

s——速度脈動(dòng)值；

T——絕對(duì)溫度；

Z——聲阻抗；

ρ——?dú)怏w密度。

圖3為管道內(nèi)氣體壓力脈動(dòng)示意圖，圖4為往復(fù)式壓縮機(jī)實(shí)際測(cè)得的脈動(dòng)壓力曲線(xiàn)。其中，Ⅰ表示壓縮機(jī)內(nèi)脈動(dòng)壓力變化，Ⅱ表示排氣閥外的脈動(dòng)壓力變化。

圖3 壓力脈動(dòng)圖

圖4 壓縮機(jī)排氣口內(nèi)、外脈動(dòng)壓力對(duì)比

3 氣體脈動(dòng)壓力降的計(jì)算

筆者主要針對(duì)往復(fù)式氫氣壓縮機(jī)，即單相流、可壓縮氣體。對(duì)于流動(dòng)系統(tǒng)一般采取伯努利方程進(jìn)行計(jì)算。伯努利方程表示如下：

在理想氣體且沒(méi)有外力功加入的情況下(即We=0、Σhf=0)上式可以簡(jiǎn)化為：

對(duì)于可壓縮的流體，如果所取系統(tǒng)兩截面間的絕對(duì)壓強(qiáng)變化小于原來(lái)絕對(duì)壓強(qiáng)的20%時(shí)，仍然可以使用上式進(jìn)行計(jì)算，但是此時(shí)的流體密度ρ應(yīng)由ρm代替，這種誤差在工程計(jì)算上是允許的[12]。

一般氣體管道，當(dāng)管道長(zhǎng)度L>60m時(shí)，按等溫流動(dòng)公式計(jì)算；L<60m時(shí)，按絕熱流動(dòng)公式計(jì)算，必要時(shí)用兩種方法分別計(jì)算，取壓力降較大的結(jié)果。

由于文中所研究的壓縮機(jī)出口管道長(zhǎng)度L>60m，故采用等溫式計(jì)算摩擦壓力降Δpf，氣體平均密度ρm計(jì)算如下：

ρ1、ρ2分別表示氫壓機(jī)輸送管道進(jìn)、出口的氫氣密度。通過(guò)雷諾數(shù)Re來(lái)判斷氣體流動(dòng)類(lèi)型，如果雷諾數(shù)小于3 000則為層流，反之則為湍流，在確定流動(dòng)類(lèi)型后，由與管壁相對(duì)粗糙度確定摩擦系數(shù)λ，絕對(duì)粗糙度ε可由查表確定，摩擦系數(shù)亦可查表確定[13]。摩擦壓力降即可由計(jì)算得出：

式中d——管路直徑，mm；

L——管道長(zhǎng)度，m；

W——流量，kg/h。

通過(guò)現(xiàn)有的2D32-50/20-30-BX型氫壓機(jī)對(duì)壓力降進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)已知條件d=307mm，W=5000kg/h，可知Re=524133.874，大于3 000，則流動(dòng)類(lèi)型為湍流，根據(jù)表格查出ε=0.2mm，λ=0.0176，由此可以算出壓力降。

雖然在工程實(shí)際上這個(gè)壓力降對(duì)于生產(chǎn)所造成的影響并不是很大，但是隨著壓縮機(jī)功率的增大，這個(gè)壓力降便不能忽視，所以在工程設(shè)計(jì)上要對(duì)此數(shù)據(jù)進(jìn)行考慮。

4 改進(jìn)措施

筆者把研究振動(dòng)的重點(diǎn)放在了壓縮機(jī)的出口管道上，參考近30年國(guó)內(nèi)外研究振動(dòng)的寶貴經(jīng)驗(yàn)[14]，對(duì)某煉油廠(chǎng)的3臺(tái)氫氣壓縮機(jī)組出口管道系統(tǒng)的氣流脈動(dòng)和管道振動(dòng)進(jìn)行了實(shí)例研究。根據(jù)往復(fù)式壓縮機(jī)管道系統(tǒng)的振動(dòng)機(jī)理，減少振動(dòng)和提高其耐性的基本入手方向?yàn)椋簻p小壓力不均勻度，使其小于3%；減少管系中的彎頭數(shù)量；改變結(jié)構(gòu)固有頻率值，使其避開(kāi)激振力的基頻范圍。

遵照這3項(xiàng)減振措施的基本方向，針對(duì)此壓縮機(jī)組管系存在的問(wèn)題，可以按照以下方案對(duì)管道結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新排布和修改設(shè)計(jì)：

a. 擴(kuò)大緩沖器的容積，使壓力不均勻度下降到3%以下；

b. 提高管道的水平剛度，具體方案為調(diào)低管道的安置高度，最好平行于地面，此壓縮機(jī)組必須避免使用1.452～2.178m長(zhǎng)的排氣管道，同時(shí)減少管道連接中彎頭的使用量特別是n形彎頭；

c. 受到熱脹冷縮規(guī)律的影響，在支撐和管道之間加墊3mm厚的石棉橡膠，使用固定支撐代替滑動(dòng)支撐為了增加支撐的剛度，支座要緊固在地面或焊接在支架上；

d. 安置的緩沖器和緩沖器周?chē)欢ㄒ?dú)立固定，因?yàn)楣艿赖淖畹碗A固有頻率受到含緩沖器管段剛度的直接影響，通過(guò)理論值和實(shí)際測(cè)量值的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，這一做法對(duì)提高管道的最低階固有頻率起著十分有效的作用。

在采取以上措施后，機(jī)組任意兩臺(tái)壓縮機(jī)同時(shí)工作時(shí)都能達(dá)到滿(mǎn)負(fù)荷狀態(tài)。使得該管線(xiàn)的振動(dòng)明顯減弱、安全可靠，整個(gè)管系各處振動(dòng)都是符合API618的規(guī)定，為設(shè)備的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。

5 結(jié)束語(yǔ)

解決壓縮機(jī)管線(xiàn)振動(dòng)時(shí)，應(yīng)將復(fù)雜管道系統(tǒng)整體分析，根據(jù)振動(dòng)理論并結(jié)合對(duì)該出口管道的振動(dòng)和管道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的氣流脈動(dòng)分析和計(jì)算，采取必要的減振措施，才能達(dá)到有效的減振效果，使生產(chǎn)運(yùn)行穩(wěn)定進(jìn)行。

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GasFluctuationAnalysisforReciprocatingCompressorandCalculationofPressureDrop

LI Cheng1, LV Ming2, LI Hai-shan1, SHENG Shu-qian1, YANG Ping1

(1.MaomingInstitute,GuangdongInstituteofSpecialEquipmentInspectionandResearch,Maoming525000,China;
2.PetroChinaFushunPetrochemicalCompany,Fushun113008,China)

The major reason of pipe vibration at reciprocating compressor outlet was summarized. Starting with the gas fluctuation, applying Bernoulli equation to calculate pressure drop of gas fluctuation was implemented and some improvements were proposed after considering the calculation results and the compressor pipeline’s vibration.

reciprocating compressor, viberation, gas fluctuation, pressure drop

*李 程，男，1987年12月生，助理工程師。廣東省茂名市，525000。

TQ051.21

A

0254-6094(2016)04-0472-04

2015-12-15，

2016-07-14)

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