油氣田大功率往復(fù)壓縮機(jī)組振動(dòng)控制優(yōu)化實(shí)踐

張 勇，王立輝，王子輝，郭宗軻，唐 瑜

（中石油塔里木油田公司迪那油氣開(kāi)發(fā)部，新疆塔里木 065000）

1 引言

隨著我國(guó)對(duì)天然氣應(yīng)用需求的增加，越來(lái)越多的油氣田注氣系統(tǒng)開(kāi)始進(jìn)入設(shè)計(jì)、建設(shè)和營(yíng)運(yùn)階段。往復(fù)壓縮機(jī)組作為高壓注氣系統(tǒng)的主要設(shè)備，對(duì)高壓注氣系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有十分關(guān)鍵的影響作用。但往復(fù)壓縮機(jī)組由于其工作固有特點(diǎn)，容易發(fā)生振動(dòng)。特別是高壓注氣系統(tǒng)中的大功率往復(fù)式壓縮機(jī)組，因其功率大、排壓高，振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)更高。為此，API 618標(biāo)準(zhǔn)對(duì)控制往復(fù)式壓縮機(jī)系統(tǒng)的振動(dòng)提出了詳細(xì)設(shè)計(jì)要求，以保證機(jī)組的安全運(yùn)行。

API 618（第五版） 提供了3種振動(dòng)控制設(shè)計(jì)方法，即方法1、方法2和方法3。其中方法1是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式估算壓力緩沖罐的尺寸，相當(dāng)于API618第四版M1。方法2包括氣流脈動(dòng)分析，和管道容器支撐審核，以避免管道系統(tǒng)的共振。相當(dāng)于第四版M2-M4。方法3在前2種方法的基礎(chǔ)上增加了計(jì)算壓縮機(jī)集氣室系統(tǒng)固有頻率，和力響應(yīng)分析。相當(dāng)于第四版M2-M7及M11。3種方法的適用范圍根據(jù)機(jī)組排氣壓力和單個(gè)氣缸功率確定。

盡管API 618（第五版） 提供了3種設(shè)計(jì)方法，特別是方法3對(duì)控制機(jī)組振動(dòng)提出了明確的氣流脈動(dòng)和機(jī)械振動(dòng)分析要求，但對(duì)壓縮機(jī)組如何實(shí)施這些要求，包括如何設(shè)計(jì)合適的進(jìn)、排氣緩沖罐、孔板、設(shè)備和管道支撐等，達(dá)到控制機(jī)組振動(dòng)的目的，對(duì)不少機(jī)組設(shè)計(jì)和使用工程師仍是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的難題。本文以新疆塔里木油田牙哈國(guó)產(chǎn)電驅(qū)注氣DTY4500壓縮機(jī)組（6CFB壓縮機(jī)身、6個(gè)氣缸、3級(jí)壓縮和4500kW電機(jī)驅(qū)動(dòng)，總圖布置如圖1所示）為例，說(shuō)明如何通過(guò)進(jìn)行API 618（第五版） 方法3所要求的氣流脈動(dòng)和機(jī)械振動(dòng)分析，優(yōu)化機(jī)組振動(dòng)控制設(shè)計(jì)，達(dá)到保證機(jī)組安全運(yùn)行的目的。

2 氣流脈動(dòng)振動(dòng)控制優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 氣流脈動(dòng)分析建模方法

圖1 牙哈電驅(qū)注氣DTY4500壓縮機(jī)組總圖布置

氣流脈動(dòng)分析是通過(guò)應(yīng)用聲學(xué)模擬軟件Bentley Puls Option 3來(lái)完成的。該軟件是目前工業(yè)界普遍接受和廣泛使用的氣流脈動(dòng)分析軟件。它采用傳遞矩陣的方法，把模型單元（如直管、變徑管、聲學(xué)體積、孔板、T形管等） 的聲學(xué)壓力、聲學(xué)體積和聲學(xué)速度聯(lián)系起來(lái)，并通過(guò)施加合適的邊界條件（如壓縮機(jī)氣缸活塞、管線閉口、管線開(kāi)口等），建立起精確的氣流脈動(dòng)分析模型。應(yīng)用該模型，可以計(jì)算模型中各節(jié)點(diǎn)在頻域里的脈動(dòng)值，通過(guò)脈動(dòng)值又可精確的計(jì)算出該段管線或設(shè)備上的脈動(dòng)不平衡力、以及壓降，并同API 618標(biāo)準(zhǔn)值比較。通過(guò)調(diào)整管線、壓力緩沖罐、孔板等氣流脈動(dòng)控制措施的設(shè)計(jì)，達(dá)到滿足API 618標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)控制的要求。

2.2 氣流脈動(dòng)分析系統(tǒng)

氣流脈動(dòng)分析系統(tǒng)采用對(duì)應(yīng)壓縮級(jí)數(shù)的氣缸作為分界點(diǎn)。這是因?yàn)榛钊跉飧字型鶑?fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生脈沖，當(dāng)氣缸中相應(yīng)的閥門開(kāi)啟時(shí)，脈沖就通過(guò)閥門傳到管道。由于進(jìn)、排氣閥門不能同時(shí)開(kāi)啟，故脈沖不能通過(guò)氣缸從進(jìn)氣系統(tǒng)傳到排氣系統(tǒng)，反之亦然。每個(gè)脈動(dòng)系統(tǒng)互不干涉，可獨(dú)立進(jìn)行分析。作為示例，圖2和圖3分別顯示了該機(jī)組一級(jí)進(jìn)氣和三級(jí)排氣系統(tǒng)的脈動(dòng)分析系統(tǒng)。

圖2 一級(jí)進(jìn)氣脈動(dòng)分析系統(tǒng)

圖3 三級(jí)排氣脈動(dòng)分析系統(tǒng)

該機(jī)組共有128個(gè)分析工況，其中包括8個(gè)目前現(xiàn)場(chǎng)使用工況，覆蓋進(jìn)氣壓力5.0～6.5 MPa（G）、進(jìn)氣溫度20～40 ℃、排氣壓力7.0～40.0 MPa（G）和流量41350～71800 Nm3/h等情況，機(jī)組轉(zhuǎn)速為995 r/min。

2.3 氣流脈動(dòng)振動(dòng)控制優(yōu)化設(shè)計(jì)

分析表明，其2級(jí)進(jìn)氣緩沖罐、2級(jí)排氣管線、3級(jí)分離器進(jìn)氣管線、3級(jí)排氣管線、以及回流管線等處振動(dòng)水平偏高。根據(jù)氣流脈動(dòng)分析結(jié)果，提出相應(yīng)氣流脈動(dòng)振動(dòng)控制優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，其中包括將原單個(gè)3級(jí)進(jìn)氣緩沖罐改為2個(gè)分開(kāi)獨(dú)立的進(jìn)氣緩沖罐，并在2級(jí)進(jìn)氣管線、2級(jí)排氣緩沖罐排氣法蘭口、3級(jí)氣缸進(jìn)氣法蘭口、3級(jí)排氣第3個(gè)球罐排氣法蘭口等處添加孔板。

2.4 氣流脈動(dòng)分析結(jié)果

對(duì)實(shí)施振動(dòng)控制設(shè)計(jì)優(yōu)化前后的機(jī)組進(jìn)行氣流脈動(dòng)分析，結(jié)果表明：2級(jí)進(jìn)氣緩沖罐、2級(jí)排氣管線、3級(jí)分離器進(jìn)氣管線、3級(jí)排氣管線、以及回流管線等處，氣流脈動(dòng)不平衡力較大，超出了API 618標(biāo)準(zhǔn)值。實(shí)施氣流脈動(dòng)控制優(yōu)化設(shè)計(jì)后，這些部位的氣流脈動(dòng)不平衡力得到顯著降低，機(jī)組振動(dòng)水平明顯降低到標(biāo)準(zhǔn)允許值范圍。

圖4和圖5顯示了第1中間級(jí)（1級(jí)排氣和2級(jí)進(jìn)氣） 系統(tǒng)，在實(shí)施設(shè)計(jì)優(yōu)化前后的脈動(dòng)超標(biāo)比率?？梢钥吹剑瑑?yōu)化設(shè)計(jì)前的脈動(dòng)峰-峰值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了API 618標(biāo)準(zhǔn)允許值，而優(yōu)化設(shè)計(jì)后的脈動(dòng)峰-峰值則下降到了API 618標(biāo)準(zhǔn)允許值附近。

圖6和圖7顯示了3級(jí)排氣系統(tǒng)在實(shí)施設(shè)計(jì)優(yōu)化前后的脈動(dòng)超標(biāo)比率。可以看到，設(shè)計(jì)優(yōu)化前的3級(jí)排氣系統(tǒng)脈動(dòng)峰-峰值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了API 618標(biāo)準(zhǔn)允許值，而設(shè)計(jì)優(yōu)化后的脈動(dòng)峰-峰值則有所下降。

圖8和圖9顯示了2級(jí)進(jìn)氣緩沖罐脈動(dòng)不平衡力在實(shí)施設(shè)計(jì)優(yōu)化前后的變化?？梢钥吹?，設(shè)計(jì)優(yōu)化前的脈動(dòng)不平衡力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了API 618標(biāo)準(zhǔn)允許值，而設(shè)計(jì)優(yōu)化后的脈動(dòng)不平衡力則下降到了API 618標(biāo)準(zhǔn)允許值以下范圍。

圖10和圖11顯示了3級(jí)排氣球罐水平脈動(dòng)不平衡力在實(shí)施設(shè)計(jì)優(yōu)化前后的變化，圖12和圖13顯示了回流水平管脈動(dòng)不平衡力在實(shí)施設(shè)計(jì)優(yōu)化前后的變化?？梢钥吹?，設(shè)計(jì)優(yōu)化前它們的脈動(dòng)不平衡力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了API 618標(biāo)準(zhǔn)允許值，而設(shè)計(jì)優(yōu)化后的脈動(dòng)不平衡力則都下降到了API 618標(biāo)準(zhǔn)允許值附近或以下。

同時(shí)，分析結(jié)果表明，實(shí)施振動(dòng)控制設(shè)計(jì)優(yōu)化后，機(jī)組因此而產(chǎn)生的壓降和功率損失有所增加，但仍在API618標(biāo)準(zhǔn)允許值范圍內(nèi)。

3 機(jī)械振動(dòng)控制優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)械系統(tǒng)分析建模方法

圖4 第1中間級(jí)系統(tǒng)的脈動(dòng)超標(biāo)比率（優(yōu)化前）

圖5 第1中間級(jí)系統(tǒng)的脈動(dòng)超標(biāo)比率（優(yōu)化后）

圖6 3級(jí)排氣系統(tǒng)的脈動(dòng)超標(biāo)比率（優(yōu)化前）

機(jī)械系統(tǒng)分析建模是使用有限元數(shù)學(xué)模型模擬壓縮機(jī)組原型系統(tǒng)。原型系統(tǒng)中的中體、氣缸、緩沖罐、洗滌罐、進(jìn)排氣管道、彎頭、三通、變徑管等均被模擬成具有等效力學(xué)性能（彈性和幾何特性） 的梁?jiǎn)卧＿@些梁?jiǎn)卧ㄟ^(guò)其端點(diǎn)的位移和力協(xié)調(diào)關(guān)系，相互聯(lián)系起來(lái)形成一個(gè)完整的數(shù)學(xué)系統(tǒng)。壓縮機(jī)中體與機(jī)身（不包含在模型中）的連接點(diǎn)，進(jìn)排氣管道與外部管道的結(jié)合點(diǎn)，管道及洗滌罐支撐處等，則被模擬成具有合適剛度和位移限制的邊界點(diǎn)。系統(tǒng)模型中的動(dòng)態(tài)載荷包括氣流脈動(dòng)引起的不平衡力、氣缸內(nèi)的氣體力、產(chǎn)生于壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)質(zhì)量部件的諧和激振力以及連桿上的慣性力。靜態(tài)載荷則包括管道內(nèi)壓力，重力和熱膨脹引起的位移載荷等。

圖7 3級(jí)排氣系統(tǒng)的脈動(dòng)超標(biāo)比率（優(yōu)化后）

圖8 二級(jí)進(jìn)氣緩沖罐脈動(dòng)不平衡力（優(yōu)化前）

圖9 二級(jí)進(jìn)氣洗滌罐脈動(dòng)不平衡力（優(yōu)化后）

圖10 3級(jí)排氣球罐水平脈動(dòng)不平衡力（優(yōu)化前）

在建立了機(jī)組系統(tǒng)模型和定義了相應(yīng)載荷后，即可計(jì)算由任一載荷或它們的組合所引起的機(jī)組系統(tǒng)響應(yīng)。在靜態(tài)分析中，用數(shù)字方法可以計(jì)算出模型單元節(jié)點(diǎn)的位移，并通過(guò)位移計(jì)算出單元節(jié)點(diǎn)力和單元內(nèi)應(yīng)力。在動(dòng)態(tài)分析中，用數(shù)字方法可以計(jì)算出近似系統(tǒng)的特征值（即固有頻率）和特征向量（即振形），還能計(jì)算出機(jī)組系統(tǒng)對(duì)動(dòng)載荷特性的響應(yīng)，其結(jié)果以模型中每個(gè)單元節(jié)點(diǎn)處的加速度和位移的形式給出。

圖11 3級(jí)排氣球罐水平脈動(dòng)不平衡力（優(yōu)化后）

圖12 回流水平管脈動(dòng)不平衡力（優(yōu)化前）

圖13 回流水平管脈動(dòng)不平衡力（優(yōu)化后）

在計(jì)算得到機(jī)組系統(tǒng)的振動(dòng)力響應(yīng)后，把這些結(jié)果與API618標(biāo)準(zhǔn)允許值進(jìn)行比較，即可確定設(shè)計(jì)的機(jī)組系統(tǒng)是否可接受。通過(guò)修改機(jī)組配置和支撐設(shè)計(jì)，逐步達(dá)到使機(jī)組設(shè)計(jì)滿足API618要求的目的。

3.2 機(jī)械振動(dòng)分析模型

圖14和圖15分別顯示了使用Bentley AutoPIPE Advanced軟件建立的機(jī)組使用1個(gè)3級(jí)進(jìn)氣緩沖罐（設(shè)計(jì)優(yōu)化前） 和2個(gè)3級(jí)進(jìn)氣緩沖罐（設(shè)計(jì)優(yōu)化后） 的機(jī)械振動(dòng)分析模型。其中圖14同時(shí)顯示了機(jī)組系統(tǒng)的壓力分布，圖15顯示了機(jī)組系統(tǒng)的溫度分布。

3.3 機(jī)械振動(dòng)控制優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)和機(jī)械振動(dòng)分析結(jié)果，提出相應(yīng)機(jī)械振動(dòng)控制優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，其中包括將原單個(gè)3級(jí)進(jìn)氣緩沖罐改為2個(gè)分開(kāi)獨(dú)立的進(jìn)氣緩沖罐，并通過(guò)中體吊環(huán)孔對(duì)分開(kāi)獨(dú)立的進(jìn)氣緩沖罐進(jìn)行支撐，同時(shí)加裝垂直梁支撐緩沖罐進(jìn)氣管道。同時(shí)，檢查2級(jí)排氣緩沖罐楔型支撐和捆綁式楔形支撐并確保其符合安裝要求，增加安全閥出口管線支撐，加強(qiáng)管線支撐，確認(rèn)在2級(jí)洗滌罐底部梁形成的空腔及鄰近梁結(jié)構(gòu)空腔內(nèi)灌漿等。

圖14 機(jī)組設(shè)計(jì)優(yōu)化前的機(jī)械振動(dòng)分析模型（含壓力分布）

圖15 機(jī)組設(shè)計(jì)優(yōu)化后的機(jī)械振動(dòng)分析模型（含溫度分布）

3.4 機(jī)械振動(dòng)分析結(jié)果

分析結(jié)果表明，實(shí)施上敘機(jī)械振動(dòng)控制設(shè)計(jì)優(yōu)化后，2級(jí)進(jìn)氣洗滌罐不再發(fā)生機(jī)械共振、振動(dòng)水平顯著下降。2級(jí)進(jìn)氣排氣緩沖罐、3級(jí)進(jìn)氣洗滌罐、3級(jí)排氣管線等處振動(dòng)值也顯著減小，滿足標(biāo)準(zhǔn)允許值要求。

圖16和圖17分別顯示了機(jī)組在設(shè)計(jì)優(yōu)化前后的振動(dòng)模態(tài)。因機(jī)組系統(tǒng)的最低固有頻率并不在2.4倍機(jī)組運(yùn)行轉(zhuǎn)速頻率之上，其它頻率也沒(méi)有完全避開(kāi)機(jī)組運(yùn)行轉(zhuǎn)速頻率的要求倍頻數(shù)范圍，因而需要進(jìn)行振動(dòng)力響應(yīng)分析（即API618方法3中的3b分析）。

圖16 機(jī)組設(shè)計(jì)優(yōu)化前的系統(tǒng)10 th振型（33.4 Hz）

圖17 機(jī)組設(shè)計(jì)優(yōu)化后的系統(tǒng)4 th振型（31.7 Hz）

圖18 計(jì)算的機(jī)組設(shè)計(jì)優(yōu)化前的振動(dòng)位移響應(yīng)

圖18和圖19分別顯示了機(jī)組設(shè)計(jì)優(yōu)化前后的振動(dòng)力響應(yīng)分析結(jié)果。在該力響應(yīng)分析中，壓縮機(jī)集氣室系統(tǒng)的激振力為氣流脈動(dòng)引起的不平衡力和氣缸內(nèi)的氣體力，管道系統(tǒng)的激振力為氣流脈動(dòng)引起的不平衡力。把上述激振力施加在機(jī)組系統(tǒng)模型上，通過(guò)強(qiáng)迫振動(dòng)分析，計(jì)算得到系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)（位移、加速度和動(dòng)應(yīng)力）。通過(guò)修改機(jī)組系統(tǒng)機(jī)械特性（即實(shí)施上面所敘的機(jī)械振動(dòng)控制設(shè)計(jì)優(yōu)化），達(dá)到降低機(jī)組振動(dòng)響應(yīng)幅值以及動(dòng)態(tài)應(yīng)力到API618標(biāo)準(zhǔn)允許值范圍內(nèi)的目的。

圖20和圖21分別顯示了機(jī)組設(shè)計(jì)優(yōu)化前后的管道柔性分析結(jié)果。實(shí)施機(jī)械振動(dòng)控制設(shè)計(jì)優(yōu)化后，機(jī)組系統(tǒng)在壓力、重力和熱膨脹載荷作用下的管道應(yīng)力、冷卻器管嘴載荷等都滿足ASME B31.3允許值要求。

圖19 計(jì)算的機(jī)組設(shè)計(jì)優(yōu)化后的振動(dòng)位移響應(yīng)

圖20 機(jī)組設(shè)計(jì)優(yōu)化前在運(yùn)行狀態(tài)下的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力比

圖21 機(jī)組設(shè)計(jì)優(yōu)化后在運(yùn)行狀態(tài)下的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力比

4 結(jié)論

高壓注氣大功率往復(fù)壓縮機(jī)組的振動(dòng)控制設(shè)計(jì)直接影響到高壓注氣系統(tǒng)的安全運(yùn)行，因而具有十分重要的意義。本文以新疆塔里木油田牙哈國(guó)產(chǎn)電驅(qū)注氣DTY4500壓縮機(jī)組振動(dòng)控制設(shè)計(jì)改進(jìn)為例，說(shuō)明如何實(shí)施壓縮機(jī)組的振動(dòng)控制優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化設(shè)計(jì)后的機(jī)組在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行良好，這為提高高壓注氣大功率往復(fù)壓縮機(jī)組的運(yùn)行安全性提供了技術(shù)參考。