天然氣壓縮機(jī)管路系統(tǒng)氣流脈動及管道振動分析

李丹 趙彥女 張軍偉

摘要：隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，天然氣已經(jīng)成為人們所關(guān)注的重點。天然氣是一種新型能源，提高了人們的生活質(zhì)量，減少了環(huán)境污染。隨著天然氣的大范圍使用，天然氣運(yùn)輸及儲存環(huán)境非常重要，壓縮機(jī)在天然氣運(yùn)輸和儲存過程中有著非常重要的地位。通過對天然氣壓縮機(jī)的進(jìn)氣管道進(jìn)行氣流脈動和管道振動分析，了解所存在的問題，提出相應(yīng)的管路調(diào)整措施，可以有效提高天然氣壓縮機(jī)管路系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

關(guān)鍵詞：壓縮機(jī);氣流脈動;管道振動

天然氣壓縮機(jī)氣流脈動所造成的管道振動情況，會對天然氣運(yùn)輸裝置的安全運(yùn)行造成威脅，管道振動會導(dǎo)致管道結(jié)構(gòu)以及附件設(shè)備形成疲勞破壞，從而嚴(yán)重影響到天然氣集輸管道的運(yùn)行，嚴(yán)重的情況下可能會造成爆炸惡性事故的發(fā)生。因此，國內(nèi)外很多專家針對天然氣壓縮機(jī)管路系統(tǒng)中的氣流脈動進(jìn)行了研究和分析，提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，可以有效減少天然氣壓縮機(jī)氣流脈動所造成的管道振動，從而為天然氣集輸管道的運(yùn)行提供安全基礎(chǔ)。

1天然氣壓縮機(jī)的運(yùn)行原理

天然氣壓縮機(jī)在工作過程中主要是通過電動機(jī)的動力來進(jìn)行帶動，通過中間連桿帶動活塞進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動，曲軸運(yùn)動一周，活塞就能實現(xiàn)往復(fù)一次。此時壓縮機(jī)的氣缸工作就實現(xiàn)了吸氣、壓縮到最終排氣一個循環(huán)過程。

（1）壓縮機(jī)在進(jìn)行吸氣過程中，活塞會向左移動，此時壓縮機(jī)內(nèi)部的容積變大，壓力減小。當(dāng)氣缸內(nèi)的壓力小于進(jìn)氣管壓力時，進(jìn)氣管內(nèi)的壓力就會將吸氣閥頂開，讓空氣進(jìn)入氣缸內(nèi)，直到活塞運(yùn)動至最左端時，氣缸內(nèi)的容積達(dá)到最大值，才會停止吸氣，進(jìn)而關(guān)閉閥門。

（2）當(dāng)壓縮機(jī)進(jìn)入壓縮階段?；钊麜淖笙蛴乙苿?，氣缸內(nèi)的容積會逐漸減小，導(dǎo)致氣缸內(nèi)壓力變大。

（3）排氣階段，活塞會繼續(xù)向右移動，當(dāng)氣缸內(nèi)的壓力大于進(jìn)氣管壓力時，高強(qiáng)度的壓強(qiáng)會使排氣閥門打開，并將氣體排放至排氣管內(nèi)，當(dāng)活塞移動至最右端，排氣閥才會關(guān)閉并停止排氣。之后活塞又會向左移動，再次進(jìn)行吸氣、壓縮、排氣等過程。

2改造前管路系統(tǒng)分析

2.1氣流脈動分析

壓縮機(jī)管道振動發(fā)生的主要原因是由于氣流脈動所造成的，控制壓縮機(jī)管道系統(tǒng)內(nèi)的壓力脈動屬于正常范圍之內(nèi)，就能夠有效解決管道振動。因此，建立合理的氣流脈動分析模型，可以有效對壓縮機(jī)管道所發(fā)生的氣流脈動進(jìn)行預(yù)測，合理設(shè)計管道結(jié)構(gòu)參數(shù)，才能夠?qū)饬髅}動的影響降到最低。

2.2管道振動分析

管道系統(tǒng)是一個具有連續(xù)彈性體系的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，在管道氣流脈動的影響下可以產(chǎn)生機(jī)械運(yùn)動。在設(shè)計管道過程中，除了要計算管道內(nèi)氣體固有的頻率和壓力脈動外，還需要對管道系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)固有頻率和機(jī)械振動進(jìn)行分析，只有將這兩種實際情況進(jìn)行分析，才能夠準(zhǔn)確預(yù)測管道的振動情況，對天然氣壓縮機(jī)管路系統(tǒng)振動分析時，需要考慮以下2方面的內(nèi)容：

（1）最新動態(tài)模擬分析，即管道系統(tǒng)固有頻率和振動計算。

（2）進(jìn)行激發(fā)響應(yīng)分析，分析正氣流脈動下感到的振動情況。

3管道系統(tǒng)調(diào)整

3.1調(diào)整措施

通過分析氣流脈動、管道結(jié)構(gòu)固有頻率以及激發(fā)響應(yīng)計算，并且結(jié)合管道固有的布置空間位置，對管道系統(tǒng)進(jìn)行改造。

（1）針對天然氣壓縮機(jī)管道系統(tǒng)的進(jìn)氣管和分支管，應(yīng)當(dāng)增加直徑為600毫米的匯管，能夠有效增加管道內(nèi)氣流的緩沖作用，減少管道內(nèi)氣流脈動，進(jìn)而減小管道振動現(xiàn)象的發(fā)生。

（2）將原有的進(jìn)氣分離器修改為臥式布置，可以有效降低分離器出口管線的高度，從而有效減少氣流脈動現(xiàn)象。

（3）將分支管路原有的高度進(jìn)行降低，可以有效增加管道系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（4）針對天然氣壓縮機(jī)管道系統(tǒng)的分布特點，增加支撐點，可以有效調(diào)整管道系統(tǒng)的剛度。管線的固定支點，一般采用管卡方式將管道固定在支架上，管卡和管道之間應(yīng)當(dāng)增加石棉橡膠板，也能夠增加管道的摩阻，有利于起到減振效果，同時可以確保管線溫度差屬于正常范圍之內(nèi)。

3.2調(diào)整前后對比分析

（1）氣流脈動。根據(jù)上述的改造措施，利用軟件對改造后的模型進(jìn)行模擬施工分析，控制原有轉(zhuǎn)速，了解各節(jié)點壓力脈動的變化情況，通過實驗結(jié)果可以看出，改造后的管道系統(tǒng)中所存在的最大壓力脈動主要發(fā)生在壓縮機(jī)的分支管路上，但是壓力的不均勻性有所下降。當(dāng)轉(zhuǎn)速處于其他范圍時，氣流的壓力脈動有所下降，尤其是在總管道上，帶動組織已經(jīng)下降到合理的范圍之內(nèi)，符合相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，雖然在分支管路上仍然會存在超出允許范圍，但是由于分支管道的鋼度較大，使承受的壓力脈動所引起的振動現(xiàn)象屬于正常的范圍之內(nèi)。

（2）管道振動。中國對改造前后的管路結(jié)構(gòu)固有頻率進(jìn)行計算，可以得出管路結(jié)構(gòu)固有頻率的變化趨勢，針對改造前管路對比情況可以看出，管道系統(tǒng)干性明顯增加，管道振動的固有頻率有所降低，根據(jù)模型動態(tài)結(jié)果分析可以看出，管道中的低階共振現(xiàn)象已經(jīng)消失。在經(jīng)過管道調(diào)整以后，不同激振頻率下的管道振動情況有所改善，管道中的振幅值有所降低。

3.3天然氣壓縮機(jī)管道系統(tǒng)的維護(hù)工作

為了全面發(fā)揮天然氣壓縮機(jī)的使用效果，相關(guān)的技術(shù)人員應(yīng)該按照天然氣壓縮機(jī)的規(guī)范進(jìn)行日常檢測，為了保障天然氣壓縮機(jī)可以正常的運(yùn)行，需要借助專門的養(yǎng)護(hù)技術(shù)來進(jìn)行處理，全面提升天然氣壓縮機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，所以在進(jìn)行天然氣壓縮機(jī)的養(yǎng)護(hù)檢測過程中，需要對每個部件都要進(jìn)行定期檢查，主要包括構(gòu)件檢測、機(jī)組運(yùn)行檢測和相應(yīng)位置的螺栓結(jié)構(gòu)檢測等，技術(shù)人員要做好相關(guān)螺栓長度記錄，一旦發(fā)現(xiàn)螺栓出現(xiàn)問題，必須及時進(jìn)行更換，以免造成設(shè)備出現(xiàn)損壞，影響天然氣開采的工作進(jìn)度。

4結(jié)束語

通過分析氣流脈動和管道振動問題，在實際工作過程中應(yīng)當(dāng)將氣流脈動控制在合理范圍之內(nèi)，使結(jié)構(gòu)頻率和激發(fā)頻率錯開，可以有效避免機(jī)械共振現(xiàn)象的發(fā)生，進(jìn)而消除振動現(xiàn)象。在進(jìn)行管道設(shè)計過程中，可以將復(fù)雜的管道來作為一個整體，能夠防止局部振動發(fā)生轉(zhuǎn)移。通過對不同轉(zhuǎn)速和流量下氣流脈動進(jìn)行分析，能夠有效預(yù)測管道在工作過程中發(fā)生的振動變化趨勢。

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