海洋石油平臺天然氣壓縮機(jī)脈動消減技術(shù)分析

張寶

中海石油（中國）有限公司海南分公司 海南 海口 570100

天然氣壓縮機(jī)保障海洋石油開發(fā)和天然氣有效壓縮，價(jià)值作用顯著，然而，在具體使用天然氣壓縮機(jī)期間，因內(nèi)部壓力升高，會加劇爆炸風(fēng)險(xiǎn)，引發(fā)安全事故的發(fā)生，后果不堪設(shè)想。研究發(fā)現(xiàn)，天然氣壓縮機(jī)脈動是造成管道振動的關(guān)鍵因素，會增加管道損傷程度，影響天然氣壓縮安全性。因此，本文深入研究海洋石油平臺天然氣壓縮機(jī)脈動消減技術(shù)措施應(yīng)用情況，旨在減少機(jī)械設(shè)備內(nèi)部壓力，降低爆炸事故發(fā)生可能性。

1 天然氣壓縮機(jī)氣流脈動和管道振動分析

研究發(fā)現(xiàn)，天然氣壓縮機(jī)在實(shí)際應(yīng)用過程中，涉及到反復(fù)吸氣和排氣過程，整個(gè)吸排動作持續(xù)進(jìn)行會增加管道內(nèi)部的壓力，在壓力作用下，氣體進(jìn)入到管路中進(jìn)而引發(fā)脈動現(xiàn)象。天然氣壓縮機(jī)在此種運(yùn)行狀態(tài)下會降低工作效率，增加功率損耗。同時(shí)，影響天然氣壓縮機(jī)氣閥正常工作，最終引發(fā)管道振動現(xiàn)象，無法保證穩(wěn)定的供氣狀態(tài)。因此，天然氣壓縮機(jī)管道振動與氣流脈動有直接的關(guān)聯(lián)性；進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，氣流脈動力的產(chǎn)生主要源于閥門、彎管、控制閥等。研究發(fā)現(xiàn)，天然氣壓縮機(jī)管道、支架等設(shè)備組成了完整的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，增加了管道振動發(fā)生的可能性。本研究分析發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)、頻率、氣流脈動均與管道振動有相關(guān)性。在天然氣壓縮機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，存在設(shè)計(jì)不足之處，尤其在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，未能結(jié)合實(shí)際情況深化設(shè)計(jì)，造成設(shè)計(jì)與系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)偏差；設(shè)計(jì)人員忽視了動力平衡問題，造成機(jī)組與其相連接的管道發(fā)生振動現(xiàn)象。同時(shí)，管道內(nèi)部頻率也是引起振動的關(guān)鍵因素之一［1］。通常情況下，天然氣壓縮機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部管道振動頻率是穩(wěn)定和固定的，但當(dāng)天然氣壓縮機(jī)的激發(fā)頻率近似于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)某一處頻率時(shí)，會增加頻率幅度，進(jìn)而產(chǎn)生共振現(xiàn)象，加劇了管道的內(nèi)部應(yīng)力，在巨大應(yīng)力作用下，引發(fā)管道振動。此外，脈動是引發(fā)管道振動的首要因素。天然氣壓縮機(jī)在壓縮天然氣過程中，會高頻率地使用壓縮機(jī)，最大程度上滿足供氣需求，提高天然氣管道供氣能力。頻繁加壓，會增加管道壓力，且加壓不規(guī)律，造成管道壓力上調(diào)或是下降，進(jìn)而產(chǎn)生了壓力脈動，并在管道彎頭、異徑管等共同作用下，形成巨大激振力，增加了管道爆炸風(fēng)險(xiǎn)，安全隱患高，亟需采取科學(xué)有效的方法進(jìn)行干預(yù)，進(jìn)而減輕管道內(nèi)部的壓力。

2 天然氣壓縮機(jī)機(jī)組系統(tǒng)分析

（1）系統(tǒng)循環(huán)水冷卻系統(tǒng)。天然氣壓縮機(jī)循環(huán)水冷卻系統(tǒng)通常使用的都是自來水，但在系統(tǒng)長期循環(huán)使用過程中，會產(chǎn)生不同程度的水垢現(xiàn)象，影響系統(tǒng)整體運(yùn)行效率，尤其是影響到天然氣壓縮機(jī)傳熱效率，整個(gè)機(jī)組溫度有明顯升高的趨勢，增加了設(shè)備故障發(fā)生率，縮短了天然氣壓縮機(jī)使用周期。當(dāng)前，主要采取機(jī)械清洗、化學(xué)清潔、電子除垢等方法進(jìn)行水垢清潔和處理，不同的處理方法產(chǎn)生的效果也不相同。

（2）傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)潤滑系統(tǒng)。天然氣壓縮機(jī)傳動機(jī)構(gòu)潤滑系統(tǒng)是系統(tǒng)重要組成部分，在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，傳動機(jī)構(gòu)潤滑系統(tǒng)十字頭和滑道故障發(fā)生率較高，嚴(yán)重影響整體機(jī)組運(yùn)行。分析原因發(fā)現(xiàn)，傳動機(jī)構(gòu)潤滑系統(tǒng)十字頭潤滑程度不夠，且油壓較低，進(jìn)而在機(jī)組運(yùn)行磨損過程中，誘發(fā)系統(tǒng)故障。建議做好傳動機(jī)構(gòu)潤滑系統(tǒng)保養(yǎng)和維護(hù)工作，制定周期性檢修計(jì)劃，定期檢查系統(tǒng)運(yùn)行情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障問題，并做好維修記錄，為下次運(yùn)維工作開展提供依據(jù)［2］。建議天然氣壓縮機(jī)生產(chǎn)廠商，采取合理的潤滑模式，確保提高十字頭的潤滑程度，降低故障發(fā)生率。

（3）氣缸潤滑。天然氣壓縮機(jī)氣缸潤滑操作，主要是借助注器將潤滑油注射到氣缸中的。觀察發(fā)現(xiàn)，在天然氣壓縮機(jī)運(yùn)行過程中，注油器柱塞容易發(fā)生故障、有油路堵塞的情況，容易發(fā)生活塞拉傷問題。為解決上述問題，相關(guān)人員切實(shí)履職盡責(zé)，嚴(yán)格按照注油渣規(guī)定進(jìn)行操作，科學(xué)把控注油量，避免油量過多或是過少對機(jī)組造成負(fù)面影響。

（4）高壓管道。計(jì)算發(fā)現(xiàn)，天然氣壓縮機(jī)高壓管道工作壓力達(dá)到了25MPa，受多種因素影響，管道內(nèi)部壓力波動很頻繁，且波動幅度較大。研究發(fā)現(xiàn)，鋪設(shè)高壓管道時(shí)，一般采用的是卡套連接方式連接管道，其材料品質(zhì)以不銹鋼居多。按照上述連接方式，方便技術(shù)人員操作和安全，拆卸便捷，可規(guī)避焊接接頭問題。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，卡套連接操作效果、卡套的材質(zhì)、熱處理等方面與天然氣壓縮機(jī)整體裝配有一定的關(guān)聯(lián)性；卡套質(zhì)量越高，裝配效果也越好，能夠提升密封程度，減少油氣泄漏問題的發(fā)生；可將安全隱患控制到最小［3］。但有研究指出，金屬密封墊焊接接管接頭工藝技術(shù)水平更高，且工藝制作更便捷，對管道尺寸或是精度無嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 海洋石油平臺天然氣壓縮機(jī)脈動消減技術(shù)實(shí)施對策

（1）優(yōu)化配線設(shè)計(jì)。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)天然氣壓縮機(jī)機(jī)組系統(tǒng)，可削減氣流脈動，避免發(fā)生管道振動。設(shè)計(jì)中，重視管道配套管線設(shè)計(jì)，按照管線工藝標(biāo)準(zhǔn)開展設(shè)計(jì)工作。結(jié)合天然氣壓縮機(jī)運(yùn)行需求，深化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，充分考慮機(jī)組與管道之間的相互作用，確保動力平衡。設(shè)計(jì)人員做好充分的調(diào)研和考察工作，借助計(jì)算機(jī)軟件科學(xué)計(jì)算管道系統(tǒng)配置參數(shù)，避免產(chǎn)生偏差。測量和計(jì)算管道實(shí)際使用長度，測定管道的內(nèi)徑大小，設(shè)定合理的管道容積，明確定位管道位置，提高管道系統(tǒng)配置。同時(shí)，優(yōu)化氣流脈動響應(yīng)計(jì)算，根據(jù)氣流不均勻度分布情況，控制氣流脈動響應(yīng)速度，避免引發(fā)管道振動。

（2）優(yōu)化管道設(shè)計(jì)。除了增加固定支撐外，提升管道的剛度，目的在于減少氣流的阻力，起到削減脈動的作用。在管道支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)下，最大程度上提高了管道穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)人員綜合考量，基于天然氣壓縮機(jī)管道機(jī)吸氣和排氣需求下，進(jìn)一步優(yōu)化工藝流程，合理布置管道，保證管道排列有序，確保管道支撐安裝作業(yè)順利開展，并在減少彎頭的情況，采取管道就地鋪設(shè)方法進(jìn)行布設(shè)，提高便捷程度［4］。為充分吸收振動力，將支架妥善固定在管墩型鋼上，并預(yù)留一定的彈性度，確保振動力有效被吸收。為保證穩(wěn)固效果，在管道支架選用上，排除吊架方式，應(yīng)用固定支架。首選管道接觸面積大、管卡面積大的固定支架，并在實(shí)際搭設(shè)中，于支架和管道接觸位置鋪墊石棉橡膠；提高防振動效果。本研究中，還應(yīng)用了具有獨(dú)立基礎(chǔ)的防振支架，并在使用前，進(jìn)行支架材料剛度檢驗(yàn)，確保滿足剛度標(biāo)準(zhǔn)，并實(shí)際計(jì)算管系固定頻率，精準(zhǔn)定位支架固定位置，確保與管系之間保持合理的距離。此外，在支架跨距方面，遵循管系頻率進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保每個(gè)支架的跨距相同。研究發(fā)現(xiàn)，整個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)和投入使用過程中，成本費(fèi)用較高，需要投入大量的人力資源、物力資源和財(cái)力資源。

（3）安裝節(jié)流孔板。多項(xiàng)研究證實(shí)，借助孔板，可提升減振效果。安裝孔板后，能夠?qū)⒐艿纼?nèi)部的氣流改變?yōu)樾胁顟B(tài)；盡可能促使管道內(nèi)部氣體更加均勻，有利于改善和增強(qiáng)緩沖效果，減振效果更理想。研究發(fā)現(xiàn)，在緩沖器法蘭部位安裝孔板，能夠更換管道氣流方向，在削減管道內(nèi)部壓力方面起到重要作用。由于多種因素的影響，管道內(nèi)部壓力不均勻，通過安裝孔板，增強(qiáng)氣流的緩沖效果，進(jìn)而削減天然氣壓縮機(jī)氣流脈動，減振效果更理想。增設(shè)孔板后，氣流通過后會立即改變方向和氣流的速度，能夠消耗管道系統(tǒng)整體能量，進(jìn)而優(yōu)化天然壓縮機(jī)在海洋石油采油、增壓、輸送各個(gè)環(huán)節(jié)；保證油氣供應(yīng)效果。研究認(rèn)為，基于削減氣流脈動同時(shí)，要綜合考量削減技術(shù)工藝實(shí)施需求。為此，嚴(yán)格計(jì)算氣流通過孔板時(shí)的壓力降。壓力降公式表示為：

進(jìn)而推算出孔板安裝或的壓力降:

式中：Z1、Z2分別表示的是截面1和截面2到中心到基準(zhǔn)水平垂直距離，用m表示。p1和p2則是表示氣流在截面1和2位置的壓強(qiáng)；v1和v2是氣流在截面1和2出口位置的流量，以m3/s的方式進(jìn)行表示；Σhf代表氣流能量損失；We代表外功或是靜功。安裝孔板的原理主要是改變管道內(nèi)不同方向的氣流，削減系統(tǒng)整體能量；進(jìn)而在增加管道阻力同時(shí)，降低油氣輸送壓力；具體可根據(jù)減振情況增加孔板。在實(shí)際安裝孔板過程中，安裝人員嚴(yán)格按照安裝流程和實(shí)施要點(diǎn)開展安裝作業(yè)，深入解讀設(shè)計(jì)圖，精準(zhǔn)定位孔板的安裝位置，避免出現(xiàn)偏差，準(zhǔn)確將孔板安裝于管道出口處的法蘭位置，科學(xué)把控孔板的安裝距離，確保最大程度上提高孔板的反射能力，改變氣流方向同時(shí)，規(guī)避管道振動；保證天然氣壓縮機(jī)脈動削減效果，提高供氣能力。

（4）優(yōu)化緩沖器設(shè)置。研究指出，緩沖器緩沖效果好，具有脈動削減作用，安裝在脈動源頭，減振效果最好。若是距離氣流脈動較遠(yuǎn)，難以達(dá)到預(yù)期的減振效果。因此，在緩沖器安裝位置選擇上，要結(jié)合實(shí)際情況優(yōu)選安裝位置，盡可能靠近氣缸，從而提升減振效果。另外，首選容積較大的緩沖器。有研究提示，可根據(jù)V＝（25～40）mFS公式計(jì)算緩沖器的容積；式中的V代表緩沖器的容積，用m3表示。式中的m代表同時(shí)做工的氣缸數(shù)量。F則是代表氣缸活塞面積（m3）。S則是代表氣缸活塞行程，用m表示。將進(jìn)入緩沖器管道內(nèi)部氣體脈動值設(shè)定為ΔW1；將管道緩沖器流出的氣體脈動值設(shè)定為ΔW2；那么推出削減系數(shù)式為：AF＝ΔW1／ΔW2。計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)AF的值越大時(shí)，緩沖器減振效果也越好；反之，則越差。

4 結(jié)束語

綜上所述，海洋石油平臺天然氣壓縮機(jī)脈動消減技術(shù)實(shí)施，能夠提升減振效果，可降低管道內(nèi)部壓力，有利于防范安全事故的發(fā)生。通過安裝緩沖器、優(yōu)化管配線設(shè)計(jì)、增設(shè)孔板等方式，可有效削減氣流脈動，降低管道振動發(fā)生率，更好保障天然氣壓縮機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行；同時(shí)，要做好天然氣壓縮機(jī)定期運(yùn)維工作，及時(shí)發(fā)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)隱患，并針對性進(jìn)行處理和干預(yù)，最大程度上延長天然氣壓縮機(jī)的使用壽命。