大功率往復式壓縮機管道振動原因及振動控制研究

［摘 要］大功率往復式壓縮機在天然氣生產(chǎn)和輸送中具有重要作用，其安全性對于整個天然氣系統(tǒng)的穩(wěn)定至關(guān)重要。然而，該類壓縮機在運行過程中產(chǎn)生的振動問題，不僅會降低其工作效率，還可能引發(fā)安全事故。文章分析了大功率往復式壓縮機管道振動的原因，并提出了有效的控制措施，旨在保障天然氣儲氣庫的生產(chǎn)安全，提升壓縮機運行效率。

［關(guān)鍵詞］大功率往復式壓縮機；管道；振動特性；振動控制

［中圖分類號］TM73 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）09–0109–03

1 往復式壓縮機管道振動原因

1.1 氣流脈動引起的管道振動

往復式壓縮機通過活塞在氣缸內(nèi)的往復運動來實現(xiàn)對氣體的壓縮。在這一過程中，閥門控制著氣體的吸入和排出。然而，正是由于這種工作方式的間斷性，使得氣流在管道中的流動呈現(xiàn)出脈動狀態(tài)，即氣體的速度和壓力會隨著活塞的運動而發(fā)生周期性的變化。這種脈動狀態(tài)的氣體在管道中流動時，會受到彎管、閥門等管道結(jié)構(gòu)的阻礙，從而產(chǎn)生激振力，進而引發(fā)管道的機械振動。這種振動不僅會對管道系統(tǒng)造成影響，更會通過反饋機制傳遞到壓縮機組本身，對氣缸的工作穩(wěn)定性造成干擾。在行業(yè)內(nèi)，氣流脈動被認為是引起管道振動的主要原因之一。為了評估其影響程度，通常會采用壓力不均度這一指標。當壓力不均度較高時，意味著氣流脈動強烈，振動幅度大，這會對壓縮機組的安全運行造成較大的風險。因此，對于往復式壓縮機的運行和維護來說，降低氣流脈動、減小壓力不均度及抑制管道振動至關(guān)重要。壓力不均度δ的計算公式如下：

式中，Pmax、Pmin為管道內(nèi)部氣體在某一時刻的壓力最大值和最小值，MPa；P0為管道內(nèi)平均壓力，MPa。

往復式壓縮機的氣閥設(shè)計和工作特性，決定了在實際運行中完全消除氣流脈動是一項難以實現(xiàn)的任務(wù)。因此，更為實際且可行的目標是將氣流脈動控制在可接受的范圍內(nèi)，以確保壓縮機的穩(wěn)定運行和管道系統(tǒng)的安全性。為了達到這一目標，有效控制由氣流脈動引起的壓力不均度成為一項重要工作。通過合理調(diào)整壓縮機的運行參數(shù)、優(yōu)化管道布局及采用適當?shù)臏p振措施，可以將壓力不均度控制在許用范圍內(nèi)，從而降低管道振動的幅度和頻率。關(guān)于壓縮機脈動不均度的許用值（表1），可參照相關(guān)行業(yè)標準或規(guī)范。這些許用值是根據(jù)壓縮機的類型、規(guī)格及工作條件等因素綜合確定的，為壓縮機的設(shè)計和運行提供了重要的參考依據(jù)。在實際應(yīng)用中，應(yīng)將壓力不均度控制在這些許用值之內(nèi)，以確保壓縮機組和管道系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行。

在氣體傳輸中，管道結(jié)構(gòu)和部件對氣流有不同影響。直管道引起的氣流壓力不均較小，而彎頭、分支和閥門等導致的壓力不均較大，并可能加劇振動。某往復式壓縮機的二級排氣管道瞬時壓力變化范圍為7.70～7.94 MPa，平均壓力為7.82 MPa。通過計算得出壓力不均度δ 為3.07%。根據(jù)行業(yè)標準，該壓力不均度在允許范圍內(nèi)，說明振動情況可接受，不會對壓縮機運行和管道安全產(chǎn)生不良影響，這對性能評估和管道設(shè)計優(yōu)化至關(guān)重要。

1.2 氣柱共振引起的管道振動

在一個充滿氣體的管道內(nèi)部，氣流呈現(xiàn)出一種獨特的柱體狀態(tài)，這種狀態(tài)被稱為“氣柱”。這種氣柱不僅存在，而且具有彈性體的顯著特性，即其擁有自己特定的固有頻率。當外界因素，如壓縮機的運行或其他機械作用產(chǎn)生的激發(fā)頻率與管道內(nèi)氣柱的自然振動頻率相吻合時，就會發(fā)生一種特殊的現(xiàn)象—— 氣柱共振。氣柱共振是一種極具破壞性的現(xiàn)象。當共振發(fā)生時，管道本身會經(jīng)歷劇烈的振動，這種振動不僅局限于管道，還會迅速傳遞到整個壓縮機組及其附屬部件。這種全局性的振動不僅會影響設(shè)備的正常運行，還可能導致部件的損壞或整體系統(tǒng)的失效。在無阻尼平面波理論中，氣體脈動壓力與脈動速度可由以下公式表示：

式中，P1、P2分別為x=0和x=1的脈動壓力；U1、U2分別為x=0和x=1處脈動速度；U為曲管道內(nèi)氣體流速，m/s；x為管道長度；ρɑ為流體密度，kg/m3。

2 往復式壓縮機進出口管道布置設(shè)計

2.1 入口分液罐的位置設(shè)計

往復式壓縮機是一種重要的工業(yè)設(shè)備，其穩(wěn)定運行關(guān)系到整個天然氣輸送系統(tǒng)的性能。為了確保氣體能夠平穩(wěn)、連續(xù)地輸入到壓縮機中，并防止可能的液沫夾帶問題，一般在壓縮機入口設(shè)置進口分液罐。該分液罐設(shè)計巧妙，不僅可有效調(diào)節(jié)壓縮機進氣流量，使之維持在一個穩(wěn)定的范圍內(nèi)，而且可有效分離夾帶在氣體中的微小液滴。進口分液罐通過分離液滴，大幅減少了液沫夾帶的危險，避免了液滴對壓氣機內(nèi)部部件的潛在損傷。另外，為進一步優(yōu)化壓氣機工作環(huán)境，對分液罐的布置位置進行了細致的考慮。一般情況下，應(yīng)該安裝在壓縮機附近。這種布置方式，既可以降低氣流不穩(wěn)定性，又可以降低進口管路振動帶來的不利影響，還可以保持較低的進口壓力降。這種布置方式既能提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，又能有效防止凝液進入缸內(nèi)，從而保證壓縮機正常運轉(zhuǎn)。

2.2 出口管道設(shè)計

為了減少振動和應(yīng)力對管道系統(tǒng)及相連設(shè)備的不良影響，須在靠近進出口管嘴的位置安裝緩沖罐。緩沖罐的設(shè)計能夠有效地吸收和分散系統(tǒng)中的振動能量，從而降低振動傳遞的幅度。此外，為了進一步增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性，管道應(yīng)沿著地面低處進行敷設(shè)。通過這種方式，可以利用地面的支撐作用來減緩振動傳遞，并降低管嘴所受的應(yīng)力。在管道敷設(shè)過程中，應(yīng)使用管卡、限位支架或止推支架等輔助設(shè)備。這些支架不僅能夠固定管道的位置，防止其發(fā)生位移，還能有效地減緩振動傳遞，保護管道和管嘴免受振動和應(yīng)力的損害。同時，為了確保管道系統(tǒng)的安全運行，熱脹推力應(yīng)避免直接作用到設(shè)備管嘴上，且熱應(yīng)力需嚴格控制在允許范圍內(nèi)。在廠房內(nèi)部，特別是振動敏感區(qū)域，如彎頭、閥門等關(guān)鍵部位，應(yīng)增設(shè)支架以提供額外的支撐和固定。這些支架的設(shè)置能夠有效地降低振動和應(yīng)力對這些區(qū)域的影響，確保管道系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。此外，安全閥放空管道和氮氣出口管道也應(yīng)沿地面敷設(shè)，并與出口管道保持平行。這種布局方式便于統(tǒng)一考慮支架設(shè)置，使管道系統(tǒng)更加整齊、有序，同時也方便日后的維護和檢修工作。

2.3 支架設(shè)計

在設(shè)計往復式壓縮機的吸入或排出管道時，支架設(shè)計對系統(tǒng)穩(wěn)定性和振動傳遞至關(guān)重要。支架應(yīng)獨立于壓縮機基礎(chǔ)，以隔離振動。通常，管道沿地面敷設(shè)，利用地面穩(wěn)定性減緩振動，而抗震支架因減振性好而常用，安裝在剛性管墩上可增強穩(wěn)定性，安裝時應(yīng)避免支架搭接，確保獨立作用。管道應(yīng)布置在不等跨管墩上，最大間距為3 m，分散振動能量，關(guān)鍵部位如閥門、三通及彎頭附近需增設(shè)支架和防振管卡以固定。并排管道布局應(yīng)優(yōu)化支架設(shè)置，減少管墩數(shù)量，合理的設(shè)計可以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、安全性，同時降低施工成本。

3 往復式壓縮機管道振動的控制措施

3.1 合理設(shè)置緩沖罐

為了有效解決由往復式壓縮機引發(fā)的管道振動難題，工程師們常在管道系統(tǒng)中引入緩沖罐這一關(guān)鍵組件。緩沖罐的功能類似于一個精心設(shè)計的空氣彈簧，其主要作用是通過平抑氣流脈動來顯著降低振動水平。當管道內(nèi)部的氣壓發(fā)生波動時，緩沖罐能夠靈活地吸收或釋放壓力，從而有效防止管道內(nèi)壓力出現(xiàn)急劇的增減。為了最大化緩沖罐的減振效果，在設(shè)計和安裝過程中需要考慮以下關(guān)鍵因素。

（1）緩沖罐的容積。一般建議其容積應(yīng)至少為氣缸每行程容積的10 倍以上，以確保其具備足夠的壓力調(diào)節(jié)能力。

（2）緩沖罐的位置選擇。理想情況下，緩沖罐應(yīng)被放置在靠近氣缸的位置，并盡量避免處于可能引發(fā)共振的區(qū)域，這樣可以更有效地減少振動傳遞。

（3）緩沖罐與管道的連接方式。應(yīng)優(yōu)先選擇那些能夠促進氣流快速穩(wěn)定流動的連接方式，以減少氣流在連接處的湍流和阻力，從而進一步提升減振效果。

3.2 安裝減振孔板

在工業(yè)應(yīng)用中，管道振動通常是由內(nèi)部氣流脈動所致。為了緩解這一問題，通常會采取安裝減振裝置的措施來降低振動幅度。其中一種廣泛使用的減振元件是孔板，其能夠通過產(chǎn)生特定的“窒息”效應(yīng)來顯著削弱氣流脈動?？装鍦p振效果的關(guān)鍵在于其安裝位置和孔徑比的選擇。經(jīng)過精心計算和設(shè)計的孔板被安裝在緩沖罐的入口處時，能夠?qū)⒃究赡芤l(fā)共振的駐波轉(zhuǎn)變?yōu)樾胁?。這種轉(zhuǎn)變不僅有助于減少氣流脈動的幅度，還能夠有效避免管道系統(tǒng)中共振現(xiàn)象的發(fā)生。

3.3 安裝亥姆霍茲共鳴器

為了更有效地減輕管道振動帶來的問題，國際上眾多知名的壓縮機制造商紛紛開始采用一種名為亥姆霍茲共鳴器的先進設(shè)備。這種共鳴器以其緊湊的體積和靈活的布置方式而著稱，更重要的是，其在提高管道振動抑制效果方面展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢。亥姆霍茲共鳴器的工作原理是通過精確設(shè)定一個特定頻率，從而有效地阻斷低于該頻率的氣流脈動。這種獨特的運行機制使得由氣流脈動引起的振動大幅降低。在實際應(yīng)用中，這種共鳴器被證明是一種高效且可靠的管道減振解決方案。此外，美國西南研究院成功開發(fā)了一種可調(diào)節(jié)空腔容積的側(cè)支減振器，這種減振器的創(chuàng)新之處在于其能夠截止任何頻率的氣流脈動，為管道振動控制提供了更全面的解決方案。

4 結(jié)束語

文章針對復式壓縮機管道系統(tǒng)振動的根源針對性地提出了以上解決策略。這些策略不僅能夠大幅減少振動的產(chǎn)生，使得壓縮機組的運行更加穩(wěn)定可靠，還有助于提升設(shè)備的性能，為工業(yè)生產(chǎn)的安全與效率提供了堅實的保障。

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