高 茵

(中國石化洛陽石油化工工程公司，河南洛陽 471003)

壓縮機(jī)是在石油化工裝置中用以輸送氣體的一種設(shè)備，往復(fù)式壓縮機(jī)是其中最常用的一種，在裝置中起著十分重要的作用，有“裝置心臟”之稱，加之所輸送的介質(zhì)多為易燃易爆的氣體。因此，往復(fù)式壓縮機(jī)在平面布置上、管道設(shè)計(jì)中就顯得尤為重要。下面分別從往復(fù)式壓縮機(jī)的平面布置原則，進(jìn)出口管道設(shè)計(jì)，支架位置的設(shè)置、支架型式選擇等幾個(gè)方面分別論述。

1 往復(fù)式壓縮機(jī)的平面布置原則

由于所輸送的介質(zhì)多為易燃易爆的氣體，為防止可燃?xì)怏w泄漏擴(kuò)散至明火設(shè)備區(qū)，以及考慮到往復(fù)式壓縮機(jī)的安裝、檢修需要使用大型吊裝機(jī)具，故將其布置在裝置的邊緣，且位于明火加熱爐全年最小風(fēng)頻的上風(fēng)側(cè)，與非防爆的電氣設(shè)備、高溫設(shè)備的間距要滿足現(xiàn)行的國家規(guī)范要求。

往復(fù)式壓縮機(jī)一般露天布置或半敞開布置，在寒冷或多風(fēng)沙地區(qū)可采用室內(nèi)布置。當(dāng)布置在廠房內(nèi)時(shí)，應(yīng)考慮以下幾點(diǎn):①綜合考慮爆炸泄放面積，室內(nèi)采暖、通風(fēng)的整體要求。②從檢修角度來考慮，機(jī)組與廠方墻壁的凈距≥2.0 m(大于抽活塞桿長度)，以滿足壓縮機(jī)(或電機(jī))的抽活塞桿(或轉(zhuǎn)子)要求，兩機(jī)組間的凈距＞活塞桿長度+1.0 m。在機(jī)組的一側(cè)應(yīng)留有檢修場(chǎng)地，檢修場(chǎng)地應(yīng)考慮能放置機(jī)組的最大部件，并能進(jìn)行檢修作業(yè)。對(duì)多臺(tái)壓縮機(jī)可考慮兩臺(tái)共用一處檢修場(chǎng)地，檢修場(chǎng)地設(shè)在二層時(shí)，應(yīng)考慮檢修荷載，并明確標(biāo)示出檢修區(qū)域范圍、承載能力。③檢修孔(吊裝孔)大小應(yīng)按最大檢修部件尺寸考慮，其位置應(yīng)充分考慮吊車死點(diǎn)尺寸，按最大檢修荷載選擇防爆吊車。④當(dāng)壓縮機(jī)輸送的介質(zhì)為氫氣(含烴類氣體)時(shí)應(yīng)在廠房頂部設(shè)置吸風(fēng)口或吸風(fēng)裝置，二層樓板應(yīng)考慮設(shè)置篦子板或部分篦子板，以防止爆炸性氣體的積聚。對(duì)于原動(dòng)機(jī)由隔爆電機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)組，其基礎(chǔ)下隔爆門的位置、大小應(yīng)考慮冷卻器、加熱器的安裝檢修，隔爆門的密封應(yīng)滿足要求。⑤壓縮機(jī)安裝高度的確定應(yīng)根據(jù)其構(gòu)造特點(diǎn)，緩沖罐的型式(臥式或立式)其接管進(jìn)出口的位置。綜合以上因素，一般往復(fù)式壓縮機(jī)二層平臺(tái)高度設(shè)計(jì)為3.3～3.8 m為宜。⑥地面層應(yīng)設(shè)輕污油回收漏斗、含油污水漏斗，尤其是在潤滑油站四周應(yīng)設(shè)地溝，以保證含油污水不漫流。對(duì)于多級(jí)壓縮的壓縮機(jī)組各級(jí)間的氣液分離罐、冷卻器應(yīng)布置在地面層，且盡可能靠近布置。同時(shí)，考慮操作、檢修的需要。當(dāng)潤滑油站布置在地面層時(shí)，應(yīng)布置在壓縮機(jī)的前方，以滿足壓縮機(jī)正常運(yùn)行時(shí)軸頭泵的吸入要求，同時(shí)還要考慮潤滑油冷卻器的抽芯要求。⑦往復(fù)式壓縮機(jī)及緩沖罐的基礎(chǔ)應(yīng)與廠房基礎(chǔ)分開。

2 進(jìn)出口管道振動(dòng)的形成及后果

由于往復(fù)式壓縮機(jī)的工作特點(diǎn)是吸氣和排氣都是間歇性和周期性的，造成所輸送氣體的壓力、速度、密度在管道內(nèi)隨時(shí)間發(fā)生周期性地變化，即氣流脈動(dòng)。脈動(dòng)的氣流沿著管道輸送時(shí)遇到彎頭、異徑管、三通、控制閥、盲板等元件時(shí)將會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的隨時(shí)間變化的激振力，受激振力的作用，管系隨之產(chǎn)生一定的機(jī)械振動(dòng)響應(yīng)，壓力脈動(dòng)越大，管道振動(dòng)的振幅和振動(dòng)力就越大，嚴(yán)重時(shí)影響氣閥的正常開閉，降低工作效率。甚至造成管件疲勞破壞，從而導(dǎo)致介質(zhì)泄漏，形成火災(zāi)、爆炸等重大事故。

往復(fù)式壓縮機(jī)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的頻率，稱為激發(fā)頻率。

連接往復(fù)式壓縮機(jī)進(jìn)出口管道內(nèi)的氣體構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)——?dú)庵?，氣柱本身具有的頻率——?dú)庵逃蓄l率。連接往復(fù)式壓縮機(jī)進(jìn)出口的管道及其組成件(包括支吊架)構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本身所具有的頻率——管系機(jī)械固有頻率。以上三個(gè)頻率必須錯(cuò)開。若有兩個(gè)以上頻率重合即可形成共振，管道設(shè)計(jì)的主要任務(wù)之一就是設(shè)法避開三個(gè)頻率的重疊。

3 避開三個(gè)頻率共振的形成

3.1 激發(fā)頻率

當(dāng)所壓縮的工藝介質(zhì)、進(jìn)口壓力、出口壓力、活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的頻率確定后，激發(fā)頻率就確定了，是一個(gè)定值。

3.2 氣柱固有頻率

壓縮機(jī)進(jìn)出口緩沖器的大小與安裝位置、連接管徑的大小、管系分支的多少與位置、各管段的長度、消振孔板的大小與位置、各管段的端點(diǎn)條件等決定了氣柱固有頻率。通常，通過調(diào)整進(jìn)出口緩沖器的大小、消振孔板的大小與位置來改變氣柱固有頻率使其避開激發(fā)頻率。

進(jìn)口緩沖器安裝在氣缸的上方，并盡量靠近氣缸。出口緩沖器安裝在氣缸的下方，并盡量靠近氣缸。

改變消振孔板孔徑的尺寸，可以將管段內(nèi)的壓力駐波變成行波，使管道末端不再具有反射條件，從而降低壓力不均勻度，達(dá)到減輕管道振動(dòng)的目的。但是，加裝消振孔板會(huì)產(chǎn)生局部阻力損失。

管系機(jī)械固有頻率:連接氣缸管道的管徑、管道安裝高度(支架高度)、彎頭的數(shù)量、曲率半徑的大小、支架間距、支架型式、支架本身的剛度共同決定了管系機(jī)械固有頻率，通過改變上述條件來改變管系的機(jī)械固有頻率，從而避免與激發(fā)頻率、氣柱固有頻率形成共振區(qū)。

4 往復(fù)式壓縮機(jī)配管設(shè)計(jì)

進(jìn)出口管道設(shè)計(jì)最重要的要求就是調(diào)整管路氣柱固有頻率、管系機(jī)械固有頻率與激發(fā)頻率之間的關(guān)系，使其相互避開共振區(qū)域。

4.1 調(diào)整氣流脈動(dòng)值的方法

往復(fù)式壓縮機(jī)本身主機(jī)氣缸的進(jìn)出口要合理布置，上下或左右對(duì)開較為適宜。因?yàn)橛赏鶑?fù)式壓縮機(jī)本身工作的特點(diǎn)決定了其氣流脈動(dòng)是不可避免的，那么，就引出了如何消減氣流脈動(dòng)的問題。消減氣流脈動(dòng)最有效的方法就是設(shè)置一定容積而且足夠靠近氣缸的緩沖器，緩沖器結(jié)構(gòu)簡單、使用方便。緩沖器的設(shè)計(jì)要滿足兩個(gè)條件，第一是緩沖器容積要足夠大;第二緩沖器設(shè)置的位置要足夠靠近氣缸嘴子。

合適的緩沖器容積還可以按照以下經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行核算，即第一種:德國經(jīng)驗(yàn)公式

Vr，緩沖器容積，m3;Vs·d，吸氣量或排氣量，m3/轉(zhuǎn);K，氣體的比熱比;m，單作用氣缸，m=1，雙作用氣缸，m=2;δ，允許的壓力不均勻度。而δ=126.77/(pdf)1/2;P，管內(nèi)平均絕對(duì)壓力，MPa;d，管道內(nèi)徑，mm;f，脈動(dòng)頻率，Hz。

第二種:API618規(guī)定

Vs，入口緩沖器的最小容積，m3;Vd，出口緩沖器的最小容積，m3;k，絕熱指數(shù);Ts，吸入側(cè)絕對(duì)溫度，K;M，氣體分子量;PD，與緩沖器相連的氣缸每轉(zhuǎn)排(吸)總凈容積，m3/r;r，氣缸的級(jí)壓比。

對(duì)于分子量較小的介質(zhì)第二種公式估算出的緩沖器偏大，對(duì)大型壓縮機(jī)的緩沖器難以制造和安裝。第一種公式估算出的緩沖器容積比較接近詳細(xì)脈動(dòng)計(jì)算確定的緩沖器容積。

因此，我們主張盡可能把緩沖器容積做大一些。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)低壓容器一般取V=15～25倍的氣缸工作容積，高壓容器一般取V=20～25倍的氣缸工作容積，以上只是初步估算，最終緩沖器容積的確定還要根據(jù)整個(gè)管系的壓力脈動(dòng)量不大于允許值來確定。

4.2 采用消振孔板

在緩沖器的進(jìn)口處安裝消振孔板，但是，這種方法是以增加壓力損失為代價(jià)的，對(duì)于長周期運(yùn)行的壓縮機(jī)來說，這不是一個(gè)好方法。

4.3 計(jì)算氣柱固有頻率

管道內(nèi)的氣體具有一定的質(zhì)量，又具有可壓縮性，這樣的氣體本身就是一個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)，壓縮機(jī)在管系端口做周期性地吸氣、排氣動(dòng)作，對(duì)氣柱系統(tǒng)本身就是一種激發(fā)，在激發(fā)作用下氣柱就要做出一定的脈動(dòng)響應(yīng)，使氣體流動(dòng)發(fā)生振動(dòng)。如果激發(fā)頻率與氣柱固有頻率合拍，則氣柱就要引起強(qiáng)烈的脈動(dòng)，形成大振幅的氣流震蕩，即氣柱共振。這會(huì)引起劇烈的管道振動(dòng)，對(duì)壓縮機(jī)運(yùn)行極為不利。我們?cè)谠O(shè)計(jì)管道時(shí)，就要設(shè)法避開，所以，在設(shè)計(jì)上就有一個(gè)調(diào)頻的過程。

4.4 計(jì)算氣流脈動(dòng)量

氣流脈動(dòng)不但是引起管道振動(dòng)的主要原因，而且大強(qiáng)度的氣流脈動(dòng)還將引起一系列的嚴(yán)重后果。如:①促使氣閥加速損壞，致使壓縮機(jī)無法正常工作;②消耗大量的能量，使主機(jī)的性能降低;③引起噪聲。所以，一條管道設(shè)計(jì)的是否合理，將是壓縮機(jī)運(yùn)行能否平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵。氣流脈動(dòng)量最終要?dú)w結(jié)到氣流的壓力不均勻度δ是否能控制在允許的范圍內(nèi)(根據(jù)API618確定)。這又引出關(guān)于壓力不均勻度δ的計(jì)算方法問題。目前我們已經(jīng)掌握并付諸實(shí)施的有兩類方法:一類小波動(dòng)理論(以聲學(xué)原理為基礎(chǔ))法，另一種是一維非定常氣流脈動(dòng)理論，可用于計(jì)算氣柱固有頻率，也可以計(jì)算氣流脈動(dòng)量。

目前，西安交大已有根據(jù)上述理論編制的專用計(jì)算機(jī)程序，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用反饋的情況，理論計(jì)算與實(shí)際情況是吻合的，這樣我們就可以通過計(jì)算來避開氣流脈動(dòng)的共振區(qū)。

4.5 調(diào)整管系機(jī)械固有頻率

壓縮機(jī)進(jìn)出口管道的管徑應(yīng)足夠大，盡量減少管路的彎頭個(gè)數(shù)，采用大曲率半徑彎頭(一般取4～6倍DN)。理論分析表明，管徑越大、管道端口接受的速度激發(fā)就越少。工程應(yīng)用及理論計(jì)算皆表明管徑越大，相應(yīng)的殘余脈動(dòng)量就越小。例如:同樣的緩沖器，當(dāng)連接管內(nèi)徑分別為:Φ65、Φ85和Φ120時(shí)，相應(yīng)的脈動(dòng)量δmax分別為20.62%、9.64%和4.73%。這表明若采用較細(xì)的管道輸送氣體，又無消振措施是不允許的，必然出現(xiàn)強(qiáng)烈的振動(dòng)。

當(dāng)壓縮氣體流經(jīng)彎頭、異徑管、控制閥時(shí)，由于氣流改變方向或流通面積改變時(shí)，也能引起激振力的增加，造成管路振動(dòng)加劇。

管道結(jié)構(gòu)固有頻率與機(jī)械振動(dòng)響應(yīng)的計(jì)算。若氣流脈動(dòng)狀況通過計(jì)算或?qū)嶒?yàn)為已知的話，就可以進(jìn)行管道結(jié)構(gòu)固有頻率與機(jī)械振動(dòng)響應(yīng)的計(jì)算，首先進(jìn)行管道結(jié)構(gòu)固有頻率的計(jì)算，其次進(jìn)行機(jī)械振動(dòng)響應(yīng)的計(jì)算。使用有限元法建立整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣和剛性矩陣，利用子空間迭代法能準(zhǔn)確計(jì)算出所需“階”的機(jī)械振動(dòng)固有頻率，利用振型疊加法可以計(jì)算出機(jī)械振動(dòng)的響應(yīng)值。

提高管道固有的自振頻率，增設(shè)管卡是消振的簡單而又有效的措施。為保證管系具有足夠的剛性通常推薦將自振頻率提高到激發(fā)主頻的三倍以上，具體數(shù)值依具體的壓縮機(jī)進(jìn)出口管徑、支架間距、個(gè)數(shù)來確定。

5 支架的設(shè)置

支架型式要有減振措施，可在管卡內(nèi)管道的上下墊石棉橡膠板，見示意圖1。振動(dòng)管道的支架設(shè)置與普通管道支架有所不同，首先是支架間距不同，它比普通管道支架間距要小，通常取普通管道支架間距的1/2～4/7。壓縮機(jī)進(jìn)出口附近管道的支架要采用低管墩，其基礎(chǔ)應(yīng)獨(dú)立設(shè)置，不得與廠房的梁、柱、樓板相連，避免振動(dòng)傳到廠房。

圖1 防振管卡示意圖

在控制閥、安全閥等有集中載荷處和管道拐彎、交叉、標(biāo)高變化處應(yīng)考慮設(shè)置減震支架。

對(duì)于連接在主管上的放空、排凝、液位計(jì)、壓力表等處的小管道，應(yīng)考慮將小管固定在主管上，避免小管的高頻振動(dòng)，最終導(dǎo)致根部斷裂而產(chǎn)生泄漏甚至引發(fā)火災(zāi)等事故。

6 結(jié)束語

往復(fù)式壓縮機(jī)的配管設(shè)計(jì)，通常采用兩種方式來避免共振，一種是柔性設(shè)計(jì)，一種剛性設(shè)計(jì)。目前，我們常采用剛性設(shè)計(jì)方式。筆者經(jīng)過多年的工程設(shè)計(jì)，總結(jié)了以上往復(fù)式壓縮機(jī)的一點(diǎn)設(shè)計(jì)心得，并在大慶助劑廠催化重整改造項(xiàng)目上成功應(yīng)用，證明上述設(shè)計(jì)方法是行之有效的。