王宇博

摘 ? ? ?要：針對(duì)國(guó)內(nèi)某石化公司訂購(gòu)的原料氣壓縮機(jī)（往復(fù)式壓縮機(jī)），按照設(shè)計(jì)單位提供的上下游設(shè)備管路安排和具體要求，分析了壓縮機(jī)開(kāi)機(jī)時(shí)一級(jí)進(jìn)氣管路在不同工況下的氣流脈動(dòng)及管道振動(dòng)情況。采用了API618 標(biāo)準(zhǔn)中推薦的近似設(shè)計(jì)方法3，其中氣流脈動(dòng)分析依據(jù)的基本理論為平面波動(dòng)理論及轉(zhuǎn)移矩陣法，使用CAESARII 模擬軟件建模，利用結(jié)構(gòu)振動(dòng)理論對(duì)管道振動(dòng)進(jìn)行分析。

關(guān) ?鍵 ?詞：往復(fù)壓縮機(jī);氣流脈動(dòng);機(jī)械振動(dòng)

中圖分類號(hào)：TQ 052 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? 文章編號(hào)： 1671-0460（2019）12-2908-04

Abstract： Aiming at raw gas compressor in a domestic petrochemical company， based on upstream and downstream equipments and pipings arrangement and specific requirements provided by the design unit， the gas pulsation and vibration of the primary intake line under different working conditions during the startup of compressor were analyzed. The approximate design method III recommended by API618 standard was adopted in the analysis. Among them， the basic theory of the analysis of air pulsation was plane wave theory and transfer matrix method， and CAESARII simulation software was used to model， and the vibration of pipeline was analyzed by structural vibration theory.

Key words： Reciprocating compressor; Airflow pulsation; Mechanical vibration

近年來(lái)，隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈，石油化工領(lǐng)域的節(jié)能減排意識(shí)逐漸增強(qiáng)，氫廢氣回收利用工藝的研發(fā)和發(fā)展也占據(jù)了節(jié)能的主舞臺(tái)，而氫氣回收裝置是現(xiàn)代化石油化工企業(yè)為了節(jié)約能源，降低生產(chǎn)成本，采用回收技術(shù)，將尾氣（氫氣）進(jìn)行回收的一種節(jié)能裝置。把壓力較低的氫氣通過(guò)壓縮機(jī)壓縮成滿足工藝要求的壓力氣體是氫氣回收裝置的重要技術(shù)，而往復(fù)式氫氣壓縮機(jī)就成為氫氣回收裝置中尤其重要的機(jī)械設(shè)備。

往復(fù)式氫氣壓縮機(jī)都以撬裝設(shè)備供貨，設(shè)計(jì)單位在設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮的不僅是撬裝范圍外管線的脈動(dòng)和振動(dòng)，如何控制機(jī)組供貨范圍內(nèi)的氣流脈動(dòng)和機(jī)械振動(dòng)也尤為重要。機(jī)組管網(wǎng)系統(tǒng)的脈動(dòng)及振動(dòng)分析是機(jī)組撬裝設(shè)計(jì)和安全運(yùn)行的重要支撐，這就需要設(shè)計(jì)單位對(duì)機(jī)組管路進(jìn)行模擬和振動(dòng)分析，從而更好的對(duì)管路系統(tǒng)進(jìn)行減振設(shè)計(jì)。

某石化公司運(yùn)行的富氫氣體壓縮機(jī)其一級(jí)管路系統(tǒng)發(fā)生很大的振動(dòng)，振動(dòng)造成平臺(tái)共振、共振導(dǎo)致一級(jí)進(jìn)氣管路上的現(xiàn)場(chǎng)儀表開(kāi)裂，管道焊縫開(kāi)裂，現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)機(jī)組振動(dòng)最大的部位在一級(jí)缸北側(cè)缸，最大振值已經(jīng)超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)要求，所以本文特別針對(duì)原料氣（主要是氫氣）壓縮機(jī)（4個(gè)氣缸、2級(jí)壓縮、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)速333 r/min）的一級(jí)管路系統(tǒng)進(jìn)行氣流脈動(dòng)及管道振動(dòng)分析，在分析結(jié)果中找到管卡最適合的安裝位置，以防止振動(dòng)。在模擬分析中，該臺(tái)壓縮機(jī)不與任何其他壓縮機(jī)并聯(lián)使用。

1 ?壓縮機(jī)一級(jí)進(jìn)氣總管路的脈動(dòng)分析

把壓縮機(jī)的一級(jí)管路系統(tǒng)分成2個(gè)部分。

壓縮機(jī)的一級(jí)進(jìn)氣總管路見(jiàn)圖1;壓縮機(jī)一級(jí)排氣緩沖罐到中間冷卻器管路見(jiàn)圖2。為了控制氣流脈動(dòng)水平，在壓縮機(jī)的一級(jí)進(jìn)氣管路上安裝脈動(dòng)抑制裝置[1]（緩沖罐），本文對(duì)此結(jié)構(gòu)的管路進(jìn)行建模、分析計(jì)算結(jié)果是否滿足設(shè)計(jì)要求。

對(duì)上述管路系統(tǒng)，分別建立模型，對(duì)其進(jìn)行氣流脈動(dòng)和機(jī)械振動(dòng)分析。

針對(duì)圖1-2的模型在壓縮機(jī)100%額定工況下運(yùn)行分析，利用平面波動(dòng)理論及轉(zhuǎn)移矩陣法[2]，得到氣流脈動(dòng)的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1-2。

脈動(dòng)抑制裝置壓力降計(jì)算結(jié)果：一級(jí)進(jìn)、排氣緩沖罐的壓力降為0.018、0.007 kPa。

壓縮機(jī)的脈動(dòng)抑制裝置滿足API618中設(shè)計(jì)方法3[3]聲學(xué)模擬和管路約束力分析，加上力學(xué)分析（如必要帶強(qiáng)制機(jī)械響應(yīng)的分析）的各項(xiàng)要求。

基于設(shè)計(jì)振動(dòng)導(dǎo)則的最大許用非共振激振力可以從公式（1）確定。

根據(jù)API618的規(guī)定：（1）要求壓縮機(jī)氣缸法蘭處的脈動(dòng)峰—峰值不超過(guò)min（7%，3R%），其中，R=1.266/0.5為該管路的壓力比;（2）要求脈動(dòng)抑制裝置的壓降低于平均壓力的max（0.25，1.67 （R-1）/R）%，即5.05和12.94 kPa。

計(jì)算結(jié)果：按表1和表2中數(shù)據(jù)都不超過(guò)7%;進(jìn)氣緩沖器處的壓力降在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi);排氣緩沖器處的壓力降在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)。

2 ?壓縮機(jī)一級(jí)進(jìn)氣總管路的振動(dòng)分析

根據(jù)API618標(biāo)準(zhǔn)，壓縮機(jī)的振動(dòng)分析要求如下：（1）計(jì)算管道的應(yīng)力以滿足標(biāo)準(zhǔn)要求;（2）計(jì)算管道對(duì)管道支撐的作用力[3]，為設(shè)置管卡的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。其中計(jì)算管道的應(yīng)力包括一次應(yīng)力計(jì)算和二次應(yīng)力計(jì)算，圖3顯示為圖1的模型導(dǎo)入，采用CAESAR II 軟件對(duì)本模型進(jìn)行一次應(yīng)力分析和二次應(yīng)力分析。

結(jié)果顯示：各項(xiàng)靜力均符合 Piping Code： B31.3 = B31.3 -2012， Jan 10， 2013 的要求。

采用CAESAR II 軟件對(duì)本模型進(jìn)行模態(tài)響應(yīng)分析，結(jié)果如表3。

現(xiàn)通過(guò)調(diào)配管道系統(tǒng)的支架位置和數(shù)量，管路整體應(yīng)力水平均在許用的范圍內(nèi)。管系最低階固有頻率為16.372 Hz，大于激振頻率的2.95倍，管路不會(huì)產(chǎn)生低階共振。各支撐點(diǎn)的位置和操作工況時(shí)支架受力情況見(jiàn)圖4-5。

圖6顯示為圖2的模型導(dǎo)入，采用CAESAR II 軟件對(duì)本模型進(jìn)行一次應(yīng)力分析和二次應(yīng)力分析。

結(jié)果顯示：各項(xiàng)靜力均符合 Piping Code： B31.3 = B31.3 -2012， Jan 10， 2013 的要求。

采用CAESAR II 軟件對(duì)本模型進(jìn)行模態(tài)響應(yīng)分析，結(jié)果如表4。

現(xiàn)通過(guò)調(diào)配管道系統(tǒng)的支架位置和數(shù)量，管路整體應(yīng)力水平均在許用的范圍內(nèi)[4]。管系最低階固有頻率為19.894 Hz，大于激振頻率的3.58倍，管路不會(huì)產(chǎn)生低階共振。各支撐點(diǎn)的位置和操作工況時(shí)支架受力情況見(jiàn)圖7。

3 ?總 結(jié)

本篇文件重點(diǎn)研究了壓縮機(jī)進(jìn)氣管線的振動(dòng)，對(duì)某石化公司的MW-198.2/（4-29）-X 型原料氣壓縮機(jī)一級(jí)進(jìn)氣管道系統(tǒng)的氣流脈動(dòng)和管道振動(dòng)進(jìn)行了實(shí)際分析?？偨Y(jié)出用于控制有害的脈動(dòng)和振動(dòng)的基本技術(shù)如下：

（a）基于對(duì)脈動(dòng)和衰減要求交互影響分析的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，獲得可以控制的管路振動(dòng);

（b）利用脈動(dòng)抑制裝置—緩沖罐;

（c）控制管道振動(dòng)的部件設(shè)計(jì)包括如下：設(shè)備和管道的管卡、管道支架的樣式、數(shù)量和位置。

按照這3點(diǎn)基本技術(shù)，對(duì)此壓縮機(jī)一級(jí)進(jìn)氣管路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)果表示：

（a）在設(shè)計(jì)有緩沖罐的一級(jí)進(jìn)氣管路系統(tǒng)上可以通過(guò)設(shè)計(jì)管路和設(shè)備管夾和支撐的型式、位置和數(shù)目來(lái)控制管路中有害的脈動(dòng)和振動(dòng)。

（b）緩沖罐和管路彎頭附近的受力相對(duì)突出要設(shè)置4個(gè)方向的管夾和支撐。

壓縮機(jī)管路的設(shè)計(jì)，必須滿足API618中 “7.9 脈動(dòng)和振動(dòng)控制”中關(guān)于氣流脈動(dòng)和振動(dòng)控制分析的要求，作者以整體布局為基礎(chǔ)，局部分析設(shè)計(jì)為切入點(diǎn)，各個(gè)擊破，本文以壓縮機(jī)一級(jí)進(jìn)氣管路作為局部設(shè)計(jì)的切入點(diǎn)，利用平面波動(dòng)理論及轉(zhuǎn)移矩陣法計(jì)算氣流脈動(dòng)，采用CAESARII軟件對(duì)模型計(jì)算，得到管路系統(tǒng)上管夾和支撐的型式、位置和數(shù)目來(lái)控制有害的脈動(dòng)和振動(dòng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫嗣瑩，夏永源，李錦臨.緩沖器位置對(duì)管道內(nèi)氣流脈動(dòng)的影響[J].壓縮機(jī)技術(shù)，1980，007（02）：31-34.

[2]黨錫淇，陳守五.活塞式壓縮機(jī)氣流脈動(dòng)與管道振動(dòng)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，1984：66-69.

[3]API618-2007，石油化工和天然氣工業(yè)用往復(fù)式壓縮機(jī)[S].

[4]劉英男，單魯維，蔣林滔.撬裝往復(fù)壓縮機(jī)的振動(dòng)分析[J].化工機(jī)械，2015，42（1）：53-54.