閆家鵬

(沈陽化工大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110142)

在工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常需要提高流體介質(zhì)的輸送動力或者提高其壓力以便于參與后續(xù)工藝過程，于是壓縮機(jī)就成為工業(yè)生產(chǎn)中必不可少的過程設(shè)備。而往復(fù)式壓縮機(jī)由于其具有適用壓縮效率比較高、壓力范圍比較廣、適應(yīng)性強(qiáng)的特點，在石油、化工、能源等領(lǐng)域中被廣泛的應(yīng)用。但在實際應(yīng)用中，由于往復(fù)式壓縮機(jī)的間歇性吸、排氣循環(huán)工作，使管道內(nèi)的氣流呈非穩(wěn)定脈動性流動狀態(tài)。管道內(nèi)壓力脈動作為一種持續(xù)性的干擾力會引起管道系統(tǒng)產(chǎn)生振動，并且這種激發(fā)源的客觀存在是無法根除的[1]。因此，合理的處理方式是要將往復(fù)式壓縮機(jī)管道振動控制在某個允許的范圍之內(nèi)，使其能正常地、持續(xù)地工作。

本文對某企業(yè)往復(fù)式壓縮機(jī)出口管道振動問題的處理過程進(jìn)行了理論分析，驗證性地說明了理論分析與實際結(jié)果的相符性。

1 某企業(yè)往復(fù)式壓縮機(jī)設(shè)置及振動處理概況

1.1 往復(fù)式壓縮機(jī)設(shè)置及運(yùn)行情況

該企業(yè)的往復(fù)式壓縮機(jī)的工作介質(zhì)為氫氣(75%)及氮?dú)?25%)的混合氣，進(jìn)氣壓力為5.1 MPa(a)，出壓縮機(jī)氣體的壓力為5.7 MPa(a)。壓縮機(jī)為兩列對稱平衡D型，共兩臺。壓縮機(jī)為一級，進(jìn)口氣體流量為45 m3/min，轉(zhuǎn)速為360 r/min。氣缸直徑為370 mm，活塞行程為350 mm，雙作用。每臺壓縮機(jī)進(jìn)口和出口分別設(shè)有兩個緩沖罐，緩沖罐容積0.45 m3。

出口管路為每臺壓縮機(jī)出口兩個緩沖罐的出口管道(DN250)先合并為一個管道(DN300)，然后兩臺壓縮機(jī)的管道再合并為DN400(D406×17 mm)的管道，去后續(xù)設(shè)備。出口管道總長約50 m，彎頭有10個，三通有3個。

1.2 出口管道振動處理情況

為了減小管道振動，企業(yè)在管道上三處增加了高強(qiáng)度減震的支架，并增加了阻尼器。這樣運(yùn)行時，振動有所減小，振幅平均減小了約40%，但振動還是很明顯，不能滿足長期運(yùn)行的要求。

后來，工廠試著將兩臺壓縮機(jī)同時運(yùn)行，增大循環(huán)氣量，滿足生產(chǎn)負(fù)荷要求，以便觀察運(yùn)行效果。結(jié)果，兩臺壓縮機(jī)同時開啟后，出口管道振動立刻明顯減小，管道運(yùn)行非常平穩(wěn)。

2 往復(fù)式壓縮機(jī)振動分析

2.1 往復(fù)式壓縮機(jī)振動的一般機(jī)理

往復(fù)式壓縮機(jī)管道在使用過程中經(jīng)常會出現(xiàn)振動現(xiàn)象，一般來說主要有以下3種原因：(1)壓縮機(jī)安裝位置不平衡引起的機(jī)組振動，因振動具有傳遞性，故壓縮機(jī)振動會引起管道的強(qiáng)烈振動。(2)氣流脈動引起的管道受迫振動，由于壓縮機(jī)吸氣，排氣的間歇性，可使氣流的壓力和速度呈周期性的變化，形成氣流脈動，當(dāng)這種氣流流經(jīng)過彎管等非恒定截面時就會產(chǎn)生較強(qiáng)激振力，使得管道發(fā)生振動。(3)管道共振，當(dāng)管道系統(tǒng)的機(jī)械固有頻率落在壓縮機(jī)激發(fā)頻率共振區(qū)時則會引發(fā)共振現(xiàn)象[2]。

2.2 對該企業(yè)往復(fù)式壓縮機(jī)管道振動的原因分析

(1)考慮管道振動是否有壓縮機(jī)振動引起。對于該企業(yè)的情況，往復(fù)式壓縮機(jī)本身振動不明顯，所以排除了是由壓縮機(jī)本身振動引起管道震動這個原因。

(2)考慮是否為管道機(jī)械共振。當(dāng)管道機(jī)械固有頻率落在壓縮機(jī)激振頻率(0.8～1.2)倍的范圍內(nèi)發(fā)生共振[3]。一旦管道發(fā)生共振，會嚴(yán)重影響裝置的安全運(yùn)行，甚至?xí)l(fā)工業(yè)事故與人員傷亡[4]。

經(jīng)過計算，往復(fù)式壓縮機(jī)的激振頻率為：

式中m—壓縮機(jī)作用方式，雙作用m=2；n—壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，360 r/min

艾熱現(xiàn)在還清楚地記得，在自己小學(xué)的時候聽到了邁克爾·杰克遜的《Jam》，當(dāng)時歌曲的MV拍攝邀請到了邁克爾·喬丹。集合了兩位“傳奇MJ”的音樂錄影帶中有一段Rap，那是他第一次聽到說唱。到了初中，在一次和同學(xué)交換MP3的過程中，艾熱聽到了《在北京》和邪惡少年EB的歌，“當(dāng)時就覺得這個音樂好像跟周杰倫、潘瑋柏的說唱音樂有一些區(qū)別，然后開始去主動接觸說唱”。

經(jīng)過模擬計算，管道的前24階固有頻率(Hz)如表1。

表 1 管道的前24階固有頻率

由表1可以看出，管道的固有頻率是遠(yuǎn)離往復(fù)式壓縮機(jī)的激振頻率的，即遠(yuǎn)離共振區(qū)域，不會發(fā)生機(jī)械共振現(xiàn)象。

(3)考慮是否為氣流脈動引起管道振動。

氣流脈動(即壓力不均勻度)是反映工作流體壓力上下波動強(qiáng)度的一個指標(biāo)。當(dāng)流體處于脈動狀態(tài)時，管內(nèi)的壓力在平均值附近上下周期性的波動。系統(tǒng)工作時，氣體會充滿管道，即形成氣柱，氣柱可以壓縮、膨脹。因此氣柱本身就是一個具有連續(xù)質(zhì)量的彈性振動系統(tǒng)，在壓縮機(jī)周期性排氣與吸氣的激發(fā)下，必然會引起氣柱振動，也就造成管道氣流的壓力脈動。壓力脈動作用在管道的轉(zhuǎn)彎處或截面變化處，激起管道做機(jī)械振動。管道系統(tǒng)就是一個彈性振動系統(tǒng)．當(dāng)受到激振力作用時，就會發(fā)生振動即激起管道及附件產(chǎn)生機(jī)械振動[5]。

壓力不均勻度的計算公式：

δ=(Pmax-Pmin)/P×100%

式中Pmax為最大壓力，Pmin為最小壓力，P為平均壓力，單位為MPa(a)。

當(dāng)壓力P在0.345～20.7 MPa之間時，壓力不均勻度許用值按下式計算：

[δ]= 40/(P·d·f)

式中[δ]為允許壓力不均勻度(%)；P為管內(nèi)平均絕對壓力(MPa)；d為管道內(nèi)徑(cm)；f為脈動頻率(Hz)。

經(jīng)測量，壓縮機(jī)實際運(yùn)行的出口壓力最大為5.702 MPa(a)，最小壓力為5.574 MPa(a)，平均壓力為5.638 MPa(a)，壓力不均勻度為：

δ=(5.702-5.574)/5.638×100%=2.27%

壓力不均勻度許用值：

[δ]=40/(P·d·f)=40/(5.638×37.2×12)=1.59%

由計算可知，壓力不均勻度超過了許用值很多，氣流脈動引起了管道振動，這應(yīng)該是管道振動的主要原因。

2.3 往復(fù)式壓縮機(jī)振動的現(xiàn)場處理效果的理論分析

有上述振動原因分析可知，管道的振動主要是由于壓力不均勻度超過了許用值造成的。當(dāng)增加一些支架時，管道剛度會增加，振動回有所減緩，但壓力不均勻度并未得到改善，所以管道振動依然較大。

當(dāng)同時開啟兩臺壓縮機(jī)運(yùn)行時，由于兩臺壓縮機(jī)的脈動是不同時的，波動會相互干涉，部分相互消減，壓力脈動的最大值和最小值的差值會縮小，于是氣流脈動引起的管道振動就大大減小。經(jīng)過實際測試與計算，同時開啟兩臺壓縮機(jī)運(yùn)行時壓力不均勻度下降顯著，為δ=0.89%，比許用值[δ]=1.59%小很多，管道的振動就會大大減小，這與實際現(xiàn)象相符合，說明理論分析與實際結(jié)果一致。

當(dāng)然，對于壓力脈動過大引起管道振動的情況，還可以通過設(shè)置孔板來達(dá)到減振的作用，這在實際中也是常用的方法。

3 結(jié)語

通過對該企業(yè)往復(fù)式壓縮機(jī)出口管道振動的分析，排除了壓縮機(jī)振動原因和機(jī)械共振原因，進(jìn)一步計算了壓力不均勻度(氣流脈動)，說明該管道在單臺壓縮機(jī)運(yùn)行時的振動原因是由于氣流脈動引起的，而在兩臺壓縮機(jī)同時運(yùn)行的情況下，計算的壓力不均勻度大大減小(小于壓力不均勻度許用值)，所以管道的振動就明顯減弱。這個分析結(jié)果與實際運(yùn)行結(jié)果相符，說明壓力不均勻度的理論計算與實際是相符的，也就是說壓力不均勻度的理論計算可以很好地用于指導(dǎo)實踐活動。