肖鋒，岳桂杰，王政文

（1.中國石化股份有限公司天津分公司，天津 300271； 2.蘭州城市學院培黎機械工程學院，甘肅 蘭州 730070； 3.天華化工機械及自動化研究設(shè)計院有限公司，甘肅 蘭州 730070）

近年來由于我國經(jīng)濟水平的不斷提高，以及生產(chǎn)工藝的日趨成熟，使得化工設(shè)備在石化領(lǐng)域中的精度與質(zhì)量的要求也越來也高。往復式壓縮機便是在石化領(lǐng)域中精度與質(zhì)量要求比較高的設(shè)備。它是一種通過氣缸內(nèi)活塞或隔膜的往復運動使缸體容積發(fā)生周期性變化并實現(xiàn)氣體的增壓和輸送的一種壓縮機。根據(jù)作往復運動的構(gòu)件不同分為活塞式壓縮機和隔膜式壓縮機[1]。往復式壓縮機作為石化領(lǐng)域中比較普及且比較重要的設(shè)備之一，它的運行會對整個化工裝置產(chǎn)生影響，因此往復式壓縮機在工作中能否正常且安全的運行是目前石化領(lǐng)域中的熱點話題。而往復式壓縮機在工作中出現(xiàn)的問題大多是因為系統(tǒng)內(nèi)的振動問題所引起的，這是對于往復式壓縮機正常且安全運行的最大隱患[2]，因此往復式壓縮機系統(tǒng)內(nèi)的振動問題一直引起眾多科研學者的高度關(guān)注。

為了能夠使得往復式壓縮機在整個化工設(shè)備系統(tǒng)中正常且安全運行，并且不影響工藝生產(chǎn)，我們在研究此等問題時，要結(jié)合設(shè)備的穩(wěn)定性與安全性來處理往復式壓縮機系統(tǒng)內(nèi)的振動問題。首先采用SolidWorks 軟件，對往復式壓縮機系統(tǒng)內(nèi)的構(gòu)件進行三維建模；然后采用ANSYS 軟件，對構(gòu)件進行模擬分析與計算；最后根據(jù)現(xiàn)場的實際情況并結(jié)合模擬分析的結(jié)果從根本上找到往復式壓縮機系統(tǒng)內(nèi)振動的原因。

1 研究意義與現(xiàn)狀

1.1 研究意義

近年來隨著石化行業(yè)在國內(nèi)的崛起，導致化工設(shè)備的需求量也越來越大，設(shè)備的大型化也成為一種趨勢。而設(shè)備的大型化帶來的最嚴重的問題就是振動問題，這已經(jīng)影響到了設(shè)備的正常運行，甚至影響到了工人的安全，存在極大的安全隱患[3]。在石化行業(yè)中，嚴重的設(shè)備振動問題會造成氣體泄露、甚至爆炸等嚴重后果，也會造成巨額的經(jīng)濟損失。近幾年在我國石化行業(yè)中，由于振動問題所引起的大型事故頻頻發(fā)生，因此此類問題已經(jīng)成為石化行業(yè)中的熱門話題，眾多科研學者加入到研究往復式壓縮機系統(tǒng)內(nèi)振動問題的行列當中，為我國石化行業(yè)能夠安全運行提供有力的科學基礎(chǔ)。

本文研究的意義主要為：（1）針對往復式壓縮機系統(tǒng)內(nèi)振動的問題，通過瀏覽大量的中外文獻，以達到深入研究往復式壓縮機振動機理的目的。（2）據(jù)減振理論所涉及的知識，具體針對往復式壓縮機系統(tǒng)內(nèi)某個構(gòu)件振動問題的實例，進行優(yōu)化設(shè)計，并得出用于實際生產(chǎn)上的最優(yōu)減振方法。

針對往復式壓縮機系統(tǒng)內(nèi)的管道結(jié)構(gòu)進行振動問題分析，管道結(jié)構(gòu)內(nèi)的振動情況不同于其他結(jié)構(gòu)，因為管道結(jié)構(gòu)內(nèi)的振動問題十分復雜，涉及的理論知識也十分廣泛[4]。通過對往復式壓縮機系統(tǒng)內(nèi)的管道結(jié)構(gòu)進行三維建模、約束邊界條件，并進行應力分析與計算，來研究往復式壓縮機內(nèi)不同部件的振動對系統(tǒng)的影響，主要部件有彎頭、緩沖分離器、支承等。通過現(xiàn)場經(jīng)驗以及對大量資料的瀏覽，我們能了解到系統(tǒng)內(nèi)不同部件的振動問題是研究往復式壓縮機系統(tǒng)振動問題最為基本的內(nèi)容，在后面對系統(tǒng)內(nèi)不同部件的振動問題的研究，分析采用的方法主要有計算法與實驗法。

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

往復式壓縮機系統(tǒng)內(nèi)振動問題產(chǎn)生的原因十分復雜，推論產(chǎn)生振動問題的主要原因是因為，當往復式壓縮機工作時，由于往復式壓縮機對氣體的壓縮會導致產(chǎn)生大量的壓力脈動，而壓力脈動會導致系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生嚴重的振動問題。當氣體在往復式壓縮機系統(tǒng)內(nèi)流動時，又會產(chǎn)生速度脈動。當壓力脈動與速度脈動所產(chǎn)生的固有頻率相近時，往復式壓縮機系統(tǒng)內(nèi)會發(fā)生共振現(xiàn)象，這會導致往復式壓縮機系統(tǒng)內(nèi)的振動問題愈加嚴重[5]。

國外學者對往復式壓縮機系統(tǒng)內(nèi)振動的問題進行了大量探索與研究，從20 世紀50年代就已經(jīng)開始了，因當時技術(shù)水平受限、計算機存儲量小、配置低、運行慢等問題，對往復式壓縮機系統(tǒng)內(nèi)復雜的部件還不能進行分析計算，所以研究一直只停留在往復式壓縮機系統(tǒng)內(nèi)簡單的管道上，包括簡單的聲學分析以及對固有頻率的近似計算。

從1970年開始，國內(nèi)學者也開始陸續(xù)對往復式壓縮機系統(tǒng)內(nèi)的振動問題進行研究，通過對前人在往復式壓縮機的大量研究結(jié)果的分析與總結(jié)下，對往復式壓縮機系統(tǒng)內(nèi)振動問題有了全新的認識。進入21 世紀，西交大與中石大的學者才相繼攻克了技術(shù)難關(guān)，對往復式壓縮機系統(tǒng)內(nèi)振動問題取得了突破性的研究。前者采用轉(zhuǎn)移矩陣法與剛度矩陣法[6]，很好的顯示了往復式壓縮機系統(tǒng)內(nèi)壓力脈動與氣流脈動的情況。后者應用MATLAB/SIMULINK 軟件，通過軟件分析了往復式壓縮機系統(tǒng)內(nèi)的振動情況。

2 基本理論介紹

2.1 工作原理

往復式壓縮機的運轉(zhuǎn)實際上是周期性的吸排氣過程，隨著往復式壓縮機內(nèi)曲軸做周期性轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)了將旋轉(zhuǎn)運動過程轉(zhuǎn)化為往復運動過程，即連桿通過旋轉(zhuǎn)運動的方式帶動活塞桿，活塞桿帶動活塞做往復運動。而汽缸內(nèi)，氣缸內(nèi)壁、氣缸端蓋、活塞組成的氣缸容積是可以隨著活塞做往復運動而發(fā)生周期性變化的密閉容器。氣體沿著進氣閥進入到氣缸內(nèi)，隨后進氣閥關(guān)閉，當活塞運動開始時氣缸容積最大，此時氣缸內(nèi)部壓力值最?。划敾钊\動到位于氣缸端蓋處時氣缸容積最小。隨著活塞在氣缸內(nèi)做往復運動，往復式壓縮機便完成了整個工作過程[7]。

2.2 往復式壓縮機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

往復式壓縮機系統(tǒng)內(nèi)主要結(jié)構(gòu)部件為緩沖罐、冷卻器，還包括分離器、控制儀表、閥門、調(diào)解閥、放空閥、排污管道、換氣管道、壓力表以及溫度表等。如圖1 所示，為往復式壓縮機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 往復式壓縮機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

緩沖罐的作用是降低壓力脈動，大多數(shù)往復式壓縮機均設(shè)有緩沖罐，與緩沖罐相連的直管段要盡可能的短并且緩沖罐要采用圓柱形，這是為了增大緩沖容積，使緩沖罐更好地發(fā)揮緩沖作用。

冷卻器的核心作用主要有兩點：一是使重組分冷凝下來，二是降低氣體溫度。大多數(shù)往復式壓縮機的冷卻階段均設(shè)有冷卻器，冷卻器工作時氣體首先通過氣缸進行一級壓縮，然后待氣體冷卻后通過氣缸進行二級壓縮，這樣大大提高了機組的工作效率，節(jié)省了大量能源。

2.3 系統(tǒng)內(nèi)振動的原因

往復式壓縮機系統(tǒng)內(nèi)振動的原因主要有[8]：（1）可能是由于往復式壓縮機結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理導致工作時系統(tǒng)內(nèi)各組件之間運動不平衡而引起的振動現(xiàn)象。也可能是往復式壓縮機在進行整體裝配時，系統(tǒng)內(nèi)各組件之間沒有完全適配從而導致了工作時運動的不平衡性，產(chǎn)生了振動現(xiàn)象。（2）共振現(xiàn)象所導致的。當往復式壓縮機工作時，由于往復式壓縮機對氣體的壓縮作用會產(chǎn)生壓力脈動，當氣體流動時會產(chǎn)生速度脈動，當壓力脈動與速度脈動所產(chǎn)生的脈動固有頻率相近時，會產(chǎn)生共振現(xiàn)象，導致了系統(tǒng)內(nèi)的振動問題[9]。

3 數(shù)學模型與邊界條件

3.1 方程的建立

對于往復式壓縮機，我們針對系統(tǒng)管道內(nèi)氣體的流動情況進行振動問題分析，通過對管道振動問題的分析，來大致得出系統(tǒng)整體振動問題。由于管道內(nèi)氣體的性質(zhì)十分復雜，因此我們打算采用假設(shè)的方法進行振動問題分析，基本假設(shè)如下：第一假設(shè)氣體可被壓縮，并且無黏性；第二假設(shè)管道內(nèi)的氣體處于理想狀態(tài)下；第三假設(shè)只考慮壓力脈動對系統(tǒng)振動的作用[10]。

根據(jù)連續(xù)性方程、運動方程與波動方程，推導出了式（1），即三維的聲學波動方程：

根據(jù)微分方程，將式（2）化為式（3）：

對式（3）進行化簡得式（4）：

將式（5）和（6）代入到式（4）中得式（7）：

將式（7）簡化得式（8）：

所以由式（8）可得往復式壓縮機系統(tǒng)內(nèi)固有頻率的有限元方程為：

3.2 邊界條件的建立

根據(jù)式（10）在全滲透表面上表示剛性表面：

將式（10）代入（9）中有：

假設(shè)氣體在管道中做相同的簡諧振動，得式（12）：

再將式（12）代入（11）中，得式（13）：

方程（13）可轉(zhuǎn)化為：

利用式（13）、（14）可求出管道系統(tǒng)氣柱固有頻率。

在局部反射的邊界面上，假設(shè)裝有吸音材料的表面，可得式（15）（16）：

將上式（15）（16）代入式（8）中得：

式（17）是不忽略阻尼情況下的聲學單元振動響應有限元方程。

振動位移矢量表示為式（19）：

于是有式（20）：

將上式（20）代入（18）中，得式（21）：

式（21）為振動表面激起的聲壓響應。

3.3 單元劃分

對于往復式壓縮機系統(tǒng)管道內(nèi)氣體的流動情況進行振動問題分析，首先采用SolidWorks 軟件來對往復式壓縮機系統(tǒng)管道進行三維建模，其次采用ANSYS Workbench Mesh 進行網(wǎng)格劃分，最后采用ANSYS Fluent 軟件對模型進行聲學分析。

在進行聲學分析前要對管道內(nèi)氣柱固有頻率進行計算，通常采用ANSYS Fluid29 作為二維聲學單元類型，ANSYS Fluid30 作為三維聲學單元類型。在進行網(wǎng)格劃分與模擬計算時，這兩種單元類型都可以構(gòu)造出氣體聲學模型，而打算采用ANSYS Fluid30 三維聲學單元類型來做氣柱固有頻率聲學分析。

4 模擬分析

本節(jié)對往復式壓縮機系統(tǒng)內(nèi)某一長度的管道進行氣柱固有頻率聲學模擬分析，通過對模擬結(jié)果的研究以達到分析往復式壓縮機系統(tǒng)內(nèi)振動原因的目的。本次模擬分析決定選用的管道規(guī)格為：管徑為φ80×5，長度為612 mm。

4.1 模型建立與網(wǎng)格劃分

首先在模擬分析前，要得知室內(nèi)溫度以及在該溫度下的聲速和空氣密度等相關(guān)數(shù)據(jù)，于是通過測量室內(nèi)溫度為25 ℃，并通過查表的方式得到在該室溫下相對應的聲速為346 m·s-1，空氣密度為1.181 kg·m-3。

在進行模擬分析前，還要對管道進行三維模型的建立以及網(wǎng)格劃分，采用SolidWorks 軟件，對長度為612 mm、管道外徑80 mm、壁厚為5 mm 管道進行三維模型的建立，如圖2 所示為管道三維模型。

然后將建立好的三維模型導入 ANSYS Workbench 軟件中，首先將模型導入Geometry 中，Tools-Fill 對管道內(nèi)部進行填充，建立流體域。再通過Mesh 對三維模型進行網(wǎng)格劃分，在網(wǎng)格劃分時，對管道整體網(wǎng)格Mesh 設(shè)置為：Relevance 為100，Relevance Center 為Fine，這樣的設(shè)置會使管道網(wǎng)格劃分時得到高精度的網(wǎng)格，然后通過Insert-Sizing對入口端采用局部網(wǎng)格細化, 將單元網(wǎng)格尺寸設(shè)置為3 mm；通過Insert-Inflation 設(shè)置邊界條件為：網(wǎng)格層數(shù)選擇8 層，膨脹率選擇1.1。劃分后的網(wǎng)格總數(shù)為231 332，如圖3 所示為管道模型網(wǎng)格劃分。

4.2 流場分析

應用ANSYS Fluent 軟件對管道進行流場分析，在進行基本設(shè)置后，進行殘差計算，計算時設(shè)置為100 步，計算結(jié)果如圖4 所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著計算的進行，越往后線條越趨近于水平，這說明殘差大致收斂了。

圖4 殘差計算

從圖5 壓力分布圖與圖6 局部壓力分布圖中可以發(fā)現(xiàn)，壓力脈動在管道中是呈周期性、間歇性的。管道左邊紅色表示壓力的最大端，管道右邊藍色表示壓力的最小端，不同階壓力分布是不同的，說明氣體在管道中流動時出現(xiàn)了壓力不均勻現(xiàn)象，這可能是導致了往復式壓縮機系統(tǒng)內(nèi)管道的振動。

圖5 壓力分布圖

圖6 局部壓力分布圖

從圖7 速度分布圖與圖8 速度矢量分布圖中可以發(fā)現(xiàn)，管道中心紅色表示速度最大端，管道內(nèi)壁藍色表示速度最小端，氣體在管道中流動時，同一截面速度大小不同，這說明了氣體在管道中運動時，速度大小是不均勻的，也是引起往復式壓縮機系統(tǒng)內(nèi)管道振動的根本原因。

圖7 速度分布圖

圖8 速度矢量分布圖

5結(jié)論

本文首先分析了往復式壓縮機系統(tǒng)內(nèi)各部件振動的問題及原因，然后通過對具有代表性的管道振動問題的分析，來大概推斷出系統(tǒng)整體振動的原因。通過對管道的模擬分析可以了解到，管道中氣體的壓力脈動和速度脈動是產(chǎn)生振動的主要原因。

為了避免管道的振動情況，可以適當減小管道長度，這樣不但可以降低管道中氣柱的固有頻率，還可以有效避免管道中氣體流動帶來的壓力脈動、速度脈動以及當兩個脈動頻率相近時產(chǎn)生的共振現(xiàn)象。從根本上解決了系統(tǒng)內(nèi)管道的振動問題。

通過分析往復式壓縮機系統(tǒng)內(nèi)各部件的振動問題和管道振動情況很相近，歸根結(jié)底都是壓力脈動、速度脈動以及當兩個脈動頻率相近時產(chǎn)生的共振現(xiàn)象所造成的。因此，要想有效避免往復式壓縮機系統(tǒng)內(nèi)的振動問題，首先要在設(shè)計上進行改進，從根本上解決問題。

符號說明：