［摘 要］大功率往復(fù)式壓縮機(jī)在天然氣生產(chǎn)和輸送中具有重要作用，其安全性對(duì)于整個(gè)天然氣系統(tǒng)的穩(wěn)定至關(guān)重要。然而，該類壓縮機(jī)在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的振動(dòng)問題，不僅會(huì)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(fù)式壓縮機(jī)管道振動(dòng)的原因，并提出了有效的控制措施，旨在保障天然氣儲(chǔ)氣庫(kù)的生產(chǎn)安全，提升壓縮機(jī)運(yùn)行效率。

［關(guān)鍵詞］大功率往復(fù)式壓縮機(jī)；管道；振動(dòng)特性；振動(dòng)控制

［中圖分類號(hào)］TM73 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號(hào)］2095–6487（2024）09–0109–03

1 往復(fù)式壓縮機(jī)管道振動(dòng)原因

1.1 氣流脈動(dòng)引起的管道振動(dòng)

往復(fù)式壓縮機(jī)通過活塞在氣缸內(nèi)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dòng)呈現(xiàn)出脈動(dòng)狀態(tài)，即氣體的速度和壓力會(huì)隨著活塞的運(yùn)動(dòng)而發(fā)生周期性的變化。這種脈動(dòng)狀態(tài)的氣體在管道中流動(dòng)時(shí)，會(huì)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(jìn)而引發(fā)管道的機(jī)械振動(dòng)。這種振動(dòng)不僅會(huì)對(duì)管道系統(tǒng)造成影響，更會(huì)通過反饋機(jī)制傳遞到壓縮機(jī)組本身，對(duì)氣缸的工作穩(wěn)定性造成干擾。在行業(yè)內(nèi)，氣流脈動(dòng)被認(rèn)為是引起管道振動(dòng)的主要原因之一。為了評(píng)估其影響程度，通常會(huì)采用壓力不均度這一指標(biāo)。當(dāng)壓力不均度較高時(shí)，意味著氣流脈動(dòng)強(qiáng)烈，振動(dòng)幅度大，這會(huì)對(duì)壓縮機(jī)組的安全運(yùn)行造成較大的風(fēng)險(xiǎn)。因此，對(duì)于往復(fù)式壓縮機(jī)的運(yùn)行和維護(hù)來(lái)說(shuō)，降低氣流脈動(dòng)、減小壓力不均度及抑制管道振動(dòng)至關(guān)重要。壓力不均度δ的計(jì)算公式如下：

式中，Pmax、Pmin為管道內(nèi)部氣體在某一時(shí)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(fù)式壓縮機(jī)的氣閥設(shè)計(jì)和工作特性，決定了在實(shí)際運(yùn)行中完全消除氣流脈動(dòng)是一項(xiàng)難以實(shí)現(xiàn)的任務(wù)。因此，更為實(shí)際且可行的目標(biāo)是將氣流脈動(dòng)控制在可接受的范圍內(nèi)，以確保壓縮機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行和管道系統(tǒng)的安全性。為了達(dá)到這一目標(biāo)，有效控制由氣流脈動(dòng)引起的壓力不均度成為一項(xiàng)重要工作。通過合理調(diào)整壓縮機(jī)的運(yùn)行參數(shù)、優(yōu)化管道布局及采用適當(dāng)?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(dòng)的幅度和頻率。關(guān)于壓縮機(jī)脈動(dòng)不均度的許用值（表1），可參照相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范。這些許用值是根據(jù)壓縮機(jī)的類型、規(guī)格及工作條件等因素綜合確定的，為壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供了重要的參考依據(jù)。在實(shí)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(jī)組和管道系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

在氣體傳輸中，管道結(jié)構(gòu)和部件對(duì)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(dǎo)致的壓力不均較大，并可能加劇振動(dòng)。某往復(fù)式壓縮機(jī)的二級(jí)排氣管道瞬時(shí)壓力變化范圍為7.70～7.94 MPa，平均壓力為7.82 MPa。通過計(jì)算得出壓力不均度δ 為3.07%。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，該壓力不均度在允許范圍內(nèi)，說(shuō)明振動(dòng)情況可接受，不會(huì)對(duì)壓縮機(jī)運(yùn)行和管道安全產(chǎn)生不良影響，這對(duì)性能評(píng)估和管道設(shè)計(jì)優(yōu)化至關(guān)重要。

1.2 氣柱共振引起的管道振動(dòng)

在一個(gè)充滿氣體的管道內(nèi)部，氣流呈現(xiàn)出一種獨(dú)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(dāng)外界因素，如壓縮機(jī)的運(yùn)行或其他機(jī)械作用產(chǎn)生的激發(fā)頻率與管道內(nèi)氣柱的自然振動(dòng)頻率相吻合時(shí)，就會(huì)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(dāng)共振發(fā)生時(shí)，管道本身會(huì)經(jīng)歷劇烈的振動(dòng)，這種振動(dòng)不僅局限于管道，還會(huì)迅速傳遞到整個(gè)壓縮機(jī)組及其附屬部件。這種全局性的振動(dòng)不僅會(huì)影響設(shè)備的正常運(yùn)行，還可能導(dǎo)致部件的損壞或整體系統(tǒng)的失效。在無(wú)阻尼平面波理論中，氣體脈動(dòng)壓力與脈動(dòng)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(dòng)壓力；U1、U2分別為x=0和x=1處脈動(dòng)速度；U為曲管道內(nèi)氣體流速，m/s；x為管道長(zhǎng)度；ρɑ為流體密度，kg/m3。

2 往復(fù)式壓縮機(jī)進(jìn)出口管道布置設(shè)計(jì)

2.1 入口分液罐的位置設(shè)計(jì)

往復(fù)式壓縮機(jī)是一種重要的工業(yè)設(shè)備，其穩(wěn)定運(yùn)行關(guān)系到整個(gè)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(jī)中，并防止可能的液沫夾帶問題，一般在壓縮機(jī)入口設(shè)置進(jìn)口分液罐。該分液罐設(shè)計(jì)巧妙，不僅可有效調(diào)節(jié)壓縮機(jī)進(jìn)氣流量，使之維持在一個(gè)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(jìn)口分液罐通過分離液滴，大幅減少了液沫夾帶的危險(xiǎn)，避免了液滴對(duì)壓氣機(jī)內(nèi)部部件的潛在損傷。另外，為進(jìn)一步優(yōu)化壓氣機(jī)工作環(huán)境，對(duì)分液罐的布置位置進(jìn)行了細(xì)致的考慮。一般情況下，應(yīng)該安裝在壓縮機(jī)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(jìn)口管路振動(dòng)帶來(lái)的不利影響，還可以保持較低的進(jìn)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(jìn)入缸內(nèi)，從而保證壓縮機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.2 出口管道設(shè)計(jì)

為了減少振動(dòng)和應(yīng)力對(duì)管道系統(tǒng)及相連設(shè)備的不良影響，須在靠近進(jìn)出口管嘴的位置安裝緩沖罐。緩沖罐的設(shè)計(jì)能夠有效地吸收和分散系統(tǒng)中的振動(dòng)能量，從而降低振動(dòng)傳遞的幅度。此外，為了進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，管道應(yīng)沿著地面低處進(jìn)行敷設(shè)。通過這種方式，可以利用地面的支撐作用來(lái)減緩振動(dòng)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(dòng)傳遞，保護(hù)管道和管嘴免受振動(dòng)和應(yīng)力的損害。同時(shí)，為了確保管道系統(tǒng)的安全運(yùn)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(yán)格控制在允許范圍內(nèi)。在廠房?jī)?nèi)部，特別是振動(dòng)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(dòng)和應(yīng)力對(duì)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?dú)獬隹诠艿酪矐?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(shí)也方便日后的維護(hù)和檢修工作。

2.3 支架設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)往復(fù)式壓縮機(jī)的吸入或排出管道時(shí)，支架設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性和振動(dòng)傳遞至關(guān)重要。支架應(yīng)獨(dú)立于壓縮機(jī)基礎(chǔ)，以隔離振動(dòng)。通常，管道沿地面敷設(shè)，利用地面穩(wěn)定性減緩振動(dòng)，而抗震支架因減振性好而常用，安裝在剛性管墩上可增強(qiáng)穩(wěn)定性，安裝時(shí)應(yīng)避免支架搭接，確保獨(dú)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(dòng)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(jì)可以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、安全性，同時(shí)降低施工成本。

3 往復(fù)式壓縮機(jī)管道振動(dòng)的控制措施

3.1 合理設(shè)置緩沖罐

為了有效解決由往復(fù)式壓縮機(jī)引發(fā)的管道振動(dòng)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(gè)精心設(shè)計(jì)的空氣彈簧，其主要作用是通過平抑氣流脈動(dòng)來(lái)顯著降低振動(dòng)水平。當(dāng)管道內(nèi)部的氣壓發(fā)生波動(dòng)時(shí)，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(jì)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(dòng)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(jìn)氣流快速穩(wěn)定流動(dòng)的連接方式，以減少氣流在連接處的湍流和阻力，從而進(jìn)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(dòng)通常是由內(nèi)部氣流脈動(dòng)所致。為了緩解這一問題，通常會(huì)采取安裝減振裝置的措施來(lái)降低振動(dòng)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(lái)顯著削弱氣流脈動(dòng)。孔板減振效果的關(guān)鍵在于其安裝位置和孔徑比的選擇。經(jīng)過精心計(jì)算和設(shè)計(jì)的孔板被安裝在緩沖罐的入口處時(shí)，能夠?qū)⒃究赡芤l(fā)共振的駐波轉(zhuǎn)變?yōu)樾胁ā＿@種轉(zhuǎn)變不僅有助于減少氣流脈動(dòng)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(dòng)帶來(lái)的問題，國(guó)際上眾多知名的壓縮機(jī)制造商紛紛開始采用一種名為亥姆霍茲共鳴器的先進(jìn)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(dòng)抑制效果方面展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢(shì)。亥姆霍茲共鳴器的工作原理是通過精確設(shè)定一個(gè)特定頻率，從而有效地阻斷低于該頻率的氣流脈動(dòng)。這種獨(dú)特的運(yùn)行機(jī)制使得由氣流脈動(dòng)引起的振動(dòng)大幅降低。在實(shí)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(guó)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(dòng)，為管道振動(dòng)控制提供了更全面的解決方案。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章針對(duì)復(fù)式壓縮機(jī)管道系統(tǒng)振動(dòng)的根源針對(duì)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(dòng)的產(chǎn)生，使得壓縮機(jī)組的運(yùn)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(jiān)實(shí)的保障。

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