氮气压缩机管路系统气流脉动分析研究.pdf

书书书设 计 研 究 年 期（总第 期）氮气压缩机管路系统气流脉动分析研究马静，焦圳，于淼（沈阳远大压缩机有限公司，辽宁 沈阳 ）摘要：以氮气压缩机为研究对象，对一级进气管线进行了气流脉动分析，计算出了弯头、异径、三通等脉动节点的压力脉动频谱。发现气流脉动最大点的脉动幅值是 第 版指导线的 倍，根据分析结果，查找气流脉动大的原因，提出了增大部分管线管径同时修改安全阀引出点位置的方法，调整后气流脉动最大点的脉动幅值降低至指导线的 倍，引起振动的脉动不平衡力在指导线内，说明调整的方案是有效的。关键词：压缩机；气流脉动；振动中图分类号：文献标志码：文章编号：（）收稿日期：，（，）：，：；引言往复式活塞压缩机由驱动机、机身、中体、气缸活塞，进、排气器缓冲罐及附属管道等组成，可以输送高压气体、易燃易爆气体或有毒气体，是石油炼化、天然气输送等项目中重要的设备之一。因此，压缩机的安全平稳运行，是提高整条生产线效率的因素之一。由于压缩机工作时，会不停的吸气排气，传播到管道内的气体速度和压力一直处于波动状态，也可称为气流脉动。流动的气体会对管道产生作用力，引起管道振动。管道振动会影响压缩机的正常运转，带来诸多不利因素，如：长期的振动可能会引起分支管线开裂；管道间通过法兰连接时，振动设 计 研 究 年 期（总第 期）过大，时间过长，会导致连接螺栓松动，进而导致法兰泄漏，导致事故的产生等。管路系统振动大小受脉动不平衡力和管道固有频率的影响，在以往处理压缩机现场振动过大问题时发现：控制管路振动，首先要控制好气流脉动，降低管内的脉动值，这是解决管道振动的根本。再通过调整管路系统支撑，保证主要脉动频率满足分离裕度要求，才可以有效地降低管路振动水平。压缩机工作原理及振动原因活塞压缩机通过曲轴的旋转运动，带动活塞在气缸内进行往复运动，进而压缩气缸内的气体体积，实现提升压力的目的。气缸工作的过程分为 部分，首先是气体的膨胀，接着开始进气，然后活塞压缩气体，最后是排气。对于双作用压缩机来说，曲轴旋转 ，活塞完成工作过程 次。从压缩机进入工艺气开始正常工作后，一直重复上述的有规律的工作。振动原因由压缩机的工作原理可知，规律性的吸气、排气过程导致气体速度和压力随着曲柄转角的周期性变化，这种特性按照声速从压缩机气缸开始，向管线传播。气体压力作用在脉动节点处产生脉动力，当脉动力不平衡时脉动不平衡力会成为激振力，激发主机和管路的振动。通常，气体压力变化的程度可以用脉动压力不均匀度 来表示，脉动幅度与压力不均匀度之间的关系可由式（）（）表示。（）式中 最大的压力 最小的压力 平均压力 压力脉动的最大幅度 （）（）所以，（）压缩机管路系统是个多自由度系统，存在多阶固有频率，当主要的脉动激振力频率和固有频率接近时，管路系统会因为共振产生超出规范要求的振动响应。如果机组内部设计、安装不当，也可能导致管道振动。本文中的案例通过设置支撑，管路系统固有频率已经满足 标准中的分离裕度要求。因此，重点工作是控制气流脉动水平，从根本上减小激振力。气流脉动分析引起压缩机振动的主要原因就是管道内的气流在传播的过程中产生的。周期性变化的压力、速度通过傅里叶变换，可以分解为频域分量，各频率是压缩机转速的整数倍，在频域内对沿着管线的气流传播进行计算，可以得到管线各处的压力和速度脉动幅值。把脉动幅值和诱发的脉动力和 第 版中的指导线进行对比研究，可以评估管路的脉动水平。本文以氮气压缩机为例，选取了其中的一级进气管线进行分析。气流脉动声学模型一级进气系统的气体分别从 处不同的气源进入压缩机，第 种气体是经上游大容器，入口分离器，一级进气缓冲器后进入压缩机；第二种的气体是从远端的管廊输送过来，进入一级进气缓冲器后再进入压缩机。本文将分析第 种工况。该氮气压缩机为，转速为 ，具体温度、压力等参数如表 。一级进气脉动分析结果借助专业的脉动分析软件，对一级进气管线进行分析。由于压缩机管线长度远大于管线直径，因此为简化计算，软件中忽略了沿着直径方向传播的脉动波，只考虑沿管线长度方向传播的脉动波，声学脉动模型是个一维模型。建模过程中，对缓冲器封头等椭球结构，等效为声学特性相同的圆柱体。在气缸气阀处设置往复压缩机边界条件，脉动波从此处开始产生。在关闭的阀门处，没有流量经过，设置为封闭的边界条件。上游大容器处相当于声学开口，因此设置为开口边界。表 级数作用方式双作用双作用流量 进气压力（）排气压力（）进气温度（）排气温度（）设 计 研 究 年 期（总第 期）脉动分析结果首先是把脉动节点处的脉动幅值 值与 指导线进行对比，然后看由脉动引起的脉动力是否过大，还需要提取压力损失等与压缩机性能相关的数值，综合评估该压缩机的脉动分析结果是否合理。从图 的结果中可看出，脉动结果并不理想。压缩机附近的管线各个节点的脉动幅值均超出了指导线准则。比如节点 ，它最高处的脉动幅值是 ，对应频率 ，是指导线的 倍。过高的脉动将会引起管线振动，所以必须要进一步调整。此频率为压缩机转速的 倍频（），是双作用压缩机的脉动主要频率。脉动主频率上幅值高一些符合压缩机的特性。但是对比以往类似机器，这台压缩机脉动幅值明显过大。对模型检查后确定建模、分析无误，推断是一级进气管线中气柱固有频率和脉动激发频率重合导致。想要降低脉动水平，需要改变管线内的气柱频率。调整方案由于按照原管路分析的脉动幅值远远的超出了指导线要求，现在需要对管路系统进行调整。经核算一级进气缓冲器的容积满足要求，且经过验证调整容积无效；下一步尝试加大一档管径，将一级进气缓冲器的进气管线由 改为 后，进行核算，脉动水平明显降低，但并不能完全满足指导线要求。一级进气管线上有一根入口安全阀的管线，脉动幅值最大点出现在安全阀入口位置。安全阀引出管线上的脉动特性和主管道上的脉动特性非常接近。所以对其引出点位置进行调整结果显示改变引出点的位置，可以有效的降低脉动幅值。经过不断调整方案，最后通过同时加粗管径和修改入口安全阀的引出位置，新的管线模型如图 。调整后的脉动分析结果如图 ，最高处的脉动幅值峰峰值为 ，是指导线的 倍。由于此处的边界条件为闭口单元，所以脉动幅值会高一点。下一步需要查看由脉动在管道内引起的脉动力是否符合 的要求。提取到的脉动力如图 ，由此可知，其脉动力结果在指导线范围内，脉动力结果是可以接受的。结论管道内的气流脉动是引起往复压缩机管道振动的主要原因。通过对氮气压缩机一级进气管线进行脉动分析发现，管线的布局方式和管径大小都会影响气柱本身固有频率。当气柱频率和压缩机气缸产生的声学激振力频率接近时，气体会因为在管路系统中发生共振，引起整体脉动水平超标。调整缓冲器容积、增加孔板等措施并不一定能有效解决管路内脉动过大问题。所以要打开思路，根据不同节点的脉动特性仔细分辨，寻找脉动大的根源，从而找到合适的调整方案。图 一级进气原管线分析结果图 一级进气修改后的管线分析模型图 一级进气修改后的管线分析模型图 点 处的脉动力参考文献：，党锡淇 活塞式压缩机气流脉动与管道振动 西安：西安交通大学出版社，杨国安 往复机械故障诊断及管道减振实用技术 北京：中国石化出版社，作者简介：马静（），女，辽宁朝阳人，本科，高级工程师，现主要从事 重型往复式压缩机和 高转速压缩机设计和研发。：