氣量無級調節系統在運行中的問題分析及改進

孔凡楊，荊恒鑄

(河南心連心化肥有限公司，河南 新鄉 453731)

氣量無級調節系統在運行中的問題分析及改進

孔凡楊，荊恒鑄

(河南心連心化肥有限公司，河南 新鄉 453731)

往復式壓縮機上增加了氣量無級調節系統后，先后出現壓縮機進氣管道最遠端和進口處管道振動，通過對現場振動現象和對氣量無級調節系統工作原理的分析，采取了一些減振措施，最終解決振動問題。

氣量無級調節；振動；分析；解決

河南心連心化肥有限公司CO2壓縮機4M40-105/159氣量無級調節裝置于2016年8月投運，但隨后發現由低溫甲醇洗崗位送至壓縮機的CO2管道及壓縮機一級緩沖罐進口前部分管道振動大。管道振動對安全生產是一個很大的威脅，容易造成管路附件的連接部位發生松動和破裂，影響壓縮機組的正常運行等。針對此問題，我們對管線進行振動原因分析，振動數據測量，采取減振措施，最終解決了振動問題，保證了氣量調節系統和壓縮機系統的長周期穩定運行。

1 管道振動的分析

1.1 氣流脈動引起的管道振動

往復式壓縮機的工作特點是吸排介質呈間歇性和周期性，激起管內流體呈脈動狀態，流體脈動的大小用壓力不均勻度來表示。管道內的流體壓力不均勻度越大，振動頻率越高。脈動的流體沿管道輸送時，遇到彎頭、異徑管、控制閥、盲板等元件后，由于瞬間壓力、速度、密度的變化，將產生隨時間變化的激振力，受該力的作用，管道結構及附件便產生一定的機械振動響應。

1.2 共振

共振分為兩類，一是氣柱共振：往復式壓縮機管路內輸送的氣體可視為靜止的，稱為氣柱。氣柱可以壓縮、膨脹，故可以看作一個類似彈簧的振動系統，具有一系列的固有頻率，當往復式壓縮機激發頻率與某階固有頻率相等或相近時，系統即產生對應該階頻率的共振，從而引起很大的氣流壓力脈動值，即對管路產生很大的諧波激振力；二是管道機械共振：由管子、管件和支架組成的管道本身也是一個彈性系統。管道系統根據配管情況、支撐的類型和位置，也會有一系列的固有頻率，當激發頻率與某階固有頻率相等或相近時，便發生管道的機械振動，共振對管道的振動具有很大的影響。

根據以上理論進行分析，CO2管道的振動既有氣流脈動的影響，也有共振的影響。因為增加氣量無級調節裝置后，在活塞向蓋側壓縮的過程中，進氣閥被強制打開一段時間，使缸內氣體重新返回到進氣管中，這樣給氣柱的脈動又增加了一股脈動，這股脈動打破了之前平穩、規律的氣柱脈動，改變了激發頻率，使得氣柱脈動頻率與管系的固有頻率接近，使管道產生共振；同時該路管線長度二百多米，整個管線上沒有防振管夾，也沒有限位支架，使得整個管系的剛性特別差，抗外界干擾能力較弱，而且整條管線共有4次變徑，有8個90°彎頭，多次的管道變徑和曲折的管道走向也增加了激振力的強度和數量，也會加重管道的振動。

2 管道減振措施

2.1 改變固有頻率

經過計算，當氣流的頻率與管道的第9階頻率2.089Hz重合時就會引起管廊前三跨的外管振動，這一分析與現場振動情況相吻合，所以我們將管廊的所有滑動支架調整為防振管夾，對管廊上與管道接觸的支架等進行加固，調整后管道的一階固有頻率增至2.899HZ。這樣一方面提高管道的剛度，另一方面避開共振頻率來減輕振動。

圖1 管廊上的放空管支架

振動管道的放空管經過該支架匯入放空總管，該支架由250mm工字鋼組成，高出管廊將近5m，支撐性較差，支架隨著管道的振動晃動時幅度較大，對支架加斜撐和立柱加固后不再晃動，如圖1所示(圖2中又新增一趟管線及支架，與本文無關)：

圖2 加固后的支架

2.2 增加孔板

《石油化工裝置工藝管道安裝設計手冊》中關于往復式壓縮機管道設計中寫道"為減小氣體壓力脈動，應在壓縮機入口管道上設置緩沖罐或者孔板"。國內在幾十年前就開始利用孔板來減輕管道振動，各種理論研究和實際應用的案例都有很多，這些案例都表明采用合適的孔徑和安裝位置，可以很明顯地減輕壓縮機管道振動。

⑴孔板孔徑。計算孔板的孔徑比通常采用公式d/D=0.43～0.5，其中，d 為孔板孔徑，D為管道內徑，且孔板內徑邊緣處必須保留銳利棱角，不得倒角，目的是將管道內的壓力駐波轉變成行波，從而降低管道內的壓力不均勻度。

⑵孔板位置?？装宓奈恢帽仨毎惭b在足夠大的容器進、出口法蘭處，因為當孔板遠離容器時不再形成無反射的端點條件，而只是一個單純的局部阻力元件，管道內存在的仍是駐波，無法起到消振作用。

現場實施過程中，第一次在壓縮機前水分離器進口處增加了孔板，與足夠大的容器進口相連，效果比較明顯，振動減輕，管廊上振動基本消失，但是壓縮機進氣緩沖罐進口前管道仍有輕微振動，測量數據如表1。

表1 前水分離器進口增加孔板前后壓縮機管道振動情況

經過計算，又在一級進氣緩沖罐進口處增加了不同尺寸的孔板，孔板的孔徑仍采用公式d/D=0.43～0.5計算，取d=0.42，增加孔板后經試驗，振動情況基本消失。

現場裝設孔板的位置如下圖3。

2.3 緩沖器容量核算

緩沖器被認為是最簡單且有效的減緩氣流脈動的設施，其不僅能改變管系氣柱的固有頻率，而且可以降低氣流脈動的幅值。而緩沖器的安裝位置和容積大小及其重要。為了能充分發揮緩沖器減緩氣流脈動的效果，應盡量將緩沖器放置在緊靠壓縮機進、排氣口。另外緩沖器的容積大小也對振動有影響，要求是壓縮機氣缸容積的10倍，我公司壓縮機一級進氣緩沖器與前水分離器的容積分別為3.2m3和3.82 m3，根據壓縮機數據計算出氣缸容積為0.21 m3，滿足對緩沖器的容積要求。

2.4 改進管系結構特性

降低壓力不均勻度，是減小管道振動的根本措施，但是管道中總會有轉彎和管件等，脈動氣流遇到管道元件時，由于力的不平衡性，就必然會出現對管道的激振力，上述增加孔板和支架也可以達到改變管系結構特性的作用。

2.5 改變執行器安裝位置

目前系統只在蓋側加裝了四個執行機構，如果將蓋側四個執行器改為軸側、蓋側各兩個執行器，氣體向進氣管線返氣的頻率會比四個氣閥在一側增加一倍，同時每次進行返氣的氣閥由四個變為兩個，因此返氣量在理論上可以減少一半，氣流造成的脈沖也會相應減小，可以減輕管道的振動。但是經過廠家技術人員的詳細計算得出的結論是這種方法是不成立的。

圖3 現場裝設孔板的位置

經過計算，這樣做不僅會使壓縮機進排氣溫度上升，幾乎達到氣閥能承受溫度的上限，而且氣閥所承受的力過大導致氣閥壽命受到影響，甚至氣閥結構被破壞。具體原因如下：

圖4 系統專用氣閥負荷-溫度曲線

圖5 氣閥最大卸荷力與壓縮機轉速關系

(1)蓋側四個閥與軸蓋側各兩個閥進排氣溫度對比(綠實線：蓋側四個閥進氣溫度；綠虛線：蓋側四個閥排氣溫度；粉實線：兩側各兩個閥進氣溫度；粉虛線：兩側各兩個閥排氣溫度)。

從圖4可以看出，兩側各兩個閥的話，在一級負荷80%時，排氣溫度達到130°左右，基本達到氣閥可承受溫度上限，對氣閥壽命影響較大。

(2)圖5為根據壓縮機轉速(橫軸)確定氣閥允許最大卸荷力(左側縱軸)和用液壓驅動時允許最大壓力(右側縱軸)，我公司壓縮機轉速300r/min，從圖中可以看出，轉速300r/min時，氣閥允許最大卸荷力為3000N，經過廠家專用軟件計算，從蓋側四個氣閥改為兩側各兩個氣閥后，氣閥所承受的卸荷力從1010N增加到3720N，氣閥無法承受。

3 結論

往復式壓縮機管道現場減振，對已經發生振動的管道，必須先判斷清楚產生振動的原因，是氣體脈動過大，還是管系產生了機械共振。在尚未弄清楚管道振動原因時就盲目加固有時并無好處，因為當氣流壓力脈動過大而引起管道振動時，加固支撐雖然使振動現象一時得以緩解，但管道承受的激振力并沒有減小，管道動應力有時反而會增加，振動有可能會傳遞到與其相鄰的設備或管道，引起更大的問題，最終通過對管道和支架的加固以及管道增加合適尺寸的孔板，振動問題得以解決。

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2017-07-14

孔凡楊(1989—)，河南新鄉人，助理工程師，主要從事自動控制方向研究。

TE974

A

1008-021X(2017)18-0102-03

(本文文獻格式孔凡楊，荊恒鑄.氣量無級調節系統在運行中的問題分析及改進[J].山東化工，2017，46(18)：102-104.)