往復(fù)式壓縮機(jī)出口管道振動(dòng)分析

閆家鵬

(沈陽(yáng)化工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 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(dòng)力或者提高其壓力以便于參與后續(xù)工藝過(guò)程，于是壓縮機(jī)就成為工業(yè)生產(chǎn)中必不可少的過(guò)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(diǎn)，在石油、化工、能源等領(lǐng)域中被廣泛的應(yīng)用。但在實(shí)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(dòng)性流動(dòng)狀態(tài)。管道內(nèi)壓力脈動(dòng)作為一種持續(xù)性的干擾力會(huì)引起管道系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)，并且這種激發(fā)源的客觀存在是無(wú)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(dòng)控制在某個(gè)允許的范圍之內(nèi)，使其能正常地、持續(xù)地工作。

本文對(duì)某企業(yè)往復(fù)式壓縮機(jī)出口管道振動(dòng)問(wèn)題的處理過(guò)程進(jìn)行了理論分析，驗(yàn)證性地說(shuō)明了理論分析與實(shí)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(dòng)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(duì)稱(chēng)平衡D型，共兩臺(tái)。壓縮機(jī)為一級(jí)，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(tái)壓縮機(jī)進(jìn)口和出口分別設(shè)有兩個(gè)緩沖罐，緩沖罐容積0.45 m3。

出口管路為每臺(tái)壓縮機(jī)出口兩個(gè)緩沖罐的出口管道(DN250)先合并為一個(gè)管道(DN300)，然后兩臺(tái)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(zhǎng)約50 m，彎頭有10個(gè)，三通有3個(gè)。

1.2 出口管道振動(dòng)處理情況

為了減小管道振動(dòng)，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(shí)，振動(dòng)有所減小，振幅平均減小了約40%，但振動(dòng)還是很明顯，不能滿(mǎn)足長(zhǎng)期運(yùn)行的要求。

后來(lái)，工廠試著將兩臺(tái)壓縮機(jī)同時(shí)運(yùn)行，增大循環(huán)氣量，滿(mǎn)足生產(chǎn)負(fù)荷要求，以便觀察運(yùn)行效果。結(jié)果，兩臺(tái)壓縮機(jī)同時(shí)開(kāi)啟后，出口管道振動(dòng)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(dòng)分析

2.1 往復(fù)式壓縮機(jī)振動(dòng)的一般機(jī)理

往復(fù)式壓縮機(jī)管道在使用過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象，一般來(lái)說(shuō)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(dòng)，因振動(dòng)具有傳遞性，故壓縮機(jī)振動(dòng)會(huì)引起管道的強(qiáng)烈振動(dòng)。(2)氣流脈動(dòng)引起的管道受迫振動(dòng)，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(dòng)，當(dāng)這種氣流流經(jīng)過(guò)彎管等非恒定截面時(shí)就會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)激振力，使得管道發(fā)生振動(dòng)。(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(shí)則會(huì)引發(fā)共振現(xiàn)象[2]。

2.2 對(duì)該企業(yè)往復(fù)式壓縮機(jī)管道振動(dòng)的原因分析

(1)考慮管道振動(dòng)是否有壓縮機(jī)振動(dòng)引起。對(duì)于該企業(yè)的情況，往復(fù)式壓縮機(jī)本身振動(dòng)不明顯，所以排除了是由壓縮機(jī)本身振動(dòng)引起管道震動(dòng)這個(gè)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(huì)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(guò)計(jì)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(shí)候聽(tīng)到了邁克爾·杰克遜的《Jam》，當(dāng)時(shí)歌曲的MV拍攝邀請(qǐng)到了邁克爾·喬丹。集合了兩位“傳奇MJ”的音樂(lè)錄影帶中有一段Rap，那是他第一次聽(tīng)到說(shuō)唱。到了初中，在一次和同學(xué)交換MP3的過(guò)程中，艾熱聽(tīng)到了《在北京》和邪惡少年EB的歌，“當(dāng)時(shí)就覺(jué)得這個(gè)音樂(lè)好像跟周杰倫、潘瑋柏的說(shuō)唱音樂(lè)有一些區(qū)別，然后開(kāi)始去主動(dòng)接觸說(shuō)唱”。

經(jīng)過(guò)模擬計(jì)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(huì)發(fā)生機(jī)械共振現(xiàn)象。

(3)考慮是否為氣流脈動(dòng)引起管道振動(dòng)。

氣流脈動(dòng)(即壓力不均勻度)是反映工作流體壓力上下波動(dòng)強(qiáng)度的一個(gè)指標(biāo)。當(dāng)流體處于脈動(dòng)狀態(tài)時(shí)，管內(nèi)的壓力在平均值附近上下周期性的波動(dòng)。系統(tǒng)工作時(shí)，氣體會(huì)充滿(mǎn)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(gè)具有連續(xù)質(zhì)量的彈性振動(dòng)系統(tǒng)，在壓縮機(jī)周期性排氣與吸氣的激發(fā)下，必然會(huì)引起氣柱振動(dòng)，也就造成管道氣流的壓力脈動(dòng)。壓力脈動(dòng)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(dòng)。管道系統(tǒng)就是一個(gè)彈性振動(dòng)系統(tǒng)．當(dāng)受到激振力作用時(shí)，就會(huì)發(fā)生振動(dòng)即激起管道及附件產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)[5]。

壓力不均勻度的計(jì)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(shí)，壓力不均勻度許用值按下式計(jì)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(duì)壓力(MPa)；d為管道內(nèi)徑(cm)；f為脈動(dòng)頻率(Hz)。

經(jīng)測(cè)量，壓縮機(jī)實(shí)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(jì)算可知，壓力不均勻度超過(guò)了許用值很多，氣流脈動(dòng)引起了管道振動(dòng)，這應(yīng)該是管道振動(dòng)的主要原因。

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

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

當(dāng)同時(shí)開(kāi)啟兩臺(tái)壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)，由于兩臺(tái)壓縮機(jī)的脈動(dòng)是不同時(shí)的，波動(dòng)會(huì)相互干涉，部分相互消減，壓力脈動(dòng)的最大值和最小值的差值會(huì)縮小，于是氣流脈動(dòng)引起的管道振動(dòng)就大大減小。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試與計(jì)算，同時(shí)開(kāi)啟兩臺(tái)壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)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(dòng)就會(huì)大大減小，這與實(shí)際現(xiàn)象相符合，說(shuō)明理論分析與實(shí)際結(jié)果一致。

當(dāng)然，對(duì)于壓力脈動(dòng)過(guò)大引起管道振動(dòng)的情況，還可以通過(guò)設(shè)置孔板來(lái)達(dá)到減振的作用，這在實(shí)際中也是常用的方法。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)該企業(yè)往復(fù)式壓縮機(jī)出口管道振動(dòng)的分析，排除了壓縮機(jī)振動(dòng)原因和機(jī)械共振原因，進(jìn)一步計(jì)算了壓力不均勻度(氣流脈動(dòng))，說(shuō)明該管道在單臺(tái)壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)原因是由于氣流脈動(dòng)引起的，而在兩臺(tái)壓縮機(jī)同時(shí)運(yùn)行的情況下，計(jì)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(dòng)就明顯減弱。這個(gè)分析結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行結(jié)果相符，說(shuō)明壓力不均勻度的理論計(jì)算與實(shí)際是相符的，也就是說(shuō)壓力不均勻度的理論計(jì)算可以很好地用于指導(dǎo)實(shí)踐活動(dòng)。