气量无级调节系统在运行中的问题分析及改进

孔凡杨，荆恒铸

(河南心连心化肥有限公司，河南 新乡 453731)

气量无级调节系统在运行中的问题分析及改进

孔凡杨，荆恒铸

(河南心连心化肥有限公司，河南 新乡 453731)

往复式压缩机上增加了气量无级调节系统后，先后出现压缩机进气管道最远端和进口处管道振动，通过对现场振动现象和对气量无级调节系统工作原理的分析，采取了一些减振措施，最终解决振动问题。

气量无级调节；振动；分析；解决

河南心连心化肥有限公司CO2压缩机4M40-105/159气量无级调节装置于2016年8月投运，但随后发现由低温甲醇洗岗位送至压缩机的CO2管道及压缩机一级缓冲罐进口前部分管道振动大。管道振动对安全生产是一个很大的威胁，容易造成管路附件的连接部位发生松动和破裂，影响压缩机组的正常运行等。针对此问题，我们对管线进行振动原因分析，振动数据测量，采取减振措施，最终解决了振动问题，保证了气量调节系统和压缩机系统的长周期稳定运行。

1 管道振动的分析

1.1 气流脉动引起的管道振动

往复式压缩机的工作特点是吸排介质呈间歇性和周期性，激起管内流体呈脉动状态，流体脉动的大小用压力不均匀度来表示。管道内的流体压力不均匀度越大，振动频率越高。脉动的流体沿管道输送时，遇到弯头、异径管、控制阀、盲板等元件后，由于瞬间压力、速度、密度的变化，将产生随时间变化的激振力，受该力的作用，管道结构及附件便产生一定的机械振动响应。

1.2 共振

共振分为两类，一是气柱共振：往复式压缩机管路内输送的气体可视为静止的，称为气柱。气柱可以压缩、膨胀，故可以看作一个类似弹簧的振动系统，具有一系列的固有频率，当往复式压缩机激发频率与某阶固有频率相等或相近时，系统即产生对应该阶频率的共振，从而引起很大的气流压力脉动值，即对管路产生很大的谐波激振力；二是管道机械共振：由管子、管件和支架组成的管道本身也是一个弹性系统。管道系统根据配管情况、支撑的类型和位置，也会有一系列的固有频率，当激发频率与某阶固有频率相等或相近时，便发生管道的机械振动，共振对管道的振动具有很大的影响。

根据以上理论进行分析，CO2管道的振动既有气流脉动的影响，也有共振的影响。因为增加气量无级调节装置后，在活塞向盖侧压缩的过程中，进气阀被强制打开一段时间，使缸内气体重新返回到进气管中，这样给气柱的脉动又增加了一股脉动，这股脉动打破了之前平稳、规律的气柱脉动，改变了激发频率，使得气柱脉动频率与管系的固有频率接近，使管道产生共振；同时该路管线长度二百多米，整个管线上没有防振管夹，也没有限位支架，使得整个管系的刚性特别差，抗外界干扰能力较弱，而且整条管线共有4次变径，有8个90°弯头，多次的管道变径和曲折的管道走向也增加了激振力的强度和数量，也会加重管道的振动。

2 管道减振措施

2.1 改变固有频率

经过计算，当气流的频率与管道的第9阶频率2.089Hz重合时就会引起管廊前三跨的外管振动，这一分析与现场振动情况相吻合，所以我们将管廊的所有滑动支架调整为防振管夹，对管廊上与管道接触的支架等进行加固，调整后管道的一阶固有频率增至2.899HZ。这样一方面提高管道的刚度，另一方面避开共振频率来减轻振动。

图1 管廊上的放空管支架

振动管道的放空管经过该支架汇入放空总管，该支架由250mm工字钢组成，高出管廊将近5m，支撑性较差，支架随着管道的振动晃动时幅度较大，对支架加斜撑和立柱加固后不再晃动，如图1所示(图2中又新增一趟管线及支架，与本文无关)：

图2 加固后的支架

2.2 增加孔板

《石油化工装置工艺管道安装设计手册》中关于往复式压缩机管道设计中写道"为减小气体压力脉动，应在压缩机入口管道上设置缓冲罐或者孔板"。国内在几十年前就开始利用孔板来减轻管道振动，各种理论研究和实际应用的案例都有很多，这些案例都表明采用合适的孔径和安装位置，可以很明显地减轻压缩机管道振动。

⑴孔板孔径。计算孔板的孔径比通常采用公式d/D=0.43～0.5，其中，d 为孔板孔径，D为管道内径，且孔板内径边缘处必须保留锐利棱角，不得倒角，目的是将管道内的压力驻波转变成行波，从而降低管道内的压力不均匀度。

⑵孔板位置。孔板的位置必须安装在足够大的容器进、出口法兰处，因为当孔板远离容器时不再形成无反射的端点条件，而只是一个单纯的局部阻力元件，管道内存在的仍是驻波，无法起到消振作用。

现场实施过程中，第一次在压缩机前水分离器进口处增加了孔板，与足够大的容器进口相连，效果比较明显，振动减轻，管廊上振动基本消失，但是压缩机进气缓冲罐进口前管道仍有轻微振动，测量数据如表1。

表1 前水分离器进口增加孔板前后压缩机管道振动情况

经过计算，又在一级进气缓冲罐进口处增加了不同尺寸的孔板，孔板的孔径仍采用公式d/D=0.43～0.5计算，取d=0.42，增加孔板后经试验，振动情况基本消失。

现场装设孔板的位置如下图3。

2.3 缓冲器容量核算

缓冲器被认为是最简单且有效的减缓气流脉动的设施，其不仅能改变管系气柱的固有频率，而且可以降低气流脉动的幅值。而缓冲器的安装位置和容积大小及其重要。为了能充分发挥缓冲器减缓气流脉动的效果，应尽量将缓冲器放置在紧靠压缩机进、排气口。另外缓冲器的容积大小也对振动有影响，要求是压缩机气缸容积的10倍，我公司压缩机一级进气缓冲器与前水分离器的容积分别为3.2m3和3.82 m3，根据压缩机数据计算出气缸容积为0.21 m3，满足对缓冲器的容积要求。

2.4 改进管系结构特性

降低压力不均匀度，是减小管道振动的根本措施，但是管道中总会有转弯和管件等，脉动气流遇到管道元件时，由于力的不平衡性，就必然会出现对管道的激振力，上述增加孔板和支架也可以达到改变管系结构特性的作用。

2.5 改变执行器安装位置

目前系统只在盖侧加装了四个执行机构，如果将盖侧四个执行器改为轴侧、盖侧各两个执行器，气体向进气管线返气的频率会比四个气阀在一侧增加一倍，同时每次进行返气的气阀由四个变为两个，因此返气量在理论上可以减少一半，气流造成的脉冲也会相应减小，可以减轻管道的振动。但是经过厂家技术人员的详细计算得出的结论是这种方法是不成立的。

图3 现场装设孔板的位置

经过计算，这样做不仅会使压缩机进排气温度上升，几乎达到气阀能承受温度的上限，而且气阀所承受的力过大导致气阀寿命受到影响，甚至气阀结构被破坏。具体原因如下：

图4 系统专用气阀负荷-温度曲线

图5 气阀最大卸荷力与压缩机转速关系

(1)盖侧四个阀与轴盖侧各两个阀进排气温度对比(绿实线：盖侧四个阀进气温度；绿虚线：盖侧四个阀排气温度；粉实线：两侧各两个阀进气温度；粉虚线：两侧各两个阀排气温度)。

从图4可以看出，两侧各两个阀的话，在一级负荷80%时，排气温度达到130°左右，基本达到气阀可承受温度上限，对气阀寿命影响较大。

(2)图5为根据压缩机转速(横轴)确定气阀允许最大卸荷力(左侧纵轴)和用液压驱动时允许最大压力(右侧纵轴)，我公司压缩机转速300r/min，从图中可以看出，转速300r/min时，气阀允许最大卸荷力为3000N，经过厂家专用软件计算，从盖侧四个气阀改为两侧各两个气阀后，气阀所承受的卸荷力从1010N增加到3720N，气阀无法承受。

3 结论

往复式压缩机管道现场减振，对已经发生振动的管道，必须先判断清楚产生振动的原因，是气体脉动过大，还是管系产生了机械共振。在尚未弄清楚管道振动原因时就盲目加固有时并无好处，因为当气流压力脉动过大而引起管道振动时，加固支撑虽然使振动现象一时得以缓解，但管道承受的激振力并没有减小，管道动应力有时反而会增加，振动有可能会传递到与其相邻的设备或管道，引起更大的问题，最终通过对管道和支架的加固以及管道增加合适尺寸的孔板，振动问题得以解决。

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2017-07-14

孔凡杨(1989—)，河南新乡人，助理工程师，主要从事自动控制方向研究。

TE974

A

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

(本文文献格式孔凡杨，荆恒铸.气量无级调节系统在运行中的问题分析及改进[J].山东化工，2017，46(18)：102-104.)