氢气回收装置中往复式压缩机一级进气管路的优化设计

王宇博

摘      要：针对国内某石化公司订购的原料气压缩机（往复式压缩机），按照设计单位提供的上下游设备管路安排和具体要求，分析了压缩机开机时一级进气管路在不同工况下的气流脉动及管道振动情况。采用了API618 标准中推荐的近似设计方法3，其中气流脉动分析依据的基本理论为平面波动理论及转移矩阵法，使用CAESARII 模拟软件建模，利用结构振动理论对管道振动进行分析。

关  键  词：往复压缩机;气流脉动;机械振动

中图分类号：TQ 052       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2019）12-2908-04

Abstract： Aiming at raw gas compressor in a domestic petrochemical company， based on upstream and downstream equipments and pipings arrangement and specific requirements provided by the design unit， the gas pulsation and vibration of the primary intake line under different working conditions during the startup of compressor were analyzed. The approximate design method III recommended by API618 standard was adopted in the analysis. Among them， the basic theory of the analysis of air pulsation was plane wave theory and transfer matrix method， and CAESARII simulation software was used to model， and the vibration of pipeline was analyzed by structural vibration theory.

Key words： Reciprocating compressor; Airflow pulsation; Mechanical vibration

近年来，随着市场竞争的日趋激烈，石油化工领域的节能减排意识逐渐增強，氢废气回收利用工艺的研发和发展也占据了节能的主舞台，而氢气回收装置是现代化石油化工企业为了节约能源，降低生产成本，采用回收技术，将尾气（氢气）进行回收的一种节能装置。把压力较低的氢气通过压缩机压缩成满足工艺要求的压力气体是氢气回收装置的重要技术，而往复式氢气压缩机就成为氢气回收装置中尤其重要的机械设备。

往复式氢气压缩机都以撬装设备供货，设计单位在设计过程中考虑的不仅是撬装范围外管线的脉动和振动，如何控制机组供货范围内的气流脉动和机械振动也尤为重要。机组管网系统的脉动及振动分析是机组撬装设计和安全运行的重要支撑，这就需要设计单位对机组管路进行模拟和振动分析，从而更好的对管路系统进行减振设计。

某石化公司运行的富氢气体压缩机其一级管路系统发生很大的振动，振动造成平台共振、共振导致一级进气管路上的现场仪表开裂，管道焊缝开裂，现场发现机组振动最大的部位在一级缸北侧缸，最大振值已经超过了标准要求，所以本文特别针对原料气（主要是氢气）压缩机（4个气缸、2级压缩、电机驱动、转速333 r/min）的一级管路系统进行气流脉动及管道振动分析，在分析结果中找到管卡最适合的安装位置，以防止振动。在模拟分析中，该台压缩机不与任何其他压缩机并联使用。

1  压缩机一级进气总管路的脉动分析

把压缩机的一级管路系统分成2个部分。

压缩机的一级进气总管路见图1;压缩机一级排气缓冲罐到中间冷却器管路见图2。为了控制气流脉动水平，在压缩机的一级进气管路上安装脉动抑制装置[1]（缓冲罐），本文对此结构的管路进行建模、分析计算结果是否满足设计要求。

对上述管路系统，分别建立模型，对其进行气流脉动和机械振动分析。

针对图1-2的模型在压缩机100%额定工况下运行分析，利用平面波动理论及转移矩阵法[2]，得到气流脉动的计算结果见表1-2。

脉动抑制装置压力降计算结果：一级进、排气缓冲罐的压力降为0.018、0.007 kPa。

压缩机的脉动抑制装置满足API618中设计方法3[3]声学模拟和管路约束力分析，加上力学分析（如必要带强制机械响应的分析）的各项要求。

基于设计振动导则的最大许用非共振激振力可以从公式（1）确定。

根据API618的规定：（1）要求压缩机气缸法兰处的脉动峰—峰值不超过min（7%，3R%），其中，R=1.266/0.5为该管路的压力比;（2）要求脉动抑制装置的压降低于平均压力的max（0.25，1.67 （R-1）/R）%，即5.05和12.94 kPa。

计算结果：按表1和表2中数据都不超过7%;进气缓冲器处的压力降在标准规定的范围内;排气缓冲器处的压力降在标准规定的范围内。

2  压缩机一级进气总管路的振动分析

根据API618标准，压缩机的振动分析要求如下：（1）计算管道的应力以满足标准要求;（2）计算管道对管道支撑的作用力[3]，为设置管卡的设计提供依据。其中计算管道的应力包括一次应力计算和二次应力计算，图3显示为图1的模型导入，采用CAESAR II 软件对本模型进行一次应力分析和二次应力分析。

结果显示：各项静力均符合 Piping Code： B31.3 = B31.3 -2012， Jan 10， 2013 的要求。

采用CAESAR II 软件对本模型进行模态响应分析，结果如表3。

现通过调配管道系统的支架位置和數量，管路整体应力水平均在许用的范围内。管系最低阶固有频率为16.372 Hz，大于激振频率的2.95倍，管路不会产生低阶共振。各支撑点的位置和操作工况时支架受力情况见图4-5。

图6显示为图2的模型导入，采用CAESAR II 软件对本模型进行一次应力分析和二次应力分析。

结果显示：各项静力均符合 Piping Code： B31.3 = B31.3 -2012， Jan 10， 2013 的要求。

采用CAESAR II 软件对本模型进行模态响应分析，结果如表4。

现通过调配管道系统的支架位置和数量，管路整体应力水平均在许用的范围内[4]。管系最低阶固有频率为19.894 Hz，大于激振频率的3.58倍，管路不会产生低阶共振。各支撑点的位置和操作工况时支架受力情况见图7。

3  总 结

本篇文件重点研究了压缩机进气管线的振动，对某石化公司的MW-198.2/（4-29）-X 型原料气压缩机一级进气管道系统的气流脉动和管道振动进行了实际分析。总结出用于控制有害的脉动和振动的基本技术如下：

（a）基于对脉动和衰减要求交互影响分析的系统设计，获得可以控制的管路振动;

（b）利用脉动抑制装置—缓冲罐;

（c）控制管道振动的部件设计包括如下：设备和管道的管卡、管道支架的样式、数量和位置。

按照这3点基本技术，对此压缩机一级进气管路进行优化设计，设计结果表示：

（a）在设计有缓冲罐的一级进气管路系统上可以通过设计管路和设备管夹和支撑的型式、位置和数目来控制管路中有害的脉动和振动。

（b）缓冲罐和管路弯头附近的受力相对突出要设置4个方向的管夹和支撑。

压缩机管路的设计，必须满足API618中 “7.9 脉动和振动控制”中关于气流脉动和振动控制分析的要求，作者以整体布局为基础，局部分析设计为切入点，各个击破，本文以压缩机一级进气管路作为局部设计的切入点，利用平面波动理论及转移矩阵法计算气流脉动，采用CAESARII软件对模型计算，得到管路系统上管夹和支撑的型式、位置和数目来控制有害的脉动和振动。

参考文献：

[1]孙嗣莹，夏永源，李锦临.缓冲器位置对管道内气流脉动的影响[J].压缩机技术，1980，007（02）：31-34.

[2]党锡淇，陈守五.活塞式压缩机气流脉动与管道振动[M].西安：西安交通大学出版社，1984：66-69.

[3]API618-2007，石油化工和天然气工业用往复式压缩机[S].

[4]刘英男，单鲁维，蒋林滔.撬装往复压缩机的振动分析[J].化工机械，2015，42（1）：53-54.