储气库大功率往复压缩机组成撬API 618优化设计

秦飞虎，王培森，刘 浩，陈凌霄，李 强，杨 金，肖 强，胡 巍

（1.中国石油集团济柴动力有限公司成都压缩机分公司，四川成都 610100；2.华北油田公司储气库管理处，河北廊坊 065000；3.中加压缩机撬及管道工程公司，卡尔加里加拿大）

1 引言

随着我国天然气应用战略的展开，已有越来越多储气库开始进入建设和投运阶段。往复压缩机作为储气库建设和运营的主要设备，具有功率大，压力高，调节范围广等特点，对储气库项目建设和运营的成败具有关键影响作用。

目前，往复压缩机组的成撬设计往往只普遍关注到对其脉动振动控制的要求，对其管道柔性则重视不太够。在API 618第五版方法三（即第四版的M2-M7）中，对往复压缩机系统的气流脉动和机械振动分析提出了详细要求，但对机组的管道柔性分析（即API 618第四版中的M11）要求则描述不多，仅在方法二中以注释形式提出。然而，机组现场运行实践表明，即使脉动振动控制满足要求，但如管道布置柔性不好、引起设备和管道热应力过大，严重时会损坏设备管嘴和管道支撑，导致机组系统不能正常运行。因此，管道柔性分析在往复压缩机成撬设计中不能忽视。特别是对储气库大功率往复压缩机组，因其功率大、排压高、排温高，管道柔性问题更加突出，故更应受到特别重视和应用，以保证储气库大功率往复压缩机组的安全运行。

从技术上来看，控制机组设备和管道的脉动振动和保证其柔性要求是相互矛盾的。比如说，增加设备和管道的支撑约束可以帮助抑制振动，但却同时降低了系统柔性。减少支撑约束可以增加系统柔性，但却同时增加了系统振动风险。因此，在保证机组满足振动控制要求的提前下，同时满足系统柔性要求，就需要对机组进行优化设计。

本文以某储气库大功率往复压缩机组（4500 kW、6个气缸、三级压缩、电机驱动）的三级进气缓冲罐的设计改进为例，说明该优化设计方法、过程和应用，为储气库大功率压缩机组的成撬优化设计提供技术参考。

2 三级进气缓冲罐优化设计

在某储气库大功率六缸三级注气压缩机组的成撬设计中，采用了以2个三级气缸对称布置在压缩机身两侧，一个三级进气缓冲罐跨中布置的设计，如图1所示。此设计在满足气流脉动和机械振动控制的同时，具有布局较为整洁的优点。

但是，进一步分析发现，此三级进气缓冲罐跨中布置，缓冲罐2个管嘴距离较远。由于压缩机身、中体和气缸的运行温度较高，而缓冲罐运行温度较低，由它们之间的温度差形成的热膨胀位移差在2个缓冲罐管嘴会产生很大的拉应力。考虑到气缸中还存在交变气体力作用，因此，缓冲罐管嘴处会出现显著的交变疲劳应力，容易引起缓冲罐管嘴破裂。

为此，本文提出了将该跨中布置的三级进气缓冲罐改为使用2个单独的三级缓冲罐的优化方案，如图2所示。该方案显著增加了三级进气缓冲罐及管嘴系统的柔性。分析结果表明此优化设计即满足了系统的振动控制要求，又满足了系统柔性要求，同时避免了系统振动和三级进气缓冲罐管嘴破裂的风险。

3 三级进气缓冲罐优化设计分析

3.1 脉动分析

图1 机组三维模型及三级进气缓冲罐跨中布置设计

图2 改进后的2个三级进气缓冲罐设计

对比三级进气缓冲罐改进前后的气流脉动和机械振动分析结果，可以看出原设计方案和改进后的方案都满足API 618气流脉动分析和机械振动分析要求。尽管改进后在三级进气缓冲罐上的气流脉动不平衡力有所增加，但是通过在罐体上采取机械振动控制措施，机械振动水平也可控制在标准要求范围之内。图3和图4显示了三级进气缓冲罐在改进前后受到的气流脉动不平衡力分析结果，图5和图6显示了改进前后的机械振动受迫响应分析结果。

3.2 疲劳应力分析

当原方案使用一个跨中布置的三级进气缓冲罐时，由于温度差带来的热膨胀在管嘴接管处产生了很大的拉力。图7显示了有限元计算的管嘴接管在热膨胀拉力作用下的VonMises应力分布，图8显示了管嘴接管在气体交变力作用下的VonMises应力分布，表1列出了管嘴与筒体连接处的局部应力分析结果和疲劳强度评估结果。结合温度敏感性分析结果可以看出，最大拉应力位于缓冲罐管嘴和筒体连接的焊缝处，其应力值超过了材料的屈服极限，综合考虑交变应力作用，其疲劳强度评估安全系数小于2.0的标准要求，存在开裂危险。

图3 改进前气流脉动不平衡力

图4 改进后气流脉动不平衡力

图5 改进前受迫振动响应结果

图6 改进后受迫振动响应结果

图7 改进前管嘴接管受热拉应力

图8 改进前管嘴接管气体交变应力

当采用2个三级进气缓冲罐后，缓冲罐与2个气缸在轴向方向上热变形不再互相制约，导致作用在管嘴接管上的热膨胀向外拉力大幅降低。图9显示了管嘴接管在热膨胀拉力作用下的VonMises应力分布，图10显示了管嘴接管在气体交变力作用下的VonMises应力分布，表2列出了管嘴接管的应力分析和疲劳强度分析结果。从结果可以看出，采用优化设计方案后，三级进气缓冲罐管嘴接管上的热膨胀拉应力大幅降低，低于材料的许用和屈服强度，接管的疲劳强度评估安全系数大于2.0的标准要求，接管开裂的隐患随之消除。

3.3 三级进气缓冲罐管改进前后分析结果比较

表3列出了三级进气缓冲罐设计改进前后的API 618分析结果对比。可以看出，改进前的三级缓冲罐设计满足了气流脉动和机械振动要求，但不满足柔性分析要求。三级进气缓冲罐在温度差的作用下，其管嘴处产生有很大的拉应力，疲劳强度安全系数仅为0.78。采用本文提出的改进设计方案后，三级进气缓冲罐在满足API 618关于气流脉动和机械振动要求的同时，满足柔性分析要求，其管嘴处的拉应力水平大幅下降，疲劳强度评估安全系数达到4.79，保证了缓冲罐管嘴安全以及整个机组的安全运行要求。

表1 改进前三级进气缓冲罐管嘴接管局部应力计算和疲劳强度评估结果

图9 改进后管嘴接管受热拉应力

图10 改进后管嘴接管气体交变应力

表2 改进后三级进气缓冲罐管嘴接管局部应力计算和疲劳强度评估结果

表3 三级进气缓冲罐管改进前后API 618分析结果比较

4 结论

在往复压缩机成撬设计中，仅仅考虑满足机组振动控制要求；不考虑系统柔性要求，有时会导致机组设备和管道系统中出现高的疲劳热应力，影响机组安全运行。但同时考虑满足机组振动控制要求和系统柔性要求，从技术上来看有一定难度，因为这是2个相互矛盾的要求。为此，在压缩机成撬设计中，特别是储气库大功率往复压缩机组的成撬设计，就需要对机组进行优化设计，以期达到同时满足这2个要求的目的。

本文以三级进气缓冲罐管设计改进实例，说明该优化设计方法的应用，为提高储气库大功率往复式压缩机成撬设计水平以及保证储气库压缩机组安全性提供了技术参考。