油气田用往复压缩机无固定基础安装的结构设计及应用

罗 涛，席少锋

（北京杰利阳能源设备制造有限公司，北京 100000）

1 引言

无固定安装基础结构的压缩机具有工程施工简单、周期短、使用灵活的特点，在国外，尤其是北美地区已得到了广泛应用。近年来，我国在油气田二次开发过程中建成了一批单井产气量少、气源分布零散的气田，使用固定式安装基础压缩机已不能适应现场运行要求，为此，我公司开发出了适用于现场运行工况的无固定安装基础压缩机组，目前已运行在苏里格及大牛地地区的多套此类压缩机组，具有工况适应能力强、方便移机的特点，为用户节约了大量设备投入成本，产生了良好的社会效益。

2 无固定基础压缩机橇的结构设计

固定基础压缩机组各设备及管道直接或间接安装在钢筋混凝土基础上，使用锚栓固定，钢筋混凝土基础设计成具有足够刚度的大快式结构，以限制基础上各设备及管道的相对位移，以及吸收压缩机激振载荷。压缩机钢结构底橇可以设计成大块式结构，也可以设计成几个独立的橇。

而无固定基础压缩机橇宜设计成大块式结构，所有的设备及管道安装在一个共用的钢结构橇上，且钢结构橇应具有足够的重量，承担“钢筋混凝土基础”的角色。钢结构橇与地基之间无锚栓连接，故压缩机橇本身的重量对基础动载荷计算结果影响较大。较重的底橇可以降低机组的自振频率，易避开压缩机激振频率区间，避免压缩机组的共振。另外，因增加了压缩机橇重量，需要增加底橇与地基的接触面积，以减小对地基的静压力。以我公司为华北石油大牛地气田提供的560 kW电驱往复式压缩组为例，同样的压缩机运行工况下，我们设计了固定基础安装及无固定基础安装两种结构，前者的设备重量约60 t，与地基接触面积39.5 m2，后者的设备重量达到90 t，与地基接触面积53.3 m2。

3 安装地基土层的承载力计算

对于绝大部分地表的天然地基土层，其承载力无法满足安装往复压缩机组的要求，需要对地表土进行开挖，使用更高级别承载能力的人工地基土换填。基础结构设计的原则是，开挖后池底的天然地基土层的承载力应大于压缩机橇所施加的综合载荷值，以免地基产生沉降。基础需根据具体的地质分析报告进行结构设计，不同地质条件会导致基础的结构设计有所差异，以大牛地气田560 kW电驱往复式压缩组为例，当地地质条件如表1。

设计基本输入数据如表2。

取地基土层的容重为1.65×104N/m3，计算得出2.0 m土层深度处的静压力为68.4 kPa；2.8 m土层深度处的静压力为86.7 kPa。考虑动载荷对地基土层的影响，细砂土层承载力不能满足要求，采用人工地基土增强层（级配砂石）换填细砂层，换填后多层地基土承载力特征值达到170 kPa，抗压刚度系数达到2900×104N/m3。

表1

4 压缩机橇对地基的动载荷核算

往复压缩机作用于曲轴上的不平衡力及力矩，会产生对底橇持续的扰力，扰力通过底橇传递到地基上，可能被放大，也可能被地基吸收。当扰力被放大时，一方面压缩机所施加的综合载荷值会超过地基土层的承载力，另一方面，压缩机橇的振幅值会大幅增加，从而产生设备的疲劳破坏。通过压缩机橇基础的动载荷核算，修正压缩机橇及基础的结构设计，使得传递到地基上的扰力尽可能被吸收。

压缩机橇最大振幅时传递到地基上的力F的计算如公式（1）及公式（2）

式中 AZ——振幅

FI——扰力

KZ——地基刚度

η——隔振系数

其中 μ——阻尼比，取0.15

ω——扰动圆频率，rad/s

ωN——自振圆频率，rad/s，

由以上公式可以看出，当扰动圆频率与自振圆频率接近时，隔振系数达到最大，取地基土阻尼比为0.15，隔振系数最大为12，即压缩机橇传递到地基上的扰力被放大了12倍。对高速往复式压缩机而言，基础设计不当，导致扰动圆频率极易与自振圆频率叠加，扰力被放大而产生机组的共振。通过减小底橇与基础之间（地基顶面）的接触刚度，可以减小压缩机橇的自振圆频率，使得压缩机最低转速下的扰动圆频率大于自振圆频率，从而避免机组的共振。

仍以大牛地气田560 kW电驱往复压缩机组为例，研究地基顶面接触刚度、压缩机转速与振动的关系。

机组的转速区间为900～1500 r/min，一阶最大水平扰力Fy为64 kN，一阶最大垂直扰力Fz为97.5 kN，则一阶最小扰动圆频率ω为99.75 rad/s；取地基顶面抗压刚度系数Cz为1000×104N/m3，则机组垂直自振圆频率ωz为68.7 rad/s。由公式（1）及公式（2）计算得出，在整个机组转速区间内，最大地基隔振系数为0.768，最小地基隔振系数为0.065，对应的机组最大垂直振幅为0.14 mm，最小垂直振幅为0.0119 mm。详细计算曲线图如图1、2。

由于机组在偏心于Y轴垂直扰力的作用下产生绕X轴的水平和回转耦合振动，根据《容积式压缩机技术手册》中公式计算得到的水平自振角频率ωy为57.5 rad/s，回转自振角频率ωφ为101.5 r/min，由此计算得到第一、第二自振圆频率分别为ω1=52.6 rad/s和ω2=104 rad/s，在机组转速为900 r/min时，振幅值最大，底橇顶面水平振幅值为0.11 mm。

以上计算取地基顶面抗压刚度系数Cz为1000×104N/m3，可确保设备的自振频率远离扰动频率，其振幅值满足标准限制要求。在实际安装施工时，对人工地基土增强层夯实后，虚铺不超过100 mm厚的细砂隔振层，并在人工地基土池周围设置混凝土隔离层（围堰），防止顶层砂土向四周流失，而导致设备沉降。基础示意图如图3所示。

图1 频率比ω/ωzVS 隔振系数

图2 扰力圆频率ω（rad/s）VS 垂直振幅(mm)

图3 无固定基础安装示意图

5 结语

要保证无固定基础压缩机不因地基的影响产生共振，需要设备成橇方与设备使用方共同参与设计验证。

好的压缩机橇结构设计包括：

（1）降低扰力作用点到压缩机橇质心间的距离，以减小扰力对通过压缩机橇质心并垂直于振动方向X轴的质量惯性矩，减小机组的水平和回转耦合振动。

（2）通过增加底撬与地基的接触面积，降低地基允许承载力来控制地基动沉降。

（3）在底撬钢结构部分区域填充钢筋混凝土增重，配合基础的减振设计，进一步降低橇体的自振频率，避免与扰动频率发生共振。

好的安装基础结构设计包括：

（1）地基池底的天然地基土层与换填的人工地基土增强层具有足够的承载力。对于中等功率的往复式机组，建议地基承载力不小于120 kPa。

（2）人工地基土增强层与压缩机橇之间虚铺不超过100 mm厚的细砂隔振层，这可以减小扰力放大系数，对吸收压缩机传递到地基的扰力至关重要。