往复压缩机气量调节方式对气流脉动影响

刘守信，刘 冬，王德帅，韩福利

（沈阳鼓风机集团股份有限公司，辽宁沈阳 110869）

1 引言

大型容积式往复压缩机广泛应用于炼油、化工的生产过程中。而炼油、化工装置整体运行是一个动态平衡的过程，工艺流程的改变，耗气设备的工况变化都会引起系统所需气量的变化，所以经常有需要气量调节的情况发生。

往复压缩机特有的间歇式吸排气工作原理，会导致其吸排气气流的速度、压力产生波动，这种现象称为气流脉动。气流脉动作用于管道则会引起管道振动，剧烈的管道振动会引起管道疲劳破坏，阀门、垫片密封失效等不利后果。因此，大型往复压缩机管道内的气流脉动状态是否平稳，管道振动幅度是否过大是装置平稳可靠运行十分关心的问题。而对压缩机气量进行调节的过程又往往会引起气流脉动、管道振动状态的变化。

往复压缩机作为装置中的主要动设备，气量调节有多种方式，主要调节方式有如下几种：调节驱动设备转数、调整气缸余隙容积、改变吸气阀工作状态、操作气体管路阀门。各种调节方式对管道内气流脉动和管道的振动状态的影响也各不相同。

2 调节驱动机改变气量的影响

压缩机的驱动机主要有电机、内燃机、汽轮机，其中内燃机和汽轮机在工艺气压缩机中使用较少，大型往复式工艺压缩机的驱动机多为电机。调节电机的方式包括调整电机转速，或是直接停机，前者用于单机调节，后者用于多台压缩机同时工作时的气量调节。而用于调节大型往复压缩机驱动用电机的转速的变频器价格较高，考虑到成本因素，往往在单机气量调节时选用其他调节方式。而对于多台压缩机工作的情况，关停部分压缩机的驱动机，可以直接调整系统气量，这种方法在实际应用中使用较多。

2.1 变频电机调整转速对管线振动的影响，见图1

由于电机转数发生了改变，导致压缩机的吸排气频率改变，管内气流脉动的激振频率随之变化，气流脉动引起的管线振动属于受迫振动，而受迫振动的激振频率对振动幅度是有很大影响的，如果改变后的气流脉动频率恰好与管道系统的某阶自然频率接近，甚至重合，则会引发共振。管道系统在压缩机不同转数的激振下可能存在多种不同的振动状态，振动幅度和位置可能随电机转数的改变而改变。这种情况引发的管线振动可以通过调整支撑位置改变管道固有频率，避免共振，进而消除特殊电机转数对应的管道振动隐患。

例如某变频电机驱动压缩机，其电机转数范围为220～340 r/min之间，部分位置管线在流量调节时出现剧烈振动，经现场测试得到的振动数据可明显看出管线振动与压缩机转数存在强烈的相关性。

2.2 关停部分压缩机电机对管线振动的影响

对于多机工作关停部分压缩机调整气量的方式，对管道系统整体影响较大，多机同时工作时的气流脉动不是简单的单机气流脉动的叠加，单机运行时良好的气流脉动状态，并不代表在多机同时运行时的气流脉动也同样良好，每一种工作组合都存在气流脉动相互干扰，叠加，引起管道过度振动的可能。

由于压缩机工作组方式复杂繁多，仅对某种组合优化的管道系统，可能在另外的工作组合时发生振动。这种情况如果仅有少数组合存在管线振动现象，而大部分情况下管系运行状态稳定，则不建议对管道系统进行调整，尽量避免可能发生管道振动的压缩机工作组合运行即可。

3 余隙容积调节改变气量的影响

余隙容积调节是通过开启余隙调节阀使气缸工作腔与预先设定的补助余隙容积连通，增加余隙容积，使压缩机的容积系数降低，进而减少压缩机的排气量。余隙容积调节包括固定余隙调节和可变余隙调节2种，区别在于补助余隙容积是否固定。对于固定余隙容积情况，也可以通过设置多个补助余隙容积，而实现多级调节功能。

虽然余隙调节时单位气量的轴功有所增加，但是压缩机整体气量降低，总功率随之下降，因此余隙调节的经济性较好，多在大、中型压缩机使用过程中采用。

余隙调节是对压缩机气缸进行调节，只影响了气缸的热动力模型，并不影响排气压力、压缩系数等指数。在实际运行过程中，往往与压缩机满负荷运行时的管道振动状态类似，并不需要特殊处理。

图1 某压缩机管线同一位置振幅随压缩机转速的变化

4 调节气阀改变气量的影响

气阀调节包括全行程压开吸气阀和部分行程压开吸气阀2种调节方式。压开吸气阀的过程中压缩机空转，对能量的消耗大幅减少，经济性较好，因此在实际使用中应用较多。全行程压开吸气阀的调节方式只调整固定气量，对于双作用气缸，压开一侧吸气阀，调整的气量约为总气量的50%。部分行程压开吸气阀的调节方式可以实现无级调节。但全行程压开吸气阀的执行机构较简单，且成本低，而部分行程压开吸气阀的执行机构在成本上高很多。但是从长期使用的角度看，部分行程压开吸气阀的调节方式对能源的节约是十分可观的。

4.1 全行程压开吸气阀对管线振动的影响

对于双作用气缸，全行程压开一侧吸气阀后，使该侧与进气管线直接连通，作用等同于单作用气缸的平衡段，气缸形式相当于未压开气阀一侧单作用。双作用气缸吸排气引起的气流脉动激振频率为压缩机驱动机转数的2倍，而单作用气缸引起的气流脉动激振频率与压缩机驱动机转动频率一致。对管道内气流脉动影响很大，吸排气频率为原气缸工作时的1/2，多数情况下气流脉动峰值增大，所需缓冲容积也相应增大。

例如某压缩机在正常工作时气缸为双作用，测得管线振动主频为22 Hz，振动速度为8.3 mm/s，压开盖侧吸气阀后在管线同一位置测得振动主频降为11 Hz，振动速度为14 mm/s。具体振动测试数据对比见图2。

4.2 部分行程压开吸气阀对管线振动的影响

部分行程压开气阀的调节方式，不改变气缸的作用形式，故不会改变气流脉动的激振频率。但是管内的气流脉动状态会受到影响，在弯头、三通、异径管等截面变化处的激振力有所改变。

4.3 压开吸气阀引起的管线振动的控制

压开吸气阀的气量调节方式会对管道内的气流脉动状态有影响，增加孔板提供额外的气流缓冲可以有效的改善气流脉动，相应的管道振动问题也会得到控制。

5 调整气体管线改变气量的影响

调整气体管线调节流量的方式，主要通过操作管线上所设置的阀门来实现。包括切断进、排气管线阀门、进排气管线自由连通（回路管线阀门全开）、进排气管线节流连通（回路管线阀门部分开启）等方式。进排气管线自由连通多为压缩机启动时使用。

5.1 切断进、排气管线阀门对管线振动的影响

切断进气管线调节气量的方式往往配合压缩机停机使用，用于多台压缩机同时工作时的气量调节。阀门是否启闭直接影响了管道内气体的气柱几何尺寸，进、排气总管的气流脉动模型发生了改变，可能存在气柱共振，气流脉动水平增加的可能。

图2 压开一侧气阀前后振动数据对比

5.2 进排气管线节流连通

进排气管线节流连通与部分行程压开吸气阀同样可以实现气量连续调节，经济性相对部分行程压开吸气阀较差，但是该方式有很高的可靠性，实际应用中使用较多。采用进、排气节流连通的调节方式时压缩机主机工作状态与额定工作状态完全相同。但因为改变了管道内的流量配比，可能在局部引起气流脉动条件变化，引发管道振动。

5.3 操作管线阀门调节流量引起的管道振动控制

操作管线阀门调节流量的气量调节方式所引起的管道振动，往往是因为管道内的整体气流脉动状态被改变所引起的气柱共振，局部脉动增大。如果采用增加孔板改变管内气流脉动的方式无法获得良好的减振效果，则应考虑重新进行管系的整体分析，更改管线走向布置以避免管道的过度振动。

6 结语

由于不同的气量调节方式对气流脉动的影响有所差别，需要针对具体气量调整方式对受影响的管线部分进行调整，加固，甚至重新设计管线。由于影响管线振动的因素较多，必须结合现场实际情况采用针对性的减振措施才能使管线振动水平控制在合理范围内。