[摘要]：氣流脈動(dòng)是伴隨往復(fù)壓縮機(jī)的工作的一種特殊現(xiàn)象，是往復(fù)壓縮機(jī)管道振動(dòng)主要原因。同時(shí)在往復(fù)壓縮機(jī)使用過(guò)程中需要經(jīng)常進(jìn)行氣量調(diào)節(jié)，包括驅(qū)動(dòng)機(jī)變頻、壓開(kāi)吸氣閥、可變余隙容積、回路閥組調(diào)節(jié)等多種方式，各種調(diào)節(jié)方式對(duì)氣流脈動(dòng)也存在不同程度的影響。
[關(guān)鍵詞]：往復(fù)壓縮機(jī)；氣量調(diào)節(jié)；氣流脈動(dòng)
中圖分類號(hào)：TH457 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B
文章編號(hào)：1006-2971（2021）01-0032-04
1 引言
大型容積式往復(fù)壓縮機(jī)廣泛應(yīng)用于煉油、化工的生產(chǎn)過(guò)程中。而煉油、化工裝置整體運(yùn)行是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的過(guò)程，工藝流程的改變，耗氣設(shè)備的工況變化都會(huì)引起系統(tǒng)所需氣量的變化，所以經(jīng)常有需要?dú)饬空{(diào)節(jié)的情況發(fā)生。
往復(fù)壓縮機(jī)特有的間歇式吸排氣工作原理，會(huì)導(dǎo)致其吸排氣氣流的速度、壓力產(chǎn)生波動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為氣流脈動(dòng)。氣流脈動(dòng)作用于管道則會(huì)引起管道振動(dòng)，劇烈的管道振動(dòng)會(huì)引起管道疲勞破壞，閥門、墊片密封失效等不利后果。因此，大型往復(fù)壓縮機(jī)管道內(nèi)的氣流脈動(dòng)狀態(tài)是否平穩(wěn)，管道振動(dòng)幅度是否過(guò)大是裝置平穩(wěn)可靠運(yùn)行十分關(guān)心的問(wèn)題。而對(duì)壓縮機(jī)氣量進(jìn)行調(diào)節(jié)的過(guò)程又往往會(huì)引起氣流脈動(dòng)、管道振動(dòng)狀態(tài)的變化。往復(fù)壓縮機(jī)作為裝置中的主要?jiǎng)釉O(shè)備，氣量調(diào)節(jié)有多種方式，主要調(diào)節(jié)方式有如下幾種：調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)設(shè)備轉(zhuǎn)數(shù)、調(diào)整氣缸余隙容積、改變吸氣閥工作狀態(tài)、操作氣體管路閥門。各種調(diào)節(jié)方式對(duì)管道內(nèi)氣流脈動(dòng)和管道的振動(dòng)狀態(tài)的影響也各不相同。
2 調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)改變氣量的影響
壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)機(jī)主要有電機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、汽輪機(jī)，其中內(nèi)燃機(jī)和汽輪機(jī)在工藝氣壓縮機(jī)中使用較少，大型往復(fù)式工藝壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)機(jī)多為電機(jī)。調(diào)節(jié)電機(jī)的方式包括調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，或是直接停機(jī)，前者用于單機(jī)調(diào)節(jié)，后者用于多臺(tái)壓縮機(jī)同時(shí)工作時(shí)的氣量調(diào)節(jié)。而用于調(diào)節(jié)大型往復(fù)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)用電機(jī)的轉(zhuǎn)速的變頻器價(jià)格較高，考慮到成本因素，往往在單機(jī)氣量調(diào)節(jié)時(shí)選用其他調(diào)節(jié)方式。而對(duì)于多臺(tái)壓縮機(jī)工作的情況，關(guān)停部分壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)機(jī)，可以直接調(diào)整系統(tǒng)氣量，這種方法在實(shí)際應(yīng)用中使用較多。
2.1 變頻電機(jī)調(diào)整轉(zhuǎn)速對(duì)管線振動(dòng)的影響，見(jiàn)圖1
由于電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)發(fā)生了改變，導(dǎo)致壓縮機(jī)的吸排氣頻率改變，管內(nèi)氣流脈動(dòng)的激振頻率隨之變化，氣流脈動(dòng)引起的管線振動(dòng)屬于受迫振動(dòng)，而受迫振動(dòng)的激振頻率對(duì)振動(dòng)幅度是有很大影響的，如果改變后的氣流脈動(dòng)頻率恰好與管道系統(tǒng)的某階自然頻率接近，甚至重合，則會(huì)引發(fā)共振。管道系統(tǒng)在壓縮機(jī)不同轉(zhuǎn)數(shù)的激振下可能存在多種不同的振動(dòng)狀態(tài)，振動(dòng)幅度和位置可能隨電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)的改變而改變。這種情況引發(fā)的管線振動(dòng)可以通過(guò)調(diào)整支撐位置改變管道固有頻率，避免共振，進(jìn)而消除特殊電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)對(duì)應(yīng)的管道振動(dòng)隱患。
例如某變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，其電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)范圍為220~340 r/min之間，部分位置管線在流量調(diào)節(jié)時(shí)出現(xiàn)劇烈振動(dòng)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得到的振動(dòng)數(shù)據(jù)可明顯看出管線振動(dòng)與壓縮機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)存在強(qiáng)烈的相關(guān)性。
2.2 關(guān)停部分壓縮機(jī)電機(jī)對(duì)管線振動(dòng)的影響
對(duì)于多機(jī)工作關(guān)停部分壓縮機(jī)調(diào)整氣量的方式，對(duì)管道系統(tǒng)整體影響較大，多機(jī)同時(shí)工作時(shí)的氣流脈動(dòng)不是簡(jiǎn)單的單機(jī)氣流脈動(dòng)的疊加，單機(jī)運(yùn)行時(shí)良好的氣流脈動(dòng)狀態(tài)，并不代表在多機(jī)同時(shí)運(yùn)行時(shí)的氣流脈動(dòng)也同樣良好，每一種工作組合都存在氣流脈動(dòng)相互干擾，疊加，引起管道過(guò)度振動(dòng)的可能。
由于壓縮機(jī)工作組方式復(fù)雜繁多，僅對(duì)某種組合優(yōu)化的管道系統(tǒng)，可能在另外的工作組合時(shí)發(fā)生振動(dòng)。這種情況如果僅有少數(shù)組合存在管線振動(dòng)現(xiàn)象，而大部分情況下管系運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，則不建議對(duì)管道系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，盡量避免可能發(fā)生管道振動(dòng)的壓縮機(jī)工作組合運(yùn)行即可。
3 余隙容積調(diào)節(jié)改變氣量的影響
余隙容積調(diào)節(jié)是通過(guò)開(kāi)啟余隙調(diào)節(jié)閥使氣缸工作腔與預(yù)先設(shè)定的補(bǔ)助余隙容積連通，增加余隙容積，使壓縮機(jī)的容積系數(shù)降低，進(jìn)而減少壓縮機(jī)的排氣量。余隙容積調(diào)節(jié)包括固定余隙調(diào)節(jié)和可變余隙調(diào)節(jié)2種，區(qū)別在于補(bǔ)助余隙容積是否固定。對(duì)于固定余隙容積情況，也可以通過(guò)設(shè)置多個(gè)補(bǔ)助余隙容積，而實(shí)現(xiàn)多級(jí)調(diào)節(jié)功能。雖然余隙調(diào)節(jié)時(shí)單位氣量的軸功有所增加，但是壓縮機(jī)整體氣量降低，總功率隨之下降，因此余隙調(diào)節(jié)的經(jīng)濟(jì)性較好，多在大、中型壓縮機(jī)使用過(guò)程中采用。
余隙調(diào)節(jié)是對(duì)壓縮機(jī)氣缸進(jìn)行調(diào)節(jié)，只影響了氣缸的熱動(dòng)力模型，并不影響排氣壓力、壓縮系數(shù)等指數(shù)。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，往往與壓縮機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的管道振動(dòng)狀態(tài)類似，并不需要特殊處理。
4 調(diào)節(jié)氣閥改變氣量的影響
氣閥調(diào)節(jié)包括全行程壓開(kāi)吸氣閥和部分行程壓開(kāi)吸氣閥2種調(diào)節(jié)方式。壓開(kāi)吸氣閥的過(guò)程中壓縮機(jī)空轉(zhuǎn)，對(duì)能量的消耗大幅減少，經(jīng)濟(jì)性較好，因此在實(shí)際使用中應(yīng)用較多。全行程壓開(kāi)吸氣閥的調(diào)節(jié)方式只調(diào)整固定氣量，對(duì)于雙作用氣缸，壓開(kāi)一側(cè)吸氣閥，調(diào)整的氣量約為總氣量的50%。部分行程壓開(kāi)吸氣閥的調(diào)節(jié)方式可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。但全行程壓開(kāi)吸氣閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)較簡(jiǎn)單，且
成本低，而部分行程壓開(kāi)吸氣閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)在成本上高很多。但是從長(zhǎng)期使用的角度看，部分行程壓開(kāi)吸氣閥的調(diào)節(jié)方式對(duì)能源的節(jié)約是十分可觀的。
4.1 全行程壓開(kāi)吸氣閥對(duì)管線振動(dòng)的影響
對(duì)于雙作用氣缸，全行程壓開(kāi)一側(cè)吸氣閥后，使該側(cè)與進(jìn)氣管線直接連通，作用等同于單作用氣缸的平衡段，氣缸形式相當(dāng)于未壓開(kāi)氣閥一側(cè)單作用。雙作用氣缸吸排氣引起的氣流脈動(dòng)激振頻率為壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)的2倍，而單作用氣缸引起的氣流脈動(dòng)激振頻率與壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率一致。對(duì)管道內(nèi)氣流脈動(dòng)影響很大，吸排氣頻率為原氣缸工作時(shí)的1/2，多數(shù)情況下氣流脈動(dòng)峰值增大，所需緩沖容積也相應(yīng)增大。例如某壓縮機(jī)在正常工作時(shí)氣缸為雙作用，測(cè)得管線振動(dòng)主頻為22 Hz，振動(dòng)速度為8.3 mm/s，壓開(kāi)蓋側(cè)吸氣閥后在管線同一位置測(cè)得振動(dòng)主頻降為11 Hz，振動(dòng)速度為14 mm/s。具體振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)圖2。
4.2 部分行程壓開(kāi)吸氣閥對(duì)管線振動(dòng)的影響
部分行程壓開(kāi)氣閥的調(diào)節(jié)方式，不改變氣缸的作用形式，故不會(huì)改變氣流脈動(dòng)的激振頻率。但是管內(nèi)的氣流脈動(dòng)狀態(tài)會(huì)受到影響，在彎頭、三通、異徑管等截面變化處的激振力有所改變。
4.3 壓開(kāi)吸氣閥引起的管線振動(dòng)的控制
壓開(kāi)吸氣閥的氣量調(diào)節(jié)方式會(huì)對(duì)管道內(nèi)的氣流脈動(dòng)狀態(tài)有影響，增加孔板提供額外的氣流緩沖可以有效的改善氣流脈動(dòng)，相應(yīng)的管道振動(dòng)問(wèn)題也會(huì)得到控制。
5 調(diào)整氣體管線改變氣量的影響
調(diào)整氣體管線調(diào)節(jié)流量的方式，主要通過(guò)操作管線上所設(shè)置的閥門來(lái)實(shí)現(xiàn)。包括切斷進(jìn)、排氣管線閥門、進(jìn)排氣管線自由連通（回路管線閥門全開(kāi)）、進(jìn)排氣管線節(jié)流連通（回路管線閥門部分開(kāi)啟） 等方式。進(jìn)排氣管線自由連通多為壓縮機(jī)啟動(dòng)時(shí)使用。
5.1 切斷進(jìn)、排氣管線閥門對(duì)管線振動(dòng)的影響
切斷進(jìn)氣管線調(diào)節(jié)氣量的方式往往配合壓縮機(jī)停機(jī)使用，用于多臺(tái)壓縮機(jī)同時(shí)工作時(shí)的氣量調(diào)節(jié)。閥門是否啟閉直接影響了管道內(nèi)氣體的氣柱幾何尺寸，進(jìn)、排氣總管的氣流脈動(dòng)模型發(fā)生了改變，可能存在氣柱共振，氣流脈動(dòng)水平增加的可能。
5.2 進(jìn)排氣管線節(jié)流連通
進(jìn)排氣管線節(jié)流連通與部分行程壓開(kāi)吸氣閥同樣可以實(shí)現(xiàn)氣量連續(xù)調(diào)節(jié)，經(jīng)濟(jì)性相對(duì)部分行程壓開(kāi)吸氣閥較差，但是該方式有很高的可靠性，實(shí)際應(yīng)用中使用較多。采用進(jìn)、排氣節(jié)流連通的調(diào)節(jié)方式時(shí)壓縮機(jī)主機(jī)工作狀態(tài)與額定工作狀態(tài)完全相同。但因?yàn)楦淖兞斯艿纼?nèi)的流量配比，可能在局部引起氣流脈動(dòng)條件變化，引發(fā)管道振動(dòng)。
5.3 操作管線閥門調(diào)節(jié)流量引起的管道振動(dòng)控制
操作管線閥門調(diào)節(jié)流量的氣量調(diào)節(jié)方式所引起的管道振動(dòng)，往往是因?yàn)楣艿纼?nèi)的整體氣流脈動(dòng)狀態(tài)被改變所引起的氣柱共振，局部脈動(dòng)增大。如果采用增加孔板改變管內(nèi)氣流脈動(dòng)的方式無(wú)法獲得良好的減振效果，則應(yīng)考慮重新進(jìn)行管系的整體分析，更改管線走向布置以避免管道的過(guò)度振動(dòng)。
6 結(jié)語(yǔ)
由于不同的氣量調(diào)節(jié)方式對(duì)氣流脈動(dòng)的影響有所差別，需要針對(duì)具體氣量調(diào)整方式對(duì)受影響的管線部分進(jìn)行調(diào)整，加固，甚至重新設(shè)計(jì)管線。由于影響管線振動(dòng)的因素較多，必須結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況采用針對(duì)性的減振措施才能使管線振動(dòng)水平控制在合理范圍內(nèi)。
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本文作者：劉守信，劉冬，王德帥，韓福利（沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，遼寧沈陽(yáng)110869）
作者簡(jiǎn)介：劉守信（1985-），男，工程師，本科，2007年畢業(yè)于大連理
工大學(xué)工程力學(xué)系，現(xiàn)在沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)往復(fù)機(jī)有限公司從事往復(fù)壓縮機(jī)工藝氣管線氣流脈動(dòng)管道振動(dòng)分析工作。
