[摘要]：氣流脈動是伴隨往復(fù)壓縮機(jī)的工作的一種特殊現(xiàn)象，是往復(fù)壓縮機(jī)管道振動主要原因。同時(shí)在往復(fù)壓縮機(jī)使用過程中需要經(jīng)常進(jìn)行氣量調(diào)節(jié)，包括驅(qū)動機(jī)變頻、壓開吸氣閥、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)方式對氣流脈動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
中圖分類號：TH457 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B
文章編號：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)過程中。而煉油、化工裝置整體運(yùn)行是一個(gè)動態(tài)平衡的過程，工藝流程的改變，耗氣設(shè)備的工況變化都會引起系統(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，會導(dǎo)致其吸排氣氣流的速度、壓力產(chǎn)生波動，這種現(xiàn)象稱為氣流脈動。氣流脈動作用于管道則會引起管道振動，劇烈的管道振動會引起管道疲勞破壞，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)的氣流脈動狀態(tài)是否平穩(wěn)，管道振動幅度是否過大是裝置平穩(wěn)可靠運(yùn)行十分關(guān)心的問題。而對壓縮機(jī)氣量進(jìn)行調(diào)節(jié)的過程又往往會引起氣流脈動、管道振動狀態(tài)的變化。往復(fù)壓縮機(jī)作為裝置中的主要動設(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)方式對管道內(nèi)氣流脈動和管道的振動狀態(tài)的影響也各不相同。
2 調(diào)節(jié)驅(qū)動機(jī)改變氣量的影響
壓縮機(jī)的驅(qū)動機(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。而對于多臺壓縮機(jī)工作的情況，關(guān)停部分壓縮機(jī)的驅(qū)動機(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)速對管線振動的影響，見圖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)氣流脈動的激振頻率隨之變化，氣流脈動引起的管線振動屬于受迫振動，而受迫振動的激振頻率對振動幅度是有很大影響的，如果改變后的氣流脈動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狀態(tài)，振動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)的管線振動可以通過調(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)對應(yīng)的管道振動隱患。
例如某變頻電機(jī)驅(qū)動壓縮機(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，經(jīng)現(xiàn)場測試得到的振動數(shù)據(jù)可明顯看出管線振動與壓縮機(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)對管線振動的影響
對于多機(jī)工作關(guān)停部分壓縮機(jī)調(diào)整氣量的方式，對管道系統(tǒng)整體影響較大，多機(jī)同時(shí)工作時(shí)的氣流脈動不是簡單的單機(jī)氣流脈動的疊加，單機(jī)運(yùn)行時(shí)良好的氣流脈動狀態(tài)，并不代表在多機(jī)同時(shí)運(yùn)行時(shí)的氣流脈動也同樣良好，每一種工作組合都存在氣流脈動相互干擾，疊加，引起管道過度振動的可能。
由于壓縮機(jī)工作組方式復(fù)雜繁多，僅對某種組合優(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。這種情況如果僅有少數(shù)組合存在管線振動現(xiàn)象，而大部分情況下管系運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，則不建議對管道系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，盡量避免可能發(fā)生管道振動的壓縮機(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)是通過開啟余隙調(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。對于固定余隙容積情況，也可以通過設(shè)置多個(gè)補(bǔ)助余隙容積，而實(shí)現(xiàn)多級調(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)使用過程中采用。
余隙調(diào)節(jié)是對壓縮機(jī)氣缸進(jìn)行調(diào)節(jié)，只影響了氣缸的熱動力模型，并不影響排氣壓力、壓縮系數(shù)等指數(shù)。在實(shí)際運(yùn)行過程中，往往與壓縮機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的管道振動狀態(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)包括全行程壓開吸氣閥和部分行程壓開吸氣閥2種調(diào)節(jié)方式。壓開吸氣閥的過程中壓縮機(jī)空轉(zhuǎn)，對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。全行程壓開吸氣閥的調(diào)節(jié)方式只調(diào)整固定氣量，對于雙作用氣缸，壓開一側(cè)吸氣閥，調(diào)整的氣量約為總氣量的50%。部分行程壓開吸氣閥的調(diào)節(jié)方式可以實(shí)現(xiàn)無級調(diào)節(jié)。但全行程壓開吸氣閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)較簡單，且
成本低，而部分行程壓開吸氣閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)在成本上高很多。但是從長期使用的角度看，部分行程壓開吸氣閥的調(diào)節(jié)方式對能源的節(jié)約是十分可觀的。
4.1 全行程壓開吸氣閥對管線振動的影響
對于雙作用氣缸，全行程壓開一側(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)于未壓開氣閥一側(cè)單作用。雙作用氣缸吸排氣引起的氣流脈動激振頻率為壓縮機(jī)驅(qū)動機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)的2倍，而單作用氣缸引起的氣流脈動激振頻率與壓縮機(jī)驅(qū)動機(jī)轉(zhuǎn)動頻率一致。對管道內(nèi)氣流脈動影響很大，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，測得管線振動主頻為22 Hz，振動速度為8.3 mm/s，壓開蓋側(cè)吸氣閥后在管線同一位置測得振動主頻降為11 Hz，振動速度為14 mm/s。具體振動測試數(shù)據(jù)對比見圖2。
4.2 部分行程壓開吸氣閥對管線振動的影響
部分行程壓開氣閥的調(diào)節(jié)方式，不改變氣缸的作用形式，故不會改變氣流脈動的激振頻率。但是管內(nèi)的氣流脈動狀態(tài)會受到影響，在彎頭、三通、異徑管等截面變化處的激振力有所改變。
4.3 壓開吸氣閥引起的管線振動的控制
壓開吸氣閥的氣量調(diào)節(jié)方式會對管道內(nèi)的氣流脈動狀態(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，相應(yīng)的管道振動問題也會得到控制。
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，主要通過操作管線上所設(shè)置的閥門來實(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）、進(jìn)排氣管線節(jié)流連通（回路管線閥門部分開啟） 等方式。進(jìn)排氣管線自由連通多為壓縮機(jī)啟動時(shí)使用。
5.1 切斷進(jìn)、排氣管線閥門對管線振動的影響
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模型發(fā)生了改變，可能存在氣柱共振，氣流脈動水平增加的可能。
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)性相對部分行程壓開吸氣閥較差，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條件變化，引發(fā)管道振動。
5.3 操作管線閥門調(diào)節(jié)流量引起的管道振動控制
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，往往是因?yàn)楣艿纼?nèi)的整體氣流脈動狀態(tài)被改變所引起的氣柱共振，局部脈動增大。如果采用增加孔板改變管內(nèi)氣流脈動的方式無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度振動。
6 結(jié)語
由于不同的氣量調(diào)節(jié)方式對氣流脈動的影響有所差別，需要針對具體氣量調(diào)整方式對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。由于影響管線振動的因素較多，必須結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況采用針對性的減振措施才能使管線振動水平控制在合理范圍內(nèi)。
參考文獻(xiàn)：
[1] 郁用章.容積式壓縮機(jī)設(shè)計(jì)手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.
[2] 《活塞式壓縮機(jī)設(shè)計(jì)》編寫組援活塞式壓縮機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1974.
[3] 張建云，付冰洋，劉旭，劉喆.油田輸氣往復(fù)壓縮機(jī)氣量調(diào)節(jié)應(yīng)用分析[J].壓縮機(jī)技術(shù)，2017，（05）.
[4] 孟月姝，韓明春，劉海洋.變頻技術(shù)在尾氣壓縮機(jī)上的應(yīng)用[J].壓縮機(jī)技術(shù)，2014，（03）.
[5] 鞠建民，劉軍峰.余隙調(diào)節(jié)系統(tǒng)在往復(fù)壓縮機(jī)上的應(yīng)用[J].壓縮機(jī)技術(shù)，2015，（06）.
本文作者：劉守信，劉冬，王德帥，韓福利（沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，遼寧沈陽110869）
作者簡介：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管道振動分析工作。
