往复压缩机气量调节方式对压力脉动模拟影响

１引言
往复压缩机由于其供给压力范围大，效率高等优点，以成为工业上应用很广泛的设备。

但由于其往复运动引起的流量脉冲产生压力波动，在几何形状的不连续的地方，例如弯头，异径管，三通等产生激振力，造成管道的振动，对设备运行造成了很大的安全隐患。

根据ＡＰＩ６１８要求，往复压缩机厂家需要做脉动分析，减少事故的发生。

如今，伴随着生产弹性的增大，涌现了很多的气量调节方式。

主要有节流调节吸入压力、循环旁路调节、转速调节、开停调节、余隙调节、顶开吸气阀调节等，这些调节方式可能对气体温度，压力，以及压缩机的转速、气缸的作用方式产生影响，在进行压力脉动声学模拟过程需要考虑这些因素。

根据ＡＰＩ６１８中Ｎ２５对变速或气体组分变化或变压力和温度变化的压缩机脉动分析，共振的区分计算更困难，需要利用声学模拟研究来适当处理［１］。

本文主要讨论这些影响因素对压力脉动的影响。

２压力脉动分析理论
２.１平面波动理论［２］
往复压缩机管路内压力脉动可以采用一维平面波动理论进行建模，根据适当假设简化可以得到平面波动方程为（１）
式中ｐｔ———距离０点处的脉动压力
ｔ———时间
ｘ———为距离０点处的距离
ａ———声速
假定该气体是理想的，脉动传输过程为可逆绝热的，气体的声速可表示为
式中ｋ———绝热指数
Ｔｔ———气体的温度
Ｒ———气体常数
ｇ———重力加速度
２.２往复压缩机激发主频率［２］
具有最大脉动振幅称为激发主脉动，主脉动的频率为激发主频率。

一般来说单作用气缸，最大振幅的脉动为第１阶，其频率与压缩机转速相同；双作用气缸，最大振幅的脉动为第２阶，其频率是压缩机转速的２倍。

往复压缩机的激发主频率ｆ
式中ｍ———气缸的作用方式，单作用时，ｍ＝１，双作用时，ｍ＝２ｎ———压缩机的转速，ｒ／ｍｉｎ
２.３设计中声学考虑
一般进行脉动分析时候，主要原则是避免往复压缩机激发频率、管路系统气柱固有频率之间存在共振，否则会产生较高脉动。

设计人员需要保持往复压缩机激发频率与管路系统气柱固有频率保持２０％分离裕度。

压缩机的激发频率主要是由压缩机
的特性决定的，气柱固有频率根据波动方程（１）可以看出主要影响因素是声速；声速与气体种类、压力、温度等都有关。

因此进行脉动分析时，需要根据实际的工艺要求综合考虑。

３气量调节方式对压力脉动分析影响
３.１节流调节吸入压力
节流吸入压力是一种通过减小阀门开度来降低吸入压力，从而降低气体密度以及气量的调节方式。

这种调节方式不改变压缩机的转速，但会降低压缩机的效率，只适用于减少气量的运行工况，一般来说调节范围较窄。

其中压力造成密度的变化，温度也可能发生变化，温度对声速有显著影响，见公式（２）。

压力脉动分析时，需要考虑压缩机的预期工作条件范围内的全部压力和温度范围。

吸入压力范围越广，遇到声学问题的可能性就越大。

一般在压力脉动模拟软件中只能输入一个温度压力，考虑到温度压力的变化，即使是恒速的压缩机，也需要考虑一定的转速范围。

３.２循环旁路调节
从压缩机排出的多余气体通过旁路管路和阀门部分或完全回到进气管，由此改变排气量以实现气体容量调节。

特点是结构简单、易于安装，但排气量减少的同时没有使装置的能耗得到减少，只能适用于短期调节或作为微调调节来使用。

由于排气管
道的温度以及压力均大于进气管道，这种调节方式对脉动分析需要考虑合适的温度以及压力范围，在进行恒速压缩机声学模拟的过程中同样需要考虑一定的压缩机转速范围。

３.３转速调节
转速调节主要是改变压缩机的转速实现气量的连续调节；其中ＡＰＩ６１８中６.１.１０条：为避免扭振、声学、机械的共振，往复压缩机宜恒转速运行。

采用变速时，卖方应提供不希望的运行转速范围给买方。

不希望运行转速应减到最少［１］。

由于声学共振是高脉动的主要原因，在共振范围内会产生高放大因子压力脉动响应，因此需要考虑压缩机工作范围内的全部转速，根据公式（３）可以看出转速调节使往复压缩机激发频率变成了一个频率范围，对压力脉动分析造成了很大影响。

在进行压力脉动模拟的过程中，需要确定压缩机允许的转速范围，对于宽转速范围的压缩机来说脉动控制更加困难。

３.４压缩机开停调节
装置内设置若干台往复式压缩机，通过控制一台或多台压缩机的停止与运行实现一定的气量调节。

这种调节方式只能实现一定的气量调节，由于压缩机的启动时间，也会存在一定的滞后性。

不同的开停工况对往复式压缩机压力脉动影响是不一样的。

压力脉动波形是曲柄旋转角的周期函数。

在同一台压缩机，不同气缸，由于使用同一根驱动轴，他们之间的相位是唯一的，例如图１，同一级气缸的相位差为１８０°，一个处于吸气状态，一个处于排气状态，不同级相位差为９０°。

当多台压缩机都在运行，由于驱动设备的不同，不同压缩机上的气缸他们之间的相位是在０～３６０°范围内变化。

这对计算不同压缩机压力脉动的叠加是有很大影响的。

文献［３］中提到了三种方法：
（１）选定压缩机几个典型工况的相对相位差，采用各个工况的最大值的方法。

（２）有ｎ台压缩机时，将每一个作为单独的激振源进行计算，并将其结果与允许值的１／ｎ进行比较的方法。

（３）有ｎ台压缩机时，将每一个作为单独的激振源进行计算用绝对值和合成它们的响应并与允许值进行比较的方法。

这些方法的合理性还没有得到充分的讨论，方法１中低估的，方法２中过于保守。

另外，方法３中以线性为前提，另外各点的脉动压力分布的值也失去了同时性。

在压力脉动模拟的过程中，需要选择合适的方法。

不同的组合方式，更增加了脉动分
析的复杂性。

３.５余隙调节
在压缩机气缸上，除了固有的余隙空腔外，外设辅助余隙腔，通过调整余隙阀来控制余隙容积，从而改变容积系数，进行气量的调节，如图２所示。

在声学模拟过程中，余隙调节主要影响的是气量，对减少气量来说，缓冲罐和对应的管路对压力
脉动的缓冲能力增强，有利于消减脉动。

３.６顶开吸气阀调节
顶开吸气阀调节主要用于双作用气缸，使用机械装置将吸气阀强制保持全部打开或者部分打开，由于吸气阀一直处于开启状态的一侧，压缩和排气行程仍返回进气管道，从而实现气量的调节［４］。

顶开吸气阀调节主要分为全行程顶开吸气阀调节和部分行程顶开吸气阀调节。

其中全行程顶开吸气阀调节法，气缸一侧吸气阀始终处于开启状态，气体全部通过吸气阀进出，此侧的排气量为零。

此种调节方法简单，操作方便，投资较少，调节幅度较大，适用粗调节。

此种调节法大量运用在石油化工行业中。

由于往复式压缩机的结构形式所限，全行程压开吸气阀调节法一般生产运行中最多能实现０、２５％、５０％、７５％、１００％五档调节。

如图３所示，图中的数字表示的是吸气阀的编号。

从表１以及图３看出，２５％工况下，吸气阀２和８正常工作，其他吸气阀使用卸荷器顶开，使气缸以单作用模式运行。

５０％工况下，吸气阀２、４、６、８正常工作，其他吸气阀使用卸荷器顶开，使气缸以单作用模式运行。

７５％工况下，吸气阀２、３、４、５、６、８正常工作，其他吸气阀使用卸荷器顶开，使气缸以部分以单作用模式运行，部分以双作用模型运行。

由于卸荷器导致气缸单双作用方式，从公式（３）可以看出，压缩机激发频率增多，对脉动分析会造成较大的影响。

其中部分行程顶开吸气阀调节法，由于吸气阀始终处于部分开启状态，对气缸的双作用形式没有改变，不会影响到压缩机的激发频率，会对气体的流量产生影响。

４结论
ＡＰＩ６１８中７.６.２.５提到恒速压缩机的气量控制通常有顶开吸气阀、余隙调节或旁路循环调节等，或者采用这些方法的组合来实现。

在生产实际运行过程中大多装置也不是采用单一的调节方式来实现气量调节的，通常都是根据不同的生产工况，采用不同的气量调节方式进行组合来实现气量调节的，这对压力脉动工况分析提出了更高的要求，需要综合考虑所有脉动分析工况，符合ＡＰＩ６１８的要求，保证分析的可靠性。