天然气压缩机气流脉动的消减研究

天然气压缩机气流脉动的消减研究
摘要：天然气压缩机常被应用应用于对天然气的压缩之中，其内部压力较大，危险级别较高，一旦出现事故，将会发生爆炸等恶性事故，酿成无法挽回的后果。

天然气压缩机中，气流脉动容易引起管道振动，导致管道结构和附件遭受破坏，因此做好消减振动工作很有必要。

本文先对气流脉动和管道振动进行了分析，提出了如何对天然气压缩机气流振动进行消减的措施，希望具有借鉴意义。

关键词：天然气压缩机气流脉动振动消减
2001年，大庆天然气公司的3台往复压缩机因为管网严重振动，导致停机改造，给生产带来巨大损失。

这就让人们对天然气压缩机气流脉动的严重性提高了重视。

天然气压缩机在采气、采油以及增压输送过程中作用重大，其在吸排气的间歇性运动中不可避免的会导致参数变化，脉动气流在管道的弯头、盲板、控制阀以及异径管等作用下形成激振力，造成管路及附属设备的连接位置松动，让管道加速损坏。

本文现对天然气压缩机气流脉动的振动消减进行研究。

一、气流脉动和管道振动的分析
天然气压缩机在周期性吸气和排气过程中，管道内气体压力和流量存在着周期性波动或脉动，受到压力或流量扰动的气体传递到附近的管路系统中继而出现气流脉动。

气流脉动会降低压缩机容积效率、增加压缩机功率消耗，气阀工作条件恶化，激发管道振动，对供气的稳定性产生影响。

要想解决压缩机管道振动，就必须要从气流脉动入手，对管道系统的压力脉动加以控制，保证其在允许范围内。

压缩机的管道振动由气流脉动激发而起，主要产生于力不平衡处，例如盲板、阀门、变截面、弯管、异径管和控制阀等。

管道和管道支架以及各连接设备组成一个复杂的系统，系统产生振动的原因主要有以下几点。

首先是设计问题，压缩机运行结构的设计不到位，没有充分的动力平衡性，从而导致机组和机组的连接管道出现振动。

再次是频率问题，管道结合和内部气流所组成的系统，其振动频率是固定的，如果压缩机激发频率和结构某处固有频率接近，会让系统振动增加，形成频率共振，管道也会形成较大的应力作用。

最后是气流脉动问题，这是导管道振动的常见原因，因为管道的输气必须要应用到压缩机或者是压缩泵来进行加压，从而为管道输气提供动力，压缩机或压缩泵在加压过程中具有间歇性的特点，让管道压力存在上下波动，也就是压力脉动。

当存在脉动的气流受到弯头、控制阀、异径管等的影响，就会形成激振力。

二、针对天然气压缩机气流振动的消减措施
1.做好配套管线的设计工作。

天然气压缩机存在系统振动与配套管线的设计有重大关系。

对压缩机的运行结构要设计到位，保证有充分的动力平衡性，让配套管线满足工艺要求。

要做好管系配置的系统计算工作，科学确定管道长度、管道内径、压缩机的容积以及支撑的长度和位置，保证管系配置的最优化。

要做好气流脉动响应计算，明确掌握气流脉动不均匀度在管线中的分布情况，将其控制在标准范围内。

2.固定支承和减少弯道。

重新设计管道布置。

避免将管道布置成走向凌乱以及弯头较多的情况，尽可能的降低弯头和管线的长度，管线管段尽量平直。

通过增加管道的刚度并减少气流阻力实现消减振动的最终目的。

此外，还需要在管道固定性较差的位置进行加装支承，从而提高管道的稳定性。

因为天然气压缩机机组在设计时，必须要考虑工艺流程的因素，从而让设计更具有紧凑性，所以压缩机组的进气管道和排气管道不可避免的会有多个弯道。

弯道较多会增加激振力，因此必须要对管道合理布置，并做好管道支承的安装工作，管道布置时弯头尽可能少，管道不能搭设在平台上，应该就地面铺设，这样才能为管道的支撑提供便利。

具体说来，主要包括以下几点：
首先，振动管道要就地铺设，不能将支架固定在构架、设备、平台以及厂房之上，支架要固定在管墩型钢上，在对管托和管卡进行固定的过程中，一定要留有一定的弹性，只有这样才能对振动力进行部分吸收。

其次，管道支架必须式固定支架，避免应用简答支托和吊架方式。

也可以应用防振管卡，管卡要用扁钢，不能应用圆钢，管卡和管道的接触面积要尽可能大，并在接触位置垫一层石棉橡胶，保证卡紧。

再次，防振支架要有独立基础，不能固定在梁柱以及压缩机基础上，其结构和支架固定部分必须要有较高的刚度，分析管系固有频率之后再确定支架的位置和间距。

从次，控制支架的跨距。

管系固有频率会随着支架跨距间差异的增大而降低，因此要尽量让支架跨距相同，防止跨距一大一小。

最后，通过减少弯头数量、改变支承位置并加强支承能够降低激振力和提高约束力，从而从根本上减少管道振动。

如果压缩管配管已然完成，降低弯头数量需要投入较多的人力成本和时间成本。

所以可以对支撑结构加以改善，采用由垫木、支架槽钢、管道以及U型螺栓组成的弯管支架结构。

应用环形扁钢卡环进行固定，并在管子和卡环之间垫上一层石棉橡胶板，提升卡环的作用并增加关系结构的自振频率，管道对气流脉动的抵抗能力能够极大增强。

3.加装节流孔板
将一定尺寸的孔板安置在缓冲器法兰处，能够有效的转变管道的气流，将之前的柱状波
转变成行波，这就极大降低了气流压力的不均匀度，缓冲的效果得以极大增强，从而实现天然气压缩机气流脉动的减振目的。

气流在孔板的作用下，无论是方向还是流速的大小都会存在改变，系统的能量也因此得以消散。

因此可以说，孔板的作用虽然能够降低气流压力脉动，然而管道的阻力却增加了，输送压力也降低了。

在加装节流孔板的过程中，一定要有效处理好这一矛盾，兼顾削减气流压力脉动和保证输送压力，这就需要涉及到气流在孔板中的压力降这个概念，防止顾此失彼的情况出现。

增加孔板是一个非常有效的减振方法，但是必须要注意孔板的安装位置，孔板必须要安装在容器的出入口位置的法兰旁边，如果孔板离容器之间的距离很远，无法达到无反射条件，那它只能算一个局部阻力元件，无法产生实现减振的目的，所以在应用孔板的同时还要有缓冲罐（容器），才能达到减振效果。

4.缓冲器的设置
上述应用孔板减振的方式需要一个限制条件，即压缩机的管系结构已经设计好了，不允许更改了，压缩机组中的缓冲器和气缸的距离很远，而且气缸和缓冲器之间的的连接管属于共振管长，这时就必须要应用孔板减振方式。

但如果压缩机组缓冲器还没有设置好，此时就可以应用缓冲器来达到减振效果。

缓冲器分为进气缓冲器和排气缓冲器两种，它们都有着降低压力脉动的功用。

进气缓冲器设置在气缸与进气管道之间，排气缓冲器设置在气缸和排气管道之间，分别限制放射压力和反射压力。

一般来说，缓冲器能够在减振上发挥多大的作用，跟缓冲器与气缸的位置以及缓冲器的容积有较大的关系，缓冲器容积越大，与气缸位置越近，减振效果越明显。

另外需要涉及衰减系数这个概念，要想让衰减系数越大，就必须保证进入缓冲器之前管道的气流脉动值与流出缓冲器后的比值最大，因此要延长缓冲器入口处的伸入管道，管道进入缓冲器后要垂直弯曲。

如下图所示。

图1 减振效果最优的压缩机缓冲器进出口位置设计图
五、总结
天然气压缩机压力较高，危险系数大，如果在工作中存在破损泄露，将会带来火灾、爆
炸等严重后果，因此针对天然气压缩机必须要做好针对气流脉动的管道振动消减工作。

固定支承并减少管道弯道，增设孔板并合理布设缓冲器，能够有效的消减振动，为天然气压缩机的安全运行提供保障。

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