氫氣回收裝置中往復式壓縮機一級進氣管路的優(yōu)化設計

王宇博

摘 ? ? ?要：針對國內某石化公司訂購的原料氣壓縮機（往復式壓縮機），按照設計單位提供的上下游設備管路安排和具體要求，分析了壓縮機開機時一級進氣管路在不同工況下的氣流脈動及管道振動情況。采用了API618 標準中推薦的近似設計方法3，其中氣流脈動分析依據(jù)的基本理論為平面波動理論及轉移矩陣法，使用CAESARII 模擬軟件建模，利用結構振動理論對管道振動進行分析。

關 ?鍵 ?詞：往復壓縮機;氣流脈動;機械振動

中圖分類號：TQ 052 ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? 文章編號： 1671-0460（2019）12-2908-04

Abstract： Aiming at raw gas compressor in a domestic petrochemical company， based on upstream and downstream equipments and pipings arrangement and specific requirements provided by the design unit， the gas pulsation and vibration of the primary intake line under different working conditions during the startup of compressor were analyzed. The approximate design method III recommended by API618 standard was adopted in the analysis. Among them， the basic theory of the analysis of air pulsation was plane wave theory and transfer matrix method， and CAESARII simulation software was used to model， and the vibration of pipeline was analyzed by structural vibration theory.

Key words： Reciprocating compressor; Airflow pulsation; Mechanical vibration

近年來，隨著市場競爭的日趨激烈，石油化工領域的節(jié)能減排意識逐漸增強，氫廢氣回收利用工藝的研發(fā)和發(fā)展也占據(jù)了節(jié)能的主舞臺，而氫氣回收裝置是現(xiàn)代化石油化工企業(yè)為了節(jié)約能源，降低生產(chǎn)成本，采用回收技術，將尾氣（氫氣）進行回收的一種節(jié)能裝置。把壓力較低的氫氣通過壓縮機壓縮成滿足工藝要求的壓力氣體是氫氣回收裝置的重要技術，而往復式氫氣壓縮機就成為氫氣回收裝置中尤其重要的機械設備。

往復式氫氣壓縮機都以撬裝設備供貨，設計單位在設計過程中考慮的不僅是撬裝范圍外管線的脈動和振動，如何控制機組供貨范圍內的氣流脈動和機械振動也尤為重要。機組管網(wǎng)系統(tǒng)的脈動及振動分析是機組撬裝設計和安全運行的重要支撐，這就需要設計單位對機組管路進行模擬和振動分析，從而更好的對管路系統(tǒng)進行減振設計。

某石化公司運行的富氫氣體壓縮機其一級管路系統(tǒng)發(fā)生很大的振動，振動造成平臺共振、共振導致一級進氣管路上的現(xiàn)場儀表開裂，管道焊縫開裂，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)機組振動最大的部位在一級缸北側缸，最大振值已經(jīng)超過了標準要求，所以本文特別針對原料氣（主要是氫氣）壓縮機（4個氣缸、2級壓縮、電機驅動、轉速333 r/min）的一級管路系統(tǒng)進行氣流脈動及管道振動分析，在分析結果中找到管卡最適合的安裝位置，以防止振動。在模擬分析中，該臺壓縮機不與任何其他壓縮機并聯(lián)使用。

1 ?壓縮機一級進氣總管路的脈動分析

把壓縮機的一級管路系統(tǒng)分成2個部分。

壓縮機的一級進氣總管路見圖1;壓縮機一級排氣緩沖罐到中間冷卻器管路見圖2。為了控制氣流脈動水平，在壓縮機的一級進氣管路上安裝脈動抑制裝置[1]（緩沖罐），本文對此結構的管路進行建模、分析計算結果是否滿足設計要求。

對上述管路系統(tǒng)，分別建立模型，對其進行氣流脈動和機械振動分析。

針對圖1-2的模型在壓縮機100%額定工況下運行分析，利用平面波動理論及轉移矩陣法[2]，得到氣流脈動的計算結果見表1-2。

脈動抑制裝置壓力降計算結果：一級進、排氣緩沖罐的壓力降為0.018、0.007 kPa。

壓縮機的脈動抑制裝置滿足API618中設計方法3[3]聲學模擬和管路約束力分析，加上力學分析（如必要帶強制機械響應的分析）的各項要求。

基于設計振動導則的最大許用非共振激振力可以從公式（1）確定。

根據(jù)API618的規(guī)定：（1）要求壓縮機氣缸法蘭處的脈動峰—峰值不超過min（7%，3R%），其中，R=1.266/0.5為該管路的壓力比;（2）要求脈動抑制裝置的壓降低于平均壓力的max（0.25，1.67 （R-1）/R）%，即5.05和12.94 kPa。

計算結果：按表1和表2中數(shù)據(jù)都不超過7%;進氣緩沖器處的壓力降在標準規(guī)定的范圍內;排氣緩沖器處的壓力降在標準規(guī)定的范圍內。

2 ?壓縮機一級進氣總管路的振動分析

根據(jù)API618標準，壓縮機的振動分析要求如下：（1）計算管道的應力以滿足標準要求;（2）計算管道對管道支撐的作用力[3]，為設置管卡的設計提供依據(jù)。其中計算管道的應力包括一次應力計算和二次應力計算，圖3顯示為圖1的模型導入，采用CAESAR II 軟件對本模型進行一次應力分析和二次應力分析。

結果顯示：各項靜力均符合 Piping Code： B31.3 = B31.3 -2012， Jan 10， 2013 的要求。

采用CAESAR II 軟件對本模型進行模態(tài)響應分析，結果如表3。

現(xiàn)通過調配管道系統(tǒng)的支架位置和數(shù)量，管路整體應力水平均在許用的范圍內。管系最低階固有頻率為16.372 Hz，大于激振頻率的2.95倍，管路不會產(chǎn)生低階共振。各支撐點的位置和操作工況時支架受力情況見圖4-5。

圖6顯示為圖2的模型導入，采用CAESAR II 軟件對本模型進行一次應力分析和二次應力分析。

結果顯示：各項靜力均符合 Piping Code： B31.3 = B31.3 -2012， Jan 10， 2013 的要求。

采用CAESAR II 軟件對本模型進行模態(tài)響應分析，結果如表4。

現(xiàn)通過調配管道系統(tǒng)的支架位置和數(shù)量，管路整體應力水平均在許用的范圍內[4]。管系最低階固有頻率為19.894 Hz，大于激振頻率的3.58倍，管路不會產(chǎn)生低階共振。各支撐點的位置和操作工況時支架受力情況見圖7。

3 ?總 結

本篇文件重點研究了壓縮機進氣管線的振動，對某石化公司的MW-198.2/（4-29）-X 型原料氣壓縮機一級進氣管道系統(tǒng)的氣流脈動和管道振動進行了實際分析?？偨Y出用于控制有害的脈動和振動的基本技術如下：

（a）基于對脈動和衰減要求交互影響分析的系統(tǒng)設計，獲得可以控制的管路振動;

（b）利用脈動抑制裝置—緩沖罐;

（c）控制管道振動的部件設計包括如下：設備和管道的管卡、管道支架的樣式、數(shù)量和位置。

按照這3點基本技術，對此壓縮機一級進氣管路進行優(yōu)化設計，設計結果表示：

（a）在設計有緩沖罐的一級進氣管路系統(tǒng)上可以通過設計管路和設備管夾和支撐的型式、位置和數(shù)目來控制管路中有害的脈動和振動。

（b）緩沖罐和管路彎頭附近的受力相對突出要設置4個方向的管夾和支撐。

壓縮機管路的設計，必須滿足API618中 “7.9 脈動和振動控制”中關于氣流脈動和振動控制分析的要求，作者以整體布局為基礎，局部分析設計為切入點，各個擊破，本文以壓縮機一級進氣管路作為局部設計的切入點，利用平面波動理論及轉移矩陣法計算氣流脈動，采用CAESARII軟件對模型計算，得到管路系統(tǒng)上管夾和支撐的型式、位置和數(shù)目來控制有害的脈動和振動。

參考文獻：

[1]孫嗣瑩，夏永源，李錦臨.緩沖器位置對管道內氣流脈動的影響[J].壓縮機技術，1980，007（02）：31-34.

[2]黨錫淇，陳守五.活塞式壓縮機氣流脈動與管道振動[M].西安：西安交通大學出版社，1984：66-69.

[3]API618-2007，石油化工和天然氣工業(yè)用往復式壓縮機[S].

[4]劉英男，單魯維，蔣林滔.撬裝往復壓縮機的振動分析[J].化工機械，2015，42（1）：53-54.