濾波型脈動(dòng)緩沖罐在某LNG液化工廠往復(fù)式壓縮機(jī)管道振動(dòng)控制中的應(yīng)用

楊杰，張玉韜，梅良，黃彩江，劉濤

（四川杰瑞恒日天然氣工程有限公司，成都 610000）

某LNG 液化工廠采用3 臺(tái)（2 開1 備）往復(fù)式壓縮機(jī)對(duì)原料氣進(jìn)行增壓。壓縮機(jī)氣缸單列水平對(duì)稱布置，兩級(jí)壓縮，級(jí)間空冷與分離。壓縮機(jī)并排布置于廠房?jī)?nèi)，級(jí)間分離器緊靠廠房外墻布置，空冷器布置于+17.5 m 管廊框架平臺(tái)上。布置示意圖見圖1，壓縮機(jī)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)見表1，氣體體積組分見表2。

表1 壓縮機(jī)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表Table 1 Data sheet of compressors

表2 氣體體積組分Table 2 Gas volume components

圖1 設(shè)備布置示意圖Fig.1 Equipment layout

該壓縮機(jī)組啟機(jī)運(yùn)行后，壓縮機(jī)本體振動(dòng)尚可，但管道發(fā)生劇烈振動(dòng)，尤其是空冷器平臺(tái)處管道振度達(dá)到55.6 mm/s，從而導(dǎo)致裝置平臺(tái)發(fā)生受迫振動(dòng)。級(jí)間管道安全閥組DN20 排氣支管多次振斷，導(dǎo)致原料氣泄漏、機(jī)組停機(jī)，給裝置安全生產(chǎn)帶來嚴(yán)重威脅。

根據(jù)上述現(xiàn)象分析，排除機(jī)組動(dòng)力不平衡引起的機(jī)械強(qiáng)迫振動(dòng)、管道振動(dòng)由管道內(nèi)的氣流脈動(dòng)引 起。

1 消聲濾波原理

由于往復(fù)式壓縮機(jī)吸排氣的間歇性和周期性，管路內(nèi)氣流的壓力和速度發(fā)生周期性變化，這種現(xiàn)象稱作氣流脈動(dòng)。氣流脈動(dòng)在管道彎頭或流通截面改變處激發(fā)諧振力，從而誘發(fā)管道作機(jī)械振動(dòng)。壓縮機(jī)管道內(nèi)的壓力隨時(shí)間的變化如圖2 所示，管道內(nèi)壓力由平均壓力p0和脈動(dòng)壓力pt組成。

圖2 壓力脈動(dòng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of pressure pulsation

理論與試驗(yàn)表明，氣體的壓力脈動(dòng)量比平均壓力小很多，氣流的平均速度和聲速相比也小很多[1]。因此可按平面波動(dòng)理論分析管道內(nèi)的壓力脈動(dòng)。壓力脈動(dòng)分量可以表達(dá)為時(shí)域函數(shù)：

由于pt為周期函數(shù)，因此可按傅里葉級(jí)數(shù)展開為：）

其中：An、φn分別為n階傅里葉級(jí)數(shù)的振幅和相位；ω0= 2π·f，f為基頻，對(duì)雙作用壓縮機(jī)：

其中，r為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，單位為r/min。

可見，復(fù)雜的壓力脈動(dòng)可分解為一系列頻率為基頻整數(shù)倍的簡(jiǎn)單諧波函數(shù)的組合。一般分析前8 階傅里葉級(jí)數(shù)即可滿足工程精度要求。

因此，可參考抗性消聲器的消聲濾波原理[2]，設(shè)計(jì)濾波型緩沖罐阻斷部分頻率的壓力波向管道下游傳播，達(dá)到消減壓力脈動(dòng)，控制管道振動(dòng)的目的。

常見的抗性消聲器結(jié)構(gòu)有簡(jiǎn)單擴(kuò)張式消聲器、連接式雙擴(kuò)張式消聲器和內(nèi)插管式消聲器。

1.1 簡(jiǎn)單擴(kuò)張式消聲器

簡(jiǎn)單擴(kuò)張式消聲器，即空腔緩沖罐，是一種最簡(jiǎn)單、使用最廣的脈動(dòng)抑制器。本文所述壓縮機(jī)正是采用這種類型的緩沖罐，濾波簡(jiǎn)圖如圖3。

圖3 簡(jiǎn)單擴(kuò)張式消聲器濾波簡(jiǎn)圖Fig.3 Diagram of simple expansion muffler

1.2 連接雙擴(kuò)張式消聲器

連接式雙擴(kuò)張管式消聲器由兩個(gè)聲腔通過管道串聯(lián)在一起，濾波簡(jiǎn)圖如圖4。

圖4 連接雙擴(kuò)張式消聲器濾波簡(jiǎn)圖Fig.4 Diagram of connecting double expansion muffler

聲學(xué)理論表明：在總?cè)莘e相同的情況下，連接雙擴(kuò)張式消聲器比簡(jiǎn)單擴(kuò)張式消聲器的消聲量大得多[2]。

1.3 內(nèi)插管式消聲器

內(nèi)插管式消聲器將主管插入擴(kuò)張管一定深度處，通過擴(kuò)張管內(nèi)的旁支氣流改變擴(kuò)張管的聲阻，達(dá)到增強(qiáng)消聲的目的。其消聲原理見圖5。

圖5 內(nèi)插管式消聲器濾波簡(jiǎn)圖Fig.5 Diagram of internal intubation muffler

因此，同樣的緩沖罐，管嘴內(nèi)插脈動(dòng)抑制效果更佳。

2 濾波型脈動(dòng)緩沖罐

本文所述壓縮機(jī)，一、二級(jí)氣缸進(jìn)出口采用空腔濾波緩沖罐，即簡(jiǎn)單擴(kuò)張式消聲器抑制壓力脈動(dòng)。壓縮機(jī)裝配示意圖見圖6，緩沖罐結(jié)構(gòu)示意圖見圖 7。

圖6 壓縮機(jī)裝配示意圖Fig.6 Assembly drawing of compressor

圖7 空腔緩沖罐結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Structure diagram of cavity buffer

機(jī)組管道發(fā)生劇烈振動(dòng)后，對(duì)管道進(jìn)行了支架加固，但受制于現(xiàn)場(chǎng)空間所限，管道走向難以整改。因此，考慮將原空腔緩沖罐更換為濾波型緩沖罐以增加脈動(dòng)抑制能力，從源頭上減小管道振動(dòng)激勵(lì)。

結(jié)合連接雙擴(kuò)張式消聲器和內(nèi)插管式消聲器原理，將四個(gè)緩沖罐設(shè)計(jì)成圖8 ～ 11 的形式。

圖8 一級(jí)進(jìn)氣濾波緩沖罐Fig.8 Pulsation filter of first intake sunction

圖9 一級(jí)排氣濾波緩沖罐Fig.9 Pulsation filter of first discharge sunction

圖10 二級(jí)吸氣濾波緩沖罐Fig.10 Pulsation filter of second intake sunction

圖11 二級(jí)排氣濾波緩沖罐Fig.11 Pulsation filter of second discharge sunction

3 濾波效果分析

3.1 計(jì)算模型

采用聲學(xué)理論中的阻抗轉(zhuǎn)移方法分別計(jì)算四個(gè)空腔緩沖罐和濾波型緩沖罐的濾波效果，在緩沖罐入口端加載諧波載荷Pt進(jìn)行掃頻分析，在出口端定義長(zhǎng)度200 m 的管道模擬無限長(zhǎng)無反射聲學(xué)邊界條件。

以緩沖罐出口管嘴法蘭處壓力脈動(dòng)大小進(jìn)行結(jié)果對(duì)比分析。計(jì)算示意圖見圖12。

圖12 掃頻計(jì)算模型簡(jiǎn)圖Fig.12 Diagram of sweep frequency calculation model

掃頻激勵(lì)為：

式中f——掃頻頻率。

3.2 分析結(jié)果

一級(jí)進(jìn)/排氣與二級(jí)進(jìn)/排氣空腔緩沖罐與濾波緩沖罐掃頻分析結(jié)果分別見圖13 ～16。

圖13 一級(jí)進(jìn)氣緩沖罐濾波結(jié)果對(duì)比圖Fig.13 Comparison of filterring results of first intake sunction pulsation filter

圖14 一級(jí)排氣緩沖罐濾波結(jié)果對(duì)比圖Fig.14 Comparison of filterring results of first discharge sunction pulsation filter

圖15 二級(jí)吸氣緩沖罐濾波結(jié)果對(duì)比圖Fig.15 Comparison of filterring results of second intake sunction pulsation filter

圖16 二級(jí)排氣緩沖罐濾波結(jié)果對(duì)比圖Fig.16 Comparison of filterring results of second discharge sunction pulsation filter

由圖13 ～ 16 的理論分析結(jié)果可知：

（1）空腔濾波緩沖罐濾波頻率范圍有限，部分頻率分量輸出端壓力脈動(dòng)幅值大于輸入端掃頻載荷幅度，未能有效消減壓力脈動(dòng)。

（2）濾波型脈動(dòng)緩沖罐濾波范圍廣，輸出端壓力脈動(dòng)幅值小于輸入端壓力脈動(dòng)幅值，能夠有效抑制輸出端后的壓力脈動(dòng)幅度。

（3）濾波型脈動(dòng)緩沖罐壓力脈動(dòng)抑制能力遠(yuǎn)大于空腔濾波緩沖罐。

4 整改結(jié)果

對(duì)此壓縮機(jī)組更換上述濾波型緩沖罐，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在一級(jí)入口匯管上安裝進(jìn)口緩沖罐，在氣缸氣閥處安裝孔板消減緩沖罐反射壓力波脈動(dòng)幅度[3]，同時(shí)緊固管道上的防振關(guān)卡螺栓。

改造完成啟機(jī)后，管道振動(dòng)幅度大幅降低，機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)。待機(jī)組達(dá)到滿負(fù)荷運(yùn)行后對(duì)現(xiàn)場(chǎng)管道進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試。選取三處測(cè)試點(diǎn)與改造前振動(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見表3。

表3 整改前后管道振動(dòng)對(duì)比Table 3 Comparison of pipeline vibration before and afterrectification

由此可見，濾波型脈動(dòng)緩沖罐對(duì)管道內(nèi)氣流脈動(dòng)幅度進(jìn)行了有效控制，管道振動(dòng)大幅降低，滿足了生產(chǎn)要求。

5 結(jié)論

通過以上分析可得出如下結(jié)論：

（1）往復(fù)式壓縮機(jī)周期性、間歇性地吸排氣在管道系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生壓力脈動(dòng)；壓力脈動(dòng)是導(dǎo)致管道系統(tǒng)振動(dòng)的主要原因。

（2）濾波型脈動(dòng)緩沖罐濾波范圍與脈動(dòng)抑制能力遠(yuǎn)大于空腔緩沖罐。濾波型緩沖罐能夠有效控制往復(fù)式壓縮機(jī)管道壓力脈動(dòng)大小，從而有效降低管道振 動(dòng)。