往复式压缩机的配管设计

2012-02-09高茵

河南化工 2012年10期

高茵

(中国石化洛阳石油化工工程公司，河南洛阳 471003)

压缩机是在石油化工装置中用以输送气体的一种设备，往复式压缩机是其中最常用的一种，在装置中起着十分重要的作用，有“装置心脏”之称，加之所输送的介质多为易燃易爆的气体。因此，往复式压缩机在平面布置上、管道设计中就显得尤为重要。下面分别从往复式压缩机的平面布置原则，进出口管道设计，支架位置的设置、支架型式选择等几个方面分别论述。

1 往复式压缩机的平面布置原则

由于所输送的介质多为易燃易爆的气体，为防止可燃气体泄漏扩散至明火设备区，以及考虑到往复式压缩机的安装、检修需要使用大型吊装机具，故将其布置在装置的边缘，且位于明火加热炉全年最小风频的上风侧，与非防爆的电气设备、高温设备的间距要满足现行的国家规范要求。

往复式压缩机一般露天布置或半敞开布置，在寒冷或多风沙地区可采用室内布置。当布置在厂房内时，应考虑以下几点:①综合考虑爆炸泄放面积，室内采暖、通风的整体要求。②从检修角度来考虑，机组与厂方墙壁的净距≥2.0 m(大于抽活塞杆长度)，以满足压缩机(或电机)的抽活塞杆(或转子)要求，两机组间的净距＞活塞杆长度+1.0 m。在机组的一侧应留有检修场地，检修场地应考虑能放置机组的最大部件，并能进行检修作业。对多台压缩机可考虑两台共用一处检修场地，检修场地设在二层时，应考虑检修荷载，并明确标示出检修区域范围、承载能力。③检修孔(吊装孔)大小应按最大检修部件尺寸考虑，其位置应充分考虑吊车死点尺寸，按最大检修荷载选择防爆吊车。④当压缩机输送的介质为氢气(含烃类气体)时应在厂房顶部设置吸风口或吸风装置，二层楼板应考虑设置篦子板或部分篦子板，以防止爆炸性气体的积聚。对于原动机由隔爆电机驱动的压缩机组，其基础下隔爆门的位置、大小应考虑冷却器、加热器的安装检修，隔爆门的密封应满足要求。⑤压缩机安装高度的确定应根据其构造特点，缓冲罐的型式(卧式或立式)其接管进出口的位置。综合以上因素，一般往复式压缩机二层平台高度设计为3.3～3.8 m为宜。⑥地面层应设轻污油回收漏斗、含油污水漏斗，尤其是在润滑油站四周应设地沟，以保证含油污水不漫流。对于多级压缩的压缩机组各级间的气液分离罐、冷却器应布置在地面层，且尽可能靠近布置。同时，考虑操作、检修的需要。当润滑油站布置在地面层时，应布置在压缩机的前方，以满足压缩机正常运行时轴头泵的吸入要求，同时还要考虑润滑油冷却器的抽芯要求。⑦往复式压缩机及缓冲罐的基础应与厂房基础分开。

2 进出口管道振动的形成及后果

由于往复式压缩机的工作特点是吸气和排气都是间歇性和周期性的，造成所输送气体的压力、速度、密度在管道内随时间发生周期性地变化，即气流脉动。脉动的气流沿着管道输送时遇到弯头、异径管、三通、控制阀、盲板等元件时将会产生相应的随时间变化的激振力，受激振力的作用，管系随之产生一定的机械振动响应，压力脉动越大，管道振动的振幅和振动力就越大，严重时影响气阀的正常开闭，降低工作效率。甚至造成管件疲劳破坏，从而导致介质泄漏，形成火灾、爆炸等重大事故。

往复式压缩机活塞往复运动的频率，称为激发频率。

连接往复式压缩机进出口管道内的气体构成一个系统——气柱，气柱本身具有的频率——气柱固有频率。连接往复式压缩机进出口的管道及其组成件(包括支吊架)构成一个系统，这个系统结构本身所具有的频率——管系机械固有频率。以上三个频率必须错开。若有两个以上频率重合即可形成共振，管道设计的主要任务之一就是设法避开三个频率的重叠。

3 避开三个频率共振的形成

3.1 激发频率

当所压缩的工艺介质、进口压力、出口压力、活塞往复运动的频率确定后，激发频率就确定了，是一个定值。

3.2 气柱固有频率

压缩机进出口缓冲器的大小与安装位置、连接管径的大小、管系分支的多少与位置、各管段的长度、消振孔板的大小与位置、各管段的端点条件等决定了气柱固有频率。通常，通过调整进出口缓冲器的大小、消振孔板的大小与位置来改变气柱固有频率使其避开激发频率。

进口缓冲器安装在气缸的上方，并尽量靠近气缸。出口缓冲器安装在气缸的下方，并尽量靠近气缸。

改变消振孔板孔径的尺寸，可以将管段内的压力驻波变成行波，使管道末端不再具有反射条件，从而降低压力不均匀度，达到减轻管道振动的目的。但是，加装消振孔板会产生局部阻力损失。

管系机械固有频率:连接气缸管道的管径、管道安装高度(支架高度)、弯头的数量、曲率半径的大小、支架间距、支架型式、支架本身的刚度共同决定了管系机械固有频率，通过改变上述条件来改变管系的机械固有频率，从而避免与激发频率、气柱固有频率形成共振区。

4 往复式压缩机配管设计

进出口管道设计最重要的要求就是调整管路气柱固有频率、管系机械固有频率与激发频率之间的关系，使其相互避开共振区域。

4.1 调整气流脉动值的方法

往复式压缩机本身主机气缸的进出口要合理布置，上下或左右对开较为适宜。因为由往复式压缩机本身工作的特点决定了其气流脉动是不可避免的，那么，就引出了如何消减气流脉动的问题。消减气流脉动最有效的方法就是设置一定容积而且足够靠近气缸的缓冲器，缓冲器结构简单、使用方便。缓冲器的设计要满足两个条件，第一是缓冲器容积要足够大;第二缓冲器设置的位置要足够靠近气缸嘴子。

合适的缓冲器容积还可以按照以下经验公式进行核算，即第一种:德国经验公式

Vr，缓冲器容积，m3;Vs·d，吸气量或排气量，m3/转;K，气体的比热比;m，单作用气缸，m=1，双作用气缸，m=2;δ，允许的压力不均匀度。而δ=126.77/(pdf)1/2;P，管内平均绝对压力，MPa;d，管道内径，mm;f，脉动频率，Hz。

第二种:API618规定

Vs，入口缓冲器的最小容积，m3;Vd，出口缓冲器的最小容积，m3;k，绝热指数;Ts，吸入侧绝对温度，K;M，气体分子量;PD，与缓冲器相连的气缸每转排(吸)总净容积，m3/r;r，气缸的级压比。

对于分子量较小的介质第二种公式估算出的缓冲器偏大，对大型压缩机的缓冲器难以制造和安装。第一种公式估算出的缓冲器容积比较接近详细脉动计算确定的缓冲器容积。

因此，我们主张尽可能把缓冲器容积做大一些。根据经验，对低压容器一般取V=15～25倍的气缸工作容积，高压容器一般取V=20～25倍的气缸工作容积，以上只是初步估算，最终缓冲器容积的确定还要根据整个管系的压力脉动量不大于允许值来确定。

4.2 采用消振孔板

在缓冲器的进口处安装消振孔板，但是，这种方法是以增加压力损失为代价的，对于长周期运行的压缩机来说，这不是一个好方法。

4.3 计算气柱固有频率

管道内的气体具有一定的质量，又具有可压缩性，这样的气体本身就是一个振动系统，压缩机在管系端口做周期性地吸气、排气动作，对气柱系统本身就是一种激发，在激发作用下气柱就要做出一定的脉动响应，使气体流动发生振动。如果激发频率与气柱固有频率合拍，则气柱就要引起强烈的脉动，形成大振幅的气流震荡，即气柱共振。这会引起剧烈的管道振动，对压缩机运行极为不利。我们在设计管道时，就要设法避开，所以，在设计上就有一个调频的过程。

4.4 计算气流脉动量

气流脉动不但是引起管道振动的主要原因，而且大强度的气流脉动还将引起一系列的严重后果。如:①促使气阀加速损坏，致使压缩机无法正常工作;②消耗大量的能量，使主机的性能降低;③引起噪声。所以，一条管道设计的是否合理，将是压缩机运行能否平稳运行的关键。气流脉动量最终要归结到气流的压力不均匀度δ是否能控制在允许的范围内(根据API618确定)。这又引出关于压力不均匀度δ的计算方法问题。目前我们已经掌握并付诸实施的有两类方法:一类小波动理论(以声学原理为基础)法，另一种是一维非定常气流脉动理论，可用于计算气柱固有频率，也可以计算气流脉动量。

目前，西安交大已有根据上述理论编制的专用计算机程序，根据现场使用反馈的情况，理论计算与实际情况是吻合的，这样我们就可以通过计算来避开气流脉动的共振区。

4.5 调整管系机械固有频率

压缩机进出口管道的管径应足够大，尽量减少管路的弯头个数，采用大曲率半径弯头(一般取4～6倍DN)。理论分析表明，管径越大、管道端口接受的速度激发就越少。工程应用及理论计算皆表明管径越大，相应的残余脉动量就越小。例如:同样的缓冲器，当连接管内径分别为:Φ65、Φ85和Φ120时，相应的脉动量δmax分别为20.62%、9.64%和4.73%。这表明若采用较细的管道输送气体，又无消振措施是不允许的，必然出现强烈的振动。

当压缩气体流经弯头、异径管、控制阀时，由于气流改变方向或流通面积改变时，也能引起激振力的增加，造成管路振动加剧。

管道结构固有频率与机械振动响应的计算。若气流脉动状况通过计算或实验为已知的话，就可以进行管道结构固有频率与机械振动响应的计算，首先进行管道结构固有频率的计算，其次进行机械振动响应的计算。使用有限元法建立整个系统的质量矩阵和刚性矩阵，利用子空间迭代法能准确计算出所需“阶”的机械振动固有频率，利用振型叠加法可以计算出机械振动的响应值。

提高管道固有的自振频率，增设管卡是消振的简单而又有效的措施。为保证管系具有足够的刚性通常推荐将自振频率提高到激发主频的三倍以上，具体数值依具体的压缩机进出口管径、支架间距、个数来确定。

5 支架的设置

支架型式要有减振措施，可在管卡内管道的上下垫石棉橡胶板，见示意图1。振动管道的支架设置与普通管道支架有所不同，首先是支架间距不同，它比普通管道支架间距要小，通常取普通管道支架间距的1/2～4/7。压缩机进出口附近管道的支架要采用低管墩，其基础应独立设置，不得与厂房的梁、柱、楼板相连，避免振动传到厂房。