滤波型脉动缓冲罐在某LNG液化工厂往复式压缩机管道振动控制中的应用

杨杰，张玉韬，梅良，黄彩江，刘涛

（四川杰瑞恒日天然气工程有限公司，成都 610000）

某LNG 液化工厂采用3 台（2 开1 备）往复式压缩机对原料气进行增压。压缩机气缸单列水平对称布置，两级压缩，级间空冷与分离。压缩机并排布置于厂房内，级间分离器紧靠厂房外墙布置，空冷器布置于+17.5 m 管廊框架平台上。布置示意图见图1，压缩机设计数据见表1，气体体积组分见表2。

表1 压缩机设计数据表Table 1 Data sheet of compressors

表2 气体体积组分Table 2 Gas volume components

图1 设备布置示意图Fig.1 Equipment layout

该压缩机组启机运行后，压缩机本体振动尚可，但管道发生剧烈振动，尤其是空冷器平台处管道振度达到55.6 mm/s，从而导致装置平台发生受迫振动。级间管道安全阀组DN20 排气支管多次振断，导致原料气泄漏、机组停机，给装置安全生产带来严重威胁。

根据上述现象分析，排除机组动力不平衡引起的机械强迫振动、管道振动由管道内的气流脉动引 起。

1 消声滤波原理

由于往复式压缩机吸排气的间歇性和周期性，管路内气流的压力和速度发生周期性变化，这种现象称作气流脉动。气流脉动在管道弯头或流通截面改变处激发谐振力，从而诱发管道作机械振动。压缩机管道内的压力随时间的变化如图2 所示，管道内压力由平均压力p0和脉动压力pt组成。

图2 压力脉动示意图Fig.2 Schematic diagram of pressure pulsation

理论与试验表明，气体的压力脉动量比平均压力小很多，气流的平均速度和声速相比也小很多[1]。因此可按平面波动理论分析管道内的压力脉动。压力脉动分量可以表达为时域函数：

由于pt为周期函数，因此可按傅里叶级数展开为：）

其中：An、φn分别为n阶傅里叶级数的振幅和相位；ω0= 2π·f，f为基频，对双作用压缩机：

其中，r为压缩机转速，单位为r/min。

可见，复杂的压力脉动可分解为一系列频率为基频整数倍的简单谐波函数的组合。一般分析前8 阶傅里叶级数即可满足工程精度要求。

因此，可参考抗性消声器的消声滤波原理[2]，设计滤波型缓冲罐阻断部分频率的压力波向管道下游传播，达到消减压力脉动，控制管道振动的目的。

常见的抗性消声器结构有简单扩张式消声器、连接式双扩张式消声器和内插管式消声器。

1.1 简单扩张式消声器

简单扩张式消声器，即空腔缓冲罐，是一种最简单、使用最广的脉动抑制器。本文所述压缩机正是采用这种类型的缓冲罐，滤波简图如图3。

图3 简单扩张式消声器滤波简图Fig.3 Diagram of simple expansion muffler

1.2 连接双扩张式消声器

连接式双扩张管式消声器由两个声腔通过管道串联在一起，滤波简图如图4。

图4 连接双扩张式消声器滤波简图Fig.4 Diagram of connecting double expansion muffler

声学理论表明：在总容积相同的情况下，连接双扩张式消声器比简单扩张式消声器的消声量大得多[2]。

1.3 内插管式消声器

内插管式消声器将主管插入扩张管一定深度处，通过扩张管内的旁支气流改变扩张管的声阻，达到增强消声的目的。其消声原理见图5。

图5 内插管式消声器滤波简图Fig.5 Diagram of internal intubation muffler

因此，同样的缓冲罐，管嘴内插脉动抑制效果更佳。

2 滤波型脉动缓冲罐

本文所述压缩机，一、二级气缸进出口采用空腔滤波缓冲罐，即简单扩张式消声器抑制压力脉动。压缩机装配示意图见图6，缓冲罐结构示意图见图 7。

图6 压缩机装配示意图Fig.6 Assembly drawing of compressor

图7 空腔缓冲罐结构示意图Fig.7 Structure diagram of cavity buffer

机组管道发生剧烈振动后，对管道进行了支架加固，但受制于现场空间所限，管道走向难以整改。因此，考虑将原空腔缓冲罐更换为滤波型缓冲罐以增加脉动抑制能力，从源头上减小管道振动激励。

结合连接双扩张式消声器和内插管式消声器原理，将四个缓冲罐设计成图8 ～ 11 的形式。

图8 一级进气滤波缓冲罐Fig.8 Pulsation filter of first intake sunction

图9 一级排气滤波缓冲罐Fig.9 Pulsation filter of first discharge sunction

图10 二级吸气滤波缓冲罐Fig.10 Pulsation filter of second intake sunction

图11 二级排气滤波缓冲罐Fig.11 Pulsation filter of second discharge sunction

3 滤波效果分析

3.1 计算模型

采用声学理论中的阻抗转移方法分别计算四个空腔缓冲罐和滤波型缓冲罐的滤波效果，在缓冲罐入口端加载谐波载荷Pt进行扫频分析，在出口端定义长度200 m 的管道模拟无限长无反射声学边界条件。

以缓冲罐出口管嘴法兰处压力脉动大小进行结果对比分析。计算示意图见图12。

图12 扫频计算模型简图Fig.12 Diagram of sweep frequency calculation model

扫频激励为：

式中f——扫频频率。

3.2 分析结果

一级进/排气与二级进/排气空腔缓冲罐与滤波缓冲罐扫频分析结果分别见图13 ～16。

图13 一级进气缓冲罐滤波结果对比图Fig.13 Comparison of filterring results of first intake sunction pulsation filter

图14 一级排气缓冲罐滤波结果对比图Fig.14 Comparison of filterring results of first discharge sunction pulsation filter

图15 二级吸气缓冲罐滤波结果对比图Fig.15 Comparison of filterring results of second intake sunction pulsation filter

图16 二级排气缓冲罐滤波结果对比图Fig.16 Comparison of filterring results of second discharge sunction pulsation filter

由图13 ～ 16 的理论分析结果可知：

（1）空腔滤波缓冲罐滤波频率范围有限，部分频率分量输出端压力脉动幅值大于输入端扫频载荷幅度，未能有效消减压力脉动。

（2）滤波型脉动缓冲罐滤波范围广，输出端压力脉动幅值小于输入端压力脉动幅值，能够有效抑制输出端后的压力脉动幅度。

（3）滤波型脉动缓冲罐压力脉动抑制能力远大于空腔滤波缓冲罐。

4 整改结果

对此压缩机组更换上述滤波型缓冲罐，并结合现场实际情况，在一级入口汇管上安装进口缓冲罐，在气缸气阀处安装孔板消减缓冲罐反射压力波脉动幅度[3]，同时紧固管道上的防振关卡螺栓。

改造完成启机后，管道振动幅度大幅降低，机组运行平稳。待机组达到满负荷运行后对现场管道进行振动测试。选取三处测试点与改造前振动数据对比，对比结果见表3。

表3 整改前后管道振动对比Table 3 Comparison of pipeline vibration before and afterrectification

由此可见，滤波型脉动缓冲罐对管道内气流脉动幅度进行了有效控制，管道振动大幅降低，满足了生产要求。

5 结论

通过以上分析可得出如下结论：

（1）往复式压缩机周期性、间歇性地吸排气在管道系统内产生压力脉动；压力脉动是导致管道系统振动的主要原因。

（2）滤波型脉动缓冲罐滤波范围与脉动抑制能力远大于空腔缓冲罐。滤波型缓冲罐能够有效控制往复式压缩机管道压力脉动大小，从而有效降低管道振 动。