浮式平台上往复压缩机组振动控制设计优化

李治贵，曹颜玉，张 超，汤国红，卢福志

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300452；2.中加压缩机橇及管道工程公司，加拿大)

1 引言

在深海油气田的天然气开发、采集、增压和运输等过程中，常常用到往复压缩机，且它们一般安装在浮式平台上。实际应用中，安装在浮式平台上的压缩机组需要在一定的进、排气压力以及排量范围内运行。同时压缩机组在运行过程中会产生动态不平衡力和力矩，导致机组及浮式平台结构振动，振动超标时会导致机组不能正常运行及结构疲劳破坏。因此，需要对压缩机组及平台结构进行优化设计，以满足生产及安全运行要求。其中振动控制又是优化设计时需要考虑的重点。

对海洋平台的振动控制，人们进行了大量的研究和工程实践。但浮式平台由于空间限制，其压缩机组系统一般采取紧凑型设计，意味着管道、洗涤罐、冷却器等更靠近压缩机本体，容易互相影响。同时，有限的空间也对设备、管道等的布置和支撑设计带来了限制。此外，浮式平台还承受有浪载、风载等外部环境载荷作用，产生晃动，加剧了机组的振动。所有这些因素导致浮式平台上往复压缩机组振动控制既不能直接采用一般常规机组的振动控制措施，又不能简单套用海洋平台振动控制措施。除了需要控制好机组本身设备及管道的振动水平外，还需要合理设计机组底橇及浮式平台支撑结构的刚度和强度。

以某浮式平台往复压缩机组为例，探讨了通过气流脉动设计优化使机组在满足进、排气压力范围要求的同时，如何从源头上降低机组脉动幅值及脉动不平衡力；通过支撑设计优化，说明了如何在有限空间合理布置设备支撑及管夹等降低机组设备及管道的振动水平；以及通过机组底橇结构及浮式平台结构设计优化，达到既能满足结构强度要求又能减少机组及平台结构振动水平等。这些优化设计技术既可以应用于新机组的设计，又能应用于旧机组的升级改造。

2 压缩机组总体布置及主要技术参数

该压缩机组用于燃料气增压，其总体布置如图1所示。该机组主要技术参数如下：

图1 某海洋浮式平台往复式压缩机组总图布置

型式：卧式双列二级双作用

功率：710 kW

排量：9.9～16.9 万m3/d

进气压力：0.3～0.35 MPa

排气压力：3.55 MPa

气缸直径：一级Φ498 mm；二级Φ279 mm

活塞行程：139.7 mm

压缩机转速：990 r/min

3 机组气流脉动设计优化

由于进、排气阀门的反复打开，往复压缩机组在运行过程中会产生气流的压力脉动。该压力脉动在系统中传播时产生脉动不平衡力，导致系统振动。气流脉动设计时，需要考虑机组在表1所示运行条件下运行时，机组气流脉动得到有效控制，从源头上减少系统激振力。通过气流脉动分析可以评估和优化相应的气流脉动设计，使机组在所有运行工况条件下均满足API 618标准要求。

表1 压缩机组运行工况表

作为示例，图2显示了应用相关分析软件建立的该机组二级排气系统脉动分析模型。图3至图6显示了最恶劣工况的气流脉动分析结果。从图3可以看出，实施气流脉动设计优化前，二级排气缓冲罐至冷却器管道中的脉动值超出API 618标准允许值。图4显示了实施气流脉动设计优化后，二级排气缓冲罐至冷却器管道气流脉动值有明显降低，低于标准允许值。部分优化措施包括二级排气缓冲罐由不对称设计改为对称设计及其出口加内径50 mm孔板等。冷却器进气管道上最大气流脉动不平衡力在实施脉动设计优化前后的变化分别如图5和图6所示，可以看到实施气流脉动设计优化后，二级冷却器进气管道上最大脉动不平衡力从优化前的超标减小到低于标准允许值(如图中红线所示)。

图2 二级排气系统脉动分析模型

图3 二级排气系统气流脉动比值(优化前)

图4 二级排气系统气流脉动比值(优化后)

图5 二级冷却器进气管最大脉动不平衡力(优化前)

图6 二级冷却器进气管最大脉动不平衡力(优化后)

4 设备及管道支撑设计优化

在系统的气流脉动不平衡力得到控制后，还需要通过机械振动分析来优化机械设备和管道的布局及支撑设计，控制系统机械振动。建立机组的机械振动分析模型时，首先使用相关有限元分析软件对机组各部件的连接刚度进行计算，然后使用有限元数学模型模拟压缩机机组原型系统，从而计算压缩机机组在各种载荷作用下的响应。

图7显示了用于机组机械振动计算的分析模型。根据机械振动标准要求，对该机组实施了设备及管道支撑设计优化，例如对排气缓冲罐使用了带绑带的楔形支撑，对安全阀使用了型钢结构支撑等，部分设备及管道支撑优化设计如图7所示。通过这些支撑优化措施，系统的动态变形响应如图8所示，最大动态位移0.12 mm，满足相关标准要求。

图7 机组机械振动计算模型及部分支撑设计优化措施

5 机组底橇和浮式平台支撑结构设计优化

上述优化过程只能保证机组本身的设计合理性，一般用于常规机组的设计。对于浮式平台压缩机组，除机组本身的设计外，还需进行机组底橇和浮式平台支撑结构的设计优化，以达到系统整体结构的强度和刚度要求。通过对包含压缩机组的浮式平台结构进行静态和动态分析计算，以达到设计优化的目的。

图8 机组动态变形

5.1 计算模型和边界条件

使用结构分析软件建立的包含机组和平台支撑结构的计算模型如图9所示。该模型使用梁柱结构模拟了坐落在平台上的2台压缩机组。平台通过立柱固定在船体主甲板上，因此在立柱底部加固支边界条件，但主甲板本身的变形在分析中没有考虑。该模型用于系统载荷作用下底橇及支撑平台结构的静态应力和变形分析，以及系统的动态力响应分析。值得注意的是平台上两台压缩机组一用一备使用，不同的压缩机运行时系统的动态响应并不相同，因此需要对不同的运行模式分别进行计算，结构设计应满足所有运行模式要求。进行力响应分析时首先计算系统的固有频率，然后计算系统在激振力作用下的动态位移、振动速度和振动加速度等。

图9 包含两台压缩机组的浮式平台系统结构分析模型

5.2 系统载荷

与常规机组不同，浮式平台在波浪作用下会产生摇荡。该运动可分解为前后、左右以及上下方向的线性运动及这3个方向的旋转运动，包括横荡(Sway)、纵荡(Surge)、起伏(Heave)、横摇(Roll)、纵摇(Pitch)、和首摇(Yaw)。横荡是沿浮式平台横轴的左右往复运动，纵荡是沿浮式平台纵轴的前后往复运动，起伏是沿浮式平台垂直轴的上下往复运动，横摇是绕浮式平台纵轴的往复摇动，纵摇是绕浮式平台横轴的往复摇动，首摇是绕浮式平台垂直轴的往复摇动。每个方向的运动都伴随着对应方向的加速度，导致相应的惯性力。其中对浮式平台影响最大的是横摇、纵摇和起伏。工程设计中一般只考虑浮式平台横摇、纵摇和起伏产生的惯性力。这些惯性力加上自重通过分解和叠加组合成横向惯性力、纵向惯性力以及竖向惯性力，如图10所示。

由于自重(SW)、浮式平台横摇和起伏产生的最大横向惯性力(WLT)由式(1)给出

(1)

式中θroll——横摇角

Troll——横摇周期

Ycg——压缩机橇体重心到摇摆中心的垂直距离

aheave——浮式平台起伏加速度

g——重力加速度

由于自重、浮式平台纵摇和起伏产生的最大纵向惯性力(WLL)由式(2)给出

(2)

式中θpitch——纵摇角

Tpitch——纵摇周期

由于浮式平台横摇、纵摇和起伏产生的最大竖向惯性力(WLV)由式(3)给出

(3)

式中Zcg——压缩机橇体重心到摇摆中心的横向距离

Xcg——压缩机橇体重心到摇摆中心的纵向距离

机组运行时所受系统载荷包括静载荷和动载荷两部分。其中静载荷包括重力及波浪惯性载荷等，动载荷包括电机旋转产生的不平衡力、压缩机旋转产生的不平衡力和不平衡力矩、压缩机气缸产生的气体力和气流脉动产生的脉动不平衡力等作用力。

图10 浮式平台摇摆产生的惯性力示意图

5.3 结构静态变形设计优化

波浪惯性力会加大机组底橇梁结构变形。如果设计不合理，会导致结构静态变形超标。作为示例，图11和图12分别显示了机组底橇梁结构优化前后，计算得到的结构变形。图11所示底橇是按常规机组进行设计的。以电机底座为例，其竖向变形为7.3 mm，超过标准要求。通过底橇结构优化措施，如在电机和压缩机安装机脚处底座的梁结构加双向筋板，采用抗弯性能更好的结构钢等，图12显示了其竖向变形降为0.7 mm，结构优化后系统满足静态变形要求。

图11 压缩机组底橇结构变形(优化前)

图12 压缩机组底橇结构变形(优化后)

5.4 结构动态振动设计优化

如前面所述，对机组本身，完成气流脉动和设备及管道支撑设计优化后，计算得到的振动在允许范围内。但如果将其置于浮体平台上，则有可能由于支撑刚度不足导致振动超标。图13显示了对优化前的平台梁设计，机组运行时引起的平台结构振动在竖直(Y)方向超出允许值范围。通过分析发现这主要是由于底橇下平台梁结构刚度不合适引起的。因此需要对结构设计进行加强。优化措施包括加大平台结构局部梁规格等，优化后平台结构振动如图14所示，其振动值大大降低，满足相关要求。

图13 平台梁振动速度(结构优化前)

图14 平台梁振动速度(结构优化后)

6 结论

随着深海油气田的不断开发，浮式平台往复式压缩机组也得到了越来越广泛的应用。相对于常规机组，浮式平台的柔性和不停晃动给机组的振动控制设计带来了诸多挑战。这些挑战不仅包括机组本身的气流脉动控制设计及机械振动控制设计，而且包括机组底橇和支撑平台的强度及刚度设计。设计时需要综合考虑这些因素的影响，才能将机组振动控制在标准要求的范围内。

以某浮式平台往复压缩机组为例，通过对机组进行气流脉动分析探讨了如何运用气流脉动设计优化降低机组气流脉动及脉动不平衡力；通过对机组进行机械振动分析示范了如何对设备和管道的布局及支撑设计进行优化来降低机组振动；以及通过底橇及浮式平台结构静态和动态设计优化来满足机组对支撑结构的强度和刚度要求。可作为浮式平台往复压缩机组设计的技术参考依据。