气流脉动与管道振动分析研究在牙哈注气压缩机中的应用

气流脉动与譬谨攮动分析研究在牙聍注气压薯机中的应用４５１气流脉动与管道振动分析研究在牙哈注气压缩机中的应用宋清平（辽宁辽河石油工程有限公司）摘要本文以牙哈凝析气田超高压注气压缩机系统为例，详细介绍１压缩机系统的气流脉动与管道振动分析研究过程、采取的防振减振措施、使用效果及体会。

经振动分析后采取７减振措施的机组Ｉ艺管道投产没有出现任何振动问题，完全满足ｊ机组和系统的安全要求。

牙哈凝析气田采用超高压压缩机向地下注入天然气，以保持地层压力，提高凝析油采收率。

所采用的注气压缩机组为美国ＣｏｏｐｅｒＣａｍｅｒｏｎ的１６ｓＧＴ—ＭＨ／６６中速、分体、对置平衡往复式天然气发动机一压缩机，入口压力为７．０ＭＰａ，出口压力为５２．０ＭＰａ，单台排量为５４×１０４ｍ３／ｄ．三级压缩，共６台，无备用，操作转速为７００～８５０ｒ／ｒａｉｎ，发动机额定功率为１９５６ｋＷ（２６５０ＨＰ）。

机组单台排量之大、出口压力之高和６台并联运行的操作，国内外仅此一例。

因此，注气压缩机的高效、安全平稳运转是整个凝析气田开发成败的关键。

为了保证注气压缩机系统安全、高效、乎稳运转，对机组进行气流脉动和机械振动分析研究是非常重要的。

一、气流脉动及危害由于往复式压缩机吸排流体呈间歇性和周期性。

使得气流的压力和速度呈周期性变化，这种现象，称为气流脉动。

气流脉动造成许多危害，显著影响压缩机组运行的可靠性和经济性，引起额外的功率消耗、控制仪表失灵、管道振动等。

管道振动对安全生产造成很大的威胁，强烈的管道振动会导致设备及连接附件的疲劳破坏和产生噪声，会使管路附件。

特别是管道的连接部位和管道附件的连接部位发生松动和破裂，造成泄漏甚至发生火灾爆炸。

近几年，油田往复式机泵现场已发生了多起因管道振动严重，导致停产、焊口破裂、天然气泄漏、发生火灾爆炸、烧毁数台压缩机等严重威胁安全生产的事故。

因此，事先对往复式机泵系统进行气流脉动与管道机械振动分析并采取相应措施的工作已愈来愈受到重视。

二、振源分析压缩机装置振动大多数是由气泷脉动引起的。

气漉脉动激发管道作机械振动，管道振动反过来又会加尉机组擐动．因此，要藏缓压缩机系统的摄动。

必须首先消除气流脉动。

４５２宝罾油气循蘑授术叠砸研讨鲁抡文集由气流脉动引起的管道振动，涉及两个同时存在的振动系统。

一个是气柱振动系统（气柱即管路内充满的气体），一个是机械振动系统。

气柱本身是一个具有连续质量的弹性振动系统，该系统如果受到激发，就会振动。

压缩机气缸的周期性吸排气，就是对气柱的激发。

气柱振动的结果是管遭内的压力发生脉动。

机械振动系统由管路（包括管遭本身、管道附件及支架等）结构系统构成，只要有激发力作用在这个系统上，就会产生机械振动响应。

压力脉动作用在管路的转弯处或流通截面变化处的不平衡力，是激发管道机械振动的激发力。

脉动的流体沿管道输送时，如果遇到弯头、异径管、控制阀等元件。

就会产生随时间变化的激振力，受此激振力作用，管道结构和构件就会产生一定的机械振动。

管道与其内部流体构成的系统，其固有频率与机组的激发频率接近时，就会发生共振，即管道产生较大的位移和应力，管内流体的脉动达到最大值。

压力脉动越大，管道振动的位移峰值和应力也越大。

就是说，气流脉动激发管道作机械振动，管道振动反过来又会加剧机组振动。

三、机组气流脉动和管道振动的防治管道振动主要是气流脉动引起的，因此，控制气流脉动，使它处在允许值范围内，是消除管道振动的根本方法。

设计适宜的工艺配管，使其固有频率避开压缩机组的激发频率范围，避免气柱共振，使振动值在允许值的范围内，是消除管道振动的保证。

１．机姐控制机组本身的振动，从根源上消除气流脉动。

引进注气压缩机组时，针对注气现场大排量、超高压和６台压缩机并联运行的特点，机组的供货商按美国石油学会标准《用于石油、化学和天然气工业的往复式压缩机）ＡＰＩ６１８中的相关方法进行了机组的气流脉动和机械振动分析与研究，并按ＡＰＩ６１８的标准对机组的气流脉动研究与机械振动分析提出了控制要求。

根据研究结果，对原设计的部分气缸进出Ｉ：１缓冲罐的结构尺寸进行了调整，在气缸缓冲罐的入口和高压排放口等处设置了减小气流脉动的限流孔板，并对机组本身的管遭支撑做了改进。

２．蕾系管系设计，即设计适宜的配管系统，对其管道进行气体动力特性（包括气柱固有频率和压力脉动幅度）和管道结构动力特性（结构固有频率、振幅和应力等）的计算，并对配管方案进行核算，选择压力脉动值和管道机械振动都在允许值范围内的管系。

这样的管系在运行中是平稳可靠的。

（１）建立模型针对牙哈注气压缩机在运转过程中可能出现的情况，分别按６台全开、５开１备和４开２备的机组运转组合状况，在８５０ｒ／ｒａｉｎ转速下，各建立了２２种模型。

又按６台全开工况，分别在８００ｒ／ｒａｉｎ、７５０ｒ／ｒａｉｎ和７００ｒ／ｒａｉｎ转速下，各建立了３种计算模型。

模型中包括管道的安装方式、管径、阀门和管件位置、支架点的设置和型式等。

（２）压力脉动分析对以上各种模型，分别按进气管系和排气管系进行计算。

将计算的压力脉动值与ＡＰｌ６１８标准值对比，进气管系的压力脉动值全部在ＡＰｌ６１８标准值内，而排气管系的压力脉动值除６台全开个别位置达标外，其余均超出ＡＰｌ６１８标准值。

表１是压力不均匀度ＡＰｌ６１８标准。

通过对气流脉动的分析和计算，为管道系统的配管设计提供依据，使设计人员在配管的设计Ｉ！ｆｒ段就托ｉｌ卣谴譬渣露的压力脉动情况。

配置幽运转平稳的管道。

气流脉动与管道曩动分析研究在牙哈注气压缩机中的应用４５３表１压力不均匀度ＡＰｌ６１８标准值压力管内径频率（Ｈｔ）（ＭＰａ）（ｒａｍ），ｌ，２，３ｆ、，５ｆｂ８０１．４０３０．９９２Ｏ．８１００．７０２０．６２８０．５７３１００１．２５５０．８８８０．７２５０．６２８０．５６１０．５１２７．２１４９１．０２８０．７２７０．５９４０．５１４０．４６００．４２０１９５０．８９９０．６３６Ｏ．５１９０．４４９０．４０２０．３６７２９１０．７３６０．５２００．４２５０．３６８０．３２９０．３００３００．８５３０．６０３０．４９２０．４２６０．３８１０．３４８３８０．７５８０．５３６０．４３７０．３７９０．３３９０．３０９５２４８０．６７４０．４７７０．３８９０．３３７０．３０１０．２７５６３０．５８８０．４１６０．３４００．２９４０．２６３０．２４０８００．５２２０．３６９０．３０１０．２６１０．２３４０．２１３（３）机械振动分析当管系的某阶固有频率与压缩机管路内的气流脉动频率重合时，管道将产生机械共振。

这时即使气流脉动较小，也可能发生较大的机械振动，影响机组系统的正常运行。

为此，在设计管系时要进行固有频率的计算。

以便适当地调整管系结构，使管系统的各阶固有频率（至少是最低的几阶）能远离气流脉动的频率。

对于牙哈注气压缩机系统，采用子空间迭带法（求出若干最低阶固有频率）来计算管系的固有频率和振型向量。

利用振型分析法来求解管系上指定点在振动时的位移。

计算的结果表明；设计的一级进气管系结构固有频率偏低。

选定的２２阶中的不少频率落入１阶和２阶激发频率的共振范围内。

特别是在８５０ｒ／ｒａｉｎ转速下，对设计管系的振幅和动应力进行预估，发现振幅在相当大的范围内超标。

其中个别点振幅达到２２００ｇｔｍ，在７００ｒ／ｒａｉｎ、７５０ｒ／ｍｉｎ和８００ｒ／ｍｉｎ下的振幅甚至更大。

设计的三级排气管系由于是低架、密支，动力特性较好，原设计ｌ阶固有频率达３８．５Ｈｚ。

振幅在允许范围内。

压缩机的操作转速范围为７００８５０ｒ／ｍｉｎ。

对应的转速为７００ｒ／ｍｉｎ、７５０ｒ／ｒａｉｎ、８００ｒ／ｍｉｎ和８５０ｒ／ｒａｉｎ时的激发主频率分别为１１．６７Ｈｚ、１２．５Ｈｚ、１３．３Ｈｚ和１４．７Ｈｚ。

要使系统运行平稳，就必须远离激发频率区，一般取０．８～１．２倍的主频范围。

根据机组的操作转速，９．３６６～１７．６Ｈｚ的固有频率都应该避开。

对机械振动部分计算的结果是：进气管系的固有频率从第５阶１０．４３Ｈｚ到第２２阶１７．３６Ｈｚ，全部落在了共振区内。

动力响应值高达２２５４／ａｍ。

（４）采取的措施分析上述计算结果，可以看出，该现场需要对结构固有频率进行调整。

对于牙哈注气压缩机系统来说，工艺管道的管径是经方寒比选确定的，管系走向和安装型式也是经多次探讨商定的，如果要改变它们，将会影响其他设施。

因此，方便而有效的方法是在原有支撑的基础上增加一批新的支撑，确保原有的和新增加的所有支撑的支撑点都有与其高度相应的足够的刚度。

调整之后的结构同有顿率，管系部分最低为４５．９Ｈｚ。

通过对各种转速及各种组合情况进行棱算．获得的振幅僵普遗下降。

振幅最大值不超过１００ｆｌｍ。

４５４全国油气储运技术叠流研讨鑫论文纂通过对不同转速（７００ｒ／ｍｉｎ、８００ｒ／ｍｉｎ和８５０ｒ／ｍｉｎ）的核算发现，当转速不同时，虽然压力脉动值不大．但振幅却有较大的增长。

管系结构的固有频率虽因增加了新的支撑而有所增加，但个别支撑点的刚度仍然偏低，仍需进一步提高。

增加若干支撑和加强支架刚度后，各种转速下的压力振幅最大值均不超过１００ｔｔｍ，同时动力响应值也相应下降，振幅和动力响应值均达到标准。

整个配管系统共增加支撑４３个，并对近２０个支架进行了刚度加强。

其主要加强是：进气汇管高架管架加强刚度，进气汇管高架处增加支撑２０余个，进气流量计阀组处增加支撑并加强刚度，各机组进气分支管处增加支撑并加强刚度，机组一级进气洗涤罐入１：３弯头处增加支撑等。

排气管道按照管道支撑点间距不大于２ｍ的原则设置了支架，在局部的管道弯头和靠近放空口处设置了支撑。

此外，为减轻管道振动，还采取了以下措施：①改进管道的固定方式。

即对用于限制管道径向位移的管卡进行改进，将常用的卡与管道间的线接触改为面接触，加强了支架对管道的束缚力。

②机组三级排气站内的高压管道采用大曲率半径弯头，减小流体在弯头处的激发力，减轻管道的振动。

⑧在压缩机紧急放空阀处设置多级节流孔板，经过节流孔板后，该管段内的压力不均匀度降低，达到了减轻管道振动的目的。

采取了减振措施后的牙啥超高压注气压缩机系统机组工艺管道投产后没有出现任何振动问题，完全满足了机组和系统的安全要求。

四、结束语系统气流脉动与管道机械振动分析不能忽略。

压缩机系统的气流脉动与机械振动分析研究是压缩机系统设计中的一项重要工作内容。

在机组设计的前期工作中，就要对机组的供货商提出具体的、明确的标准和要求．从根本上消除或减缓压缩机系统振动的根源。

不管是高压，还是低压，对往复式运转设备都应该进行机组及系统的气流脉动和管道机械振动分析。

对于新建装置，要设计出气流脉动和管道机械振动值都在允许范围内的运转平稳的系统，对于已存在较大气流脉动和振动的管道，可以采取适当的消振措施，如设置孔板、改变或添加支撑、设置缓冲器等，达到保证安全生产的目的。