田汝峰謝艷娥

（中海石油（中國(guó)）有限公司湛江分公司）

天然氣壓縮機(jī)串聯(lián)系統(tǒng)振動(dòng)分析及減振方法研究

田汝峰*謝艷娥

（中海石油（中國(guó)）有限公司湛江分公司）

因結(jié)鹽結(jié)垢引起的天然氣壓縮機(jī)組系統(tǒng)的振動(dòng)可以通過醋酸酸洗的方法來達(dá)到減振。采用科學(xué)的方法對(duì)壓力管道系統(tǒng)的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了測(cè)量。數(shù)據(jù)分析表明，彎頭較多的管線振動(dòng)強(qiáng)烈，尤其是接近激勵(lì)處的管線部位振動(dòng)更強(qiáng)烈。通過對(duì)管線系統(tǒng)的重新設(shè)計(jì)與簡(jiǎn)化，例如采用拉直管線、減少?gòu)濐^、改變管線空間分布、消除共振、添加減振設(shè)備、增加支撐點(diǎn)或改變支撐性質(zhì)等措施，有效地減輕了管線振動(dòng)，避免了管線系統(tǒng)長(zhǎng)期振動(dòng)產(chǎn)生機(jī)械疲勞、造成法蘭連接螺栓斷裂、發(fā)生天然氣泄漏等事故，極大地提高了氣田生產(chǎn)安全性。

壓縮機(jī) 串聯(lián) 醋酸酸洗 壓縮機(jī)機(jī)組振動(dòng) 管線振動(dòng) 減振方法

0 引言

位于南海鶯歌海盆地的東方1-1氣田是中國(guó)海洋石油擔(dān)任作業(yè)者的國(guó)內(nèi)海上最大的自營(yíng)氣田，日產(chǎn)天然氣800萬(wàn)m3，產(chǎn)出的氣體其組分有C1～C6及C6以上的各種碳?xì)浠衔铮灿卸趸?、氮?dú)夂蜕倭康乃值任镔|(zhì)[1]。

東方1-1氣田壓縮機(jī)于2007年投入使用，共有三組濕氣壓縮機(jī)（WGC），編號(hào)分別為CEP-C-2510/2610/2710，都是索拉T70-C402型透平離心式壓縮機(jī)。三組壓縮機(jī)可以分別實(shí)現(xiàn)單機(jī)組運(yùn)行、兩兩串聯(lián)運(yùn)行或者三組同時(shí)串聯(lián)運(yùn)行。透平壓縮機(jī)自2007年6月投運(yùn)以來，通常啟動(dòng)一臺(tái)機(jī)組即可以滿足生產(chǎn)要求。但隨著生產(chǎn)井的不斷開發(fā)，井口壓力遞減，為了滿足下游用戶的需要，從2009年5月開始啟動(dòng)兩臺(tái)壓縮機(jī)串聯(lián)運(yùn)行[2]。

2010年8月，氣田壓縮機(jī)開始三組同時(shí)串聯(lián)運(yùn)行。東方1-1氣田三臺(tái)天然氣壓縮機(jī)串聯(lián)工程為海上第二個(gè)濕氣壓縮機(jī)工程項(xiàng)目，亞洲第一個(gè)透平驅(qū)動(dòng)大功率高壓濕氣壓縮機(jī)三級(jí)串聯(lián)工藝項(xiàng)目[3]。

壓縮機(jī)機(jī)組和管線在三臺(tái)壓縮機(jī)串聯(lián)工況下同時(shí)出現(xiàn)明顯的振動(dòng)，嚴(yán)重影響了氣田生產(chǎn)安全，氣田對(duì)此高度重視，對(duì)引起振動(dòng)的原因進(jìn)行了深入的研究。采用系統(tǒng)分析的方法將三臺(tái)串聯(lián)壓縮機(jī)機(jī)組分為兩個(gè)部分，即壓縮機(jī)自身系統(tǒng)和壓縮機(jī)串聯(lián)管道系統(tǒng)。通過大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，根據(jù)各部分對(duì)振動(dòng)的不同影響，分別采取了相應(yīng)的減振措施。

1 天然氣壓縮機(jī)振動(dòng)原因分析及解決方案

東方1-1氣田中心平臺(tái)井口采氣樹的天然氣，經(jīng)過生產(chǎn)管匯后進(jìn)入海水冷卻器冷卻至37℃，然后進(jìn)入生產(chǎn)分離器進(jìn)行氣液兩相分離。氣田井口平臺(tái)生產(chǎn)的天然氣經(jīng)海水冷卻后進(jìn)入安裝在中央平臺(tái)上相應(yīng)的段塞流捕集器，穩(wěn)流除液后與中心平臺(tái)生產(chǎn)分離器出口的天然氣匯集于總管后進(jìn)入壓縮機(jī)組。

濕氣壓縮機(jī)系統(tǒng)由三臺(tái)串聯(lián)運(yùn)行的相互獨(dú)立的機(jī)組組成，包括2510機(jī)組、2610機(jī)組、2710機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組又包括旋流分離器、壓縮機(jī)、海水后冷卻器三部分。

當(dāng)濕氣壓縮機(jī)關(guān)停后，壓差的變化會(huì)造成外輸天然氣組成的波動(dòng)并影響下游用戶生產(chǎn)的穩(wěn)定性。三臺(tái)壓縮機(jī)組串聯(lián)以后，氣田經(jīng)歷過多次壓縮機(jī)意外關(guān)停[4]，并對(duì)下游用戶產(chǎn)生沖擊，因此必須解決串聯(lián)振動(dòng)問題。

1.1 振動(dòng)原因

1.1.1 壓縮機(jī)兩端動(dòng)平衡

Solar廠家對(duì)中檢查，發(fā)現(xiàn)每次啟機(jī)和加載時(shí)振動(dòng)都會(huì)有突變。拆下兩端的干氣密封部件和緩沖氣部件，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部和兩個(gè)端面都比較臟。更換了新的干氣密封部件和緩沖氣部件，然后重新對(duì)中，安裝聯(lián)軸節(jié)。在壓縮機(jī)兩端做動(dòng)平衡測(cè)試，發(fā)現(xiàn)加配重后沒有反應(yīng)，即沒有改善振動(dòng)狀態(tài)，機(jī)組總是在NGP 81%和NPT 50%時(shí)由于振動(dòng)高高關(guān)停。這表明動(dòng)平衡并不能改變壓縮機(jī)的振動(dòng)，也就是說，振動(dòng)可能是由于外部因素而引發(fā)的。在配重測(cè)試過程中有幾次振動(dòng)值突然變大。2012年6月23日至9月11日，Solar廠家現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)工程師維修透平壓縮機(jī)2510，在做動(dòng)平衡配重過程中曾4次因振動(dòng)高高關(guān)停，最后因振動(dòng)高高啟機(jī)失敗，因此Solar工程師建議將壓縮機(jī)送回廠，解體檢查轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡。

1.1.2 動(dòng)力振動(dòng)分析

對(duì)壓縮機(jī)后端動(dòng)力振動(dòng)進(jìn)行分析，兩側(cè)點(diǎn)振動(dòng)分別達(dá)到了49 μm和40 μm，波動(dòng)范圍在10 μm以內(nèi)，波動(dòng)非常小。X測(cè)點(diǎn)達(dá)到49 μm，接近報(bào)警值51 μm（關(guān)停63 μm），Y測(cè)點(diǎn)振動(dòng)雖然沒有X測(cè)點(diǎn)高，但仍然偏大。

1.2 解決方案

1.2.1 方案一

Solar廠家現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)工程師對(duì)透平壓縮機(jī)2510進(jìn)行了維修，現(xiàn)場(chǎng)工程師分析認(rèn)為，壓縮機(jī)兩端不平衡引起振動(dòng)，應(yīng)進(jìn)行配重并做動(dòng)平衡測(cè)試。但測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，加配重沒有反應(yīng)，并沒有改善振動(dòng)狀態(tài)，機(jī)組總是在NGP 81%和NPT 50%時(shí)由于振動(dòng)高高關(guān)停。這表明動(dòng)平衡不能改變壓縮機(jī)的振動(dòng)。于是，Solar工程師建議將壓縮機(jī)送回廠，解體檢查轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡。

1.2.2 方案二

先檢查壓縮機(jī)后端的結(jié)鹽結(jié)垢狀況，如有結(jié)鹽結(jié)垢，予以清理、清洗。如果壓縮機(jī)后端沒有結(jié)鹽結(jié)垢，或者清理后振動(dòng)仍然沒有明顯改善，再對(duì)該轉(zhuǎn)子做動(dòng)平衡。

1.3 壓縮機(jī)清洗減振

氣田相關(guān)技術(shù)人員通過內(nèi)窺鏡觀察發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)2510轉(zhuǎn)子結(jié)鹽結(jié)垢，決定采用方案二對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行清洗。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，采用醋酸與水比例為4∶100的清洗液。從壓縮機(jī)進(jìn)口管線泵入醋酸兌水溶液，進(jìn)口端排液口接透明膠管顯示液位接近內(nèi)腔頂部，醋酸清洗液從進(jìn)口端排液口排出流回水桶。利用氣動(dòng)泵對(duì)清洗液打循環(huán)，每隔2 h盤車一次，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)90°，循環(huán)或泡浸36 h后排液。啟機(jī)測(cè)試結(jié)果，壓縮機(jī)前端和后端振動(dòng)明顯下降，壓縮機(jī)帶載至今，振幅波動(dòng)平穩(wěn)。

至此，壓縮機(jī)機(jī)組振動(dòng)問題得到了基本解決。但是壓縮機(jī)串聯(lián)運(yùn)行時(shí)出口管線系統(tǒng)的振動(dòng)依然存在，這說明壓縮機(jī)串聯(lián)運(yùn)行時(shí)管線振動(dòng)與機(jī)組振動(dòng)沒有關(guān)系，應(yīng)當(dāng)是管內(nèi)流體不穩(wěn)定引起的。

2 壓縮機(jī)串聯(lián)管道系統(tǒng)振動(dòng)分析

在研究振動(dòng)時(shí)可將壓縮機(jī)串聯(lián)管道系統(tǒng)分為兩個(gè)系統(tǒng)，一個(gè)是管道系統(tǒng)，另一個(gè)是流體系統(tǒng)。管道振動(dòng)主要是受激振力和固有頻率的影響。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)狀況的分析，引起振動(dòng)的原因可能有以下兩種。

在2510和2710機(jī)組串聯(lián)、2610和2710機(jī)組串聯(lián)兩種運(yùn)行模式中，當(dāng)外輸氣量超過32.5萬(wàn)m3/h時(shí)，2710壓縮機(jī)出口管線以及中層甲板壓縮機(jī)出口管線和附屬的消防管線振動(dòng)偏大。而2510和2610機(jī)組串聯(lián)時(shí)，外輸氣量達(dá)到34.5萬(wàn)m3/h，壓縮機(jī)出口管線和中層甲板壓縮機(jī)出口管線以及附屬的消防管線均無振動(dòng)現(xiàn)象。單獨(dú)啟動(dòng)2610機(jī)組，管線也無振動(dòng)現(xiàn)象。

從以上現(xiàn)象推斷，引起管線振動(dòng)的原因并不是外輸氣量大。東方1-1氣田對(duì)振動(dòng)原因進(jìn)行了系統(tǒng)分析并采取了減振措施，取得了良好效果[5]。

2.1 壓縮機(jī)串聯(lián)減振現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.1.1 消減氣流振動(dòng)

調(diào)整氣柱固有頻率，避開氣柱共振。氣柱固有頻率取決于管系的配管方式、長(zhǎng)度、管徑和管線配置等。在配管設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)工藝流程的需要做好配管初步設(shè)計(jì)后，應(yīng)計(jì)算管系的氣柱固有頻率，并通過調(diào)整使其不與激振頻率重合，以避免氣柱共振。2.1.2合理設(shè)計(jì)管道系統(tǒng)

管道彎頭應(yīng)避免急轉(zhuǎn)彎。在壓縮機(jī)管系中，激振力主要產(chǎn)生于彎頭和異徑管的接頭處，因此在管道中應(yīng)盡量少使用彎頭。此外，減小彎頭角度也可以增強(qiáng)減振效果。

2.1.3 基于振動(dòng)理論的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

實(shí)際工作中，由于平臺(tái)的條件限制，不能完全按照理論上的方法來獲得具體而精確的數(shù)據(jù)。我們結(jié)合平臺(tái)的實(shí)際條件進(jìn)行了間接測(cè)量，就是在不同管段設(shè)置多個(gè)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)，在不同的氣量下對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，判斷在該氣量下該管段的固有頻率是否處于氣柱的固有頻率共振區(qū)間，從而做出相應(yīng)的調(diào)整和改造，氣田為此收集了大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。不同工況下的振動(dòng)檢測(cè)值如表1所示。

結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)和試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知：在2510和2710機(jī)組串聯(lián)、2610和2710機(jī)組串聯(lián)三種情況下，當(dāng)外輸氣量超過32.5萬(wàn)m3/h時(shí)，壓縮機(jī)2710出口管線以及中層甲板壓縮機(jī)出口管線和附屬的消防管線均有很大振動(dòng)。在2510和2610機(jī)組串聯(lián)、外輸氣量達(dá)到34.5萬(wàn)m3/h時(shí)，壓縮機(jī)出口管線及中層甲板壓縮機(jī)出口管線和附屬的消防管線均無明顯振動(dòng)現(xiàn)象。也就是說，串聯(lián)運(yùn)行并且有壓縮機(jī)2710參與，當(dāng)天然氣產(chǎn)量超過32.5萬(wàn)m3/h時(shí)，振動(dòng)數(shù)據(jù)增大很多。從以上現(xiàn)象推斷,外輸氣量超過32.5萬(wàn)m3/h后，管線內(nèi)的氣柱固有頻率與壓縮機(jī)2710運(yùn)行時(shí)的管線固有頻率處于共振區(qū)內(nèi)，這就是引起管線振動(dòng)的原因。

表1 不同工況下的振動(dòng)檢測(cè)值

2.2 管線振動(dòng)減振方法

2.2.1 合理安排壓縮機(jī)管線部分支撐和固定點(diǎn)

在現(xiàn)場(chǎng)管線彎頭、閥門、法蘭等處選取一些振動(dòng)測(cè)量點(diǎn)，用測(cè)振筆定期進(jìn)行測(cè)量。測(cè)試表明，現(xiàn)有的部分支撐和固定點(diǎn)不合理，某些地方需要增加支撐點(diǎn)或改變支撐性質(zhì)。通過在管道的固定支撐部位放置金屬?gòu)椈?、橡皮或軟木等，改變系統(tǒng)的阻尼矩陣以達(dá)到隔振、消振的目的；通過增設(shè)支撐、調(diào)整支撐位置、改變支撐性質(zhì)、縮短支撐點(diǎn)距離和增加系統(tǒng)的剛度等措施，來提高管道的固有頻率，達(dá)到消振的目的。

2.2.2 改彎管為直管

壓縮機(jī)出口管線彎頭多，增加了對(duì)管道的激振力，因此氣田平臺(tái)上管線的不合理配置，壓縮機(jī)出口管線彎頭多，是發(fā)生振動(dòng)的根本原因。于是，將管系中的“幾”字形管線改成了一字形直管。中層甲板透平壓縮機(jī)出口管彎頭處也采用焊接連接至天然氣過濾分離器2110A/B入口的管線。

2.2.3 管線優(yōu)化改造

根據(jù)設(shè)計(jì)文件要求，對(duì)CEP平臺(tái)透平壓縮機(jī)出口至天然氣過濾分離器2110A/B的管線進(jìn)行優(yōu)化改造（見圖1、圖2）。圖1中粗線部分即為要改造的管線。通過對(duì)管線系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)與簡(jiǎn)化，采用拉直管線、減少?gòu)濐^，改變管線的空間分布，消除共振、添加減振設(shè)備、增加支撐點(diǎn)或改變支撐性質(zhì)等措施，有效地減輕了管線的振動(dòng)，避免了管線系統(tǒng)長(zhǎng)期振動(dòng)產(chǎn)生機(jī)械疲勞，造成法蘭連接螺栓斷裂、發(fā)生天然氣泄漏等事故，極大地提高了氣田生產(chǎn)的安全性。

圖1 管線優(yōu)化改造圖

圖2 改造后3D圖

將改造后較高產(chǎn)量下的數(shù)據(jù)與改造前對(duì)比，如表2所示。由改造前后兩組數(shù)據(jù)的對(duì)比可以看出，振動(dòng)現(xiàn)象已經(jīng)基本得到抑制。

表2 改造前后振動(dòng)數(shù)值的比較

3 結(jié)論

（1）用醋酸清洗轉(zhuǎn)子后明顯改善了結(jié)鹽結(jié)垢狀況。啟機(jī)測(cè)試結(jié)果表明，壓縮機(jī)前端和后端振動(dòng)明顯下降，振幅波動(dòng)平穩(wěn)，消除結(jié)鹽結(jié)垢解決了壓縮機(jī)組振動(dòng)問題。

（2）通過在管道的固定支撐部位放置金屬?gòu)椈伞⑾鹌せ蜍浤镜?，改變系統(tǒng)的阻尼矩陣，以達(dá)到隔振、消振的目的；通過增設(shè)支撐、調(diào)整支撐位置、改變支撐性質(zhì)、縮短支撐點(diǎn)距離和增加系統(tǒng)的剛度等措施，從而提高管道的固有頻率，達(dá)到消振的目的。

（3）通過對(duì)管線系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)與簡(jiǎn)化，采用拉直管線、減少?gòu)濐^、改變管線的空間分布、消除共振、添加減振設(shè)備和增加支撐點(diǎn)或改變支撐性質(zhì)等措施，有效地減輕了管線的振動(dòng)，避免了管線系統(tǒng)長(zhǎng)期振動(dòng)產(chǎn)生機(jī)械疲勞，造成法蘭連接螺栓斷裂、發(fā)生天然氣泄漏等事故，極大地提高了氣田生產(chǎn)的安全性。

（4）通過自主設(shè)計(jì)，施工優(yōu)化創(chuàng)新，滿足了三臺(tái)壓縮機(jī)串聯(lián)復(fù)雜工藝工況的要求，保證了生產(chǎn)安全，使整體費(fèi)用為同類性質(zhì)項(xiàng)目的三分之一，推進(jìn)了設(shè)備國(guó)產(chǎn)化，效益顯著。

（5）東方1-1氣田中心平臺(tái)壓縮機(jī)串聯(lián)生產(chǎn)工藝和壓縮機(jī)串聯(lián)系統(tǒng)振動(dòng)分析及其減振方法對(duì)其他海上平臺(tái)的設(shè)計(jì)、施工、生產(chǎn)也具有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

[1]劉小偉.東方1-1氣田外輸天然氣組分調(diào)節(jié)與控制[J].化學(xué)工程與裝備，2010（3）：90-91.

[2]劉小偉，林紅兵.天然氣透平壓縮機(jī)串聯(lián)工藝在東方1-1氣田的應(yīng)用[J].河南化工，2010，27(1):58-59.

[3]胡輝，李大全，周聲結(jié).透平驅(qū)動(dòng)濕氣壓縮機(jī)三級(jí)串聯(lián)技術(shù)[J].天然氣工業(yè)，2012，32（8）：39-43.

[4]張萬(wàn)兵，劉小偉，陳柱,等.關(guān)停濕氣壓縮機(jī)對(duì)外輸天然氣組成的影響及改造方案[J].天然氣工業(yè)，2012 (8)：44-47.

[5]張萬(wàn)兵.氣田濕氣壓縮機(jī)出口管線振動(dòng)問題分析及解決方法[J].化工裝備技術(shù)，2012，33(4):57-60.

Analysis on Vibration of Series System of Natural Gas Compressors and Study on Vibration Reduction

Tian Rufeng Xie Yane

The vibration of natural gas compressors caused by salt coagulation and scaling can be relieved by acetic acid dipping.The vibration data of the pressure pipeline system was measured by a scientific method,and the analysis on which shows that the vibration occurs severely in the pipes with multiple elbows,especially in the piping near vibration source.The measures for redesigning and simplifying the piping system,such as straightening the pipelines,reducing the pipe elbows,changing the spatial distribution of pipelines,eliminating resonance,adding shock-absorption devices,adding piping supports and changing support properties,could effectively relieve the piping vibration and avoid the mechanical fatigue of pipeline caused by long-term vibration which usually leads to the fracture of flange connecting bolts and gas leak,thus greatly enhancing the safety in production of the gas field.

Compressor;Series;Acetic acid dipping;Compressor vibration;Piping lines vibration;Vibration reduction method

TH 48

2014-04-18)

*田汝峰，男，1973年生，工程師。湛江市，524057。