（1.中國石油集團(tuán)濟(jì)柴動(dòng)力有限公司成都?jí)嚎s機(jī)分公司，四川成都 610100；2.中國石油工程設(shè)計(jì)有限公司西南分公司，四川成都 610000；3.中加壓縮機(jī)撬及管道工程公司，卡爾加里加拿大）

1 引言

往復(fù)壓縮機(jī)組作為天然氣采集、增壓和運(yùn)輸工程中的關(guān)鍵設(shè)備，其運(yùn)行性能直接影響到天然氣能源的安全生產(chǎn)和應(yīng)用。而往復(fù)壓縮機(jī)組的振動(dòng)控制設(shè)計(jì)又是保證其安全運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)，特別是對(duì)于無固定基礎(chǔ)的往復(fù)壓縮機(jī)組來說，振動(dòng)控制設(shè)計(jì)對(duì)保證機(jī)組安全運(yùn)行尤為重要。

目前應(yīng)用于天然氣工程的壓縮機(jī)組一般采用二種安裝形式：即有固定基礎(chǔ)安裝和無固定基礎(chǔ)安裝。其中有固定基礎(chǔ)安裝是將壓縮機(jī)組和塊狀基礎(chǔ)通過地腳螺栓直接連接，無固定基礎(chǔ)安裝則是將壓縮機(jī)組與基礎(chǔ)分離，二者之間通過一定厚度的砂石連接、或直接將機(jī)組放置在地基上。與之相應(yīng)的，采用二種不同安裝形式的壓縮機(jī)組則分別稱為有固定基礎(chǔ)機(jī)組和無固定基礎(chǔ)機(jī)組。相對(duì)有固定基礎(chǔ)的機(jī)組來說，無固定基礎(chǔ)機(jī)組的最大優(yōu)點(diǎn)是機(jī)組建成后可以方便地在不同工作地點(diǎn)之間進(jìn)行整撬移動(dòng)，這樣既縮減了項(xiàng)目成本又縮短了施工周期。其缺點(diǎn)是由于無固定基礎(chǔ)，導(dǎo)致不僅需要控制撬上設(shè)備和管線的振動(dòng)，而且還需控制底撬結(jié)構(gòu)甚至基礎(chǔ)的振動(dòng)，即其振動(dòng)控制設(shè)計(jì)要困難得多，機(jī)組振動(dòng)超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)也相對(duì)較高。

我國自2010年在四川盆地實(shí)現(xiàn)頁巖氣開采工業(yè)化突破以來，頁巖氣開采和應(yīng)用在國內(nèi)得到了快速發(fā)展。由于頁巖氣開采周期相對(duì)較短，開采應(yīng)用的壓縮機(jī)組在某一固定地點(diǎn)的使用周期也相對(duì)較短。這就需要發(fā)展和應(yīng)用無固定基礎(chǔ)壓縮機(jī)組，以滿足機(jī)組在實(shí)際工程中不斷更換工作地點(diǎn)的需要。但到目前為止，關(guān)于無固定基礎(chǔ)壓縮機(jī)組的振動(dòng)控制設(shè)計(jì)技術(shù)還不完全成熟，使得機(jī)組在實(shí)際應(yīng)用中振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)較高，因而需要發(fā)展出一套有效的振動(dòng)控制設(shè)計(jì)方法，以降低機(jī)組運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)、滿足天然氣安全生產(chǎn)的需要。

本文以某無固定基礎(chǔ)頁巖氣增壓壓縮機(jī)組（圖1）為例，探討了如何對(duì)無固定基礎(chǔ)壓縮機(jī)組進(jìn)行振動(dòng)控制設(shè)計(jì)，包括氣流脈動(dòng)和機(jī)械振動(dòng)控制設(shè)計(jì)、底撬灌漿設(shè)計(jì)及地基設(shè)計(jì)等，并比較了不同設(shè)計(jì)對(duì)機(jī)組振動(dòng)水平的影響，為有效控制無固定基礎(chǔ)壓縮機(jī)組的振動(dòng)提供了技術(shù)參考。

2 機(jī)組振動(dòng)控制設(shè)計(jì)

2.1 氣流脈動(dòng)及機(jī)械振動(dòng)控制設(shè)計(jì)

氣流脈動(dòng)及機(jī)械振動(dòng)控制設(shè)計(jì)是通過對(duì)機(jī)組進(jìn)行氣流脈動(dòng)及機(jī)械振動(dòng)分析，根據(jù)分析結(jié)果提出振動(dòng)控制設(shè)計(jì)建議，達(dá)到控制系統(tǒng)振動(dòng)的目的。

（1）氣流脈動(dòng)控制設(shè)計(jì)

氣流脈動(dòng)控制是通過合理利用聲阻、聲抗及聲容等脈動(dòng)控制措施減小系統(tǒng)的氣流脈動(dòng)，從而達(dá)到降低系統(tǒng)脈動(dòng)不平衡力的目的。進(jìn)行氣流脈動(dòng)分析就是應(yīng)用聲學(xué)模擬軟件建立機(jī)組系統(tǒng)的氣流脈動(dòng)模型，應(yīng)用該模型計(jì)算得到系統(tǒng)各處的氣流脈動(dòng)及脈動(dòng)不平衡力，根據(jù)計(jì)算結(jié)果提出相應(yīng)的脈動(dòng)控制措施，如設(shè)計(jì)緩沖罐結(jié)構(gòu)包括濾波裝置，確定孔板大小和安裝位置等，達(dá)到控制系統(tǒng)氣流脈動(dòng)及脈動(dòng)不平衡力的目的。

圖2～3顯示了應(yīng)用Bentley Puls Option 3軟件建立的該機(jī)組一級(jí)進(jìn)氣、以及一級(jí)排氣和二級(jí)進(jìn)氣脈動(dòng)系統(tǒng)分析模型。圖4至圖7顯示了相應(yīng)的氣流脈動(dòng)分析結(jié)果。其中圖4和圖5顯示了一級(jí)排氣和二級(jí)進(jìn)氣系統(tǒng)在實(shí)施氣流脈動(dòng)控制措施前后的氣流脈動(dòng)值與API 618標(biāo)準(zhǔn)允許值的比值，可以看到實(shí)施氣流脈動(dòng)控制措施前后，系統(tǒng)氣流脈動(dòng)值有明顯降低。圖6和圖7則分別顯示了二級(jí)進(jìn)氣緩沖罐上氣流脈動(dòng)不平衡力在實(shí)施脈動(dòng)控制措施前后的變化，可以看到實(shí)施氣流脈動(dòng)控制措施后，緩沖罐上氣流脈動(dòng)不平衡力減小到API 618標(biāo)準(zhǔn)允許值范圍。

圖1 某頁巖氣增壓DTY315壓縮機(jī)組總圖布置

圖2 一級(jí)進(jìn)氣脈動(dòng)系統(tǒng)模型

圖3 一級(jí)排氣和二級(jí)進(jìn)氣脈動(dòng)系統(tǒng)模型

根據(jù)氣流脈動(dòng)分析結(jié)果，對(duì)該機(jī)組實(shí)施的氣流脈動(dòng)控制措施包括優(yōu)化緩沖罐尺寸及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及添加孔板等。作為示例，圖8和圖9分別顯示推薦的二級(jí)進(jìn)氣孔板位置以及二級(jí)進(jìn)氣緩沖罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

（2）機(jī)械振動(dòng)控制設(shè)計(jì)

圖4 一級(jí)排氣和二級(jí)進(jìn)氣氣流脈動(dòng)比值（優(yōu)化前）

圖5 一級(jí)排氣和二級(jí)進(jìn)氣氣流脈動(dòng)比值（優(yōu)化后）

圖6 二級(jí)進(jìn)氣緩沖罐脈動(dòng)不平衡力（優(yōu)化前）

圖7 二級(jí)進(jìn)氣緩沖罐脈動(dòng)不平衡力（優(yōu)化后）

機(jī)械振動(dòng)控制則是通過優(yōu)化機(jī)械設(shè)備和管道的布局及支撐設(shè)計(jì)，達(dá)到控制機(jī)組系統(tǒng)機(jī)械振動(dòng)的目的。進(jìn)行機(jī)械振動(dòng)分析就是應(yīng)用有限元分析軟件建立的機(jī)械振動(dòng)分析模型，將氣流脈動(dòng)分析計(jì)算得到的氣流脈動(dòng)不平衡力、氣缸氣體力等加載在該模型上，計(jì)算系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。并根據(jù)分析結(jié)果，提出相應(yīng)的機(jī)械振動(dòng)控制措施，典型的如增加或調(diào)整對(duì)氣缸、緩沖罐、洗滌罐、閥門及管道等的支撐，達(dá)到控制機(jī)組系統(tǒng)振動(dòng)的目的。

圖10顯示了應(yīng)用Bentley AutoPIPE建立的機(jī)組機(jī)械振動(dòng)分析模型。圖11至圖14顯示了部分機(jī)械振動(dòng)分析結(jié)果。其中，圖11顯示了系統(tǒng)前8階機(jī)械固有頻率與運(yùn)行頻率的比較。圖12顯示了二級(jí)進(jìn)氣緩沖罐對(duì)應(yīng)模態(tài)頻率為66.6 Hz，對(duì)照?qǐng)D6可以看出二級(jí)進(jìn)氣緩沖罐在該頻率上無激振力，這樣就避免了二級(jí)進(jìn)氣緩沖罐的共振問題。類似的分析（如圖13顯示的一級(jí)進(jìn)氣緩沖罐模態(tài)頻率85.6 Hz）表明系統(tǒng)主要設(shè)備的模態(tài)均避開了共振，說明優(yōu)化設(shè)計(jì)是有效的。脈動(dòng)及機(jī)械設(shè)計(jì)優(yōu)化后系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)位移響應(yīng)如圖14所示，滿足機(jī)組安全運(yùn)行要求。

根據(jù)機(jī)械振動(dòng)分析結(jié)果，對(duì)該機(jī)組實(shí)施的機(jī)械振動(dòng)控制措施包括排氣緩沖罐加楔形支撐、洗滌罐加斜支撐，加強(qiáng)中體支撐等。

2.2 底撬結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的振動(dòng)控制設(shè)計(jì)

圖8 二級(jí)進(jìn)氣孔板設(shè)計(jì)（○表示孔板位置）

圖9 二級(jí)進(jìn)氣緩沖罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于有固定基礎(chǔ)的壓縮機(jī)組來說，基礎(chǔ)為固定邊界條件，完成了上述氣流脈動(dòng)和機(jī)械振動(dòng)控制設(shè)計(jì)即可基本控制整個(gè)機(jī)組的振動(dòng)。但對(duì)于無固定基礎(chǔ)的壓縮機(jī)組，僅僅進(jìn)行上述氣流脈動(dòng)和機(jī)械振動(dòng)分析是不夠的，還需進(jìn)行底撬結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的振動(dòng)分析，以控制機(jī)組底撬結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的振動(dòng)，達(dá)到控制機(jī)組振動(dòng)水平在允許范圍內(nèi)的目的。

（1）計(jì)算模型

圖10 機(jī)組機(jī)械振動(dòng)分析模型

圖11 系統(tǒng)機(jī)械固有頻率與運(yùn)行頻率的比較

圖12 系統(tǒng)第6階振型（f=66.6 Hz）

圖13 系統(tǒng)第14階振型（f=85.6 Hz）

使用STAAD Pro結(jié)構(gòu)分析軟件建立的機(jī)組底撬結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)振動(dòng)分析模型。該模型包括了機(jī)組底撬梁結(jié)構(gòu)、壓縮機(jī)本體、電機(jī)、冷卻器、緩沖罐以及洗滌罐等主要機(jī)械設(shè)備。這些設(shè)備均采用梁單元進(jìn)行模擬，并通過調(diào)整設(shè)備單元的截面特性和材料密度使得模型中設(shè)備的計(jì)算重量和重心位置與它們的實(shí)際值保持一致。對(duì)于模型中沒有包括進(jìn)來的其它設(shè)備或部件重量，則等效到撬體結(jié)構(gòu)中，并通過調(diào)整撬體結(jié)構(gòu)配重使得模型總重量和重心位置與實(shí)際機(jī)組一致。該機(jī)組直接放置在經(jīng)過處理的地基表面。

（2）邊界條件

該機(jī)組由地基進(jìn)行支撐，模型中采用平板彈簧模擬地基對(duì)機(jī)組的支撐作用，其抗壓及抗剪剛度系數(shù)根據(jù)深度范圍內(nèi)的地基等效剛度系數(shù)得到，其中A為底撬截面積。

（3）機(jī)組不平衡力和不平衡力矩

機(jī)組激振力包括電機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的不平衡力、壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的不平衡力和不平衡力矩、壓縮機(jī)氣缸產(chǎn)生的氣體力以及氣流脈動(dòng)產(chǎn)生的脈動(dòng)不平衡力。

電機(jī)產(chǎn)生的不平衡力根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)子的重量和轉(zhuǎn)速確定。電機(jī)的不平衡力由下面的公式給出

其中 Fo——電機(jī)的不平衡力

Wr——電機(jī)轉(zhuǎn)子重量

f——電機(jī)轉(zhuǎn)速

電機(jī)不平衡力在分析模型中的作用點(diǎn)是電機(jī)的重心位置。

壓縮機(jī)組的旋轉(zhuǎn)不平衡力和不平衡力矩由壓縮機(jī)生產(chǎn)廠家提供，數(shù)值結(jié)果匯總在表1中。壓縮機(jī)不平衡力和不平衡力矩在分析模型中的作用點(diǎn)是壓縮機(jī)的重心位置。

圖14 計(jì)算的機(jī)組動(dòng)態(tài)響應(yīng)

（4）氣流脈動(dòng)不平衡力及氣缸氣體力

氣流脈動(dòng)產(chǎn)生的脈動(dòng)不平衡力由脈動(dòng)分析得到。

壓縮機(jī)氣缸產(chǎn)生的氣體力由機(jī)組運(yùn)行工況確定，典型的氣缸氣體力（如第一列氣缸）如圖15所示。

3 機(jī)組振動(dòng)分析結(jié)果及討論

（1）氣流脈動(dòng)不平衡力對(duì)機(jī)組振動(dòng)的影響

減低氣流脈動(dòng)不平衡力可以顯著減低機(jī)組的振動(dòng)水平。如前所示，脈動(dòng)控制措施可以將二級(jí)進(jìn)氣緩沖罐軸向（x方向）最大脈動(dòng)不平衡力從3 kN降低到1.4 kN。圖16和圖17顯示了脈動(dòng)控制措施實(shí)施前后，該二級(jí)進(jìn)氣緩沖罐的振動(dòng)速度。對(duì)比圖16和圖17可以看出，當(dāng)軸向脈動(dòng)不平衡力下降后，其軸向振動(dòng)速度從10.5 mm/s降為3.08 mm/s，說明通過控制脈動(dòng)不平衡力來控制設(shè)備在對(duì)應(yīng)方向的振動(dòng)是切實(shí)有效的。從圖中還可以看出，二級(jí)進(jìn)氣緩沖罐軸向脈動(dòng)不平衡力的變化，不僅改變了其軸向振動(dòng)，同時(shí)改變了該緩沖罐在其它兩個(gè)方向的振動(dòng)。說明作用力和力的動(dòng)態(tài)響應(yīng)是非線性的，其響應(yīng)與整個(gè)系統(tǒng)有關(guān)。

圖18和圖19顯示了采取脈動(dòng)控制措施前后底撬的振動(dòng)速度。對(duì)比圖18和圖19可以看出降低二級(jí)進(jìn)氣緩沖罐的脈動(dòng)不平衡力后，底撬的振動(dòng)速度在x方向雖有所減少，但底撬總體振動(dòng)依然超標(biāo)，其振動(dòng)需要采用其它措施來進(jìn)行控制。

（2）底撬灌漿設(shè)計(jì)對(duì)機(jī)組振動(dòng)的影響

圖17和圖19顯示的振動(dòng)是在實(shí)施脈動(dòng)控制措施但底撬沒有灌漿的情況下得出的。同樣條件下，如對(duì)底撬全部進(jìn)行灌漿，計(jì)算得到的底撬和二級(jí)進(jìn)氣緩沖罐振動(dòng)速度分別如圖20和圖21所示。比較圖19和圖20可以看出，底撬灌漿可以極大地降低底撬的振動(dòng)速度。其3個(gè)方向振動(dòng)速度分別從3.02 mm/s、4.67 mm/s和1.04 mm/s變?yōu)?.14 mm/s、1.42 mm/s和1.06 mm/s。工程經(jīng)驗(yàn)告訴我們，增加底撬的重量和剛度都能降低系統(tǒng)的振動(dòng)速度。底撬灌漿既增加了底撬重量又增加了底撬剛度，底撬振動(dòng)能通過灌漿得到有效控制。底撬振動(dòng)的計(jì)算結(jié)果表明灌漿效果的確與工程經(jīng)驗(yàn)的認(rèn)知一致。

底撬灌漿能極大地降低底撬的振動(dòng)，但它對(duì)設(shè)備振動(dòng)的影響相對(duì)比較復(fù)雜。比較圖20和圖24可以看出底撬灌漿雖然降低了二級(jí)進(jìn)氣緩沖罐在非激振力方向振動(dòng)速度，但在激振力方向振動(dòng)速度反而有所增加，再次說明局部振動(dòng)是由系統(tǒng)對(duì)激振力的總體動(dòng)態(tài)響應(yīng)決定的。因此，機(jī)組振動(dòng)控制需要同時(shí)兼顧撬上設(shè)備和底撬的振動(dòng)控制，才能得到滿意的振動(dòng)控制效果。

（3）地基對(duì)機(jī)組振動(dòng)的影響

對(duì)無基礎(chǔ)壓縮機(jī)組，由于底撬直接放在地基上，因此地基設(shè)計(jì)直接影響機(jī)組振動(dòng)。地基設(shè)計(jì)除了需要滿足地基承載力的要求外，還要滿足剛度要求，以達(dá)到控制機(jī)組振動(dòng)的目的。那么如何設(shè)計(jì)地基才能達(dá)到振動(dòng)控制的目的？

上一節(jié)圖20和圖21顯示的機(jī)組振動(dòng)是在地基抗壓剛度系數(shù)為30000 kN/m3時(shí)計(jì)算得到的。在保持其它條件不變的情況下，將地基改為硬地基時(shí)（抗壓剛度系數(shù)55000 kN/m3）底撬和二級(jí)進(jìn)氣緩沖罐的振動(dòng)分別如圖22和圖23所示。從圖中可以看出，地基剛度系數(shù)增加對(duì)二級(jí)進(jìn)氣緩沖罐總體振動(dòng)影響不大，但對(duì)底撬振動(dòng)影響很大。該地基改變引起底撬在x方向振動(dòng)從1.14 mm/s增加到6.38 mm/s。模態(tài)分析表明該振動(dòng)主要由機(jī)組共振引起的。因此在設(shè)計(jì)中需準(zhǔn)確計(jì)算系統(tǒng)固有頻率，以避開共振。

表1 壓縮機(jī)的不平衡力和不平衡力矩

圖15 第一列氣缸氣體力

對(duì)于硬地基，由于其剛度較大導(dǎo)致系統(tǒng)的固有頻率往往與運(yùn)行頻率過近而導(dǎo)致共振。那么是否地基越軟越好？當(dāng)?shù)鼗鶠檐浀鼗鶗r(shí)（抗壓剛度系數(shù)18000 kN/m3）底撬和二級(jí)進(jìn)氣緩沖罐的振動(dòng)分別如圖24和圖25所示。從圖中可以看出，雖然底撬沒有振動(dòng)過高的問題，但二級(jí)進(jìn)氣緩沖罐在z方向振動(dòng)值高達(dá)19.6 mm/s，機(jī)組振動(dòng)還是未能得到有效控制。

圖16 二級(jí)進(jìn)氣緩沖罐振動(dòng)速度（脈動(dòng)力=3.0 kN）

圖17 二級(jí)進(jìn)氣緩沖罐振動(dòng)速度（脈動(dòng)力=1.4 kN）

圖18 底撬振動(dòng)速度（脈動(dòng)力=3.0 kN）

圖19 底撬振動(dòng)速度（脈動(dòng)力=1.4 kN）

通過上面的分析我們可以看出，如果地基過硬，往往由于共振導(dǎo)致底撬振動(dòng)過大；如果地基過軟，又容易發(fā)生撬上設(shè)備動(dòng)態(tài)響應(yīng)過大的問題。只有合適的地基才能達(dá)到控制機(jī)組振動(dòng)的目標(biāo)。那么如何得到合適的地基參數(shù)？這就需要對(duì)機(jī)組進(jìn)行完整的動(dòng)態(tài)分析，通過分析結(jié)果得到符合振動(dòng)要求的地基參數(shù)，然后據(jù)此參數(shù)選擇地基或?qū)Φ鼗M(jìn)行改造。

（4）其它動(dòng)載荷對(duì)機(jī)組振動(dòng)的影響

圖20 底撬振動(dòng)速度（底撬灌漿）

圖21 二級(jí)進(jìn)氣緩沖罐振動(dòng)速度（底撬灌漿）

圖22 底撬振動(dòng)速度（硬地基）

圖23 二級(jí)進(jìn)氣緩沖罐振動(dòng)速度（硬地基）

圖24 底撬振動(dòng)速度（軟地基）

圖25 二級(jí)進(jìn)氣緩沖罐振動(dòng)速度（軟地基）

電機(jī)和壓縮機(jī)產(chǎn)生的不平衡力及力矩，以及氣缸氣體力等動(dòng)載荷對(duì)機(jī)組的振動(dòng)均有顯著影響。由于這些動(dòng)載荷主要是由機(jī)組的運(yùn)行工況，以及電機(jī)和壓縮機(jī)的主要結(jié)構(gòu)特性和設(shè)計(jì)參數(shù)所確定的，它們對(duì)機(jī)組振動(dòng)的影響已經(jīng)包括在模型中，但限于篇幅，在此不作詳細(xì)討論。

4 結(jié)論

隨著無固定基礎(chǔ)往復(fù)壓縮機(jī)組的廣泛應(yīng)用，對(duì)該型機(jī)組進(jìn)行振動(dòng)控制設(shè)計(jì)變得越來越重要。對(duì)無固定基礎(chǔ)往復(fù)壓縮機(jī)組進(jìn)行振動(dòng)控制設(shè)計(jì)，需要同時(shí)兼顧撬上設(shè)備和管線，以及底撬甚至基礎(chǔ)的振動(dòng)控制。通過進(jìn)行氣流脈動(dòng)及機(jī)械振動(dòng)分析可以得到氣流脈動(dòng)及機(jī)械振動(dòng)控制措施，降低撬上機(jī)組設(shè)備和管道的振動(dòng)水平。通過進(jìn)行底撬結(jié)構(gòu)包括基礎(chǔ)的振動(dòng)分析，合理選擇底撬結(jié)構(gòu)灌漿部位及合理選擇地基可以有效控制底撬結(jié)構(gòu)及撬上設(shè)備的振動(dòng)。其中地基對(duì)機(jī)組振動(dòng)的影響相對(duì)較復(fù)雜，既不能太硬又不能太軟，只有合適的地基才能將機(jī)組振動(dòng)降到最小。這就要求對(duì)機(jī)組整個(gè)系統(tǒng)包含底撬結(jié)構(gòu)甚至基礎(chǔ)進(jìn)行完整、系統(tǒng)的振動(dòng)分析。本文以某頁巖氣增壓DTY315壓縮機(jī)組為例，說明了如何對(duì)無固定基礎(chǔ)往復(fù)壓縮機(jī)組進(jìn)行振動(dòng)控制設(shè)計(jì)，為保證無固定基礎(chǔ)往復(fù)壓縮機(jī)組的安全運(yùn)行提供了技術(shù)參考。