李治貴，曹顏玉，張 超，湯國紅，盧福志

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300452；2.中加壓縮機(jī)橇及管道工程公司，加拿大)

1 引言

在深海油氣田的天然氣開發(fā)、采集、增壓和運輸?shù)冗^程中，常常用到往復(fù)壓縮機(jī)，且它們一般安裝在浮式平臺上。實際應(yīng)用中，安裝在浮式平臺上的壓縮機(jī)組需要在一定的進(jìn)、排氣壓力以及排量范圍內(nèi)運行。同時壓縮機(jī)組在運行過程中會產(chǎn)生動態(tài)不平衡力和力矩，導(dǎo)致機(jī)組及浮式平臺結(jié)構(gòu)振動，振動超標(biāo)時會導(dǎo)致機(jī)組不能正常運行及結(jié)構(gòu)疲勞破壞。因此，需要對壓縮機(jī)組及平臺結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以滿足生產(chǎn)及安全運行要求。其中振動控制又是優(yōu)化設(shè)計時需要考慮的重點。

對海洋平臺的振動控制，人們進(jìn)行了大量的研究和工程實踐。但浮式平臺由于空間限制，其壓縮機(jī)組系統(tǒng)一般采取緊湊型設(shè)計，意味著管道、洗滌罐、冷卻器等更靠近壓縮機(jī)本體，容易互相影響。同時，有限的空間也對設(shè)備、管道等的布置和支撐設(shè)計帶來了限制。此外，浮式平臺還承受有浪載、風(fēng)載等外部環(huán)境載荷作用，產(chǎn)生晃動，加劇了機(jī)組的振動。所有這些因素導(dǎo)致浮式平臺上往復(fù)壓縮機(jī)組振動控制既不能直接采用一般常規(guī)機(jī)組的振動控制措施，又不能簡單套用海洋平臺振動控制措施。除了需要控制好機(jī)組本身設(shè)備及管道的振動水平外，還需要合理設(shè)計機(jī)組底橇及浮式平臺支撐結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度。

以某浮式平臺往復(fù)壓縮機(jī)組為例，探討了通過氣流脈動設(shè)計優(yōu)化使機(jī)組在滿足進(jìn)、排氣壓力范圍要求的同時，如何從源頭上降低機(jī)組脈動幅值及脈動不平衡力；通過支撐設(shè)計優(yōu)化，說明了如何在有限空間合理布置設(shè)備支撐及管夾等降低機(jī)組設(shè)備及管道的振動水平；以及通過機(jī)組底橇結(jié)構(gòu)及浮式平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，達(dá)到既能滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求又能減少機(jī)組及平臺結(jié)構(gòu)振動水平等。這些優(yōu)化設(shè)計技術(shù)既可以應(yīng)用于新機(jī)組的設(shè)計，又能應(yīng)用于舊機(jī)組的升級改造。

2 壓縮機(jī)組總體布置及主要技術(shù)參數(shù)

該壓縮機(jī)組用于燃料氣增壓，其總體布置如圖1所示。該機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)如下：

圖1 某海洋浮式平臺往復(fù)式壓縮機(jī)組總圖布置

型式：臥式雙列二級雙作用

功率：710 kW

排量：9.9～16.9 萬m3/d

進(jìn)氣壓力：0.3～0.35 MPa

排氣壓力：3.55 MPa

氣缸直徑：一級Φ498 mm；二級Φ279 mm

活塞行程：139.7 mm

壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速：990 r/min

3 機(jī)組氣流脈動設(shè)計優(yōu)化

由于進(jìn)、排氣閥門的反復(fù)打開，往復(fù)壓縮機(jī)組在運行過程中會產(chǎn)生氣流的壓力脈動。該壓力脈動在系統(tǒng)中傳播時產(chǎn)生脈動不平衡力，導(dǎo)致系統(tǒng)振動。氣流脈動設(shè)計時，需要考慮機(jī)組在表1所示運行條件下運行時，機(jī)組氣流脈動得到有效控制，從源頭上減少系統(tǒng)激振力。通過氣流脈動分析可以評估和優(yōu)化相應(yīng)的氣流脈動設(shè)計，使機(jī)組在所有運行工況條件下均滿足API 618標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 壓縮機(jī)組運行工況表

作為示例，圖2顯示了應(yīng)用相關(guān)分析軟件建立的該機(jī)組二級排氣系統(tǒng)脈動分析模型。圖3至圖6顯示了最惡劣工況的氣流脈動分析結(jié)果。從圖3可以看出，實施氣流脈動設(shè)計優(yōu)化前，二級排氣緩沖罐至冷卻器管道中的脈動值超出API 618標(biāo)準(zhǔn)允許值。圖4顯示了實施氣流脈動設(shè)計優(yōu)化后，二級排氣緩沖罐至冷卻器管道氣流脈動值有明顯降低，低于標(biāo)準(zhǔn)允許值。部分優(yōu)化措施包括二級排氣緩沖罐由不對稱設(shè)計改為對稱設(shè)計及其出口加內(nèi)徑50 mm孔板等。冷卻器進(jìn)氣管道上最大氣流脈動不平衡力在實施脈動設(shè)計優(yōu)化前后的變化分別如圖5和圖6所示，可以看到實施氣流脈動設(shè)計優(yōu)化后，二級冷卻器進(jìn)氣管道上最大脈動不平衡力從優(yōu)化前的超標(biāo)減小到低于標(biāo)準(zhǔn)允許值(如圖中紅線所示)。

圖2 二級排氣系統(tǒng)脈動分析模型

圖3 二級排氣系統(tǒng)氣流脈動比值(優(yōu)化前)

圖4 二級排氣系統(tǒng)氣流脈動比值(優(yōu)化后)

圖5 二級冷卻器進(jìn)氣管最大脈動不平衡力(優(yōu)化前)

圖6 二級冷卻器進(jìn)氣管最大脈動不平衡力(優(yōu)化后)

4 設(shè)備及管道支撐設(shè)計優(yōu)化

在系統(tǒng)的氣流脈動不平衡力得到控制后，還需要通過機(jī)械振動分析來優(yōu)化機(jī)械設(shè)備和管道的布局及支撐設(shè)計，控制系統(tǒng)機(jī)械振動。建立機(jī)組的機(jī)械振動分析模型時，首先使用相關(guān)有限元分析軟件對機(jī)組各部件的連接剛度進(jìn)行計算，然后使用有限元數(shù)學(xué)模型模擬壓縮機(jī)機(jī)組原型系統(tǒng)，從而計算壓縮機(jī)機(jī)組在各種載荷作用下的響應(yīng)。

圖7顯示了用于機(jī)組機(jī)械振動計算的分析模型。根據(jù)機(jī)械振動標(biāo)準(zhǔn)要求，對該機(jī)組實施了設(shè)備及管道支撐設(shè)計優(yōu)化，例如對排氣緩沖罐使用了帶綁帶的楔形支撐，對安全閥使用了型鋼結(jié)構(gòu)支撐等，部分設(shè)備及管道支撐優(yōu)化設(shè)計如圖7所示。通過這些支撐優(yōu)化措施，系統(tǒng)的動態(tài)變形響應(yīng)如圖8所示，最大動態(tài)位移0.12 mm，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖7 機(jī)組機(jī)械振動計算模型及部分支撐設(shè)計優(yōu)化措施

5 機(jī)組底橇和浮式平臺支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

上述優(yōu)化過程只能保證機(jī)組本身的設(shè)計合理性，一般用于常規(guī)機(jī)組的設(shè)計。對于浮式平臺壓縮機(jī)組，除機(jī)組本身的設(shè)計外，還需進(jìn)行機(jī)組底橇和浮式平臺支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化，以達(dá)到系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度要求。通過對包含壓縮機(jī)組的浮式平臺結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)和動態(tài)分析計算，以達(dá)到設(shè)計優(yōu)化的目的。

圖8 機(jī)組動態(tài)變形

5.1 計算模型和邊界條件

使用結(jié)構(gòu)分析軟件建立的包含機(jī)組和平臺支撐結(jié)構(gòu)的計算模型如圖9所示。該模型使用梁柱結(jié)構(gòu)模擬了坐落在平臺上的2臺壓縮機(jī)組。平臺通過立柱固定在船體主甲板上，因此在立柱底部加固支邊界條件，但主甲板本身的變形在分析中沒有考慮。該模型用于系統(tǒng)載荷作用下底橇及支撐平臺結(jié)構(gòu)的靜態(tài)應(yīng)力和變形分析，以及系統(tǒng)的動態(tài)力響應(yīng)分析。值得注意的是平臺上兩臺壓縮機(jī)組一用一備使用，不同的壓縮機(jī)運行時系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)并不相同，因此需要對不同的運行模式分別進(jìn)行計算，結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)滿足所有運行模式要求。進(jìn)行力響應(yīng)分析時首先計算系統(tǒng)的固有頻率，然后計算系統(tǒng)在激振力作用下的動態(tài)位移、振動速度和振動加速度等。

圖9 包含兩臺壓縮機(jī)組的浮式平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析模型

5.2 系統(tǒng)載荷

與常規(guī)機(jī)組不同，浮式平臺在波浪作用下會產(chǎn)生搖蕩。該運動可分解為前后、左右以及上下方向的線性運動及這3個方向的旋轉(zhuǎn)運動，包括橫蕩(Sway)、縱蕩(Surge)、起伏(Heave)、橫搖(Roll)、縱搖(Pitch)、和首搖(Yaw)。橫蕩是沿浮式平臺橫軸的左右往復(fù)運動，縱蕩是沿浮式平臺縱軸的前后往復(fù)運動，起伏是沿浮式平臺垂直軸的上下往復(fù)運動，橫搖是繞浮式平臺縱軸的往復(fù)搖動，縱搖是繞浮式平臺橫軸的往復(fù)搖動，首搖是繞浮式平臺垂直軸的往復(fù)搖動。每個方向的運動都伴隨著對應(yīng)方向的加速度，導(dǎo)致相應(yīng)的慣性力。其中對浮式平臺影響最大的是橫搖、縱搖和起伏。工程設(shè)計中一般只考慮浮式平臺橫搖、縱搖和起伏產(chǎn)生的慣性力。這些慣性力加上自重通過分解和疊加組合成橫向慣性力、縱向慣性力以及豎向慣性力，如圖10所示。

由于自重(SW)、浮式平臺橫搖和起伏產(chǎn)生的最大橫向慣性力(WLT)由式(1)給出

(1)

式中θroll——橫搖角

Troll——橫搖周期

Ycg——壓縮機(jī)橇體重心到搖擺中心的垂直距離

aheave——浮式平臺起伏加速度

g——重力加速度

由于自重、浮式平臺縱搖和起伏產(chǎn)生的最大縱向慣性力(WLL)由式(2)給出

(2)

式中θpitch——縱搖角

Tpitch——縱搖周期

由于浮式平臺橫搖、縱搖和起伏產(chǎn)生的最大豎向慣性力(WLV)由式(3)給出

(3)

式中Zcg——壓縮機(jī)橇體重心到搖擺中心的橫向距離

Xcg——壓縮機(jī)橇體重心到搖擺中心的縱向距離

機(jī)組運行時所受系統(tǒng)載荷包括靜載荷和動載荷兩部分。其中靜載荷包括重力及波浪慣性載荷等，動載荷包括電機(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)生的氣體力和氣流脈動產(chǎn)生的脈動不平衡力等作用力。

圖10 浮式平臺搖擺產(chǎn)生的慣性力示意圖

5.3 結(jié)構(gòu)靜態(tài)變形設(shè)計優(yōu)化

波浪慣性力會加大機(jī)組底橇梁結(jié)構(gòu)變形。如果設(shè)計不合理，會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)靜態(tài)變形超標(biāo)。作為示例，圖11和圖12分別顯示了機(jī)組底橇梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后，計算得到的結(jié)構(gòu)變形。圖11所示底橇是按常規(guī)機(jī)組進(jìn)行設(shè)計的。以電機(jī)底座為例，其豎向變形為7.3 mm，超過標(biāo)準(zhǔn)要求。通過底橇結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施，如在電機(jī)和壓縮機(jī)安裝機(jī)腳處底座的梁結(jié)構(gòu)加雙向筋板，采用抗彎性能更好的結(jié)構(gòu)鋼等，圖12顯示了其豎向變形降為0.7 mm，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后系統(tǒng)滿足靜態(tài)變形要求。

圖11 壓縮機(jī)組底橇結(jié)構(gòu)變形(優(yōu)化前)

圖12 壓縮機(jī)組底橇結(jié)構(gòu)變形(優(yōu)化后)

5.4 結(jié)構(gòu)動態(tài)振動設(shè)計優(yōu)化

如前面所述，對機(jī)組本身，完成氣流脈動和設(shè)備及管道支撐設(shè)計優(yōu)化后，計算得到的振動在允許范圍內(nèi)。但如果將其置于浮體平臺上，則有可能由于支撐剛度不足導(dǎo)致振動超標(biāo)。圖13顯示了對優(yōu)化前的平臺梁設(shè)計，機(jī)組運行時引起的平臺結(jié)構(gòu)振動在豎直(Y)方向超出允許值范圍。通過分析發(fā)現(xiàn)這主要是由于底橇下平臺梁結(jié)構(gòu)剛度不合適引起的。因此需要對結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行加強(qiáng)。優(yōu)化措施包括加大平臺結(jié)構(gòu)局部梁規(guī)格等，優(yōu)化后平臺結(jié)構(gòu)振動如圖14所示，其振動值大大降低，滿足相關(guān)要求。

圖13 平臺梁振動速度(結(jié)構(gòu)優(yōu)化前)

圖14 平臺梁振動速度(結(jié)構(gòu)優(yōu)化后)

6 結(jié)論

隨著深海油氣田的不斷開發(fā)，浮式平臺往復(fù)式壓縮機(jī)組也得到了越來越廣泛的應(yīng)用。相對于常規(guī)機(jī)組，浮式平臺的柔性和不?；蝿咏o機(jī)組的振動控制設(shè)計帶來了諸多挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)不僅包括機(jī)組本身的氣流脈動控制設(shè)計及機(jī)械振動控制設(shè)計，而且包括機(jī)組底橇和支撐平臺的強(qiáng)度及剛度設(shè)計。設(shè)計時需要綜合考慮這些因素的影響，才能將機(jī)組振動控制在標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍內(nèi)。

以某浮式平臺往復(fù)壓縮機(jī)組為例，通過對機(jī)組進(jìn)行氣流脈動分析探討了如何運用氣流脈動設(shè)計優(yōu)化降低機(jī)組氣流脈動及脈動不平衡力；通過對機(jī)組進(jìn)行機(jī)械振動分析示范了如何對設(shè)備和管道的布局及支撐設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化來降低機(jī)組振動；以及通過底橇及浮式平臺結(jié)構(gòu)靜態(tài)和動態(tài)設(shè)計優(yōu)化來滿足機(jī)組對支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度要求。可作為浮式平臺往復(fù)壓縮機(jī)組設(shè)計的技術(shù)參考依據(jù)。