程 強，劉洪佳，季龍慶，曾兆強

(中海油石化工程有限公司，山東 濟南 250000)

1 引言

往復(fù)壓縮機由于其供給壓力范圍大，效率高等優(yōu)點，以成為工業(yè)上應(yīng)用很廣泛的設(shè)備。但由于其往復(fù)運動引起的流量脈沖產(chǎn)生壓力波動，在幾何形狀的不連續(xù)的地方，例如彎頭，異徑管，三通等產(chǎn)生激振力，造成管道的振動，對設(shè)備運行造成了很大的安全隱患。根據(jù)API618要求，往復(fù)壓縮機廠家需要做脈動分析，減少事故的發(fā)生。

如今，伴隨著生產(chǎn)彈性的增大，涌現(xiàn)了很多的氣量調(diào)節(jié)方式。主要有節(jié)流調(diào)節(jié)吸入壓力、循環(huán)旁路調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、開停調(diào)節(jié)、余隙調(diào)節(jié)、頂開吸氣閥調(diào)節(jié)等，這些調(diào)節(jié)方式可能對氣體溫度，壓力，以及壓縮機的轉(zhuǎn)速、氣缸的作用方式產(chǎn)生影響，在進行壓力脈動聲學(xué)模擬過程需要考慮這些因素。根據(jù)API618中N.2.5對變速或氣體組分變化或變壓力和溫度變化的壓縮機脈動分析，共振的區(qū)分計算更困難，需要利用聲學(xué)模擬研究來適當(dāng)處理[1]。本文主要討論這些影響因素對壓力脈動的影響。

2 壓力脈動分析理論

2.1 平面波動理論[2]

往復(fù)壓縮機管路內(nèi)壓力脈動可以采用一維平面波動理論進行建模，根據(jù)適當(dāng)假設(shè)簡化可以得到平面波動方程為(1)

(1)

式中pt——距離0點處的脈動壓力

t——時間

x——為距離0點處的距離

a——聲速

假定該氣體是理想的，脈動傳輸過程為可逆絕熱的，氣體的聲速可表示為

(1)

式中k——絕熱指數(shù)

Tt——氣體的溫度

1.加博與他的兄弟安托萬·佩夫斯內(nèi)在發(fā)表的《現(xiàn)實主義宣言》中提到，藝術(shù)的兩大基本要素是空間和時間，將運動的節(jié)奏作為藝術(shù)最重要的因素，在他們看來體積和容積并不是雕塑的唯一表現(xiàn)手段。

R——氣體常數(shù)

g——重力加速度

2.2 往復(fù)壓縮機激發(fā)主頻率[2]

具有最大脈動振幅稱為激發(fā)主脈動，主脈動的頻率為激發(fā)主頻率。一般來說單作用氣缸，最大振幅的脈動為第1階，其頻率與壓縮機轉(zhuǎn)速相同；雙作用氣缸，最大振幅的脈動為第2階，其頻率是壓縮機轉(zhuǎn)速的2倍。

往復(fù)壓縮機的激發(fā)主頻率f

(3)

式中m——氣缸的作用方式，單作用時，m=1，雙作用時，m=2

n——壓縮機的轉(zhuǎn)速，r/min

2.3 設(shè)計中聲學(xué)考慮

一般進行脈動分析時候，主要原則是避免往復(fù)壓縮機激發(fā)頻率、管路系統(tǒng)氣柱固有頻率之間存在共振，否則會產(chǎn)生較高脈動。設(shè)計人員需要保持往復(fù)壓縮機激發(fā)頻率與管路系統(tǒng)氣柱固有頻率保持20%分離裕度。壓縮機的激發(fā)頻率主要是由壓縮機的特性決定的，氣柱固有頻率根據(jù)波動方程(1)可以看出主要影響因素是聲速；聲速與氣體種類、壓力、溫度等都有關(guān)。因此進行脈動分析時，需要根據(jù)實際的工藝要求綜合考慮。

3 氣量調(diào)節(jié)方式對壓力脈動分析影響

3.1 節(jié)流調(diào)節(jié)吸入壓力

節(jié)流吸入壓力是一種通過減小閥門開度來降低吸入壓力，從而降低氣體密度以及氣量的調(diào)節(jié)方式。這種調(diào)節(jié)方式不改變壓縮機的轉(zhuǎn)速，但會降低壓縮機的效率，只適用于減少氣量的運行工況，一般來說調(diào)節(jié)范圍較窄。其中壓力造成密度的變化，溫度也可能發(fā)生變化，溫度對聲速有顯著影響，見公式(2)。壓力脈動分析時，需要考慮壓縮機的預(yù)期工作條件范圍內(nèi)的全部壓力和溫度范圍。吸入壓力范圍越廣，遇到聲學(xué)問題的可能性就越大。一般在壓力脈動模擬軟件中只能輸入一個溫度壓力，考慮到溫度壓力的變化，即使是恒速的壓縮機，也需要考慮一定的轉(zhuǎn)速范圍。

3.2 循環(huán)旁路調(diào)節(jié)

從壓縮機排出的多余氣體通過旁路管路和閥門部分或完全回到進氣管，由此改變排氣量以實現(xiàn)氣體容量調(diào)節(jié)。特點是結(jié)構(gòu)簡單、易于安裝，但排氣量減少的同時沒有使裝置的能耗得到減少，只能適用于短期調(diào)節(jié)或作為微調(diào)調(diào)節(jié)來使用。由于排氣管道的溫度以及壓力均大于進氣管道，這種調(diào)節(jié)方式對脈動分析需要考慮合適的溫度以及壓力范圍，在進行恒速壓縮機聲學(xué)模擬的過程中同樣需要考慮一定的壓縮機轉(zhuǎn)速范圍。

3.3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)主要是改變壓縮機的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)氣量的連續(xù)調(diào)節(jié)；其中API618中6.1.10條：為避免扭振、聲學(xué)、機械的共振，往復(fù)壓縮機宜恒轉(zhuǎn)速運行。采用變速時，賣方應(yīng)提供不希望的運行轉(zhuǎn)速范圍給買方。不希望運行轉(zhuǎn)速應(yīng)減到最少[1]。由于聲學(xué)共振是高脈動的主要原因，在共振范圍內(nèi)會產(chǎn)生高放大因子壓力脈動響應(yīng)，因此需要考慮壓縮機工作范圍內(nèi)的全部轉(zhuǎn)速，根據(jù)公式(3)可以看出轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)使往復(fù)壓縮機激發(fā)頻率變成了一個頻率范圍，對壓力脈動分析造成了很大影響。在進行壓力脈動模擬的過程中，需要確定壓縮機允許的轉(zhuǎn)速范圍，對于寬轉(zhuǎn)速范圍的壓縮機來說脈動控制更加困難。

3.4 壓縮機開停調(diào)節(jié)

裝置內(nèi)設(shè)置若干臺往復(fù)式壓縮機，通過控制一臺或多臺壓縮機的停止與運行實現(xiàn)一定的氣量調(diào)節(jié)。這種調(diào)節(jié)方式只能實現(xiàn)一定的氣量調(diào)節(jié)，由于壓縮機的啟動時間，也會存在一定的滯后性。

不同的開停工況對往復(fù)式壓縮機壓力脈動影響是不一樣的。壓力脈動波形是曲柄旋轉(zhuǎn)角的周期函數(shù)。在同一臺壓縮機，不同氣缸，由于使用同一根驅(qū)動軸，他們之間的相位是唯一的，例如圖1，同一級氣缸的相位差為180°，一個處于吸氣狀態(tài)，一個處于排氣狀態(tài)，不同級相位差為90°。當(dāng)多臺壓縮機都在運行，由于驅(qū)動設(shè)備的不同，不同壓縮機上的氣缸他們之間的相位是在0～360°范圍內(nèi)變化。這對計算不同壓縮機壓力脈動的疊加是有很大影響的。

圖1 同一根驅(qū)動軸不同氣缸的相位差示意圖

文獻[3]中提到了三種方法：

(1)選定壓縮機幾個典型工況的相對相位差，采用各個工況的最大值的方法。

(2)有n臺壓縮機時，將每一個作為單獨的激振源進行計算，并將其結(jié)果與允許值的1/n進行比較的方法。

(3)有n臺壓縮機時，將每一個作為單獨的激振源進行計算用絕對值和合成它們的響應(yīng)并與允許值進行比較的方法。

這些方法的合理性還沒有得到充分的討論，方法1中低估的，方法2中過于保守。另外，方法3中以線性為前提，另外各點的脈動壓力分布的值也失去了同時性。在壓力脈動模擬的過程中，需要選擇合適的方法。不同的組合方式，更增加了脈動分析的復(fù)雜性。

3.5 余隙調(diào)節(jié)

在壓縮機氣缸上，除了固有的余隙空腔外，外設(shè)輔助余隙腔，通過調(diào)整余隙閥來控制余隙容積，從而改變?nèi)莘e系數(shù)，進行氣量的調(diào)節(jié)，如圖2所示。在聲學(xué)模擬過程中，余隙調(diào)節(jié)主要影響的是氣量，對減少氣量來說，緩沖罐和對應(yīng)的管路對壓力脈動的緩沖能力增強，有利于消減脈動。

圖2 余隙調(diào)節(jié)示意圖

3.6 頂開吸氣閥調(diào)節(jié)

頂開吸氣閥調(diào)節(jié)主要用于雙作用氣缸，使用機械裝置將吸氣閥強制保持全部打開或者部分打開，由于吸氣閥一直處于開啟狀態(tài)的一側(cè)，壓縮和排氣行程仍返回進氣管道，從而實現(xiàn)氣量的調(diào)節(jié)[4]。頂開吸氣閥調(diào)節(jié)主要分為全行程頂開吸氣閥調(diào)節(jié)和部分行程頂開吸氣閥調(diào)節(jié)。

其中全行程頂開吸氣閥調(diào)節(jié)法，氣缸一側(cè)吸氣閥始終處于開啟狀態(tài)，氣體全部通過吸氣閥進出，此側(cè)的排氣量為零。此種調(diào)節(jié)方法簡單，操作方便，投資較少，調(diào)節(jié)幅度較大，適用粗調(diào)節(jié)。此種調(diào)節(jié)法大量運用在石油化工行業(yè)中。由于往復(fù)式壓縮機的結(jié)構(gòu)形式所限，全行程壓開吸氣閥調(diào)節(jié)法一般生產(chǎn)運行中最多能實現(xiàn)0、25%、50%、75%、100%五檔調(diào)節(jié)。如圖3所示，圖中的數(shù)字表示的是吸氣閥的編號。

圖3 雙作用雙氣缸吸氣閥位置圖

從表1以及圖3看出，25%工況下，吸氣閥2和8正常工作，其他吸氣閥使用卸荷器頂開，使氣缸以單作用模式運行。50%工況下，吸氣閥2、4、6、8正常工作，其他吸氣閥使用卸荷器頂開，使氣缸以單作用模式運行。75%工況下，吸氣閥2、3、4、5、6、8正常工作，其他吸氣閥使用卸荷器頂開，使氣缸以部分以單作用模式運行，部分以雙作用模型運行。由于卸荷器導(dǎo)致氣缸單雙作用方式，從公式(3)可以看出，壓縮機激發(fā)頻率增多，對脈動分析會造成較大的影響。

表1 氣量調(diào)節(jié)分配表

其中部分行程頂開吸氣閥調(diào)節(jié)法，由于吸氣閥始終處于部分開啟狀態(tài)，對氣缸的雙作用形式?jīng)]有改變，不會影響到壓縮機的激發(fā)頻率，會對氣體的流量產(chǎn)生影響。

4 結(jié)論

API618中7.6.2.5提到恒速壓縮機的氣量控制通常有頂開吸氣閥、余隙調(diào)節(jié)或旁路循環(huán)調(diào)節(jié)等，或者采用這些方法的組合來實現(xiàn)。在生產(chǎn)實際運行過程中大多裝置也不是采用單一的調(diào)節(jié)方式來實現(xiàn)氣量調(diào)節(jié)的，通常都是根據(jù)不同的生產(chǎn)工況，采用不同的氣量調(diào)節(jié)方式進行組合來實現(xiàn)氣量調(diào)節(jié)的，這對壓力脈動工況分析提出了更高的要求，需要綜合考慮所有脈動分析工況，符合API618的要求，保證分析的可靠性。