往復式壓縮機工作時系統(tǒng)內振動問題的實驗研究

肖鋒，岳桂杰，王政文

（1.中國石化股份有限公司天津分公司，天津 300271； 2.蘭州城市學院培黎機械工程學院，甘肅 蘭州 730070； 3.天華化工機械及自動化研究設計院有限公司，甘肅 蘭州 730070）

近年來由于我國經濟水平的不斷提高，以及生產工藝的日趨成熟，使得化工設備在石化領域中的精度與質量的要求也越來也高。往復式壓縮機便是在石化領域中精度與質量要求比較高的設備。它是一種通過氣缸內活塞或隔膜的往復運動使缸體容積發(fā)生周期性變化并實現(xiàn)氣體的增壓和輸送的一種壓縮機。根據(jù)作往復運動的構件不同分為活塞式壓縮機和隔膜式壓縮機[1]。往復式壓縮機作為石化領域中比較普及且比較重要的設備之一，它的運行會對整個化工裝置產生影響，因此往復式壓縮機在工作中能否正常且安全的運行是目前石化領域中的熱點話題。而往復式壓縮機在工作中出現(xiàn)的問題大多是因為系統(tǒng)內的振動問題所引起的，這是對于往復式壓縮機正常且安全運行的最大隱患[2]，因此往復式壓縮機系統(tǒng)內的振動問題一直引起眾多科研學者的高度關注。

為了能夠使得往復式壓縮機在整個化工設備系統(tǒng)中正常且安全運行，并且不影響工藝生產，我們在研究此等問題時，要結合設備的穩(wěn)定性與安全性來處理往復式壓縮機系統(tǒng)內的振動問題。首先采用SolidWorks 軟件，對往復式壓縮機系統(tǒng)內的構件進行三維建模；然后采用ANSYS 軟件，對構件進行模擬分析與計算；最后根據(jù)現(xiàn)場的實際情況并結合模擬分析的結果從根本上找到往復式壓縮機系統(tǒng)內振動的原因。

1 研究意義與現(xiàn)狀

1.1 研究意義

近年來隨著石化行業(yè)在國內的崛起，導致化工設備的需求量也越來越大，設備的大型化也成為一種趨勢。而設備的大型化帶來的最嚴重的問題就是振動問題，這已經影響到了設備的正常運行，甚至影響到了工人的安全，存在極大的安全隱患[3]。在石化行業(yè)中，嚴重的設備振動問題會造成氣體泄露、甚至爆炸等嚴重后果，也會造成巨額的經濟損失。近幾年在我國石化行業(yè)中，由于振動問題所引起的大型事故頻頻發(fā)生，因此此類問題已經成為石化行業(yè)中的熱門話題，眾多科研學者加入到研究往復式壓縮機系統(tǒng)內振動問題的行列當中，為我國石化行業(yè)能夠安全運行提供有力的科學基礎。

本文研究的意義主要為：（1）針對往復式壓縮機系統(tǒng)內振動的問題，通過瀏覽大量的中外文獻，以達到深入研究往復式壓縮機振動機理的目的。（2）據(jù)減振理論所涉及的知識，具體針對往復式壓縮機系統(tǒng)內某個構件振動問題的實例，進行優(yōu)化設計，并得出用于實際生產上的最優(yōu)減振方法。

針對往復式壓縮機系統(tǒng)內的管道結構進行振動問題分析，管道結構內的振動情況不同于其他結構，因為管道結構內的振動問題十分復雜，涉及的理論知識也十分廣泛[4]。通過對往復式壓縮機系統(tǒng)內的管道結構進行三維建模、約束邊界條件，并進行應力分析與計算，來研究往復式壓縮機內不同部件的振動對系統(tǒng)的影響，主要部件有彎頭、緩沖分離器、支承等。通過現(xiàn)場經驗以及對大量資料的瀏覽，我們能了解到系統(tǒng)內不同部件的振動問題是研究往復式壓縮機系統(tǒng)振動問題最為基本的內容，在后面對系統(tǒng)內不同部件的振動問題的研究，分析采用的方法主要有計算法與實驗法。

1.2 國內外研究現(xiàn)狀

往復式壓縮機系統(tǒng)內振動問題產生的原因十分復雜，推論產生振動問題的主要原因是因為，當往復式壓縮機工作時，由于往復式壓縮機對氣體的壓縮會導致產生大量的壓力脈動，而壓力脈動會導致系統(tǒng)內發(fā)生嚴重的振動問題。當氣體在往復式壓縮機系統(tǒng)內流動時，又會產生速度脈動。當壓力脈動與速度脈動所產生的固有頻率相近時，往復式壓縮機系統(tǒng)內會發(fā)生共振現(xiàn)象，這會導致往復式壓縮機系統(tǒng)內的振動問題愈加嚴重[5]。

國外學者對往復式壓縮機系統(tǒng)內振動的問題進行了大量探索與研究，從20 世紀50年代就已經開始了，因當時技術水平受限、計算機存儲量小、配置低、運行慢等問題，對往復式壓縮機系統(tǒng)內復雜的部件還不能進行分析計算，所以研究一直只停留在往復式壓縮機系統(tǒng)內簡單的管道上，包括簡單的聲學分析以及對固有頻率的近似計算。

從1970年開始，國內學者也開始陸續(xù)對往復式壓縮機系統(tǒng)內的振動問題進行研究，通過對前人在往復式壓縮機的大量研究結果的分析與總結下，對往復式壓縮機系統(tǒng)內振動問題有了全新的認識。進入21 世紀，西交大與中石大的學者才相繼攻克了技術難關，對往復式壓縮機系統(tǒng)內振動問題取得了突破性的研究。前者采用轉移矩陣法與剛度矩陣法[6]，很好的顯示了往復式壓縮機系統(tǒng)內壓力脈動與氣流脈動的情況。后者應用MATLAB/SIMULINK 軟件，通過軟件分析了往復式壓縮機系統(tǒng)內的振動情況。

2 基本理論介紹

2.1 工作原理

往復式壓縮機的運轉實際上是周期性的吸排氣過程，隨著往復式壓縮機內曲軸做周期性轉動，實現(xiàn)了將旋轉運動過程轉化為往復運動過程，即連桿通過旋轉運動的方式帶動活塞桿，活塞桿帶動活塞做往復運動。而汽缸內，氣缸內壁、氣缸端蓋、活塞組成的氣缸容積是可以隨著活塞做往復運動而發(fā)生周期性變化的密閉容器。氣體沿著進氣閥進入到氣缸內，隨后進氣閥關閉，當活塞運動開始時氣缸容積最大，此時氣缸內部壓力值最小；當活塞運動到位于氣缸端蓋處時氣缸容積最小。隨著活塞在氣缸內做往復運動，往復式壓縮機便完成了整個工作過程[7]。

2.2 往復式壓縮機系統(tǒng)結構

往復式壓縮機系統(tǒng)內主要結構部件為緩沖罐、冷卻器，還包括分離器、控制儀表、閥門、調解閥、放空閥、排污管道、換氣管道、壓力表以及溫度表等。如圖1 所示，為往復式壓縮機系統(tǒng)結構示意圖。

圖1 往復式壓縮機系統(tǒng)結構示意圖

緩沖罐的作用是降低壓力脈動，大多數(shù)往復式壓縮機均設有緩沖罐，與緩沖罐相連的直管段要盡可能的短并且緩沖罐要采用圓柱形，這是為了增大緩沖容積，使緩沖罐更好地發(fā)揮緩沖作用。

冷卻器的核心作用主要有兩點：一是使重組分冷凝下來，二是降低氣體溫度。大多數(shù)往復式壓縮機的冷卻階段均設有冷卻器，冷卻器工作時氣體首先通過氣缸進行一級壓縮，然后待氣體冷卻后通過氣缸進行二級壓縮，這樣大大提高了機組的工作效率，節(jié)省了大量能源。

2.3 系統(tǒng)內振動的原因

往復式壓縮機系統(tǒng)內振動的原因主要有[8]：（1）可能是由于往復式壓縮機結構設計不合理導致工作時系統(tǒng)內各組件之間運動不平衡而引起的振動現(xiàn)象。也可能是往復式壓縮機在進行整體裝配時，系統(tǒng)內各組件之間沒有完全適配從而導致了工作時運動的不平衡性，產生了振動現(xiàn)象。（2）共振現(xiàn)象所導致的。當往復式壓縮機工作時，由于往復式壓縮機對氣體的壓縮作用會產生壓力脈動，當氣體流動時會產生速度脈動，當壓力脈動與速度脈動所產生的脈動固有頻率相近時，會產生共振現(xiàn)象，導致了系統(tǒng)內的振動問題[9]。

3 數(shù)學模型與邊界條件

3.1 方程的建立

對于往復式壓縮機，我們針對系統(tǒng)管道內氣體的流動情況進行振動問題分析，通過對管道振動問題的分析，來大致得出系統(tǒng)整體振動問題。由于管道內氣體的性質十分復雜，因此我們打算采用假設的方法進行振動問題分析，基本假設如下：第一假設氣體可被壓縮，并且無黏性；第二假設管道內的氣體處于理想狀態(tài)下；第三假設只考慮壓力脈動對系統(tǒng)振動的作用[10]。

根據(jù)連續(xù)性方程、運動方程與波動方程，推導出了式（1），即三維的聲學波動方程：

根據(jù)微分方程，將式（2）化為式（3）：

對式（3）進行化簡得式（4）：

將式（5）和（6）代入到式（4）中得式（7）：

將式（7）簡化得式（8）：

所以由式（8）可得往復式壓縮機系統(tǒng)內固有頻率的有限元方程為：

3.2 邊界條件的建立

根據(jù)式（10）在全滲透表面上表示剛性表面：

將式（10）代入（9）中有：

假設氣體在管道中做相同的簡諧振動，得式（12）：

再將式（12）代入（11）中，得式（13）：

方程（13）可轉化為：

利用式（13）、（14）可求出管道系統(tǒng)氣柱固有頻率。

在局部反射的邊界面上，假設裝有吸音材料的表面，可得式（15）（16）：

將上式（15）（16）代入式（8）中得：

式（17）是不忽略阻尼情況下的聲學單元振動響應有限元方程。

振動位移矢量表示為式（19）：

于是有式（20）：

將上式（20）代入（18）中，得式（21）：

式（21）為振動表面激起的聲壓響應。

3.3 單元劃分

對于往復式壓縮機系統(tǒng)管道內氣體的流動情況進行振動問題分析，首先采用SolidWorks 軟件來對往復式壓縮機系統(tǒng)管道進行三維建模，其次采用ANSYS Workbench Mesh 進行網格劃分，最后采用ANSYS Fluent 軟件對模型進行聲學分析。

在進行聲學分析前要對管道內氣柱固有頻率進行計算，通常采用ANSYS Fluid29 作為二維聲學單元類型，ANSYS Fluid30 作為三維聲學單元類型。在進行網格劃分與模擬計算時，這兩種單元類型都可以構造出氣體聲學模型，而打算采用ANSYS Fluid30 三維聲學單元類型來做氣柱固有頻率聲學分析。

4 模擬分析

本節(jié)對往復式壓縮機系統(tǒng)內某一長度的管道進行氣柱固有頻率聲學模擬分析，通過對模擬結果的研究以達到分析往復式壓縮機系統(tǒng)內振動原因的目的。本次模擬分析決定選用的管道規(guī)格為：管徑為φ80×5，長度為612 mm。

4.1 模型建立與網格劃分

首先在模擬分析前，要得知室內溫度以及在該溫度下的聲速和空氣密度等相關數(shù)據(jù)，于是通過測量室內溫度為25 ℃，并通過查表的方式得到在該室溫下相對應的聲速為346 m·s-1，空氣密度為1.181 kg·m-3。

在進行模擬分析前，還要對管道進行三維模型的建立以及網格劃分，采用SolidWorks 軟件，對長度為612 mm、管道外徑80 mm、壁厚為5 mm 管道進行三維模型的建立，如圖2 所示為管道三維模型。

然后將建立好的三維模型導入 ANSYS Workbench 軟件中，首先將模型導入Geometry 中，Tools-Fill 對管道內部進行填充，建立流體域。再通過Mesh 對三維模型進行網格劃分，在網格劃分時，對管道整體網格Mesh 設置為：Relevance 為100，Relevance Center 為Fine，這樣的設置會使管道網格劃分時得到高精度的網格，然后通過Insert-Sizing對入口端采用局部網格細化, 將單元網格尺寸設置為3 mm；通過Insert-Inflation 設置邊界條件為：網格層數(shù)選擇8 層，膨脹率選擇1.1。劃分后的網格總數(shù)為231 332，如圖3 所示為管道模型網格劃分。

4.2 流場分析

應用ANSYS Fluent 軟件對管道進行流場分析，在進行基本設置后，進行殘差計算，計算時設置為100 步，計算結果如圖4 所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著計算的進行，越往后線條越趨近于水平，這說明殘差大致收斂了。

圖4 殘差計算

從圖5 壓力分布圖與圖6 局部壓力分布圖中可以發(fā)現(xiàn)，壓力脈動在管道中是呈周期性、間歇性的。管道左邊紅色表示壓力的最大端，管道右邊藍色表示壓力的最小端，不同階壓力分布是不同的，說明氣體在管道中流動時出現(xiàn)了壓力不均勻現(xiàn)象，這可能是導致了往復式壓縮機系統(tǒng)內管道的振動。

圖5 壓力分布圖

圖6 局部壓力分布圖

從圖7 速度分布圖與圖8 速度矢量分布圖中可以發(fā)現(xiàn)，管道中心紅色表示速度最大端，管道內壁藍色表示速度最小端，氣體在管道中流動時，同一截面速度大小不同，這說明了氣體在管道中運動時，速度大小是不均勻的，也是引起往復式壓縮機系統(tǒng)內管道振動的根本原因。

圖7 速度分布圖

圖8 速度矢量分布圖

5結論

本文首先分析了往復式壓縮機系統(tǒng)內各部件振動的問題及原因，然后通過對具有代表性的管道振動問題的分析，來大概推斷出系統(tǒng)整體振動的原因。通過對管道的模擬分析可以了解到，管道中氣體的壓力脈動和速度脈動是產生振動的主要原因。

為了避免管道的振動情況，可以適當減小管道長度，這樣不但可以降低管道中氣柱的固有頻率，還可以有效避免管道中氣體流動帶來的壓力脈動、速度脈動以及當兩個脈動頻率相近時產生的共振現(xiàn)象。從根本上解決了系統(tǒng)內管道的振動問題。

通過分析往復式壓縮機系統(tǒng)內各部件的振動問題和管道振動情況很相近，歸根結底都是壓力脈動、速度脈動以及當兩個脈動頻率相近時產生的共振現(xiàn)象所造成的。因此，要想有效避免往復式壓縮機系統(tǒng)內的振動問題，首先要在設計上進行改進，從根本上解決問題。

符號說明：