壓縮機管路振動改造總結

潘仲高，張正勇，周學輝

（成都市博磊化工機械有限公司，四川成都 610047）

1 情況簡介

河南濮陽龍宇化工有限責任公司（以下簡稱公司）于1989年和2003年先后從華西通用機器有限公司購置了四臺甲醇循環壓縮機。其中，首批購置的三臺循環機（以下簡稱一、二、三號機），入口流量為29m3／min，曲軸轉速為375r／min。這三臺機從1991年投入使用以來，一直運行平穩正常。2003年，因擴能改造的需要，又購置了一臺循環機（以下簡稱四號機），其入口流量為58m3／min，曲軸轉速為333r／min。

公司購置四號機的初衷是準備讓相對較大的四號機與一、二、三號機中的任何一臺小機一起運行，這樣，一臺大機和兩臺小機可以互為備機，從而確保生產的穩定和連續。

四臺循環機布置在同一廠房內，都通過安裝在廠房外的同一根進氣集氣總管（φ530×20mm）吸氣，同一根排氣集氣總管（φ530×20mm）排氣。除此之外，還有兩臺轉換氣壓縮機也向排氣集氣總管排氣。

2 存在的問題

2004年，四號機首次并入系統運行，運行過程中該機主機和管路均振動較大；一、二、三號機原本運行較平穩，但在四號機并入運行后，主機振動加劇（曲軸箱內響聲巨大，機身振動幅度大），導致四號機不能和一、二、三號機中任何一臺壓縮機同時投入運行。這樣，當初購置四號機的初衷無法實現，無法確保生產的穩定和連續。新增四號機失去了使用價值，淪為無用閑置設備，與此相關的幾百萬投入也相當于打了水漂。

2005年，公司按照某交通大學壓縮機研究所提供的壓縮機減振方案，將一、二、三號機的排氣緩沖器容積加大，四號機新增兩個較大容積的進排氣緩沖器。

改造后，壓縮機主機振動有所降低，但又引起布置在廠房外的進、排氣集氣總管振動加劇，試運行一段時間后多處管卡振裂，同時各循環機電流波動顯著增加（與四號機相鄰的三號機電流由26A左右變為20～32A），各機氣缸排氣溫度也有所升高（氣缸原設計排氣溫度50℃，現為65℃）。結果證實，改造沒有達到預期目的，四號機仍然不能和一、二、三號機中任何一臺機同時投入運行，因此該改造方案沒有成功。

隨后公司應該研究所要求，又在各緩沖器進排氣口加孔板。經過改造后，廠房外排氣集氣總管振動幅度有所降低，但不顯著，且各壓縮機打氣量又降低了許多（一二三號循環機原設計入口流量29m3／min，現實測值29m3／min；四號循環機原設計入口流量58m3／min，現實測值48m3／min），這種方案仍不理想。

2006年，公司又委托國內某大型壓縮機生產廠家提供改造方案，在廠房外進氣集氣總管東西走向和南北走向相交處加一較大容積的減振緩沖器，同時取出進氣集氣總管中的孔板，改良各處管線布置。

改造后，進氣集氣總管的振動有所降低，設備基本能平穩運行。排氣集氣總管稍有振動，但能正常運行。

后因公司造氣系統不穩定，導致進入循環機的氣體介質變化較大。當介質中氫氣濃度降幅較大時（容積比小于20%），廠外排氣集氣總管振動加劇。經過對該管多處加強支撐固定后，該總管振動有所降低；但四號機排氣口處的緩沖器振動卻顯著加劇，甚至出現很明顯的晃動。與四號機相鄰的三號機主機也因為排氣壓力波動太大，導致壓縮機壓比周期性增大，壓縮機所受活塞力嚴重超過設計值且極不均勻，引起三號機劇烈振動，因此三號機也無法正常開啟。一、二號循環機雖能開啟但曲軸箱內響聲變大，機身振動變大，電流波動變大，由26A左右變為20～32A。進氣集氣總管的振動較小，處于正常值，當介質變化時該管振動不發生明顯變化。結果顯示，該方案也未根本改善管路振動的情況，系統仍不能正常運行。

3 原因分析

后來該公司聽說成都市博磊化工機械有限公司有管路振動改造方面的豐富經驗，遂邀請我公司技術人員到現場分析原因，尋找改善振動的良策。

3.1 壓縮振動的原因分析

壓縮機主機和管路振動一般有以下兩個原因：一是由于運動機構的動力平衡性差或基礎設計不當而引起；二是由于氣流脈動引起，這是由于活塞式壓縮機主機吸排氣的間歇性，使管內氣流壓力和速度呈周期性變化，氣流產生脈動，氣流脈動激發管道振動，而管道振動反過來又會引起主機振動。

運動機構的動力平衡性差或基礎設計不當會引起壓縮機機體振動，換句話說，壓縮機機體的振動主要由不平衡慣性力、慣性力矩的大小和方向的周期性變化等原因引起。首先，我們來分析一下壓縮機運轉過程中的作用力情況（圖1），活塞力P沿著活塞、活塞桿、十字頭傳給十字頭銷。十字頭銷中心受到活塞力P和往復慣性力I的作用。P和I都作用于氣缸中心線上。兩個力的合力為P′，即P′＝P＋I。

同時，往復慣性力和活塞力的合力又可分解為N和PC，即P＝N＋PC。

N垂直于十字頭滑道，是側向力。PC為作用于連桿方向上的連桿力。PC通過連桿傳遞到曲柄銷中心，對主軸頸構成力矩M。M為阻力矩，阻力矩與曲軸產生的旋轉力矩平衡。PC同時產生兩個分力P′和N′，N′與十字頭側向力N大小相等，方向相反，形成力偶，稱之為傾覆力矩。傳到基礎上，由基礎承受。

圖1 臥式壓縮機作用力示意圖

P″＝P′＝P＋I作用在氣缸上的工藝氣體壓力沿著連續部位傳到機身，方向與P′相反，最后作用在軸頸上只有I。可見，工藝氣體的壓力在壓縮機內部得到平衡。以上分析表明，作用在主軸頸上的力有往復慣性力I、旋轉慣性力Ir和傾覆力矩，壓縮機受到這些力的共同作用而產生振動。如果這些力不平衡或者基礎設計強度不夠，產生的振動必然會影響到出口管路。

就本設備而言是臥式兩列往復壓縮機，曲拐錯角為180°。從理論上講，當相對列往復質量相同時，相對列產生的旋轉慣性力大小相等，方向相反，總旋轉慣性力相互平衡；往復慣性力中，一階往復慣性力大小相等，方向相反，相互平衡，總的一階往復慣性力等于0；計算得知，各列二階往復慣性力的大小為一階往復慣性力的1／6。因此，對于四號機來說，其運行產生的旋轉慣性力矩、一階往復慣性力矩、二階往復慣性力和傾覆力矩由基礎承擔。理論計算的結論是，四號機相對列往復質量基本相等，結合現場實際觀察，該壓縮機機體振動位移較小，說明基礎能夠滿足壓縮機運動時產生的力和力矩的要求。因此，壓縮機機體的振動不是出口管路振動的主要原因。

很明顯，目前該壓縮機主機和管路振動是因為氣流脈動引起的。要想從根本上解決此問題，關鍵是看如何減輕氣流脈動。減輕氣流脈動一般從兩方面著手：一是合理地設計管系；二是采取適當的消振措施。

合理設計管系主要是在管路設計時，使所設計的管路長度避開共振區，使壓縮機激振頻率、管路的固有頻率、管內氣柱固有頻率錯開，以防產生共振；同時合理設計和布置彎管和異徑管，以減少管內氣體對管路的激振，從而減小管路振動。

理論和實踐證明，在管系設計合理的情況下，壓力不均勻度一般不會超過4%，壓縮機主機和管路振動會在許可范圍內。但目前公司壓縮機壓力不均勻度遠超過4%，且管路振動劇烈，證明原管系設計不合理，原消振措施也沒到位。

3.2 對該機組振動的分析及減振措施

通過對之前幾種改造方案的研究、現場實際情況的調研以及詳細的理論計算，我們認為造成目前這種狀況是因為排氣集氣總管中氣柱固有頻率與壓縮機激振頻率相近，產生了共振。

壓縮機管路的劇烈振動，一般是由于產生了共振，而產生共振的原因一般有以下兩種。

（1）壓縮機激振頻率與管內氣柱固有頻率相近。管路系統內所容納的氣體叫氣柱。它是一個有質量、有彈性的振動系統，有其固有頻率。由于活塞式壓縮機吸排氣的周期性，使氣體壓力產生脈動，當氣柱的自振頻率與壓縮機吸排氣所產生的干擾頻率接近或相等時，管路便會產生共振，即氣柱共振。

（2）壓縮機激振頻率與管路的固有頻率相近。由管子、管件構成的管路本身也是一個彈性系統，有它的固有頻率。當此固有頻率與壓縮機吸排氣所形成的干擾頻率接近或相等時，也會產生共振現象，叫機械共振。

第二種原因造成的共振解決起來相對容易一些。一般做法是將管路支撐位置改變或加強管路的支撐。這樣就改變了管路的固有頻率，避免了管路的固有頻率與前兩種頻率相近而產生共振。

第一種原因造成的共振有以下幾個現象。

（1）壓縮機進、排氣管路中的壓力變化較大（這點可以從安裝在管路上的壓力表指針的擺動來觀察）。

（2）由于進排氣壓力變化，壓縮機所耗功率隨之變化，導致驅動壓縮機的電機電流波動較大（這點可以通過驅動電機的電流指針的變化來觀察）。

（3）這類共振無法通過管路支撐位置的改變而消除，相反，過度加強管路支撐后從表面現象看該段管路振動幅度會減小，但因其共振產生的激振力仍然在不斷沖擊管路支撐，壓縮機長期運行后會將部分管卡振裂，導致支撐振松；同時，由于該段管路的牢牢支撐，其蘊涵的波動能量無法得到有效宣泄，前面的振動波和后面產生的振動波相互疊加，這樣會加劇管內壓力的波動，從而導致管系中原來不振動的部分開始振動。

從現場實際運行情況來看，當四號機開啟時，安裝在管路上的各壓力表指針擺動幅度變大，這證明各壓縮機進、排氣管路中的壓力變化加大了。同時各驅動電機的電流指針擺動幅度也加大了，這更進一步證明了上面的結論。

事實上，當排氣集氣總管振動幅度加劇時，與該管段相連的三號機因電機超功率且電流波動大而無法正常開啟，同時一、二號壓縮機的電機電流波動也變大，但仍能正常運行，三臺壓縮機設計規格一樣，而前兩臺壓縮機出口管的壓力波動遠小于與三號機相連的管段，這說明氣柱共振發生在與三號循環機相連的管段中。

事實證明當廠外排氣集氣總管振動加劇時，采用多處加強支撐固定的辦法，該總管振動顯著降低；但四號機的排氣緩沖器振動卻顯著加大，這說明加強管道的支撐反而加劇了管內壓力的波動，導致原來運行較為平穩的四號機排氣緩沖器出現了異常的擺動。

由此看來，引起管路振動的原因是第一種：即排氣集氣總管中的氣柱固有頻率與壓縮機激振頻率相近，氣柱與壓縮機激振源產生了共振。

實際情況表明，處于排氣集氣總管中的氣柱固有頻率開始時還沒有在壓縮機激振頻率的共振區，隨著氣體介質的變化，排氣集氣總管中的氣柱固有頻率也相應變化，當這種變化達到一定程度時，氣柱固有頻率就進入了壓縮機激振頻率的共振區。這同計算結果相吻合：在正常的工況下，壓縮機壓縮的介質氫氣含量較高，計算出該段氣柱的激振頻率為22Hz，其一階共振管長為5.03～7.55m，二階共振管長為10～15m，而該段氣柱的長度為19m，還沒有處在共振區；在較差的工況下，壓縮機壓縮的介質二氧化碳含量較多，計算出該段氣柱的激振頻率為22Hz，其一階共振管長為6.5～9.74m，二階共振管長為13.47～20.2m，而該段氣柱此時剛好處在其二階共振區。見表1。

表1 共振管長計算表

另外，兩種循環機的轉速不同也會加劇該管系的振動，這是因為轉速不同的壓縮機無法完全通過異步開啟壓縮機避開共振，這樣可能會周期性地出現兩種壓縮機同時向排氣集氣總管排氣和同時不向排氣集氣總管排氣的情況，從而加大排氣集氣總管中的壓力波動。

理論計算結果表明，如果將四號機轉速改為375r／min，兩種壓縮機轉速相同后，該管系的振動會適當降低一些，但仍然不會從根本上解決排氣集氣總管振動問題。該結果也可以從實際運行的狀況得到驗證：在剛開四號機時，氣體介質較輕（即氫氣含量較高時），該排氣集氣總管振動較小，系統可以正常運轉；而當氣體介質的密度變大時，該排氣集氣總管的振動隨著變大。這表明，后一種情況下的振動變大與壓縮機的轉速沒有直接關系。

從當初壓縮機生產廠家提供的改造方案來看，在進氣集氣總管適當位置加一適當容積的緩沖器后，無論壓縮氣體介質怎么變化，其振動幅度變化都很小，這說明不同轉速的壓縮機是可以共用一根進／排氣集氣總管的。

如果要將四號機轉速改為375r／min，這種方案不但投資較大，而且改動后該壓縮機的運行情況會變差。首先，因為轉速增加后，活塞的平均速度超過許用值時，其易損件使用壽命會顯著縮短。其次，轉速增加后，壓縮機所耗的功率增加，需要新增功率較大的電機，而且電機基礎也要做相應的改動。第三，轉速增加后，壓縮機動力平衡性會降低，壓縮機的主機振動會加劇。

4 解決方案

結合以上分析，經過周密計算，我們提出以下解決方案：

在排氣集氣總管中間適當位置加一適當容積的緩沖器，隔斷該管內氣柱，從而改變其固有頻率；同時將一號和二號兩臺循環機的排氣集氣總管改為直接進入合成氣混合罐，并適當改變管路走向。

計算結果表明，加緩沖器后，排氣集氣總管內氣柱一階共振理論長度為9.12～13.68m，二階共振理論長度為27.4～40.7m，與該段氣柱實際長度19m相差較多，該管段氣柱避開了共振區。見表2。

表2 共振管長計算表

緩沖器放置在原排氣集氣總管東西走向和南北走向相交處，見圖2。

圖2 管路改造圖

緩沖器可以減小氣體在排氣集氣總管內的壓力波動，而且可以減小排氣集氣總管轉彎處的激振力。計算表明，緩沖器的容積應大于15.2m3。其進排氣通徑和緩沖器直徑同原來所加吸氣緩沖器，管口方位按現場管路走向做適當調整。緩沖器的進氣管由原排氣集氣總管延伸而至，中間設彎頭，緩沖器的排氣管與合成氣混合罐相連，中間設彎頭，其設計壓力不小于5.9MPa，設計溫度不小于100℃。

5 改造效果

公司于2010年3月開始實施改造，5月改造完成。2012年5月，我們派技術人員對該公司進行了回訪，從現在系統運行的情況來看，改造非常成功。電流波動、打氣量、振動情況等都得到了極大改善。

經過改造達到了以下效果。

（1）將排氣集氣總管的振動降到1.8mm（許可值2.35mm），四號機排氣緩沖器的振動幅度降低到1.5mm以下。

（2）大大降低了各循環機主機的振動。各循環機主機振動是由于排氣集氣總管中的氣體壓力波動大，導致氣體的壓縮比時大時小，活塞力時大時小，這種運行工況的不穩定性，導致主機振動加大。

（3）提高了壓縮機易損件使用壽命。氣閥使用壽命延長了一個多月。

（4）降低了各循環機的電流波動幅度。現運行電流一般保持在25～27A，基本接近壓縮機原廠設計指標。但因氣體介質成分變化引起的循環機電流波動沒法通過此方法降低，因為壓縮介質的絕熱指數K值的變化會使壓縮機所耗功率隨著變化，從而導致電流波動。

（5）提高和穩定了各循環機的打氣量。一、二、三號循環機的入口流量穩定在29m3／min以上，四號循環機的入口流量穩定在58m3／min以上，均達到了當初設計要求。因為在壓縮機氣缸缸徑一定的情況下，壓縮機的打氣量近似地與壓縮比成反比。當排氣集氣總管中的氣體壓力減小后，管內氣體壓力損失減少，平均壓縮比會降低，壓縮機無用功耗減少，相當于單位功耗的打氣量提高了。

同時，因將一、二號機共用的排氣管改為單獨進入合成氣混合罐，從而避免了四臺循環機共用一根集氣管，不但減輕了原四機共用排氣集氣總管造成的振動，也減輕了一、二號機共用排氣管的振動。

實踐證明，我們給該公司所設計的減振方案完全達到了有效減輕振動的效果，公司的閑置設備得到了有效利用，盤活了資產，提高了企業的經濟效益。該項目還被評為該公司技術創新一等獎，參與該項目改造的相關人員得到了總公司河南煤業化工集團的嘉獎。公司上下對我們的改造給予極高評價。