天然氣壓縮機串聯系統振動分析及減振方法研究

田汝峰謝艷娥

（中海石油（中國）有限公司湛江分公司）

天然氣壓縮機串聯系統振動分析及減振方法研究

田汝峰*謝艷娥

（中海石油（中國）有限公司湛江分公司）

因結鹽結垢引起的天然氣壓縮機組系統的振動可以通過醋酸酸洗的方法來達到減振。采用科學的方法對壓力管道系統的振動數據進行了測量。數據分析表明，彎頭較多的管線振動強烈，尤其是接近激勵處的管線部位振動更強烈。通過對管線系統的重新設計與簡化，例如采用拉直管線、減少彎頭、改變管線空間分布、消除共振、添加減振設備、增加支撐點或改變支撐性質等措施，有效地減輕了管線振動，避免了管線系統長期振動產生機械疲勞、造成法蘭連接螺栓斷裂、發生天然氣泄漏等事故，極大地提高了氣田生產安全性。

壓縮機 串聯 醋酸酸洗 壓縮機機組振動 管線振動 減振方法

0 引言

位于南海鶯歌海盆地的東方1-1氣田是中國海洋石油擔任作業者的國內海上最大的自營氣田，日產天然氣800萬m3，產出的氣體其組分有C1～C6及C6以上的各種碳氫化合物，也有二氧化碳、氮氣和少量的水分等物質[1]。

東方1-1氣田壓縮機于2007年投入使用，共有三組濕氣壓縮機（WGC），編號分別為CEP-C-2510/2610/2710，都是索拉T70-C402型透平離心式壓縮機。三組壓縮機可以分別實現單機組運行、兩兩串聯運行或者三組同時串聯運行。透平壓縮機自2007年6月投運以來，通常啟動一臺機組即可以滿足生產要求。但隨著生產井的不斷開發，井口壓力遞減，為了滿足下游用戶的需要，從2009年5月開始啟動兩臺壓縮機串聯運行[2]。

2010年8月，氣田壓縮機開始三組同時串聯運行。東方1-1氣田三臺天然氣壓縮機串聯工程為海上第二個濕氣壓縮機工程項目，亞洲第一個透平驅動大功率高壓濕氣壓縮機三級串聯工藝項目[3]。

壓縮機機組和管線在三臺壓縮機串聯工況下同時出現明顯的振動，嚴重影響了氣田生產安全，氣田對此高度重視，對引起振動的原因進行了深入的研究。采用系統分析的方法將三臺串聯壓縮機機組分為兩個部分，即壓縮機自身系統和壓縮機串聯管道系統。通過大量的統計數據分析，根據各部分對振動的不同影響，分別采取了相應的減振措施。

1 天然氣壓縮機振動原因分析及解決方案

東方1-1氣田中心平臺井口采氣樹的天然氣，經過生產管匯后進入海水冷卻器冷卻至37℃，然后進入生產分離器進行氣液兩相分離。氣田井口平臺生產的天然氣經海水冷卻后進入安裝在中央平臺上相應的段塞流捕集器，穩流除液后與中心平臺生產分離器出口的天然氣匯集于總管后進入壓縮機組。

濕氣壓縮機系統由三臺串聯運行的相互獨立的機組組成，包括2510機組、2610機組、2710機組，每臺機組又包括旋流分離器、壓縮機、海水后冷卻器三部分。

當濕氣壓縮機關停后，壓差的變化會造成外輸天然氣組成的波動并影響下游用戶生產的穩定性。三臺壓縮機組串聯以后，氣田經歷過多次壓縮機意外關停[4]，并對下游用戶產生沖擊，因此必須解決串聯振動問題。

1.1 振動原因

1.1.1 壓縮機兩端動平衡

Solar廠家對中檢查，發現每次啟機和加載時振動都會有突變。拆下兩端的干氣密封部件和緩沖氣部件，發現內部和兩個端面都比較臟。更換了新的干氣密封部件和緩沖氣部件，然后重新對中，安裝聯軸節。在壓縮機兩端做動平衡測試，發現加配重后沒有反應，即沒有改善振動狀態，機組總是在NGP 81%和NPT 50%時由于振動高高關停。這表明動平衡并不能改變壓縮機的振動，也就是說，振動可能是由于外部因素而引發的。在配重測試過程中有幾次振動值突然變大。2012年6月23日至9月11日，Solar廠家現場服務工程師維修透平壓縮機2510，在做動平衡配重過程中曾4次因振動高高關停，最后因振動高高啟機失敗，因此Solar工程師建議將壓縮機送回廠，解體檢查轉子的動平衡。

1.1.2 動力振動分析

對壓縮機后端動力振動進行分析，兩側點振動分別達到了49 μm和40 μm，波動范圍在10 μm以內，波動非常小。X測點達到49 μm，接近報警值51 μm（關停63 μm），Y測點振動雖然沒有X測點高，但仍然偏大。

1.2 解決方案

1.2.1 方案一

Solar廠家現場服務工程師對透平壓縮機2510進行了維修，現場工程師分析認為，壓縮機兩端不平衡引起振動，應進行配重并做動平衡測試。但測試結果發現，加配重沒有反應，并沒有改善振動狀態，機組總是在NGP 81%和NPT 50%時由于振動高高關停。這表明動平衡不能改變壓縮機的振動。于是，Solar工程師建議將壓縮機送回廠，解體檢查轉子動平衡。

1.2.2 方案二

先檢查壓縮機后端的結鹽結垢狀況，如有結鹽結垢，予以清理、清洗。如果壓縮機后端沒有結鹽結垢，或者清理后振動仍然沒有明顯改善，再對該轉子做動平衡。

1.3 壓縮機清洗減振

氣田相關技術人員通過內窺鏡觀察發現壓縮機2510轉子結鹽結垢，決定采用方案二對壓縮機進行清洗。經現場試驗，采用醋酸與水比例為4∶100的清洗液。從壓縮機進口管線泵入醋酸兌水溶液，進口端排液口接透明膠管顯示液位接近內腔頂部，醋酸清洗液從進口端排液口排出流回水桶。利用氣動泵對清洗液打循環，每隔2 h盤車一次，使轉子旋轉90°，循環或泡浸36 h后排液。啟機測試結果，壓縮機前端和后端振動明顯下降，壓縮機帶載至今，振幅波動平穩。

至此，壓縮機機組振動問題得到了基本解決。但是壓縮機串聯運行時出口管線系統的振動依然存在，這說明壓縮機串聯運行時管線振動與機組振動沒有關系，應當是管內流體不穩定引起的。

2 壓縮機串聯管道系統振動分析

在研究振動時可將壓縮機串聯管道系統分為兩個系統，一個是管道系統，另一個是流體系統。管道振動主要是受激振力和固有頻率的影響。根據現場實際生產狀況的分析，引起振動的原因可能有以下兩種。

在2510和2710機組串聯、2610和2710機組串聯兩種運行模式中，當外輸氣量超過32.5萬m3/h時，2710壓縮機出口管線以及中層甲板壓縮機出口管線和附屬的消防管線振動偏大。而2510和2610機組串聯時，外輸氣量達到34.5萬m3/h，壓縮機出口管線和中層甲板壓縮機出口管線以及附屬的消防管線均無振動現象。單獨啟動2610機組，管線也無振動現象。

從以上現象推斷，引起管線振動的原因并不是外輸氣量大。東方1-1氣田對振動原因進行了系統分析并采取了減振措施，取得了良好效果[5]。

2.1 壓縮機串聯減振現場試驗

2.1.1 消減氣流振動

調整氣柱固有頻率，避開氣柱共振。氣柱固有頻率取決于管系的配管方式、長度、管徑和管線配置等。在配管設計時，根據工藝流程的需要做好配管初步設計后，應計算管系的氣柱固有頻率，并通過調整使其不與激振頻率重合，以避免氣柱共振。2.1.2合理設計管道系統

管道彎頭應避免急轉彎。在壓縮機管系中，激振力主要產生于彎頭和異徑管的接頭處，因此在管道中應盡量少使用彎頭。此外，減小彎頭角度也可以增強減振效果。

2.1.3 基于振動理論的現場試驗

實際工作中，由于平臺的條件限制，不能完全按照理論上的方法來獲得具體而精確的數據。我們結合平臺的實際條件進行了間接測量，就是在不同管段設置多個振動測點，在不同的氣量下對測點進行監測，判斷在該氣量下該管段的固有頻率是否處于氣柱的固有頻率共振區間，從而做出相應的調整和改造，氣田為此收集了大量基礎數據。不同工況下的振動檢測值如表1所示。

結合實際生產和試驗得到的數據進行分析可知：在2510和2710機組串聯、2610和2710機組串聯三種情況下，當外輸氣量超過32.5萬m3/h時，壓縮機2710出口管線以及中層甲板壓縮機出口管線和附屬的消防管線均有很大振動。在2510和2610機組串聯、外輸氣量達到34.5萬m3/h時，壓縮機出口管線及中層甲板壓縮機出口管線和附屬的消防管線均無明顯振動現象。也就是說，串聯運行并且有壓縮機2710參與，當天然氣產量超過32.5萬m3/h時，振動數據增大很多。從以上現象推斷,外輸氣量超過32.5萬m3/h后，管線內的氣柱固有頻率與壓縮機2710運行時的管線固有頻率處于共振區內，這就是引起管線振動的原因。

表1 不同工況下的振動檢測值

2.2 管線振動減振方法

2.2.1 合理安排壓縮機管線部分支撐和固定點

在現場管線彎頭、閥門、法蘭等處選取一些振動測量點，用測振筆定期進行測量。測試表明，現有的部分支撐和固定點不合理，某些地方需要增加支撐點或改變支撐性質。通過在管道的固定支撐部位放置金屬彈簧、橡皮或軟木等，改變系統的阻尼矩陣以達到隔振、消振的目的；通過增設支撐、調整支撐位置、改變支撐性質、縮短支撐點距離和增加系統的剛度等措施，來提高管道的固有頻率，達到消振的目的。

2.2.2 改彎管為直管

壓縮機出口管線彎頭多，增加了對管道的激振力，因此氣田平臺上管線的不合理配置，壓縮機出口管線彎頭多，是發生振動的根本原因。于是，將管系中的“幾”字形管線改成了一字形直管。中層甲板透平壓縮機出口管彎頭處也采用焊接連接至天然氣過濾分離器2110A/B入口的管線。

2.2.3 管線優化改造

根據設計文件要求，對CEP平臺透平壓縮機出口至天然氣過濾分離器2110A/B的管線進行優化改造（見圖1、圖2）。圖1中粗線部分即為要改造的管線。通過對管線系統重新設計與簡化，采用拉直管線、減少彎頭，改變管線的空間分布，消除共振、添加減振設備、增加支撐點或改變支撐性質等措施，有效地減輕了管線的振動，避免了管線系統長期振動產生機械疲勞，造成法蘭連接螺栓斷裂、發生天然氣泄漏等事故，極大地提高了氣田生產的安全性。

圖1 管線優化改造圖

圖2 改造后3D圖

將改造后較高產量下的數據與改造前對比，如表2所示。由改造前后兩組數據的對比可以看出，振動現象已經基本得到抑制。

表2 改造前后振動數值的比較

3 結論

（1）用醋酸清洗轉子后明顯改善了結鹽結垢狀況。啟機測試結果表明，壓縮機前端和后端振動明顯下降，振幅波動平穩，消除結鹽結垢解決了壓縮機組振動問題。

（2）通過在管道的固定支撐部位放置金屬彈簧、橡皮或軟木等，改變系統的阻尼矩陣，以達到隔振、消振的目的；通過增設支撐、調整支撐位置、改變支撐性質、縮短支撐點距離和增加系統的剛度等措施，從而提高管道的固有頻率，達到消振的目的。

（3）通過對管線系統重新設計與簡化，采用拉直管線、減少彎頭、改變管線的空間分布、消除共振、添加減振設備和增加支撐點或改變支撐性質等措施，有效地減輕了管線的振動，避免了管線系統長期振動產生機械疲勞，造成法蘭連接螺栓斷裂、發生天然氣泄漏等事故，極大地提高了氣田生產的安全性。

（4）通過自主設計，施工優化創新，滿足了三臺壓縮機串聯復雜工藝工況的要求，保證了生產安全，使整體費用為同類性質項目的三分之一，推進了設備國產化，效益顯著。

（5）東方1-1氣田中心平臺壓縮機串聯生產工藝和壓縮機串聯系統振動分析及其減振方法對其他海上平臺的設計、施工、生產也具有一定的指導和借鑒意義。

[1]劉小偉.東方1-1氣田外輸天然氣組分調節與控制[J].化學工程與裝備，2010（3）：90-91.

[2]劉小偉，林紅兵.天然氣透平壓縮機串聯工藝在東方1-1氣田的應用[J].河南化工，2010，27(1):58-59.

[3]胡輝，李大全，周聲結.透平驅動濕氣壓縮機三級串聯技術[J].天然氣工業，2012，32（8）：39-43.

[4]張萬兵，劉小偉，陳柱,等.關停濕氣壓縮機對外輸天然氣組成的影響及改造方案[J].天然氣工業，2012 (8)：44-47.

[5]張萬兵.氣田濕氣壓縮機出口管線振動問題分析及解決方法[J].化工裝備技術，2012，33(4):57-60.

Analysis on Vibration of Series System of Natural Gas Compressors and Study on Vibration Reduction

Tian Rufeng Xie Yane

The vibration of natural gas compressors caused by salt coagulation and scaling can be relieved by acetic acid dipping.The vibration data of the pressure pipeline system was measured by a scientific method,and the analysis on which shows that the vibration occurs severely in the pipes with multiple elbows,especially in the piping near vibration source.The measures for redesigning and simplifying the piping system,such as straightening the pipelines,reducing the pipe elbows,changing the spatial distribution of pipelines,eliminating resonance,adding shock-absorption devices,adding piping supports and changing support properties,could effectively relieve the piping vibration and avoid the mechanical fatigue of pipeline caused by long-term vibration which usually leads to the fracture of flange connecting bolts and gas leak,thus greatly enhancing the safety in production of the gas field.

Compressor;Series;Acetic acid dipping;Compressor vibration;Piping lines vibration;Vibration reduction method

TH 48

2014-04-18)

*田汝峰，男，1973年生，工程師。湛江市，524057。