往復式壓縮機組的振動機理及控制策略

潘 鑫，趙元林，楊懷軍，李增魁

（1.渤海鉆探工程有限公司油氣合作開發(fā)分公司，天津 300280；2.渤海鉆探鉆井技術(shù)服務(wù)公司，天津 300280；3.渤海鉆探工程有限公司油氣井測試分公司，河北廊坊 065007）

0 引言

往復式壓縮機組產(chǎn)生管道振動的原因，與其機械部件構(gòu)成、工作原理密不可分。理清管道振動的原因，是設(shè)計加工生產(chǎn)管道主要動力部件吸振器的重要前提與技術(shù)基礎(chǔ)，因此有必要對壓縮機的機械部件構(gòu)成、工作振動原理和管道振動的原因進行深入研究和分析。

1 往復式壓縮機工作原理

往復式壓縮機組通過液壓電機的軸向桿帶動活塞曲柄旋轉(zhuǎn)，再帶動活塞桿做直線往復式運動，是一種小型容積式移動壓縮機，工作原理如圖1 所示。往復式壓縮機氣缸內(nèi)部氣體壓力循環(huán)過程，主要分為4 個步驟，如圖2 所示。

圖1 往復式壓縮機工作原理

圖2 工作循環(huán)階段

（1）氣體膨脹。活塞由A點移動到B 點，氣缸容積由閥的V0膨脹增大至V1，因此氣壓從P2減小到P1。

（2）吸氣。活塞由B 點移動到C 點，氣缸容積從V1迅速增加至V3，氣體在P1壓力下被吸進壓縮機中。

（3）氣體壓縮。活塞由C點移動到D 點，氣體被活塞壓縮，氣壓從P1增加到P2。

（4）氣體排出。活塞由D 點移動到A 點，排氣閥打開將氣體排出，壓縮機內(nèi)氣體容積從V2減小到V0。

2 往復式壓縮機振動機理

2.1 氣流脈動因素引起

氣流壓力脈動對運行管道的振動作用一般劃分為兩部分，分別是管道壓力脈動耦合作用和壓力速度脈動耦合作用，其中，壓力速度脈動耦合作用是導致往復式壓縮機組振動的決定性因素。往復式壓縮機組中的具有一定壓力的氣體高速流動時，由于受到壓縮機組管道彎頭、變徑器、安全控制閥等部件的阻礙，產(chǎn)生具有一定周期性的具有較高能量的壓力脈動，直接導致往復式壓縮機組產(chǎn)生強烈的機械振動。壓縮機內(nèi)氣體壓力脈動的變化如圖3 所示。

圖3 壓縮機管道內(nèi)壓力脈動變化

為了更好地分析往復式壓縮機組內(nèi)部壓力脈動變化，相關(guān)學者提出壓力不均勻度作為參考量進行分析研究，為了使管道安全、穩(wěn)定地輸送氣流，必須將壓力的不均勻性控制在一定范圍內(nèi)。壓力不均勻度的定義可以表示為：

式中 Pmax——管道絕對壓力的最大值，MPa

Pmin——管道絕對壓力的最小值，MPa

P0——管道平均絕對壓力，（Pmax+Pmin）/2，MPa

脈動壓力一般用ΔP 表示，表示氣體壓力偏離平均絕對壓力的最大程度：

根據(jù)相關(guān)國內(nèi)標準：①對于往復式壓縮機組內(nèi)氣缸，其壓力均勻不平衡度應(yīng)保持在5%～7%；②對于往復式壓縮機組內(nèi)連接管道的進氣和連接部分，壓力不均勻度應(yīng)保持在4%～8%；③對于排氣管部分，其壓力不均勻度應(yīng)在2%～4%。壓力不均勻度的控制主要與往復式壓縮機組中部件所處的原理范圍相關(guān)，針對于不同的壓力范圍，其壓力不均勻度許用范圍也有所不同。

2.2 共振因素引起

往復式壓縮機組的振動還有可能是內(nèi)部共振引起，壓縮機管道共振可以分為結(jié)構(gòu)件共振與氣體共振兩種類型。往復式壓縮機內(nèi)部氣體共振是指在活塞的往復壓縮運動過程中，被壓縮的氣體是一種彈性振動體，其具有一定的自身固有頻率，活塞對氣體進行壓縮的過程也具有其自身的激發(fā)頻率，當這兩種頻率相同時，將會發(fā)生氣體共振現(xiàn)象。往復式壓縮機內(nèi)部結(jié)構(gòu)件共振與氣體共振原理相類似，壓縮機管道等結(jié)構(gòu)件在壓縮機運行過程中是一個具有固定頻率的機械振動系統(tǒng)，當電機的基頻頻率與該頻率相重合或者接近時，就會迫使往復式壓縮機內(nèi)部發(fā)生劇烈振動。該情況下結(jié)構(gòu)件共振、應(yīng)力集中，出現(xiàn)壓縮機部件勞損等現(xiàn)象。

2.3 機組自身因素引起

（1）設(shè)計參數(shù)問題。如果壓縮機機械設(shè)計出現(xiàn)問題，其運行時產(chǎn)生慣性力處于非平衡狀態(tài)，會引起管道內(nèi)的強振動。

（2）不合格安裝。往復式壓縮機組使用過程中，由于出廠設(shè)計問題導致的壓縮機強振動相對較少，但是不合格的安裝調(diào)試過程將導致壓縮機組運行可靠性受到嚴重威脅。在往復式壓縮機組安裝調(diào)試過程中，由于安裝人員自身專業(yè)能力的不足和工作時不夠全神貫注，常導致壓縮機基座不牢固、壓縮機地腳螺栓未穩(wěn)固等細小因素出現(xiàn)，最終導致壓縮機整體出現(xiàn)較大的振動。由于軸承和軸瓦之間的空隙較大，一旦曲柄中心線不垂直將會導致聯(lián)軸器的動力平衡不對等，壓縮機也會出現(xiàn)異常振動現(xiàn)象。同時，支撐管道安裝位置不合格等因素也都會引起壓縮機管道異常振動。

2.4 往復式壓縮機振動分類與標準

往復式壓縮機是大型壓縮機設(shè)備，屬于GB/T 6075.2—2012《在非旋轉(zhuǎn)部件上測量和評價機器的機械振動》第六部分的第5、6、7 類機械振動的評定范圍，其評定標準由A 到D 依次是：A—最佳機器狀態(tài)（剛投入使用的機械振動狀態(tài)），B—機器的振動狀況良好（能長期工作），C—機器的振動狀況較差（不適合長時間運行，應(yīng)定期進行維修），D—機器的振動狀況很差（機器可能出現(xiàn)損壞，應(yīng)立即停止，進行維修）。

根據(jù)現(xiàn)場壓縮機振動試驗結(jié)果，與振動標準對照，壓縮機振動的較大部件包括一級出口安全閥（軸向）等，見表1。壓縮機一級出口安全閥的軸向振動值為44.3 μm，是以上振動位置最大的值，振動速度為19.6 mm/s，振動時域如圖4 所示。按第5 類機械振動值比較，一級出口安全閥的軸向振動位于B 等級和C等級之間，需要特別注意。

表1 往復式壓縮機振動數(shù)據(jù)

圖4 振動時域

3 往復式壓縮機振動控制策略

3.1 削減激振力強度

（1）安裝氣缸緩沖控制裝置。該裝置直接連通氣缸，從根源上減弱振動壓力，減少汽缸氣流通過脈動產(chǎn)生的阻尼系數(shù)，減少氣缸中的氣流脈動，從而大大減少氣缸振動。

（2）設(shè)置氣流脈動衰減裝置。根據(jù)聲學濾波原則，氣流脈動衰減裝置可有效削弱壓力脈動強度。聲抗濾波器根據(jù)聲學濾波的原理，可以消除部分頻段的脈動，減小振動和其產(chǎn)生的影響。往復壓縮機以采用聲抗濾波器為主。

3.2 優(yōu)化設(shè)計管道動力性能

（1）管道機械的固有頻率。管系的固有頻率決定了管道的剛度，調(diào)節(jié)管系剛度時，可以對管道的固有頻率進行調(diào)整，優(yōu)化管道布置，合理地設(shè)置管道支架。布置往復壓縮機管道時，應(yīng)盡可能沿地面鋪設(shè)，避免使用不必要的彎頭，減少激振對壓縮機和其管道的不利作用。

（2）壓縮管道各個氣柱的固有頻率。這種設(shè)計主要用于精確測量壓縮管道的各個氣柱固有頻率，使其在控制壓縮機的軸向激發(fā)振動頻率之外，防止帶動壓縮機的管道氣柱發(fā)生共振。目前，改變?nèi)細夤艿拦軓介L度是調(diào)節(jié)管道氣柱力和動力系統(tǒng)特性的主要方法之一。

4 結(jié)論

從壓縮機振動結(jié)構(gòu)和工作機理的角度考慮壓縮機壓力的波動變化，分析管道氣流壓力脈動、壓縮機組共振等因素，以此為基礎(chǔ)確定往復式壓縮機組振動控制策略，為相關(guān)工程學科的振動研究提供了理論基礎(chǔ)。