ZQ14081601:往复式压缩机管道设计

2022-11-01

往复式压缩机是一种容积式压缩机, 其工作原理是将一定容积的气体不断吸入、排出密闭空间, 来回作往复运动, 从而压缩气体, 使气体压力达到工艺要求。往复式压缩机有诸多优点, 如:热效率高、加工方便、适用范围广、制造技术成熟, 是石油化工、空分等领域中最重要的设备之一。但往复式压缩机的操作具有间歇性, 气流参数呈周期性变化, 极易造成进出口管道振动。因此在压缩机的管道设计过程中, 除了需要满足工艺要求外, 布管还需要满足防振要求, 这就增加了管道设计的复杂性, 在这里我们将一一进行探讨。

1 压缩机布局设计

1.1 厂房的设置及压缩机的位置设计

一般大型压缩机组的厂房有敞开式厂房、封闭式厂房以及半敞开式厂房三种, 在设计过程中需要根据压缩介质、防爆等级来确定选用何种形式的厂房。若压缩机机组较为复杂, 可将厂房建造成多层, 每层高度根据压缩机尺寸和安装时所采用吊车的形式而定。对于往复式压缩机, 要尽量减少其振动因素, 所以最好降低压缩机组的布置高度, 提高经济性。

压缩机处理的是高压气体流, 在位置设计中需要考虑其安全性、可操作性及可维修性, 因此其位置布置需要慎重。首先压缩机位置的设计要符合工艺流程, 同时还需要将整个机组与供电、供水系统合理配置, 尽量使管路管线简洁大方。机组距离墙壁不应小于2米, 这样才能满足驱动机转子或压缩机曲轴、活塞的抽出要求;在机组的一侧最好设置一块检修用的空地, 其容量大小以能同时放置两三台压缩机为宜。

1.2 往复式压缩机布管原则

往复式压缩机在布管时, 要注意将管道设计得短而直, 尽量减少弯头的使用;当有多台压缩机同时布局时, 最好将进出口管道的仪表、阀门等安排在易于接近的同一方向上, 这样方便生产操作[1]。往复式压缩机的管道防振是必须考虑的一方面, 因此管道应尽量布置在低处, 并且要布置在刚性地基上。若压缩机内介质为易燃、易爆或高压、高污染的气体, 管道低点排凝、高点放空, 在布置时要采用闸阀、丝堵、管帽或是双阀、法兰盖, 以防止气体泄露, 并且在机组周围进行埋砂, 减少气体凝聚。

2 往复式压缩机进出口管道设计

2.1 入口分液罐的位置设计

在往复式压缩机的入口一般都设有入口分液罐, 其主要作用是用来调节气体流量的, 同时也将气体中夹带的微小液滴在罐中自然沉降, 降低液沫夹带现象, 确保气体稳定进入压缩机内。压缩机与入口分液罐之间的距离不得过大, 否则会导致气流进入压缩机不稳定, 造成压缩机进口管道不断振动。因此在在分液罐位置布置时, 要使其靠近压缩机, 这样不但减缓了振动, 还能保证压缩机进口压力降较小, 有效地防止了凝液进入气缸, 有利于后续操作。

2.2 压缩机进出口管道设计

大中型往复式压缩机组大多数采用二层设计, 将机组主体放置在二楼, 而油站、辅机等布置在楼下。其中机组的管道布置分两种情况:管道架空布置和地面布置。前者主要是为了防止管内积液, 将进出口的支架都设计得比较高, 这样也增大了机组的操作空间, 方便巡检, 但对支架的刚度要求较高, 造价和费用也相应较高。地面布置是目前生产中采用较多的情况, 即在地面铺设管墩, 再将管道架设在管墩上。这种设计有利于管道防振, 但使用的弯头较多, 弯头处易产生积液, 因此, 采用地面布置时最好增设排液系统[2]。

2.3 压缩机管道支架设计

压缩机管道的支架设计是管道设计中比较关键的一个环节, 下面我们详细的进行讨论分析。

2.3.1 支架刚度。

大部分管道的支架都采用的独立支架, 因此支架必须满足一定刚度要求, 否则支架会随着管道的振动一起振动, 不利于压缩机组长久运行。可以从两个方面来增强支架的刚度:降低支架高度和增加支架重量。一般而言, 支架越高则刚度越低, 若高度已经固定, 则可以通过增加混凝土基础来增加支架重量, 从而减少管道振动。

2.3.2 支架间距。

一般支架间距是通过振动计算而定, 先计算出管道的固有频率和振幅, 再根据设计原则逐项分析支架的间距设计是否合格。

2.3.3 支架型式。

不同型式的管道支架有不同的刚度和承重大小, 因此在管道设计时需要考虑支架的型式。在压缩机的进出口处, 气体温度高于常温, 为了满足管道热膨胀补偿, 一般不采用完全固定式支架, 而采用防振管卡作为主体支架。防振管卡允许管道在轴向有一定位移, 而且能够有效地防止管道高频振动。

3 往复式压缩机管道振动及防振设计

3.1 振动原因分析

由于压缩机的吸气、排气具有周期性, 由此造成管道中气体具有脉动性, 即压力、流速、密度等周期性变化。脉动的气流在管道运输过程中遇到弯头、阀门等元器件就会产生脉动的激振力, 从而导致管道也随气流一起振动。振动是往复式压缩机运行过程中最常见的故障, 若机组振动过大会极大影响压缩机的正常运行, 如:气阀无法正常开闭、管件疲劳破坏、接口易泄漏等, 如果压缩机的工作介质是易燃易爆气体, 就会酿成爆炸、火灾等重大事故。

管道与机组共振也是引发管道振动的原因之一[3]。压缩机的往复运动会造成机组来回振动, 若该振动的频率与管道的固有频率一致或接近 (一般在0.8-1.2倍之间) , 就会产生共振。共振具有极大的破坏力, 会严重损坏机组设备, 因此在管路设计时要注意避开机组的振动频率。

3.2 消除压力脉动防振

管道的振动在很大程度上取决于机组的设计以及缓冲罐的大小。根据API618的相关规定, 管道设计单位只负责配管设计和配管布置, 由厂家对其方案进行振动分析。振动分析包括对气流脉动响应的计算, 分析气流脉动沿管道的分布规律, 采取相应措施以消除压力脉动。最常见的就是给压缩机组配备附属设备如缓冲罐, 能大幅度减小压力脉动。

3.3 尽量避免管道机械共振

在工程上将系统振动频率的0.8-1.2倍范围称为共振区, 当管道的固有频率处于机组的共振区之内时, 管道的振幅会成倍地增大, 这就严重影响了管道的正常使用。机组的振动频率是固定无法更改的, 因此只有调整管道的固有频率。管道的管径、壁厚、管路走向以及管道支撑都能改变管道的固有频率, 但通常管径、壁厚是由工艺条件确定的, 不易更改;管路走向受机组空间限制, 也不便调整;因此简单有效的方法就是通过增减管道支撑数目、改变支撑间距来改变管道的固有频率。一般支架间距宜小不宜大, 最好将支架设计成不等距支撑, 这样在一定程度上就能避免管道的机械共振。

3.4 改变压缩机进出口管路结构防振

改变压缩机的管路结构能够有效地减少振动。首先, 通过调整管路的长度, 尽量使用较短管, 就能避免压缩机与管道出现大幅度的振动现象。其次, 要尽量减少激振源来消减振动。激振主要来源于管路中的拐弯、分支、节流元件等, 因此在管路设计中, 除了需要满足静力分析的要求, 还要做到少拐弯、少分支, 各个管路要衔接得当, 不使用变径管件, 若不可避免的需要采用异径接头, 则做好角度收缩计算。

4 结语

往复式压缩机自身周期性吸气、排气的特点决定了管道内气流具有脉动性, 但导致压缩机进出口管道振动还有其他各方面的原因。因此, 在进行管道设计时, 不但要满足配管的工艺计算、安全防火等相关规定之外, 防振设计也是其中最重要的一个环节。在设计中尽量避免共振现象的发生, 要将管道的防振设计与平面布置相结合, 使得管道支架设置合理、管路布置简单, 并通过反复计算和调整, 减缓管道振动, 提高管道运行的安全性能。

摘要：往复式压缩机应用广泛、技术成熟, 但其进出口管道极易产生振动现象。本文结合实践经验, 对压缩机组的整体布局以及布管原则进行了探讨, 同时对入口液罐、进出口管道和管道支架的设计进行了简要介绍, 对管道的振动原因及防振措施做出了详细介绍, 提出了要将管道振动控制在合理范围之内。

关键词：往复式压缩机,管道设计,进出口管道,防振设计