[摘要]：氣流脈動是伴隨往復壓縮機的工作的一種特殊現象，是往復壓縮機管道振動主要原因。同時在往復壓縮機使用過程中需要經常進行氣量調節，包括驅動機變頻、壓開吸氣閥、可變余隙容積、回路閥組調節等多種方式，各種調節方式對氣流脈動也存在不同程度的影響。
[關鍵詞]：往復壓縮機；氣量調節；氣流脈動
中圖分類號：TH457 文獻標志碼：B
文章編號：1006-2971（2021）01-0032-04
1 引言
大型容積式往復壓縮機廣泛應用于煉油、化工的生產過程中。而煉油、化工裝置整體運行是一個動態平衡的過程，工藝流程的改變，耗氣設備的工況變化都會引起系統所需氣量的變化，所以經常有需要氣量調節的情況發生。
往復壓縮機特有的間歇式吸排氣工作原理，會導致其吸排氣氣流的速度、壓力產生波動，這種現象稱為氣流脈動。氣流脈動作用于管道則會引起管道振動，劇烈的管道振動會引起管道疲勞破壞，閥門、墊片密封失效等不利后果。因此，大型往復壓縮機管道內的氣流脈動狀態是否平穩，管道振動幅度是否過大是裝置平穩可靠運行十分關心的問題。而對壓縮機氣量進行調節的過程又往往會引起氣流脈動、管道振動狀態的變化。往復壓縮機作為裝置中的主要動設備，氣量調節有多種方式，主要調節方式有如下幾種：調節驅動設備轉數、調整氣缸余隙容積、改變吸氣閥工作狀態、操作氣體管路閥門。各種調節方式對管道內氣流脈動和管道的振動狀態的影響也各不相同。
2 調節驅動機改變氣量的影響
壓縮機的驅動機主要有電機、內燃機、汽輪機，其中內燃機和汽輪機在工藝氣壓縮機中使用較少，大型往復式工藝壓縮機的驅動機多為電機。調節電機的方式包括調整電機轉速，或是直接停機，前者用于單機調節，后者用于多臺壓縮機同時工作時的氣量調節。而用于調節大型往復壓縮機驅動用電機的轉速的變頻器價格較高，考慮到成本因素，往往在單機氣量調節時選用其他調節方式。而對于多臺壓縮機工作的情況，關停部分壓縮機的驅動機，可以直接調整系統氣量，這種方法在實際應用中使用較多。
2.1 變頻電機調整轉速對管線振動的影響，見圖1
由于電機轉數發生了改變，導致壓縮機的吸排氣頻率改變，管內氣流脈動的激振頻率隨之變化，氣流脈動引起的管線振動屬于受迫振動，而受迫振動的激振頻率對振動幅度是有很大影響的，如果改變后的氣流脈動頻率恰好與管道系統的某階自然頻率接近，甚至重合，則會引發共振。管道系統在壓縮機不同轉數的激振下可能存在多種不同的振動狀態，振動幅度和位置可能隨電機轉數的改變而改變。這種情況引發的管線振動可以通過調整支撐位置改變管道固有頻率，避免共振，進而消除特殊電機轉數對應的管道振動隱患。
例如某變頻電機驅動壓縮機，其電機轉數范圍為220~340 r/min之間，部分位置管線在流量調節時出現劇烈振動，經現場測試得到的振動數據可明顯看出管線振動與壓縮機轉數存在強烈的相關性。
2.2 關停部分壓縮機電機對管線振動的影響
對于多機工作關停部分壓縮機調整氣量的方式，對管道系統整體影響較大，多機同時工作時的氣流脈動不是簡單的單機氣流脈動的疊加，單機運行時良好的氣流脈動狀態，并不代表在多機同時運行時的氣流脈動也同樣良好，每一種工作組合都存在氣流脈動相互干擾，疊加，引起管道過度振動的可能。
由于壓縮機工作組方式復雜繁多，僅對某種組合優化的管道系統，可能在另外的工作組合時發生振動。這種情況如果僅有少數組合存在管線振動現象，而大部分情況下管系運行狀態穩定，則不建議對管道系統進行調整，盡量避免可能發生管道振動的壓縮機工作組合運行即可。
3 余隙容積調節改變氣量的影響
余隙容積調節是通過開啟余隙調節閥使氣缸工作腔與預先設定的補助余隙容積連通，增加余隙容積，使壓縮機的容積系數降低，進而減少壓縮機的排氣量。余隙容積調節包括固定余隙調節和可變余隙調節2種，區別在于補助余隙容積是否固定。對于固定余隙容積情況，也可以通過設置多個補助余隙容積，而實現多級調節功能。雖然余隙調節時單位氣量的軸功有所增加，但是壓縮機整體氣量降低，總功率隨之下降，因此余隙調節的經濟性較好，多在大、中型壓縮機使用過程中采用。
余隙調節是對壓縮機氣缸進行調節，只影響了氣缸的熱動力模型，并不影響排氣壓力、壓縮系數等指數。在實際運行過程中，往往與壓縮機滿負荷運行時的管道振動狀態類似，并不需要特殊處理。
4 調節氣閥改變氣量的影響
氣閥調節包括全行程壓開吸氣閥和部分行程壓開吸氣閥2種調節方式。壓開吸氣閥的過程中壓縮機空轉，對能量的消耗大幅減少，經濟性較好，因此在實際使用中應用較多。全行程壓開吸氣閥的調節方式只調整固定氣量，對于雙作用氣缸，壓開一側吸氣閥，調整的氣量約為總氣量的50%。部分行程壓開吸氣閥的調節方式可以實現無級調節。但全行程壓開吸氣閥的執行機構較簡單，且
成本低，而部分行程壓開吸氣閥的執行機構在成本上高很多。但是從長期使用的角度看，部分行程壓開吸氣閥的調節方式對能源的節約是十分可觀的。
4.1 全行程壓開吸氣閥對管線振動的影響
對于雙作用氣缸，全行程壓開一側吸氣閥后，使該側與進氣管線直接連通，作用等同于單作用氣缸的平衡段，氣缸形式相當于未壓開氣閥一側單作用。雙作用氣缸吸排氣引起的氣流脈動激振頻率為壓縮機驅動機轉數的2倍，而單作用氣缸引起的氣流脈動激振頻率與壓縮機驅動機轉動頻率一致。對管道內氣流脈動影響很大，吸排氣頻率為原氣缸工作時的1/2，多數情況下氣流脈動峰值增大，所需緩沖容積也相應增大。例如某壓縮機在正常工作時氣缸為雙作用，測得管線振動主頻為22 Hz，振動速度為8.3 mm/s，壓開蓋側吸氣閥后在管線同一位置測得振動主頻降為11 Hz，振動速度為14 mm/s。具體振動測試數據對比見圖2。
4.2 部分行程壓開吸氣閥對管線振動的影響
部分行程壓開氣閥的調節方式，不改變氣缸的作用形式，故不會改變氣流脈動的激振頻率。但是管內的氣流脈動狀態會受到影響，在彎頭、三通、異徑管等截面變化處的激振力有所改變。
4.3 壓開吸氣閥引起的管線振動的控制
壓開吸氣閥的氣量調節方式會對管道內的氣流脈動狀態有影響，增加孔板提供額外的氣流緩沖可以有效的改善氣流脈動，相應的管道振動問題也會得到控制。
5 調整氣體管線改變氣量的影響
調整氣體管線調節流量的方式，主要通過操作管線上所設置的閥門來實現。包括切斷進、排氣管線閥門、進排氣管線自由連通（回路管線閥門全開）、進排氣管線節流連通（回路管線閥門部分開啟） 等方式。進排氣管線自由連通多為壓縮機啟動時使用。
5.1 切斷進、排氣管線閥門對管線振動的影響
切斷進氣管線調節氣量的方式往往配合壓縮機停機使用，用于多臺壓縮機同時工作時的氣量調節。閥門是否啟閉直接影響了管道內氣體的氣柱幾何尺寸，進、排氣總管的氣流脈動模型發生了改變，可能存在氣柱共振，氣流脈動水平增加的可能。
5.2 進排氣管線節流連通
進排氣管線節流連通與部分行程壓開吸氣閥同樣可以實現氣量連續調節，經濟性相對部分行程壓開吸氣閥較差，但是該方式有很高的可靠性，實際應用中使用較多。采用進、排氣節流連通的調節方式時壓縮機主機工作狀態與額定工作狀態完全相同。但因為改變了管道內的流量配比，可能在局部引起氣流脈動條件變化，引發管道振動。
5.3 操作管線閥門調節流量引起的管道振動控制
操作管線閥門調節流量的氣量調節方式所引起的管道振動，往往是因為管道內的整體氣流脈動狀態被改變所引起的氣柱共振，局部脈動增大。如果采用增加孔板改變管內氣流脈動的方式無法獲得良好的減振效果，則應考慮重新進行管系的整體分析，更改管線走向布置以避免管道的過度振動。
6 結語
由于不同的氣量調節方式對氣流脈動的影響有所差別，需要針對具體氣量調整方式對受影響的管線部分進行調整，加固，甚至重新設計管線。由于影響管線振動的因素較多，必須結合現場實際情況采用針對性的減振措施才能使管線振動水平控制在合理范圍內。
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本文作者：劉守信，劉冬，王德帥，韓福利（沈陽鼓風機集團股份有限公司，遼寧沈陽110869）
作者簡介：劉守信（1985-），男，工程師，本科，2007年畢業于大連理
工大學工程力學系，現在沈陽鼓風機集團往復機有限公司從事往復壓縮機工藝氣管線氣流脈動管道振動分析工作。
