往復(fù)壓縮機(jī)及其管路系統(tǒng)氣流脈動(dòng)抑制方法研究.pdf

1、往復(fù)壓縮機(jī)普遍用于石油化工、冶金及航空國(guó)防等領(lǐng)域，是制造行業(yè)必不可少的能源裝備。由于壓縮機(jī)活塞間歇性、周期性的進(jìn)排氣方式，導(dǎo)致機(jī)體及其管路系統(tǒng)存在氣流脈動(dòng)。脈動(dòng)的氣流周期性地沖擊設(shè)備和管系，直接引發(fā)結(jié)構(gòu)振動(dòng)。目前，隨著往復(fù)壓縮機(jī)的廣泛使用，因氣流脈動(dòng)激發(fā)的管路振動(dòng)問(wèn)題頻發(fā)。雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者為了有效遏制管內(nèi)氣流的脈動(dòng)，開(kāi)展了相應(yīng)的理論研究并提出一些抑制方法。但由于現(xiàn)場(chǎng)工況復(fù)雜，工藝要求多變，由氣流脈動(dòng)引發(fā)的管系振動(dòng)問(wèn)題往往具有其特定的原因及

2、工程背景，很難一概而論，這就使得對(duì)往復(fù)壓縮機(jī)及其管系氣流脈動(dòng)的抑制效果并不理想。在我國(guó)因氣流脈動(dòng)造成的管路振動(dòng)問(wèn)題仍比較普遍，并伴隨有毒有害、易燃易爆氣體的泄漏、管系支撐斷裂，甚而造成嚴(yán)重的爆炸事故。同時(shí)，大型工藝壓縮機(jī)及其附屬設(shè)備體積較為龐大，支撐地基多為水泥澆筑結(jié)構(gòu)，因而大大增加了改造難度。因此，本文圍繞現(xiàn)場(chǎng)廣泛存在的往復(fù)壓縮機(jī)及其管系氣流脈動(dòng)問(wèn)題，提出具有針對(duì)性的脈動(dòng)抑制方法和抑制結(jié)構(gòu)，開(kāi)展了更加深入的理論及實(shí)驗(yàn)研究，并將抑制方法

3、應(yīng)用于工程實(shí)踐，證明了所提出方法和結(jié)構(gòu)的有效性。本文具體研究?jī)?nèi)容如下:
　　(1)單容結(jié)構(gòu)壓力脈動(dòng)抑制特性研究。提出回流膨脹腔平面波阻抗理論，構(gòu)建多種進(jìn)排氣形式單容結(jié)構(gòu)動(dòng)力傳遞數(shù)學(xué)模型，研究緩沖容器空間排布方式對(duì)管系壓力脈動(dòng)的影響規(guī)律，為現(xiàn)場(chǎng)合理選擇容器配置及管系布局提供理論指導(dǎo)。提出基于粒子群優(yōu)化算法的壓力脈動(dòng)快速數(shù)值解法，結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究和三維瞬態(tài)數(shù)值模擬，證明了所構(gòu)建動(dòng)力傳遞模型的正確性，驗(yàn)證該數(shù)值解法能夠?qū)崿F(xiàn)全管系脈動(dòng)壓力分布

4、趨勢(shì)及數(shù)值預(yù)測(cè)，且具有較高的求解精度和迭代速度。研究結(jié)果表明，同等容積下軸向進(jìn)氣徑向排氣式單容結(jié)構(gòu)壓力脈動(dòng)抑制能力相對(duì)突出。在此基礎(chǔ)上揭示了特征結(jié)構(gòu)參量對(duì)徑向排氣式單容脈動(dòng)抑制的影響規(guī)律，有利于充分發(fā)揮容器脈動(dòng)抑制效果，指導(dǎo)工程實(shí)踐。
　　(2)內(nèi)置元件雙級(jí)膨脹腔結(jié)構(gòu)壓力脈動(dòng)抑制特性研究。基于內(nèi)置孔板及內(nèi)置濾波管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及抑制原理，提出內(nèi)置多孔穿孔管雙級(jí)膨脹腔結(jié)構(gòu)，有效解決因成本及空間限制，導(dǎo)致緊湊型往復(fù)壓縮機(jī)進(jìn)排氣接口附近緩沖

5、容器容積過(guò)小，壓力脈動(dòng)抑制效果受限或無(wú)效等現(xiàn)場(chǎng)存在的實(shí)際問(wèn)題，充分提高管系原有單容緩沖器的脈動(dòng)抑制能力。為評(píng)價(jià)裝置脈動(dòng)抑制效果，深入分析脈動(dòng)抑制特性，構(gòu)造裝置所在管系氣流脈動(dòng)動(dòng)力傳遞數(shù)學(xué)模型，預(yù)測(cè)管系脈動(dòng)壓力分布趨勢(shì)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證理論模型的正確性，證明在保持管系布局的前提下，內(nèi)置元件普遍適用于管系原有單容緩沖器的結(jié)構(gòu)改造和抑制能力的提高。研究結(jié)果進(jìn)一步表明，內(nèi)置多孔穿孔管雙級(jí)膨脹腔結(jié)構(gòu)所在管系壓力脈動(dòng)抑制率相對(duì)于內(nèi)置孔板和內(nèi)置濾波管

6、雙級(jí)膨脹腔結(jié)構(gòu)所在管系平均可提高20％左右。
　　(3)雙容結(jié)構(gòu)壓力脈動(dòng)抑制特性研究。提出雙容串聯(lián)結(jié)構(gòu)，解決因現(xiàn)場(chǎng)空間緊湊，緩沖容器遠(yuǎn)離壓縮機(jī)布置而制約脈動(dòng)抑制能力的具體問(wèn)題，避免過(guò)高的壓降損失以及因更換大體積單容而增大制造成本。通過(guò)構(gòu)造氣流脈動(dòng)傳遞數(shù)學(xué)模型，深入分析雙容串聯(lián)結(jié)構(gòu)壓力脈動(dòng)抑制特性及原理，采用實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬的方法，充分驗(yàn)證了全管系壓力脈動(dòng)傳遞綜合模型的正確性。基于軸向進(jìn)氣徑向排氣單容對(duì)氣流脈動(dòng)的抑制優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步提

7、出彎頭式雙容結(jié)構(gòu)，有效應(yīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)因空間問(wèn)題無(wú)法采取雙容串聯(lián)改造方法的特殊情況。構(gòu)建脈動(dòng)傳遞數(shù)學(xué)模型，經(jīng)對(duì)比分析證明了彎頭式雙容結(jié)構(gòu)可使管系始末兩端點(diǎn)脈動(dòng)壓力峰峰值分別較雙容串聯(lián)結(jié)構(gòu)降低41.37％和27.37％，實(shí)現(xiàn)管系脈動(dòng)的高效抑制。采用脈沖響應(yīng)法對(duì)管系輸入理論掃頻激勵(lì)，求解管系對(duì)沖擊脈動(dòng)的響應(yīng)分布;同時(shí)分析了裝置壓力波透射特性，驗(yàn)證彎頭式雙容氣流脈動(dòng)抑制方法的可行性，為實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用提供可靠的理論依據(jù)。
　　(4)氣流脈動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究

8、。采用較大功率對(duì)置式雙作用往復(fù)壓縮機(jī)作為激勵(lì)源，搭建了與現(xiàn)場(chǎng)等規(guī)模實(shí)驗(yàn)臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)壓縮機(jī)級(jí)間管路系統(tǒng)氣流脈動(dòng)傳遞行為的真實(shí)模擬。使用16通道高速同步采集系統(tǒng)，通過(guò)在測(cè)試管系上均布?jí)毫鞲衅?，采集測(cè)點(diǎn)壓力信號(hào)，基于時(shí)、頻域分析方法掌握全管系氣流脈動(dòng)分布情況，有利于對(duì)本課題理論研究結(jié)果進(jìn)行合理、有效驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)并加工帶冗余接口的多用途脈動(dòng)抑制模塊，實(shí)現(xiàn)了不同內(nèi)件的自由組合和多種容器布置形式，為將抑制方法有效投入現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及指導(dǎo)實(shí)踐提供支撐

9、。
　　(5)脈動(dòng)抑制方法在工程實(shí)踐中的應(yīng)用。將本課題提出的抑制方法運(yùn)用于工程實(shí)踐，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)解決因氣流脈動(dòng)引起的往復(fù)壓縮機(jī)及其管路系統(tǒng)振動(dòng)問(wèn)題。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況及工藝要求，構(gòu)建理論模型，分析全管系氣流脈動(dòng)情況，并結(jié)合本課題提出的抑制結(jié)構(gòu)制定具體減振方案。經(jīng)改造后壓縮機(jī)機(jī)體運(yùn)行平穩(wěn)，管路系統(tǒng)振動(dòng)顯著下降，從而證明了本文研究方法及抑制結(jié)構(gòu)能夠有效地解決現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際存在的氣流脈動(dòng)問(wèn)題。
　　綜合分析工程現(xiàn)場(chǎng)廣泛存在的往復(fù)壓縮機(jī)及其管系