【壓縮機網(wǎng)】1 引言
隨著我國天然氣應用戰(zhàn)略的展開，已有越來越多儲氣庫開始進入建設(shè)和投運階段。往復壓縮機作為儲氣庫建設(shè)和運營的主要設(shè)備，具有功率大，壓力高，調(diào)節(jié)范圍廣等特點，對儲氣庫項目建設(shè)和運營的成敗具有關(guān)鍵影響作用。
目前，往復壓縮機組的成撬設(shè)計往往只普遍關(guān)注到對其脈動振動控制的要求，對其管道柔性則重視不太夠。在API 618第五版方法三（即第四版的M2-M7）中，對往復壓縮機系統(tǒng)的氣流脈動和機械振動分析提出了詳細要求，但對機組的管道柔性分析（即API 618第四版中的M11）要求則描述不多，僅在方法二中以注釋形式提出。然而，機組現(xiàn)場運行實踐表明，即使脈動振動控制滿足要求，但如管道布置柔性不好、引起設(shè)備和管道熱應力過大，嚴重時會損壞設(shè)備管嘴和管道支撐，導致機組系統(tǒng)不能正常運行。因此，管道柔性分析在往復壓縮機成撬設(shè)計中不能忽視。特別是對儲氣庫大功率往復壓縮機組，因其功率大、排壓高、排溫高，管道柔性問題更加突出，故更應受到特別重視和應用，以保證儲氣庫大功率往復壓縮機組的安全運行。
從技術(shù)上來看，控制機組設(shè)備和管道的脈動振動和保證其柔性要求是相互矛盾的。比如說，增加設(shè)備和管道的支撐約束可以幫助抑制振動，但卻同時降低了系統(tǒng)柔性。減少支撐約束可以增加系統(tǒng)柔性，但卻同時增加了系統(tǒng)振動風險。因此，在保證機組滿足振動控制要求的提前下，同時滿足系統(tǒng)柔性要求，就需要對機組進行優(yōu)化設(shè)計。
本文以某儲氣庫大功率往復壓縮機組（4500 kW、6個氣缸、三級壓縮、電機驅(qū)動）的三級進氣緩沖罐的設(shè)計改進為例，說明該優(yōu)化設(shè)計方法、過程和應用，為儲氣庫大功率壓縮機組的成撬優(yōu)化設(shè)計提供技術(shù)參考。
2 三級進氣緩沖罐優(yōu)化設(shè)計
在某儲氣庫大功率六缸三級注氣壓縮機組的成撬設(shè)計中，采用了以2個三級氣缸對稱布置在壓縮機身兩側(cè)，一個三級進氣緩沖罐跨中布置的設(shè)計，如圖1所示。此設(shè)計在滿足氣流脈動和機械振動控制的同時，具有布局較為整潔的優(yōu)點。但是，進一步分析發(fā)現(xiàn)，此三級進氣緩沖罐跨中布置，緩沖罐2個管嘴距離較遠。由于壓縮機身、中體和氣缸的運行溫度較高，而緩沖罐運行溫度較低，由它們之間的溫度差形成的熱膨脹位移差在2個緩沖罐管嘴會產(chǎn)生很大的拉應力?？紤]到氣缸中還存在交變氣體力作用，因此，緩沖罐管嘴處會出現(xiàn)顯著的交變疲勞應力，容易引起緩沖罐管嘴破裂。為此，本文提出了將該跨中布置的三級進氣緩沖罐改為使用2個單獨的三級緩沖罐的優(yōu)化方案，如圖2所示。該方案顯著增加了三級進氣緩沖罐及管嘴系統(tǒng)的柔性。分析結(jié)果表明此優(yōu)化設(shè)計即滿足了系統(tǒng)的振動控制要求，又滿足了系統(tǒng)柔性要求，同時避免了系統(tǒng)振動和三級進氣緩沖罐管嘴破裂的風險。
3 三級進氣緩沖罐優(yōu)化設(shè)計分析
3.1 脈動分析
對比三級進氣緩沖罐改進前后的氣流脈動和機械振動分析結(jié)果，可以看出原設(shè)計方案和改進后的方案都滿足API 618氣流脈動分析和機械振動分析要求。盡管改進后在三級進氣緩沖罐上的氣流脈動不平衡力有所增加，但是通過在罐體上采取機械振動控制措施，機械振動水平也可控制在標準要求范圍之內(nèi)。圖3和圖4顯示了三級進氣緩沖罐在改進前后受到的氣流脈動不平衡力分析結(jié)果，圖5和圖6顯示了改進前后的機械振動受迫響應分析結(jié)果。
3.2 疲勞應力分析
當原方案使用一個跨中布置的三級進氣緩沖罐時，由于溫度差帶來的熱膨脹在管嘴接管處產(chǎn)生了很大的拉力。圖7顯示了有限元計算的管嘴接管在熱膨脹拉力作用下的VonMises應力分布，圖8顯示了管嘴接管在氣體交變力作用下的VonMises應力分布，表1列出了管嘴與筒體連接處的局部應力分析結(jié)果和疲勞強度評估結(jié)果。結(jié)合溫度敏感性分析結(jié)果可以看出，最大拉應力位于緩沖罐管嘴和筒體連接的焊縫處，其應力值超過了材料的屈服極限，綜合考慮交變應力作用，其疲勞強度評估安全系數(shù)小于2.0的標準要求，存在開裂危險。
當采用2個三級進氣緩沖罐后，緩沖罐與2個氣缸在軸向方向上熱變形不再互相制約，導致作用在管嘴接管上的熱膨脹向外拉力大幅降低。圖9顯示了管嘴接管在熱膨脹拉力作用下的VonMises應力分布，圖10顯示了管嘴接管在氣體交變力作用下的VonMises應力分布，表2列出了管嘴接管的應力分析和疲勞強度分析結(jié)果。從結(jié)果可以看出，采用優(yōu)化設(shè)計方案后，三級進氣緩沖罐管嘴接管上的熱膨脹拉應力大幅降低，低于材料的許用和屈服強度，接管的疲勞強度評估安全系數(shù)大于2.0的標準要求，接管開裂的隱患隨之消除。
3.3 三級進氣緩沖罐管改進前后分析結(jié)果比較
表3列出了三級進氣緩沖罐設(shè)計改進前后的API 618分析結(jié)果對比。可以看出，改進前的三級緩沖罐設(shè)計滿足了氣流脈動和機械振動要求，但不滿足柔性分析要求。三級進氣緩沖罐在溫度差的作用下，其管嘴處產(chǎn)生有很大的拉應力，疲勞強度安全系數(shù)僅為0.78。采用本文提出的改進設(shè)計方案后，三級進氣緩沖罐在滿足API 618關(guān)于氣流脈動和機械振動要求的同時，滿足柔性分析要求，其管嘴處的拉應力水平大幅下降，疲勞強度評估安全系數(shù)達到4.79，保證了緩沖罐管嘴安全以及整個機組的安全運行要求。
4 結(jié)論
在往復壓縮機成撬設(shè)計中，僅僅考慮滿足機組振動控制要求；不考慮系統(tǒng)柔性要求，有時會導致機組設(shè)備和管道系統(tǒng)中出現(xiàn)高的疲勞熱應力，影響機組安全運行。但同時考慮滿足機組振動控制要求和系統(tǒng)柔性要求，從技術(shù)上來看有一定難度，因為這是2個相互矛盾的要求。為此，在壓縮機成撬設(shè)計中，特別是儲氣庫大功率往復壓縮機組的成撬設(shè)計，就需要對機組進行優(yōu)化設(shè)計，以期達到同時滿足這2個要求的目的。
本文以三級進氣緩沖罐管設(shè)計改進實例，說明該優(yōu)化設(shè)計方法的應用，為提高儲氣庫大功率往復式壓縮機成撬設(shè)計水平以及保證儲氣庫壓縮機組安全性提供了技術(shù)參考。
參考文獻：
[1] 劉靜，吳比，李天鵬，等.往復壓縮機緩沖罐靜動態(tài)應力有限元計算和疲勞強度評估[J].壓縮機技術(shù)，2018，1：23-26.
[2] 徐宜桂，孫成憲，盧福志，等.往復式壓縮機組API618分析設(shè)計方法[J].壓縮機，2017，1：122-128.
[3] API 618，Reciprocating Compressors for Petroleum，Chem原
ical，and Gas Industry Services，American Petroleum Insti原tute，2007.
[4] ASME B31.3 Process Piping：Code for Pressure Piping.New York：ASME，2016.
[5] ASME Boiler & Pressure Vessel Code VIII，Div.2.Alternate Rules.New York：ASME，2013.
[6] J.L.Mershon，K.Mokhtarian，G.V.Ranjan，E.C.Rodabaugh，Local Stresses in Cylindrical Shells Due To External Loadings On Nozzles -Supplement to WRC Bulletin No. 107，Welding Reserch Council.Inc.，1984.
[7] R.C.Juvinall and K.M Marshek，F(xiàn)undamentals of Machine
Component Design，2nd Ed，John Wiley and Sons.wei.
來源：壓縮機技術(shù)
隨著我國天然氣應用戰(zhàn)略的展開，已有越來越多儲氣庫開始進入建設(shè)和投運階段。往復壓縮機作為儲氣庫建設(shè)和運營的主要設(shè)備，具有功率大，壓力高，調(diào)節(jié)范圍廣等特點，對儲氣庫項目建設(shè)和運營的成敗具有關(guān)鍵影響作用。
目前，往復壓縮機組的成撬設(shè)計往往只普遍關(guān)注到對其脈動振動控制的要求，對其管道柔性則重視不太夠。在API 618第五版方法三（即第四版的M2-M7）中，對往復壓縮機系統(tǒng)的氣流脈動和機械振動分析提出了詳細要求，但對機組的管道柔性分析（即API 618第四版中的M11）要求則描述不多，僅在方法二中以注釋形式提出。然而，機組現(xiàn)場運行實踐表明，即使脈動振動控制滿足要求，但如管道布置柔性不好、引起設(shè)備和管道熱應力過大，嚴重時會損壞設(shè)備管嘴和管道支撐，導致機組系統(tǒng)不能正常運行。因此，管道柔性分析在往復壓縮機成撬設(shè)計中不能忽視。特別是對儲氣庫大功率往復壓縮機組，因其功率大、排壓高、排溫高，管道柔性問題更加突出，故更應受到特別重視和應用，以保證儲氣庫大功率往復壓縮機組的安全運行。
從技術(shù)上來看，控制機組設(shè)備和管道的脈動振動和保證其柔性要求是相互矛盾的。比如說，增加設(shè)備和管道的支撐約束可以幫助抑制振動，但卻同時降低了系統(tǒng)柔性。減少支撐約束可以增加系統(tǒng)柔性，但卻同時增加了系統(tǒng)振動風險。因此，在保證機組滿足振動控制要求的提前下，同時滿足系統(tǒng)柔性要求，就需要對機組進行優(yōu)化設(shè)計。
本文以某儲氣庫大功率往復壓縮機組（4500 kW、6個氣缸、三級壓縮、電機驅(qū)動）的三級進氣緩沖罐的設(shè)計改進為例，說明該優(yōu)化設(shè)計方法、過程和應用，為儲氣庫大功率壓縮機組的成撬優(yōu)化設(shè)計提供技術(shù)參考。
2 三級進氣緩沖罐優(yōu)化設(shè)計
在某儲氣庫大功率六缸三級注氣壓縮機組的成撬設(shè)計中，采用了以2個三級氣缸對稱布置在壓縮機身兩側(cè)，一個三級進氣緩沖罐跨中布置的設(shè)計，如圖1所示。此設(shè)計在滿足氣流脈動和機械振動控制的同時，具有布局較為整潔的優(yōu)點。但是，進一步分析發(fā)現(xiàn)，此三級進氣緩沖罐跨中布置，緩沖罐2個管嘴距離較遠。由于壓縮機身、中體和氣缸的運行溫度較高，而緩沖罐運行溫度較低，由它們之間的溫度差形成的熱膨脹位移差在2個緩沖罐管嘴會產(chǎn)生很大的拉應力?？紤]到氣缸中還存在交變氣體力作用，因此，緩沖罐管嘴處會出現(xiàn)顯著的交變疲勞應力，容易引起緩沖罐管嘴破裂。為此，本文提出了將該跨中布置的三級進氣緩沖罐改為使用2個單獨的三級緩沖罐的優(yōu)化方案，如圖2所示。該方案顯著增加了三級進氣緩沖罐及管嘴系統(tǒng)的柔性。分析結(jié)果表明此優(yōu)化設(shè)計即滿足了系統(tǒng)的振動控制要求，又滿足了系統(tǒng)柔性要求，同時避免了系統(tǒng)振動和三級進氣緩沖罐管嘴破裂的風險。
3 三級進氣緩沖罐優(yōu)化設(shè)計分析
3.1 脈動分析
對比三級進氣緩沖罐改進前后的氣流脈動和機械振動分析結(jié)果，可以看出原設(shè)計方案和改進后的方案都滿足API 618氣流脈動分析和機械振動分析要求。盡管改進后在三級進氣緩沖罐上的氣流脈動不平衡力有所增加，但是通過在罐體上采取機械振動控制措施，機械振動水平也可控制在標準要求范圍之內(nèi)。圖3和圖4顯示了三級進氣緩沖罐在改進前后受到的氣流脈動不平衡力分析結(jié)果，圖5和圖6顯示了改進前后的機械振動受迫響應分析結(jié)果。
3.2 疲勞應力分析
當原方案使用一個跨中布置的三級進氣緩沖罐時，由于溫度差帶來的熱膨脹在管嘴接管處產(chǎn)生了很大的拉力。圖7顯示了有限元計算的管嘴接管在熱膨脹拉力作用下的VonMises應力分布，圖8顯示了管嘴接管在氣體交變力作用下的VonMises應力分布，表1列出了管嘴與筒體連接處的局部應力分析結(jié)果和疲勞強度評估結(jié)果。結(jié)合溫度敏感性分析結(jié)果可以看出，最大拉應力位于緩沖罐管嘴和筒體連接的焊縫處，其應力值超過了材料的屈服極限，綜合考慮交變應力作用，其疲勞強度評估安全系數(shù)小于2.0的標準要求，存在開裂危險。
當采用2個三級進氣緩沖罐后，緩沖罐與2個氣缸在軸向方向上熱變形不再互相制約，導致作用在管嘴接管上的熱膨脹向外拉力大幅降低。圖9顯示了管嘴接管在熱膨脹拉力作用下的VonMises應力分布，圖10顯示了管嘴接管在氣體交變力作用下的VonMises應力分布，表2列出了管嘴接管的應力分析和疲勞強度分析結(jié)果。從結(jié)果可以看出，采用優(yōu)化設(shè)計方案后，三級進氣緩沖罐管嘴接管上的熱膨脹拉應力大幅降低，低于材料的許用和屈服強度，接管的疲勞強度評估安全系數(shù)大于2.0的標準要求，接管開裂的隱患隨之消除。
3.3 三級進氣緩沖罐管改進前后分析結(jié)果比較
表3列出了三級進氣緩沖罐設(shè)計改進前后的API 618分析結(jié)果對比。可以看出，改進前的三級緩沖罐設(shè)計滿足了氣流脈動和機械振動要求，但不滿足柔性分析要求。三級進氣緩沖罐在溫度差的作用下，其管嘴處產(chǎn)生有很大的拉應力，疲勞強度安全系數(shù)僅為0.78。采用本文提出的改進設(shè)計方案后，三級進氣緩沖罐在滿足API 618關(guān)于氣流脈動和機械振動要求的同時，滿足柔性分析要求，其管嘴處的拉應力水平大幅下降，疲勞強度評估安全系數(shù)達到4.79，保證了緩沖罐管嘴安全以及整個機組的安全運行要求。
4 結(jié)論
在往復壓縮機成撬設(shè)計中，僅僅考慮滿足機組振動控制要求；不考慮系統(tǒng)柔性要求，有時會導致機組設(shè)備和管道系統(tǒng)中出現(xiàn)高的疲勞熱應力，影響機組安全運行。但同時考慮滿足機組振動控制要求和系統(tǒng)柔性要求，從技術(shù)上來看有一定難度，因為這是2個相互矛盾的要求。為此，在壓縮機成撬設(shè)計中，特別是儲氣庫大功率往復壓縮機組的成撬設(shè)計，就需要對機組進行優(yōu)化設(shè)計，以期達到同時滿足這2個要求的目的。
本文以三級進氣緩沖罐管設(shè)計改進實例，說明該優(yōu)化設(shè)計方法的應用，為提高儲氣庫大功率往復式壓縮機成撬設(shè)計水平以及保證儲氣庫壓縮機組安全性提供了技術(shù)參考。
參考文獻：
[1] 劉靜，吳比，李天鵬，等.往復壓縮機緩沖罐靜動態(tài)應力有限元計算和疲勞強度評估[J].壓縮機技術(shù)，2018，1：23-26.
[2] 徐宜桂，孫成憲，盧福志，等.往復式壓縮機組API618分析設(shè)計方法[J].壓縮機，2017，1：122-128.
[3] API 618，Reciprocating Compressors for Petroleum，Chem原
ical，and Gas Industry Services，American Petroleum Insti原tute，2007.
[4] ASME B31.3 Process Piping：Code for Pressure Piping.New York：ASME，2016.
[5] ASME Boiler & Pressure Vessel Code VIII，Div.2.Alternate Rules.New York：ASME，2013.
[6] J.L.Mershon，K.Mokhtarian，G.V.Ranjan，E.C.Rodabaugh，Local Stresses in Cylindrical Shells Due To External Loadings On Nozzles -Supplement to WRC Bulletin No. 107，Welding Reserch Council.Inc.，1984.
[7] R.C.Juvinall and K.M Marshek，F(xiàn)undamentals of Machine
Component Design，2nd Ed，John Wiley and Sons.wei.
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