第47卷第2期
2018 年 4 月
船海工程
V547 1〇.2
SHIP & OCEAN ENGINEERING Apr. 2018
D01：10.3963/j.issn. 1671-7953.2018.02.031
海洋钻采平台往复压缩机气流脉动和管道振动分析
戚蒿1 !周声结2 !李天斌2 !钱程1 !曹颜玉3 !樊文斌3
(1.
中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司，广东湛江524057 $
2. 3.
中海石油（中国）有限公司湛江分公司，广东湛江524057 $海洋石油工程股份有限公司特种设备公司，天津300451)
摘要:考虑到往复式压缩机固有的机械振动特性，为了保证压缩机组在海洋平台上的稳定运行，采用平
面波动理论和转移矩阵法，分析压缩机管道系统的气流脉动和管道振动，对管路、进口洗涤罐、缓冲罐及换热 器等进行设计优化，有效避免了压缩机管道系统在不同操作工况下的气柱和管路机械共振问题，实现了在设 计阶段对压缩机振动问题进行有效控制的目的。
关键词:往复压缩机;气流脉动;管道振动;固有频率;共振中图分类号：U674.38
文献标志码:A
文章编号：1671-7953(2018)02-0119C4
螺杆式和往复式压缩机作为海洋钻采平台上 重要的增压设备，应用较为广泛和成熟，但其振动 控制问题仍是压缩机选型设计中的难点[1]。螺 杆式压缩机的振动很大程度上取决于转动动平 衡、转子啮合、进排气脉动及轴承支撑等，一般通 过优选减振器、进排气口安装金属减振接管、增强 机组底座刚度等措施控制机组振动[2]。往复式 压缩机管道内的气体随时间作周期性气流脉动， 脉动气流遇到弯头、三通、调节阀等将产生随时间 变化的激振力，受此激振力的作用，管道会产生一 定的机械振动响应[3-]，生产中遇到的压缩机振 动绝大多数是气流脉动引起的[5]。压缩机管道 的剧烈振动会降低压缩机的容积效率、减少排 气量、增加功率消耗，缩短气阀及控制仪表的使 用寿命，更严重的是管道与其附件连接部位易 发生松动和疲劳破坏，存在较大的生产安全隐 患[6]。因此，考虑分析往复式压缩机进行气流 脉动和管道振动，有针对性地采取必要的减振 措施。1
分析方法
管道系统发生共振有2种情况:①气柱共振; ②管道机械共振。在设计管道系统时，应使得气
柱固有频率和管道系统的固有频率同时远离激发 频率，管道系统才能有效避开共振。
气流脉动分析主要包括气柱固有频率、压力 降和管道内压力脉动幅值等的计算。由于管道中 气流压力脉动值相对于均压平均值是一个小量
(按双振幅计，般在8%以内），符合平面波动理
一
论的假设[7]，因此，采用以平面波动为基本理论 的声学模拟法分析气流脉动;建立声学系统的守 恒方程，不同数学模型之间采用矩阵转移法实现 数据的传递;忽略高阶小量，使非稳态管内流体的 微分方程线性化。依据小波动理论，得到气流运动过程的波动方程如下[8]。
22
= c2+!
c = /kgRT
(1 &(2)
式中:P为在*瞬时e界面上的气体密度，kg/m3 ^ 为时间，s;c为管道入口端压力波的速度，m/s;E 为位置坐标，m;g为气体绝热指数;-为重力加速 度，9.18 m/A;R 为气体常数，k/ • m/(k/ • K);T 为气体温度，K。
进行管道振动分析主要是计算因气流脉动而 生的激 力 下 道的 。解析法，利用结构力学的理论来建立管道的力学 方程，通过矩阵传递原理形成关联方程组，并将方 程组的求解转化为矩阵的求解[9]。管道振动分 析需完成:①模态分析，即管道系统固有频率及振 型计 ; ②激发响应分 ， 分 气 脉 激发力 作用下管道系统的动态响应。
119
收稿日期:2018 -03 -12 修回日期：2018 -03 -20
第一作者:戚蒿（1982—），男，硕士，工程师 研究方向：海上油气田开发
2018 年第$期
戚蒿，等!海洋钻采平台往复压缩机气流脉动和管道振动分析
船海工程
第47卷
2
气流脉动分析
海上某气田
发工程 ，电 对
应用的往复橇底
平台
变频电机，功率型机组，型号为
为例。
表1
阶次
h
管道系统激发频率
3
4
5
6
1 2
)/Hz 16. 6 〜33.2 〜49. 8 〜66.4 〜83.0 〜99.6 -
Z 33.0
66.0
99.0
132.0
165.0
198.0
式天然气
板 直
2 240 kW；
气 有频率的计 转移 法
。将压
积的形
端 缓
道系统离散成各个元件转移
式
Ariel JGC/4,单级压缩，进气量（77. 8〜168.0) x 104 m3/d，转速 500 〜990 r/min，入 口压力 5. 5 MPa， ，
端端 制气
条件
条件。为 冲罐内部分别增 ，
，在
端 和
22. 1 〜28. 6]， 力 6. 34 〜
离板和滤
，修 洗
12.6 MPa。
2.1模型建立
气流脉动分 MAPAK软件。声学分析模拟完整的 统， 体、
、
洗涤罐、缓冲罐
等。
建立
道系统的数学模型和网络传递分析模型， 道
统的 模型分为进气和排气2个路系统。其中，进气路的气 洗涤罐 通分别气缓冲罐和 的一级双 气缸，排气管
路的气
气缸
气缓冲罐
，
模型见图1。
2#分析结针对
年份共分为30种操作工况，利用
MAPAK软件对图1的模型分别 解计算。
2. 2. 1
系统优化与激发频率和气柱固有频率
设气
有频率为/；，激发频率为/2，）=
0. 8/1〜1. 2/1时，即认为发生气
。支
机的转速范围是500〜990 r/min，活塞双
，激
发频率/2的计算结果见表1。
120
罐
缓冲罐之间的
，在气缸出口
缓冲罐之间增
孔板，调整管道
和走
向等[10]，计 道系统设计优化后的气柱固
有 率， 见表 2
。
表2
气柱固有频率计算值
阶
12
3
4
5
67
8
//Hz
9.2
9.8
10.2 17.5 17.617.7
19.1 30.7
分析比较表明，管道系统的气柱固有频率远 离80n〜120n倍的 激发频率，避区，因而不会发生气 象。
2.2.2压降计算计算的目的是确保压缩
。 API618 中
对
计
，对总的 （ 和 之和）计算。为
于对分
评估，将压
计算数值转化为功率消耗，总的压降引起的功 率消耗见图2。
—
标准值9()「
•功率消耗
1 5 9 13 17 21 25 29
逐年橾作工况/年
图$管道系统功率消耗
图2可见，仅有个别
工况下的 值
超 API618标
值，但选用的 电机
功率有 富 ，
会对 的 性
生影响。
2.27压力脉动幅值计算与控制
通过对
年
工况的模拟分
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第47卷
， 点处的压力脉动幅值。分
侧因激振力引起的的
值的300% ，其 道
表明，
力脉动幅值超
统各组成元件（如气缸通道、气阀、迸 等）的力脉动幅值均控制在API618标范围 内。为 幅值超标
侧的压力脉动幅值，在脉
上增加相应的
规范
，实。
CA003
OEM, LP Unit
控制，使管道振动指标
3 机械振动分析
图4
固有频率12.5 Hz时的管道系统振型
3.1模型建立
运用CAESAR +建立改进后的管道系统有限 元模型见图3。
图3中 为无 的刚体 ，阀门
按相应的 单元 ，
施
相应的约
。
32
分
振动W制
对管道模型
模态计算，求得管道系统前
10阶固有频率/;数值见表3。
表3 道
前10阶固有频率计算值
阶次
12345Z3/Hz
12713726740742.1阶
6710Z3/Hz
577
607
62.9
7
657
对比表1和表3可知，管道系统的各阶机械 固有频率 离8n〜120%倍的
激发频
率，
道统
会发生
。
通常对于 问题，
为，只
前2阶 区相互 （11)。 道统前2阶固
有频率为12. 5 Hz和13. 8 Hz时的振型见图4和
图D。
分
表明，
的
有频率在水
平方向（活塞 方向）和向（曲方向）上
API618 的标 值。
为
的固有频率，在换热器的法
兰处增
额外的
、对鞍座支撑及基础
， 见图 6。
对管道系统 响应分析表明，换
的 水平在可接受的范围内，
实
统
的
控制。
图，换热器结构支撑加强
4
结论
往复式天然气 在
上的实际运表明，机组带载 ，运转 可靠，
数值计
相比差异 ，
验证
用论和转移
法可以比
模拟计算往复式
道系统气流脉动和管道振
。应上述数值模拟计算方法，
脱对
司的依赖，
资成本，缩
121
2018 $
第2期
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Analysis of Gas Pulsation and Piping Vibration for Reciprocating
Compressor on Offshore Drilling and Production Platform
Q1 Hao1，ZHOU Sheng-jie2，L1 Tism-bin2，QIAN Cheng1，CAO Yan-^u3，FAN Wen-bin3
(1. CNOOC Energy Technology & Services-Oil Production Services Company，Zhanjiang Guangdong 524057，China；
2. CNOOC Ltd. Zhanjiang Company，Zhanjiang Guangdong 524057，China;
3. Special Equipment Company，Offshore Oil Engineering Company，Tianjin 300451，China)
Abstract: Considering
the of the
inherent mechanical compressor
vibration characteristic of the piping
recipro
the stable operation tem were analyzed by ber， pulsation botles and
unit on offshore platform，gas pulsation and theory
vibration fo
using the plane wave heat exchanger can prevent
and transfer matrix method. The design
and piping
optimization
tlie issue of gas column compressor
mechanical re
ing system under diferent operating conditions. The vibration issue is effectively controlled in
Key words: reciprocating compressor; gas pulsation； piping vibration; natural frequency; resonance
(上接第118页）
[6] LUBCHENCO J，MCNUTT M K，DREYFUS G，et al.
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Study on Subsea DisjDersant Injection System and Operation Technology
YAN Zhihua1，ZHAO Yu-peng2，QIAN Guo-dong2，AN Wei2
(1. China National Offshore Oil Corporation，Beijing 100010，China;2. CNOOC Ofsliore Environmental Services Co. Ltd.，Tianjin 300457，China)
Abstract: Deepwater
oil and gas exploration and development has put forward the urg
of underwater oil spill emergency spil disf)〇sal were introduced. The
disposal. Asubsea dispersant injection system and operation process
of tlie
system was proposed.
its main function modules foThe system
can
p
port for equipment operation and emergency disjDOsal of spiled oil in deep water.
Key words: deepwater; dispersant; injection system; function modules; operation process
122
