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往复压缩机脉动和振动分析控制研究

译/郭天硕

往复式压缩机，就其本质而言，不是定常流动机器。随着曲轴的每次旋转，每个压缩机气缸

从低压管路中抽取大量的气体，对其进行压缩，然后将其推入高压管路。这种在往复式压缩

机系统内的间歇传质产生复杂的时变压力波，通常称为脉动。脉动的频率和振幅受压缩机运

行速度、温度、压力和气体流体的热力学性质以及往复式压缩机及其所连接的系统的几何形

状和结构的影响。

例如，活塞一侧压缩气体的往复式压缩机气缸，称为单作用气缸，产生基频等于压缩机运行

速度的脉动。类似地，活塞两侧压缩气体的往复式压缩机气缸，称为双作用气缸，产生基频

等于压缩机运行速度两倍的脉动。除了这些基本频率的谐波之外，压缩机气缸喷嘴和管道系

统具有单独的声学固有频率，这些固有频率影响整个系统的组合脉动幅度和频率。

这些各种压力波的叠加导致复杂的压力脉动，这些复杂的压力脉动在并联和/或串联的单缸

或多缸网络、连接的管道、压力容器、过滤器、洗涤器和分离器、冷却器和其它系统元件中

传播。压力波可以传播很多英里，直到它们被摩擦或其它手段衰减或阻尼，这些手段将压力

的动态变化降低到微不足道的水平。

压力脉动作用于压力容器和管道不连续处，如弯头和T形管，以产生引起振动的振动力。

它们也可能激发系统的机械固有频率，引起高振动。高振动会使系统元件和管道过应力。压

力脉动也影响压缩机的热力学性能。如果控制不当，这些影响会严重损害往复式压缩机及其

连接系统的可靠性、性能以及结构完整性。

因此，有效降低和控制压缩机上游(吸入侧)和下游(排出侧)压缩机产生的压力和流动对于往

复式压缩机的安全、高效运行是必要的。

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压缩机系统脉动和振动的来源

振动不仅由脉动引起，而且由作用于发动机、压缩机、压力容器和管道上的其它动力引起，

如图1所示。发动机和压缩机的不平衡力和力矩是由内部部件的旋转和往复运动以及时变

压力对各冲程发动机和压缩机活塞的影响造成的。这些主要发生在1倍和2倍转速下。气

缸的气体力是由作用于活塞和固定部件的内压引起的。它们沿活塞以1倍和所有旋转速度

整数倍的方向运动。振幅可能不能达到10倍转速或更高的频率。

脉动振动力是由作用于脉动瓶、入口洗涤器和其他压力容器中的头部和挡板等不连续面上的

压力脉动以及来自管道弯头和T形管的压力脉动引起的。垂直振动力也产生于作用于压缩

机气缸喷嘴区域的脉动，从而产生垂直力（对于普通的水平压缩机）。API618中定义了允

许的压力脉动和振动力准则。

当曲轴的旋转运动转换为十字头和活塞的线性运动时，每个压缩机十字头产生垂直振动力。

十字头力作用在压缩机速度的整数倍/谐波上。当扭转速度振幅较高时，会发生横向扭转力。

这些作用在低于和高于高扭转谐波频率的一个谐波。发动机滚动扭矩是由发动机旋转时产生

的惯性和活塞力产生的。振动力也可能由压缩机和驱动器的失调而产生。这些主要会引起1

倍或2倍转速的振动。

更高(700rpm)速度的压缩机自然会产生更宽的脉动频率频谱，必须加以解决。用较轻的

框架和I型梁滑行安装的典型高速压缩机组，往往比用混凝土块安装的传统较重、慢速的压

缩机更加灵活。由于高速压缩机产生的高频脉动，脉动阻尼和管道系统的压力损失也可能受

到更多的关注。这推动了对脉动和振动建模和分析的更好和更复杂的方法的需求，以及额外

的脉动控制“工具”和建议的阻尼、去调谐和/或消除脉动的实践。

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最终，来自压缩系统的振动能量必须传递到地球上。因此，压缩机包装基础是确定振动水平

是否可接受的主要因素。根据土壤类型和排水、包装的大小、功率水平和应用的临界性、往

复式压缩机包装的基础可以是压实的碎石或管径、钢筋混凝土板、螺旋桩、打入桩、深钢筋

混凝土块，或这些类型的组合。

脉动与振动分析

有几个定义要求，并为压缩机脉动和振动分析提供指导的行业规X和指导方针。其中包括

API618，《用于石油、化工和天然气工业服务的往复式压缩机》[1