[科普中国]-气流压力脉动-

气流压力脉动的成因是往复式压缩机气缸间歇性的吸气与排气，造成管道内的气体流速和压力的周期性变化。

众多生产实践表明，压缩机管路的绝大多数振动问题都是由气流压力脉动引起的，而压缩机间歇性的吸排气造成管道中气体流动的非均匀变化是产生气流压力脉动的主要原因。

简介气流压力脉动是引起天然气压缩机管道振动的主要原因，因此在配管设计中应采取消减气流压力脉动的措施，如在靠近气缸口附近安装缓冲器，在缓冲器法兰处安装恰当尺寸的孔板；管道设计中管道应尽量平直，尽可能减少弯头，避免急弯和空间三度转弯，要进行管系气柱固有频率和结构固有频率及结构振动响应方面的计算，避免发生气柱共振和机械共振，通过合理的计算采取合理的措施消减气流脉动。

压缩机气流压力脉动的分析近年来研究气流压力脉动的理论方法以平面波理论与一维非定常流动理论为代表，从分析域的角度讲前者为频域分析，后者为时域分析，其中平面波理论计算方法比较成熟。

随着计算流体力学的不断发展，基于一维非定常流动理论的 CFD 方法在分析气流压力脉动问题上得到越来越广泛的应用。但研究发现湍流模型和网格质量，都会对 CFD 计算模型的求解精度产生较大影响。而平面波理论方法能直接得到控制方程的精确解析解，无需划分网格迭代求解，计算更加方便快捷。

采用以平面波理论为基础的声学波动方程，给定符合往复式压缩机气缸启闭规律的边界条件，对压缩机管路系统中气流压力脉动进行模拟计算，搭建压缩机气流压力脉动试验平台，通过试验采集气体压力脉动信号，验证数值计算结果的正确性。

研究发现缩短压缩机排气口到缓冲罐连接管长度、增大压缩机与缓冲罐间管道内径及加大缓冲罐容积，都有显著降低气流压力脉动的效果。在解决压缩机管线振动问题时，应综合优化设置这 3 个尺寸参数，设计出压缩机吸排气管路的最佳构造形式，可从根本上解决因气流压力脉动引发的管道振动问题1。

气流压力脉动的消减措施压力脉动是活塞式压缩机管道系统中的固有特性。压力不均匀度总是一定程度地存在，不可能完全消除，较大的压力脉动会给压缩机运转造成不利影响，破坏安全阀的严密性，造成管道和设备的很大振动，尤其是气流经过管道弯头、阀门等处，较大的压力不均匀度将成为管道振动的主要激振力，在管道各连接处产生的振动应力，可能成为整个结构疲劳破坏的主要原因。以下是削减气流压力脉动的措施。

缓冲器减振缓冲器在气体系统中常用来降低压力脉动，主要原理是凭借缓冲器容积的能量储存作用。进气缓冲器限制从气缸上游来的放射压力波进入进气管道；排气缓冲器不仅限制返回的反射波进入气缸，而且限制压力波进入排气管道。缓冲器的消振效果取决于缓冲器容积的大小和位置是否足够靠近气缸。安装在气流脉动发源处，即靠近压缩机气缸处的缓冲器是简单而有效的减振措施，远离气缸的缓冲器往往不能起到预期的缓冲效果，所以缓冲器的安装位置应足够靠近气缸；为了取得更好的减振效果，缓冲器的容积应尽可能大一些2。

孔板减振增加孔板也是很有效的减振措施。当压缩机组结构设计不允许缓冲器紧靠气缸、缓冲效果不理想时，特别是气缸与缓冲器间连接管为共振管长时，通过在缓冲器法兰处安装恰当尺寸的孔板可以把管道内的气流由驻波变为行波，从而降低气流压力的不均匀度，以增强缓冲效果,达到减振的目的。但是应注意，孔板的安装位置非常重要，孔板应安装在足够大的容器进、出口法兰处，孔板远离容器时，不再形成无反射的条件，只是一个单纯的局部阻力元件，无法起到消振作用。因此，没有缓冲罐而单独使用孔板将无法起到消振作用。

气流通过孔板后，其流速大小和方向都会发生变化，系统能量也会损失，气流压力的变化对天然气压缩机在油田的注气、采油、增压外输等方面会产生较大的影响，增加孔板虽然降低了气流压力脉动，但同时也减小了输送压力，这是一个矛盾的统一体。

在考虑减小气流压力脉动的同时，也要考虑在生产工艺上满足要求，不要顾此失彼，得不偿失。因此，在增加孔板减小气流压力脉动的同时，一定要仔细分析气流通过孔板时的压力降。

固定支承减振为了机组设计的紧凑性和工艺流程设计要求，压缩机组的进、排气管道必然要设置多个弯头。合理的布置管道和安装管道支承，对减小管道振动具有较大的影响。

（a）对于天然气压缩机，管道布置时应尽量沿地面铺设，这样有利于管道支撑。管道布置时还应尽量减少弯头的数量，以减小激振力的作用。

（b）管道支承设计中应注意以下几个方面的问题：

①一般情况下，支架的跨距应大体相同（当然相邻支架最好不要完全相等）。因为在各支架的跨距中，只要有一个较大，管系的机械固有频率就会显著降低。

②天然气压缩机管道的支架应采用防振管卡或固定支架，不能采用简单支托,更不能采用吊架。为了增大管卡与管道之间的接触面积使管卡能够卡紧，防振管卡应采用扁钢不宜采用圆钢，并且在管卡与管道之间应衬以石棉橡胶垫。

③防振支架宜设独立基础，尽量避免固定在压缩机基础和厂房的梁柱上。防振支架的结构和支架的固定部分应具有足够的刚度，防振支架的间距和位置应经过管系固有频率分析后确定。

④振动管道沿地面铺设，原则上支架不应固定在厂房、构架、平台和设备上，应固定在管墩的型钢上；固定管托、管卡时应有一定弹性，以吸收管道部分振动力。减小管道振动就是要减小激振力和加强约束力。具体措施就是减少弯头数量，加强支承和改变支承位置等。但在压缩机配管已经完成的情况下，用减少弯头数量的方法，工作量较大。因此，改善支承是行之有效的方法，改用环形扁钢卡环固定，卡环与管子间采用石棉橡胶板垫层，使卡环的作用大大加强。由于支承结构的改变，所以管系结构自振频率就增加了，增加了管道的抗气流脉动的干扰能力，同时抗外力干扰的能力也明显改善。

本词条内容贡献者为:

刘军 - 副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所