天然气压缩机串联系统振动分析及减振方法研究

田汝峰谢艳娥

（中海石油（中国）有限公司湛江分公司）

天然气压缩机串联系统振动分析及减振方法研究

田汝峰*谢艳娥

（中海石油（中国）有限公司湛江分公司）

因结盐结垢引起的天然气压缩机组系统的振动可以通过醋酸酸洗的方法来达到减振。采用科学的方法对压力管道系统的振动数据进行了测量。数据分析表明，弯头较多的管线振动强烈，尤其是接近激励处的管线部位振动更强烈。通过对管线系统的重新设计与简化，例如采用拉直管线、减少弯头、改变管线空间分布、消除共振、添加减振设备、增加支撑点或改变支撑性质等措施，有效地减轻了管线振动，避免了管线系统长期振动产生机械疲劳、造成法兰连接螺栓断裂、发生天然气泄漏等事故，极大地提高了气田生产安全性。

压缩机 串联 醋酸酸洗 压缩机机组振动 管线振动 减振方法

0 引言

位于南海莺歌海盆地的东方1-1气田是中国海洋石油担任作业者的国内海上最大的自营气田，日产天然气800万m3，产出的气体其组分有C1～C6及C6以上的各种碳氢化合物，也有二氧化碳、氮气和少量的水分等物质[1]。

东方1-1气田压缩机于2007年投入使用，共有三组湿气压缩机（WGC），编号分别为CEP-C-2510/2610/2710，都是索拉T70-C402型透平离心式压缩机。三组压缩机可以分别实现单机组运行、两两串联运行或者三组同时串联运行。透平压缩机自2007年6月投运以来，通常启动一台机组即可以满足生产要求。但随着生产井的不断开发，井口压力递减，为了满足下游用户的需要，从2009年5月开始启动两台压缩机串联运行[2]。

2010年8月，气田压缩机开始三组同时串联运行。东方1-1气田三台天然气压缩机串联工程为海上第二个湿气压缩机工程项目，亚洲第一个透平驱动大功率高压湿气压缩机三级串联工艺项目[3]。

压缩机机组和管线在三台压缩机串联工况下同时出现明显的振动，严重影响了气田生产安全，气田对此高度重视，对引起振动的原因进行了深入的研究。采用系统分析的方法将三台串联压缩机机组分为两个部分，即压缩机自身系统和压缩机串联管道系统。通过大量的统计数据分析，根据各部分对振动的不同影响，分别采取了相应的减振措施。

1 天然气压缩机振动原因分析及解决方案

东方1-1气田中心平台井口采气树的天然气，经过生产管汇后进入海水冷却器冷却至37℃，然后进入生产分离器进行气液两相分离。气田井口平台生产的天然气经海水冷却后进入安装在中央平台上相应的段塞流捕集器，稳流除液后与中心平台生产分离器出口的天然气汇集于总管后进入压缩机组。

湿气压缩机系统由三台串联运行的相互独立的机组组成，包括2510机组、2610机组、2710机组，每台机组又包括旋流分离器、压缩机、海水后冷却器三部分。

当湿气压缩机关停后，压差的变化会造成外输天然气组成的波动并影响下游用户生产的稳定性。三台压缩机组串联以后，气田经历过多次压缩机意外关停[4]，并对下游用户产生冲击，因此必须解决串联振动问题。

1.1 振动原因

1.1.1 压缩机两端动平衡

Solar厂家对中检查，发现每次启机和加载时振动都会有突变。拆下两端的干气密封部件和缓冲气部件，发现内部和两个端面都比较脏。更换了新的干气密封部件和缓冲气部件，然后重新对中，安装联轴节。在压缩机两端做动平衡测试，发现加配重后没有反应，即没有改善振动状态，机组总是在NGP 81%和NPT 50%时由于振动高高关停。这表明动平衡并不能改变压缩机的振动，也就是说，振动可能是由于外部因素而引发的。在配重测试过程中有几次振动值突然变大。2012年6月23日至9月11日，Solar厂家现场服务工程师维修透平压缩机2510，在做动平衡配重过程中曾4次因振动高高关停，最后因振动高高启机失败，因此Solar工程师建议将压缩机送回厂，解体检查转子的动平衡。

1.1.2 动力振动分析

对压缩机后端动力振动进行分析，两侧点振动分别达到了49 μm和40 μm，波动范围在10 μm以内，波动非常小。X测点达到49 μm，接近报警值51 μm（关停63 μm），Y测点振动虽然没有X测点高，但仍然偏大。

1.2 解决方案

1.2.1 方案一

Solar厂家现场服务工程师对透平压缩机2510进行了维修，现场工程师分析认为，压缩机两端不平衡引起振动，应进行配重并做动平衡测试。但测试结果发现，加配重没有反应，并没有改善振动状态，机组总是在NGP 81%和NPT 50%时由于振动高高关停。这表明动平衡不能改变压缩机的振动。于是，Solar工程师建议将压缩机送回厂，解体检查转子动平衡。

1.2.2 方案二

先检查压缩机后端的结盐结垢状况，如有结盐结垢，予以清理、清洗。如果压缩机后端没有结盐结垢，或者清理后振动仍然没有明显改善，再对该转子做动平衡。

1.3 压缩机清洗减振

气田相关技术人员通过内窥镜观察发现压缩机2510转子结盐结垢，决定采用方案二对压缩机进行清洗。经现场试验，采用醋酸与水比例为4∶100的清洗液。从压缩机进口管线泵入醋酸兑水溶液，进口端排液口接透明胶管显示液位接近内腔顶部，醋酸清洗液从进口端排液口排出流回水桶。利用气动泵对清洗液打循环，每隔2 h盘车一次，使转子旋转90°，循环或泡浸36 h后排液。启机测试结果，压缩机前端和后端振动明显下降，压缩机带载至今，振幅波动平稳。

至此，压缩机机组振动问题得到了基本解决。但是压缩机串联运行时出口管线系统的振动依然存在，这说明压缩机串联运行时管线振动与机组振动没有关系，应当是管内流体不稳定引起的。

2 压缩机串联管道系统振动分析

在研究振动时可将压缩机串联管道系统分为两个系统，一个是管道系统，另一个是流体系统。管道振动主要是受激振力和固有频率的影响。根据现场实际生产状况的分析，引起振动的原因可能有以下两种。

在2510和2710机组串联、2610和2710机组串联两种运行模式中，当外输气量超过32.5万m3/h时，2710压缩机出口管线以及中层甲板压缩机出口管线和附属的消防管线振动偏大。而2510和2610机组串联时，外输气量达到34.5万m3/h，压缩机出口管线和中层甲板压缩机出口管线以及附属的消防管线均无振动现象。单独启动2610机组，管线也无振动现象。

从以上现象推断，引起管线振动的原因并不是外输气量大。东方1-1气田对振动原因进行了系统分析并采取了减振措施，取得了良好效果[5]。

2.1 压缩机串联减振现场试验

2.1.1 消减气流振动

调整气柱固有频率，避开气柱共振。气柱固有频率取决于管系的配管方式、长度、管径和管线配置等。在配管设计时，根据工艺流程的需要做好配管初步设计后，应计算管系的气柱固有频率，并通过调整使其不与激振频率重合，以避免气柱共振。2.1.2合理设计管道系统

管道弯头应避免急转弯。在压缩机管系中，激振力主要产生于弯头和异径管的接头处，因此在管道中应尽量少使用弯头。此外，减小弯头角度也可以增强减振效果。

2.1.3 基于振动理论的现场试验

实际工作中，由于平台的条件限制，不能完全按照理论上的方法来获得具体而精确的数据。我们结合平台的实际条件进行了间接测量，就是在不同管段设置多个振动测点，在不同的气量下对测点进行监测，判断在该气量下该管段的固有频率是否处于气柱的固有频率共振区间，从而做出相应的调整和改造，气田为此收集了大量基础数据。不同工况下的振动检测值如表1所示。

结合实际生产和试验得到的数据进行分析可知：在2510和2710机组串联、2610和2710机组串联三种情况下，当外输气量超过32.5万m3/h时，压缩机2710出口管线以及中层甲板压缩机出口管线和附属的消防管线均有很大振动。在2510和2610机组串联、外输气量达到34.5万m3/h时，压缩机出口管线及中层甲板压缩机出口管线和附属的消防管线均无明显振动现象。也就是说，串联运行并且有压缩机2710参与，当天然气产量超过32.5万m3/h时，振动数据增大很多。从以上现象推断,外输气量超过32.5万m3/h后，管线内的气柱固有频率与压缩机2710运行时的管线固有频率处于共振区内，这就是引起管线振动的原因。

表1 不同工况下的振动检测值

2.2 管线振动减振方法

2.2.1 合理安排压缩机管线部分支撑和固定点

在现场管线弯头、阀门、法兰等处选取一些振动测量点，用测振笔定期进行测量。测试表明，现有的部分支撑和固定点不合理，某些地方需要增加支撑点或改变支撑性质。通过在管道的固定支撑部位放置金属弹簧、橡皮或软木等，改变系统的阻尼矩阵以达到隔振、消振的目的；通过增设支撑、调整支撑位置、改变支撑性质、缩短支撑点距离和增加系统的刚度等措施，来提高管道的固有频率，达到消振的目的。

2.2.2 改弯管为直管

压缩机出口管线弯头多，增加了对管道的激振力，因此气田平台上管线的不合理配置，压缩机出口管线弯头多，是发生振动的根本原因。于是，将管系中的“几”字形管线改成了一字形直管。中层甲板透平压缩机出口管弯头处也采用焊接连接至天然气过滤分离器2110A/B入口的管线。

2.2.3 管线优化改造

根据设计文件要求，对CEP平台透平压缩机出口至天然气过滤分离器2110A/B的管线进行优化改造（见图1、图2）。图1中粗线部分即为要改造的管线。通过对管线系统重新设计与简化，采用拉直管线、减少弯头，改变管线的空间分布，消除共振、添加减振设备、增加支撑点或改变支撑性质等措施，有效地减轻了管线的振动，避免了管线系统长期振动产生机械疲劳，造成法兰连接螺栓断裂、发生天然气泄漏等事故，极大地提高了气田生产的安全性。

图1 管线优化改造图

图2 改造后3D图

将改造后较高产量下的数据与改造前对比，如表2所示。由改造前后两组数据的对比可以看出，振动现象已经基本得到抑制。

表2 改造前后振动数值的比较

3 结论

（1）用醋酸清洗转子后明显改善了结盐结垢状况。启机测试结果表明，压缩机前端和后端振动明显下降，振幅波动平稳，消除结盐结垢解决了压缩机组振动问题。

（2）通过在管道的固定支撑部位放置金属弹簧、橡皮或软木等，改变系统的阻尼矩阵，以达到隔振、消振的目的；通过增设支撑、调整支撑位置、改变支撑性质、缩短支撑点距离和增加系统的刚度等措施，从而提高管道的固有频率，达到消振的目的。

（3）通过对管线系统重新设计与简化，采用拉直管线、减少弯头、改变管线的空间分布、消除共振、添加减振设备和增加支撑点或改变支撑性质等措施，有效地减轻了管线的振动，避免了管线系统长期振动产生机械疲劳，造成法兰连接螺栓断裂、发生天然气泄漏等事故，极大地提高了气田生产的安全性。

（4）通过自主设计，施工优化创新，满足了三台压缩机串联复杂工艺工况的要求，保证了生产安全，使整体费用为同类性质项目的三分之一，推进了设备国产化，效益显著。

（5）东方1-1气田中心平台压缩机串联生产工艺和压缩机串联系统振动分析及其减振方法对其他海上平台的设计、施工、生产也具有一定的指导和借鉴意义。

[1]刘小伟.东方1-1气田外输天然气组分调节与控制[J].化学工程与装备，2010（3）：90-91.

[2]刘小伟，林红兵.天然气透平压缩机串联工艺在东方1-1气田的应用[J].河南化工，2010，27(1):58-59.

[3]胡辉，李大全，周声结.透平驱动湿气压缩机三级串联技术[J].天然气工业，2012，32（8）：39-43.

[4]张万兵，刘小伟，陈柱,等.关停湿气压缩机对外输天然气组成的影响及改造方案[J].天然气工业，2012 (8)：44-47.

[5]张万兵.气田湿气压缩机出口管线振动问题分析及解决方法[J].化工装备技术，2012，33(4):57-60.

Analysis on Vibration of Series System of Natural Gas Compressors and Study on Vibration Reduction

Tian Rufeng Xie Yane

The vibration of natural gas compressors caused by salt coagulation and scaling can be relieved by acetic acid dipping.The vibration data of the pressure pipeline system was measured by a scientific method,and the analysis on which shows that the vibration occurs severely in the pipes with multiple elbows,especially in the piping near vibration source.The measures for redesigning and simplifying the piping system,such as straightening the pipelines,reducing the pipe elbows,changing the spatial distribution of pipelines,eliminating resonance,adding shock-absorption devices,adding piping supports and changing support properties,could effectively relieve the piping vibration and avoid the mechanical fatigue of pipeline caused by long-term vibration which usually leads to the fracture of flange connecting bolts and gas leak,thus greatly enhancing the safety in production of the gas field.

Compressor;Series;Acetic acid dipping;Compressor vibration;Piping lines vibration;Vibration reduction method

TH 48

2014-04-18)

*田汝峰，男，1973年生，工程师。湛江市，524057。