【壓縮機網(wǎng)】1 項目概況
1.1 項目研究目標與難點
打破國外技術(shù)壁壘，掌握一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)、達到國際同等水平的壓縮機設(shè)計、制造技術(shù)，實現(xiàn)25MPa高壓儲氣庫壓縮機的國產(chǎn)化，實現(xiàn)“零”的突破，提升儲氣庫壓縮機設(shè)計研發(fā)能力，為我國儲氣庫工程建設(shè)提供質(zhì)優(yōu)價廉、安全可靠的國產(chǎn)壓縮機，為我國儲氣庫工程建設(shè)提供大型、關(guān)鍵的國產(chǎn)化裝備保障，為國民經(jīng)濟發(fā)展作出貢獻。
項目研發(fā)面臨四大難題：
儲氣庫壓縮機寬工況設(shè)計；高壓氣缸設(shè)計及密封問題；高壓氣缸套磨損控制；長薄壁缸套制造問題。
1.2 項目合同規(guī)定的任務(wù)
1）高壓大缸徑氣缸開發(fā)
（a）結(jié)構(gòu)形式研究；（b）安全性研究；（c）耐磨性研究；（d）冷卻方式研究；（e）切削加工性研究。
2）高壓填料、活塞環(huán)設(shè)計研究
（a）填料耐磨性研究；（b）填料長壽命研究；（c）填料密封性研究；（d）活塞環(huán)、支撐環(huán)結(jié)構(gòu)形式研究；（e）支撐環(huán)壓應(yīng)力研究。
3）高壓冷卻器設(shè)計研究
（a）結(jié)構(gòu)形式研究；（b）減振性研究；（c）抗疲勞研究；（d）降噪研究。
4）高壓容器研究
（a）高壓動載荷設(shè)計研究；（b）疲勞強度研究；（c）末級高精度過濾器研究。
5）壓縮機組振動控制研究
（a）脈動及振動的成因研究；（b）壓縮機組扭振分析；（c）整機脈動分析研究。
1.3 項目考核指標
（1）主要技術(shù)指標（見表1）
（2）主要經(jīng)濟指標
通過成功進行天然氣儲氣庫壓縮機國產(chǎn)化研制，單機采購成本比同類型進口機組降低30%左右。
（3）專有技術(shù)及論文
● 2項專有技術(shù)：高壓氣缸結(jié)構(gòu)設(shè)計
氣缸缸套熱處理工藝
● 2項制造技術(shù)：高壓氣缸結(jié)構(gòu)設(shè)計
氣缸缸套熱處理
● 發(fā)表論文1篇
2 項目實施情況
2.1 項目目標、任務(wù)總體完成情況
本項目完成合同規(guī)定的5項任務(wù)，研制出1臺儲氣庫壓縮機組，建立了1套技術(shù)規(guī)范，形成專利1項、專有技術(shù)2項、制造技術(shù)2項，發(fā)表論文2篇，培養(yǎng)技術(shù)骨干10人，全面完成各項考核任務(wù)。
（1）全面完成合同要求的各項研究內(nèi)容（見表2）：
（2）全面完成合同任務(wù)指標
1）預(yù)期成果完成情況
全面完成合同預(yù)期成果（見表3）。
2）技術(shù)考核指標完成情況
項目的17項技術(shù)指標全部完成，達到考核要求（表4）
3）主要經(jīng)濟指標
通過成功進行天然氣儲氣庫壓縮機國產(chǎn)化研制，單機采購成本比同類型進口機組降低50%左右（表5）。
4）完成廠內(nèi)主要試驗（表6）
2.2 主要成果情況
通過本項目的開展與實施，形成4大核心成果（表7）。
2.2.1 形成了儲氣庫壓縮機寬工況設(shè)計技術(shù)
通過熱力學(xué)專用軟件計算分析，研究壓縮機動力特性及振動控制分析，形成儲氣庫壓縮機主機配置及機組總體設(shè)計方案。
（1）儲氣庫壓縮機總體方案
通過方案設(shè)計，提出二種主機配置方案進行對比分析，一種方案為四缸二級壓縮，一級氣缸兩個，二級氣缸兩個；另一種方案為二缸二級壓縮，一級氣缸一個，二級氣缸一個，二種方案的一級氣缸均配有可調(diào)余隙。
對兩種方案進行計算，通過分析可知：
1）四列機組比二列機組行程短，活塞線速度低；
2）四列機組比二列機組綜合桿載更小，提高了機組的安全性 ；
3）二列機組的氣體力較大，且反向角很小，為保證機組有一定的反向角，二級氣缸需要設(shè)置尾桿（貫穿活塞桿）。四列機組不存在反向角小的問題。
4）四列機組比二列機組的不平衡力矩要小，因此四列機組的振動要小（圖1）。
（2）壓縮機負載柔性控制技術(shù)
1）壓縮機負載啟動柔性控制技術(shù)
研究壓縮過程負荷特性，采用遞階控制結(jié)構(gòu)，創(chuàng)建壓縮機負載柔性控制方法，協(xié)調(diào)控制先導(dǎo)閥組與進氣閥門，適應(yīng)高壓進氣變化，降低機組啟動負載。
2）壓縮機加/卸負載柔性控制技術(shù)
研究機組加\卸負載特性，采用模糊控制技術(shù)，創(chuàng)建負荷柔性調(diào)節(jié)方法，實現(xiàn)加載平穩(wěn)漸進、卸載回流控制。避免加載對電網(wǎng)干擾、卸載高壓對罐體容器和安全閥沖擊。根據(jù)實時檢測排氣壓力變化值調(diào)整加載閥門關(guān)閉速度，使機組負載在一個合理的變化規(guī)律內(nèi)緩慢增加，減小對電機軸承損害和對電網(wǎng)的干擾；根據(jù)實時檢測進、排壓力變化值調(diào)整閥門開啟速度，減小高壓氣回流對進氣洗滌罐內(nèi)濾網(wǎng)的沖擊力，同時可保證卸載時機組進氣管線內(nèi)壓力不超過安全閥工作設(shè)定值。
（3）壓縮機振動控制技術(shù)
采用API618規(guī)定的第三種方法進行氣流脈動分析，優(yōu)化管線、支撐布置和緩沖罐結(jié)構(gòu)，減小氣流脈動力，降低管線振動。
a） 壓縮機和管路系統(tǒng)的固有頻率分析
b） 壓縮機力學(xué)模型的受力機械響應(yīng)分析
c） 管路系統(tǒng)受力機械響應(yīng)（圖2）
1）壓縮機振動控制技術(shù)軸系共振控制
針對壓縮機軸系進行了動力學(xué)分析。在往復(fù)式壓縮機軸系中施加活塞、連桿、十字頭以及驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子等慣性質(zhì)量的基本方法，建立考慮各種慣性質(zhì)量的軸系動力學(xué)分析模型，選取了集總參數(shù)法，對軸系進行了簡化，將模型繼續(xù)簡化成有限個自由度的模型。在構(gòu)成集總參數(shù)模型時，對軸系的總節(jié)點數(shù)N由一定的要求（圖3）
對軸系進行了簡化：分布質(zhì)量離散化，集總到許多節(jié)點上，簡化成有限個自由度的分析模型（END～MBR為壓縮機軸，CP1～CP2為聯(lián)軸器，MN1～AUX為電機軸）。
（公式中Zi為轉(zhuǎn)子第i個截面的受力和變形狀態(tài)的狀態(tài)矢量，Xi為截面的徑向位移，ai繞角，Mi為彎矩，Qi為剪力，l為軸段長度；E為材料的彈性模量；I為軸段的截面矩；V則為考慮截面上剪切影響的系數(shù)： 其中G為材料的切變模量；Ar為截面積，Kt為截面系數(shù)。）
研究壓縮機動力特性，采用轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析，建立了集總參數(shù)模型后，采用傳遞矩陣法（如圖4），建立這些構(gòu)件兩端狀態(tài)矢量之間的傳遞關(guān)系，利用連續(xù)條件，得到整個軸系兩端截面的狀態(tài)矢量之間的關(guān)系式，再根據(jù)軸系的邊界條件就可導(dǎo)出頻率方程式，求解頻率方程式，得到軸系的各階固有頻率和振型，形成扭轉(zhuǎn)振動分析方法，掌握了扭振控制技術(shù)，避免軸系共振計算軸系臨界轉(zhuǎn)速和瞬態(tài)響應(yīng)（圖5）。
因整個軸系中，z*薄弱、z*有可能發(fā)生破壞的部件為聯(lián)軸器，分析得到軸系的響應(yīng)幅值小于聯(lián)軸器許用扭矩值，確認軸系安全。
2）壓縮機振動控制技術(shù)-氣流脈動力控制
根據(jù)壓縮機氣流脈動聲學(xué)特性及聲阻抗網(wǎng)絡(luò)分析模型技術(shù)，建立壓縮機管系和元件結(jié)構(gòu)的三維分析模型，提供管系和元件的振動分析數(shù)學(xué)模型。考慮環(huán)境因素（管系與外界的熱交換、環(huán)境噪聲等）的情況下，建立更加完善的數(shù)學(xué)模型和特征型方程組，分析儲氣庫工況要求，算了模型固有頻率及響應(yīng)，形成脈動分析方法，掌握脈動控制技術(shù)，優(yōu)化工藝氣管路設(shè)計（圖6,7,8）。
圖8左為排氣緩沖罐改進前不平衡力曲線圖，圖8右為排氣緩沖罐改進后的不平衡力曲線，紅色曲線為API618標準規(guī)定值。通過氣流脈動分析后，發(fā)現(xiàn)有些頻率段脈動不平衡力很大，通過改進設(shè)計后，降不平衡力降低到標準值以下。
3）壓縮機振動控制技術(shù)-機械振動控制
采用有限元分析理論，建立了彈性體物理方程矩陣（如圖9）和機組有限元模型（如圖10），找到其固有頻率及頻響特性，提出解決方案（如圖11），掌握機械振動分析方法，優(yōu)化機組結(jié)構(gòu)設(shè)計。
其中 為正應(yīng)力， 為剪應(yīng)力， 為彈性體沿X軸正方向的位移， 為Y軸正方向的位移， 為Z軸正方向的位移，G為剪切模量。
通過機械振動分析后，需要提高洗滌罐支撐座固有頻率，避免與機組發(fā)生共振。
（3）高壓高精度氣液分離技術(shù)
1）論證了不同分離結(jié)構(gòu)的過濾效果，形成高壓大排量高精度過濾分離方案，控制天然氣出口含液量低于1ppm。
2）分析液體的聚結(jié)特性，優(yōu)選了“層壓法”處理過濾濾芯， 該濾芯不但可以滿足技術(shù)要求，并且極大延長了濾芯使用壽命，濾芯的z*大更換周期在18個月。采用“層壓法”聚結(jié)濾芯可將工藝氣流中的液體污染物去除至0.01ppmw以下，同時對天然氣中少量固體顆粒物的去除率為99.98%（0.3um以上）。該聚結(jié)濾芯在生產(chǎn)工藝中采用了疏油處理技術(shù)，可以將聚結(jié)液體在只占整個濾芯25-30%的底部排除，從而避免液沫夾帶現(xiàn)象，防止聚結(jié)液體潤濕介質(zhì)，加速液體在介質(zhì)纖維上的排出。
3）末級高壓分離器，因工作壓力變化范圍較大，氣流脈動影響較大，承受各種靜、動載荷或交變載荷，還有附加的機械或溫度載荷，情況很復(fù)雜。因此在設(shè)計時，選擇厚壁管補強，運用等面積補強法對末級分離器進口接管開孔進行補強設(shè)計，進行疲勞分析，評定結(jié)構(gòu)承受疲勞載荷的能力，保證承受交變載荷的容器不致在其壽命期限內(nèi)發(fā)生疲勞破壞。z*終設(shè)計出開式分段高壓高精度過濾器結(jié)構(gòu)和專用液壓工具，解決了高壓大壁厚大通徑制造難題（圖12,13）。
<本文未完待續(xù)，更多精彩見下期>
來源：中石化石油機械股份有限公司壓縮機分公司
【壓縮機網(wǎng)】1 項目概況
1.1 項目研究目標與難點
打破國外技術(shù)壁壘，掌握一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)、達到國際同等水平的壓縮機設(shè)計、制造技術(shù)，實現(xiàn)25MPa高壓儲氣庫壓縮機的國產(chǎn)化，實現(xiàn)“零”的突破，提升儲氣庫壓縮機設(shè)計研發(fā)能力，為我國儲氣庫工程建設(shè)提供質(zhì)優(yōu)價廉、安全可靠的國產(chǎn)壓縮機，為我國儲氣庫工程建設(shè)提供大型、關(guān)鍵的國產(chǎn)化裝備保障，為國民經(jīng)濟發(fā)展作出貢獻。
項目研發(fā)面臨四大難題：
儲氣庫壓縮機寬工況設(shè)計；高壓氣缸設(shè)計及密封問題；高壓氣缸套磨損控制；長薄壁缸套制造問題。
1.2 項目合同規(guī)定的任務(wù)
1）高壓大缸徑氣缸開發(fā)
（a）結(jié)構(gòu)形式研究；（b）安全性研究；（c）耐磨性研究；（d）冷卻方式研究；（e）切削加工性研究。
2）高壓填料、活塞環(huán)設(shè)計研究
（a）填料耐磨性研究；（b）填料長壽命研究；（c）填料密封性研究；（d）活塞環(huán)、支撐環(huán)結(jié)構(gòu)形式研究；（e）支撐環(huán)壓應(yīng)力研究。
3）高壓冷卻器設(shè)計研究
（a）結(jié)構(gòu)形式研究；（b）減振性研究；（c）抗疲勞研究；（d）降噪研究。
4）高壓容器研究
（a）高壓動載荷設(shè)計研究；（b）疲勞強度研究；（c）末級高精度過濾器研究。
5）壓縮機組振動控制研究
（a）脈動及振動的成因研究；（b）壓縮機組扭振分析；（c）整機脈動分析研究。
1.3 項目考核指標
（1）主要技術(shù)指標（見表1）
（2）主要經(jīng)濟指標
通過成功進行天然氣儲氣庫壓縮機國產(chǎn)化研制，單機采購成本比同類型進口機組降低30%左右。
（3）專有技術(shù)及論文
● 2項專有技術(shù)：高壓氣缸結(jié)構(gòu)設(shè)計
氣缸缸套熱處理工藝
● 2項制造技術(shù)：高壓氣缸結(jié)構(gòu)設(shè)計
氣缸缸套熱處理
● 發(fā)表論文1篇
2 項目實施情況
2.1 項目目標、任務(wù)總體完成情況
本項目完成合同規(guī)定的5項任務(wù)，研制出1臺儲氣庫壓縮機組，建立了1套技術(shù)規(guī)范，形成專利1項、專有技術(shù)2項、制造技術(shù)2項，發(fā)表論文2篇，培養(yǎng)技術(shù)骨干10人，全面完成各項考核任務(wù)。
（1）全面完成合同要求的各項研究內(nèi)容（見表2）：
（2）全面完成合同任務(wù)指標
1）預(yù)期成果完成情況
全面完成合同預(yù)期成果（見表3）。
2）技術(shù)考核指標完成情況
項目的17項技術(shù)指標全部完成，達到考核要求（表4）
3）主要經(jīng)濟指標
通過成功進行天然氣儲氣庫壓縮機國產(chǎn)化研制，單機采購成本比同類型進口機組降低50%左右（表5）。
4）完成廠內(nèi)主要試驗（表6）
2.2 主要成果情況
通過本項目的開展與實施，形成4大核心成果（表7）。
2.2.1 形成了儲氣庫壓縮機寬工況設(shè)計技術(shù)
通過熱力學(xué)專用軟件計算分析，研究壓縮機動力特性及振動控制分析，形成儲氣庫壓縮機主機配置及機組總體設(shè)計方案。
（1）儲氣庫壓縮機總體方案
通過方案設(shè)計，提出二種主機配置方案進行對比分析，一種方案為四缸二級壓縮，一級氣缸兩個，二級氣缸兩個；另一種方案為二缸二級壓縮，一級氣缸一個，二級氣缸一個，二種方案的一級氣缸均配有可調(diào)余隙。
對兩種方案進行計算，通過分析可知：
1）四列機組比二列機組行程短，活塞線速度低；
2）四列機組比二列機組綜合桿載更小，提高了機組的安全性 ；
3）二列機組的氣體力較大，且反向角很小，為保證機組有一定的反向角，二級氣缸需要設(shè)置尾桿（貫穿活塞桿）。四列機組不存在反向角小的問題。
4）四列機組比二列機組的不平衡力矩要小，因此四列機組的振動要小（圖1）。
（2）壓縮機負載柔性控制技術(shù)
1）壓縮機負載啟動柔性控制技術(shù)
研究壓縮過程負荷特性，采用遞階控制結(jié)構(gòu)，創(chuàng)建壓縮機負載柔性控制方法，協(xié)調(diào)控制先導(dǎo)閥組與進氣閥門，適應(yīng)高壓進氣變化，降低機組啟動負載。
2）壓縮機加/卸負載柔性控制技術(shù)
研究機組加\卸負載特性，采用模糊控制技術(shù)，創(chuàng)建負荷柔性調(diào)節(jié)方法，實現(xiàn)加載平穩(wěn)漸進、卸載回流控制。避免加載對電網(wǎng)干擾、卸載高壓對罐體容器和安全閥沖擊。根據(jù)實時檢測排氣壓力變化值調(diào)整加載閥門關(guān)閉速度，使機組負載在一個合理的變化規(guī)律內(nèi)緩慢增加，減小對電機軸承損害和對電網(wǎng)的干擾；根據(jù)實時檢測進、排壓力變化值調(diào)整閥門開啟速度，減小高壓氣回流對進氣洗滌罐內(nèi)濾網(wǎng)的沖擊力，同時可保證卸載時機組進氣管線內(nèi)壓力不超過安全閥工作設(shè)定值。
（3）壓縮機振動控制技術(shù)
采用API618規(guī)定的第三種方法進行氣流脈動分析，優(yōu)化管線、支撐布置和緩沖罐結(jié)構(gòu)，減小氣流脈動力，降低管線振動。
a） 壓縮機和管路系統(tǒng)的固有頻率分析
b） 壓縮機力學(xué)模型的受力機械響應(yīng)分析
c） 管路系統(tǒng)受力機械響應(yīng)（圖2）
1）壓縮機振動控制技術(shù)軸系共振控制
針對壓縮機軸系進行了動力學(xué)分析。在往復(fù)式壓縮機軸系中施加活塞、連桿、十字頭以及驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子等慣性質(zhì)量的基本方法，建立考慮各種慣性質(zhì)量的軸系動力學(xué)分析模型，選取了集總參數(shù)法，對軸系進行了簡化，將模型繼續(xù)簡化成有限個自由度的模型。在構(gòu)成集總參數(shù)模型時，對軸系的總節(jié)點數(shù)N由一定的要求（圖3）
對軸系進行了簡化：分布質(zhì)量離散化，集總到許多節(jié)點上，簡化成有限個自由度的分析模型（END～MBR為壓縮機軸，CP1～CP2為聯(lián)軸器，MN1～AUX為電機軸）。
（公式中Zi為轉(zhuǎn)子第i個截面的受力和變形狀態(tài)的狀態(tài)矢量，Xi為截面的徑向位移，ai繞角，Mi為彎矩，Qi為剪力，l為軸段長度；E為材料的彈性模量；I為軸段的截面矩；V則為考慮截面上剪切影響的系數(shù)： 其中G為材料的切變模量；Ar為截面積，Kt為截面系數(shù)。）
研究壓縮機動力特性，采用轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析，建立了集總參數(shù)模型后，采用傳遞矩陣法（如圖4），建立這些構(gòu)件兩端狀態(tài)矢量之間的傳遞關(guān)系，利用連續(xù)條件，得到整個軸系兩端截面的狀態(tài)矢量之間的關(guān)系式，再根據(jù)軸系的邊界條件就可導(dǎo)出頻率方程式，求解頻率方程式，得到軸系的各階固有頻率和振型，形成扭轉(zhuǎn)振動分析方法，掌握了扭振控制技術(shù)，避免軸系共振計算軸系臨界轉(zhuǎn)速和瞬態(tài)響應(yīng)（圖5）。
因整個軸系中，z*薄弱、z*有可能發(fā)生破壞的部件為聯(lián)軸器，分析得到軸系的響應(yīng)幅值小于聯(lián)軸器許用扭矩值，確認軸系安全。
2）壓縮機振動控制技術(shù)-氣流脈動力控制
根據(jù)壓縮機氣流脈動聲學(xué)特性及聲阻抗網(wǎng)絡(luò)分析模型技術(shù)，建立壓縮機管系和元件結(jié)構(gòu)的三維分析模型，提供管系和元件的振動分析數(shù)學(xué)模型。考慮環(huán)境因素（管系與外界的熱交換、環(huán)境噪聲等）的情況下，建立更加完善的數(shù)學(xué)模型和特征型方程組，分析儲氣庫工況要求，算了模型固有頻率及響應(yīng)，形成脈動分析方法，掌握脈動控制技術(shù)，優(yōu)化工藝氣管路設(shè)計（圖6,7,8）。
圖8左為排氣緩沖罐改進前不平衡力曲線圖，圖8右為排氣緩沖罐改進后的不平衡力曲線，紅色曲線為API618標準規(guī)定值。通過氣流脈動分析后，發(fā)現(xiàn)有些頻率段脈動不平衡力很大，通過改進設(shè)計后，降不平衡力降低到標準值以下。
3）壓縮機振動控制技術(shù)-機械振動控制
采用有限元分析理論，建立了彈性體物理方程矩陣（如圖9）和機組有限元模型（如圖10），找到其固有頻率及頻響特性，提出解決方案（如圖11），掌握機械振動分析方法，優(yōu)化機組結(jié)構(gòu)設(shè)計。
其中 為正應(yīng)力， 為剪應(yīng)力， 為彈性體沿X軸正方向的位移， 為Y軸正方向的位移， 為Z軸正方向的位移，G為剪切模量。
通過機械振動分析后，需要提高洗滌罐支撐座固有頻率，避免與機組發(fā)生共振。
（3）高壓高精度氣液分離技術(shù)
1）論證了不同分離結(jié)構(gòu)的過濾效果，形成高壓大排量高精度過濾分離方案，控制天然氣出口含液量低于1ppm。
2）分析液體的聚結(jié)特性，優(yōu)選了“層壓法”處理過濾濾芯， 該濾芯不但可以滿足技術(shù)要求，并且極大延長了濾芯使用壽命，濾芯的z*大更換周期在18個月。采用“層壓法”聚結(jié)濾芯可將工藝氣流中的液體污染物去除至0.01ppmw以下，同時對天然氣中少量固體顆粒物的去除率為99.98%（0.3um以上）。該聚結(jié)濾芯在生產(chǎn)工藝中采用了疏油處理技術(shù)，可以將聚結(jié)液體在只占整個濾芯25-30%的底部排除，從而避免液沫夾帶現(xiàn)象，防止聚結(jié)液體潤濕介質(zhì)，加速液體在介質(zhì)纖維上的排出。
3）末級高壓分離器，因工作壓力變化范圍較大，氣流脈動影響較大，承受各種靜、動載荷或交變載荷，還有附加的機械或溫度載荷，情況很復(fù)雜。因此在設(shè)計時，選擇厚壁管補強，運用等面積補強法對末級分離器進口接管開孔進行補強設(shè)計，進行疲勞分析，評定結(jié)構(gòu)承受疲勞載荷的能力，保證承受交變載荷的容器不致在其壽命期限內(nèi)發(fā)生疲勞破壞。z*終設(shè)計出開式分段高壓高精度過濾器結(jié)構(gòu)和專用液壓工具，解決了高壓大壁厚大通徑制造難題（圖12,13）。
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來源：中石化石油機械股份有限公司壓縮機分公司
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