往复压缩机管道振动特性及安全评定研究

摘要

往复压缩机管道作为输气设备广泛应用于石油、化工等行业中。由气流脉动所激发的管道振动，对整个管道系统的安全运行具有巨大威胁。因此研究往复压缩机管道的振动特性及其安全性，对提高往复压缩机运行的安全性和经济性具有重要的理论意义和现实意义。本文利用声电模拟的方法，对往复压缩机管道振动特性（固有频率、气流脉动）及管道振动的安全评定进行研究，为往复压缩机管道系统的设计及管路的改造提供一些科学依据。 介绍了往复压缩机复杂管路气柱固有频率和气流脉动的理论计算方法及声电模拟的基本原理；分析了气流运动微分方程与交流串联电路微分方程的特点；推导了电路元件的等价微分方程；并结合声电模拟原理，建立了管单元、容腔单元、支管单元及并联管道单元的等效电路。 利用MATLAB/SIMULINK软件，对往复压缩机管道的气柱系统进行了电路仿真，计算出了气柱的各阶固有频率；与传递矩阵法的计算结果进行了比较，得到了微元长度与固有频率计算精度的关系曲线；并利用同样的方法，对几何形状复杂的往复压缩机管系的气柱固有频率进行了计算和验证。 利用MATLAB/SIMULINK软件，计算了往复压缩机管道内气流压力脉动值，并与理论计算结果进行了对比，验证了声电模拟法计算往复压缩机管道气流脉动的准确性；并在此基础上分析了缓冲罐设置位置对气流脉动消减情况的影响。 利用声电模拟法对某往复压缩机管道振动特性进行了分析；同时结合美国API-618标准对分析结果进行了振动安全评定。根据评定结果，提出了改进措施，并重新计算了气流的脉动压力、评价了其压力不均匀度。最终评定结果，证明了声电模拟法研究往复压缩机管道系统振动特性的方便性和有效性。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号表

声明

第一章前言

1.1本文研究的背景及意义

1.2往复压缩机管道振动研究现状

1.2.1气柱振动系统研究

1.2.2管道结构振动系统研究

1.2.3工程应用研究

1.3本文研究的主要内容

第二章往复压缩机管道振动基本理论

2.1管内流动的波动理论

2.1.1无阻尼波动方程

2.1.2线性阻尼情况的波动方程

2.1.3滤波概念、阻抗、反射系数及头射系数

2.2气柱共振管长及固有频率的计算

2.2.1共振管长

2.2.2气柱声学波动方程

2.2.3气柱有限元方程的建立

2.2.4气柱固有频率方程的建立

2.3管内气流脉动的一维非定常流动理论数值解

2.3.1一维非定常气流的守恒性方程组

2.3.2一维非定常守恒性方程组的数值解法——两步法

2.4管内气流脉动的计算

2.4.1与气缸相连的管道端点处的气流速度计算

2.4.2管道中各元件气流脉动量的转移关系

2.5本章小节

第三章往复压缩机管道元件等价电路的建立

3.1 MATLAB/SIMULINK电路模拟简介

3.2声电模拟基本原理介绍

3.3管道元件等价电路的建立

3.3.1直管单元等效电路的建立

3.3.2容腔单元等效电路的建立

3.3.3支管单元等效电路的建立

3.3.4并联管道单元等效电路的建立

3.4本章小结

第四章往复压缩机管道气柱固有频率分析

4.1电路谐振基本原理

4.2气柱共振与电路谐振的等价

4.3简单管道气柱固有频率计算

4.3.1管道的基本数据

4.3.2等效电路的建立

4.3.3仿真结果与精度分析

4.4复杂管系气柱固有频率计算

4.5本章小结

第五章往复压缩机管道气流脉动分析

5.1等效电路图的建立

5.1.1压缩机基本参数

5.1.2流速的傅里叶级数

5.1.3电路图的含义

5.2一端开一端闭管段气流脉动的计算

5.2.1声电模拟法计算

5.2.2理论计算

5.2.3结果分析

5.3两端闭管段气流脉动的计算

5.3.1声电模拟法计算

5.3.2理论计算

5.3.3结果分析

5.4缓冲罐安装位置对气流脉动削减的影响

5.4.1等效电路图

5.4.2加缓冲罐的效果分析

5.4.3对比分析

5.5本章小结

第六章 往复压缩机管道振动安全性评定

6.1往复压缩机管道振动控制标准

6.1.1苏联标准

6.1.2美国API-618标准

6.1.3其他标准

6.2往复压缩机管道振动安全性评价的一般程序

6.2.1确定振动级别

6.2.2资料收集

6.2.3评价结论

6.2.4改进措施

6.3往复压缩机管道振动安全性评价实例

6.3.1管系描述

6.3.2振动级别的确定

6.3.3管系振动的计算

6.3.4安全性评价

6.3.5改进措施及结果

6.4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的学术成果

致谢