摘 要

活塞式压缩机在石油、炼钢、化工等工业领域中得到了广泛的应用，追其原因，是活塞压缩机具有适用压力范围广、工作效率高、适应性强等特点。但是因为活塞式压缩机自身工作特点，即它吸气、排气过程具有周期性和间歇性，所以会在压缩机进出口位置产生气流压力脉动。气流压力脉动会对管道产生强烈的压力冲击，进而造成管道发生不同程度的振动。频繁且剧烈的管道振动会给压缩机的安全稳定生产埋下不小的隐患。因此对往复式压缩机的管道振动研究具有十分重要的理论及现实意义。

气流脉动引发压缩机管道振动广泛存在于过程流体工业装置之中，目前国内解决管道振动普遍采取强制约束管道的方法，缺乏一种根本上解决气流脉动引发管道振动问题的深层次理论研究。因此本文章以研究气流脉动为目的，通过对气流脉动在压缩机出口的转移原理进行理论的分析，再以平面波动理论为理论研究基础，分析压缩机排气特性，建立压缩机运动规律数学模型。

本文主要做了以下工作：

1. 运用热力学等相关知识，在假设的基础上，得到CNG活塞式压缩机的四大工作过程；并以此建立压缩机的数学模型。
2. 运用软件对所建的数学模型进行计算，得到脉动气流的分布规律。
3. 分析脉动气流的影响因素，分析计算结果。

关键词：活塞式压缩机；脉动气流；数学模型；

Abstract

Piston compressors have been widely used in petroleum, steel-making, chemical and other industrial fields. The reason for this is that piston compressors have a wide range of applicable pressures, high work efficiency, and strong adaptability. However, because of the working characteristics of the piston compressor, that is, the suction and discharge processes of the piston compressor are periodic and intermittent, air pressure pulsations are generated at the compressor inlet and outlet positions. The pressure pulsation of the air flow will produce a strong pressure impact on the pipeline, which in turn will cause the pipeline to vibrate in different degrees. Frequent and severe pipeline vibrations will cause significant risks to the safe and stable production of compressors. Therefore, it is of great theoretical and practical significance to study the pipeline vibration of reciprocating compressors.

The turbulence of the compressor caused the vibration of the compressor pipe to exist widely in the process fluid industrial device. At present, domestic methods for solving the pipe vibration generally adopt forced constrained pipe method, and lack of a deep theoretical study to fundamentally solve the problem of vibration caused by gas flow pulsation. Therefore, the purpose of this paper is to study the gas flow pulsation, through theoretical analysis of the principle of the gas flow pulsation in the compressor outlet, and then based on the theory of plane wave theory, analyze the exhaust characteristics of the compressor, and establish a mathematical model of the compressor movement law.

This article mainly did the following work:

1. Using the knowledge of thermodynamics and other related knowledge, based on the assumptions, the four major working processes of the CNG piston compressor are obtained; and the mathematical model of the compressor is established.
2. The mathematical model built was calculated using software to obtain the distribution of pulsating air currents.
3. Analyze the influencing factors of pulsating airflow and analyze the calculation results.

Key Words：Piston compressor；pulsating air flow；mathematical model；

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的背景、目的和意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 课题研究内容 4

1.4 技术方案 4

第2章 压缩机气流脉动原理分析 6

2.1 气流脉动概述 6

2.2 平面波动理论 7

2.2.1 连续性方程 8

2.2.2 运动方程 9

2.2.3 波动方程 10

2.3 一维非定常气流方程 11

2.4 压缩机工作过程的微分方程建立 13

2.4.1 基本微分方程 13

2.4.2 膨胀阶段方程 15

2.4.3 吸气阶段方程 17

2.4.4 压缩阶段方程 18

2.4.5 排气阶段方程 19

2.5 本章小结 20

第3章 基于Matlab的模拟计算 22

3.1 模型的确立 22

3.2 气流压力脉动的计算 23

3.2.1 软件应用 23

3.2.2 压力不均匀度 25

3.2.3 气流脉动的计算 25

3.3 本章小结 26

第4章 气流脉动影响因素的分析 27

4.1 吸排气不均匀程度对气流脉动的影响 27

4.2 排气容积V_s对气流脉动的影响 28

4.3 流体介质特性对气流脉动的影响 29

4.4 气缸压力对气流脉动的影响 30

4.5 本章小结 31

第5章 总结与展望 33

5.1 结论与总结 33

5.2 研究问题与展望 33

参考文献 35

致 谢 36

1. 绪论
   1. 课题研究的背景、目的和意义

在石化，炼油，冶炼等工艺行业，重型压缩机组是压缩，驱使和运输各类工艺气体产物的关键设备。当“国家建造2025”高速发展的同时，国家装备建造业将面对新的机遇和挑战。石化装备生产范围的扩大对压缩机组提出了更为严峻的要求，如更高的效率，更长的寿命和更高的可靠性等等。到2015年，作为中国石化行业的两大擎天柱企业中国石油天然气和中国石油化工，现役服务压缩机很可能达到1万台之多。由此可见，压缩机机组的稳定安全运转对公司的平安生产起着决定性的作用。

压缩机是一类常见的压缩各种气体的机械装置，其动力来源于通过使用驱动器的能量。压缩机一可用来输送各种流体介质；二可提高流体介质的压力能。它在社会劳动和生活的诸多自然科学领域有着广泛的应用。特别是在石化行业，压缩机是一类不可替代的流体机械。如同重型装置和航空航天科学的技术一样，压缩机的设计，建造和安全平稳运转被认为是度量一个国家建造行业和加工行业发展水平的极为重要的一个标准。

活塞式压缩机具有压缩比大，材料要求低，制造工艺成熟等等表征现象，经常用于中，高压应用环境。有关数据统计，世界上运行的活塞式压缩机数量是离心式压缩机的三倍，但其维护成本却是离心式压缩机的3.5倍。 这是因为活塞式压缩机组具有复杂的操作机构和许多备件。活塞式压缩机及其管道系统的振动现象履见不鲜，在设计，建造，管道配置和施工安设等方面存在着人为欠缺。造成企业周转过程中连续出现高故障率与高事故率，沉重影响了企业的正常运行。

在我们国家，活塞式压缩机的大部分故障都关涉到管道网中的气流脉动和管道振动。据报道，一家企业的压缩机管路出现连续疲劳，导致突然断裂，并导致大量工艺气体泄漏，导致大量灯具爆裂，引发爆炸，给企业造成了沉重打击，迫使企业停产。当一家钢材公司建立一个新的30000立方米/小时制氧厂时，空气压缩机出口处的波纹补偿管因为振动超过材料额定强度从而破裂。破损的管道附件进入压缩机气缸后，引发空气压缩机的损坏并造成特大财产损失。某煤矿气压站由于压缩机集气管道剧烈震动，导致相邻储气罐爆裂。不仅在我们中国，而且在世界石油化工行业的100多起重大的事故中，压缩机连同管道系统造成的事故高达36％。伴随着工业生产的扩大的同时，活塞式压缩机转速的增加使得管道振动问题越来越突出。

活塞式压缩机由于自身吸入和排出的间歇性使得管道中不得不形成气流脉动，进而在管道中形成气柱。当空气柱的固有频率与管道的固有频率一致时，就会引起剧烈的管道振动。剧烈的气流压力脉动和管道网络振动会降低压缩机机组效率，产生刺耳的噪音，危害员工的身体健康;同时泵的各类阀门和诸多仪表损坏失效，引发管路固有结构、管路配件以及连接部件的松动破损。发生疲劳损伤，可能造成流体介质泄漏，引起环境破坏，甚至严重时会发生爆炸，严重降低了活塞式压缩机的可靠与经济性。严重影响生产企业的经济效益，威胁生命财产的安全。

因此，科研人员对活塞式压缩机管道内的气流压力脉动和管道网络振动原理进行了极深的研究。寻找有效抑制气流压力脉动，减弱管道振动的方法对企业安全高效稳定生产具有十分重要的意义。可以帮助企业有效提高建造效率，降低建造能耗。

1.2 国内外研究现状

近年来，在国民经济持续发展的大背景下，能源化工作为国民经济的基础和支柱产业，其发展极为迅速。压缩机通常用作能源和化工行业的动力设备，人们对它性能和可靠性要求越来越高。其中，活塞式压缩机中的气流脉动是影响压缩机机能，噪音大小和安全性的主要因素之一。研究人员高度重视气体流量脉动分析要领和理论模型的研究。

在20世纪50年代，国外科研学者开始对管道网络中的气流脉动和管道振动等故障进行了深入的研究。美国Keller公司是第一个提出用于解决生产中实际问题的管道振动等特定问题的具体模型的公司。之后，美国和俄罗斯的外国研究人员通过实验仿真研究和数学理论推导，推动了气流脉动和管道网络振动的理论研究。关于气流脉动，已有一个比较明确的定义：在压缩机的排气管中，气流的流量和压力周期性地随工作时间改变。活塞式压缩机装备管道网络中气流脉动的起源于压缩机，并在整个系统中存在，并由整个系统决定^[1]。压缩机管路网络中各点的压力脉动和机械振动取决于以下三个因素： 压缩机的设计参数、被压缩介质的物理参数和管路网络的几何配置^[2]。 对于引起气流脉动的压缩机热力学分析，J Rigola，CD Pé rezsegarra，A Oliva^[3]对气密往复式压缩机的热力过程和流体动力学行为进行数值模拟， 并开发了一个数学模型以进行实验验证；并已经获得数值和实验数据之间的良好一致性，从而帮助我们更好地理解这些压缩机的热力过程和流体动态行为。随后，肖正华^[4]探索了活塞式压缩机中气流脉动的机理，并探讨了亥姆霍兹共振器对减缓气流脉动的显著影响。此外，还进行了赫姆霍兹共振器中湍流减少对气体流动影响强弱的计算机模拟。可以确定的是，亥姆霍兹共振器衰减了活塞式压缩机室中气流压力的脉动。同时，作为石油工业人员的郭宇和陆宏伟分析了天然气压缩机管道振动的原因，并提出了天然气压缩机减少气体脉动的一些有效措施。 旨在为人们提供有效的参考^[5-6]。

20世纪50年代以后，美国学者提出了有关气流压力脉动的平面波动理论;关于平面波理论的不足之处，日本学者M.Ma Ya-suhiro等人稍后提出了一维非定常气流理论。张传新，张维义，孙玉峰^[7]简要阐述了平面波动理论和一维非定常气流理论的各自内容，并比较了这两种理论的基本假设、误差大小以及适用范围；另外还介绍了国外在波动控制方面的最新成果，即一维时域流算法，并介绍了这种算法的理论基础和所考虑的影响因素；不同理论的数值模拟，并基于不同条件下处理方法的仿真结果。同时，孙书福和郭文涛等^[8]则介绍了使用DIGMO和CAESAR II分析软件对压缩机管道网络的振动进行综合分析处理，达到了初期设计阶段对产品质量进行预期验证的目的。

自70年代以来，以西安交通大学管道振动研究小组为代表的科学研究人员也开始研究与活塞式压缩机的气流脉动和管道网络振动有关的问题。党希其，陈首武等人总结了前人的研究成果，综合运用科学理论、模拟、实验等方法，通过平面波理论，一维非定常流动基本方程和传递矩阵一系列方法，研究了管线网络的固有频率，气流压力脉动，管线固有频率和气柱频率等其他方面。发表了诸多文章和专着，在这一领域形成了较为全面的理论基础。他们指出通过控制气流脉动值来控制管道振动是一有效途径，并研究了复杂管系气流脉动值的技术问题。许斌、余小玲、冯全科等^[9]提出了一个活塞式压缩机管路网络气流脉动的模拟模型；然而，在这项研究中，这种基于波动理论的计算方法仍然存在计算精度不足等问题。诸多学者使用有限元分析法和有限体积法来分析气流压力脉动。但是，这种计算气流压力脉动的方法是基于整个管道，并且在计算复杂管道时缺乏灵活性和多功能性。因此，他们针对活塞式压缩机管道网络气流压力脉动模拟模型的准确性缺失进行了校正。 韩文龙，韩胜良等^[10]研究了三种不同湍流模型下的压力不均匀性和气流压力脉动特性。

现在主要有两种分析气流压力脉动的方法，一种是平面波理论，另一种是一维非稳定可压缩流体流动理论。平面波理论是研究气流压力脉动时最早发展的理论。与管道气流的平均压力相比，压力脉动值相对而言非常小，气体遵守理想气体的性质；据了解管道中的气体速度相对于声速在相当小的程度上相对较小。因此，波动理论建立气体压力脉动控制方程时，可以让之线性化，最终得到解决气流压力波动的波动方程。 在这些假设下，波动理论可以预测实际压力波动幅度。而非定常可压缩流理论在建立描述管道网络内气流脉动现象的控制方程时并不忽略非线性因素。综合考虑气体与管壁表面之间的摩擦，实际气体特性问题。此外，更多的认为非稳态可压缩流理论在处理摩擦问题时更为现实。但是，摩擦阻尼是否能显着抑制气流脉动振幅还有待进一步验证。哪一个因素起了重要作用? 如何定量分析它们的影响? 这些问题目前研究的还不够。另外，由非定常气流方法建立的双曲控制方程需要数值求解，双曲方程在压力脉动时具有哪些特征需要进一步分析数值解的特点以及如何获得更准确的解决方案。

金海波、曹扬^[11]则介绍了利用压缩机气流脉动计算软件对气流脉动的分析方法，描述了压缩机设计期间气流脉动的分析以控制和减少振动。 张世永和马晶^[12]利用CAESAR II分析软件建立了过程管道系统的数学模型。模拟复杂的管道网络，以获得整个过程管道网络的振动特性和稳态动态响应特性。黄兴鹏^[13]研究了压缩机内气体流动脉动分析的方法和研究现状，指出了以后需要关注的研究内容。A Almasi，Dennis Tweten，Klaus Bran等介绍了脉动研究的模型，提出了有关脉动控制、管道、振动力以及脉动研究报告的有用建议，并指出活塞式压缩机的设计和评估应包括脉动研究；同时市场已经开发了常用于家用冰箱和冷冻机的活塞式压缩机的热和流体动态行为的详细数值模拟^[14-16]。

总的来说，未来气体脉动和管道网络振动的研究方向主要有：在理论的研究中，应综合运用数值模拟和实验研究，找出更为准确的计算公式，如管道网络中的转移矩阵和气体流动脉动模型。使之更符合实际情况，并找到更有用的管道气流脉动克制装备和管道阻尼装备。同时在现实工程中，最好在设计部门中设计好压缩机组，然后充分考虑压缩机组与管道在系统中的合理匹配。注意气流脉动对装备和管道的振动的影响，采取预防手段，压缩机或其他设备发生故障或失效时不应发生。还应注意气流压力脉动和管道网络振动，避免造成企业遭受不必要的损失。

1.3 课题研究内容

本文的目的是分析活塞式压缩机的工作原理，并建立描述压缩机工作过程的数学模型。运用动态建模、仿真和综合分析工具— Matlab对模型进行求解分析，获得脉动气流的影响因素。

1. 对活塞式压缩机的工作过程进行了理论分析，在简化工作原理的同时，建立描述工作过程的微分方程。该等式包含影响工作过程的主要因素，忽略次要因素，以简化等式。
2. 根据平面波理论，利用Matlab编制计算程序，得到压缩机出口脉动气流的分布。
3. 分析不同气流参数对气流脉动的影响，得出影响压缩机气流脉动的各种因素。

1.4 技术方案

在确定了研究的基本内容以及国内外的研究现状后，需要构建一种数学模型来对压缩机排气过程进行分析。在查阅了相关文献报告后，准备建立如图1.1的技术路线：

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：