Prestazioni della valvola: un elemento chiave per l'affidabilità e l'efficienza dei compressori alternativi nelle applicazioni con idrogeno

Di Steve Chaykosky, Siemens Energy e Joel Sanford, Siemens Energy, 20 marzo 2023

I compressori alternativi sono apparecchiature fondamentali nel tradizionale settore downstream, che fa affidamento su elevati volumi di gas idrogeno pressurizzato. Il reforming del vapore-metano produce la maggior parte dell’idrogeno consumato dai processi di raffinazione del petrolio. La crescente richiesta di idrogeno più pulito lungo tutta la catena del valore, compresi il trasporto e lo stoccaggio, sta rapidamente espandendo il mercato dei compressori nuovi e rinnovati. Con più risorse di compressione da mantenere, gli operatori si concentrano sul raggiungimento di tempi di attività prolungati. Le valvole svolgono un ruolo importante nell'efficienza e nell'affidabilità dei compressori alternativi.

Un ampio sondaggio del 1995 sugli utenti finali dei compressori a idrogeno (Leonard, S M. Aumentare l'affidabilità dei compressori alternativi a idrogeno. Hydrocarbon Processing, gennaio 1996) ha rivelato che le valvole sono la principale causa di tempi di fermo non pianificati. Questa scoperta ha contribuito a stimolare gli sforzi di ricerca e sviluppo che hanno portato a miglioramenti significativi nella tecnologia delle valvole negli ultimi 25 e più anni.

In questo articolo, discutiamo la funzionalità di base delle valvole dei compressori alternativi e delineamo le variabili chiave che influiscono sulle loro prestazioni nelle applicazioni con idrogeno.

Le valvole per compressori alternativi sono valvole di ritegno ad alta velocità, azionate a pressione e caricate a molla. Sebbene esistano molti stili di valvola diversi, tutti utilizzano quattro componenti principali: 1) sede, 2) piastra di arresto, 3) elemento mobile e 4) molla.

La Figura 1 di seguito mostra una valvola MAGNUM™ con i componenti etichettati. Queste valvole di ritegno specializzate sono disponibili in varie forme e dimensioni. Tuttavia, svolgono tutti la stessa funzione e cioè consentire al gas a bassa pressione di entrare nel cilindro dove viene compresso ed esce come gas ad alta pressione.

La pressione differenziale attraverso la valvola fornisce una forza per spingere l'elemento mobile dalla sua posizione chiusa contro la sede alla sua posizione aperta contro la piastra di arresto. La distanza percorsa verticale dell'elemento mobile è definita come alzata della valvola. Le molle forniscono una forza per riportare l'elemento mobile dalla piastra di arresto alla sua posizione chiusa contro il sedile. Le valvole si attivano ogni 200 millisecondi o meno (a seconda della velocità del compressore) e sono soggette a forti carichi di fatica.

Tuttavia, si prevede che funzionino in modo efficiente e senza problemi tra le revisioni programmate del compressore, che in genere avvengono ogni tre anni o più. Ciò sottolinea la criticità della progettazione, del funzionamento e della manutenzione delle valvole.

Gli elementi di tenuta e le molle sono le parti mobili della valvola. Gli ingegneri progettisti li studiano da vicino perché sopportano il peso maggiore dell'usura. "Quanto durerà?" è la domanda più frequente sulle valvole dei compressori. La risposta dipende da molte variabili, che generalmente vengono divise tra fattori progettuali e fattori operativi.

I fattori di progettazione sono controllati dall'OEM della valvola, mentre i fattori operativi sono determinati dall'utente finale del compressore. I progettisti bilanceranno l'affidabilità della valvola e l'efficienza del compressore selezionando l'alzata della valvola, la forza della molla e i materiali di costruzione. Gli algoritmi computerizzati simulano la dinamica della valvola utilizzando parametri operativi quali pressione, temperatura, peso molecolare e velocità del compressore. Il design finale della valvola è personalizzato in conformità con le linee guida applicative.

I fattori operativi molto spesso riguardano la qualità del gas, in particolare la presenza di contaminanti solidi o liquidi. Se sporco e detriti provenienti dal flusso di gas entrano nel cilindro, le valvole, le fasce elastiche, le fasce di guida e le guarnizioni corrono un rischio maggiore di maggiore usura e guasti prematuri. Poiché i liquidi sono praticamente incomprimibili, le valvole possono essere sottoposte a sollecitazioni eccessive quando il pistone tenta di comprimere il gas trascinato dal liquido. Una lubrificazione impropria del cilindro, eccessiva o insufficiente, può comportare una dinamica della valvola non ottimale. Anche il funzionamento del compressore in condizioni significativamente diverse da quelle di progettazione può influire negativamente sulla dinamica della valvola. Infine, una scarsa pratica di riparazione delle valvole può ridurne notevolmente la durata. Se l’idrogeno prodotto commercialmente è generalmente considerato un gas pulito, allora la maggior parte dei fattori operativi che incidono sull’affidabilità della valvola sono meno preoccupanti rispetto ai fattori di progettazione della valvola.