Характеристики клапана: ключевой элемент надежности и эффективности поршневых компрессоров, работающих на водороде.

Стив Чайкоски, Siemens Energy и Джоэл Сэнфорд, Siemens Energy20 марта 2023 г.

Поршневые компрессоры являются критически важным оборудованием в традиционном секторе переработки и переработки, который использует большие объемы сжатого газообразного водорода. Парометановый риформинг дает большую часть водорода, потребляемого в процессах нефтепереработки. Растущая потребность в более чистом водороде во всей цепочке создания стоимости, включая транспортировку и хранение, быстро расширяет рынок новых и модернизированных компрессоров. Поскольку необходимо поддерживать больше ресурсов сжатия, операторы сосредоточены на достижении длительного времени безотказной работы. Клапаны играют важную роль в эффективности и надежности поршневых компрессоров.

Большой опрос конечных пользователей водородных компрессоров, проведенный в 1995 году (Леонард, С. М. Повышение надежности поршневых водородных компрессоров. Hydrocarbon Processing, январь 1996 г.), показал, что клапаны являются основной причиной незапланированных простоев. Это открытие помогло стимулировать исследования и разработки, которые привели к значительным улучшениям в технологии клапанов за последние 25 с лишним лет.

В этой статье мы обсуждаем основные функции клапанов поршневых компрессоров и обрисовываем ключевые переменные, влияющие на их производительность при работе с водородом.

Клапаны поршневых компрессоров представляют собой высокоскоростные подпружиненные обратные клапаны, приводимые в действие давлением. Хотя существует множество различных типов клапанов, все они состоят из четырех основных компонентов: 1) седла, 2) стопорной пластины, 3) подвижного элемента и 4) пружины.

На рисунке 1 ниже показан клапан MAGNUM™ с маркировкой компонентов. Эти специализированные обратные клапаны бывают различных форм и размеров. Однако все они выполняют одну и ту же функцию: позволяют газу низкого давления попадать в цилиндр, где он сжимается и выходит в виде газа высокого давления.

Перепад давления на клапане создает силу, которая толкает подвижный элемент из закрытого положения относительно седла в открытое положение относительно упорной пластины. Расстояние вертикального перемещения подвижного элемента определяется как подъем клапана. Пружины создают силу, возвращающую подвижный элемент от стопорной пластины обратно в закрытое положение относительно седла. Клапаны срабатывают каждые 200 миллисекунд или меньше (в зависимости от скорости компрессора) и подвергаются сильным усталостным нагрузкам.

Тем не менее, ожидается, что они будут работать эффективно и без проблем между плановыми ремонтами компрессоров, которые обычно проводятся каждые три года или чаще. Это подчеркивает важность конструкции, эксплуатации и технического обслуживания клапанов.

Уплотнительные элементы и пружины являются движущимися частями клапана. Инженеры-конструкторы внимательно изучают их, поскольку именно они несут на себе основную тяжесть износа. "Как долго это будет продолжаться?" — это наиболее часто задаваемый вопрос о клапанах компрессора. Ответ зависит от многих переменных, которые обычно делятся на конструктивные и эксплуатационные факторы.

Расчетные факторы контролируются производителем клапана, а эксплуатационные факторы определяются конечным пользователем компрессора. Конструкторы сбалансируют надежность клапана и эффективность компрессора, выбрав подъем клапана, усилие пружины и материалы конструкции. Компьютерные алгоритмы моделируют динамику клапана, используя рабочие параметры, такие как давление, температура, молекулярная масса и скорость компрессора. Окончательная конструкция клапана разрабатывается в соответствии с рекомендациями по применению.

Эксплуатационные факторы чаще всего связаны с качеством газа, особенно с наличием твердых загрязнений или жидкостей. Если грязь и мусор из газового потока попадают в цилиндр, то клапаны, поршневые кольца, направляющие ленты и уплотнения подвергаются более высокому риску повышенного износа и преждевременного выхода из строя. Поскольку жидкости практически несжимаемы, клапаны могут испытывать чрезмерную нагрузку, когда поршень пытается сжать жидкий захваченный газ. Неправильная смазка цилиндра, слишком много или слишком мало, может привести к неоптимальной динамике клапанов. Эксплуатация компрессора в условиях значительных отклонений от проектных также может отрицательно повлиять на динамику клапана. Наконец, неправильный подход к ремонту клапана может серьезно сократить срок его службы. Если коммерчески производимый водород обычно считается чистым газом, то большинство эксплуатационных факторов, влияющих на надежность клапана, вызывают меньшее беспокойство, чем факторы конструкции клапана.