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May 28, 2023

バルブの性能: 水素用途におけるレシプロコンプレッサーの信頼性と効率性の重要な要素

Steve Chaykosky、Siemens Energy、Joel Sanford、Siemens Energy 2023 年 3 月 20 日 レシプロ コンプレッサーは、大量のエネルギーに依存する従来の下流部門では重要な機器です。

Steve Chaykosky、Siemens Energy、Joel Sanford、Siemens Energy 2023 年 3 月 20 日

レシプロコンプレッサーは、大量の加圧水素ガスに依存する従来の下流部門では重要な機器です。 水蒸気メタン改質は、石油精製プロセスで消費される水素の大部分を生成します。 輸送や貯蔵を含むバリューチェーン全体でよりクリーンな水素に対する需要が高まっており、新型および改良型コンプレッサーの市場が急速に拡大しています。 維持しなければならない圧縮資産が増えるため、オペレータは長い稼働時間を達成することに重点を置いています。 バルブは往復コンプレッサーの効率と信頼性において重要な役割を果たします。

水素圧縮機のエンドユーザーを対象とした 1995 年の大規模調査 (Leonard, S.M. 往復水素圧縮機の信頼性の向上。炭化水素処理、1996 年 1 月) では、計画外のダウンタイムの主な原因がバルブであることが明らかになりました。 この発見は研究開発の取り組みを促進するのに役立ち、過去 25 年以上にわたってバルブ技術の大幅な改善につながりました。

この記事では、往復圧縮機バルブの基本機能について説明し、水素用途におけるバルブの性能に影響を与える主要な変数の概要を説明します。

往復コンプレッサー バルブは、高速、圧力作動、バネ仕掛けのチェック バルブです。 さまざまなバルブのスタイルがありますが、いずれも 4 つの主要なコンポーネント、1) シート、2) ストッププレート、3) 可動要素、4) スプリングを使用しています。

以下の図 1 は、コンポーネントにラベルが付けられた MAGNUM™ バルブを示しています。 これらの特殊な逆止弁には、さまざまな形状とサイズがあります。 ただし、それらはすべて同じ機能を実行し、低圧ガスがシリンダーに入り、そこで圧縮されて高圧ガスとして排出されることを可能にします。

バルブにわたる差圧は、可動要素をシートに対する閉位置からストッププレートに対する開位置まで押し出す力を提供します。 可動要素の垂直移動距離はバルブリフトとして定義されます。 バネは、可動要素をストッププレートからシートに対する閉位置に戻す力を提供します。 バルブは 200 ミリ秒以下の間隔で作動し (コンプレッサーの速度に応じて)、厳しい疲労荷重にさらされます。

それでも、通常 3 年以上ごとに予定されているコンプレッサーのオーバーホールまでの間は、効率的かつ問題なく動作することが期待されています。 これは、バルブの設計、操作、メンテナンスの重要性を強調しています。

シール要素とスプリングはバルブの可動部品です。 設計エンジニアは、摩耗の矢面に立つため、それらを注意深く研究します。 「いつまで続くの？」 コンプレッサーバルブに関して最もよく聞かれる質問です。 答えは多くの変数に依存しますが、一般に設計要因と運用要因に分けられます。

設計要素はバルブ OEM によって制御されますが、動作要素はコンプレッサーのエンドユーザーによって決定されます。 設計者は、バルブリフト、バネ力、構造材料を選択することにより、バルブの信頼性とコンプレッサー効率のバランスをとります。 コンピュータアルゴリズムは、圧力、温度、分子量、コンプレッサー速度などの動作パラメータを使用してバルブのダイナミクスをシミュレートします。 最終的なバルブ設計は、アプリケーション ガイドラインに従って調整されます。

運転上の要因は、ほとんどの場合、ガスの品質、特に固体汚染物質が存在するか液体が存在するかに関係します。 ガス流からの汚れや破片がシリンダーに入ると、バルブ、ピストンリング、ライダーバンド、パッキンの摩耗が増加し、早期に故障するリスクが高くなります。 液体は事実上非圧縮性であるため、ピストンが液体同伴ガスを圧縮しようとすると、バルブに過剰な応力がかかる可能性があります。 シリンダー潤滑が多すぎても少なすぎても不適切な場合、バルブのダイナミクスが最適化されない可能性があります。 大幅に設計から外れた条件でコンプレッサーを動作させると、バルブのダイナミクスに悪影響を及ぼす可能性があります。 最後に、不適切なバルブ修理を行うと、バルブの寿命が大幅に短くなる可能性があります。 商業的に生成された水素が一般にクリーンなガスであると考えられる場合、バルブの信頼性に影響を与えるほとんどの運用上の要因は、バルブの設計要因ほど重要ではありません。