Desempenho da válvula: um elemento-chave para confiabilidade e eficiência de compressores alternativos em aplicações de hidrogênio

Por Steve Chaykosky, Siemens Energy e Joel Sanford, Siemens Energy20 de março de 2023

Os compressores alternativos são equipamentos críticos no setor downstream tradicional, que depende de grandes volumes de gás hidrogênio pressurizado. A reforma a vapor do metano produz a maior parte do hidrogênio consumido pelos processos de refino de petróleo. A crescente necessidade de hidrogênio mais limpo em toda a cadeia de valor, incluindo transporte e armazenamento, está expandindo rapidamente o mercado de compressores novos e reformados. Com mais recursos de compactação para manter, os operadores estão focados em alcançar longos tempos de atividade. As válvulas desempenham um papel importante na eficiência e confiabilidade dos compressores alternativos.

Uma grande pesquisa de 1995 com usuários finais de compressores de hidrogênio (Leonard, S M. Aumente a confiabilidade dos compressores alternativos de hidrogênio. Hydrocarbon Processing, janeiro de 1996) revelou que as válvulas são a principal causa de paradas não planejadas. Essa descoberta ajudou a estimular os esforços de pesquisa e desenvolvimento que levaram a melhorias significativas na tecnologia de válvulas nos últimos 25 anos.

Neste artigo, discutimos a funcionalidade básica das válvulas de compressores alternativos e descrevemos as principais variáveis ​​que afetam seu desempenho em aplicações de hidrogênio.

As válvulas de compressores alternativos são válvulas de retenção de alta velocidade, acionadas por pressão e carregadas por mola. Embora existam muitos estilos diferentes de válvulas, todas empregam quatro componentes principais: 1) assento, 2) placa de parada, 3) elemento móvel e 4) mola.

A Figura 1 abaixo mostra uma válvula MAGNUM™ com os componentes rotulados. Essas válvulas de retenção especializadas vêm em vários formatos e tamanhos. No entanto, todos eles desempenham a mesma função que é permitir que o gás de baixa pressão entre no cilindro onde é comprimido e saia como um gás de alta pressão.

A pressão diferencial através da válvula fornece uma força para empurrar o elemento móvel de sua posição fechada contra a sede para sua posição aberta contra a placa de parada. A distância de deslocamento vertical do elemento móvel é definida como a elevação da válvula. As molas fornecem uma força para retornar o elemento móvel da placa de parada de volta à sua posição fechada contra o assento. As válvulas atuam a cada 200 milissegundos ou menos (dependendo da velocidade do compressor) e estão sujeitas a cargas severas de fadiga.

Ainda assim, espera-se que operem com eficiência e sem problemas entre as revisões programadas do compressor, que normalmente ocorrem a cada três anos ou mais. Isso ressalta a criticidade do projeto, operação e manutenção da válvula.

Elementos de vedação e molas são as partes móveis da válvula. Os engenheiros de projeto os estudam de perto porque eles suportam o peso do desgaste. "Quanto tempo vai durar?" é a pergunta mais comum sobre válvulas de compressor. A resposta depende de muitas variáveis, que geralmente se dividem entre fatores de projeto e fatores operacionais.

Os fatores de projeto são controlados pelo OEM da válvula, enquanto os fatores operacionais são determinados pelo usuário final do compressor. Os projetistas equilibrarão a confiabilidade da válvula e a eficiência do compressor selecionando a elevação da válvula, a força da mola e os materiais de construção. Algoritmos de computador simulam a dinâmica da válvula usando parâmetros operacionais como pressão, temperatura, peso molecular e velocidade do compressor. O projeto final da válvula é adaptado de acordo com as diretrizes de aplicação.

Os fatores operacionais geralmente se relacionam com a qualidade do gás, particularmente se existem contaminantes sólidos ou líquidos. Se a sujeira e os detritos do fluxo de gás entrarem no cilindro, as válvulas, os anéis do pistão, as bandas condutoras e as gaxetas correm maior risco de maior desgaste e falhas prematuras. Como os líquidos são virtualmente incompressíveis, as válvulas podem sofrer sobrecarga quando o pistão tenta comprimir o gás líquido arrastado. A lubrificação inadequada do cilindro, seja em excesso ou em falta, pode resultar em uma dinâmica de válvula abaixo do ideal. Operar o compressor em condições fora do projeto também pode afetar negativamente a dinâmica da válvula. Finalmente, uma prática inadequada de reparo de válvulas pode reduzir drasticamente a vida útil da válvula. Se o hidrogênio produzido comercialmente é geralmente considerado um gás limpo, a maioria dos fatores operacionais que afetam a confiabilidade da válvula são menos preocupantes do que os fatores de projeto da válvula.