Artykuł opisuje budowę i zalety stosunkowo nowych na rynku modułowych zaworów membranowych, przeznaczonych do sprężarek tłokowych. Podane informacje oraz wskazówki będą pomocne dla specjalistów ds. niezawodności, pracujących w firmach używających tego typu sprężarek.
Główną funkcją zaworów sprężarki tłokowej jest sterowanie przepływem gazu zasysanego do cylindra (zawór ssawny) i wypływającego z niego (zawór tłoczny). Zawory są nadzwyczaj ważnymi podzespołami sprężarek tłokowych. Ich integralność funkcjonalna zwykle decyduje o dyspozycyjności, niezawodności oraz sprawności tych urządzeń, zwanych też sprężarkami wyporowymi. Niemal wszyscy producenci i użytkownicy sprężarek tłokowych uważają, że to właśnie zawory są podzespołami najczęściej ulegającymi awarii.
Zwykle w sprężarkach tłokowych wykorzystuje się cztery lub pięć konfiguracji zaworów. Z wyjątkiem odciążania zaworu ssawnego, które jest realizowane przez mechanizmy fizycznie wymuszające otwarcie zaworu podczas części ruchu skokowego (przemieszczenia) tłoka, zawory są sterowane przez ciśnienie różnicowe gazu. Otwierają się, gdy ciśnienie po jednej stronie cylindra jest większe niż ciśnienie po stronie drugiej.
Wybór rodzaju zaworu przez projektantów oraz doświadczonych użytkowników kompresorów zależy w dużym stopniu od jego charakterystyki lub parametrów technologicznych dla danej aplikacji. Co prawda typ i wielkość zaworu są podane w specyfikacji producenta sprężarki, jednak użytkownik czy nabywca musi się zaangażować w wybór. Proces ten wymaga kompromisów. Być może jakaś określona konfiguracja zaworów powoduje większą sprawność sprężarki, jednak maszyna wymaga wtedy staranniejszej konserwacji. Czasem z kolei, dopóki nie będzie popytu na rynku, to producent nie ma on motywacji do zmiany swojego obecnego modelu biznesowego zorientowanego na części zamienne. Stosownie do tego nadal produkuje zawory, które nie reprezentują najnowszej dostępnej na rynku technologii.
Modułowe zawory membranowe
Chociaż nowe konstrukcje zaworów nie wchodzą na rynek co roku, to jednak pojawia się kilka nowości, które są warte przeanalizowania. Ponieważ spośród wszystkich osób i firm zajmujących się zaworami to nabywcy są prawdopodobnie najbardziej zainteresowani niezawodnością tych podzespołów, użytkownicy będą czerpać korzyści z pełniejszego zrozumienia przyczyn gwałtownego rozpowszechniania się modułowych zaworów membranowych, trwającego od roku 2014. Obecnie wiele takich zaworów jest instalowanych w rafineriach ropy naftowej oraz sprężarkach wodoru o mocy znamionowej zbliżającej się do 20 000 hp (ok.15 MW, patrz Fot. 1).
W tradycyjnych (starszych) zaworach gaz musi przemieszczać się dookoła naroży konstrukcji, co powoduje zmniejszenie sprawności kompresora na skutek spadku ciśnienia. Natomiast w modułowych zaworach membranowych na drodze przepływu gazu nie ma żadnych przeszkód. Ponadto różnica ciśnień potrzebna do otwarcia zaworu jest tu znacznie mniejsza niż w zaworach tradycyjnych. Gdy te parametry połączymy z widocznym wydłużeniem żywotności, to ogólne zalety modułowych zaworów membranowych stają się trudne do zignorowania.
Ponieważ na niezawodność mechanizmów ma wpływ wiele czynników, porównania użytkowników mogą być trudne. Jesteśmy zdania, że nabywcy wymagający niezawodności sprzętu poszukują dowodów na to, że dane urządzenie sprawdziło się w praktyce w podobnych zastosowaniach. Na marginesie należy dodać, że współpracujący z klientem sprzedawca lub producent zaworów nie będzie ukrywał swoich list referencyjnych przed specjalistami ds. niezawodności, zaangażowanymi w należytą staranność.
Kwestie konstrukcyjne
Przeanalizujmy konstrukcję modułowego zaworu membranowego. Jego zasada działania wynika z tak zwanego przepływu prostego (ang. straight-through flow, StraightFlo). Chociaż zawory te są klasyfikowane jako zawory membranowe, to zastosowanie w nich polimerów o wysokich parametrach oraz rzeczywistych modułowych elementów konstrukcyjnych odróżnia je od większości innych zaworów membranowych.
Dosłownie we wszystkich dawniejszych zaworach gaz musi przepływać z dużą prędkością przez co najmniej dwa zakręty (patrz Rys. 1). Natomiast w zaworach typu StraightFlo gaz płynie po linii prostej, dzięki czemu zawory te charakteryzują się znacznie mniejszym spadkiem ciśnienia. W wyniku tego uzyskuje się zmniejszenie zużycia energii przez kompresor o ok. 0,5% lub więcej (patrz Rys. 2). Przedstawione przez producenta dane z wysoce instrumentalnego studium przypadku (instrumented case study), dotyczącego pracującego na stacji gazu CNG kompresora o mocy 1000 hp (ok. 746 kW) pokazują zmniejszenie strat energii w zaworach o 41%. Moc właściwa (ang. specific power, stosunek mocy kompresora do przepływu objętościowego gazu) poprawiła się o 9,3%. Podobne wyniki uzyskano też na innych stacjach kompresorów.
Dążąc to uzyskania porównania produktów, dobrze zarządzana firma zamierzająca zakupić kompresor zwykle stosuje zasady oceny jakości maszyn (machinery quality assessment, MQA). Podczas wykonywania swoich zadań związanych z oceną MQA specjaliści od niezawodności sprawdzają, czy materiały na zawory wybrane przez producenta sprzętu są odporne na gaz stosowany przez nabywcę, spełniają kryteria temperatury pracy oraz przewidywanego zakresu strat energii.
Uzyskanie popartego gwarancją zwiększenia ogólnej sprawności energetycznej o 0,5% dla np. kompresora tłokowego o mocy 6000 kW przy cenie energii elektrycznej 0,06 USD/kWh oraz czasie rocznej pracy urządzenia wynoszącym 8 760 godzin jest warte więcej, niż mogłoby się wydawać. Analiza korzyści finansowych wynikających z uniknięcia przestojów pokaże dalsze oszczędności, tak więc bardzo często zakup kompresora z zaworami modułowymi jest bardzo opłacalny.
Kompetentny producent zaworów odpowie potencjalnemu klientowi na wszystkie pytania na temat kompromisów przy projektowaniu, ograniczeń prędkości przepływu gazu, znaczenia pojęcia skoku zaworu (odległości przebywanej od położenia w gnieździe do pełnego otwarcia), braku drgań zaworu, tolerancji na ciecze i zanieczyszczenia stałe unoszone przez gaz oraz porównania ogólnego działania zaworu czystego i zabrudzonego. Należy pamiętać, że w niektórych aplikacjach występują bardzo suche gazy, w innych zaś gazy zaolejone. Należy zbadać, czy zawory kompresora tolerują te ekstremalne warunki i w jaki sposób. Należy dowiedzieć się tego, zanim seria przedwczesnych awarii przekona nas, że eksperymentowanie jest rzadko akceptowalne, jeśli chodzi o ważny i drogi sprzęt.
Badanie modułowych zaworów membranowych
Wynalazca wybrał generyczny termin „modułowy zawór membranowy” (ang. modular reed valve) dla zaworów do sprężarek, zaprojektowanych i zbudowanych tak, jak pokazano na naszych ilustracjach. Dostępne są adaptacje różnych klatek, modeli zaworów piętrowych, mechanizmów rozładowania oraz innych opcji konfiguracyjnych. Jednak wszystkie te odmiany, nawet jeśli ich wymiary zewnętrzne są identyczne, mają jeden wspólny element – wykonane z tworzywa sztucznego o wysokich parametrach komponenty zawierające kanaliki (ang. reed), jak pokazano na Rys. 1.
Podczas gdy tradycyjne zawory po pewnym okresie pracy ulegały znacznemu zabrudzeniu, to zawór typu StraightFlo jako zamiennik oryginalnego zawsze wykazywał mniejsze zanieczyszczenie po upływie tego samego czasu. Ze względu na własność znacznego samooczyszczania, zawory StraightFlo mają znacznie dłuższy czas eksploatacji niż inne. Ta nowa koncepcja zaworów membranowych umożliwia czyszczenie ich na obiektach przez relatywnie mało doświadczonych pracowników i zwykle zabiera mniej niż 15 minut pracy.
Potwierdziliśmy łatwość serwisowania, zwiększenie natężenia przepływu przez kompresory, możliwość serwisowania przez pracowników mających mniejsze umiejętności, wydajność działania powyżej przeciętnej w bardzo szerokim zakresie prędkości oraz z reguły znacznie wyższą od przeciętnej dyspozycyjność i niezawodność. Podczas gdy pierwszymi zastosowaniami zaworów StraightFlo były zakłady z branży ropy i gazu z obszaru „upstream” (platformy wiertnicze), to potem zawory te dokonały prawdziwej inwazji na zakłady z obszaru „downstream”, takie jak rafinerie ropy naftowe oraz zakłady petrochemiczne. Jednolita budowa wnętrza zaworów niezwykle ułatwia zakup części zamiennych oraz zarządzanie nimi. Porównano stosunki obszarów przepływu dwóch szeroko wykorzystywanych typów zaworów z trzema zaworami modułowymi StraightFlo. Oceniono, że procentowy wzrost w powierzchniach przepływu był dość znaczny. Podstawowe prawa fizyki mówią, że dla danej objętości gazu przy większych polach powierzchni przepływu następuje mniejszy spadek ciśnienia niż przy mniejszych. Mniejsze ciśnienie maksymalne w cylindrach niewiele zmniejsza stosunki ciśnienia. Wraz z nieodłącznie większymi obszarami przepływu gazu te redukcje stosunków powodują oszczędności energii oraz wzrost przepustowości kompresora.
Wnioski końcowe
Byliśmy w stanie sprawdzić, że sukces tych zaworów opiera się na testach, zarówno fabrycznych, wykonanych w dobrze wyposażonym laboratorium, jak i testach praktycznych na obiektach. Potwierdziliśmy, że różne raporty nie odnosiły się do porównań będących nowością w branży modułowych zaworów membranowych StraightFlo ze starymi i/lub zużytymi zaworami. Zamiast tego porównano nieużywane zawory starego typu z nieużywanymi zaworami nowego typu.
Testy pokazały też znaczne ulepszenia we właściwej efektywności energetycznej (moc podzielona przez przepływ objętościowy), brak drgań zaworów, niski hałas i wibracje, ekstremalnie mała różnica ciśnień potrzeba do aktywacji zaworów, ogromnie wydłużony czas bezawaryjnej pracy oraz znaczne oszczędności na konserwacji.
Przypisy
1. Bloch, H. P., Elliott H. G., Nowe podejścia do technologii sprężarek (New Approaches to Compressor Technology), De Gruyter Publish Publishing GmbH, Berlin 2021, ISBN 978-3-11-067873-4.
2. Bloch, H. P., Geitner F. K., Sprężarki – jak uzyskać wysoką niezawodność i dyspozycyjność (Compressors: How to Achieve High Reliability & Availability) McGraw-Hill Publishing Company, Nowy Jork 2012, ISBN 978-0-07-177287-7.
Heinz P. Bloch mieszka w Montgomery w stanie Teksas (USA). Rozpoczął karierę zawodową w 1962 roku. Przez długi czas pracował jako regionalny specjalista od maszyn w amerykańskiej firmie Exxon Chemical (obecnie ExxonMobil Chemical). Jest autorem lub współautorem ponad 780 publikacji. Wśród nich znajdują się 23 kompleksowe podręczniki na temat praktycznego zarządzania maszynami, analizowania awarii, unikania awarii, a także na temat kompresorów, turbin parowych, pomp, smarowania mgłą olejową oraz optymalizacji smarowania w przemyśle.
