밸브 성능: 수소 응용 분야에서 왕복동 압축기의 신뢰성과 효율성을 위한 핵심 요소

작성자: Steve Chaykosky, Siemens Energy 및 Joel Sanford, Siemens Energy 2023년 3월 20일

왕복동 압축기는 대량의 가압 수소 가스에 의존하는 전통적인 다운스트림 부문에서 중요한 장비입니다. 증기-메탄 개질은 정유 공정에서 소비되는 대부분의 수소를 생산합니다. 운송 및 저장을 포함한 가치 사슬 전반에 걸쳐 보다 깨끗한 수소에 대한 요구가 증가함에 따라 새롭고 개선된 압축기 시장이 급속히 확대되고 있습니다. 유지 관리할 압축 자산이 많아짐에 따라 운영자는 긴 가동 시간을 달성하는 데 중점을 둡니다. 밸브는 왕복동 압축기의 효율성과 신뢰성에 중요한 역할을 합니다.

1995년 수소 압축기 최종 사용자를 대상으로 한 대규모 조사(Leonard, S M. 왕복형 수소 압축기의 신뢰성 향상. 탄화수소 처리, 1996년 1월)에서는 밸브가 계획되지 않은 가동 중지 시간의 주요 원인으로 밝혀졌습니다. 이 발견은 지난 25년 이상 동안 밸브 기술의 상당한 개선을 이끌어낸 연구 개발 노력에 박차를 가하는 데 도움이 되었습니다.

이 기사에서는 왕복식 압축기 밸브의 기본 기능에 대해 논의하고 수소 응용 분야에서 성능에 영향을 미치는 주요 변수를 간략하게 설명합니다.

왕복동 압축기 밸브는 고속, 압력 작동식, 스프링 작동식 체크 밸브입니다. 다양한 밸브 스타일이 있지만 모두 1) 시트, 2) 스톱플레이트, 3) 이동 요소, 4) 스프링이라는 네 가지 주요 구성 요소를 사용합니다.

아래 그림 1은 라벨이 붙은 구성 요소가 있는 MAGNUM™ 밸브를 보여줍니다. 이러한 특수 체크 밸브는 다양한 모양과 크기로 제공됩니다. 그러나 이들 모두는 동일한 기능을 수행하며, 즉 저압 가스가 압축되어 고압 가스로 배출되는 실린더로 유입되도록 하는 것입니다.

밸브 전체의 차압은 이동 요소를 시트에 대한 닫힌 위치에서 스톱플레이트에 대한 열린 위치로 밀어내는 힘을 제공합니다. 움직이는 요소의 수직 이동 거리는 밸브 리프트로 정의됩니다. 스프링은 스톱플레이트의 이동 요소를 시트에 대한 닫힌 위치로 되돌리는 힘을 제공합니다. 밸브는 200밀리초 이하마다 작동하며(압축기 속도에 따라 다름) 극심한 피로 부하를 받습니다.

그럼에도 불구하고 일반적으로 3년 이상 주기로 진행되는 예정된 압축기 점검 사이에 효율적이고 문제 없이 작동할 것으로 예상됩니다. 이는 밸브 설계, 작동 및 유지 관리의 중요성을 강조합니다.

씰링 요소와 스프링은 밸브의 움직이는 부분입니다. 디자인 엔지니어들은 마모의 가장 큰 타격을 받기 때문에 면밀히 연구합니다. "얼마나 오래 갈까요?" 압축기 밸브에 관해 가장 자주 묻는 질문은 다음과 같습니다. 대답은 일반적으로 설계 요소와 운영 요소로 구분되는 다양한 변수에 따라 달라집니다.

설계 요소는 밸브 OEM에 의해 제어되는 반면 작동 요소는 압축기 최종 사용자에 의해 결정됩니다. 설계자는 밸브 리프트, 스프링 힘 및 구성 재료를 선택하여 밸브 신뢰성과 압축기 효율성의 균형을 유지합니다. 컴퓨터 알고리즘은 압력, 온도, 분자량 및 압축기 속도와 같은 작동 매개변수를 사용하여 밸브 역학을 시뮬레이션합니다. 최종 밸브 설계는 적용 지침에 따라 맞춤화됩니다.

운영 요인은 대부분 가스 품질, 특히 고체 오염물질 또는 액체 존재 여부와 관련이 있습니다. 가스 흐름의 먼지와 잔해물이 실린더로 유입되면 밸브, 피스톤 링, 라이더 밴드 및 패킹이 마모가 증가하고 조기 고장이 발생할 위험이 더 높습니다. 액체는 사실상 비압축성이므로 피스톤이 액체 동반 가스를 압축하려고 할 때 밸브에 과도한 응력이 가해질 수 있습니다. 너무 많거나 너무 적은 부적절한 실린더 윤활은 최적이 아닌 밸브 역학을 초래할 수 있습니다. 상당한 비설계 조건에서 압축기를 작동하면 밸브 역학에 부정적인 영향을 미칠 수도 있습니다. 마지막으로, 잘못된 밸브 수리 관행으로 인해 밸브 수명이 심각하게 단축될 수 있습니다. 상업적으로 생산된 수소가 일반적으로 청정 가스로 간주된다면 밸브 신뢰성에 영향을 미치는 대부분의 작동 요소는 밸브 설계 요소보다 덜 중요합니다.