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。 これらの特殊なチェックバルブには、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。

長年にわたり、多くの異なるバルブ スタイルが登場し、その結果、可動要素の形状が広範囲に広がっています。 事実上すべてが水素サービスに適用され、程度の差はあれ成功しています。 5 つの主要なバルブ タイプを以下に説明します (図 2 に示します)。

同心リングバルブ -各バルブ アセンブリでは、異なるサイズ (直径) の複数のリングが使用されます。 この図には 4 つのリングのみを備えたバルブ アセンブリが示されていますが、より大きなバルブには最大 10 個のリングが取り付けられます。各リングには独自のスプリング セットがあります。 作動中にスプリングを保護するために、小さな円筒形のボタンが各スプリングとそのリングの間に配置されています。 これらのリングは長方形の断面を持ち、平らな座面に対してシールします。 同心リングバルブは、調査が実施された 1990 年代半ばには水素圧縮機に一般的に適用されていました。

ポート付きプレートバルブ -ポート付きプレートは本質的に、単一のバルブ要素内に接続された同心リングのセットです。 バルブのサイズは大きく異なるため、プレートのサイズも異なります。 プレートはバランスのとれたスプリング配置によってサポートされます。 上記の同心リングと同様に、プレートは平らな座面に対してシールします。

ポペットバルブ -ポペットバルブエレメントは、ステムよりも大幅に大きな直径を持つキノコ型のヘッドを特徴としています。 各リターンスプリングはステム内に収容されています。 スプリングは、他のタイプのバルブよりも細さの比率 (平均直径に対する長さ) が高くなります。 ポペットヘッドは輪郭が描かれており、シートの面取りされた表面に対してシールされます。

マグナムハンマーヘッド™ バルブ -特許取得済みの HAMMERHEAD バルブは、ヘッドからステムまでの直径がポペットよりもはるかに小さいエレメントを使用しています。 リターン スプリングも小型で、非金属インサートが使用されています。 エレメントの輪郭のあるヘッドは、角度のある座面に対してシールします。

マグナムバルブ -マグナムバルブは円筒形のエレメントを使用しているため、ヘッド径とステム径は同じです。 あるいは、マグナムの弾丸要素は「ヘッドレス」であると考えることもできます。 比較的小さなリターン スプリングには、HAMMREHEAD と同じ非金属インサートが使用されています。 エレメントの角度の付いたヘッドは、シートの傾斜面に対してシールします。 MAGNUM は、25 年近くにわたり、水素圧縮機のバルブとして選ばれてきました。

効率的なバルブにより、コンプレッサーは最小限の電力消費で、必要な圧力で最大流量のガスを供給できます。 バルブは、バルブの形状によって定義される流れ領域を持つオリフィスと考えることができます。 オリフィスが大きいほど、流量の制限が少なくなり、圧力降下が少なくなります。

圧力降下と消費電力の間には関係があるため、オリフィス (つまり、バルブ流路面積) が大きいほど、消費電力は小さくなります。 コンプレッサーに入るすべてのガスはバルブを通って流れる必要があるため、バルブの圧力降下を最小限に抑えると、ドライバーの電力消費が最小限に抑えられ、コンプレッサーの効率が向上します。

水素コンプレッサーは通常、大型の電気モーターによって駆動されるため、消費電力を最小限に抑えることが重要です。 バルブ流量面積の最大化は、バルブ効率を最適化するための 2 つの主要な考慮事項のうちの 1 つにすぎません。 もう一つはバルブクリアランスです。

ほとんどのバルブは、シリンダーボアのできるだけ近くに配置されています。 具体的には、吸気弁止め板および吐出弁座がシリンダボアに隣接して配置されている。 バルブクリアランスは、入口ストッププレートと吐出シートの流路に含まれるガスの体積として定義されます。これは、これらの体積がシリンダボアと連通するため、シリンダクリアランスが増加するためです。 シリンダークリアランスが大きくなるとコンプレッサー流量が減少するため、バルブクリアランスが大きくなるとコンプレッサー流量も減少し、その結果コンプレッサー効率も低下します。 水素圧縮機は効率的に動作する必要があるため、設計目標は、最適化された流路面積と低いクリアランスを備えたバルブを提供することになります。

バルブリフトを大きくするとバルブ流量面積が大きくなりますが、それは一定の限界までに限られます。 各バルブタイプの幾何学的特性によってこのリフトの限界が決まり、それを超えるとそれ以上の流量面積を得ることができなくなります。 実験室テストでは、さまざまなリフトでの流量係数を測定し、各バルブ タイプの流量面積を取得できます。

さまざまなタイプのバルブを比較した揚力と有効流量面積のグラフを図に示します。 純粋な水素は分子量 2.02 の最も軽いガスであり、バルブの圧力降下は分子量に正比例するため、通常、比較的小さなバルブ流量面積で水素用途に適したバルブ圧力降下を得ることができます。 したがって、水素サービスでは通常、より低いバルブリフトが適用されます。 図の強調表示された領域は、0.030 インチから 0.080 インチのリフト範囲でのさまざまなバルブ タイプの流量面積を比較しています。

したがって、水素用途のバルブ効率は、さまざまなタイプのバルブ間のクリアランスと流量面積の違いを評価することによって決定されます。 MAGNUM バルブは、比較的小さな可動要素と最適化された要素間の距離を備え、クリアランスが低いように特別に設計されていますが、同心リング バルブと同等の流路面積を持っています。 同心リング、ポートプレート、ハンマーヘッドのバルブクリアランス容積は大きくなります。 ポペット バルブは、比較的背の高い可動要素と大きなガス通路を備えており、すべてのバルブ タイプの中でクリアランス容積が最も大きく、流量面積が最も小さくなります。

バルブ効率がコンプレッサー全体の効率にとって重要であるのと同様に、バルブの信頼性とコンプレッサーの全体的な稼働時間にも同じことが当てはまります。 1995 年の水素圧縮機調査の結果は、この点を明確に示しています。 構造材料や形状/構成など、いくつかの設計要素がバルブの信頼性に影響します。

ガス適合性、強度、耐衝撃性、耐食性は、構造材料を選択する際に考慮すべき重要な変数です。 水素サービス用の材料は十分に確立されています。 ダクタイル鉄 (ダクタイル鉄とも呼ばれる) は、あらゆる種類のバルブで実績のあるシートおよびストッププレートの材料ですが、他のグレードの鉄や鋼も使用できます。

現在、ほぼすべてのタイプのバルブで使用されている非金属製の可動要素が登場する前は、同心のリングとプレートはステンレス鋼で作られていました。 しかし、スチール製のリングやプレートが使用中に故障すると、破片の破片がピストン、シリンダーライナー、および隣接するバルブに二次的な損傷を引き起こす可能性があります。

湿気を吸収しない高強度の熱可塑性プラスチックである PEEK (ポリエーテルエーテルケトン) は、今日の可動要素の製造に一般的に使用されています。 PEEK はステンレス鋼よりも衝撃速度をはるかに吸収し、要素が破損した場合でも、破片が重大な二次被害を引き起こすことはほとんどありません。

ばねにはクロムシリコン合金鋼や17-7PHステンレス鋼など、幅広い線材が使用されています。

上記の材料はすべて、微量の水酸化カリウム (KOH) を含む可能性のあるアルカリ電解槽で生成される水素を含む、純粋な水素と互換性があります。 一部の水素が豊富な混合物には、硫化水素 (H2S) などの腐食性成分が含まれる場合があります。 その場合、サワーガスサービスに関する NACE (National Association of Corrosion Engineers) の基準が適用される可能性があり、一部のコンポーネントの材料選択が変更されます。 たとえば、球状鉄はサワーサービスで実績のあるシートおよびストッププレートの材料ですが、エンドユーザーはより耐食性の高い 17-4 PH ステンレス鋼を好む場合があります。 PEEK はほとんどのガスに対して不活性であり、サワーサービスに適しています。 ELGILOY® および HASTEALLOY® は、NACE 規格を満たすさまざまなばね材料の 1 つです。

バルブ内の可動要素は、差圧や衝撃力によって加えられる応力を受けます。 差圧は、圧縮の各段階における吐出圧力と入口圧力の差です。 可動要素は、弁座に対して閉じられたときに差圧に抵抗するのに十分な強度がなければなりません。 その強度は構造の形状と材質によって異なります。

バルブ要素は、開くときにストッププレートに衝撃を与え、閉じるときにシートに衝撃を与えます。 開閉衝撃速度は、バルブリフトの増加、動作圧力の上昇、コンプレッサー速度の上昇に応じて増加します。 したがって、可動要素の衝撃速度を計算して、衝撃力に確実に耐えることが重要です。 水素コンプレッサーは通常、0.030 インチ～0.060 インチの範囲の低リフトのバルブを使用します。 ほとんどのモーター速度は比較的低く、300 ～ 600 rpm の範囲です。 この組み合わせは、高い吐出圧力でもバルブの信頼性が良好になる前兆です。

多くの場合、可動バルブ要素が高い衝撃速度を吸収する能力によって、その寿命が決まります。 一部の要素の形状は、他の要素よりも重い衝撃荷重を処理するのに適しています。 可動要素の接触面の性質と量が重要です。 平らな接触には問題が生じる可能性があります。 長方形の断面を持つ同心リングは平らな接触面を持ちます。 動作中、最初の接触は各リングの外縁で発生します。 この比較的高い点荷重により、リングに高い引張 (曲げ) 応力が加わります。 同心円リングの典型的な破損モードは、外縁で発生する破損です。

ポート付きプレートも平らな接触面を持っています。 ポート付きプレートの外径が円形の場合、同心リングと同じように動作します。 ポート付きプレートの破損の最も頻繁なモードも、外縁で始まる破損です。 Siemens Energy の特許取得済みの多角形のポート付きプレート形状は、円形プレートよりも高い断面積を持つエッジで初期衝撃を強制し、衝撃速度をよりよく吸収できます。

キノコ型のポペット要素は、平面接触の代わりに角度のある表面接触を使用した最初の要素の 1 つです。 ポペットヘッドの応力プロファイルは、多くの水素用途に有利であることが判明しました。

しかし、高いヘッド対ステム比によりポペット要素に差圧制限が課されるため、一部の水素圧縮機の最終段には適用できませんでした。 数年後、MAGNUM および HAMMERHEAD エレメントは、衝撃エネルギーをより効果的に分散するため、より高い衝撃速度に耐えられるよう、最適化された角度の付いた接触面で設計されました。

有限要素解析 (FEA) では、高荷重下でもマグナム要素とハンマーヘッド要素に対する引張応力が最小限であることが示されています。 同心のリングやプレートよりも直径がはるかに小さいことが役立ちます。 引張応力が最小限のバルブ要素は、簡単に曲がらないと簡単に壊れないため、堅牢で耐久性がなければなりません。

高速コンプレッサーを使用した長期にわたる社内実験室テストにより、MAGNUM エレメントが高い衝撃荷重下での極端な差圧と吐出温度に耐えられることが確認されました。 平板形状では失敗する場合でも、MAGNUM は生き残りました。 100 を超えるコンプレッサー シリンダーでの 3 年間のベータ テストに成功し、累積バルブ稼働時間は 250,000 時間となり、MAGNUM バルブが市場に導入されました。 マグナム バルブは、誕生から 30 年が経ち、ドレッサー ランド以外の銘板を備えたものも含め、数百台の水素圧縮機に適用されて成功してきました。

水素経済が世界的に拡大し続けるにつれて、はるかに大きなシリンダーボアを必要とするコンプレッサーの用途がより一般的になってきています。 必要なコンプレッサー流量を達成するにはシリンダークリアランスを最小限に抑えることが重要であるため、これらの大型シリンダーでは少数ながらも大型のバルブが使用されます。 必要なコンプレッサー効率を同時に達成するには、これらの大型バルブはより大きな流量面積を提供するように設計する必要があります。 この独特の設計課題は、Siemens Energy HAMMERHEAD バルブを適用することで克服されました。 社内流量テストでは、HAMMERHEAD が MAGNUM バルブよりも大幅に大きな流量面積を提供することが示されています。 高いバルブ流量領域を実現するために、HAMMERHEAD ポペット要素は、コンピューター流体力学 (CFD) 解析で最適化された、わずかに輪郭のあるヘッドを備えています。 HAMMERHEAD バルブは急速に市場に導入され、採用され、MAGNUM バルブと同等の信頼性があることが証明されています。

コンプレッサーのバルブが正常に動作しない場合は、スプリングの損傷が関係している可能性があります。 往復コンプレッサーのバルブ スプリングの力学は複雑です。 完全に理解するのは難しいことが判明しました。 したがって、ばね設計における保守的な考え方が役立ちます。 ガス適合性のある材料を使用することに加えて、用途に応じて適切な引張強度と疲労強度を備えたワイヤを選択することが重要です。 バルブ要素の形状や動作条件により、スプリングの設計が特定の材料、ワイヤ径、外径、および自由長で作られるよう制約される場合、これは困難になる可能性があります。

コンプレッサーのバルブ要素の動きは方形波に似ており、急速に開閉します。 この方形波の動きにより、高いバネ応​​力がかかる可能性があります。 スプリングは常に圧縮状態になるように設計されているため、閉じた位置で事前に負荷がかかります。 ただし、バルブ要素が特に大きな力で開くと、最初に予荷重がかかったスプリングが最終的な設計高さを超えて動き、要素から飛び跳ねる可能性があります。 このようなオーバーシュートは、スプリングがその高さまで圧縮され、ワイヤーに過度のストレスがかかる可能性があることを意味します。

現場で、隣接するフラット コイルを備えたスプリングが発見され、多くの場合光沢がある場合、これはコイル間の接触の明らかな兆候です。 MAGNUM バルブの場合、コイル間の接触に関する懸念を最小限に抑えるために、すべてのスプリングは非常に低い固体高さの応力で設計されています。 MAGNUM および HAMMERHEAD バルブ アセンブリは個別の同一のスプリングを使用するように設計されているため、バランスの取れたスプリング圧力が組み込まれています。 これは、不均一なばね圧力（ばね力をリング面積で割ったもの）を持つ個々の同心リングとは対照的です。 このような不均衡なスプリング圧力によるバルブのダイナミクスは低下する可能性があり、その結果、一部のリングが遅く閉まり、他のリングがバタつく (ひどく振動する) という結果が生じる可能性があります。 このようなバルブの動きは、スプリングの早期故障、リングの故障、またはその両方を引き起こす可能性があります。

実証済みの信頼性の高いバルブを備えた水素圧縮機を適切に操作および保守しているエンドユーザーは、次に計画されているユニットのオーバーホール (通常は 3 年から 5 年以上) までそれらが持続することを期待しています。 最も耐久性のあるバルブでも摩耗部品であり、最終的には修理または交換する必要があるため、スペアパーツとバルブ再調整ツールを現場に在庫しておくことがベストプラクティスです。

ほとんどの水素補給コンプレッサーは、異なるシリンダー サイズを備えた多段ユニットであるため、多くの場合、単一のコンプレッサーにさまざまなバルブ サイズが使用されます。 したがって、同心リングおよびポート付きプレートバルブを使用する場合、複数のリングおよびプレートサイズを在庫しておく必要があります。 これらのバルブ タイプは異なるバネレートも使用するため、異なるバネも在庫する必要があります。 これには費用がかかり、面倒になる可能性があります。

対照的に、MAGNUM バルブ要素は PEEK の特別なブレンドから作られ、圧縮のすべての段階のすべてのバルブに使用されています。 MAGNUM のスプリング ラインナップは、わずか 4 種類のバネレートとわずか 2 種類のバネ素材で構成されています。 したがって、コンプレッサー全体の一般的なバルブ交換コンポーネントは、1 つの MAGNUM エレメント部品番号と 1 つまたは 2 つのスプリング部品番号のみで構成されます。

マグナムの代わりにハンマーヘッドを適用した場合もストッキングの状況は同じになります。 HAMMERHEAD バルブ要素は圧縮のすべての段階で使用されます。 HAMMERHEAD のバルブ設計には MAGNUM スプリング ラインナップが採用されているため、コンプレッサー全体で使用されるスプリング部品番号は 1 つまたは 2 つだけです。 マグナムまたはハンマーヘッドバルブの修理が必要になった場合は、シール面を工場出荷時の仕様に戻すための特別なシートベベル再調整ツールをご利用いただけます。 マグナムとハンマーヘッドは、予備のバルブ コンポーネントを在庫するという物流上の課題を可能な限り軽減します。

米国の大手製油所では、連続運転中の 50 シリンダーを備えた 21 台のコンプレッサーで 10 か月のバルブ平均故障間隔 (MTBF) が発生していました。 この短い MTBF が、製油所での予定外のコンプレッサー停止の主な原因でした。 ほとんどのコンプレッサーは水素を使用しており、最大 1825 psia の吐出圧力と 285 rpm ～ 585 rpm の範囲のモーター速度で動作します。 2000 年から 2002 年にかけて年間平均 16 件のバルブ故障が発生したため、専任の整備士が 3 ～ 4 週間ごとにバルブを交換していました。 これは、マグナム バルブが製油所の小型コンプレッサーで約 2 年間ベータ テストされた設定です。 テストが成功した後、MAGNUM バルブは製油所最大の水素圧縮機 2 台に設置され、次の予定されている改修まで完璧に稼働しました。

残りのコンプレッサーのほとんどには、その後 3 年間かけてマグナム バルブが取り付けられました。 2003 年から 2007 年までの年間平均バルブ故障数は、21 台の同じフリート全体で 16 件から 2 件に減少しました。 2008 年から 2015 年にかけて、保有台数は 70 シリンダーを備えた 27 台のコンプレッサーに拡大され、継続的に稼働しました。その間、マグナム バルブの故障は平均して 1 年に 1 件だけでした。 スケール感としては、27 台のコンプレッサーすべてに 500 個を超えるバルブが取り付けられています。

2016 年までに、すべてのコンプレッサーにマグナムまたはハンマーヘッド バルブが装備されました。 2016 年から 2022 年までのバルブ故障の平均数も、年間わずか 1 件でした。 実際、2022 年に記録された唯一のバルブ故障は、典型的な摩耗によるものではなく、ガス流中のプロセス堆積物によるものでした。

バルブの MTBF は、MAGNUM バルブが製油所の標準になってから 60 か月に大幅に増加しました。これは 6 倍の改善が維持され続けています。 図 5 は、20 年前にマグナムが導入されてからバルブ故障が大幅に減少したことを示しています。 MTBF の急速かつ持続的な改善は、コンプレッサーバルブが製油所の計画外停止の主な原因ではなくなったことを意味します。

製油所の信頼性エンジニアの言葉を借りれば、「当初の目標は、シャットダウンを必要とするメンテナンスを行わずに、コンプレッサーを最低 5 年間隔で稼働できるようにすることでした。バルブをマグナム バルブに変換する前は、その目標に近づくことなど夢にも思わなかったのです」マグナム バルブを使用して以来、当社の MTBF は 5 年以上に着実に増加しました。これは当社と製造業者/設計者の共同の取り組みであり、この目標を達成し、超えるには短期間に多大な労力を必要としました。バルブの寿命はピストンとライダーリングの寿命の増加につながります。

以前は、バルブが故障し始めると、バルブの設計により局所温度が急速に上昇していました。 この局所的な加熱がライダーとピストン リングの劣化の原因である可能性が最も高くなります。 バルク放電温度のシャットダウンが発生するまで、動作は常に実行され続けます。 考えられるシナリオとしては、金曜日にヘッドエンドの排出バルブが故障または故障し、月曜日までにリストピンの故障が発生する可能性があります。 部分的に損傷しても動作を継続できるマグナム バルブの能力 (「リンパビリティ」と呼びます) が、これらの故障メカニズムの発生を防止します。

この取り組みの前には、計画外の「コストのかかる」シャットダウンが多数発生していました。 現在、私たちは通常、予防保守ベースでオーバーホールを行う場所で折り返し運転を行っています。

マシンの稼働年数は 7 ～ 8 年ですが、私たちの目標は 5 年からさらに前進することです。 いつか、大規模なシリンダーで一般的に発生する停止なしで 10 年間を達成できるかもしれません。」

何十年もの間、往復コンプレッサーは製油所用途で高圧水素を供給する上で重要な役割を果たしてきました。 近年では電解プラント、水素液化プラント、水素パイプラインなどにも用途が広がっています。 これらのさまざまな施設での圧縮要件は異なりますが、稼働時間と効率が重要であることに変わりはありません。 この点でバルブの設計は非常に重要であり、エンドユーザーとオペレーターにとって重要な焦点となっています。 バルブを適切に適用することで、計画外のダウンタイムに伴う収益損失を回避できます。