Performances des vannes : un élément clé pour la fiabilité et l’efficacité des compresseurs alternatifs dans les applications hydrogène

Par Steve Chaykosky, Siemens Energy et Joel Sanford, Siemens Energy20 mars 2023

Les compresseurs alternatifs sont des équipements critiques dans le secteur traditionnel en aval, qui dépend de volumes élevés d’hydrogène gazeux sous pression. Le reformage à la vapeur du méthane produit la majeure partie de l’hydrogène consommé par les procédés de raffinage du pétrole. La demande croissante d’hydrogène plus propre tout au long de la chaîne de valeur, y compris le transport et le stockage, élargit rapidement le marché des compresseurs nouveaux et modernisés. Avec davantage d’actifs de compression à gérer, les opérateurs se concentrent sur l’obtention de longues durées de disponibilité. Les vannes jouent un rôle important dans l’efficacité et la fiabilité des compresseurs alternatifs.

Une vaste enquête menée en 1995 auprès des utilisateurs finaux de compresseurs d'hydrogène (Leonard, S M. Augmenter la fiabilité des compresseurs d'hydrogène à mouvement alternatif. Hydrocarbon Processing, janvier 1996) a révélé que les vannes étaient la principale cause de temps d'arrêt imprévus. Cette découverte a contribué à stimuler les efforts de recherche et de développement qui ont conduit à des améliorations significatives de la technologie des vannes au cours des 25 dernières années.

Dans cet article, nous discutons de la fonctionnalité de base des vannes des compresseurs alternatifs et décrivons les variables clés qui ont un impact sur leurs performances dans les applications à hydrogène.

Les vannes de compresseur alternatif sont des clapets anti-retour à ressort à grande vitesse, actionnés par pression. Bien qu'il existe de nombreux styles de vannes différents, tous utilisent quatre composants principaux : 1) siège, 2) plaque d'arrêt, 3) élément mobile et 4) ressort.

La figure 1 ci-dessous montre une vanne MAGNUM™ avec les composants étiquetés. Ces clapets anti-retour spécialisés se présentent sous différentes formes et tailles. Cependant, ils remplissent tous la même fonction, à savoir permettre au gaz à basse pression d’entrer dans la bouteille où il est comprimé et d’en sortir sous forme de gaz à haute pression.

La pression différentielle à travers la vanne fournit une force pour pousser l'élément mobile de sa position fermée contre le siège vers sa position ouverte contre la plaque d'arrêt. La distance de déplacement vertical de l'élément mobile est définie comme la levée de soupape. Les ressorts fournissent une force pour ramener l'élément mobile de la plaque d'arrêt à sa position fermée contre le siège. Les vannes s'actionnent toutes les 200 millisecondes ou moins (en fonction de la vitesse du compresseur) et sont soumises à de fortes charges de fatigue.

Néanmoins, ils devraient fonctionner efficacement et sans problème entre les révisions programmées des compresseurs, qui ont généralement lieu tous les trois ans ou plus. Cela souligne l’importance critique de la conception, du fonctionnement et de la maintenance des vannes.

Les éléments d'étanchéité et les ressorts sont les pièces mobiles de la vanne. Les ingénieurs concepteurs les étudient de près car ils subissent le plus gros de l’usure. "Combien de temps ça va durer?" est la question la plus fréquemment posée à propos des vannes de compresseur. La réponse dépend de nombreuses variables, généralement réparties entre facteurs de conception et facteurs opérationnels.

Les facteurs de conception sont contrôlés par le fabricant OEM de la vanne, tandis que les facteurs opérationnels sont déterminés par l'utilisateur final du compresseur. Les concepteurs équilibreront la fiabilité des vannes et l’efficacité du compresseur en sélectionnant la levée des vannes, la force du ressort et les matériaux de construction. Des algorithmes informatiques simulent la dynamique des vannes à l'aide de paramètres de fonctionnement tels que la pression, la température, le poids moléculaire et la vitesse du compresseur. La conception finale de la vanne est adaptée conformément aux directives d'application.

Les facteurs opérationnels sont le plus souvent liés à la qualité du gaz, notamment à la présence de contaminants solides ou liquides. Si de la saleté et des débris provenant du flux de gaz pénètrent dans le cylindre, les soupapes, les segments de piston, les bandes de guidage et les garnitures courent un risque plus élevé d'usure accrue et de défaillances prématurées. Étant donné que les liquides sont pratiquement incompressibles, les soupapes peuvent être soumises à des contraintes excessives lorsque le piston tente de comprimer le gaz liquide entraîné. Une mauvaise lubrification des cylindres, trop ou pas assez, peut entraîner une dynamique de soupape sous-optimale. Faire fonctionner le compresseur dans des conditions non conformes à la conception peut également affecter négativement la dynamique des vannes. Enfin, de mauvaises pratiques de réparation des vannes peuvent réduire considérablement leur durée de vie. Si l’hydrogène produit commercialement est généralement considéré comme un gaz propre, la plupart des facteurs opérationnels affectant la fiabilité des vannes sont alors moins préoccupants que les facteurs de conception des vannes.