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May 28, 2023

Ventilleistung: Ein Schlüsselelement für Zuverlässigkeit und Effizienz von Kolbenkompressoren in Wasserstoffanwendungen

Von Steve Chaykosky, Siemens Energy und Joel Sanford, Siemens Energy20. März 2023 Kolbenkompressoren sind wichtige Geräte im traditionellen Downstream-Sektor, der auf große Mengen an Strom angewiesen ist

Von Steve Chaykosky, Siemens Energy und Joel Sanford, Siemens Energy20. März 2023

Kolbenkompressoren sind wichtige Geräte im traditionellen Downstream-Bereich, der auf große Mengen an unter Druck stehendem Wasserstoffgas angewiesen ist. Durch die Dampf-Methan-Reformierung entsteht der größte Teil des Wasserstoffs, der bei Ölraffinierungsprozessen verbraucht wird. Der wachsende Bedarf an sauberem Wasserstoff entlang der gesamten Wertschöpfungskette, einschließlich Transport und Lagerung, führt zu einem raschen Wachstum des Marktes für neue und modernisierte Kompressoren. Da mehr Komprimierungsressourcen gewartet werden müssen, konzentrieren sich die Betreiber darauf, lange Betriebszeiten zu erreichen. Ventile spielen eine wichtige Rolle für die Effizienz und Zuverlässigkeit von Kolbenkompressoren.

Eine große Umfrage unter Endbenutzern von Wasserstoffkompressoren aus dem Jahr 1995 (Leonard, S M. Erhöht die Zuverlässigkeit von Kolbenkompressoren. Hydrocarbon Processing, Januar 1996) ergab, dass Ventile die Hauptursache für ungeplante Ausfallzeiten sind. Diese Erkenntnis hat dazu beigetragen, Forschungs- und Entwicklungsbemühungen voranzutreiben, die in den letzten über 25 Jahren zu erheblichen Verbesserungen in der Ventiltechnologie geführt haben.

In diesem Artikel diskutieren wir die grundlegende Funktionalität von Kolbenkompressorventilen und skizzieren Schlüsselvariablen, die sich auf ihre Leistung in Wasserstoffanwendungen auswirken.

Kolbenkompressorventile sind druckbetätigte, federbelastete Hochgeschwindigkeits-Rückschlagventile. Obwohl es viele verschiedene Ventiltypen gibt, verwenden alle vier Hauptkomponenten: 1) Sitz, 2) Anschlagplatte, 3) bewegliches Element und 4) Feder.

Abbildung 1 unten zeigt ein MAGNUM™-Ventil mit beschrifteten Komponenten. Diese speziellen Rückschlagventile gibt es in verschiedenen Formen und Größen. Sie erfüllen jedoch alle die gleiche Funktion: Sie sorgen dafür, dass Niederdruckgas in die Flasche gelangt, wo es komprimiert wird und als Hochdruckgas austritt.

Der Differenzdruck am Ventil sorgt für eine Kraft, die das bewegliche Element von seiner geschlossenen Position gegen den Sitz in seine offene Position gegen die Anschlagplatte drückt. Der vertikale Verfahrweg des beweglichen Elements wird als Ventilhub definiert. Die Federn sorgen für eine Kraft, um das bewegliche Element von der Anschlagplatte zurück in seine geschlossene Position am Sitz zurückzubringen. Die Ventile werden alle 200 Millisekunden oder weniger aktiviert (abhängig von der Kompressorgeschwindigkeit) und unterliegen starken Ermüdungsbelastungen.

Dennoch wird erwartet, dass sie zwischen den geplanten Kompressorüberholungen, die in der Regel alle drei Jahre oder länger stattfinden, effizient und störungsfrei arbeiten. Dies unterstreicht die Bedeutung von Ventilkonstruktion, -betrieb und -wartung.

Dichtelemente und Federn sind die beweglichen Teile des Ventils. Konstrukteure studieren sie genau, weil sie die Hauptlast des Verschleißes tragen. "Wie lange wird es dauern?" ist die am häufigsten gestellte Frage zu Kompressorventilen. Die Antwort hängt von vielen Variablen ab, die im Allgemeinen in Designfaktoren und Betriebsfaktoren unterteilt werden.

Designfaktoren werden vom Ventil-OEM kontrolliert, während Betriebsfaktoren vom Endbenutzer des Kompressors bestimmt werden. Durch die Wahl des Ventilhubs, der Federkraft und der Konstruktionsmaterialien werden die Konstrukteure die Ventilzuverlässigkeit und die Effizienz des Kompressors in Einklang bringen. Computeralgorithmen simulieren die Ventildynamik anhand von Betriebsparametern wie Druck, Temperatur, Molekulargewicht und Kompressorgeschwindigkeit. Das endgültige Ventildesign wird gemäß den Anwendungsrichtlinien maßgeschneidert.

Betriebsfaktoren beziehen sich meist auf die Gasqualität, insbesondere darauf, ob feste Verunreinigungen oder Flüssigkeiten vorhanden sind. Wenn Schmutz und Ablagerungen aus dem Gasstrom in den Zylinder gelangen, besteht für Ventile, Kolbenringe, Gleitringe und Packungen ein höheres Risiko eines erhöhten Verschleißes und vorzeitiger Ausfälle. Da Flüssigkeiten nahezu inkompressibel sind, können Ventile überbeansprucht werden, wenn der Kolben versucht, in der Flüssigkeit mitgeführtes Gas zu komprimieren. Eine unsachgemäße Zylinderschmierung, sei es zu viel oder zu wenig, kann zu einer suboptimalen Ventildynamik führen. Der Betrieb des Kompressors unter erheblich abweichenden Bedingungen kann sich auch negativ auf die Ventildynamik auswirken. Schließlich kann eine schlechte Praxis bei der Ventilreparatur die Lebensdauer des Ventils erheblich verkürzen. Wenn kommerziell hergestellter Wasserstoff im Allgemeinen als sauberes Gas gilt, sind die meisten Betriebsfaktoren, die die Ventilzuverlässigkeit beeinflussen, von geringerer Bedeutung als die Ventilkonstruktionsfaktoren.

Im Laufe der Jahre sind viele verschiedene Ventiltypen entstanden, die zu einer breiten Palette an Geometrien beweglicher Elemente geführt haben. Praktisch alle wurden mit unterschiedlichem Erfolg im Wasserstoffbereich eingesetzt. Die fünf wichtigsten Ventiltypen werden im Folgenden beschrieben (und in Abbildung 2 dargestellt).

Konzentrisches Ringventil - Jede Ventilbaugruppe verwendet mehrere Ringe unterschiedlicher Größe (Durchmesser). Obwohl die Abbildung eine Ventilbaugruppe mit nur vier Ringen zeigt, bieten größere Ventile Platz für bis zu zehn. Jeder Ring verfügt über einen eigenen Federsatz. Um die Feder während der Betätigung zu schützen, befindet sich zwischen jeder Feder und ihrem Ring ein kleiner zylindrischer Knopf. Diese Ringe haben einen rechteckigen Querschnitt und dichten gegen eine ebene Sitzfläche ab. Konzentrische Ringventile wurden Mitte der 1990er Jahre, als die Umfrage durchgeführt wurde, häufig in Wasserstoffkompressoren eingesetzt.

Plattenventil mit Anschlüssen - Die mit Öffnungen versehene Platte ist im Wesentlichen ein verbundener Satz konzentrischer Ringe in einem einzigen Ventilelement. Da die Ventilgrößen stark variieren, variieren auch die Plattengrößen. Die Platte wird von einer ausgewogenen Federanordnung getragen. Wie bei den oben genannten konzentrischen Ringen dichtet die Platte gegen eine flache Sitzfläche ab.

Tellerventil - Das Tellerventilelement verfügt über einen pilzförmigen Kopf, der einen deutlich größeren Durchmesser als der Schaft hat. Jede Rückholfeder ist im Schaft untergebracht. Die Federn haben ein höheres Schlankheitsverhältnis (Länge zu mittlerem Durchmesser) als andere Ventiltypen. Der Tellerkopf ist konturiert und dichtet gegen eine abgeschrägte Fläche am Sitz ab.

MAGNUM HAMMERHEAD™ Ventil - Das patentierte HAMMERHEAD-Ventil verwendet ein Element mit einem Kopf-zu-Stamm-Durchmesser, der viel kleiner ist als der Teller. Die ebenfalls kleineren Rückholfedern verwenden nichtmetallische Einsätze. Der konturierte Kopf des Elements dichtet gegen eine abgewinkelte Sitzfläche ab.

MAGNUM-Ventil - Das MAGNUM-Ventil verwendet ein zylindrisch geformtes Element, sodass Kopfdurchmesser und Schaftdurchmesser gleich sind. Alternativ kann man sich das Geschosselement des MAGNUM als „kopflos“ vorstellen. Die relativ kleinen Rückholfedern verwenden die gleichen nichtmetallischen Einsätze wie der HAMMREHEAD. Der abgewinkelte Kopf des Elements dichtet gegen eine abgeschrägte Fläche am Sitz ab. Das MAGNUM ist seit fast 25 Jahren das Ventil der Wahl bei Wasserstoffkompressoren.

Ein effizientes Ventil ermöglicht es dem Kompressor, bei geringstem Stromverbrauch die höchste Gasdurchflussrate bei den gewünschten Drücken zu liefern. Ventile können als Öffnungen mit einem Strömungsquerschnitt betrachtet werden, der durch die Ventilgeometrie definiert wird. Eine größere Öffnung hat eine geringere Durchflussbeschränkung und verursacht einen geringeren Druckabfall.

Da ein Zusammenhang zwischen Druckabfall und Stromverbrauch besteht, ist der Stromverbrauch umso geringer, je größer die Öffnung (dh die Durchflussfläche des Ventils) ist. Da das gesamte in den Kompressor eintretende Gas durch die Ventile strömen muss, führt die Minimierung des Ventildruckabfalls zu einer besseren Kompressoreffizienz durch Minimierung des Stromverbrauchs des Treibers.

Wasserstoffkompressoren werden üblicherweise von großen Elektromotoren angetrieben, und es ist sinnvoll, ihren Stromverbrauch zu minimieren. Die Maximierung des Ventildurchflussquerschnitts ist nur eine von zwei Hauptüberlegungen zur Optimierung der Ventileffizienz. Das andere ist das Ventilspiel.

Die meisten Ventile sind so nah wie möglich an der Zylinderbohrung positioniert. Insbesondere befinden sich die Einlassventil-Anschlagplatte und der Auslassventilsitz neben der Zylinderbohrung. Das Ventilspiel ist definiert als das Gasvolumen, das in den Strömungskanälen der Einlassstoppplatte und des Auslasssitzes enthalten ist, da diese Volumina mit der Zylinderbohrung kommunizieren und daher das Zylinderspiel vergrößern. Da ein höheres Zylinderspiel den Kompressordurchfluss verringert, führt ein höheres Ventilspiel auch zu einem geringeren Kompressordurchfluss und damit zu einer geringeren Kompressoreffizienz. Wasserstoffkompressoren müssen effizient laufen, daher besteht das Konstruktionsziel darin, Ventile mit optimiertem Durchflussquerschnitt und geringem Spiel bereitzustellen.

Ein größerer Ventildurchflussquerschnitt wird mit einem höheren Ventilhub erreicht, jedoch nur bis zu einer bestimmten Grenze. Die geometrischen Eigenschaften jedes Ventiltyps bestimmen diese Hubgrenze, jenseits derer kein größerer Durchflussquerschnitt erreicht werden kann. Labortests messen die Durchflusskoeffizienten bei verschiedenen Hüben und ermöglichen so die Ermittlung von Durchflussquerschnitten für jeden Ventiltyp.

In der Abbildung ist ein Diagramm des Hubs im Vergleich zur effektiven Durchflussfläche zum Vergleich verschiedener Ventiltypen dargestellt. Da reiner Wasserstoff mit einem Molekulargewicht von 2,02 das leichteste Gas ist und der Ventildruckabfall direkt proportional zum Molekulargewicht ist, kann normalerweise ein angemessener Ventildruckabfall für Wasserstoffanwendungen mit einer relativ kleinen Ventildurchflussfläche erzielt werden. Daher werden im Wasserstoffbetrieb normalerweise geringere Ventilhübe verwendet. Der hervorgehobene Bereich der Abbildung vergleicht die Durchflussbereiche verschiedener Ventiltypen im Hubbereich von 0,030 Zoll bis 0,080 Zoll.

Daher wird die Ventileffizienz für Wasserstoffanwendungen durch die Bewertung der Unterschiede im Spiel gegenüber der Durchflussfläche zwischen den verschiedenen Ventiltypen bestimmt. Das MAGNUM-Ventil ist mit seinem relativ kleinen beweglichen Element und dem optimierten Abstand zwischen den Elementen speziell für geringes Spiel konzipiert und verfügt dennoch über einen Durchflussquerschnitt, der dem von Ventilen mit konzentrischen Ringen entspricht. Der konzentrische Ring, die Lochplatte und der HAMMERHEAD haben ein größeres Ventilspielvolumen. Das Tellerventil hat mit seinem relativ hohen beweglichen Element und den großen Gasdurchgängen das größte Totvolumen und den niedrigsten Durchflussquerschnitt aller Ventiltypen.

So wie die Ventileffizienz für die Gesamteffizienz des Kompressors wichtig ist, gilt dies auch für die Ventilzuverlässigkeit und die Gesamtverfügbarkeit des Kompressors. Die Ergebnisse der Umfrage zu Wasserstoffkompressoren aus dem Jahr 1995 verdeutlichen diesen Punkt deutlich. Mehrere Designfaktoren beeinflussen die Ventilzuverlässigkeit, wie zum Beispiel Konstruktionsmaterialien und Geometrie/Konfiguration.

Gaskompatibilität, Festigkeit, Schlagfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit sind wichtige Variablen, die bei der Auswahl eines Konstruktionsmaterials berücksichtigt werden müssen. Materialien für den Wasserstoffbetrieb sind gut etabliert. Sphäroguss (auch Sphäroguss genannt) ist ein bewährtes Sitz- und Anschlagmaterial für alle Ventiltypen, es können jedoch auch andere Eisen- und Stahlsorten verwendet werden.

Vor der Einführung nichtmetallischer beweglicher Elemente, die heute in fast allen Ventiltypen verwendet werden, wurden konzentrische Ringe und Platten aus Edelstahl hergestellt. Wenn jedoch Stahlringe und -platten im Betrieb versagten, führten Fragmente der Bruchstücke zu sekundären Schäden an Kolben, Zylinderlaufbuchsen und angrenzenden Ventilen.

PEEK (PolyEtherEtherKetone), ein hochfester Thermoplast, der keine Feuchtigkeit aufnimmt, wird häufig zur Herstellung heutiger beweglicher Elemente verwendet. PEEK absorbiert Aufprallgeschwindigkeiten viel besser als Edelstahl, und wenn ein Element bricht, verursachen Bruchstücke selten nennenswerte Sekundärschäden.

Für Federn wird eine breite Palette von Drahtmaterialien verwendet, darunter Chrom-Silizium-legierter Stahl und 17-7 PH-Edelstahl.

Alle oben genannten Materialien sind mit reinem Wasserstoff kompatibel, einschließlich Wasserstoff, der durch alkalische Elektrolyseure erzeugt wird und Spuren von Kaliumhydroxid (KOH) enthalten kann. Einige wasserstoffreiche Gemische können korrosive Bestandteile wie Schwefelwasserstoff (H2S) enthalten. In diesem Fall gelten möglicherweise die NACE-Standards (National Association of Corrosion Engineers) für den Sauergasbetrieb, wodurch sich die Materialauswahl einiger Komponenten ändert. Obwohl Sphäroguss beispielsweise ein bewährtes Sitz- und Anschlagplattenmaterial im sauren Betrieb ist, bevorzugen Endbenutzer möglicherweise den korrosionsbeständigeren Edelstahl 17-4 PH. PEEK ist gegenüber den meisten Gasen inert und eignet sich gut für saure Anwendungen. ELGILOY® und HASTEALLOY® gehören zu den verschiedenen Federmaterialien, die den NACE-Standards entsprechen.

Die beweglichen Elemente im Ventil sind Belastungen durch Differenzdruckkräfte und Stoßkräfte ausgesetzt. Der Differenzdruck ist die Differenz zwischen Auslassdruck und Einlassdruck auf jeder Kompressionsstufe. Das bewegliche Element muss stark genug sein, um der Differenzdruckkraft standzuhalten, wenn es gegen den Ventilsitz geschlossen wird. Seine Festigkeit hängt von der Geometrie und dem Konstruktionsmaterial ab.

Das Ventilelement stößt beim Öffnen auf die Anschlagplatte und beim Schließen auf den Sitz. Die Öffnungs- und Schließstoßgeschwindigkeiten erhöhen sich bei größeren Ventilhüben, höheren Betriebsdrücken und höheren Kompressordrehzahlen. Daher ist es wichtig, die Aufprallgeschwindigkeiten des beweglichen Elements zu berechnen, um sicherzustellen, dass es den Aufprallkräften standhält. Wasserstoffkompressoren verwenden normalerweise Ventile mit geringeren Hüben im Bereich von 0,030 Zoll bis 0,060 Zoll. Die meisten Motordrehzahlen sind relativ niedrig und liegen im Bereich von 300–600 U/min. Diese Kombination verspricht gute Ventilzuverlässigkeit, selbst bei hohen Förderdrücken.

Die Fähigkeit eines beweglichen Ventilelements, hohe Stoßgeschwindigkeiten zu absorbieren, bestimmt oft, wie lange es hält. Einige Elementgeometrien eignen sich besser als andere für die Bewältigung schwerer Stoßbelastungen. Entscheidend sind Art und Menge der Kontaktflächen des beweglichen Elements. Flacher Kontakt kann problematisch sein. Konzentrische Ringe mit rechteckigem Querschnitt haben ebene Kontaktflächen. Im Betrieb erfolgt der erste Kontakt am äußeren Rand jedes Rings. Diese relativ hohe Punktlast führt zu einer hohen Zug-(Biege-)Beanspruchung der Ringe. Der typische Versagensmodus eines konzentrischen Rings ist ein Bruch, der an einer Außenkante entsteht.

Portierte Platten haben außerdem eine ebene Kontaktfläche. Wenn der Außendurchmesser der mit Öffnungen versehenen Platte kreisförmig ist, funktioniert sie auf die gleiche Weise wie ein konzentrischer Ring. Die häufigste Art des Versagens der portierten Platte ist ebenfalls ein Bruch, der an einer Außenkante beginnt. Die von Siemens Energy patentierte Plattengeometrie mit polygonalen Öffnungen erzwingt die anfänglichen Stöße an einer Kante mit größerer Querschnittsfläche als eine kreisförmige Platte und kann die Aufprallgeschwindigkeiten besser absorbieren.

Pilzförmige Tellerelemente gehörten zu den ersten, die einen abgewinkelten Oberflächenkontakt anstelle des flachen Kontakts verwendeten. Das Spannungsprofil am Tellerkopf erwies sich für viele Wasserstoffanwendungen als günstig.

Das hohe Kopf-zu-Stamm-Verhältnis stellt jedoch eine Differenzdruckbegrenzung für das Tellerelement dar, sodass es nicht auf die Endstufe einiger Wasserstoffkompressoren angewendet werden konnte. Jahre später wurden MAGNUM- und HAMMERHEAD-Elemente mit optimierten abgewinkelten Kontaktflächen entwickelt, die die Aufprallenergie effektiver verteilen und daher viel höheren Aufprallgeschwindigkeiten standhalten.

Die Finite-Elemente-Analyse (FEA) zeigt minimale Zugspannungen an den MAGNUM- und HAMMERHEAD-Elementen, selbst unter hohen Belastungen. Dabei hilft, dass sie viel kleinere Durchmesser haben als konzentrische Ringe und Platten. Ventilelemente mit minimalen Zugspannungen sollten robust und langlebig sein, denn wenn sie sich nicht leicht biegen lassen, können sie auch nicht so leicht brechen.

Langfristige interne Labortests an einem Hochgeschwindigkeitskompressor haben bestätigt, dass das MAGNUM-Element extremen Differenzdrücken und Austrittstemperaturen unter hohen Stoßbelastungen standhalten kann. Wo flache Plattengeometrien versagen würden, überlebte die MAGNUM. Nach drei Jahren erfolgreicher Betatests in über 100 Kompressorzylindern mit einer kumulierten Ventillaufzeit von 250.000 Stunden wurde das MAGNUM-Ventil auf den Markt gebracht. Bis weit in sein drittes Jahrzehnt hinein wurde das MAGNUM-Ventil erfolgreich in Hunderten von Wasserstoffkompressoren eingesetzt, darunter viele mit Typenschildern, die nicht von Dresser-Rand stammen.

Da die Wasserstoffwirtschaft weltweit weiter wächst, werden Kompressoranwendungen, die viel größere Zylinderbohrungen erfordern, immer häufiger. Da die Minimierung des Zylinderspiels der Schlüssel zum Erreichen der erforderlichen Kompressordurchflussraten ist, verwenden diese größeren Zylinder weniger, aber größere Ventile. Um gleichzeitig die erforderliche Kompressoreffizienz zu erreichen, müssen diese größeren Ventile so ausgelegt sein, dass sie viel größere Durchflussbereiche bieten. Diese einzigartige Designherausforderung wurde durch den Einsatz des HAMMERHEAD-Ventils von Siemens Energy gemeistert. Interne Durchflusstests zeigen, dass das HAMMERHEAD-Ventil einen deutlich größeren Durchflussquerschnitt bietet als das MAGNUM-Ventil. Um große Ventildurchflussbereiche zu erreichen, verfügt das HAMMERHEAD-Tellerelement über einen leicht konturierten Kopf, optimiert durch computergestützte Fluiddynamikanalyse (CFD). HAMMERHEAD-Ventile wurden schnell auf dem Markt eingesetzt und angenommen und erwiesen sich als ebenso zuverlässig wie das MAGNUM-Ventil.

Wenn Kompressorventile nicht ordnungsgemäß funktionieren, kann dies an beschädigten Federn liegen. Die Dynamik von Ventilfedern für Kolbenkompressoren ist kompliziert. Ein vollständiges Verständnis hat sich als schwer zu erreichen erwiesen. Daher ist Konservatismus bei der Federgestaltung sinnvoll. Neben der Verwendung eines gasverträglichen Materials ist die Auswahl eines Drahtes mit ausreichender Zug- und Ermüdungsfestigkeit für die Anwendung wichtig. Dies kann eine Herausforderung darstellen, wenn die Geometrie des Ventilelements und die Betriebsbedingungen erfordern, dass die Federkonstruktion aus einem bestimmten Material, einem bestimmten Drahtdurchmesser, einem bestimmten Außendurchmesser und einer bestimmten freien Länge besteht.

Die Bewegung der Kompressorventilelemente ähnelt einer Rechteckwelle mit schnellen Öffnungs- und Schließvorgängen. Durch diese Rechteckbewegung können hohe Federspannungen entstehen. Federn sind so konzipiert, dass sie immer unter Druck stehen und daher in der geschlossenen Position vorgespannt sind. Wenn das Ventilelement jedoch mit besonders großer Kraft öffnet, könnte sich die zunächst vorgespannte Feder über ihre endgültige Auslegungshöhe hinaus bewegen und vom Element wegspringen. Ein solches Überschwingen bedeutet, dass die Feder auf ihre feste Höhe zusammengedrückt werden könnte, wodurch der Draht möglicherweise überbeansprucht wird.

Wenn im Feld Federn mit benachbarten flachen Spulen gefunden werden, die häufig glänzend sind, ist dies ein verräterisches Zeichen für den Kontakt zwischen Spulen. Im Fall des MAGNUM-Ventils sind alle Federn mit sehr geringen Höhenspannungen ausgelegt, um Bedenken hinsichtlich des Spulenkontakts zu minimieren. Da MAGNUM- und HAMMERHEAD-Ventilbaugruppen für die Verwendung einzelner, identischer Federn ausgelegt sind, ist ein ausgeglichener Federdruck eingebaut. Dies steht im Gegensatz zu einzelnen konzentrischen Ringen, die einen ungleichmäßigen Federdruck haben (Federkraft geteilt durch Ringfläche). Die Ventildynamik kann bei einem derart unausgeglichenen Federdruck schlecht sein, was möglicherweise dazu führt, dass einige Ringe zu spät schließen und andere flattern (stark schwingen). Eine solche Ventilbewegung kann zu vorzeitigem Federausfall, Ringausfall oder beidem führen.

Endbenutzer, die Wasserstoffkompressoren mit bewährten, zuverlässigen Ventilen ordnungsgemäß betreiben und warten, erwarten, dass sie bis zur nächsten geplanten Geräteüberholung (normalerweise drei bis fünf Jahre oder länger) halten. Das langlebigste Ventil ist immer noch ein Verschleißteil und muss irgendwann repariert oder ersetzt werden. Daher empfiehlt es sich, Ersatzteile und Werkzeuge zur Ventilüberholung vor Ort vorrätig zu halten.

Bei den meisten Wasserstoff-Makeup-Kompressoren handelt es sich um mehrstufige Einheiten mit unterschiedlichen Zylindergrößen, sodass in einem einzigen Kompressor oft viele verschiedene Ventilgrößen anzutreffen sind. Daher müssten beim Einsatz konzentrischer Ring- und Anschlussplattenventile mehrere Ring- und Plattengrößen vorrätig sein. Diese Ventiltypen verwenden auch unterschiedliche Federraten, was es erforderlich macht, auch unterschiedliche Federn auf Lager zu haben. Dies kann kostspielig und umständlich sein.

Im Gegensatz dazu wird das MAGNUM-Ventilelement aus einer speziellen PEEK-Mischung in allen Ventilen in allen Kompressionsstufen verwendet. Das MAGNUM-Federsortiment besteht aus nur vier verschiedenen Federraten und nur zwei verschiedenen Federmaterialien. Daher bestehen die typischen Ventilersatzkomponenten für einen gesamten Kompressor aus einer MAGNUM-Element-Teilenummer und nur einer oder zwei Feder-Teilenummern.

Wenn anstelle von MAGNUMS HAMMERHEADS verwendet werden, ist die Besatzsituation dieselbe. Das HAMMERHEAD-Ventilelement würde in allen Kompressionsstufen verwendet werden. Da das HAMMERHEAD-Ventildesign die MAGNUM-Federreihe verwendet, werden im gesamten Kompressor nur eine oder zwei Federteilenummern verwendet. Wenn eine Reparatur von MAGNUM- oder HAMMERHEAD-Ventilen erforderlich ist, steht ein spezielles Werkzeug zur Wiederherstellung der Sitzschräge zur Verfügung, um die Dichtflächen wieder auf die Werksspezifikationen zurückzubringen. MAGNUM und HAMMERHEAD vereinfachen die logistische Herausforderung der Bevorratung von Ersatzventilkomponenten so weit wie möglich.

In einer großen Ölraffinerie in den Vereinigten Staaten kam es bei einer Flotte von 21 Kompressoren mit 50 Zylindern im Dauerbetrieb zu einer MTBF (Ventil Time Between Failure) von 10 Monaten. Diese kurze MTBF war der Hauptgrund für ungeplante Kompressorabschaltungen in der Raffinerie. Die meisten Kompressoren werden mit Wasserstoff betrieben und arbeiten bei Austrittsdrücken von bis zu 1825 psia und bei Motordrehzahlen zwischen 285 und 585 U/min. Im Jahresdurchschnitt von 2000 bis 2002 kam es zu 16 Ventilausfällen, was bedeutete, dass ein engagiertes Team von Mechanikern alle drei bis vier Wochen die Ventile wechselte. In dieser Umgebung wurden MAGNUM-Ventile etwa zwei Jahre lang an einem kleinen Kompressor in der Raffinerie im Betatest getestet. Nach erfolgreichen Tests wurden MAGNUM-Ventile in zwei der größten Wasserstoffkompressoren der Raffinerie eingebaut und liefen bis zur nächsten geplanten Revision einwandfrei.

Die meisten der verbleibenden Kompressoren wurden in den nächsten drei Jahren mit MAGNUM-Ventilen nachgerüstet. Die jährlichen durchschnittlichen Ventilausfälle gingen zwischen 2003 und 2007 bei derselben Flotte von 21 Einheiten von 16 auf zwei zurück. Von 2008 bis 2015 vergrößerte sich die Flotte auf 27 Kompressoren mit 70 Zylindern im Dauerbetrieb, wobei es durchschnittlich nur zu einem Ausfall des MAGNUM-Ventils pro Jahr kam. Zur Veranschaulichung: In allen 27 Kompressoren sind über 500 Ventile installiert.

Bis 2016 waren alle Kompressoren mit MAGNUM- oder HAMMERHEAD-Ventilen ausgestattet. Auch die durchschnittliche Zahl der Ventilausfälle von 2016 bis 2022 betrug nur einen pro Jahr. Tatsächlich war der einzige im Jahr 2022 registrierte Ventilausfall nicht auf typischen Verschleiß zurückzuführen, sondern auf Prozessablagerungen im Gasstrom.

Die Ventil-MTBF stieg deutlich auf 60 Monate, nachdem MAGNUM-Ventile zum Raffineriestandard wurden – was einer Verbesserung um das Sechsfache entspricht, die weiterhin beibehalten wird. Abbildung 5 zeigt den starken Rückgang der Ventilausfälle nach der Einführung von MAGNUMS vor 20 Jahren. Die schnelle und nachhaltige Verbesserung der MTBF bedeutet, dass die Kompressorventile nicht mehr der Hauptgrund für außerplanmäßige Stillstände in der Raffinerie sind.

Um einen Raffinerie-Zuverlässigkeitsingenieur zu zitieren: „Das ursprüngliche Ziel bestand darin, unsere Kompressoren in mindestens 5-Jahres-Intervallen laufen zu lassen, ohne dass Wartungsarbeiten eine Abschaltung erfordern würden. Bevor wir die Ventile auf MAGNUM-Ventile umstellten, konnten wir nicht einmal davon träumen, dieses Ziel auch nur annähernd zu erreichen. Seit der Verwendung von MAGNUM-Ventilen ist unsere MTBF stetig auf über 5 Jahre gestiegen. Dies war eine gemeinsame Anstrengung zwischen uns und dem Hersteller/Designer, die in kurzer Zeit einen erheblichen Arbeitsaufwand erforderte, um dieses Ziel zu erreichen und zu übertreffen. Diese Verlängerung der Ventillebensdauer führte zu einer längeren Lebensdauer von Kolben und Mitnehmerringen.

Früher kam es aufgrund der Ventilkonstruktion zu einem schnellen Anstieg der lokalen Temperatur, wenn Ventile auszufallen begannen. Diese örtliche Erwärmung ist höchstwahrscheinlich die Ursache für die Verschlechterung des Fahrersitzes und des Kolbenrings. Der Betrieb läuft immer weiter, bis die Temperaturabschaltung der Massenentladung erfolgt. Ein mögliches Szenario wäre ein ausgefallenes oder defektes Ablassventil am Kopfende an einem Freitag, was zu einem Ausfall des Kolbenbolzens am Montag führen würde. Die Fähigkeit des MAGNUM-Ventils, auch bei teilweiser Beschädigung weiterzulaufen (wir nennen es „Lappigkeit“), verhindert das Auftreten dieser Fehlermechanismen.

Vor dieser Maßnahme hatten wir eine erhebliche Anzahl ungeplanter „kostspieliger“ Stillstände. Heutzutage fahren wir in der Regel von Wende zu Wende, wo wir unsere Überholungen im Rahmen der vorbeugenden Wartung durchführen.

Wir sehen Maschinen, die 7 bis 8 Jahre laufen, und unser Ziel ist es, die Laufzeit von 5 auf 5 Jahre zu erhöhen. Eines Tages könnten wir 10 Jahre ohne Abschaltung schaffen, wie sie bei einem großen Zylinderbestand häufig vorkommt.“

Seit Jahrzehnten spielen Kolbenkompressoren eine entscheidende Rolle bei der Bereitstellung von Hochdruckwasserstoff in Raffinerieanwendungen. Ihr Einsatzspektrum hat sich in den letzten Jahren um Elektrolyseanlagen, Wasserstoffverflüssigungsanlagen und Wasserstoffpipelines erweitert. Auch wenn die Komprimierungsanforderungen in diesen verschiedenen Einrichtungen unterschiedlich sind, bleiben Betriebszeit und Effizienz von entscheidender Bedeutung. Die Ventilkonstruktion ist in dieser Hinsicht von entscheidender Bedeutung und ein zentraler Schwerpunkt für Endbenutzer und Betreiber. Durch die richtige Ventilanwendung werden Umsatzverluste durch ungeplante Ausfallzeiten vermieden.