Valvole ad anelli per compressori alternativi

La progettazione riveste un carattere importante per ottimizzare la geometria di anelli e sede e minimizzare il consumo energetico

  • Febbraio 10, 2017
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  • Figura 1 - Analisi CFD di valvola ad anelli profilati
    Figura 1 - Analisi CFD di valvola ad anelli profilati
  • Figura 2 - Valvola con anelli profilati
    Figura 2 - Valvola con anelli profilati
  • Figura 3 - Efficienza: valvole a confronto
    Figura 3 - Efficienza: valvole a confronto

Background

L’utilizzo dei compressori alternativi nelle varie applicazioni a livello mondiale è dovuto essenzialmente alla loro flessibilità ed efficienza.

Naturalmente le condizioni operative, in particolare la portata e le pressioni di esercizio, hanno un’influenza determinante nel processo di selezione.

I costruttori di queste macchine pertanto dedicano molta attenzione e risorse allo sviluppo di nuove tecnologie per migliorare le prestazioni dei sistemi in cui sono installate. Questo permette di rispondere alle continue sfide che il mercato richiede nelle applicazioni più critiche sia Oil & Gas sia industriali.

Il mercato inoltre rimane caratterizzato da una continua riduzione dei prezzi dei prodotti finiti, che spinge ad abbassare i costi e favorire una competizione aggressiva. Per rispondere a questa pressione, per i gestori degli impianti il risparmio energetico è un fattore fondamentale

 

insieme ad un’adeguata affidabilità operativa e ad una maggiore durata in esercizio.C’è poi la pressione derivante dalla necessità di ridurre i costi di investimento e quindi i costi in macchinari ed apparecchiature.

I progettisti tendono ad affrontare questi aspetti ricorrendo spesso all’aumento del numero di giri dei compressori. Questo infatti, a parità di condizioni operative, comporta una riduzione consistente delle dimensioni delle macchine e quindi dell’intero package che risulterà di maggiore compattezza e di conseguenza minor costo. Si riduce così in maniera apprezzabile il peso dei prodotti stessi con effetti positivi per il sollevamento in officina, in cantiere e quindi per il trasporto.

La diminuzione delle dimensioni comporta, nel caso specifico delle valvole, una limitazione degli spazi all’interno dei cilindri che influisce sul loro esercizio mentre allo stesso tempo si richiede loro prestazioni sempre più alte.

Questo in generale si traduce in una continua pressione in ambito ricerca e sviluppo e nella fase progettuale delle macchine nella ricerca di combinazioni ottimali di efficienza e affidabilità anche in condizioni non sempre favorevoli. Si riscontrano infatti esigenze impegnative in molti progetti importanti e, in particolare, in impianti che sottopongono le valvole a condizioni di lavoro severe, come ad esempio in presenza di corpi estranei, sporco, liquidi e gas corrosivi.

R&D e Tecnologie Avanzate

 

L’esperienza produttiva di valvole di qualità, unitamente ad un continuo contatto con costruttori e operatori finali, ha permesso di migliorare progressivamente prestazioni ed affidabilità nel tempo.

La disponibilità di sistemi avanzati di calcolo e simulazione rappresenta un valore aggiunto nella fase di R&D ed anche in quella progettuale, in modo da selezionare valvole capaci di dare prestazioni corrette in fase operativa. Programmi CFD (Computerised Fluid Dynamic)

(Fig. 1) permettono oggi di simulare in tempi brevi il comportamento in esercizio nelle varie condizioni richieste. Si ha la possibilità di valutare le prestazioni di geometrie diverse e quindi indirizzare adeguatamente il progettista nella selezione dei profili ottimali per il passaggio del gas.

È inoltre importante poter disporre di un laboratorio di ricerca che consenta di misurare per via sperimentale alcuni parametri importanti per confrontarli con i risultati trovati per via teorica e conseguentemente avere una validazione.

Progettazione di valvole ad alto flusso

Queste valvole ad anelli profilati per alto flusso di gas (Fig. 2) sono concepite per lavorare in condizioni gravose come quelle esistenti nell’Oil & Gas, sia in raffineria che in altri settori come la petrolchimica e gli impianti fertilizzanti.

Questo tipo di valvole è anche di interesse nel settore della power generation e in altre applicazioni upstream, dove la compattezza del package è significativa dal punto di vista del costo e del trasporto.I progettisti in questo caso hanno dovuto ricorrere alla lunga esperienza positiva nella produzione di valvole.

Il profilo e le geometrie sono state scelte per rendere più facile il passaggio del gas, che in

conclusione porta ad un maggior flusso e a perdite di carico più basse attraverso le

valvole stesse. Questa valvola con l’ottimizzazione delle geometrie, delle aree di passaggio, del profilo di anelli e sede (Fig. 2) porta ad un maggior livello di affidabilità ed efficienza. La dinamica del passaggio del gas comporta una migliore capacità di eliminare

eventuali presenze di impurità: ciò permette di evitare eccessivi depositi di sporco e premature occlusioni dei canali di passaggio, in caso di gas molto sporchi, con conseguente aumento della durata in esercizio.

Le caratteristiche principali definite in fase progettuale sono relative agli anelli.Grazie all’utilizzo di materiali termoplastici con fibre di carbonio, gli anelli profilati possono lavorare in maniera adeguata anche in presenza di gas corrosivi.Dal punto di vista realizzativo i profili delle sedi possono essere ottenuti con una lavorazione meccanica adeguata ed un buon grado di finitura superficiale nella zona di tenuta. La precisione di costruzione degli anelli consente un perfetto adattamento sulla superficie di contatto della sede.

L’attuale disponibilità’ di materiali con bassa dilatazione termica consente di avere un contatto adeguato per una tenuta efficace anche in caso di temperature elevate.Le tecnologie esistenti per i materiali degli anelli consentono di realizzare elementi con dimensioni fino a 320 mm.I vantaggi di questa valvola innovativa sono stati evidenziati da un confronto con le valvole tradizionali.Il parametro più significativo è rappresentato dall’efficienza energetica che è misurabile con un indice dell’energia dissipata attraverso le valvole e che, come si vede in figura 3, migliora rispetto alle valvole tradizionali ad anelli di tipo CP.

L’effetto che si manifesta sulla potenza di compressione del cilindro e del compressore dipende ovviamente dal gas trattato e dalle condizioni operative.In presenza di macchine con cilindri operanti con alto rapporto di compressione l’energia dissipata alle valvole raggiunge tipicamente il 20% con pesi molecolari e pressioni elevati. Se il rapporto di compressione invece è molto basso e vicino al valore unitario l’influenza dell’energia dissipata alle valvole aumenta notevolmente e può raggiungere anche il 50% rendendo le valvole SR ancora più attraenti. Queste nuove valvole quindi sono di sicuro interesse dal momento che, anche con pochi gradi di efficienza in più, possono portare ad una decisiva riduzione della potenza dissipata totale.

Applicazioni

Le valvole in oggetto possono essere ottimizzate per servizi heavy duty in presenza cioè di sporco, liquidi e gas corrosivi. Ma anche per applicazioni ad alto numero di giri del compressore, che possono raggiungere nelle machine di piccole dimensioni, i 1800 giri/minuto.

Inoltre anche i processi che richiedono alte pressioni di esercizio, fino a 50 MPa, possono trarre giovamento da questo tipo di valvole; infatti il livello di sollecitazione degli anelli è normalmente maggiore nella zona centrale dove la flessione raggiunge il massimo valore: in questo caso il profilo dell’anello mette a disposizione una sezione resistente maggiore e quindi lo stato di tensione si abbassa.La robustezza degli anelli diviene un fattore importante per l’affidabilità operativa.

Queste valvole quindi sono adatte per tutti i servizi. Un beneficio consistente può essere evidenziato nella compressione di gas naturale, dove le condizioni operative possono essere molto variabili ed anche con possibilità di raggiungere pressioni finali elevate; analogamente in raffineria dove si combinano le criticità del gas con elementi corrosivi o presenza di sostanze abrasive, nonché condizioni di pressioni abbastanza elevate come nei servizi di hydrocracking.

Anche gli impianti petrolchimici possono avere condizioni operative difficili e presenza di pressioni elevate, come nelle fasi finali dei compressori

primari di Etilene. Gli impianti chimici offrono spesso a loro volta condizioni operative critiche per effetto della mancanza di lubrificazione o di presenza di gas corrosivi. Infine le applicazioni industriali pur essendo soggette a minori imposizioni normative si trovano comunque in condizioni di alte temperature, etc.

Nuove frontiere ed opportunità

I prodotti descritti e sviluppati nel tempo rappresentano una risorsa per le condizioni gravose, dove i compressori devono garantire una marcia continua degli impianti e le condizioni operative possono mutare o essere soggette a eventi non facilmente prevedibili.

Queste nuove valvole possono essere di interesse per i clienti finali per ottenere significativi risparmi energetici e riduzione dei costi operativi, mentre nello stesso tempo possono incrementare la disponibilità degli impianti stessi. Da un punto di vista generale le applicazioni esaminate in precedenza possono avere effetti positivi su compressori lubrificati e a secco, dove la pulizia del gas è importante per il processo.

Inoltre si troveranno vantaggi anche nel caso di utilizzo di compressori operanti con regolazione di portata in maniera continua, quando una domanda variabile del gas è richiesta dall’impianto. Per quanto riguarda la manutenzione il ricondizionamento va sempre fatto in accordo alle stringenti procedure indicate dal costruttore delle valvole.Questo porterà al riutilizzo affidabile di questi componenti altamente critici.

Ulteriori miglioramenti tecnologici per gli anelli sono legati all’uso di materiali speciali, ad alta resistenza (es. termoplastici rinforzati).

Infatti, l’uso di additivi di carbone, vetro e nano filler, possono consentire un eccellente comportamento anche in condizioni di temperature molto elevate e con notevole variabilità di pressioni. 

Alessio Costanzelli, Development Manager Dott.Ing.Mario Cozzani Srl
Massimo Schiavone, Engineering Manager Dott.Ing.Mario Cozzani Srl