Valvole a disco per compressori ad alta velocità

Gli utilizzatori di compressori alternativi, in particolare in applicazioni legate al midstream, stanno riportando risparmi di energia mai riscontrati precedentemente grazie ad una nuova generazione di valvole a disco sviluppate specificatamente per compressori alternativi ad alta velocità. Il design innovativo sta riducendo il consumo di Kilo Watt del 10%, in molti casi andando oltre questo già ragguardevole traguardo - tutto questo senza ridurre l'affidabilità delle valvole, affidabilità quasi sempre inficiata nei precedenti tentativi di aumentare l'efficienza della valvole e la sezione di passaggio del gas.

Questa nuova famiglia di valvole per compressori - chiamata Ring Damped - è stata inventata da Cook Compression, un fornitore globale di prodotti e servizi per compressori. Tale valvola è particolarmente dedicata a macchine ad alta velocità, corsa breve e lubrificate che si possono trovare in mercati quali trasporti, produzione e stoccaggio di gas naturale ed anche alcuni processi di raffinazione, chimici o di industrie petrolchimiche.

Per queste applcazioni le valvole a disco sono quelle piú comunemente utilizzate. E' altresí vero che, se per oltre tre decadi ci sono stati pochi se non nessuno sviluppo significativo nel design di queste valvole, allo stesso tempo gli operatori imputano alle valvole l'essere la causa piú significativa delle fermate straordinarie dei compressori.

La valvola nominata Ring Damped non è tanto un nuovo concetto di vavola a disco quanto una valvola a disco progettata, specificatamente, per avere performance eccezionali alle alte velocità. Tra i vari cambiamenti la principale innovazione è un anello smorzatore, brevettato, che rallenta la velocità dell'otturatore prima che questo impatti sulla controsede durante il moto di apertura della valvola. Riducendo tale velocità si minimizza la forza di impatto applicata sul disco, in questo modo la vita della valvola viene considerevolmente allungata.

Importante da notare è che l'anello smorzatore permette alla valvola di lavorare con alzate maggiori rispetto alle valvole tradizionali. Poter utilizzare alzate maggiori significa incrementare la sezione di passaggio della valvola cosí riducendo la quantità di potenza richiesta per far passare il gas attraverso la valvola stessa.

Principio della massa smorzante

Le forze di impatto durante la apertura e la chiusura della valvola hanno un'influenza critica sulla vita della valvola stessa - piú forti sono gli impatti

e più corta sarà la vita di esercizio della valvola. Per diminuire questi impatti i costruttori di valvole hanno utilizzato il principio della massa smorzante per molti anni.

In particolare l'impiego della massa smorzante consiste nell'impiego di un disco metallico per rallentare la velocità dell'elemento di tenuta (disco otturatore) quando questo impatta la controsede durante l'apertura della valvola. Quando il disco otturatore incontra nel suo moto il disco smorzante la massa totale dell'elemento in movimento aumenta. Conseguentemente a questo la velocità del disco principale e di quello smorzante (ora in moto insieme, essendo a contatto, come un unico elemento) risulta inferiore di quella che avrebbe avuto il disco otturatore da solo. Tutto questo comporta un effetto smorzante sull'impatto del disco otturatore sulla controsede. Determinare la massa smorzante adeguata risulta, comunque, un compito difficile, infatti, ad esempio, la densità di un disco smorzante metallico è circa cinque volte quella di un disco otturatore in PEEK. Questo solitamente comporta che il disco smorzatore risulta spesso piú pesante del disco otturatore in questo modo limitando la massima alzata e quindi la sezione di passaggio della valvola.

Il progetto dell'anello smorzatore (Ring Damped)

Per superare questa e altre sfide, i ricercatori della Cook hanno sviluppato un anello smorzatore, questo anello è ingegnerizzato cosí da avere lo stesso peso del disco otturatore (figura 1). Grazie alla massa aggiunta dall'anello smorzatore e concentrata sulla circonferenza del disco otturatore l'effetto smorzatore risulta maggiormenete pronunciato e l'alzata del disco principale puó essere aumentata (figura 2).

In aggiunta all'anello smorzatore altri elementi di progetto critici sono essenziali per permettere alle valvole "Ring Damped" di lavorare con ottime performance.

Questi elementi devono essere propriamente ingegnerizzati per qualsiasi applicazione:

• Molle di chiusura Heavy-duty: devono sopportare alte velocità e alzate fino a 3.8 mm
• Geometrie delle sedi e controsedi: I canali e le asole sono progettate per ottenere la massima sezione di passaggio; questo design permette passaggi addizionali per un dato diametro di valvola
• Disco otturatore: materiali rinforzati proteggono il disco dal fenomeno della fatica dovuto ai numerosi impatti

Efficienza Energetica (o Energy Saving)

Grazie alle maggiori alzate e all'aumentata efficienza, la valvola Ring Damped ha una sezione di passaggio effettiva che risulta 10% piú grande (in media) di una valvola a disco di taglia paragonabile. Tale incremento di sezione porta ad una riduzione del 10% della potenza consumata per spostare un dato volume di gas.

Nella maggior parte dei casi e delle applicazioni, questo risparmio di energia assicura un ritorno dell'investimento (ROI), per l'acquisto delle nuove valvole, uguale o addirittura inferiore ad un anno per poi passare ad un cospicuo risparmio da ogni giorno successivo.

In un caso concreto sul campo, gli operatori di un impianto di stoccaggio del gas in North Dakota sostituirono le valvole a disco originali con valvole di tipo Ring Damped in un compressore alternativo operante ad una velocità di 896 rpm.

Valvole Ring Damped di diametro esterno di 155 mm furono installate su due cilindri di prima fase operanti ad una pressione di aspirazione di 23 barg e una pressione di mandata di 56 barg.

Continua a leggere l'articolo tradotto da Andrea Bianchi, Regional Sales Manager Europe for Cook Compression, sulla base di un articolo di Skip Foreman, sul numero di ottobre 2015 di Manutenzione T&M