阀门性能：氢气应用中往复式压缩机可靠性和效率的关键因素

往复式压缩机是传统下游行业的关键设备，该行业依赖大量的加压氢气。蒸汽甲烷重整生产了炼油过程中消耗的大部分氢气。整个价值链（包括运输和储存）对更清洁氢气的需求日益增长，正在迅速扩大新型和改造压缩机的市场。由于需要维护的压缩设备越来越多，运营商致力于实现更长的正常运行时间。阀门在往复式压缩机的效率和可靠性方面发挥着重要作用。

1995 年一项针对氢气压缩机终端用户的大型调查（Leonard, S M.，《提高往复式氢气压缩机的可靠性》，《碳氢化合物加工》，1996 年 1 月）显示，阀门是导致计划外停机的主要原因。这一发现推动了研发工作，并在过去 25 年多的时间里显著改进了阀门技术。

在本文中，我们将讨论往复式压缩机阀的基本功能，并概述影响其在氢气应用中性能的关键变量。

压缩机阀门入门知识

往复式压缩机阀是一种高速、压力驱动、弹簧加载的止回阀。虽然阀门样式多种多样，但都包含四个主要部件：1）阀座，2）止动板，3）运动元件，以及4）弹簧。

下图 1 展示了 MAGNUM™ 阀及其各部件。这些专用止回阀有多种形状和尺寸，但它们的功能相同，即允许低压气体进入气瓶，在那里被压缩后以高压气体的形式排出。

阀门两侧的压差产生一个力，推动活动部件从阀座上的关闭位置移动到止挡板上的开启位置。活动部件的垂直行程称为阀门升程。弹簧提供力，使活动部件从止挡板处返回到阀座上的关闭位置。阀门每200毫秒或更短时间动作一次（取决于压缩机转速），并承受着巨大的疲劳载荷。

尽管如此，它们仍需在两次计划内的压缩机大修之间高效无故障运行，而压缩机大修通常每三年或更长时间一次。这凸显了阀门设计、运行和维护的重要性。

影响阀门性能的因素

密封元件和弹簧是阀门的运动部件。设计工程师会仔细研究它们，因为它们承受着最大的磨损。“它能用多久？”是关于压缩机阀门最常被问到的问题。答案取决于许多变量，这些变量通常分为设计因素和运行因素。

阀门设计因素由阀门原始设备制造商 (OEM) 控制，而运行因素则由压缩机最终用户决定。设计人员将通过选择阀门升程、弹簧力和结构材料来平衡阀门可靠性和压缩机效率。计算机算法利用压力、温度、分子量和压缩机转速等运行参数来模拟阀门动态特性。最终的阀门设计将根据应用指南进行定制。

运行因素通常与气体质量有关，特别是是否存在固体污染物或液体。如果气流中的灰尘和碎屑进入气缸，则阀门、活塞环、活塞环带和填料的磨损和过早失效的风险会更高。由于液体几乎不可压缩，当活塞试图压缩夹带液体的气体时，阀门可能会承受过大的应力。气缸润滑不当（过多或过少）都会导致阀门动态性能欠佳。压缩机在严重偏离设计工况下运行也会对阀门动态性能产生负面影响。最后，不良的阀门维修操作会严重缩短阀门寿命。如果商业生产的氢气通常被认为是清洁气体，那么影响阀门可靠性的大多数运行因素的重要性都低于阀门设计因素。

阀门设计

多年来，出现了许多不同类型的阀门，从而形成了各种各样的运动元件几何形状。几乎所有这些阀门都已应用于氢气系统中，但成功程度各不相同。以下将介绍五种主要的阀门类型（如图 2 所示）。

同心环阀——每个阀组件都由多个不同尺寸（直径）的环组成。虽然图中所示的阀组件只有四个环，但较大的阀门最多可容纳十个环。每个环都有自己的一组弹簧。为了在驱动过程中保护弹簧，每个弹簧与其环之间都设有一个小的圆柱形按钮。这些环具有矩形横截面，并与平面密封面紧密贴合。同心环阀在20世纪90年代中期广泛应用于氢气压缩机，本次调查也正是在那时进行的。

带孔板阀——带孔板阀本质上是由一组同心环连接而成的阀体元件。由于阀门尺寸差异很大，板的尺寸也各不相同。板由平衡良好的弹簧装置支撑。与上述同心环一样，板与平面阀座密封。

锥阀——锥阀元件的阀头呈蘑菇状，其直径远大于阀杆。每个回位弹簧都位于阀杆内。与其他类型的阀门相比，这些弹簧具有更高的细长比（长度与平均直径之比）。阀头轮廓分明，与阀座上的斜面紧密贴合，实现密封。

MAGNUM HAMMERHEAD™ 阀——这项获得专利的 HAMMERHEAD 阀采用的阀芯，其头部到阀杆的直径远小于阀芯本身。同样尺寸更小的回位弹簧，则采用了非金属嵌件。阀芯的弧形头部与倾斜的阀座面紧密贴合，实现密封。

MAGNUM阀——MAGNUM阀采用圆柱形阀芯，因此阀头直径和阀杆直径相同。或者，也可以将MAGNUM阀的子弹形阀芯视为“无头”阀芯。其相对较小的回位弹簧采用与HAMMREHEAD阀芯相同的非金属嵌件。阀芯的倾斜阀头与阀座上的斜面密封。近25年来，MAGNUM阀一直是氢气压缩机的首选阀门。

阀门效率

高效阀门能够使压缩机在所需压力下以最小的能耗输送最高的气体流量。阀门可以看作是一个孔口，其流通面积由阀门的几何形状决定。较大的孔口意味着更小的流动阻力，从而降低压降。

由于压降与功耗之间存在关联，因此孔口（即阀门流通面积）越大，功耗越小。由于所有进入压缩机的气体都必须流经阀门，因此最大限度地降低阀门压降可以降低驱动器的功耗，从而提高压缩机的效率。

氢气压缩机通常由大型电动机驱动，因此降低其能耗至关重要。最大化阀门流通面积只是优化阀门效率的两个主要考虑因素之一，另一个因素是阀门间隙。

大多数阀门都尽可能靠近气缸缸径布置。具体来说，进气阀止挡板和排气阀座都位于气缸缸径附近。阀门间隙是指进气阀止挡板和排气阀座流道内气体的体积，因为这些体积与气缸缸径相通，从而增加了气缸间隙。由于较大的气缸间隙会降低压缩机流量，因此较大的阀门间隙也会导致压缩机流量减少，进而降低压缩机效率。氢气压缩机必须高效运行，因此设计目标在于提供具有优化流通面积和较小间隙的阀门。

增大阀门升程可以增加阀门流通面积，但这种增加是有极限的。每种阀门的几何特性决定了这一升程极限，超过该极限就无法获得更大的流通面积。实验室测试测量不同升程下的流量系数，从而得出每种阀门的流通面积。…