Lưu trữ và vận chuyển hydro ở trạng thái lỏng mang lại một số lợi thế. Hydro lỏng (LH₂) có mật độ cao hơn và yêu cầu áp suất lưu trữ thấp hơn so với hydro dạng khí. Tuy nhiên, hydro biến thành chất lỏng ở -253°C, điều này mang đến những thách thức riêng. Nhiệt độ rất thấp cũng như nguy cơ dễ cháy khiến nó trở thành một phương tiện đầy thách thức. Do đó, các biện pháp an toàn nghiêm ngặt và độ tin cậy là điều bắt buộc khi thiết kế van cho ứng dụng này.
LH 2 đơn
Hiện tại, LH 2 đang được sử dụng và khám phá trong các ứng dụng đặc biệt khác nhau. Ngành công nghiệp hàng không vũ trụ sử dụng nó để phóng tên lửa và đường hầm gió xuyên âm. Dưới sự bảo trợ của khoa học lớn, LH 2 rất cần thiết trong các ứng dụng siêu dẫn, máy gia tốc hạt và phản ứng tổng hợp hạt nhân. Gần đây, với nhu cầu ngày càng tăng về tính bền vững, LH 2 đã được quan tâm như một nguồn nhiên liệu cho xe tải hạng nặng và tàu thủy.
Van đóng một vai trò quan trọng trong hoạt động thành công của các ứng dụng này. Hoạt động đáng tin cậy và an toàn của các van tạo thành một phần của hệ sinh thái chuỗi cung ứng LH 2 (sản xuất, vận chuyển, lưu trữ và phân phối) là điều cần thiết.
Làm việc với LH 2 không hề đơn giản. Có rất nhiều thách thức liên quan đến nó. Tận dụng 30 năm kinh nghiệm thực địa và chuyên môn kỹ thuật trong việc cung cấp van hiệu suất cao xuống tới -272°C, Velan đã tham gia vào các dự án tiên phong và có vị trí thuận lợi để đáp ứng các thách thức của LH 2 .
thách thức thiết kế
Áp suất, nhiệt độ và nồng độ hydro là những yếu tố chính khi xác định đánh giá rủi ro thiết kế van. Để có hiệu suất van tối ưu, các tính năng thiết kế và lựa chọn vật liệu là vô cùng quan trọng. Có những thách thức phải vượt qua khi xử lý LH 2 . Một thách thức như vậy là tác động có hại của hydro đối với vật liệu kim loại. Kết hợp với nhiệt độ rất thấp, vật liệu van không chỉ cần chịu được sự tấn công của các phân tử hydro (một số cơ chế phân hủy vẫn là chủ đề tranh luận trong cộng đồng khoa học) mà còn phải có khả năng hoạt động ở nhiệt độ đó trong thời gian sử dụng lâu dài. Kiến thức hiện tại về khả năng tương thích của vật liệu phi kim loại với hydro vẫn còn hạn chế. Lỗ hổng kiến thức này phải được xem xét khi lựa chọn vật liệu bịt kín.
Niêm phong chặt chẽ là một tiêu chí hiệu suất thiết kế quan trọng khác. Dưới sự chênh lệch nhiệt độ do chênh lệch nhiệt độ lên tới 300°C giữa LH 2 và môi trường xung quanh (ở nhiệt độ phòng), các thành phần van khác nhau giãn nở và co lại với mức độ khác nhau. Sự khác biệt này có thể dẫn đến sự rò rỉ bất lợi của các bề mặt bịt kín quan trọng.
Độ kín của niêm phong ở thân cây là một cân nhắc thiết kế khác. Sự chuyển đổi từ lạnh sang ấm tạo ra một dòng nhiệt. Băng có thể hình thành trong phần ấm hơn của khoang nắp ca-pô, ảnh hưởng đến chất làm kín thân và do đó ảnh hưởng đến khả năng hoạt động của van.
Nhiệt độ -253°C đòi hỏi công nghệ cách nhiệt tối ưu cho các van để duy trì LH 2 ở nhiệt độ này và giảm thiểu thất thoát hydro qua quá trình đun sôi. Bất kỳ sự truyền nhiệt nào đến chất lỏng đều khiến hydro bay hơi và rò rỉ. Hơn nữa, sự phá vỡ lớp cách nhiệt gây ra sự ngưng tụ oxy. Bất kỳ sự tiếp xúc nào giữa oxy và hydro hoặc vật liệu dễ cháy khác sẽ làm tăng khả năng xảy ra hỏa hoạn. Do đó, khi xem xét tính nhạy cảm của van đối với nguy cơ hỏa hoạn, thiết kế van phải chống cháy nổ và bao gồm bộ truyền động, dụng cụ và hệ thống dây điện chống cháy, tuân thủ các chứng nhận nghiêm ngặt nhất. Điều này sẽ đảm bảo rằng van sẽ hoạt động an toàn trong đám cháy.
Sự tích tụ áp suất là một vấn đề tiềm ẩn khác có thể khiến van không hoạt động được. Sự tích tụ có thể xảy ra khi chất lỏng bị mắc kẹt trong khoang van và trong một số điều kiện truyền nhiệt và hình thành hơi. Trong trường hợp áp suất chênh lệch cao, hiện tượng xâm thực và/hoặc tiếng ồn có thể xảy ra, điều này sẽ làm hỏng van sớm và dẫn đến lỗi quy trình không thể chấp nhận được.
Bằng cách xem xét các khía cạnh này bất kể các điều kiện của quy trình, các tính năng thiết kế phù hợp được tích hợp vào quy trình thiết kế, do đó mang lại hoạt động an toàn và đáng tin cậy.
Những thách thức thiết kế quan trọng khác có liên quan đến các vấn đề môi trường như khí thải nhất thời. Hydrogen có những đặc điểm độc đáo: kích thước phân tử nhỏ, không màu, không mùi và dễ nổ. Những đặc điểm này làm cho không rò rỉ là một điều cần thiết tuyệt đối.
Kỹ sư Velan cung cấp hỗ trợ tại nhà máy hóa lỏng hydro Westcoast ở Bắc Las Vegas
Giải pháp van
Bất kể chức năng hoặc loại của chúng, tất cả các van trong dịch vụ LH 2 đều phải đáp ứng các yêu cầu chung nhất định. Chúng bao gồm việc sử dụng các vật liệu xây dựng phù hợp để đảm bảo tính toàn vẹn của cấu trúc ở nhiệt độ rất thấp, cũng như các vật liệu vốn đã an toàn về hỏa hoạn. Tương tự, vật liệu làm kín và đóng gói được sử dụng trong các van này cũng phải đáp ứng các yêu cầu cơ bản này.
Thép không gỉ Austenitic là vật liệu ưa thích cho van LH 2 . Nó cung cấp độ bền va đập tuyệt vời, tổn thất nhiệt tối thiểu và có thể xử lý độ dốc nhiệt độ cao. Các vật liệu khác cũng có sẵn tương thích với hydro nhưng phụ thuộc vào các điều kiện của quá trình.
Bên cạnh việc lựa chọn vật liệu, các chi tiết thiết kế khác như kéo dài thân bằng cột khí bảo vệ đệm kín khỏi tác động của nhiệt độ cực thấp. Ngoài ra, phần mở rộng thân có thể được bổ sung bằng vòng cách nhiệt để tránh ngưng tụ hơi nước trong khu vực cách nhiệt.
Các tính năng độc đáo phù hợp với từng thiết kế van cung cấp các giải pháp kỹ thuật nâng cao cho các thách thức khác nhau.
van bướm
Velan cung cấp hai thiết kế khác nhau của van bướm: van ngồi bằng kim loại lệch đôi và lệch ba. Cả hai thiết kế đều cung cấp khả năng dòng chảy hai chiều. Chúng được thiết kế với dạng hình học quay đĩa để đảm bảo đóng kín chặt chẽ. Sâu răng bị mắc kẹt được loại bỏ.
Trong bù kép, khả năng ngắt cực kỳ chặt chẽ đạt được nhờ xoay đĩa lệch tâm kết hợp với hệ thống làm kín độc đáo, VELFLEX. Công nghệ bằng sáng chế này vượt qua cả những dao động nhiệt độ cao.
Hình dạng quay của đĩa bù ba lần, TORQSEAL, đảm bảo rằng đệm đĩa chỉ tiếp xúc với đệm thân xe ở vị trí ngắt cuối cùng mà không bị cọ xát hoặc va chạm, mang lại một đệm đàn hồi được tạo mô-men xoắn với hiệu ứng nêm đủ để đảm bảo đệm kín tiếp xúc đồng đều xung quanh toàn bộ chu vi của đế van khi van đóng. Khả năng đàn hồi của phớt cho phép tự điều chỉnh thân và đĩa van để ngăn ngừa nguy cơ kẹt trong quá trình thay đổi nhiệt độ.
Một trục thép không gỉ gia cố được trang bị cho chu kỳ cao và hoạt động trơn tru ở nhiệt độ rất thấp.
Thiết kế van lệch đôi VELFLEX cho phép bảo trì nội tuyến dễ dàng và nhanh chóng. Nhờ có nắp bên, có thể tiếp cận miễn phí ghế và đĩa để kiểm tra hoặc bảo trì mà không cần tháo rời bộ truyền động và không cần dụng cụ đặc biệt.
Các ứng dụng quy trình đặc biệt sử dụng van Velan xuống đến -272°C
van điều khiển
Velan có một danh mục van điều khiển khá độc đáo cho các ứng dụng nhiệt độ thấp được thiết kế cho nhiệt độ xuống tới -272°C và áp suất làm việc lên tới PN70.
Các van được sử dụng là các van điều khiển quả cầu làm kín bằng ống thổi, với các kiểu góc và/hoặc thẳng. Các tính năng và vật liệu thiết kế độc quyền được phát triển để vận hành an toàn và đáng tin cậy. Các van có thể được trang bị lớp vỏ kép hoặc áo khoác kín giúp cách nhiệt chân không. Các van được vận hành bằng tay hoặc bằng khí nén, tùy thuộc vào các ứng dụng tại chỗ.
Van xả an toàn
Các van giảm áp an toàn được thiết kế đặc biệt để bảo vệ quá áp suất của các dòng khí heli hóa lỏng trong các ứng dụng siêu dẫn. Điều này đạt được nhờ một thiết bị an toàn từ tính được phát triển đặc biệt để bảo vệ bình chứa và vỏ chịu áp suất khỏi áp suất quá mức của chất lỏng nén ở nhiệt độ môi trường hoặc trong quá trình xả ở nhiệt độ rất thấp. Trong trường hợp tăng nhiệt độ cục bộ, được gọi là 'làm nguội', van sẽ mở trong vòng chưa đầy 80 mili giây. Ban đầu được cung cấp cho helium hóa lỏng, nó có thể được điều chỉnh cho các ứng dụng hydro.
Trình độ chuyên môn và phê duyệt
Các thử nghiệm được thực hiện theo các yêu cầu khắt khe nhất của khách hàng. Bảo vệ chống cháy nổ là cần thiết theo tiêu chuẩn ATEX, KOSHA, NAMUR theo luật hiện hành. Một số khách hàng yêu cầu chứng nhận địa phương, chẳng hạn như KGS ở Hàn Quốc hoặc NK ở Nhật Bản.
Ngày nay, vẫn chưa có tiêu chuẩn cụ thể cho van trong dịch vụ hydro. Các nhóm làm việc để xác định tiêu chuẩn hóa này đang được thiết lập để đẩy nhanh việc triển khai hydro 'xanh' ở quy mô thương mại. TÜV đã ban hành tiêu chuẩn nhưng chưa có khách hàng nào triển khai.
Kinh nghiệm thực tế
Trước đây, Velan đã cung cấp van điều khiển cho các nhà máy hóa lỏng hydro ở Mỹ (dự án Westcoast, Bắc Las Vegas) và ở Hàn Quốc (dự án SK, Ulsan) và hiện đang sản xuất van cho dự án Woodside (Ardmore, Oklahoma).
Trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, Velan đã cung cấp van bướm cho bệ phóng tên lửa Ariane ở Kourou (Guiana thuộc Pháp) và van điều khiển cho chương trình vũ trụ của Ấn Độ.
Tương lai của LH 2
Hiện nay, LH 2 đang trở nên phổ biến như một loại nhiên liệu sạch và một dạng năng lượng bền vững. Dù nắm giữ nhiều hứa hẹn, việc triển khai LH 2 trên quy mô lớn trên toàn thế giới vẫn là một thách thức. Với chuyên môn kỹ thuật đã được chứng minh và kinh nghiệm lĩnh vực hydro, Velan sẵn sàng trở thành một phần của giải pháp.
