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Leçons tirées des conditions côtières humides

Soutenir l’efficacité des turbines à gaz grâce à une filtration d’air étanche

Problème : L’humidité provenant de la moiteur et des pluies tropicales provoque une PD élevée et le transfert de toute particule capturée au-delà des filtres vers la turbine, ce qui entraîne des pertes d’efficacité du compresseur de 3 à 5 % et des pertes de puissance de 15 à 20 %.

Solution : Donaldson Turbo-Tek Er5 | W5 | Filtres étanches P1

Résultats : 

  • La durée de vie du filtre a triplé, passant de 18 à 48 mois contre 12 mois, avec une perte d’efficacité pouvant atteindre 10 %
  • Aucune dérivation de l’humidité en cas de forte moiteur ou de pluie tropicale
  • Aucune perte d’efficacité du compresseur axial ou de production d’énergie
  • Réduction des lavages à l’eau au système hors ligne uniquement

Une centrale de gaz naturel liquéfié (GNL) dans un climat tropical a connu quatre années de succès grâce à la filtration étanche de l’air Donaldson Gas Turbine Systems. Cette étude de cas s’applique aux centrales et raffineries pétrolières humides, tropicales et côtières qui luttent contre l’humidité et les contaminants en suspension dans l’air.

La centrale de GNL présentée dans cette étude de cas est reliée par un pipeline sous-marin à des installations d’exportation offshore dans la mer de Timor. Propriété d’une grande compagnie pétrolière et gazière mondiale, elle utilise six moteurs GE LM2500 G4 avec deux turbines pour la réfrigération au propane, deux pour la réfrigération à l’éthylène et deux pour la réfrigération au méthane.

Les six turbines de l’installation nécessitent un total de 720 paires d’éléments filtrants pour filtrer les contaminants en suspension dans l’air et assurer un air d’admission propre. Le climat tropical de cette région côtière a posé de sérieux problèmes de filtration. En été, l’humidité relative est de 80 %, avec des pluies tropicales et de l’air chargé en sel. Pendant la saison sèche de l’hiver, la fumée et les cendres des feux de broussailles de la région contaminent également l’air. Le transfert d’humidité a tendance à apporter des particules qui peuvent provoquer l’encrassement des aubes et l’usure prématurée des équipements.

En 2014, la centrale de GNL utilisait des filtres synthétiques F9 MERV 15 de première qualité. Cette technologie de filtration de l’air était à la pointe de l’industrie des turbines à l’époque. Bien que les éléments aient été plus performants que les filtres F9 MERV 15 mixtes précédents en matière de pression différentielle (PD) et de durée de vie des filtres, les turbines rencontraient toujours des problèmes de performance.

« Les filtres étaient chargés de particules de suie », a déclaré l’ingénieur principal de l’équipement rotatif de l’installation. « Une grande quantité de ces contaminants passaient dans le filtre et se collaient aux aubes de notre compresseur axial, parce que leur taille est inférieure à un micron ».

Une augmentation de la pression différentielle et une réduction de l’efficacité du compresseur axial ont indiqué que de l’humidité importante pénétrait encore dans les filtres et, avec elle, des contaminants comme la suie, la fumée et le sel. Cela a provoqué l’encrassement des aubes : un déséquilibre mécanique qui a déclenché une perte d’efficacité du compresseur axial. Les pertes d’efficacité de l’installation ont varié de 3 à 5 % sur 12 mois, ce qui s’est traduit par une perte de puissance mesurable.

« Le plus gros problème avec l’humidité est que nous avons perdu de l’énergie à cause de la température élevée de l’ampoule humide », explique l’ingénieur. « Le débit de notre centrale était déjà diminué de 15 à 20 % par temps humide, ce qui signifiait que toute dégradation supplémentaire due à la pression différentielle (PD) des filtres ajoutait au problème.

Dans la centrale de GNL, 720 paires de filtres Donaldson fournissent de l’air propre à six turbines à gaz LM2500 G4.

Nous en sommes arrivés à un point où soit nous devions retirer le carter supérieur des turbines et nettoyer les aubes à la main, soit nous devions les démonter pour les réparer ».

Pour surmonter les pertes d’énergie pendant les saisons humides de l’été, la centrale a effectué des lavages à l’eau, une pratique qui s’accompagnait de coûts d’entretien et de main-d’œuvre supplémentaires : les lavages hors ligne nécessitent une équipe de six personnes pour une journée complète, et les lavages en ligne nécessitent une équipe de deux personnes travaillant plusieurs jours.

Cependant, les lavages à l’eau n’étaient qu’une solution temporaire à la dégradation de la puissance. Chaque lavage rétablissait une puissance partielle, mais les rendements diminuaient à chaque cycle de lavage. Par conséquent, à 18 mois, les 720 paires de filtres ne pouvaient plus supporter une production d’énergie suffisante et devaient être remplacées.

Pour relever ces défis, la centrale de GNL a décidé de tester en 2015 le nouveau média étanche Donaldson Turbo-Tek Er5 | W5 | P1 de qualité (H)EPA. Le client a installé des filtres Turbo-Tek Er5 | W5 | P1 dans quatre des six turbines GNL, et a conservé la technologie F9 existante dans les deux autres à des fins de comparaison directe des performances.

Après neuf mois, ce changement a entraîné une amélioration significative de la protection des turbines, comme l’indiquent les données relatives de PD et d’efficacité du compresseur pour les turbines faisant fonctionner les filtres étanches. La PD est restée stable pendant les mois d’été et pendant toute la durée de vie du filtre, avec pratiquement aucune perte d’efficacité du compresseur axial.

Malgré l’accumulation de suie de feu de brousse à 6 000 heures, il y a eu peu ou pas de pic de pression différentielle ou d’état des aubes.

Sur la base de cet essai, la centrale de GNL a décidé de convertir les six turbines aux filtres étanches Turbo-Tek Er5 | W5 | P1 (H)EPA, et a depuis effectué ce changement dans ses autres installations GNL.

Fin 2019, quatre ans plus tard, après l’essai, tous les filtres Turbo-Tek Er5 | W5 | P1 de la centrale de GNL ont maintenu leurs performances initiales. Les moteurs ont subi une perte d’efficacité de près de 0 % du compresseur axial, et la centrale a éliminé les lavages à l’eau en ligne.

Fait remarquable, en décembre 2019, la centrale utilisait encore ses filtres TurboTek Er5 | W5 | P1 d’origine, installés en 2015, avec un seul changement de pré-filtre à 36 mois pour réduire une légère augmentation de la PD. La centrale a prolongé la durée de vie de ses filtres de 18 à 48 mois, ce qui a permis de réaliser des économies substantielles sur les coûts de filtration et de maintenance.

Nettoyer les aubes après 4 000 heures avec des filtres étanches Turbo-Tek Er5 | W5 | P1 de qualité (H)EPA.

« Le passage des filtres F9 Spider-Web XP aux filtres étanches E12 Turbo-Tek Er5 | W5 | P1 a fait une différence extraordinaire dans notre fonctionnement, dans le sens où nous ne perdons plus d’efficacité sur notre compresseur et où nous n’avons pas à descendre pour le laver », a déclaré l’ingénieur. « Plus nos turbines sont propres pendant la saison des pluies, mieux nous pouvons maintenir notre production. Les filtres maintiennent le compresseur axial très propre et un bonus est que les filtres durent en fait longtemps, ce qui est assez extraordinaire. Donc, dans l’ensemble, nous sommes satisfaits des résultats. Le retour sur notre investissement dans les filtres étanches Turbo-Tek Er5 | W5 | P1 est tout à fait logique ».

La sélection de solutions de filtration en fonction de diverses conditions peut contribuer à soutenir des opérations efficaces. Pour aider les propriétaires de centrales à choisir leurs filtres, Donaldson a introduit en 2018 le système de notation Er | W | P pour sa gamme de filtres pour turbines à gaz Turbo-Tek. En utilisant les premiers tests en laboratoire de l’industrie pour l’étanchéité et la pulsabilité, Donaldson évalue maintenant chaque type de filtre sur une échelle de 0 à 5 points pour trois caractéristiques :

  • Efficacité (Er0 à Er5) : Quelle proportion de contaminants atmosphériques capte-t-il ?
  • Étanchéité (W0 à W5) : Comment gère-t-il une humidité élevée ?
  • Pulsabilité (P0 à P5) : Concerne les systèmes autonettoyants. Avec quelle facilité les filtres récupèrent-ils leur performance maximale après avoir été pulsés avec de l’air comprimé ?

Le filtre examiné dans cette étude de cas a une note de Er5 | W5 | P1. Cela signifie qu’il a la plus haute efficacité de capture (Er5), la plus haute étanchéité (W5) et, comme il s’agit de filtres de filtration en profondeur, il a une faible pulsabilité (P1) de la gamme de filtres pour turbines à gaz Turbo-Tek de Donaldson.

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