Trzy filary filtracji w turbinach gazowych: określanie priorytetów w zakresie wydajności

Turbiny gazowe służą do mieszania suchego, czystego powietrza z paliwem w celu wytworzenia energii. Ponieważ jakość powietrza wlotowego jest ważna, konstrukcja wlotu i filtracja powietrza mają zasadnicze znaczenie w kontekście wydajności turbiny. Na podstawie danych o zanieczyszczeniu powietrza amerykańskiej agencji ochrony środowiska EPA w ciągu jednego roku pracy średnio około 1300 funtów (ok. 590 kg) cząstek stałych może dostać się do obudowy turbiny gazowej i filtra powietrza wlotowego¹. Unoszące się w powietrzu zanieczyszczenia mogą powodować zmniejszenie mocy wyjściowej, zwiększyć koszty paliwa i potencjalnie uszkodzić ważne części.

Zapotrzebowanie na rozwiązania filtracyjne wynika w dużej mierze z lokalnej jakości powietrza, ale prawie każdy operator musi ocenić trzy czynniki wpływające na działanie danego rozwiązania: wydajność, wodoszczelność oraz wskaźnik regeneracji w systemach, które można czyścić impulsowo. Można je postrzegać jako kluczowe „filary” filtracji, które sprzyjają optymalnemu działaniu układu turbiny gazowej. W większości przypadków wszystkie te właściwości są ważne, ale ich priorytet może się różnić w zależności od stanu lokalnego środowiska i warunków eksploatacji. Trzy filary można podsumować następująco:

Wydajność: stosunek cząstek stałych w powietrzu wlotowym wychwyconych przez filtr jest najbardziej uznaną miarą wydajności. Ponieważ instalacja filtrów o większej wydajności wiąże się z kosztami, operatorzy muszą określić poziom wydajności zapewniający zwrot z inwestycji.

Wodoszczelność: w miejscach wilgotnych lub w pobliżu oceanów priorytetem jest odporność na wilgoć. Sole i inne rozpuszczone substancje stałe przenoszone przez wodę mogą sprzyjać korozji i są często bardziej szkodliwe niż zanieczyszczenia w powietrzu.

Wskaźnik regeneracji po impulsie: trzecim kluczowym czynnikiem jest to, jak łatwo filtry odzyskują szczytową wydajność po czyszczeniu. Szybka regeneracja po impulsie jest priorytetem w środowisku pustynnym lub arktycznym, gdzie występuje ciągła ekspozycja na pył, śnieg i gromadzący się lód, lub gdzie może dochodzić do nagłych epizodów dużego obciążenia.

Konieczna jest staranna ocena poszczególnych przypadków w celu ustalenia rankingu tych czynników w kontekście lokalnej sytuacji i dostępnego budżetu operacyjnego. Określenie priorytetów umożliwia zastosowanie najodpowiedniejszej konstrukcji wlotu i kombinacji filtrów, które zostaną zastosowane w układzie turbiny gazowej.

Aby pomóc właścicielom w tym procesie oceny, firma Donaldson obecnie testuje i ocenia swoje filtry wlotowe do turbin gazowych pod kątem tych trzech parametrów. W tym celu nasi specjaliści stosują następujące skróty i punktację dotyczącą wydajności.

• Wydajność (od Er0 do Er5)
• Wodoszczelność (od W0 do W5)
• Wskaźnik regeneracji po impulsie (od S do P5)

Przedstawiamy nowy, przyjazny dla użytkownika system 
oceniana filtrów

Firma Donaldson pomaga operatorom turbin gazowych w doborze filtrów, które odpowiadają ich szczególnym potrzebom w zakresie wydajności, wodoszczelności i wskaźnika regeneracji po impulsie zgodnie z wymaganą przez nich kolejnością priorytetów. W oparciu o nasze dekady doświadczenia zdobyte dzięki współpracy z operatorami turbin gazowych we wszystkich klimatach i warunkach opracowaliśmy skalę od 0 do 5 punktów umożliwiającą ocenę każdego krytycznego parametru i obecnie oceniamy w tej skali wydajność naszych filtrów w tych trzech aspektach. Ramy te sprawiają, że odpowiedni dobór parametrów filtrów będzie zarówno precyzyjny, jak i prosty dla wielu operatorów na całym świecie.

Poniżej znajdą Państwo omówienie każdego filaru i uzasadnienie, dlaczego należy go odpowiednio ocenić, uszeregować i wyważyć w zestawieniu z innymi filarami, aby zoptymalizować wydajność układu i koszty operacyjne:

Wydajność: Równowaga pomiędzy oceną a kosztami

Wyższa wydajność filtracji zapewnia czystsze powietrze, które sprzyja wydajniejszemu spalaniu, utrzymaniu stałej mocy wyjściowej i wydłużeniu czasu eksploatacji turbiny. Stosowanie filtracji o niższej wydajności powoduje wprowadzenie do układu cząstek stałych, które mogą zanieczyścić elementy turbiny, zmniejszyć wydajność sprężania i niekorzystnie wpłynąć na stan sprężarki. Na Rys. 1 pokazano, że zastosowanie filtra Er2 o niższej wydajności skutkuje znacznie większym zanieczyszczeniem już po 1200 godzinach w porównaniu z filtrem Er5 o wysokiej wydajności po upływie 5000 godzin.

Mycie sprężarki turbiny gazowej wodą może umożliwić odzyskanie mocy utraconej z powodu zanieczyszczenia. Jednak po wielokrotnym myciu może wystąpić ogólny spadek wydajności. Na Rys. 2 podano moc wyjściową i porównano trend turbiny gazowej wyposażonej w system klasy Er3 / F poddawany regularnemu płukaniu z trendem takiego samego układu, w którym zastosowano wysokowydajny filtr cząstek stałych Er5 / (H)EPA niewymagający płukania.

Opadające linie filtra klasy F odzwierciedlają typowe spadki wydajności z powodu zanieczyszczenia, po których następuje skok wydajności wynikający z płukania. Po wielokrotnym płukaniu moc wyjściowa turbiny gazowej wyposażonej w filtr Er3 będzie prawdopodobnie mniejsza niż moc wyjściowa turbiny wyposażonej w filtr Er5, którego nie trzeba płukać.

Ocena wydajności i metody klasyfikacji

Wydajność filtra wskazuje, jak skutecznie działa filtr, poprzez porównanie stężenia cząstek stałych przed filtrem i na dalszym odcinku. Ta skuteczność usuwania jest zazwyczaj wyrażana jako odsetek wychwyconych cząstek stałych. Jednak stosowane klasyfikacje wydajności filtracji są zróżnicowane.

W Stanach Zjednoczonych filtry były w przeszłości klasyfikowane za pomocą wartości Minimum Efficiency Reporting Value (MERV), opracowanych przez organizację American Society of Heating, Refrigeration and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE). MERV to skala od 1 do 16, przy czym wyższy wynik oznacza lepszą wydajność. W Europie stosowano dwie normy: normę europejską (EN) 779 i EN 1822. W normie EN 779 przewidziano oceny G1–G4, M5–M6 i F7–F9, które zasadniczo obejmują ten sam zakres wydajności, co oceny MERV 1–15.

Terminy „skuteczny filtr cząsteczkowy powietrza” (EPA) i „wysokoskuteczny filtr cząsteczkowy powietrza” (H)EPA to najbardziej znane określenia dotyczące najwyższych poziomów wydajności filtracji. Zgodnie z normą EN 1822 filtracja (H)EPA została zdefiniowana jako usunięcie minimum 99,5 procent cząstek najbardziej penetrujących (ang. most penetrating particle size, MPPS). Filtrom zdefiniowanym w normie EN 1822 przyznaje się oceny E10–E12, które zasadniczo odpowiadają poziomom filtracji EPA i (H)EPA.

Niedawno na całym świecie wprowadzono nową normę ISO 16890, aby ujednolicić sposoby testowania i oceny filtrów. W tej metodologii skupiono się bardziej na klasach cząstek stałych (PM). W ramach protokołu testowego określonego w normie ISO 16890 filtry testuje się cząstkami stałymi o szerokim zakresie średnic, a następnie mierzy średnie wychwytywanie w trzech określonych zakresach: PM1, PM2,5 i PM10. Ze względu na złożony charakter wielu standardów testowania firma Donaldson zaprojektowała narzędzie, które łączy te standardy testowania w jedną, prostą w użyciu skalę wydajności wyrażoną w stopniach od Er0 do Er5, jak pokazano na Rys. 3.

Środowiska petrochemiczne również stanowią wyzwanie, ponieważ węglowodory mogą przedostawać się do strumienia powietrza w przypadku niezadbania o odpowiednią wodoszczelność. Produkty te mogą osadzać się w formie lepkich osadów na łopatkach i negatywnie wpływać na wydajność.

Operator nie powinien mieć problemu z oceną wodoszczelności. Poproś dostawcę filtrów o dostarczenie niezależnego raportu z badań laboratoryjnych potwierdzającego, że dane rozwiązanie filtracyjne jest wodoszczelne, a jeśli nie, to poproś o informacje, jak takie rozwiązanie sprawdzi się w wilgotnych warunkach.

Firma Donaldson opracowała nową metodologię testowania filtrów w kontrolowanym środowisku, aby określić, ile wody może przepuścić filtr, jeśli w ogóle jest to możliwe. W ramach testu na filtr przez osiem godzin kieruje się wodę rozpylaną z prędkością 60 litrów na godzinę. Rejestruje się spadek ciśnienia za filtrem i objętość wody przechodzącej przez filtr.

Szybkość regeneracji: skuteczne czyszczenie filtrów metodą impulsową

Konstrukcje wlotów obejmują zarówno układy statyczne, jak i samoczyszczące się (impulsowe). Wskaźnik regeneracji po impulsie określa, jak często filtry mogą być czyszczone i jakiego spadku ciśnienia można uniknąć za każdym razem.

W obudowach filtrów z funkcją czyszczenia impulsowego filtry można czyścić, wprowadzając do nich „impulsy” sprężonego powietrza od strony, po której znajduje się powietrze już oczyszczone przez filtr. Powoduje to usunięcie cząstek brudu i zanieczyszczeń po wlotowej stronie medium brudnego filtra. Ta praktyka może pomóc obniżyć koszty eksploatacji dzięki zminimalizowaniu spadku ciśnienia, wydłużeniu czasu eksploatacji filtrów i zapobieganiu nieplanowanym wyłączeniom instalacji z powodu zanieczyszczenia filtrów. W układach czyszczonych impulsowo filtry można oczyścić podczas pracy turbiny.

Wskaźnik regeneracji to szybkość, z jaką filtr powraca do stanu „nowości” i stabilizuje spadek ciśnienia, aby umożliwić ciągłą pracę. Im wyższy wskaźnik regeneracji po impulsie, tym filtr można lepiej oczyścić. Wskaźnik regeneracji w systemach impulsowych jest w dużej mierze zależny od środowiska i rodzaju mediów zastosowanych w filtrze: czy obciążenie filtra ma charaktery powierzchniowy, czy wgłębny. Filtry z obciążeniem wgłębnym mają warstwy, które wychwytują stopniowo coraz mniejsze cząstki w obrębie całej grubości medium. Chociaż filtry te wyłapują cząstki o szerokim zakresie średnic, nie można ich czyścić impulsowo. Z drugiej strony filtry obciążane powierzchniowo zatrzymują wszystkie cząstki na górnej warstwie mediów, a na ich powierzchni zbiera się pył, który można łatwo usunąć za pomocą czyszczenia impulsowego, przedłużając tym samym żywotność filtra.

Podobnie jak wydajność i wodoszczelność regenerację po impulsie można ocenić na podstawie danych z badań laboratoryjnych. Firma Donaldson opracowała proces pomiaru regeneracji po impulsie. Filtry są wystawione na symulowane warunki burzy piaskowej przez długi czas. Następnie mierzy się spadek ciśnienia za filtrem i jego wydajność, aby określić wskaźnik regeneracji, jak pokazano na Rys. 8. W skali firmy Donaldson filtr S byłby uważany za nienadający się do czyszczenia impulsowego ze względu na możliwe uszkodzenia, podczas gdy pozostałe oceny P określają wskaźnik regeneracji po impulsie. W przypadku filtrów statycznych (S) trzeba brać pod uwagę wiele czynników dotyczących wydajności, a specjaliści z firmy Donaldson obecnie opracowują niezależny system oceny przeznaczony do tych zastosowań.

Jeśli obudowa filtra nie jest wyposażona w system impulsowy, najlepszym rozwiązaniem są układy filtracji statycznej. W typowym rozwiązaniu statycznym wykorzystuje się media z obciążeniem wgłębnym i koncentruje się na maksymalizacji żywotności filtra poprzez równoważenie spadku ciśnienia i zdolności do wychwytywania pyłu.

Niemniej jednak zalety układu filtrów czyszczonych impulsowo można zilustrować uproszczonym przykładem. Gdyby codziennie filtr wychwytywał 10 gramów cząstek, w ciągu 100 dni wychwycono by łącznie 1000 gramów. Nagromadzenie cząstek spowodowałoby również zwiększenie spadku ciśnienia w układzie. Gdyby uznano, że spadek ciśnienia zbliża się do dopuszczalnych wartości granicznych, filtr musiałby zostać wymieniony lub wyczyszczony. Filtr z obciążeniem powierzchniowym mógłby zostać wyczyszczony podczas pracy, podczas gdy filtr z obciążeniem wgłębnym trzeba by wymienić.

Systemy impulsowe są często najbardziej cenione na obszarach o znacznym zapyleniu, częstych opadach śniegu i o dużym narażeniu na gromadzenie się lodu. W takich warunkach korzyści wynikające z długiego okresu eksploatacji systemu filtracji mogą znacznie przewyższyć dodatkowe koszty instalacji systemu czyszczenia impulsowego. W obszarach mniej podatnych na zapylenie, bez dużych opadów śniegu i znacznego oblodzenia systemy impulsowe mogą nie być tak opłacalne.

Obsługę systemów czyszczenia impulsowego również należy odpowiednio rozważyć. Systemy te są zazwyczaj obsługiwane za pomocą jednej z trzech metod: 1) ręcznie; 2) automatycznie na podstawie spadku ciśnienia; lub 3) automatycznie w określonych odstępach czasowych. Bez względu na to, czy stosuje się obsługę ręczną czy automatyczną, filtry należy oczyścić, zanim zanieczyszczenie osiągnie problematyczny poziom. Na przykład jeśli czyszczenie nie zostanie uruchomione po upływie określonego czasu, stopień zanieczyszczenia filtrów może spowodować poważne problemy operacyjne. Podobnie jak w przypadku każdej czynności obsługowej lub konserwacyjnej, zaniedbanie zwiększa ryzyko awarii.

W niektórych przypadkach system impulsowy będzie potrzebny tylko do zapobiegania zanieczyszczeniom. W okresach dużego oblodzenia, intensywnych opadów śniegu, ekstremalnych mrozów i burz piaskowych system impulsowy może faktycznie umożliwiać kontynuowanie pracy turbiny, ponieważ będzie działał jako środek zapobiegawczy.

Streszczenie: oceń swoje potrzeby

Warunki środowiskowe w dużej mierze wpływają na decyzje dotyczące konstrukcji układu wlotowego i doboru filtrów. Trzech filarów — wydajności, wodoszczelności i regeneracji po impulsie — nie da się zazwyczaj rozpatrywać osobno. Trzeba w ich przypadku zastosować zintegrowane podejście. Idealne wyważenie i dobranie rozwiązań dopasowanych do danej turbiny gazowej powinno być czynnikiem branym pod uwagę przy obliczaniu kosztów potencjalnych przestojów i długoterminowego zwrotu z inwestycji (ROI).

Przy ocenie zwrotu z inwestycji wiele czynników może wpływać na koszty filtracji. Należy ocenić scenariusz każdego operatora, ponieważ zwrot z inwestycji nie będzie w każdym przypadku taki sam. Na przykład przy ocenie wydajności filtracji zastosowanie filtra o większej efektywności nie zawsze jest uzasadnione. Tylko w przypadku, gdy zwiększona moc wyjściowa kompensuje koszty nieznacznie zwiększonego spadku ciśnienia, można uzyskać finansowy zwrot z inwestycji. Niższa wydajność może czasami być bardziej opłacalna w dłuższej perspektywie. Podobnie wodoszczelność może być istotniejsza od wydajności na obszarach przybrzeżnych, ale nie w suchych miejscach, gdzie narażenie na sprzyjające korozji powietrze oceaniczne jest mało prawdopodobne.

Każda sytuacja jest inna i dlatego konieczna jest dokładna analiza potrzeb operatora, aby określić optymalną konstrukcję filtra. W przypadku każdej elektrowni należy wziąć pod uwagę wpływ ekonomiczny, a nie tylko czynniki techniczne. Podstawową kwestią jest to, aby ocenić, które czynniki są najważniejsze w kontekście zaspokajania potrzeb operatora.

Przejście na odpowiedni filtr powietrza wlotowego: dwa przykładowe przypadki

Profil Er|W|P umożliwia porównanie bardzo zbliżonych warunków i lepsze dopasowanie. Skala oceny filtrów powietrza wlotowego firmy Donaldson ułatwia elektrowniom przejście na takie rozwiązanie filtracyjne, które będzie doskonale dopasowane do ich niepowtarzalnych warunków pracy i środowiska. Jeśli środowisko lub warunki pracy elektrowni zmienią się, specjaliści z firmy Donaldson mogą pomóc w wyborze odpowiedniego systemu filtracji na podstawie wydajności (Er), wodoszczelności (W) i regeneracji po impulsie (P), czyli trzech parametrów, które w największym stopniu odróżniają poszczególne filtry od siebie i łącznie wpływają na koszty operacyjne.

Korzystając z podstawowego profilu bieżącego filtra, właściciel może wybrać filtry zastępcze o wyższych ocenach parametrów, które mają największe znaczenie w nowych warunkach. Profil Er|W|P umożliwia porównanie konkretnych rozwiązań i ich lepsze dopasowanie. Firma Donaldson korzysta ze standardowych testów w celu określenia Er|W|P w skali od 0 do 5 punktów zarówno w przypadku obecnego filtra, jak i proponowanego rozwiązania.

Oto dwa hipotetyczne przykłady korzystnej wymiany filtra wprowadzonej przy użyciu ocen Er|W|P:

Problem środowiskowy
W elektrowni mieszczącej się w regionie rolniczym obserwuje się większe zapylenie w okresie żniw. Pracownicy radzą sobie z tą sytuacją poprzez stosowanie filtra wstępnego umieszczanego na filtrze z obciążeniem wgłębnym. Filtr wstępny i filtr główny szybko stają się przeciążone i trzeba je często wymieniać. Właściciel odkrywa, że na zachód od elektrowni ponownie otwarto kamieniołom, co pogłębia problem zapylenia. Pracownicy firmy Donaldson demontują i testują obecnie stosowany filtr. Stwierdzają, że ma on średniowysoką wydajność przechwytywania (Er3), umiarkowaną wodoszczelność (W2); i słabą podatność na czyszczenie impulsowe (P1). Problem staje się oczywisty: ograniczona szybkość regeneracji po impulsie (P1) obecnie stosowanego filtra powoduje, że system nie nadąża z usuwaniem dużej ilości pyłu z powietrza. Na podstawie tych informacji porównawczych specjaliści firmy Donaldson zalecają wymianę filtrów na model o parametrach Er3|W1|P5. Filtr nie musi być wodoszczelny, ale powinien charakteryzować się najwyższym możliwym wskaźnikiem regeneracji po impulsie (P5), aby pozbywać się dużego obciążenia pyłem. Dzięki tej zmianie elektrownia pracuje w trybie ciągłym mimo dużego zapylenia i przewidywany jest szybki zwrot inwestycji.

Zmiana operacyjna
Elektrownia szczytowa, która działa przez 1500 godzin rocznie na żądanie, musi zostać przekształcona w elektrownię podstawową, która może pracować przez 8000 godzin. Ponieważ w tej sytuacji przestoje stają się problemem, mycie wodą nie jest już rozwiązaniem umożliwiającym optymalizację wydajności sprężarki. Stan sprężarki i stabilne generowanie mocy wyjściowej stają się głównymi problemami kierownictwa elektrowni, a rozwiązaniem jest zastosowanie innego rodzaju filtra powietrza wlotowego. Podczas konsultacji pracownicy firmy Donaldson usuwają i testują oryginalny filtr syntetyczny i stwierdzają, że zapewnia on średniowysoką wydajność (Er3), minimalną wodoszczelność (W1) i maksymalną podatność na czyszczenie impulsowe (P5). Specjaliści firmy Donaldson zalecają przejście na filtr o klasie Er5|W5|P1 zapewniający większą wydajność i wodoszczelność przy mniejszym nacisku na czyszczenie impulsowe. Dzięki temu zaleceniu w elektrowni można zminimalizować przestoje i zmaksymalizować moc wyjściową.

Bibliografia:

1. „How to Select the Optimal Inlet Air Filters for Your Engine”, Combined Cycle Journal, 26 września 2017 r.
2. „Technology Review of Modern Gas Turbine Inlet Filtration Systems”, International Journal of Rotating Machinery, tom 2012 (2012)
3. National Atmospheric Deposition Program/National Trends Network