As turbinas a gás são projetadas para misturar ar seco e limpo com combustível para produzir energia. Como a qualidade do ar de admissão é importante, o projeto da entrada e a filtragem do ar são primordiais no desempenho da turbina. Com base nos dados de poluição do ar da Agência de Proteção Ambiental dos EUA, uma média de aproximadamente 1.300 libras de partículas poderiam entrar em uma carcaça de turbina a gás e filtro de ar de entrada em um ano de operação¹. A sujeira transportada pelo ar e os contaminantes podem causar diminuição da potência, aumentar os custos de combustível e potencialmente danificar componentes vitais.
As necessidades de filtragem são em grande parte impulsionadas pela qualidade do ar local, mas quase todos os operadores precisam avaliar três fatores de desempenho: eficiência, estanqueidade e, em aplicações de limpeza por pulso, taxa de recuperação de pulso. Esses podem ser vistos como os principais “pilares” da filtragem que suportam o funcionamento ideal do GTS. Na maioria dos casos, todas essas propriedades são importantes, mas sua classificação pode variar dependendo dos ambientes locais e das condições operacionais. Os três pilares podem ser resumidos como se segue:
Eficiência: A proporção de partículas de ar de entrada capturadas pelo filtro é a métrica de desempenho mais amplamente reconhecida. Como os filtros de maior eficiência têm custos associados, os operadores precisam determinar uma classificação de eficiência que proporcione um retorno sobre o investimento.
Estanqueidade: Em locais úmidos ou à beira-mar, a resistência à umidade se torna uma alta prioridade. Os sais e outros sólidos dissolvidos transportados pela água podem ser altamente corrosivos e muitas vezes mais prejudiciais do que os contaminantes transportados pelo ar.
Taxa de recuperação de pulso: A rapidez com que os filtros recuperam o desempenho máximo após a limpeza é um terceiro fator-chave. A alta recuperação de pulso sobe à prioridade máxima em ambientes desérticos ou árticos, onde há exposição contínua a poeira, neve e acúmulo de gelo, ou episódios potencialmente repentinos de carga pesada.
É necessária uma avaliação cuidadosa, caso a caso, para determinar a classificação desses fatores para uma situação local e um orçamento operacional. A identificação de prioridades lhe permitirá incorporar o projeto de entrada e a combinação de filtro mais apropriada para ser incorporada ao seu sistema de turbina a gás.
Para auxiliar os proprietários nesse processo de avaliação, a Donaldson testa e classifica seus filtros de entrada de turbina a gás nas três características, usando essas abreviações e pontuações de desempenho.
- Eficiência (Er0 a Er5)
- Estanqueidade (W0 a W5)
- Taxa de recuperação de pulso (S a P5)
Apresentando o novo Sistema de Classificação de Filtros de fácil utilização
da Donaldson
A Donaldson está ajudando os operadores de turbinas a gás a selecionar filtros que atendam às suas necessidades exclusivas de eficiência, estanqueidade e taxa de recuperação de pulso na ordem de prioridade que eles exigem. Com base em nossas décadas de experiência servindo operadores de turbinas a gás em todos os climas e condições, desenvolvemos uma escala de classificação de 0-5 pontos para cada atributo crítico, e agora classificamos cada um de nossos filtros em todas as três escalas. Essa estrutura tornará o balanceamento das características do filtro preciso e simples para uma ampla gama de operadores em todo o mundo.
Aqui está uma discussão sobre cada pilar e por que ele precisa ser corretamente avaliado, classificado e equilibrado com os outros para otimizar o desempenho e o custo operacional do sistema:
Eficiência: Equilíbrio das classificações com o custo
A maior eficiência de filtragem produz ar mais limpo, que suporta uma combustão mais eficiente, potência de saída sustentada e turbinas de maior duração. A filtragem de menor eficiência introduz partículas que podem danificar os componentes da turbina, diminuir a eficiência de compressão e afetar adversamente a saúde do compressor. A Figura 1 ilustra que um filtro Er2 de menor eficiência permite significativamente mais incrustações após apenas 1.200 horas do que um filtro Er5 de alta eficiência após 5.000 horas.
Figura 1: Er2 a 1.200 horas vs. Er5 a 5.000 horas
A lavagem da água do compressor da turbina a gás pode ser usada para recuperar a potência devido a incrustações; no entanto, uma diminuição geral da eficiência pode ocorrer após repetidas lavagens. A Figura 2 mostra a potência de saída e compara a tendência de uma turbina a gás equipada com um sistema Er3/classe F que sofreu várias lavagens com o mesmo sistema usando um filtro de ar particulado Er5 / (H)EPA de alta eficiência que não exigiu lavagens.
As linhas inclinadas para baixo do filtro classe F representam diminuições típicas de saída devido à sujeira, seguidas por oscilações para cima devido à lavagem. Após várias lavagens, a saída de uma turbina a gás equipada com um filtro Er3 provavelmente será menor do que a de um filtro Er5 sem lavagens
Um filtro Er5 pode reduzir a necessidade de lavagens do compressor e manter uma maior eficiência da turbina. Isso também pode ajudar a reduzir os “custos suaves” relacionados com a manutenção e o tempo de inatividade do equipamento.
Com a disponibilidade de turbinas muitas vezes um fator chave na avaliação do resultado financeiro, os operadores querem diminuir os custos de inatividade sempre que possível.
Outros fatores que afetam a eficiência do filtro incluem o fluxo de ar e a queda de pressão. Reduções na pressão de entrada por bloqueios ou elementos filtrantes subdimensionados podem comprometer a saída da turbina. Se um filtro operar a uma vazão que exceda as especificações de projeto, a queda de pressão resultante pode reduzir o desempenho do sistema.
A queda de pressão frequentemente aumentará à medida que o filtro for carregando. No entanto, existem trade-offs a considerar, e um equilíbrio deve ser alcançado. Como a maior queda de pressão de um filtro de maior eficiência ainda pode suportar ganhos a longo prazo, os proprietários e operadores do sistema devem trabalhar em estreita colaboração com seu fornecedor de filtros para determinar as melhores classificações e características do filtro.
Vários sistemas de classificação de eficiência têm sido utilizados em toda a indústria de filtragem (ver barra lateral “Métodos de Classificação e Classificação de Eficiência”). Para simplificar, Donaldson agora combina as diferentes abordagens em uma escala de eficiência, de Er0 a Er5, como mostrado na figura 3.
Métodos de Classificação e Avaliação da Eficiência
A eficiência do filtro indica o desempenho de um filtro ao comparar a concentração de partículas a montante e a jusante do filtro. Essa eficiência de remoção é normalmente expressa como uma porcentagem da captura. No entanto, as classificações de eficiência de filtragem têm variado.
Nos Estados Unidos, os filtros têm sido historicamente classificados com um valor mínimo de eficiência (MERV), que foi desenvolvido pela American Society of Heating, Refrigeration and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE). As classificações MERV variam de 1 a 16, com uma pontuação mais alta indicando um melhor desempenho. Na Europa, duas normas foram utilizadas: Normativa Europeia (EN) 779 e EN 1822. As normas EN 779 incluem classificações de G1-G4, M5-M6 e F7-F9, que geralmente abrangem a mesma gama de eficiências que as classificações MERV 1-15.
Os termos “ar particulado eficiente” (EPA) e “ar particulado de alta eficiência” (H)EPA são as medidas mais familiares em relação aos níveis premium de eficiência de filtragem. De acordo com as normas EN 1822, a (H)EPA foi definida como uma remoção mínima de 99,5% do tamanho da partícula mais penetrante (MPPS). Os filtros EN 1822 têm classificações de E10-E12, geralmente correspondentes aos níveis de filtragem EPA e (H)EPA.
Mais recentemente, uma nova norma, ISO 16890, foi introduzida mundialmente para unificar a forma como os filtros são testados e classificados. A metodologia se concentra mais nas classes de material particulado (PM). O protocolo de teste ISO 16890 desafia os filtros com partículas em uma ampla gama de diâmetros, depois mede a captura média em três faixas específicas: PM1, PM2.5, e PM10. Devido à natureza complexa de múltiplos padrões de teste, a Donaldson projetou uma ferramenta de eficiência que combina esses padrões de teste em uma escala de eficiência simples de usar, variando de Er0 a Er5, como mostrado na Figura 3.
Estanqueidade: Prevenindo a Corrosão
Assim como a poeira que escapa de um sistema de filtragem menos eficiente, a água também pode ter impacto no desempenho da turbina. A umidade que entra na corrente de ar pode introduzir sais dissolvidos e outros sólidos.
Compostos como óxidos de ferro, cloretos e outros contaminantes podem causar corrosão ao longo do tempo, como mostrado na Figura 4. As lâminas da turbina podem então ter que ser lixadas, reparadas e reequilibradas - o que os operadores querem evitar.
A estanqueidade é particularmente importante nas áreas costeiras, com a umidade do oceano carregada de sal sujeitando o equipamento a corrosão acelerada. Consequentemente, a proteção contra a água salgada representa um fator chave que afeta a vida útil das turbinas a gás². Os fabricantes de turbinas a gás geralmente recomendam menos de 0,01 ppm de sal na turbina a gás. Em ambientes costeiros, o sal transportado pelo ar pode facilmente variar de 0,05 a 0,5 ppm em um dia típico.
De acordo com dados compilados pelo Programa Nacional de Deposição Atmosférica³, as concentrações de cloreto na atmosfera ao longo das áreas costeiras às vezes são mais de 10 vezes as concentrações das áreas interiores, como mostrado na Figura 5.
Os ambientes petroquímicos também apresentam desafios, uma vez que os hidrocarbonetos podem entrar na corrente de ar sem a devida estanqueidade à água. Esses produtos podem colocar depósitos de goma nas lâminas e afetar negativamente o desempenho.
A estanqueidade deve ser simples de ser avaliada por um operador. Peça a seu fornecedor de filtros que forneça um relatório de teste de laboratório independente, verificando se uma determinada opção de filtro é estanque e, se não for, como ele funcionará em condições úmidas.
A Donaldson desenvolveu uma nova metodologia para testar filtros em um ambiente controlado para determinar a quantidade, se houver, de água que pode passar por um filtro. O teste direciona um spray de água de 60 litros por hora no filtro durante um período de oito horas. A queda de pressão do filtro e o volume de água que passa através do filtro são registrados.
Com base nestas informações, a Donaldson classifica seus filtros de turbina a gás em uma escala de W0 a W5, com valores mais altos indicando uma maior estanqueidade. Um filtro avaliado em W0 não seria capaz de suportar qualquer umidade, enquanto um filtro W5 poderia sobreviver ao teste com pelo menos 99,5% de parada de água e não mais do que um aumento da queda de pressão de 2 polegadas (WG). Uma exibição gráfica dessas classificações é mostrada na Figura 6.
Donaldson testou e classificou seus filtros de ar para turbinas a gás mais comumente usados nesta escala de estanqueidade. A Figura 7 mostra como filtros com classificação mais alta reduzem o aumento da queda de pressão ao longo do tempo.
Taxa de recuperação: Filtros de limpeza por pulso de forma eficaz
Os projetos de entrada incluem tanto sistemas estáticos como de autolimpeza (pulso). A taxa de recuperação de pulso mede com que frequência os filtros podem ser limpos e quanta queda de pressão pode ser recuperada a cada vez.
Em carcaças de filtro projetadas por pulso, os filtros podem ser limpos introduzindo “pulsos” de ar comprimido pelo lado do ar limpo do filtro. Isto desalojará partículas de sujeira e detritos do lado a montante da mídia de um filtro sujo. Essa prática pode ajudar a reduzir o custo de operação, minimizando a queda de pressão, prolongando a vida útil dos filtros e impedindo o desligamento não programado devido à incrustação dos filtros. Em um sistema de limpeza por pulso, isto pode ser feito durante o funcionamento da turbina.
A taxa de recuperação é a taxa na qual o filtro volta a uma condição “como novo” e estabiliza a queda de pressão para permitir uma operação contínua. Quanto maior a taxa de recuperação de pulso, mais “limpável” é um filtro. As taxas de recuperação em sistemas pulsados são em grande parte dependentes do ambiente e do tipo de mídia no filtro: carregamento de superfície ou carregamento de profundidade. Os filtros de profundidade possuem camadas que prendem partículas progressivamente menores através da espessura da mídia. Embora retenham uma grande variedade de tamanhos de partículas, não podem ser limpas por pulso. Os filtros de carregamento de superfície, por outro lado, prendem todas as partículas na camada superior da mídia e formam um leve “bolo de pó” que é facilmente removido pela limpeza por pulso, prolongando a vida útil do filtro.
Como no caso da eficiência e estanqueidade, a recuperação de pulso pode ser classificada usando dados de teste de laboratório. A Donaldson desenvolveu um processo para medir a recuperação do pulso. Expondo os filtros a uma longa duração de condições simuladas de tempestade de areia, a queda de pressão e a eficiência do filtro são medidas para chegar a índices de recuperação de pulso, como mostrado na Figura 8. Na escala de Donaldson, um filtro S seria considerado incapaz de ser limpo por pulso sem danos, enquanto o restante da classificação P indica o nível de recuperação do pulso. Há uma variedade de fatores de desempenho com filtros estáticos (S) e Donaldson está atualmente desenvolvendo um sistema de classificação independente para essas aplicações.
Se a carcaça de seu filtro não tiver um sistema de pulso, as soluções de filtragem estática são as mais apropriadas. Uma solução estática típica utiliza meios filtrantes que carregam em profundidade e se concentra em maximizar a vida útil do filtro, equilibrando a queda de pressão e a capacidade de retenção de poeira.
Entretanto, as vantagens de um sistema de filtro pulsante podem ser ilustradas com um exemplo simplificado. Se 10 gramas de partículas por dia fossem capturadas por um filtro, em 100 dias, um total de 1.000 gramas seria capturado. O acúmulo de partículas também resultaria em um aumento da queda de pressão no sistema. Se a queda de pressão fosse considerada próxima aos limites permitidos, o filtro precisaria ser substituído ou limpo. Um filtro de carga de superfície poderia ser limpo durante a operação, enquanto um filtro de carga de profundidade precisaria ser substituído.
Os sistemas pulsáteis são frequentemente mais valiosos em áreas com poeira significativa, neve e acúmulo potencial de gelo. Nessas condições, os benefícios de longevidade do sistema de filtragem podem superar de longe o custo adicional de um sistema de limpeza por pulso. Em áreas menos propensas a poeira, neve e gelo, os sistemas pulsantes podem não ser tão econômicos.
Há vantagens consideráveis na operação de um sistema de limpeza por pulso. Muito parecido com um limpador de pára-brisas de automóveis, a limpeza por pulso pode ser principalmente uma contingência para eventos climáticos adversos. Mas quando ocorre uma demanda, e uma interrupção de energia pode ser indesejada, o valor da limpeza por pulso torna-se claro. Um sistema totalmente funcional - incluindo elementos compatíveis com a limpeza por pulso - pode fornecer aos operadores um sistema que pode continuar a funcionar enquanto o pulso estiver limpo. Se você herdou um sistema existente com limpeza por pulso, na maioria dos casos as vantagens de mantê-lo e equipá-lo com um filtro compatível com pulso compensam os custos de uma parada não planejada.
A relação de taxa de recuperação e queda de pressão pode ser vista na Figura 9. Esse gráfico ilustra por quanto tempo três sistemas de filtragem com várias taxas de recuperação de pulso mantiveram uma queda de pressão de filtragem aceitável ao longo do tempo em um ambiente simulado com poeira. Geralmente, os filtros com maiores taxas de recuperação mantêm quedas de pressão mais baixas por períodos mais longos.
A operação de sistemas de limpeza por pulso também precisa de consideração adequada. Os sistemas são geralmente operados por um de três métodos: 1) manual; 2) automatizado com base na queda de pressão; ou 3) automatizado com base em intervalos de tempo. Independentemente de serem utilizados métodos manuais ou automatizados, a limpeza precisa ocorrer antes que o entupimento atinja um estado problemático. Por exemplo, se uma limpeza não for acionada por um intervalo de tempo apropriado, a sujeira pode chegar ao ponto de causar problemas operacionais significativos. Como em qualquer função de operação e manutenção, a negligência aumenta o risco de falha.
Em alguns casos, o sistema de pulso só será necessário para evitar a sujeira. Em períodos de gelo, neve, congelamento extremo e tempestades de areia, o sistema de pulso pode realmente manter a turbina funcionando, usando o sistema de pulso como uma medida preventiva.
Resumo: Avalie suas necessidades
As condições ambientais determinam em grande parte as decisões sobre o projeto do sistema de admissão e filtros. Os três pilares - eficiência, estanqueidade e taxa de recuperação de pulso - tipicamente não estão sozinhos, mas requerem uma abordagem integrada. A identificação do equilíbrio e da combinação ideais para sua turbina de gás deve levar em conta os custos potenciais de inatividade e o retorno sobre o investimento (ROI) a longo prazo.
Ao avaliar o ROI, numerosos fatores podem ter impacto nos custos de filtragem. O cenário de cada operador precisa ser avaliado, pois o ROI de todos não será o mesmo. Por exemplo, ao avaliar a eficiência da filtragem, nem sempre se justifica uma classificação de eficiência mais alta. Somente se o aumento da produção compensar o custo de uma ligeiro aumento da queda de pressão é que um ROI financeiro pode ser realizado. A menor eficiência pode, às vezes, ser realmente mais econômica a longo prazo. Da mesma forma, a estanqueidade pode superar a eficiência em áreas costeiras, mas não em locais áridos, onde a exposição ao ar corrosivo do oceano é improvável.
Cada situação é diferente, e uma revisão completa das necessidades do operador é necessária para identificar o projeto ideal do filtro. Os impactos econômicos, não apenas os fatores técnicos, precisam ser considerados para cada planta. O resultado final é avaliar quais fatores são mais importantes para atender as necessidades do operador.
Conversão para um filtro de entrada de ar apropriado: Dois exemplos de casos
Er|W|P perfil permite a comparação justa e uma melhor combinação da escala de classificação do filtro de ar de entrada da Donaldson ajuda as plantas a se converterem na solução de filtragem correta para suas condições operacionais e ambientais únicas. Se o ambiente ou as condições operacionais de uma planta mudarem, a Donaldson pode ajudar a planta a escolher a filtragem apropriada com base na eficiência (Er), estanqueidade (W) e recuperação de pulso (P) - os três atributos que mais diferem de um filtro para outro e, em combinação, também impulsionam os custos operacionais.
Usando um perfil de base do filtro atual, o proprietário pode selecionar filtros de reposição com classificações mais fortes sobre as propriedades que mais importam sob as novas condições. Um perfil Er|W|P fornece uma comparação justa e permite uma melhor combinação. A Donaldson usa testes padronizados para determinar o Er|W|P numa escala de 0 a 5 pontos tanto para o filtro atual como para a solução proposta.
Aqui estão dois exemplos de casos hipotéticos de uma conversão benéfica do filtro usando a classificação Er|W|P:
Questão Ambiental
Uma planta em uma região agrícola está enfrentando uma estação de colheita empoeirada usando um envoltório de pré-filtro em um filtro de carregamento de profundidade. O pré-filtro e o filtro começam a ser rapidamente carregados e requerem substituição frequente. O proprietário descobre que uma pedreira de rochas reabriu para o Ocidente, agravando um problema de poeira. A Donaldson remove e testa o filtro atual da planta, descobrindo que tem eficiência de captura média-alta (Er3); estanqueidade moderada (W2); e pulsabilidade fraca. (P1). O problema se torna aparente: A taxa limitada de recuperação de pulso (P1) do filtro existente não consegue acompanhar o ritmo da alta carga de poeira. Usando essas informações comparativas, Donaldson recomenda uma substituição Er3|W1|P5. Não é necessária nenhuma estanqueidade no filtro, mas ele tem que fornecer a maior taxa de recuperação de pulso possível (P5) para derramar a pesada carga de poeira. Com essa mudança, a planta passa continuamente por altas ocorrências de poeira e projeta um curto retorno sobre o investimento.
Mudança operacional
Uma planta de pico funcionando 1.500 horas por ano sob demanda precisa se converter em um sistema de carga base que pode funcionar 8.000 horas. Como o tempo de parada se torna uma nova preocupação, a lavagem com água não é mais uma opção para otimizar a eficiência do compressor. A saúde dos compressores e a potência estável tornam-se as principais preocupações da gerência da planta - e a resposta é um tipo diferente de filtro de ar de entrada. Em uma consulta, Donaldson remove e testa o filtro sintético original e descobre que ele oferece eficiência média-alta (Er3), estanqueidade mínima (W1) e pulsabilidade máxima (P5). A Donaldson recomenda mudar para um filtro com classificação Er5|W5|P1 - proporcionando maior eficiência e estanqueidade, com menos ênfase na pulsabilidade. Essa recomendação permite que a usina minimize o tempo de parada e maximize a saída de energia.
Referências:
- “How to Select the Optimal Inlet Air Filters for Your Engine”, Combined Cycle Journal, 26 de setembro, 2017
- “Technology Review of Modern Gas Turbine Inlet Filtration Systems”, International Journal of Rotating Machinery, Volume 2012 (2012)
- National Atmospheric Deposition Program/National Trends Network
