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Erfahrungen aus feuchten küstennahen Bedingungen

Unterstützung der Gasturbinen-Effizienz durch wasserdichte Luftfilterung

Problem: Feuchtigkeit und Tropenregen verursachen einen hohen dP und die Verschleppung von aufgefangenen Partikeln an den Filtern vorbei in die Turbine, was zu Effizienzverlusten des Kompressors von 3-5 % und Leistungsverlusten von 15-20 % führt.

Lösung: Donaldson Turbo-Tek Er5 | W5 | P1 wasserdichte Filter

Ergebnisse: 

  • Die Filterstandzeit verdreifachte sich von 18 auf 48 Monate im Vergleich zu 12 Monaten bei einem Effizienzverlust von bis zu 10 %
  • Kein Feuchtigkeits-Bypass bei hoher Luftfeuchtigkeit oder Tropenregen
  • Keine Verluste bei der Axialverdichtereffizienz oder Energieerzeugung
  • Weniger Wasserspülungen nur noch offline

Eine Flüssiggasanlage (LNG) in einem tropischen Klima war vier Jahre lang erfolgreich mit wasserdichter Luftfiltration von Donaldson Gas Turbine Systems in Betrieb. Diese Fallstudie ist auf andere feuchte, tropische und küstennahe Ölraffinerien und Kraftwerke anwendbar, die mit Feuchtigkeit und luftgetragenen Verunreinigungen zu kämpfen haben.

Die in dieser Fallstudie vorgestellte LNG-Anlage ist über eine Untersee-Pipeline mit Offshore-Exporteinrichtungen im Timormeer verbunden. Sie gehört einem großen globalen Öl- und Gasunternehmen und verwendet sechs GE LM2500 G4-Motoren mit zwei Turbinen für die Propan-, zwei für die Ethylen- und zwei für die Methankühlung.

Die sechs Turbinentriebwerke der Anlage benötigen insgesamt 720 Filterelementpaare, um luftgetragene Verunreinigungen zu filtern und saubere Ansaugluft bereitzustellen. Das tropische Klima dieses Küstenstandortes hat die Filtration vor ernsthafte Herausforderungen gestellt. In den Sommermonaten herrschen 80 % relative Luftfeuchtigkeit, Tropenregen und salzhaltige Luft. In der trockenen Wintersaison verschmutzen zudem starker Rauch und Asche von großflächigen Buschbränden die Luft. Die Verschleppung von Feuchtigkeit kann Partikel mit sich bringen, die zur Verschmutzung der Verdichterschaufeln und vorzeitigem Verschleiß der Ausrüstung führen können.

Im Jahr 2014 wurden in der LNG-Anlage hochwertige synthetische F9 MERV 15-Filter verwendet. Zu jener Zeit war diese Luftfiltertechnologie in der Turbinenindustrie Stand der Technik. Obwohl die Elemente eine bessere Leistung als die bisherigen gemischten F9 MERV 15-Filter erbrachten, hatten die Turbinen im Hinblick auf Differenzdruck (dP) und Filterstandzeit immer noch Leistungsprobleme.

„Die Filter waren voller Rußpartikel“, sagte der leitende Ingenieur für Drehvorrichtungen der Anlage. „Viele dieser Verunreinigungen haben den Filter passiert und sind an unseren Axialverdichterschaufeln haften geblieben, weil ihre Größe im Submikrometerbereich liegt.“

Ein Differenzdruckanstieg und eine Verringerung des Wirkungsgrades des Axialkompressors deuteten darauf hin, dass immer noch erhebliche Feuchtigkeit in die Filter und damit Verunreinigungen wie Ruß, Rauch und Salz eindrangen. Dies verursachte eine Verschmutzung der Verdichterschaufeln – eine mechanische Unwucht, die einen Effizienzverlust im Axialverdichter auslöste. Die Effizienzverluste in der Einrichtung reichten über 12 Monate von 3 % bis 5 %, was sich in einem messbaren Leistungsverlust niederschlug.

„Das größte Problem im Zusammenhang mit der Feuchtigkeit war die Tatsache, dass wir wegen der hohen Kühlgrenztemperatur Leistung verloren haben“, erklärte der Ingenieur. „Unser Anlagendurchsatz war bereits bei feuchtem Wetter um 15 bis 20 % beeinträchtigt, was eine zusätzliche Beeinträchtigung durch den Filterdifferenzdruck (dP) bedeutete, der das Problem noch verschärfte.

In der LNG-Anlage sorgen 720 Donaldson-Filterpaare an sechs LM2500 G4-Gasturbinen für saubere Luft.

Wir kamen an einen Punkt, an dem wir entweder das obere Gehäuse von den Turbinen abgenommen und die Verdichterschaufeln von Hand gereinigt oder sie zur Reparatur abgenommen haben.“

Um den Energieverlust während der feuchten Sommersaison zu überwinden, wurden an der Anlage Wasserwaschungen durchgeführt – eine Praxis, die mit zusätzlichen Wartungs- und Arbeitskosten verbunden war: Für Offline-Wäschen ist eine sechsköpfige Crew für einen ganzen Tag und für Online-Wäschen eine zweiköpfige Crew über mehrere Tage erforderlich.

Die Wasserspülungen waren jedoch nur eine vorübergehende Lösung für den Leistungsverlust. Mit jedem Waschgang wurde die Leistung teilweise wiederhergestellt, aber die Erträge nahmen mit jedem Waschzyklus ab. Folglich konnten die 720 Filterpaare nach 18 Monaten keine ausreichende Stromerzeugung mehr unterstützen und mussten ausgetauscht werden.

Um diesen Herausforderungen zu begegnen, wurde 2015 in der LNG-Anlage beschlossen, das neue wasserdichte (H)EPAgrade Turbo-Tek Er5 | W5 | P1-Medium von Donaldson zu testen. Der Kunde installierte Turbo-Tek Er5 | W5 | P1-Filter in vier der sechs LNG-Turbinen und behielt die vorhandene F9-Technologie in den beiden anderen für seinen eigenen Leistungsvergleich bei.

Nach neun Monaten führte die Änderung zu einer signifikanten Verbesserung des Turbinenschutzes, was sich in den Daten für dP und Verdichterwirkungsgrad für die Turbinen zeigte, die die wasserdichten Filter betrieben. dP blieb während der Sommermonate und über die gesamte Lebensdauer des Filters stabil, wobei der Wirkungsgrad des Axialverdichters fast keinen Verlust aufwies.

Trotz der Rußablagerung durch Buschfeuer gab es nach 6.000 Stunden wenig bis gar keinen Anstieg des Differenzdrucks oder des Zustands der Verdichterschaufeln.

Auf der Grundlage des Versuchs wurde in der LNG-Anlage beschlossen, alle sechs Turbinen auf die wasserdichten (H)EPA Turbo-Tek Filter Er5 | W5 | P1 umzurüsten – seitdem wurde diese Umrüstung auch an den anderen LNG-Anlagen vorgenommen.

Bis Ende 2019, vier Jahre später, nach der Erprobung, haben alle Turbo-Tek Er5 | W5 | P1-Filter in der LNG-Anlage ihre ursprüngliche Leistung beibehalten. Die Motoren haben Wirkungsgradverluste bei den Axialkompressoren von fast 0 % erfahren, und die Online-Wasserspülungen wurden eliminiert.

Bemerkenswert ist, dass die Anlage im Dezember 2019 immer noch die ursprünglichen TurboTek Er5 | W5 | P1-Filter verwendete, die 2015 installiert wurden, mit nur einem Wechsel der Vorfilterhülle nach 36 Monaten, um einen geringfügigen Anstieg des dP zu reduzieren. Die Anlage hat ihre Filterstandzeit von 18 Monaten auf 48 Monate verlängert, was zu erheblichen Einsparungen bei den Filter- und Wartungskosten geführt hat.

Saubere Verdichterschaufeln nach 4.000 Stunden mit wasserdichten Filtern der (H)EPA-Klasse Turbo-Tek Er5 | W5 | P1.

„Der Wechsel von den F9 Spider-Web XP-Filtern zu den wasserdichten Filtern E12 Turbo-Tek Er5 | W5 | P1 hat für unseren Betrieb einen außerordentlichen Unterschied bedeutet, da wir bei der Kompressoreffizienz jetzt keine Verluste mehr haben und wir nicht mehr zum Waschen herunterkommen müssen“, sagte der Ingenieur. „Je sauberer wir unsere Turbinen während der Regenzeit halten können, desto besser können wir unsere Produktion aufrechterhalten. Die Filter halten den Axialkompressor sehr sauber, und ein Bonus ist, dass die Filter tatsächlich eine lange Lebensdauer haben, was ziemlich außergewöhnlich ist. Alles in allem sind wir also mit den Ergebnissen zufrieden. Die Rendite unserer Investition in die wasserdichten Filter Turbo-Tek Er5 | W5 | P1 macht definitiv Sinn.“

Die Auswahl von Filtrationslösungen auf der Grundlage einer Vielzahl von Bedingungen kann dazu beitragen, einen effektiven und effizienten Betrieb zu unterstützen. Um Anlagenbesitzern bei der Filterauswahl zu unterstützen, führte Donaldson 2018 das Er | W | P-Bewertungssystem für seine Turbo-Tek-Gasturbinenfilterreihe ein. Anhand der ersten Labortests der Branche zur Wasserdichtigkeit und Pulsbarkeit bewertet Donaldson jetzt jeden Filtertyp auf einer Skala von 0 bis 5 für drei Merkmale:

  • Effizienz (Er0 bis Er5): Welcher Anteil an Luftschadstoffen werden aufgefangen?
  • Wasserdichtheit (W0 bis W5): Wie verträgt er hohe Feuchtigkeit und Nässe?
  • Pulsbarkeit (P0 bis P5): Betrifft selbstreinigende Systeme. Wie leicht stellen die Filter ihre Spitzenleistung wieder her, nachdem sie mit Druckluft gepulst wurden?

Der in dieser Fallstudie behandelte Filter hat eine Bewertung von Er5 | W5 | P1. Dies bedeutet, dass sie den höchsten Abscheidegrad (Er5) und die höchste Wasserdichtigkeitsklasse (W5) haben und, da es sich um Tiefenfilter handelt, eine geringe Pulsationsfähigkeit (P1) bei den Donaldson Turbo-Tek-Gasturbinenfiltern aufweisen.

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