Die drei Säulen der Gasturbinenfiltration: Priorisierung von Leistungsmerkmalen

Gasturbinen mischen trockene, saubere Luft mit Brennstoff, um Energie zu erzeugen. Weil die Qualität der Ansaugluft wichtig ist, sind das Design des Lufteinlasses und des Luftfilters für die Leistung der Turbine von höchster Bedeutung. Nach Angaben der US-Umweltbehörde EPA können pro Betriebsjahr einer Gasturbine ca. 600 kg an Partikeln in das Turbinengehäuse und den Luftfilter gelangen.¹ Schadstoffe und Schmutz in der Luft können zu einer Leistungsminderung führen, die Brennstoffkosten in die Höhe treiben und sogar wichtige Bauteile beschädigen.

Obwohl die Anforderungen an die Luftfilterung wesentlich von der örtlichen Luftqualität abhängen, muss jeder Betreiber drei Leistungsmerkmale abwägen: Abscheidungsgrad, Wasserdichtigkeit und (bei Anwendungen mit Druckstoßreinigung) die Druckstoß-Erholungsrate. Diese Faktoren können als „Säulen“ der Filtration gesehen werden, auf denen der optimale Betrieb beruht. In den meisten Fällen sind alle diese Eigenschaften wichtig, ihre relative Bedeutung hängt aber von den Umwelt- und Betriebsbedingungen vor Ort ab. Die drei Säulen kann man wie folgt zusammenfassen:

Effizienz: Bezeichnet den Anteil der Partikel in der Zuluft, die vom Filter abgeschieden werden. Dies ist die bekannteste Leistungskennzahl. Da Filter mit höherem Abscheidungsgrad entsprechende Kosten mit sich bringen, müssen Betreiber einen kosteneffizienten Abscheidungsgrad bestimmen.

Wasserdichtheit: In Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit oder in Meeresnähe ist die Feuchtigkeitsbeständigkeit sehr wichtig. Salz und andere in Wasser gelöste Feststoffe können hochkorrosiv sein und sind häufig schädlicher als Luftschadstoffe.

Druckstoß-Erholungsrate: Wie schnell Filter nach einer Reinigung wieder ihre Spitzenleistung erreichen, ist ein dritter Schlüsselfaktor. In Wüsten oder arktischen Umgebungen, in denen die Anlage ständig Staub, Schnee und Vereisung oder plötzlichen Spitzenlasten ausgesetzt ist, ist die Druckstoß-Erholungsrate das wichtigste Leistungsmerkmal.

Es muss in jedem Einzelfall sorgfältig abgewogen werden, wie diese Faktoren mit Blick auf die örtliche Situation und das Betriebsbudget gegeneinander abzuwägen sind. Die Bestimmung der richtigen Prioritäten ermöglicht es Ihnen, die beste Kombination aus Einlassdesign und Luftfilter für Ihr Gasturbinensystem zu finden.

Um Turbinenbetreibern bei dieser Auswertung zu helfen, testet und bewertet Donaldson seine Einlassfilter für Gasturbinen im Hinblick auf diese drei Leistungsmerkmale. Dabei werden die folgenden Abkürzungen und Leistungskennzahlen benutzt.

• Abscheidungsgrad (Er0 bis Er5)
• Wasserdichtigkeit (W0 bis W5)
• Druckstoß-Erholungsrate (S bis P5)

Das neue benutzerfreundliche Bewertungssystem für
Filter von Donaldson

Donaldson hilft den Betreibern von Gasturbinen dabei, den Filter zu finden, der im Hinblick auf Abscheidungsgrad, Wasserdichtigkeit und Druckstoß-Erholungsrate ihren individuellen Prioritäten entspricht. Wir haben auf Grundlage unserer jahrzehntelangen Erfahrung mit Gasturbinen unter allen denkbaren Klima- und Umweltbedingungen eine Ratingskala entwickelt, bei der alle unsere Filter im Hinblick auf die drei Leistungsmerkmale jeweils mit 0 bis 5 eingestuft werden. Dieses Bewertungssystem wird es für Betreiber überall auf der Welt einfacher machen, die Filtermerkmale exakt und richtig abzuwägen.

Im Folgenden werden wir näher auf die einzelnen Säulen eingehen und erläutern, warum die richtige Bewertung, Priorisierung und Abwägung zwischen den einzelnen Merkmalen zur Optimierung der Systemleistung und der Betriebskosten unerlässlich ist:

Effizienz: Abwägung von Leistungsgrad und Kosten

Ein höherer Filterabscheidungsgrad ergibt sauberere Luft, die eine effizientere Verbrennung, eine konstante Leistungsabgabe und eine längere Lebensdauer für die Turbinen ermöglicht. Ein geringerer Filterabscheidungsgrad erhöht die Zahl der Partikel, die in die Turbine gelangen. Dies kann zu Ablagerungen auf Turbinenkomponenten führen, den Verdichtungswirkungsgrad senken und dem Kompressor schaden. Abbildung 1 zeigt, dass bei einem Filter mit niedrigerer Effizienz (Er2) bereits nach 1200 Stunden erheblich mehr Ablagerungen vorhanden sind als bei Einsatz eines hochwirksamen Er5-Filters nach 5000 Stunden.

Durch eine Kompressorwäsche mit Wasser können Ablagerungen entfernt und die Leistungsabgabe wiederhergestellt werden. Nach wiederholten Wäschen kann es aber zu einer Abnahme des Abscheidungsgrades insgesamt kommen. Abbildung 2 zeigt die Leistungsabgabe und vergleicht die Entwicklung bei einer Gasturbine mit Er3- / F-Klasse-System mit mehreren Wäschen mit demselben System bei Einsatz eines hocheffizienten Luftpartikelfilters Er5 / (H)EPA, bei dem keine Wäsche nötig ist.

Die abnehmenden Leistungskurven des F-Klasse-Filters zeigt den typischen Leistungsrückgang aufgrund von Ablagerungen, mit einer Leistungszunahme nach Wäschen. Die Leistungsabgabe einer mit einem Er3-Filter ausgestatteten Gasturbine wird nach mehreren Wäschen voraussichtlich geringer sein, als bei Einsatz eines Er5-Filters ohne Wäschen

Abscheidungsgrad und Klassifizierungsmethoden

Der Filterabscheidungsgrad gibt die Leistung eines Filters an, indem die Konzentration von Partikeln vor und hinter dem Filter gegenübergestellt werden. Das Ergebnis wird typischerweise als prozentualer Anteil der abgeschiedenen Partikel angegeben. Die Klassifizierung für den Filterabscheidungsgrad wird jedoch nicht einheitlich gehandhabt.

In den USA wurden Filter historisch mit einem Minimum Efficiency Reporting Value (MERV) Rating eingestuft, das von der American Society of Heating, Refrigeration and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE) entwickelt wurde. Die MERV-Skala reicht von 1 bis 16 und eine höhere Punktzahl bedeutet einen höheren Abscheidungsgrad. In Europa werden zwei Standards angewendet: Europäische Normen (EN) 779 und EN 1822. EN 779 regeln die Filterklassen G1-G4, M5-M6 und F7-F9, die im Allgemeinen dieselbe Bandbreite von Abscheidungsgraden abdecken wie die MERV-Skala von 1 bis 15.

Die Begriffe „Efficient Particulate Air“ (EPA) und „High-Efficiency Particulate Air“ (H)EPA sind die gängigsten Begriffe im Zusammenhang mit hohen Filterabscheidungsgraden. EN 1822 fordert für (H)EPA-Filter einen Abscheidungsgrad von mindestens 99,5 % für Partikel der Größe mit dem höchsten Durchlassgrad (MPPS). Filter werden nach EN 1822 als E10 bis E12 eingestuft, was im Allgemeinen den Filtergraden EPA und (H)EPA entspricht.

Vor kurzem ist außerdem die neue Norm ISO 16890 eingeführt worden, mit der weltweit die Prüfung und die Einstufung von Filtern vereinheitlicht werden sollen. Dieser Ansatz konzentriert sich stärker auf Partikel-Klassen (PM). Das Testprotokoll nach ISO 16890 testet Filter mit einem breiten Spektrum an Partikelgrößen und misst die durchschnittliche Abscheiderate in drei Größenbereichen: PM1, PM2.5 und PM10. Aufgrund der Komplexität im Umgang mit mehreren Prüfstandards hat Donaldson eine Methode entwickelt, bei der die Prüfstandards zu einer einzigen, benutzerfreundlichen Punkteskala für den Abscheidegrad kombiniert werden, die von Er0 bis Er5 reicht (siehe Abbildung 3).

Umgebungen mit Petrochemikalien stellen ebenfalls Herausforderungen dar, da Kohlenwasserstoffe ohne ausreichende Wasserdichtigkeit in den Luftstrom gelangen können. Diese Substanzen können zähe Ablagerungen auf den Turbinenschaufeln bilden und die Leistung beeinträchtigen.

Die Wasserdichtigkeit kann der Betreiber einfach prüfen. Fordern Sie Ihren Filteranbieter auf, den Testbericht eines unabhängigen Labors vorzulegen, in dem bestätigt wird, dass der fragliche Filter wasserdicht ist und falls dies nicht der Fall ist, wie er sich unter Nässebedingungen verhält.

Donaldson hat eine neue Methode zur Erprobung von Filtern unter kontrollierten Umgebungsbedingungen entwickelt, mit der festgestellt wird, ob und wie viel Wasser durch einen Filter gelangt. Dabei werden über einen Zeitraum von 8 Stunden pro Stunde 60 l Wasser auf den Filter gesprüht. Der Druckabfall des Filters und die Wassermenge, die durch den Filter gelangt, werden gemessen.

Erholungsrate: Filter effektiv durch Druckstoß reinigen

Einlassdesigns können sowohl statische als auch selbstreinigende Druckstoßsysteme vorsehen. Die Druckstoß-Erholungsrate misst, wie häufig Filter gereinigt werden können und um wie viel der zusätzliche Druckabfall jeweils gemindert werden kann.

In Filtergehäusen, die auf Druckstoßreinigung ausgelegt sind, können Filter durch Druckluft- „Stöße“ gereinigt werden, indem Druckluft von der Reinluft-Seite her durch den Filter geblasen wird. Dies löst Verschmutzungen und sonstige Partikel von der Rohluftseite des verschmutzten Filtermediums. In der Praxis kann dies die Betriebskosten senken, da so der Druckabfall minimiert, die Lebensdauer von Filtern verlängert und ungeplante Ausfallzeiten aufgrund zugesetzter Filter vermieden werden können. In einem System mit Druckstoß-Reinigung kann dies auch während des Betriebs der Turbine erfolgen.

Die Erholungsrate misst, wie schnell der Filter in den „wie neuen“ Zustand zurückkehrt und sich der Druckabfall für einen Weiterbetrieb stabilisiert. Je höher die Erholungsrate ist, desto „reinigbarer“ ist der Filter. Erholungsraten hängen bei Systemen mit Rückstoßreinigung überwiegend von den Umweltbedingungen und dem verwendeten Filtermedium ab: Oberflächenfilter oder Tiefenfilter. Filter mit Tiefenfiltration bestehen aus Schichten, die über die Dicke des Filtermediums Partikel mit abnehmender Größe auffangen. Diese Felder sind zwar in der Lage, ein breites Spektrum von Partikelgrößen herauszufiltern, eine Druckstoßreinigung ist bei ihnen aber nicht möglich. Oberflächenfilter dagegen scheiden sämtliche Partikel in der obersten Schicht des Filtermediums ab und bilden so einen dünnen „Staubkuchen“, der durch Druckstoßreinigung einfach entfernt werden kann. Dies verlängert die Lebensdauer des Filters.

Ebenso wie bei Abscheidungsgrad und Wasserdichtigkeit kann die Druckstoß-Erholungsrate auf Grundlage von Labortests bewertet werden. Donaldson hat ein Verfahren zur Messung der Erholungsrate entwickelt. Der Filter wird über einen längeren Zeitraum einem simulierten Sandsturm ausgesetzt. Dabei werden der Druckabfall und der Abscheidungsgrad des Filters gemessen und die Erholungsrate berechnet (siehe Abbildung 8). Auf der von Donaldson entwickelten Skala würde ein S-Filter eine Druckstoß-Reinigung nicht ohne Schäden überstehen, während die anderen P-Ratings die Erholungsrate angeben. Bei statischen (S)-Filtern gibt es eine Vielzahl von Leistungsfaktoren und Donaldson entwickelt aktuell ein unabhängiges Bewertungssystem für diese Anwendungen.

Sollte Ihr Filtergehäuse nicht über ein Druckstoßsystem verfügen, sollten Sie eine statische Filterlösung wählen. Statische Filterlösungen benutzen in der Regel Tiefenfilter. Sie sind darauf ausgelegt, die Lebensdauer des Filters zu maximieren, indem sie Druckabfall und Staubkapazität gegeneinander abwägen.

Die Vorteile eines mit Druckstößen reinigbaren Filtersystems lassen sich jedoch durch ein einfaches Beispiel verdeutlichen. Wenn ein Filter jeden Tag 10 g Partikel abscheidet, so werden innerhalb von 100 Tagen insgesamt 1000 g abgeschieden. Die Ablagerung dieser Partikel im Filter würde außerdem zu einem höheren Druckabfall im System führen. Wenn der Druckabfall festgelegte Schwellenwerte überschreitet, müsste der Filter entweder ausgewechselt oder gesäubert werden. Ein Oberflächenfilter könnte während des Betriebs gereinigt werden, während ein Tiefenfilter ersetzt werden muss.

Systeme mit Druckstoßreinigung sind besonders interessant für Gebiete mit viel Staub, Schnee und möglicher Vereisung. Unter diesen Bedingungen kann die verlängerte Lebensdauer des Filtersystems die zusätzlichen Kosten des Druckstoßreinigungssystems weit überwiegen. In Gebieten mit weniger Staub, Schnee und Eis kann eine Druckstoßreinigung weniger kosteneffizient sein.

Beim Betrieb von Druckstoßreinigungssystemen müssen weitere Punkte beachtet werden. Es gibt im allgemeinen drei verschiedene Ansätze zum Betrieb der Systeme: 1) manuell, 2) automatisch auf Grundlage des Druckabfalls, oder 3) automatisch auf Grundlage von Zeitintervallen. Unabhängig davon, ob manuelle oder automatische Methoden benutzt werden, muss die Reinigung erfolgen, bevor die Filterverschmutzung problematisch wird. Wenn die Reinigung zum Beispiel nicht in ausreichend kurzen Intervallen ausgelöst wird, kann die Filterverschmutzung ein Ausmaß erreichen, das zu erheblichen Betriebsproblemen führt. Wie immer führt die Vernachlässigung von Betrieb und Wartung zu höheren Ausfallrisiken.

In einigen Fällen wird das Druckstoßsystem nur benötigt, um eine Filterverschmutzung zu verhindern. In Zeiten mit Eis, Schnee, extremem Forst und Sandstürmen kann das Druckstoßsystem aber auch präventiv benutzt werden, um die Turbine am Laufen zu halten.

Übersicht: Analyse Ihrer Bedürfnisse

Entscheidungen über das Design des Einlasssystems und die richtigen Filter hängen in erster Linie von den Umweltbedingungen ab. Die drei Säulen – Effizienz, Wasserdichtigkeit und Druckstoß-Erholungsrate benötigen typischerweise einen integrierten Ansatz. Um das richtige Gleichgewicht für Ihre Gasturbine zu finden, sollten Sie auch potentielle Kosten durch Ausfallzeiten und die langfristige Kapitalrendite (ROI) berücksichtigen.

Bei der Auswertung der ROI können zahlreiche Faktoren die Filterkosten beeinflussen. Das Szenario jedes einzelnen Betreibers muss analysiert werden, da die ROI individuell unterschiedlich ausfällt. Zum Beispiel ist bei der Analyse des Filterabscheidungsgrads ein höheres Rating nicht immer gerechtfertigt. Eine zusätzliche finanzielle Rendite ergibt sich nur dann, wenn die erhöhte Leistungsabgabe den geringfügig höheren Druckabfall ausgleicht. Tatsächlich kann langfristig ein geringerer Abscheidungsgrad kosteneffizienter sein. Entsprechend kann in Küstengebieten die Wasserdichtigkeit wichtiger sein als der Abscheidungsgrad, während in trockenen Gebieten keine Belastung durch korrosionsfördernde Meeresluft zu befürchten ist.

Jeder Anwendungsfall ist unterschiedlich, und das optimale Filterdesign kann nur durch eine gründliche Analyse des Betreibers ermittelt werden. Für jede Anlage müssen auch wirtschaftliche Auswirkungen und nicht nur technische Faktoren berücksichtigt werden. Letztlich geht es darum, festzustellen, welche Faktoren für die Anforderungen des Betreibers am wichtigsten sind.

Umrüstung auf einen geeigneten Luftansaugfilter: Zwei Fallbeispiele

Ein Er|W|P Profil ermöglicht einen Eins-zu-Eins-Vergleich und eine bessere Anpassung der Filterlösung an die Anforderungen. Donaldsons Rating-Skala hilft dabei, Kraftwerke auf die richtige Filterlösung für die individuell vorliegenden Betriebs- und Umweltbedingungen umzustellen. Wenn sich die Betriebs- und Umweltbedingungen einer Anlage ändern, kann Donaldson dabei helfen, den richtigen Filter auf Grundlage von Abscheidungsgrad (Er), Wasserdichtigkeit (W) und Druckstoß-Erholungsrate (P) zu wählen – dies sind die drei Eigenschaften, die sich von Filter zu Filter am meisten unterscheiden und die zusammen großen Einfluss auf die Betriebskosten haben.

Mit Hilfe eines Ausgangs-Profils für den aktuellen Filter kann der Eigentümer neue Filter mit höheren Ratings für die Merkmale auswählen, die unter den neuen Bedingungen am wichtigsten sind. Ein Er|W|P Profil ermöglicht einen Eins-zu-Eins-Vergleich und eine bessere Anpassung der Filterlösung an die Anforderungen. Donaldson benutzt standardisierte Testverfahren, um die Er|W|P für den aktuellen Filter und die anvisierte Lösung auf einer Skala von 0 bis 5 zu ermitteln.

Hier sind zwei hypothetische Fallbeispiele für eine Filterumstellung mit Hilfe von Er|W|P Ratings:

Umweltprobleme
Eine Anlage in einer landwirtschaftlichen Region bewältigt die hohe Staubbelastung in der Erntezeit mit Hilfe eines Vorfilters über einem Tiefenfilter. Der Vorfilter und der Tiefenfilter beladen sich schnell und müssen häufig ausgewechselt werden. Der Eigentümer stellt fest, dass in westlicher Richtung ein Steinbruch eröffnet worden ist, was das Staubproblem noch verstärkt. Donaldson entfernt und testet den aktuellen Filter der Anlage. Die Prüfung ergibt einen mittelhohen Abscheidungsgrad (Er3), mittlere Wasserdichtigkeit (W2) und geringe Druckstoßkompatibilität. (P1). Dies zeigt das Problem: Die geringe Druckstoß-Erholungsrate des bestehenden Filters (P1) reicht nicht aus, um die hohe Staubbelastung zu bewältigen. Vor dem Hintergrund dieser Vergleichsdaten empfiehlt Donaldson einen Ersatzfilter mit dem Profil Er3|W1|P5. Der Filter muss nicht wasserdicht sein, muss aber die höchstmögliche Druckstoß-Erholungsrate (P5) haben, um die hohe Staubbeladung abzureinigen. Mit dieser Änderung läuft die Anlage auch bei hoher Staubbelastung kontinuierlich durch und die Investition zahlt sich schnell aus.

Betriebsänderung
Ein Spitzenlastkraftwerk, das 1500 Stunden im Jahr läuft, muss in ein Grundlastkraftwerk umgerüstet werden, das 8000 Stunden laufen kann. Da Ausfallzeiten jetzt ein Problem sind, ist die Wasserwäsche zur Optimierung des Kompressorwirkungsgrads nicht länger sinnvoll. Der wichtigste Punkt beim Betrieb der Anlage sind der Zustand des Kompressors und die stabile Leistungsabgabe – und dafür ist ein anderer Luftansaugfilter erforderlich. Donaldson entfernt und prüft im Rahmen einer Beratung den existierenden synthetischen Filter und stellt fest, dass er einen mittelhohen Abscheidungsgrad (Er3), minimale Wasserdichtigkeit (W1) und maximale Druckstoßkompatibilität (P5) bietet. Donaldson empfiehlt, zu einem Filter mit Er5|W5|P1 zu wechseln – ein höherer Abscheidungsgrad, höhere Wasserdichtigkeit und ein geringerer Schwerpunkt auf der Druckstoßkompatibilität. Diese Empfehlung ermöglicht es der Anlage, die Ausfallzeiten zu minimieren und die Leistungsabgabe zu maximieren.

Quellenangaben:

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