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Lezioni impartite dalle condizioni di umidità sulla costa

Supportare l'efficienza delle turbine a gas con la filtrazione dell'aria a tenuta stagna

Problema: L'umidità derivante dal clima e dalle piogge tropicali causa un dP elevato e il trasferimento oltre i filtri nella turbina di tutto il particolato catturato, con conseguenti perdite di efficienza del compressore pari al 3-5% e perdite di potenza del 15-20%.

Soluzione: Donaldson Turbo-Tek Er5 | W5 | Filtri a tenuta stagna P1

Risultati: 

  • La durata del filtro è triplicata da 18 a 48 mesi rispetto ai 12 mesi precedenti, con una perdita di efficienza inferiore al 10%
  • Nessun passaggio dell'umidità nei periodi di umidità elevata o piogge tropicali
  • Nessuna perdita di efficienza o di potenza prodotta dal compressore assiale
  • Lavaggi con acqua ridotti, solo offline

Un impianto a gas di petrolio liquefatto (GPL) in un clima tropicale ha riscontrato quattro anni di successi con l'impianto di filtrazione dell'aria a tenuta stagna di Donaldson Gas Turbine Systems. Questo caso di studio è applicabile ad altre raffinerie di petrolio e centrali elettriche in aree umide, tropicali e costiere, che devono lottare contro l'umidità e i contaminanti atmosferici.

L'impianto per GPL descritto in questo caso di studio è collegato tramite un gasdotto sottomarino a strutture di esportazione offshore poste nel Mare di Timor. L'impianto, di proprietà di una delle principali società mondiali di petrolio e gas, utilizza sei motori GE LM2500 G4 con due turbine per la refrigerazione del propano, due per la refrigerazione dell'etilene e due per la refrigerazione del metano.

I sei motori a turbina della struttura richiedono un totale di 720 paia di elementi filtranti per filtrare i contaminanti presenti nell'aria e per fornire aria aspirata pulita. Il clima tropicale di questa località costiera ha comportato serie difficoltà per la filtrazione. I mesi estivi sono caratterizzati da umidità relativa all'80%, piogge tropicali e aria salmastra. Nella stagione invernale secca, l'aria è contaminata anche del fumo pesante e dalla cenere degli incendi di arbusti. L'umidità tende a trasportare il particolato, che può creare incrostazioni sulle pale e usura prematura delle attrezzature.

Nel 2014, l'impianto per GPL utilizzava filtri sintetici F9 MERV 15 di alta qualità. A quel tempo, questa tecnologia di filtrazione dell'aria era all'avanguardia per il settore delle turbine. Sebbene gli elementi funzionassero in modo più efficiente rispetto ai precedenti filtri misti F9 MERV 15, le turbine incontravano ancora problemi di prestazioni per quanto riguardava la pressione differenziale (dP) e la durata del filtro.

"I filtri si caricavano di particolato fuligginoso", ha affermato l'ingegnere capo addetto ai sistemi rotativi della struttura. "Avendo dimensioni inferiori al micron, molti di questi contaminanti superavano il filtro e si attaccavano alle pale del compressore assiale."

Un aumento della pressione differenziale e una riduzione dell'efficienza del compressore assiale indicavano che nei filtri penetrava ancora una notevole umidità e, insieme a essa, contaminanti come fuliggine, fumo e sale. Questo generava incrostazioni sulla lama, causando squilibri meccanici che innescavano una perdita di efficienza nel compressore assiale. Le perdite di efficienza della struttura variavano dal 3% al 5% nell'arco di 12 mesi, e questo si traduceva in una perdita di potenza misurabile.

"Il problema più grande dell'umidità era la perdita di potenza causata dell'elevata temperatura di bulbo umido", ha spiegato l'ingegnere. “La produttività del nostro impianto era già ridotta dal 15% al 20% in condizioni di clima umido e, in aggiunta al problema, questo comportava ulteriori danni dovuti alla pressione differenziale del filtro (dP).

Nell'impianto per GPL, 720 paia di filtri Donaldson forniscono aria pulita a sei turbine a gas LM2500 G4.

Eravamo arrivati al punto di dover togliere il cofano dalle turbine e pulire a mano le lame, o smontarle per eseguirne la riparazione ".

Per superare la perdita di potenza durante la stagione umida estiva, l'impianto eseguiva lavaggi con acqua, una pratica che comportava costi di manutenzione e manodopera aggiuntivi: i lavaggi fuori linea richiedono una squadra di sei persone per un giorno intero, mentre i lavaggi in linea richiedono il lavoro di una squadra due persone per diversi giorni.

Tuttavia, i lavaggi con acqua erano solo una soluzione temporanea per il decadimento della potenza. Ogni lavaggio ripristinava la potenza in modo parziale, ma il rendimento diminuiva a ogni ciclo di lavaggio. Di conseguenza, a 18 mesi di distanza le 720 coppie di filtri non erano più in grado di supportare un'adeguata produzione di energia e necessitavano di sostituzione.

Per affrontare queste sfide, nel 2015 l'impianto per GPL decise di provare i nuovi setti filtranti Donaldson a tenuta d'acqua (H) EPAgrade Turbo-Tek Er5 | W5 | P1. Il cliente installò i filtri Turbo-Tek Er5 | W5 | P1 in quattro delle sei turbine LNG e conservò la tecnologia F9 esistente nelle altre due per confrontarne direttamente le prestazioni.

Dopo nove mesi, la modifica aveva prodotto un miglioramento significativo nella protezione della turbina, indicato dai dati di dP e di efficienza del compressore per le turbine che utilizzavano i filtri a tenuta stagna. Il dP rimase stabile durante i mesi estivi e per tutta la durata del filtro, quasi senza perdite di efficienza del compressore assiale.

Nonostante l'accumulo di fuliggine da incendi boschivi a 6.000 ore, non c'è stato alcun picco nella pressione differenziale o nella funzionalità delle lame.

In base ai risultati del test, l'impianto per GPL decise di convertire tutte e sei le turbine con filtri EPA Turbo-Tek Er5 a tenuta stagna (H) | W5 | P1 - e da allora ha applicato la modifica agli altri impianti per GPL.

Entro la fine del 2019, quattro anni dopo la prova, tutti i filtri Turbo-Tek Er5 | W5 | P1 dell'impianto per GPL hanno conservato le prestazioni originali. I motori hanno subito perdite prossime allo 0% in termini di efficienza del compressore assiale e l'impianto ha eliminato i lavaggi ad acqua in linea.

Sorprendentemente, a dicembre 2019 l'impianto utilizzava ancora i filtri TurboTek Er5 | W5 | P1 originali installati nel 2015, con la sola sostituzione dell'involucro del prefiltro a 36 mesi per compensare un lieve aumento del dP. L'impianto ha prolungato la durata del filtro da 18 mesi a 48 mesi, con un notevole risparmio sui costi dei filtri e della manutenzione.

Con i filtri a tenuta stagna Turbo-Tek Er5 | W5 | P1 di grado (H)EPA, le pale rimangono pulite dopo 4.000 ore.

“Il passaggio dai filtri F9 Spider-Web XP ai filtri a tenuta stagna E12 Turbo-Tek Er5 | W5 | P1 ha rappresentato differenza straordinaria per le nostre operazioni, poiché ora il nostro compressore non perde l'efficienza e non siamo costretti a lavarlo", ha detto l'ingegnere. “Quanto più riusciamo a mantenere pulite le nostre turbine nella stagione delle piogge, tanto meglio possiamo supportare la nostra produttività. I filtri mantengono il compressore assiale molto pulito e, inoltre, i filtri durano davvero a lungo e questo è davvero straordinario. Quindi siamo complessivamente soddisfatti dei risultati. Il ritorno del nostro investimento nei filtri a tenuta stagna Turbo-Tek Er5 | W5 | P1 è stato decisamente significativo."

La scelta di soluzioni di filtrazione basate su svariate condizioni può aiutare a supportare l'efficacia e l'efficienza delle operazioni. Per aiutare i proprietari di impianti nella scelta dei filtri, nel 2018 Donaldson ha introdotto il sistema di classificazione Er | W | P per la sua linea di filtri Turbo-Tek per turbine a gas. Utilizzando i primi test di laboratorio del settore per la tenuta stagna e la pulizia a impulsi, Donaldson ora classifica ogni tipo di filtro su una scala da 0 a 5 punti in base a tre caratteristiche:

  • Efficienza (da Er0 a Er5) - Quale percentuale di contaminanti aerodispersi viene catturata?
  • Tenuta stagna (da W0 a W5) - Come gestisce l'umidità elevata e la condensa?
  • Pulsabilità (da P0 a P5) - Riguarda i sistemi autopulenti. Con quanta rapidità i filtri recuperano le massime prestazioni dopo la pulizia a impulsi con aria compressa?

Il filtro trattato in questo caso di studio ha una valutazione Er5 | W5 | P1. Questo significa che ha la massima efficienza di cattura (Er5), il grado più elevato di tenuta stagna (W5) e, poiché sono filtri a caricamento profondo, hanno una bassa pulsabilità (P1) rispetto alla linea di filtri per turbine a gas Turbo-Tek di Donaldson.

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