Уроки, полученные в условиях влажного прибрежного климата

Проблема: высокий уровень влажности воздуха и тропические дожди являются причиной высокого дифференциального давления (dP) и проникновения улавливаемых частиц через фильтры в турбину, что приводит к снижению КПД компрессора на 3–5 % и мощности на 15–20 %.

Решение: водонепроницаемые фильтры Donaldson Turbo-Tek Er5 | W5 | P1

Результаты

Увеличение срока службы фильтра втрое — с 18 до 48 месяцев — по сравнению с 12 месяцами и снижением эффективности на 10 %
Отсутствие проникновения влаги в периоды высокой влажности или тропических дождей
Отсутствие потерь эффективности при работе осевых компрессоров или производстве электроэнергии
Сокращение числа промывок водой и их проведение только во время остановов

Завод по производству сжиженного природного газа (СПГ) успешно работает четыре года в условиях тропического климата благодаря водонепроницаемой системе фильтрации воздуха, предоставленной подразделением Donaldson — Газотурбинные системы. Этот практический пример можно распространить и на другие нефтеперерабатывающие заводы и электростанции, эксплуатируемые в сложных условиях повышенной влажности и переносимых по воздуху загрязняющих веществ.

Завод СПГ, рассматриваемый в данном практическом примере, соединен подводным трубопроводом с морскими платформами в Тиморском море. Он принадлежит одной из крупнейших мировых нефтегазовых компаний. На нем работают шесть двигателей GE LM2500 G4: две турбины предназначены для охлаждения пропана, две — для этилена и две — для метана.

Для обеспечения работы шести турбинных двигателей завода требуется в общей сложности 720 пар фильтрующих элементов для улавливания переносимых по воздуху загрязняющих веществ и подачи чистого всасываемого воздуха. Тропический климат этого прибрежного района создает серьезные проблемы с фильтрацией. Условия в летние месяцы — это относительная влажность 80 %, тропические дожди и соленый воздух. В сухой зимний период воздух сильно загрязнен дымом и золой от низовых пожаров. Вместе с влагой через фильтры, как правило, проникают и твердые частиц, способные загрязнять лопатки компрессора и вызывать преждевременный износ оборудования.

В 2014 году завод СПГ использовал синтетические фильтры премиум-класса F9 MERV 15. На тот момент эта технология фильтрации воздуха была самой передовой в сфере эксплуатации турбин. Хотя их фильтрующие элементы работали эффективнее ранее использовавшихся смешанных фильтров F9 MERV 15, недостаточные показатели дифференциального давления (dP) и срока службы фильтров все еще приводили к проблемам в работе турбин.

«Фильтры забивались частицами сажи, — рассказал главный инженер по вращающемуся оборудованию. — Многие из этих загрязнений проникали через фильтр и налипали на лопатки нашего осевого компрессора, потому что имели субмикронный размер».

Повышение дифференциального давления и снижение эффективности осевого компрессора — это показатели того, что в фильтры все еще проникает значительный объем влаги, а вместе с ними и загрязняющие вещества, включая сажу, дым и соль. Это вызывало загрязнение лопаток и их механический дисбаланс, приводивший к снижению эффективности осевого компрессора. За 12 месяцев это снижение достигало 3–5 %, приводя к ощутимым потерям мощности.

«Самую большую проблему, вызываемую влажностью, представляла собой потеря мощности из-за высокой температуры адиабатного испарения, — объяснил инженер. — При влажной погоде пропускная способность нашей установки уже снижалась на 15–20%, что означало любое дальнейшее ухудшение показателей вследствие перепада давления (dP) на фильтре, усугублявшего проблему.

На заводе СПГ 720 пар фильтров Donaldson обеспечивают подачу чистого воздуха на шесть газовых турбин LM2500 G4.

Мы оказались в ситуации, когда требовалось либо снять верхний корпус турбин и чистить лопатки вручную, либо отправить их на ремонт».

Чтобы справиться с потерей мощности во влажный летний период, завод промывал оборудование водой, что сопровождалось дополнительными затратами на техобслуживание и оплату работы: для промывки в режиме останова требуется целый рабочий день бригады из шести человек, а в рабочем режиме — бригада из двух человек и несколько рабочих дней.

Однако промывка водой была лишь временным решением проблемы потери мощности. После каждой промывки мощность частично восстанавливалась, но с каждым циклом промывки ее эффективность снижалась. Следовательно, через 18 месяцев эксплуатации 720 пар фильтров больше не могли обеспечивать достаточный уровень производства электроэнергии и требовали замены.

Чтобы решить эту проблему, в 2015 году на заводе СПГ было решено опробовать новый водонепроницаемый фильтрующий материал Donaldson Turbo-Tek Er5 | W5 | P1 класса (H)EPA. Заказчик оснастил фильтрами Turbo-Tek Er5 | W5 | P1 четыре из шести турбин СПГ, продолжив использовать существовавшую технологию F9 для двух оставшихся, самостоятельно сравнить показатели их работы.

Через девять месяцев такая замена серьезно повысила уровень защиты турбины, о чем свидетельствуют показатели dP и КПД компрессора для турбин, оснащенных водонепроницаемыми фильтрами. Значение dP оставалось стабильным в течение летних месяцев и всего срока службы фильтра, и практически не снижался КПД осевого компрессора.

Несмотря на сажу от низовых пожаров, накопившуюся за 6000 часов эксплуатации, резкого повышения дифференциального давления или ухудшения состояния лопаток практически не наблюдалось.

По результатам испытаний завод СПГ принял решение оснастить все шесть турбин водонепроницаемыми (H)EPA-фильтрами Turbo-Tek Er5 | W5 | P1, а затем компания провела аналогичную замену и на других своих предприятиях по производству СПГ.

К концу 2019 года, через четыре года после первого испытания, все фильтры Turbo-Tek Er5 | W5 | P1, применяемые на заводе СПГ, сохранили свои исходные рабочие характеристики. Двигатели продолжают работать при почти нулевом снижении эффективности осевого компрессора, а завод избавился от необходимости проводить промывку водой в рабочем режиме.

Примечательно, что даже в декабре 2019 года завод по-прежнему продолжал использовать оригинальные фильтры Turbo-Tek Er5 | W5 | P1, установленные в 2015 году, заменив лишь одну обмотку предварительной фильтрации через 36 месяцев эксплуатации, чтобы уменьшить незначительное повышение показателя dP. Срок службы фильтра увеличился с 18 до 48 месяцев, что привело к существенной экономии затрат на приобретение фильтров и техобслуживание.

Чистые лопатки через 4000 часов эксплуатации благодаря водонепроницаемым (H)EPA-фильтрам Turbo-Tek Er5 | W5 | P1.

«Переход с фильтров F9 Spider-Web XP на водонепроницаемые фильтры E12 Turbo-Tek Er5 | W5 | P1 невероятным образом улучшил нашу работу, поскольку теперь не снижается эффективность нашего компрессора и не требуются остановы для проведения промывок, — отметил инженер. — Чем чище будут наши турбины в течение всего влажного сезона, тем более стабильным будет наше производство. Благодаря фильтрам наш осевой компрессор остается очень чистым, и, плюс к этому, они удивительно долго остаются пригодными к эксплуатации. Так что мы все довольны результатами. Инвестиций в водонепроницаемые фильтры Turbo-Tek Er5 | W5 | P1 благодаря своей высокой рентабельности несомненно имеют смысл».

Выбор решений по фильтрации с учетом различных условий может оказать помощь по поддержанию эффективной и результативной работы. Чтобы помочь владельцам завода с выбором фильтров, в 2018 году компания Donaldson ввела систему оценки на основе показателей классификации Er | W | P для своей линейки фильтров Turbo-Tek для газовых турбин. Используя результаты первых в отрасли лабораторных испытаний на водонепроницаемость и степень регенерации импульсами, компания Donaldson теперь оценивает фильтры каждого типа по шкале от 0 до 5 для следующих трех характеристик:

Эффективность (от Er0 до Er5) — Какую долю переносимых по воздуху загрязняющих веществ он улавливает?
Водонепроницаемость (от W0 до W5) — Как он работает в условиях высокой влажности и воздействия влаги?
Степень регенерации импульсами (от P0 до P5) — Относится к системам самоочистки. В какой степени фильтры восстанавливают свои пиковые эксплуатационные показатели после импульсной очистки сжатым воздухом?

Фильтр, обсуждаемый в данном примере, имеет классификацию Er5 | W5 | P1. Это означает, что они демонстрируют наивысшую эффективность улавливания (Er5), наивысшую водонепроницаемость (W5) и, будучи фильтрами глубинной фильтрации, имеют низкую степень регенерации импульсами (P1) по сравнению с другими фильтрами линейки Donaldson Turbo-Tek для газовых турбин.