ガスタービンは、ドライでクリーンな空気と燃料を混合してエネルギーを生成するように設計されています。 吸入空気の質が重要であるため、タービン性能においては吸気口の設計とエアフィルトレーションが最優先事項となります。 米国環境保護庁の大気汚染データによると、1年間の運転で平均約1,300ポンドの粒子がガスタービンハウジングと吸気フィルターに侵入する可能性があります¹。 空気中の汚れや汚染物質は、出力の低下、燃料費の上昇、重要なコンポーネントの損傷を引き起こす可能性があります。
フィルトレーションのニーズは主に現地の大気環境によって変わってきますが、通常オペレーターは3つの性能要因を評価する必要があります： 効率、水密性、（パルスクリーニングが可能な用途においては）パルス回復率です。 これらは最適なGTS運用をサポートする、フィルトレーションの主要な「柱」とみなすことができます。 通常、こうした特性はすべて重要なものですが、どの特性を優先すべきかは、地域環境や動作条件によって変わってくる場合があります。 3本の柱は次のように要約できます：
効率： フィルターで捕集された吸気粒子の割合は、最も広く認識されている性能測定基準です。 より効率の高いフィルターにはコストがかかるため、オペレーターは投資収益率を実現する効率評価を見定める必要があります。
水密性: 湿気の多い場所や海沿いの場所では、湿気に対する耐性が最優先事項になります。 水によって運ばれる塩や他の溶解した固体は、腐食性が高く、多くの場合、空気中浮遊汚染物質よりも有害です。
パルス回復率： 3番目の重要な要素は、クリーニング後のフィルターがピーク性能まで回復する速度です。 砂漠や極地の環境では、埃、雪、氷の蓄積に継続的にさらされているか、あるいは突然重い負荷がかかる可能性があるため、高いパルス回復が最優先されます。
現地の状況や予算に対してこれらの要因の順位を決定するには、一件一件慎重に評価していく必要があります。 優先順位を特定することで、最適な吸気口設計とフィルターの組み合わせをガスタービンシステムに組み込むことができます。
この評価プロセスを支援するため、ドナルドソンは現在、3つの特性すべてについて、ガスタービンの吸気フィルターをテストし、これらの略称と性能のスコアを使用して評価しています。
- 効率性（Er0〜Er5）
- 水密性（W0〜W5）
- パルス回復率（S〜P5）
ドナルドソンの新しいユーザーフレンドリーなフィルター
評価システムの紹介
ドナルドソンは、効率性、水密性、パルス回復率に関して、必要な優先順位に基づいてガスタービンオペレーターが固有のニーズに対応したフィルターを選択できるようサポートしています。 あらゆる気候と条件の下でオペレーターにサービスを提供してきた数十年の経験に基づいて、重要な属性ごとに0〜5ポイントの評価スケールを開発し、3つの項目すべてにおいて各フィルターを評価しています。 こうした枠組みを設定することで、世界中の多数のオペレーターがフィルター特性のバランスを正確かつシンプルに維持することができます。
ここでは、それぞれの柱の説明に加えて、適切な評価とランク付け、他の柱とのバランスがシステム性能と運転コストの最適化に必要となる理由について説明します：
効率： 評価とコストのバランス
フィルトレーション効率が高くなることで、よりクリーンな空気が生成され、それによってさらに効率的な燃焼、持続的な出力、タービンのさらなる長寿命化に繋がります。 フィルトレーション効率が低いと、タービンコンポーネントが汚れ、圧縮効率が低下し、コンプレッサーの状態に悪影響を与える可能性のある粒子が発生します。 図1は、低効率のEr2フィルターでは、わずか1,200時間後にファウリングが発生することを示しており、5,000時間後にファウリングが発生する高効率のEr5フィルターと比較すると大きな違いがあることがわかります。
図1： 1,200時間後のEr2と5,000時間後のEr5の比較
ファウリングにより低下した出力を回復するために、ガスタービンコンプレッサーを水洗浄することもできますが、洗浄を繰り返すと、全体的な効率が低下することがあります。 図2は出力を示し、さらにEr3/Fクラスシステムを搭載したガスタービンで複数回の洗浄を行った場合と、洗浄を必要としない高効率の粒子状空気Er5/(H)EPAフィルターを使用した場合の傾向を比較したものです。
Fクラスフィルターの下向きの傾斜した線は、ファウリングによる典型的な出力の低下を示し、洗浄による出力の上昇がそれに続いていることがわかります。 洗浄を数回行った後、Er3フィルター効率を備えたガスタービンの出力は、洗浄を行っていないEr5フィルターの出力よりも低くなる可能性が高くなります
Er5フィルターは、コンプレッサー洗浄の必要性を減らし、より高いタービン効率を維持することができます。 これは、メンテナンスと機器のダウンタイムに関連する「ソフトコスト」の削減にも役立ちます。
多くの場合、タービンの稼働率は財務上の収益を評価する上で重要な要素となるため、オペレーターは可能な限りダウンタイムコストを削減したいと考えます。
フィルターの効率に影響を与える他の要因として、エアフローと圧力損失があります。 詰まりや小さすぎるフィルターエレメントによって吸気口の圧力が低下すると、タービン出力を損なう可能性があります。 フィルターが設計仕様を超える流量で動作する場合、結果として生じる圧力損失により、システム性能が低下する可能性があります。
フィルターの負荷が上昇すると、通常圧力損失が大きくなります。 ただし、検討すべき妥協点があり、バランスを取らなければなりません。 より効率の高いフィルターの圧力損失が増加したとしても、長期的な利益をサポートできるため、システムオーナーとオペレーターは、フィルターサプライヤーと密接に協力し、最適な定格とフィルター特性を決定する必要があります。
フィルトレーション業界ではさまざまな効率評価システムが使用されています（補足記事「効率評価と分類方法」を参照）。 わかりやすくするため、ドナルドソンでは、図3に示すように、Er0からEr5までのさまざまなアプローチを1つの効率スケールに統合しています。
効率の評価と分類方法
フィルター効率とは、フィルターの上流側と下流側の粒子濃度を比較することで示したフィルターの性能のことを言います。 この除去効率は通常、捕集効率として表されますが、 フィルトレーション効率の分類にはさまざまなものがあります。
米国では、フィルターは歴史的にアメリカ暖房冷凍空調学会（ASHRAE）が開発した、最低捕集効率（MERV）等級により分類されてきました。 MERVの評価範囲は1〜16で、スコアが高いほど高性能であることを示しています。 ヨーロッパでは、 欧州規格（EN）779およびEN 1822というの2つの規格が使用されています。 EN 779規格には、G1〜G4、M5〜M6、F7〜F9の等級が含まれており、通常、MERV等級1〜15と同範囲の効率に相当します。
「効率的粒子状空気」（EPA）および「高効率粒子状空気」（H）EPAという用語は、最高レベルのフィルトレーションの効率性を示す代表的な指標です。 EN 1822規格では、（H）EPAは、最大透過粒子径（MPPS）に対して99.5%以上の捕集効率を有するものと定義されています。 EN 1822フィルターの等級はE10-E12で、一般にEPAおよび（H）EPAのフィルトレーションレベルに相当します。
さらに最近では、フィルター試験と評価の方法を統一するために、新規格のISO 16890が世界中で導入されており、 この規格では、主に粒子状物質（PM）に焦点を当てています。 ISO 16890の試験プロトコルは、幅広い直径サイズの粒子を含むフィルターをテストし、 3つの特定範囲（PM1、PM2.5、PM10）の平均捕集率を測定します。 複数存在する試験基準によって複雑化していることから、ドナルドソンは、これらのテスト基準を、Er0からEr5までの1つの使いやすい効率スケールに統合したツールを設計しました（図3を参照）。
水密性: 腐食防止
効率の悪いフィルトレーションシステムから漏れる埃と同じように、水もまたタービンの性能に影響を及ぼす場合があり、 気流に入る湿気によって、溶解塩やその他の固体が侵入する可能性があります。
図4に示すように、酸化鉄、塩化物、その他の汚染物質などの化合物は、時間の経過とともに腐食を引き起こす可能性があります。 その結果、タービンブレードの研磨、修理、バランスの再調整の必要性が生じてしまいます。これはオペレーターにとって回避したい事象です。
塩分を含んだ海の湿気が機器の腐食を加速させるため、沿岸地域では水密性が特に重要となります。 つまり海水からの保護は、ガスタービンの寿命に影響を与える重要な要素となります²。 ガスタービンメーカーの通常の推奨値として、内部に入り込む塩分について、0.01 ppm未満の推奨値を設定しています。 沿岸環境では、飛来塩分量は通常、1日あたり0.05〜0.5 ppmの範囲にあります。
図5に示すように、全米大気降下物研究支援計画（National Atmospheric Deposition Program）³がまとめたデータによると、沿岸地域の大気中の塩化物濃度は、内陸地域の濃度の10倍を超えることがあります。
炭化水素は十分な水密性のない気流に入ることがあるため、石油化学環境においても課題が生じます。 これらの産物によってブレードに粘着性の堆積物が付着し、性能の悪化につながるおそれがあります。
水密性はオペレーターでも評価できるシンプルなものです。 特定のフィルターオプションが水密性を有しているかどうか、また、水密性がない場合は湿った状態でどのように機能するかを確認するために、独立ラボでの試験報告書を提出するよう、フィルターのサプライヤーに依頼してください。
ドナルドソンは、制御された環境下でフィルターをテストし、フィルターを通過できる水量を測定する新しい方法を開発しました。 このテストでは、8時間にわたって、1時間当たり60リットルの水をフィルターに噴霧し続け、 フィルターの圧力損失とフィルターを通過する水量を記録していきます。
この情報に基づいて、ドナルドソンは、ガスタービン用フィルターをW0〜W5のスケールで評価しています。値が大きいほど、水密性が高いことを示しています。 等級W0のフィルターは湿気に耐えることができませんが、W5フィルターは少なくとも99.5%の水分を遮断し、2インチ水位ゲージ（WG）以下の圧力損失で、テストに耐えることができました。 これらの結果を示したグラフを図6に示します。
ドナルドソンは、最も一般的に使用されているガスタービン用エアフィルターをこの水密性のスケールでテストし、評価しています。 図7は、フィルター等級が高くなるにつれ、経時的に圧力損失の増加が抑制される様子を示しています。
回復率： パルスクリーニングによる効果的なフィルター清掃
インレットの設計には、静的システムと自動清掃（パルス）システムの2種類があります。 パルスシステムの回復率は、フィルターの清掃頻度と、その都度どれだけの圧力損失を回復できるかを測定するものです。
パルス設計されたフィルターハウジングでは、フィルターの清浄空気側から圧縮空気「パルス（振動）」を導入することによって、フィルターを清浄化することができ、 汚れたフィルターメディアの上流側から汚れの粒子や破片が除去されます。 この方法は、圧力損失を最小限に抑え、フィルターの寿命を延ばし、フィルターの汚れによる予定外のシャットダウンを防ぐことができるため、運用コストの削減につながります。 パルスクリーニングが可能なシステムでは、タービンの運転中にも清掃を行うことができます。
回復率は、フィルターが「新品同様」の状態に戻り、圧力損失を安定させて連続運転が可能になる率を示しています。 パルスの回復率が高いほど、フィルターはより「クリーニング可能」な状態になります。 パルスシステムの回復率は、環境とフィルターのメディアの種類（表面捕集またはデプス捕集） に大きく依存しています。 デプス捕集フィルターには、メディア厚全体にわたって徐々に小さい粒子を捕捉する層が備えられており、 幅広いサイズの粒子を保持しますが、パルスクリーニングを行うことはできません。 一方、表面捕集フィルターは、すべての粒子をメディアの最上層に捕捉し、極めて少量の「ダストケーキ」を形成します。これは、パルスクリーニングによって簡単に除去することができ、フィルターの寿命の延長につながります。
効率性や水密性と同様、パルス回復はラボの試験データを使用して評価することができます。 ドナルドソンは、パルス回復を測定するためのプロセスを開発しました。 砂嵐を模した条件にフィルターを長時間さらし、フィルターの圧力損失と効率性を測定して、図8に示すようにパルス回復率の評価を行うものです。 ドナルドソンのスケールでは、残りのP等級はパルス回復のレベルを示しますが、Sフィルターは損傷なしにパルスクリーニングができないとみなされます。 静的（S）フィルターにはさまざまな性能要因があり、ドナルドソンは現在、これらの用途に対応した独立した評価システムを開発中です。
フィルターハウジングにパルスシステムが備えられていない場合は、静的フィルトレーションが最適のソリューションとなります。 典型的な静的ソリューションは、デプス捕集フィルターメディアを利用し、圧力損失と粉塵保持容量のバランスをとることでフィルターの寿命を最大化することに焦点を当てています。
しかしながら、パルス可能なフィルターシステムの利点は、単純な例で説明することができます。 1日あたり10グラムの粒子がフィルターによって捕集された場合、100日で合計1,000グラムが捕集されることになります。 粒子の蓄積は、システムの圧力損失の増加につながる可能性があります。 圧力損失が許容限界に近づいていると判断された場合は、フィルターを交換または清掃する必要があります。 デプス捕集フィルターは交換する必要がありますが、表面捕集フィルターは運転中のクリーニングが可能です。
パルス可能なシステムは、多くの場合、埃、雪、氷が蓄積する可能性のある地域で最も真価を発揮します。 こうした環境条件下では、フィルトレーションシステムの長寿命がもたらすメリットは、パルスクリーニングシステムの追加コストをはるかに上回るものとなりますが、 埃、雪、氷の影響を受けにくい地域では、思ったほどパルスシステムの費用対効果が見込めない場合があります。
パルスクリーニングシステムの導入には多くの利点があります。 自動車のフロントガラスのワイパーのように、パルスクリーニングは主に悪天候に備えた保険のような役割を担うものですが、 実際に必要な場面が訪れ、停電を回避したい時には、パルスクリーニングの真価が発揮されます。 パルスクリーニング対応のエレメントも含めて、しっかりと機能するシステムであれば、オペレーターはパルスクリーニング中でも運転を継続することができます。 パルスクリーニング機能を備えたシステムをお持ちの場合、計画外停電のコストを考えると、パルス対応フィルターを維持、装備していくことで得られるメリットの方が、通常そのコストを上回るものになります。
図9では、回復率と圧力損失の関係が示されています。 このグラフでは、様々なパルス回復率を持つ3つのフィルトレーションシステムを粉塵にさらすシミュレーションを行い、時間の経過とともにフィルターの圧力損失がどの程度維持されたかを示しています。 一般的に、回復率が高いほど、フィルターはより長い時間にわたって、より低い圧力損失を維持しました。
パルスクリーニングシステムも適切に運用していく必要があります。 システムは通常、 1）手動、2）圧力損失に基づいて自動化、3）時間間隔に基づいて自動化、のいずれかの方法で動作します。 手動または自動のどちらの方法でも、ファウリングにより問題が発生する前にクリーニングを行う必要があります。 たとえば、適切な時間間隔でクリーニングがトリガーされない場合、ファウリングによって重大な運転トラブルが発生する場合があります。 他の操作やメンテナンス機能と同様に、問題を放置すれば故障のリスクは高まります。
場合によっては、ファウリングを防止するという目的のみでパルスシステムが必要になるケースも出てくるかもしれません。 氷、雪、極度の霜、砂嵐が発生する時期には、予防策としてパルスシステムを使用することにより、タービンの稼働を継続することができます。
要約： ニーズを評価する
環境条件は、主にインレットシステムの設計とフィルターに関する決定を左右します。 効率性、水密性、パルス回復率の3本の柱は、通常、単独ではなく、統合的なアプローチを必要とします。 ガスタービンの理想的なバランスと組み合わせを特定するには、潜在的なダウンタイムコストと長期的な投資収益率（ROI）を考慮することが必要です。
ROIの評価において、フィルトレーションコストに影響を与える要因は多数存在します。 ROIは各自異なるため、各オペレーターのシナリオそれぞれを評価する必要があります。 たとえば、フィルトレーションの効率性を評価する際に、効率等級が高いものが常に正しいとは限りません。 生産量の増加が、わずかに増加した圧力損失のコストを相殺する場合にのみ、財務上のROIが実現します。 効率性が低いほど、長期的にはコスト効率が高くなることがあります。 同様に、沿岸地域では水密性が効率を上回る可能性があるものの、腐食性の海洋空気にさらされる可能性が低い乾燥地域では、その可能性が低くなります。
状況はそれぞれ異なり、最適なフィルター設計を特定するには、オペレーターのニーズを徹底的に検討する必要があります。 技術的要因だけでなく各工場の経済的影響も考慮する必要があります。 最終的には、オペレーターのニーズに対応した最も重要な要因を評価しなければなりません。
適切な吸気フィルターへの変換： 2つの事例
Er|W|Pプロファイルで一見してほぼ同一条件での比較が可能になり、さらにドナルドソンの吸気フィルター等級スケールにより、工場それぞれの運転条件や環境条件に合わせた適切なフィルトレーションのソリューションに変換することができます。 工場の環境や動作条件が変化した場合、ドナルドソンは、効率性（Er）、水密性（W）、パルス回復率（P）に基づいて、それぞれに適切なフィルトレーションが選択できるようサポートします。この3つの属性は、フィルターごとに大きく異なるものであり、それらを組み合わせることで、運転コストを調整することができます。
現在のフィルターのベースラインプロファイルを使用して、新しい条件下で最も重要な特性について、より強い評価を得た交換用フィルターを選択することができます。 Er|W|Pプロファイルで、同一条件での比較、さらには優れたマッチングが可能になります。 ドナルドソンは、標準化されたテストを使用して、現在のフィルターと提案されたソリューションの両方について、0〜5ポイントのスケールでEr|W|Pを特定することができます。
Er|W|P評価を使用した有益なフィルター変換について、2つの仮定的な事例を次に示します：
環境問題
農業地域にある某工場は、デプス捕集フィルターにプレフィルターを被せることで、埃の多い収穫期に対応しています。 このプレフィルターとフィルターはすぐに粉塵が蓄積されてしまうため、頻繁に交換する必要があります。 工場長は、西側で採石場が再開したことで、粉塵の問題を悪化させていることに気付きました。 そこでドナルドソンが、工場で使用中のフィルターを取り外してテストしたところ、捕集効率が中～高（Er3）、水密性が中程度（W2）、パルス能力が低（P1）レベルであることが判明しました 。 明確になった問題は以下の通りです： 既存のフィルターの限られたパルス回復率（P1）では、高濃度粉塵に対応できません。 この比較情報をもとに、ドナルドソンはEr3|W1|P5への交換を推奨しました。 フィルターに水密性は必要ではないものの、高濃度粉塵を取り除くためには、可能な限り高いパルス回復率（P5）が必要となりますを提供しなければなりません。 この変更により、高濃度の粉塵が発生しても工場を稼働することができるため、短期間で投資を回収することができます。
運用変更
年間1,500時間オンデマンドでピーク稼働する工場を、基本負荷で8,000時間稼働できるシステムに変えていく必要があります。 ダウンタイムが新たな懸念事項となるため、コンプレッサー効率を最適化する手段として、水洗浄をオプションから除外しました。 コンプレッサーの健全性と安定した出力が工場の主な管理上の問題となっていますが、吸気フィルターの種類を変更することがその解決策となりました。 コンサルティングを行っていく中で、ドナルドソンが既存の合成フィルターを取り外してテストしたところ、捕集効率が中～高（Er3）、水密性が最小（W1）、パルス能力が最大（P5）、という結果が得られました。 ドナルドソンは、パルス能力をあまり重視せず、より高い効率性と水密性を実現するEr5|W5|P1等級のフィルターに交換するよう推奨しました。 結果として、ダウンタイムを最小化し、出力を最大化することができます。
参照：
- 「エンジンに最適な吸気フィルターを選択する方法」 Combined Cycle Journal、2017年9月26日
- 「最新のガスタービン吸気口フィルトレーションシステムの技術レビュー」 International Journal of Rotating Machinery、Volume 2012（2012）
- National Atmospheric Deposition Program/National Trends Network
