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Lecciones aprendidas en condiciones costeras húmedas

Respaldar la eficiencia de las turbinas de gas con filtración de aire estanca

Problema: La humedad de climas húmedos y lluvia tropical causa un alto dP y el arrastre de las partículas capturadas a través de los filtros hacia la turbina, lo que resulta en pérdidas de eficiencia del compresor de aproximadamente un 3-5 %, así como pérdidas de potencia del 15 al 20 %.

Solución: Filtros estancos Turbo-Tek Er5 | W5 | P1 de Donaldson

Resultados: 

  • La vida útil del filtro se triplicó de 18 a 48 meses en comparación con los 12 meses con hasta un 10 % de pérdida de eficiencia
  • Sin desvío de humedad en climas con alto nivel de humedad o lluvia tropical
  • Sin pérdidas en la eficiencia del compresor axial ni en la producción de energía
  • Lavados con agua solamente fuera de línea

Una planta de gas natural licuado (GNL) en un clima tropical ha tenido cuatro años de éxito con la filtración de aire estanca de los sistemas de turbinas de gas de Donaldson. Este estudio de caso es aplicable a otras refinerías de petróleo y plantas de energía en zonas húmedas, tropicales y costeras que luchan con la humedad y los contaminantes del aire.

La planta de GNL presentada en este estudio de caso está conectada a través de un gasoducto submarino a instalaciones de exportación en alta mar en el Mar de Timor. Propiedad de una importante empresa mundial de petróleo y gas, utiliza seis motores GE LM2500 G4 con dos turbinas para refrigeración de propano, dos para refrigeración de etileno y dos para refrigeración de metano.

Los seis motores de turbina en la instalación requieren un total de 720 pares de elementos de filtro para filtrar los contaminantes transportados por el aire y proporcionar aire de admisión limpio. El clima tropical de esta ubicación costera ha planteado serios desafíos de filtración. En los meses de verano, hay un 80 % de humedad relativa, lluvia tropical y aire cargado de sal. En la estación seca de invierno, el humo denso y las cenizas de los incendios de arbustos también contaminan el aire. El arrastre de humedad tiende a traer partículas que pueden causar ensuciamiento de la hoja y desgaste prematuro del equipo.

En 2014, la planta de GNL utilizaba filtros sintéticos F9 MERV 15 de primera calidad. Esta tecnología de filtración de aire era de vanguardia en la industria de las turbinas en ese momento. Si bien los elementos funcionaban de manera más eficaz que los filtros F9 MERV 15 mezclados anteriores, en lo que respecta a la presión diferencial (dP) y la vida útil del filtro, las turbinas todavía presentaban problemas de rendimiento.

«Los filtros se estaban cargando con partículas de hollín», dijo el ingeniero principal de equipos rotativos de la instalación. «Muchos de esos contaminantes pasaban por el filtro y se pegaban a las palas de nuestro compresor axial, debido a que tienen un tamaño submicrónico».

Un aumento de la presión diferencial y una reducción en la eficiencia del compresor axial indicaron que todavía penetraba una cantidad significativa de humedad en los filtros y, con ella, contaminantes tales como hollín, humo y sal. Esto provocó un ensuciamiento de la cuchilla, un desequilibrio mecánico que provocó una pérdida de eficiencia en el compresor axial. Las pérdidas de eficiencia en la instalación oscilaron entre el 3 % y el 5 % durante 12 meses, lo que se tradujo en una pérdida de energía importante.

«El mayor problema en torno a la humedad fue el hecho de que perdimos energía debido a la alta temperatura del bulbo húmedo», explicó el ingeniero. «El rendimiento de nuestra planta ya se vio afectado entre un 15 % y un 20 % en condiciones de clima húmedo, lo que significó un deterioro adicional debido a la presión diferencial del filtro (dP) que se sumó al problema.

En la planta de GNL, 720 pares de filtros Donaldson proporcionan aire limpio a seis turbinas de gas LM2500 G4.

Llegamos a un punto en el que quitamos la carcasa superior de las turbinas y limpiábamos las cuchillas a mano o las desmontábamos para repararlas».

Para superar la pérdida de energía durante las temporadas de verano húmedo, la planta completó los lavados con agua, una práctica que conllevaba costes adicionales de mantenimiento y mano de obra: los lavados fuera de línea requieren un equipo de seis personas durante un día completo, y los lavados en línea requieren un equipo de dos personas trabajando varios días.

Sin embargo, los lavados con agua fueron solo una solución temporal para la degradación de la energía. Cada lavado restauró la potencia parcial, pero el rendimiento disminuía con cada ciclo de lavado. En consecuencia, a los 18 meses, los 720 pares de filtros ya no podían soportar la producción de energía adecuada y debían ser reemplazados.

Para hacer frente a estos problemas, en 2015 la planta de GNL decidió probar los nuevos medios estancos de grado (H)EPA Turbo-Tek Er5 | W5 | P1 de Donaldson. El cliente instaló filtros Turbo-Tek Er5 | W5 | P1 en cuatro de las seis turbinas de GNL y mantuvo la tecnología F9 existente en las otras dos para realizar una comparación de rendimiento en paralelo.

Después de nueve meses, el cambio produjo una mejora significativa en la protección de la turbina, indicada por los datos de dP y eficiencia del compresor para las turbinas que hacen funcionar los filtros estancos. La dP se mantuvo estable durante los meses de verano y durante toda la vida útil del filtro, sin apenas pérdida de eficiencia del compresor axial.

A pesar de la acumulación de hollín de los incendios forestales a las 6000 horas, hubo poco o ningún aumento en la presión diferencial, y tampoco se produjeron daños en la cuchilla.

Basándose en la prueba, la planta de GNL decidió convertir las seis turbinas al sistema de filtros estancos (H)EPA Turbo-Tek Er5 | W5 |P1, y desde entonces realizó el cambio en sus otras instalaciones de GNL.

A finales de 2019, cuatro años después, después de la prueba, todos los filtros Turbo-Tek Er5 | W5 | P1 de la planta de GNL mantuvieron su rendimiento original. Los motores han sufrido pérdidas de casi un 0 % en la eficiencia del compresor axial y la planta ha eliminado los lavados con agua en línea.

Sorprendentemente, a diciembre de 2019, la planta todavía estaba usando sus filtros originales TurboTek Er5 | W5 | P1, instalados en 2015, con solo un cambio de envoltura de prefiltro a los 36 meses para reducir un aumento menor en la dP. La planta ha ampliado la vida útil de sus filtros de 18 a 48 meses, lo que se traduce en ahorros sustanciales en los costes de filtrado y mantenimiento.

Cuchillas limpias después de 4000 horas con los filtros estancos Turbo-Tek Er5 | W5 | P1 de grado (H)EPA.

«El cambio de los filtros F9 Spider-Web XP a los filtros estancos E12 Turbo-Tek Er5 | W5 | P1 han marcado una diferencia extraordinaria en nuestra operación, ya que ahora no estamos perdiendo eficiencia en nuestro compresor y no tenemos que bajar a lavar», comenta el ingeniero. «Cuanto más limpias podamos mantener nuestras turbinas durante la temporada de lluvias, mejor podremos mantener nuestra producción. Los filtros mantienen el compresor axial muy limpio y una ventaja es que los filtros duran mucho tiempo, lo cual es extraordinario. Así que, por lo general, estamos satisfechos con los resultados. El retorno sobre nuestra inversión en los filtros estancos Turbo-Tek Er5 | W5 | P1 es muy positivo».

La selección de soluciones de filtración basadas en una variedad de condiciones puede ayudar a respaldar operaciones efectivas y eficientes. Para ayudar a los propietarios de plantas con la selección de filtros, en 2018 Donaldson presentó el sistema de clasificación Er | W | P para su línea de filtros de turbina de gas Turbo-Tek. Utilizando las primeras pruebas de laboratorio de la industria para la estanqueidad y la pulsabilidad, Donaldson cualifica cada tipo de filtro en una escala de 0 a 5 puntos con respecto a tres características:

  • Eficiencia (Er0 a Er5): ¿Qué proporción de contaminantes transportados en el aire captura?
  • Estanqueidad (W0 a W5): ¿Cómo gestiona la humedad y los climas húmedos?
  • Pulsabilidad (P0 a P5): pertenece a los sistemas de autolimpieza. ¿Con qué facilidad recuperan los filtros el rendimiento máximo después de pulsarse con aire comprimido?

El filtro del que hemos hablado en este estudio de caso tiene una cualificación de Er5 | W5 | P1. Esto significa que tienen la mayor eficiencia de captura (Er5), la clasificación de estanqueidad más alta (W5) y, dado que son filtros de carga en profundidad, tienen una baja pulsabilidad (P1) en la línea de filtros de turbina de gas Turbo-Tek de Donaldson.

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