Los tres pilares de la filtración de turbinas a gas: Clasificación de prioridades de rendimiento

Las turbinas a gas están diseñadas para mezclar aire seco y limpio con combustible y producir energía. Dada la importancia que tiene la calidad del aire de entrada, el diseño de entrada y la filtración de aire son primordiales en el rendimiento de la turbina. Según los datos de contaminación del aire de la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU., en una carcasa de turbina a gas y un filtro de entrada de aire podría introducirse un promedio de cerca de 1300 libras de partículas en un año de funcionamiento¹. La suciedad y los contaminantes en el aire pueden causar una disminución de la potencia de salida, aumentar los costes de combustible y dañar potencialmente componentes vitales.

Las necesidades de filtración dependen en gran medida de la calidad del aire local, pero ello no evita que todos los operadores tengan que evaluar tres factores de rendimiento: la eficiencia, la estanqueidad y, en aplicaciones que se pueden limpiar con pulso, la tasa de recuperación de pulso. Estos pueden ser vistos como los "pilares" clave de filtración que permiten el óptimo funcionamiento del sistema de turbina a gas (o GTS). En la mayoría de los casos, todas estas propiedades son importantes, pero su clasificación puede variar según los entornos locales y las condiciones de funcionamiento. Los tres pilares se pueden resumir de la siguiente manera:

Eficiencia: La proporción de partículas de aire de entrada capturadas por el filtro es la medición del rendimiento más ampliamente reconocida. Debido a que los filtros de mayor eficiencia tienen costes asociados, los operadores deben determinar una calificación de eficiencia que ofrezca una rentabilidad.

Estanqueidad al agua: En lugares húmedos o cerca del mar, la resistencia a la humedad se convierte en una alta prioridad. Las sales y otros sólidos disueltos transportados por el agua pueden ser altamente corrosivos y, a menudo, más perjudiciales que los contaminantes transportados por el aire.

Tasa de recuperación de pulso: La facilidad con la que los filtros recuperan el máximo rendimiento después de limpiarlos es un tercer factor clave. La alta recuperación del pulso se convierte en la máxima prioridad en entornos desérticos o árticos, donde hay una exposición continua al polvo, la nieve y la acumulación de hielo; o se producen episodios potencialmente repentinos de carga pesada.

Es necesaria una evaluación cuidadosa, caso por caso, para determinar la clasificación de estos factores a tenor de una situación local y un presupuesto operativo. La identificación de prioridades le permitirá incorporar el diseño de entrada más apropiado y la combinación de filtros para integrarlos a su sistema de turbina a gas.

Para ayudar a los propietarios en este proceso de evaluación, Donaldson ahora prueba y califica sus filtros de entrada de turbina a gas partiendo de estas tres características, con las siguientes siglas y puntuación de rendimiento.

• Eficiencia (Er0 a Er5)
• Estanqueidad (W0 a W5)
• Tasa de recuperación de pulso (S a P5)

Presentamos el nuevo 
Sistema de valoración de filtros, fácil de entender de Donaldson

Donaldson está ayudando a los operadores de turbinas a gas a seleccionar filtros que coincidan con sus necesidades únicas de eficiencia, estanqueidad y tasa de recuperación de pulso en el orden de prioridad que requieren. A base de décadas de experiencia al servicio de los operadores de turbinas a gas en todos los climas y condiciones, hemos desarrollado una escala de calificación de 0-5 puntos para cada atributo crítico; ahora calificamos cada uno de nuestros filtros según estas tres escalas. Este marco hará que las características del filtro de equilibrio sean precisas y simples para una amplia gama de operadores a escala global.

A continuación, profundizamos sobre cada pilar y por qué debe calificarse, clasificarse y equilibrarse adecuadamente con los demás para optimizar el rendimiento del sistema y el coste operativo:

Eficiencia: Balance de calificaciones frente a costes

Una mayor eficiencia de filtración produce un aire más limpio, lo que permite una combustión más eficiente, una potencia de salida sostenida y turbinas de mayor duración. La filtración de menor eficiencia introduce partículas que pueden dañar los componentes de la turbina, disminuir la eficiencia de la compresión y afectar negativamente el estado del compresor. La figura 1 ilustra el hecho de que un filtro Er2 de menor eficiencia acumule significativamente más suciedad, después de solo 1200 horas de funcionamiento que un filtro Er5 de alta eficiencia, después de 5000 horas.

El compresor de turbina a gas se lavar con agua para recuperar la producción de energía debido a la contaminación; sin embargo, puede ocurrir una disminución general en la eficiencia después de repetidos lavados. La figura 2 muestra la potencia de salida y compara la tendencia de una turbina a gas equipada con un sistema de clase Er3 / F que experimenta múltiples lavados con el del mismo sistema que usa un filtro de aire de partículas de alta eficiencia Er5 / (H)EPA que no requirió lavados.

Las líneas inclinadas hacia abajo del filtro de clase F representan disminuciones de salida típicas debido al ensuciamiento, seguidas de oscilaciones hacia arriba debido al lavado. Después de múltiples lavados, la salida de una turbina a gas, equipada con una eficiencia de filtro Er3 probablemente será menor que la de un filtro Er5 sin lavados.

Clasificación de la eficiencia y métodos de clasificación

La eficiencia del filtro indica cómo funciona un filtro al comparar la concentración de partículas corriente arriba y corriente abajo del filtro. Esta eficiencia de eliminación generalmente se expresa como un porcentaje de captura. Sin embargo, las clasificaciones de eficiencia de filtración han variado.

En Estados Unidos, los filtros se han clasificado históricamente con una calificación de Valor mínimo de informe de eficiencia (MERV), desarrollada por la sociedad estadounidense de ingenieros de calefacción, refrigeración y aire acondicionado ASHRAE. Las clasificaciones de MERV varían de 1 a 16, con una puntuación más alta que indica un mejor rendimiento. En Europa, se han utilizado dos estándares: Normativa europea (EN) 779 y EN 1822. Las normas EN 779 incluyen clasificaciones de G1-G4, M5-M6 y F7-F9, que generalmente abarcan el mismo margen de eficiencias que las clasificaciones MERV 1-15.

Los términos "aire de partículas de eficiencia" (EPA) y "aire de partículas de alta eficiencia" (H) EPA son las medidas más conocidas con respecto a los niveles superiores de eficiencia de filtración. De acuerdo con las normas EN 1822, (H) EPA se ha definido como una eliminación mínima del 99,5 por ciento del tamaño de partícula más penetrante (MPPS). Los filtros EN 1822 tienen clasificaciones de E10-E12, que suelen corresponder a los niveles de filtración EPA y (H) EPA.

Más recientemente, se ha introducido en todo el mundo el nuevo estándar ISO 16890, para unificar los métodos de ensayo y clasificación de los filtros. La metodología se centra más en las clases de partículas (PM, por sus siglas en inglés). El protocolo de prueba ISO 16890 desafía los filtros con partículas en un amplio espectro de tamaños de diámetro para, posteriormente, medir la captura promedio en tres escalas específicas: PM1, PM2.5 y PM10. Debido a la naturaleza compleja de múltiples estándares de prueba, Donaldson ha diseñado una herramienta de eficiencia que combina estos estándares de prueba en una sola escala de eficiencia, fácil de entender, que varía de Er0 a Er5, como se muestra en la figura 3.

Los entornos petroquímicos también presentan desafíos, ya que los hidrocarburos pueden penetrar en la corriente de aire sin una impermeabilidad adecuada. Estos productos pueden dejar depósitos de goma en los álabes y afectar negativamente el rendimiento.

La estanqueidad debe ser simple para que un operador la evalúe. Pídale a su proveedor de filtros que le proporcione un informe de prueba de laboratorio independiente que verifique que una opción de filtro particular es hermética y, de no ser así, cómo funcionará en condiciones de humedad.

Donaldson ha desarrollado una nueva metodología para probar filtros en un entorno controlado para determinar cuánta agua puede pasar a través de un filtro, en caso de poder pasar. La prueba dirige una pulverización de 60 litros de agua por hora en el filtro durante un período de ocho horas. Se registran la caída de presión del filtro y el volumen de agua que pasa a través del filtro.

Índice de recuperación: Filtros de limpieza de pulso de manera efectiva

Los diseños de entrada incluyen sistemas estáticos y de limpieza automática (pulsos). La tasa de recuperación del pulso mide con qué frecuencia se pueden limpiar los filtros y cuánta caída de presión se puede recuperar cada vez.

En los alojamientos de filtro diseñados por pulsos, los filtros se pueden limpiar introduciendo "pulsos" de aire comprimido desde el lado de aire limpio del filtro. Esto desalojará las partículas de suciedad y los desechos del lado corriente arriba de los medios de un filtro sucio. Esta práctica puede ayudar a reducir el coste de operación al minimizar la caída de presión, alargar la vida útil de los filtros y prevenir el apagado no programado debido a la contaminación de los filtros. En un sistema de limpieza por pulsos, esto se puede hacer durante el funcionamiento de la turbina.

La tasa de recuperación es la tasa a la que el filtro vuelve a una condición "como nueva" y estabiliza la caída de presión para permitir la operación continua. Cuanto mayor sea la tasa de recuperación del pulso, más "limpiable" es un filtro. Las tasas de recuperación en sistemas pulsados dependen en gran medida del entorno y el tipo de medio en el filtro: carga de superficie o carga de profundidad. Los filtros de carga de profundidad tienen capas que atrapan partículas progresivamente más pequeñas a través del grosor medio. Si bien retienen una amplia gama de tamaños de partículas, no se pueden limpiar con pulso. Los filtros de carga de superficie, por otro lado, atrapan todas las partículas en la capa superior de medios y forman una ligera "tarta de polvo" que se elimina fácilmente mediante la limpieza por pulso, con lo que se alarga la vida útil del filtro.

Al igual que con la eficiencia y la estanqueidad, la recuperación del pulso se puede clasificar utilizando datos de pruebas de laboratorio. Donaldson ha desarrollado un proceso para medir la recuperación del pulso. La exposición de los filtros a una larga duración de tormentas de arena simuladas, la caída de presión del filtro y la eficiencia se miden para llegar a las clasificaciones de recuperación de pulso, como se muestra en la figura 8. En la escala de Donaldson, se consideraría que un filtro S no puede limpiarse con pulso sin daños, mientras que el resto de las clasificaciones P indican el nivel de recuperación del pulso. Hay una variedad de factores de rendimiento con filtros estáticos (S), y Donaldson actualmente está desarrollando un sistema de clasificación independiente para estas aplicaciones.

Si la carcasa del filtro no tiene un sistema de impulsos, las soluciones de filtración estática son las más apropiadas. Una solución estática típica utiliza medios de filtro de carga profunda y se enfoca en maximizar la vida útil del filtro al equilibrar la caída de presión y la capacidad de retención de polvo.

Sin embargo, las ventajas de un sistema de filtro pulsable pueden ilustrarse con un ejemplo simplificado. Si un filtro capturara 10 gramos de partículas por día, en 100 días se capturaría un total de 1000 gramos. La acumulación de partículas también daría lugar a un aumento de la caída de presión en el sistema. Si se considerara que la caída de presión se acerca a los límites permitidos, el filtro deberá reemplazarse o limpiarse. Un filtro de carga de superficie podría limpiarse durante la operación, mientras que un filtro de carga de profundidad necesitaría ser reemplazado.

Los sistemas pulsables a menudo son más valiosos en áreas con polvo significativo, nieve y posible acumulación de hielo. En estas condiciones, los beneficios de longevidad del sistema de filtración pueden superar con creces el coste adicional de un sistema de limpieza por pulsos. En áreas menos propensas al polvo, la nieve y el hielo, los sistemas pulsables pueden no ser tan rentables.

El funcionamiento de los sistemas de limpieza por pulsos también necesita una consideración adecuada. Los sistemas son generalmente operados por uno de estos tres métodos: 1) manual; 2) automatizado basado en la caída de presión; o 3) automatizado basado en intervalos de tiempo. Independientemente de si se utilizan métodos manuales o automatizados, la limpieza debe realizarse antes de que el ensuciamiento alcance un estado problemático. Por ejemplo, si una limpieza no se activa por un intervalo de tiempo apropiado, la incrustación puede llegar al punto de causar problemas operativos significativos. Como con cualquier función de operación y mantenimiento, la negligencia aumenta el riesgo de fallo.

En algunos casos, el sistema de pulso solo será necesario para evitar incrustaciones. En períodos de hielo, nieve, heladas extremas y tormentas de arena, el sistema de impulsos puede mantener la turbina en funcionamiento utilizando el sistema de impulsos como medida preventiva.

Resumen: Evalúe sus necesidades

Las condiciones ambientales impulsan en gran medida las decisiones sobre el diseño del sistema de entrada y los filtros. Los tres pilares —eficiencia, estanqueidad y tasa de recuperación del pulso— generalmente no son independientes, sino que requieren un enfoque integrado. Identificar el equilibrio ideal y la combinación para su turbina a gas debería tener en cuenta los posibles costes de tiempo de inactividad y el retorno de la inversión (ROI) a largo plazo.

Al evaluar el ROI, numerosos factores pueden afectar los costes de filtración. Es necesario evaluar el escenario de cada operador, ya que el ROI no es igual para todos. Por ejemplo, al evaluar la eficiencia de filtración, una calificación de eficiencia más alta no siempre puede justificarse. Solo si el aumento de la producción compensa el coste de una caída de presión ligeramente mayor se puede lograr un ROI financiero. A veces, una menor eficiencia puede ser más rentable a largo plazo. Del mismo modo, la estanqueidad puede ser mayor que la eficiencia en las zonas costeras, pero no en lugares áridos, donde es poco probable la exposición al aire corrosivo del océano.

Cada situación es diferente y es necesaria una revisión exhaustiva de las necesidades del operador para identificar el diseño óptimo del filtro. Se deben considerarse impactos económicos, no solo factores técnicos, para cada planta. La conclusión es evaluar qué factores son más importantes para satisfacer las necesidades del operador.

Conversión a un filtro de entrada de aire apropiado: Dos ejemplos de casos

El perfil Er | W | P permite la comparación de manzanas con manzanas y una mejor coincidencia La escala de clasificación del filtro de aire de entrada de Donaldson ayuda a las plantas a convertirse en la solución de filtración adecuada para sus condiciones operativas y ambientales únicas. Si el entorno de una planta o las condiciones de operación cambian, Donaldson puede ayudar a la planta a elegir la filtración adecuada en función de la eficiencia (Er), la estanqueidad (W) y la recuperación del pulso (P), los tres atributos que difieren más de un filtro a otro y, en combinación, también impulsan los costes operativos.

Usando un perfil de línea base del filtro actual, el propietario puede seleccionar filtros de reemplazo con calificaciones más fuertes en las propiedades que más importan en las nuevas condiciones. Un perfil Er | W | P proporciona una comparación de manzanas con manzanas y permite una mejor coincidencia. Donaldson utiliza pruebas estandarizadas para determinar el Er | W | P en una escala de 0 a 5 puntos tanto para el filtro actual como para la solución propuesta.

Aquí hay dos ejemplos de casos hipotéticos de una conversión de filtro beneficiosa usando las clasificaciones Er | W | P:

Problema medioambiental
Una planta en una región agrícola está haciendo frente a una temporada de cosecha polvorienta mediante el uso de una envoltura de prefiltro en un filtro de carga profunda. El prefiltro y el filtro comienzan a cargarse rápidamente y requieren un reemplazo frecuente. El propietario descubre que una cantera de rocas ha reabierto hacia el oeste, lo que agrava un problema de polvo. Donaldson elimina y prueba el filtro actual de la planta, descubriendo que tiene una eficiencia de captura media-alta (Er3); estanqueidad moderada (W2); y pulsabilidad débil. (P1) El problema se hace evidente: La tasa de recuperación de pulso limitada (P1) del filtro existente no puede seguir el ritmo de la alta carga de polvo. Usando esta información comparativa, Donaldson recomienda un reemplazo de Er3 | W1 | P5. No se requiere estanqueidad en el filtro, pero debe proporcionar la tasa de recuperación de pulso (P5) más alta posible para eliminar la carga de polvo pesado. Con este cambio, la planta funciona continuamente a través de eventos de alto polvo y proyecta un breve retorno de la inversión.

Cambio operacional
Una planta de picos que opera 1500 horas al año bajo demanda necesita convertirse a un sistema de carga base que pueda ejecutar 8000 horas. Dado que el tiempo de inactividad se convierte en una nueva preocupación, el lavado con agua ya no es una opción para optimizar la eficiencia del compresor. La salud del compresor y la potencia de salida estable se convierten en las principales preocupaciones de gestión de la planta, y la respuesta es un tipo diferente de filtro de entrada de aire. En una consulta, Donaldson retira y prueba el filtro sintético original y descubre que proporciona una eficiencia media-alta (Er3), mínima estanqueidad (W1) y máxima pulsabilidad (P5). Donaldson recomienda cambiar a un filtro con clasificación Er5 | W5 | P1, que proporciona una mayor eficiencia y estanqueidad, con menos énfasis en la pulsabilidad. Esta recomendación permite a la planta minimizar el tiempo de inactividad y maximizar la potencia de salida.

Referencias

1. "Cómo seleccionar los filtros de aire de entrada óptimos para su motor" Combined Cycle Journal, 26 de septiembre de 2017
2. "Revisión tecnológica de los sistemas modernos de filtración de entrada de turbinas a gas" Revista Internacional de Maquinaria Rotativa, Volumen 2012 (2012)
3. Programa Nacional de Deposición Atmosférica / Red Nacional de Tendencias