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

Por Michael Roesner, Jason Tiffany y Prashant Shrikhande, Ph.D., Donaldson Company

Las turbinas a gas están diseñadas para mezclar aire seco y limpio con combustible a fin de generar energía. Como la calidad del aire de admisión es importante, el diseño de la entrada y la filtración de aire son primordiales para el rendimiento de la turbina. Según la información sobre contaminación del aire de la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos, un promedio de aproximadamente 590 kilos de material particulado puede ingresar a la carcasa de una turbina a gas y al filtro de aire de entrada en un año de funcionamiento¹. La suciedad y los contaminantes del aire pueden causar una reducción de la salida de potencia, aumentar los costos de combustible y, tal vez, dañar componentes fundamentales.

Las necesidades de filtración se ven influidas en gran medida por la calidad del aire local, pero casi todos los operadores deben evaluar tres factores de rendimiento: eficiencia, estanqueidad y, en aplicaciones de limpieza por pulsos, velocidad de recuperación de pulsos. Estos se pueden percibir como los “pilares” de filtración claves que apoyan un funcionamiento óptimo del sistema de turbina a gas (GTS, por sus siglas en inglés). En la mayoría de los casos, todas estas propiedades son importantes, pero su clasificación puede variar dependiendo de los entornos locales y de las condiciones de funcionamiento. Los tres pilares se pueden resumir de la siguiente manera:

eficiencia: La proporción de particulado del aire de entrada que captura el filtro es la métrica de rendimiento reconocida de manera más amplia. Como los filtros de eficiencia más alta conllevan costos, los operadores deben determinar una calificación de eficiencia que ofrezca retorno de la inversión.

Estanqueidad: En ubicaciones húmedas o cercanas al mar, la resistencia a la humedad se convierte en una prioridad principal. Las sales y otros sólidos disueltos que transporta el agua pueden ser altamente corrosivos y, a menudo, más perjudiciales que los contaminantes del aire.

Velocidad de recuperación de pulsos: La rapidez con la que los filtros recuperan su máximo rendimiento después de la limpieza es el tercer factor clave. La recuperación alta de pulsos se convierte en la prioridad principal en entornos desérticos o árticos, donde existe una exposición continua al polvo, a la nieve y a la acumulación de hielo o, tal vez, episodios repentinos de carga pesada.

Es necesario llevar a cabo una evaluación cuidadosa según el caso para determinar la clasificación de estos factores para una situación local y un presupuesto operativo específico. La identificación de las prioridades le permitirá incorporar la combinación de diseño de entrada y filtro más adecuada para instalar en 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 considerando las tres características, y usa abreviaturas y puntuaciones de rendimiento.

  • Eficiencia (Er0 a Er5)
  • Estanqueidad (W0 a W5)
  • Velocidad de recuperación de pulsos (S a P5)
Presentamos el nuevo Sistema de calificación
de filtros fácil de usar Donaldson

Donaldson está ayudando a los operadores de turbinas a gas a seleccionar filtros que satisfagan sus necesidades únicas de eficiencia, estanqueidad y velocidad de recuperación de pulsos en el orden de prioridad que requieran. Con base en nuestras décadas de experiencia prestando servicio a operadores de turbinas a gas en todo tipo de clima y condiciones, desarrollamos una escala de calificación de 0-5 puntos para cada atributo fundamental y ahora, calificamos cada uno de nuestros filtros en las tres escalas. Este marco permitirá equilibrar las características de los filtros con precisión y simplicidad para una amplia gama de operadores en todo el mundo.

Aquí presentamos un análisis de cada pilar y de por qué este se debe clasificar, calificar y equilibrar en forma adecuada con los otros para optimizar el rendimiento del sistema y el costo operativo:

eficiencia: Equilibrio de calificaciones con el costo

Una eficiencia de filtración más alta genera aire más limpio, lo que respalda una combustión más eficiente, una salida de potencia sostenida y una mayor durabilidad de las turbinas. Una filtración de eficiencia más baja permite el ingreso de partículas que pueden ensuciar los componentes de la turbina, reducir la eficiencia de compresión y perjudicar el funcionamiento del compresor. La Figura 1 ilustra cómo un filtro Er2 de eficiencia más baja permite un nivel considerablemente mayor de suciedad después de solo 1.200 horas de funcionamiento que un filtro Er5 de alta eficiencia después de 5.000 horas.

Figura 1: Er2 después de 1.200 horas versus Er5 después de 5.000 horas

Figura 1: Álabes guía de entrada (a la izquierda) después de 1.200 horas de filtración de eficiencia más baja (Er2), en comparación con los mismos álabes guía de entrada (a la derecha) después de 5.000 horas con filtración de alta eficiencia (Er5)

El lavado con agua del compresor de la turbina a gas se puede utilizar para recuperar la salida de potencia debido al ensuciamiento; sin embargo, se puede producir una reducción general de la eficiencia después de lavados reiterados. La Figura 2 ilustra la salida de potencia y compara la tendencia de una turbina a gas equipada con un sistema Er3/clase F que se somete a varios lavados con la del mismo sistema que usa un filtro de aire particulado de alta eficiencia Er5/(H)EPA que no requirió lavados.

Las líneas descendentes/en pendiente del filtro clase F representan las disminuciones de salida típicas debido al ensuciamiento, seguidas por tendencias al alza debido al lavado. Después de múltiples lavados, es probable que la salida de una turbina a gas equipada con un filtro Er3 de baja eficiencia sea inferior a la de un filtro Er5 sin lavados.

Figura 2: Patrón típico de recuperación de eficiencia del compresor después de lavados con agua (datos de ejemplo). Es necesario realizar varios lavados al compresor a través del tiempo para recuperar la eficiencia y la pérdida en la salida de potencia. Un filtro Er5 / (H)EPA mantiene la eficiencia del compresor y la salida sin necesidad de lavados con agua

Un filtro Er5 puede reducir la necesidad de lavados del compresor y mantener una eficiencia más alta de la turbina. Esto también puede ayudar a reducir los “costos indirectos” asociados al mantenimiento y a la parada de los equipos.

Considerando que la disponibilidad de la turbina a menudo es un factor clave para evaluar el resultado financiero final, los operadores desean reducir los costos por paradas cuando sea posible.

Otros factores que afectan la eficiencia del filtro incluyen el flujo de aire y la caída de presión. Las reducciones en la presión de entrada debido a obstrucciones o elementos de filtro muy pequeños pueden comprometer el rendimiento de la turbina. Si un filtro funciona a un flujo bajo que excede las especificaciones de diseño, la caída de presión resultante puede mermar el rendimiento del sistema.

Con frecuencia, la caída de presión aumenta a medida que se carga el filtro. No obstante, es necesario hacer concesiones para alcanzar un equilibrio. Como la caída de presión más alta de un filtro de mayor eficiencia igual puede dar lugar a ganancias de largo plazo, los propietarios y operadores de sistemas deben trabajar codo a codo con el proveedor de su filtro para determinar las calificaciones y características óptimas del filtro.

En la industria de filtración, se han utilizado diversos sistemas de calificación de eficiencia (consulte “Calificación de eficiencia y métodos de clasificación” en la barra lateral). En términos simples, Donaldson ahora combina los distintos enfoques en una escala eficiente, de Er0 a Er5, como se muestra en la Figura 3.

Figura 3: Los niveles más altos de eficiencia se reflejan en una mayor protección contra el material particulado. Este método de clasificación simple de Donaldson integra todas las normas de prueba más importantes

Calificación de eficiencia y métodos de clasificación

La eficiencia de un filtro indica qué tan bueno es el rendimiento de un filtro al comparar la concentración de partículas aguas arriba y aguas abajo del filtro. Esta eficiencia de eliminación por lo general se expresa como un porcentaje de captura. Sin embargo, las clasificaciones de eficiencia de filtración han variado.

Históricamente, en Estados Unidos, los filtros se han clasificado con una calificación de Valor de eficiencia mínima a informar (MERV, por sus siglas en inglés), que fue desarrollada por la Sociedad Americana de Ingenieros en Calentamiento, Refrigeración, y Aire Acondicionado (ASHRAE, por sus siglas en inglés). Las calificaciones MERV contemplan de 1 a 16, donde la puntuación más alta indica un mejor rendimiento. En Europa, se han utilizado dos estándares: Normativa europea (EN) 779 y EN 1822. Los estándares EN 779 incluyen calificaciones de G1-G4, M5-M6 y F7-F9, que, por lo general, contemplan el mismo rango de eficiencias que las calificaciones MERV de 1 a 15.

Los términos “aire en partículas de eficiencia” (EPA, por sus siglas en inglés) y “aire en partículas de alta eficiencia” (H)EPA, por sus siglas en inglés) son las mediciones más conocidas para niveles premium de eficiencia de filtración. De acuerdo con los estándares EN 1822, (H)EPA se ha definido como un mínimo de 99,5 por ciento de eliminación del tamaño de partícula más penetrante (MPPS, por sus siglas en inglés). Los filtros EN 1822 tienen calificaciones de E10-E12, lo que generalmente corresponde a los niveles de filtración EPA y (H)EPA.

En fecha reciente, se introdujo en todo el mundo un nuevo estándar, ISO 16890, con el fin de unificar la manera en que se prueban y califican los filtros. La metodología se concentra más en las clases de material particulado (MP). El protocolo de prueba ISO 16890 prueba los filtros con particulados de una amplia variedad de tamaños de diámetro y luego, mide el promedio de captura en tres rangos específicos: PM1, PM2.5 y PM10. Debido a la naturaleza compleja de los múltiples estándares de prueba, Donaldson diseñó una herramienta de eficiencia que combina estos estándares de prueba en una sola escala de eficiencia fácil de usar que contempla de Er0 a Er5, como se muestra en la Figura 3.

Figura 4: El agua y los sólidos disueltos pueden causar corrosión en los álabes de la turbina
Estanqueidad: Prevención de la corrosión

De manera muy similar a como el polvo escapa de un sistema de filtración menos eficiente, el agua también puede afectar el rendimiento de la turbina. La humedad que ingresa a la corriente de aire puede introducir sales disueltas y otros sólidos.

Compuestos como óxidos de hierro, cloruros y otros contaminantes, pueden causar corrosión en el transcurso del tiempo, como se muestra en la Figura 4. En tal caso, tal vez sea necesario lijar, reparar y rebalancear los álabes de la turbina, medidas que los operadores prefieren evitar.

Figura 5: Las concentraciones de cloruro generalmente son más altas en las zonas costeras

 

La estanqueidad es especialmente importante en zonas costeras, donde la humedad del agua salada del mar somete a los equipos a una corrosión acelerada. Por lo tanto, proteger del agua salada constituye un factor clave que afecta la durabilidad de las turbinas a gas². Los fabricantes de turbinas a gas normalmente recomiendan que menos de 0.01 ppm de agua salada ingrese a la turbina a gas. En entornos costeros, la sal en el aire puede estar perfectamente en un rango de 0.05 a 0.5 ppm en un día típico.

De acuerdo con los datos recopilados por el National Atmospheric Deposition Program³ (Programa nacional de deposición atmosférica), las concentraciones de cloruro en zonas costeras a veces son 10 veces mayores que las concentraciones en zonas interiores, como se muestra en la Figura 5.

Los entornos petroquímicos también plantean desafíos, como la posibilidad de que hidrocarburos ingresen a la corriente de aire si no existe una estanqueidad adecuada. Estos productos pueden colocar depósitos gomosos en los álabes y perjudicar el rendimiento.

Para un operador, debe resultar sencillo evaluar la estanqueidad. Solicite al proveedor de su filtro que le proporcione un informe de pruebas de laboratorio independientes que verifique que una opción de filtro específica es hermética; en caso contrario, averigüe si funcionará en condiciones de humedad.

Donaldson desarrolló una nueva metodología para probar los filtros en un entorno controlado a fin de determinar la cantidad de agua puede pasar a través del filtro (si es que puede pasar). La prueba dirige una aspersión de agua de 60 litros por hora al filtro durante un período de ocho horas. Luego, se registra la caída de presión del filtro y el volumen de agua que pasa a través de él.

Figura 6: Los niveles más altos de estanqueidad implican la capacidad de evitar el ingreso y proporcionar una caída de presión estable durante el contacto con agua.
Figura 7: Las pruebas de los filtros indican cómo se reduce el aumento de la caída de presión mediante filtros de mayor calificación

Con base en esta información, Donaldson está calificando sus filtros de turbina a gas en una escala de W0 a W5, donde los valores más altos indican una mayor estanqueidad. Un filtro calificado con W0 no podría resistir ningún nivel de humedad, en tanto que un filtro W5 podría superar la prueba impidiendo el ingreso de agua en un 99,5 por ciento y una caída de presión de no más de 2 pulgadas de aumento en el indicador de agua (WG, water-gauge). En la Figura 6, puede ver una representación gráfica de estas calificaciones.

Donaldson ha probado y calificado sus filtros de aire para turbinas a gas de uso más frecuente en esta escala de estanqueidad. La Figura 7 muestra cómo los filtros de mayor calificación reducen el aumento de la caída de presión en el transcurso del tiempo.

Velocidad de recuperación: Limpieza por pulsos eficaz de los filtros

Los diseños de entrada incluyen sistemas estáticos y autolimpiantes (por pulsos). La velocidad de recuperación de pulsos mide la frecuencia con que se pueden limpiar los filtros y cuánta caída de presión se puede recuperar cada vez.

En carcasas de filtro diseñadas con pulsos, los filtros se pueden limpiar con la introducción de “pulsos” de aire comprimido que se extrae del aire limpio fuera del filtro. Esto desprenderá las partículas de suciedad y la mugre del lado aguas arriba del medio de un filtro sucio. Esta práctica puede ayudar a reducir el costo de funcionamiento gracias a que minimiza la caída de presión y, de esta forma, prolonga la vida útil de los filtros y evita paradas no programadas debido al ensuciamiento de los filtros. En un sistema limpiable por pulsos, esta operación se puede ejecutar durante el funcionamiento de la turbina.

La velocidad de recuperación es la velocidad a la que el filtro recupera su condición “como nuevo” y estabiliza la caída de presión para permitir el funcionamiento continuo. Mientras más alta es la velocidad de recuperación de pulsos, más “limpiable” es un filtro. Las velocidades de recuperación en sistemas con pulsos dependen en gran medida del entorno y del tipo de medio en el filtro: de carga superior y de carga inferior. Los filtros de carga inferior tienen capas que atrapan partículas cada vez más pequeñas en el grosor del medio. Aunque retienen una amplia variedad de tamaños de partícula, no se pueden limpiar por pulsos. Por otra parte, los filtros de carga superior atrapan todas las partículas en la capa intermedia superior y forman una pequeña “torta de polvo” que se puede eliminar fácilmente mediante limpieza por pulsos, lo que prolonga la vida útil del filtro.

Al igual que en el caso de la eficiencia y la estanqueidad, la recuperación de pulsos se puede calificar usando datos de pruebas de laboratorio. Donaldson desarrolló un proceso para medir la recuperación de pulsos. Los filtros se exponen a condiciones simuladas de tormenta de arena por bastante tiempo y luego, se mide la caída de presión y la eficiencia del filtro para determinar las calificaciones de recuperación de pulsos, como se muestra en la Figura 8. En la escala de Donaldson, un filtro S no se podría limpiar por pulsos sin causar daño, en tanto que el resto de las calificaciones P indican el nivel de recuperación de pulsos. Existe una gran variedad de factores de rendimiento con filtros estáticos (S) y, actualmente, Donaldson está desarrollando un sistema de calificación independiente para estas aplicaciones.

Figura 8: Los niveles más altos de recuperación de pulsos indican un rendimiento de caída de presión estable en condiciones difíciles de mucho polvo.

Si la carcasa de su filtro no tiene un sistema de pulsos, las soluciones de filtración estática son más convenientes para usted. Una solución estática típica utiliza un medio de filtro de carga inferior y se concentra en maximizar la vida útil del filtro mediante el equilibrio de la caída de presión y la capacidad de retención de polvo.

Sin embargo, las ventajas de un sistema de filtro pulsable se pueden ilustrar con un ejemplo simplificado. Si 10 gramos de partículas al día fueran capturados por un filtro, en 100 días, se capturarían 1.000 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 está alcanzando los límites permitidos, el filtro se debería reemplazar o limpiar. Un filtro de carga superior se limpiaría durante el funcionamiento, en tanto que uno de carga inferior se debería reemplazar.

Con frecuencia, los sistemas pulsables son más apropiados en áreas con una acumulación importante de polvo, nieve y, tal vez, hielo. En estas condiciones, los beneficios en términos de longevidad del sistema de filtración compensan con creces el costo adicional de un sistema de limpieza por pulsos. En áreas donde se acumula menos polvo, nieve y hielo, los sistemas pulsables tal vez no resulten tan rentables.

Figura 9: En general, los filtros con velocidades de recuperación de pulsos más altas mantienen caídas de presión inferiores por más tiempo

La operación de un sistema limpiado por pulsos plantea ventajas considerables. De manera muy similar a una escobilla limpiaparabrisas automotriz, la limpieza por pulsos puede ser principalmente una contingencia en el caso de eventos climáticos adversos. No obstante, cuando surge la necesidad y una interrupción del suministro eléctrico tendría efectos negativos, el valor de la limpieza por pulsos queda en evidencia. Un sistema completamente funcional (que incluye elementos compatibles con la limpieza por pulsos) puede ofrecer a los operadores un sistema que puede seguir funcionando mientras se efectúa la limpieza por pulsos. Si heredó un sistema existente con limpieza por pulsos, en la mayoría de los casos, las ventajas de mantenerlo y equiparlo con un filtro compatible con pulsos compensan los costos de una parada no planificada.

La relación entre velocidad de recuperación y caída de presión se puede observar en la Figura 9. Este gráfico ilustra por cuánto tiempo los sistemas de filtración con diversas velocidades de recuperación de pulsos mantuvieron una caída de presión aceptable del filtro en el transcurso del tiempo en un entorno simulado de mucho polvo. En general, los filtros con velocidades de recuperación más altas mantuvieron caídas de presión más bajas por más tiempo.

También es necesario considerar cuidadosamente la operación de sistemas de limpieza por pulsos. Normalmente, los sistemas son operados por uno de tres métodos: 1) manual; 2) automatizado según la caída de presión; o 3) automatizado según intervalos de tiempo. Independientemente de si se usa el método manual o el automatizado, la limpieza debe ocurrir antes de que el ensuciamiento se convierta en un problema. Por ejemplo, si un intervalo de tiempo adecuado no activa la limpieza, el nivel de ensuciamiento puede llegar a causar problemas operativos graves. Al igual que con cualquier función de operación y mantenimiento, el descuido incrementa el riesgo de falla.

En algunos casos, solo se necesita el sistema de pulsos para evitar el ensuciamiento. En períodos de hielo, nieve o acumulación de escarcha, así como en tormentas de arena, el sistema de pulsos en realidad puede mantener el funcionamiento de la turbina, ya que funciona como una medida de prevención.

Resumen: Evalúe sus necesidades

Las condiciones ambientales influyen considerablemente en las decisiones sobre el diseño de un sistema de entrada y la selección de filtros. Los tres pilares (eficiencia, estanqueidad y velocidad de recuperación de pulsos) por lo general no son independientes, sino que requieren un enfoque integrado. La identificación del equilibrio y la combinación ideales para su turbina a gas debe considerar los posibles costos por paradas y el retorno de inversión (ROI) a largo plazo.

En la evaluación del ROI, son varios los factores que afectan los costos de filtración. Es necesario evaluar la situación de cada operador, puesto que el ROI no es igual para todos. Por ejemplo, en la evaluación de la eficiencia de filtración, no siempre se justifica una calificación de eficiencia más alta. Solo si el rendimiento aumentado compensa el costo de una caída de presión levemente mayor, es posible obtener un ROI financiero. En ocasiones, la eficiencia más baja puede resultar en realidad más rentable en el largo plazo. Asimismo, la estanqueidad puede superar en importancia a la eficiencia en zonas costeras, pero no en zonas áridas, donde es improbable que haya exposición a sustancias corrosivas del mar.

Cada situación es diferente, por lo que es necesario analizar en forma rigurosa las necesidades del operador a fin de identificar el diseño óptimo de filtro. Para cada planta, se deben considerar los efectos económicos, no solo los factores técnicos. El objetivo es evaluar qué factores son más importantes para satisfacer las necesidades del operador.

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

El perfil Er|W|P permite una comparación equivalente y refleja mejor selección. La escala de calificación de filtros de aire de entrada de Donaldson ayuda a las plantas a convertir a la solución de filtración correcta para sus condiciones operativas y ambientales exclusivas. Si el entorno o las condiciones operativas de una planta cambian, Donaldson puede ayudar a la planta a elegir la filtración adecuada según la eficiencia (Er), la estanqueidad (W) y la recuperación de pulsos (P), los tres atributos que más difieren entre filtros y, en combinación, también inciden en los costos operativos.

Usando un perfil de referencia del filtro actual, el propietario puede seleccionar filtros de repuesto con calificaciones más altas en las propiedades que más le importan en las nuevas condiciones. Un perfil Er|W|P ofrece una comparación equivalente y permite la mejor selección. Donaldson utiliza pruebas estandarizadas para determinar el Er|W|P en una escala de 0-5 puntos para el filtro actual y para la solución propuesta.

Aquí ofrecemos dos casos hipotéticos de ejemplo de la conversión a un filtro beneficioso usando las calificaciones Er|W|P:

Problema ambiental
Una planta en una región agrícola está enfrentando la estación polvorienta de la cosecha mediante el uso de una envoltura de prefiltro en un filtro de carga inferior. El prefiltro y el filtro comienzan a cargarse con rapidez y requieren reemplazo frecuente. El propietario descubre que se reabrió una cantera en el Oeste, lo que agrava el problema del polvo. Donaldson retira y prueba el filtro actual de la planta y descubre que tiene una eficiencia de captura media a alta (Er3), estanqueidad moderada (W2) y pulsabilidad débil. (P1). El problema es evidente: La velocidad de recuperación de pulsos limitada del filtro actual (P1) no puede contra el nivel alto de carga de polvo. Con base en esta información comparativa, Donaldson recomienda un filtro Er3|W1|P5 de repuesto. Este no necesita proporcionar estanqueidad, pero debe proporcionar la velocidad de recuperación de pulsos más alta posible (P5) para deshacerse de la carga pesada de polvo. Con este cambio, la planta funciona de manera continua incluso cuando hay mucho polvo y proyecta un retorno de la inversión en el corto plazo.

Cambio operativo
Una planta de punta que opera 1.500 horas al año según demanda necesita convertir a un sistema de carga base que pueda funcionar 8.000 horas. Como las paradas se convierten en una nueva preocupación, el lavado con agua ya no es una alternativa para optimizar la eficiencia del compresor. El estado del compresor y una salida de potencia estable se convierten en las principales preocupaciones de gestión de la planta y la respuesta está en un filtro de aire de entrada distinto. Durante su asesoría, Donaldson retira y prueba el filtro sintético original, y descubre que este ofrece una eficiencia media a alta (Er3), una estanqueidad mínima (W1) y una pulsabilidad máxima (P5). Donaldson recomienda cambiar por un filtro con calificación Er5|W5|P1, que ofrece una mayor eficiencia y estanqueidad, con menor énfasis en la pulsabilidad. Esta recomendación permite a la planta minimizar las paradas y maximizar la salida de potencia.

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Mike Roesner es el Gerente de ventas del grupo Gas Turbine Systems en Donaldson Company, Inc. Jason Tiffany es el Director del Equipo de desarrollo de productos del grupo Gas Turbine Systems en Donaldson Company, Inc. 
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