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Les trois piliers de la filtration par turbine à gaz : Classer les performances par ordre de priorité

Par Michael Roesner, Jason Tiffany, et Prashant Shrikhande, Ph. D., Donaldson Company

Les turbines à gaz sont conçues pour mélanger de l’air sec et propre avec du carburant pour produire de l’énergie. Puisque la qualité de l’admission d’air est importante, la conception de l’entrée d’air et de la filtration de l’air sont essentielles aux performances de la turbine. D’après des données sur la pollution de l’air fournies par l’agence américaine pour la protection de l’environnement, une moyenne d’environ 590 kg (1 300 lb) de particules peut entrer dans un corps de turbine à gaz et un filtre d’entrée d’air en un an de fonctionnement¹. La poussière aéroportée et les contaminants peuvent provoquer une baisse de puissance de sortie, augmenter les coûts du carburant et potentiellement endommager des composants essentiels.

Les besoins en filtration dépendent en grande partie de la qualité de l’air local, mais presque tous les opérateurs doivent évaluer les trois facteurs de performance : l’efficacité, l’étanchéité, et, dans les applications de nettoyage par impulsions, le taux de reprise des impulsions. Ces trois éléments peuvent être considérés comme les « piliers » de la filtration, qui participent au fonctionnement optimal du GTS (système de turbine à gaz). Dans la plupart des cas, toutes ces propriétés sont importantes, mais leur ordre d’importance peut varier en fonction de l’environnement et des conditions de fonctionnement. Les trois piliers peuvent être résumés de la façon suivante :

Efficacité : La proportion de particules d’air d’admission saisies par le filtre est la mesure de performance la plus reconnue. En raison des coûts associés aux filtres à efficacité plus élevée, les opérateurs doivent déterminer un taux d’efficacité qui permet un retour sur investissement.

Étanchéité : Dans les endroits humides ou exposés au front de mer, la résistance à l’humidité devient une haute priorité. Les sels et autres matières dissoutes entraînés par l’eau peuvent être hautement corrosifs et souvent plus nocifs que les contaminants aéroportés.

Taux de reprise des impulsions : Le troisième facteur est la facilité avec laquelle les filtres retrouvent une performance optimale après le nettoyage. Une reprise élevée des impulsions devient la priorité absolue dans les milieux désertiques ou arctiques, dans lesquels il existe une exposition continuelle à la poussière, à la neige, et à l’accumulation de glace, ou potentiellement à des épisodes soudains d’accumulation de poussières.

Une évaluation minutieuse au cas par cas est nécessaire pour déterminer l’ordre de ces facteurs dans un contexte local et un budget de fonctionnement donné. Définir les priorités vous permettra d’intégrer la conception d’entrée d’air et la combinaison de filtres adaptées à votre système de turbine à gaz.

Pour aider les propriétaires lors du processus d’évaluation, Donaldson teste et classifie désormais ses filtres d’entrée d’air de ses turbines à gaz selon les trois caractéristiques, en utilisant ces abréviations et notes de performance.

  • Efficacité (d’Er0 à Er5)
  • Étanchéité (de W0 à W5)
  • Taux de reprise des impulsions (de S à P5)
Présentation du nouveau système convivial d’évaluation 
des filtres de Donaldson

Donaldson aide les opérateurs de turbines à gaz à sélectionner des filtres qui répondent à leurs besoins particuliers en efficacité, en étanchéité, et en taux de reprise des impulsions dans l’ordre de priorité qu’il leur est nécessaire. Forts de dizaines d’années d’expérience au service des opérateurs de turbines à gaz dans tous les climats et conditions, nous avons développé une échelle d’évaluation à points de 0 à 5 pour chaque caractéristique essentielle, et nous notons désormais nos filtres sur chacune des trois échelles. Ce cadre rendra la comparaison des caractéristiques de filtres plus précise et plus simple pour de nombreux opérateurs partout dans le monde.

Voici une explication de chacun des piliers et la raison pour laquelle ils doivent être notés, classés, et équilibrés avec les autres pour optimiser les performances du système et les coûts de fonctionnement :

Efficacité : Équilibre entre les notes et le coût

Une efficacité de filtration supérieure améliore la propreté de l’air, ce qui entraîne une combustion plus efficace, une puissance de sortie soutenue, et une meilleure durée de vie des turbines. Une efficacité de filtration inférieure introduit des particules pouvant encrasser les composants de la turbine, faire baisser l’efficacité de la compression et nuire à l’état du compresseur. La figure 1 montre qu’un filtre à efficacité inférieure Er2 entraîne un encrassement beaucoup plus important après seulement 1 200 heures par rapport à un filtre à haute efficacité Er5 après 5 000 heures.

Figure 1 : Filtre Er2 à 1 200 heures par rapport au filtre Er5 à 5 000 heures

Figure 1 : Les palettes directrices d’entrée d’air (à gauche) après 1 200 heures de filtration à efficacité inférieure (Er2), comparées aux mêmes palettes directrices d’entrée d’air (à droite) après 5 000 heures avec une filtration à efficacité plus élevée (Er5)

Un lavage à l’eau avec un compresseur de turbine à gaz peut être utilisé pour regagner une puissance de sortie causée par un encrassement ; cependant, une réduction globale d’efficacité peut se produire après des lavages répétés. La figure 2 illustre une puissance de sortie et compare la tendance d’une turbine à gaz équipée d’un système de classe Er3/F subissant de multiples lavages à celle du même système utilisant un filtre de particules à air de haute efficacité Er5/(H)EPA n’ayant pas nécessité de lavages.

Les lignes à pente négative du filtre de classe F représentent les baisses de sortie typiques causées par l’encrassement, suivies des soudaines hausses provoquées par les lavages. Après plusieurs lavages, la sortie d’une turbine de gaz équipée d’un filtre à efficacité Er3 sera probablement moins élevée que celle d’un filtre Er5 n’ayant pas subi de lavage

Figure 2 : Schéma typique d’efficacité de reprise du compresseur après des lavages à l’eau (données d’exemples). De multiples lavages du compresseur sont nécessaires au fil du temps pour gagner en efficacité et récupérer les pertes de puissance de sortie. Un filtre Er5/(H)EPA maintient l’efficacité et la puissance du compresseur sans lavage à l’eau.

Un filtre Er5 peut réduire le besoin de lavages du compresseur et maintient une efficacité de turbine plus élevée. Cela aide aussi à réduire les « coûts légers » liés à la maintenance et au temps d’arrêt de l’équipement.

La disponibilité de la turbine étant souvent un facteur clé dans l’évaluation des résultats financiers, les opérateurs veulent réduire les coûts de temps d’arrêt autant que possible.

Les autres facteurs qui influent sur l’efficacité du filtre sont notamment le débit d’air et la perte de charge. La perte de pression d’entrée provoquée par des blocages ou des éléments filtrants sous-dimensionnés peut compromettre la sortie de la turbine. Si un filtre fonctionne à un débit qui dépasse les spécifications de conception, la perte de charge qui en résulte peut diminuer les performances du système.

Souvent, la perte de charge augmente à mesure que le filtre se remplit. Cependant, il faut envisager certains compromis et atteindre un équilibre. Étant donné que la perte de charge accrue d’un filtre à efficacité plus élevée peut toujours favoriser des améliorations à long terme, les propriétaires de système et les opérateurs doivent travailler en étroite collaboration avec leur fournisseur de filtres pour déterminer les classes et les caractéristiques optimales du filtre.

Plusieurs systèmes d’évaluation de l’efficacité ont été utilisés dans le secteur de la filtration (voir encadré « Évaluation de l’efficacité et méthode de classification »). Pour plus de simplicité, Donaldson combine désormais les différentes approches en une seule échelle d’efficacité, de Er0 à Er5, comme illustré à la figure 3.

Figure 3 : Des niveaux supérieurs d’efficacité indiquent une meilleure protection contre les particules. Cette méthode de classification simple de Donaldson intègre tous les standards d’essai majeurs

Niveau d’efficacité et méthodes de classification

L’efficacité du filtre indique son niveau de performance en comparant la concentration de particules en amont et en aval du filtre. Cette efficacité d’élimination est généralement exprimée en pourcentage de saisie. Cependant, les classifications d’efficacité de la filtration varient.

Aux États-Unis, les filtres ont été classés historiquement par la classification Minimum Efficiency Reporting Value (MERV), mise au point par l’American Society of Heating, Refrigeration and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE). La classification MERV varie de 1 à 16, une note plus élevée indiquant une meilleure performance. En Europe, deux normes sont en usage : Les Normes européennes (EN) 779 et EN 1822. Les normes EN 779 comprennent des classifications de G1 à G4, de M5 à M6, et de F7 à F9, ce qui englobe généralement les classifications MERV de 1 à 15.

Les termes « efficient particulate air » (EPA) et « high-efficiency particulate air » (H)EPA sont les mesures les plus connues de niveaux de filtration à haute efficacité. Selon les normes EN 1822, (H)EPA a été défini comme un minimum de 99,5 % de suppression des tailles de particules les plus pénétrantes (MPPS). Les filtres EN 1822 sont classés de E10 à E12, ce qui correspond généralement au niveau de filtration EPA et (H)EPA.

Plus récemment, un nouveau standard ISO 16890 a été introduit au niveau mondial pour uniformiser les essais et classifications des filtres. La méthodologie s’attache à certaines classes de matières particulaires (PM). Le protocole d’essai ISO 16890 teste les filtres avec des particules de différentes tailles, puis mesure la moyenne de saisie dans trois plages spécifiques : PM1, PM2,5 et PM10. De par la nature complexe des multiples normes d’essai, Donaldson a conçu un outil d’efficacité qui combine tous ces standards d’essai en une seule échelle d’efficacité facile d’utilisation, variant de Er0 à Er5, comme illustré à la figure 3.

Figure 4 : L’eau et les solides dissouts peuvent entraîner la corrosion des pales de la turbine.
Étanchéité : Prévenir la corrosion

Tout comme la poussière qui s’échappe d’un système de filtration moins efficace, l’eau peut également influer sur la performance de la turbine. L’humidité qui pénètre dans le flux d’air peut introduire des sels dissous et d’autres matières.

Les composés tels que les oxydes de fer, les chlorures, et d’autres contaminants peuvent provoquer de la corrosion au fil du temps, tel qu’illustré à la figure 4. Les pales de la turbine doivent alors être sablées, réparées, et rééquilibrées, ce que les opérateurs veulent éviter.

Figure 5 : Les concentrations en chlorure sont généralement plus élevées dans les zones côtières.

 

L’étanchéité est particulièrement importante dans les zones côtières, avec une humidité chargée de sel qui soumet l’équipement à une corrosion accélérée. Par conséquent, la protection contre l’eau salée représente un facteur clé influant sur la durée de vie des turbines à gaz². Les fabricants de turbines à gaz recommandent généralement que moins de 0,01 ppm de sel entre dans la turbine à gaz. Dans les milieux côtiers, le sel aéroporté peut facilement varier entre 0,05 et 0,5 ppm dans une journée type.

D’après des données compilées par le National Atmospheric Deposition Program³, les concentrations de chlorure dans l’atmosphère le long des zones côtières sont parfois 10 fois supérieures à celles de l’intérieur des terres, comme l’illustre la figure 5.

Les milieux pétrochimiques présentent aussi des problèmes, puisque sans une étanchéité adéquate, les hydrocarbures peuvent pénétrer dans le flux d’air. Ces produits peuvent déposer des dépôts collants sur les pales et nuire aux performances.

L’étanchéité est facile à évaluer par un opérateur. Demandez à votre fournisseur de filtres de vous fournir un rapport de test d’un laboratoire indépendant vérifiant si une option de filtre spécifique est étanche, et dans le cas contraire, comment elle fonctionnera dans des conditions humides.

Donaldson a développé une nouvelle méthode de test des filtres dans un environnement contrôlé pour déterminer quelle quantité d’eau, le cas échéant, peut passer à travers un filtre. Le test dirige un jet d’eau de 60 litres par heure vers le filtre sur une période de huit heures. La perte de charge du filtre et le volume d’eau passant au travers sont enregistrés.

Figure 6 : Des niveaux d’étanchéité supérieurs indiquent une capacité de prévention des infiltrations et permettent une perte de charge stable dans l’eau
Figure 7 : Les tests de filtres indiquent comment l’augmentation de perte de charge est réduite avec les filtres ayant des notes supérieures.

Sur la base de cette information, Donaldson évalue ses filtres de turbine à gaz sur une échelle de W0 à W5, les valeurs les plus élevées indiquant une plus grande étanchéité. Un filtre évalué à W0 ne serait pas capable de supporter de l’humidité, tandis qu’un filtre à W5 pourrait réussir le test avec au moins 99,5 % d’arrêt de l’eau et pas plus de 2 pouces de colonne d’eau d’augmentation de perte de charge. Un affichage graphique de ces options est illustré à la figure 6.

Donaldson a testé et évalué ses filtres à air de turbine à gaz les plus utilisés sur cette échelle d’étanchéité. La figure 7 montre comment les filtres ayant des notes supérieures réduisent l’augmentation de la perte de charge au fil du temps.

Taux de reprise : Le nettoyage par impulsions filtre de manière efficace

Les conceptions d’entrée d’air incluent des systèmes d’autonettoyage statiques et autonettoyants (à impulsions). Le taux de reprise des impulsions mesure à quelle fréquence les filtres peuvent être nettoyés et quelle quantité de perte de charge peut être récupérée à chaque fois.

Dans les corps de filtre à impulsions, les filtres peuvent être nettoyés en introduisant des « impulsions » à air comprimé depuis le côté de l’air propre du filtre. Cela délogera les particules de poussière et les débris du côté de l’amont d’un média de filtre sale. Cette pratique peut aider à réduire le coût de fonctionnement en minimisant la perte de charge, en rallongeant la durée de vie des filtres et en empêchant un arrêt non planifié dû à l’encrassement des filtres. Dans un système de nettoyage par impulsions, cela peut être réalisé durant le fonctionnement de la turbine.

Le taux de reprise est le taux auquel le filtre redevient « comme neuf » et stabilise la perte de charge pour permettre un fonctionnement continu. Plus le taux de reprise des impulsions est élevé, plus le filtre est « nettoyable ». Les taux de reprise de systèmes à impulsions dépendent largement de l’environnement et des types de médias dans le filtre : filtration en surface ou filtration en profondeur. Les filtres de filtration en profondeur ont des couches qui piègent progressivement les particules les plus petites dans l’épaisseur du média. Bien qu’ils retiennent un large éventail de tailles de particules, ils ne peuvent pas être nettoyés par impulsions. Les filtres de filtration en surface, en revanche, piègent toutes les particules sur la couche du média supérieur, et forment un léger « paquet de poussière » pouvant être facilement éliminé à l’aide du nettoyage par impulsions, ce qui étend la durée de vie du filtre.

Tout comme l’efficacité et l’étanchéité, la reprise des impulsions peut être mesurée à l’aide de données de test en laboratoire. Donaldson a élaboré un processus de mesure de la reprise des impulsions. En exposant des filtres à une simulation de tempête de sable sur une longue durée, la perte de charge et l’efficacité des filtres sont mesurées pour obtenir des classes de reprise des impulsions, comme illustré à la figure 8. Sur l’échelle de Donaldson, un filtre de classe S ne peut pas être nettoyé par impulsions sans être endommagé, tandis que les autres filtres de classe P indiquent le niveau de reprise des impulsions. Il existe de nombreuses variétés de facteurs de performance avec les filtres statiques (S) et Donaldson est en train de développer un système d’évaluation indépendant pour ces applications.

Figure 8 : Des niveaux élevés de reprise des impulsions indiquent une performance stable de perte de charge dans des conditions très poussiéreuses

si votre corps de filtre ne possède pas de système d’impulsions, les solutions de filtration statique sont les plus appropriées. Une solution statique typique consiste à utiliser un média de filtre de filtration en profondeur et à se concentrer sur l’optimisation de la durée de vie du filtre en équilibrant la perte de charge et la capacité de rétention de la poussière.

Cependant, les avantages d’un système de filtre à impulsions peuvent être illustrés dans un exemple simplifié. Si 10 grammes de particules par jour étaient saisis par un filtre, en 100 jours, ce serait 1 000 grammes au total qui seraient saisis. L’accumulation de particules entraînerait également une augmentation de la perte de charge dans le système. Si la perte de charge approchait les limites autorisées, le filtre devrait être remplacé ou nettoyé. Un filtre de filtration en surface pourrait être nettoyé durant le fonctionnement, tandis qu’un filtre de nettoyage en profondeur devrait être remplacé.

Les systèmes à impulsions sont souvent plus intéressants aux endroits avec d’importantes quantités de poussière, de neige et de potentielles accumulations de glace. Dans ces conditions, les avantages relatifs à la longévité du système de filtration compensent le coût additionnel d’un système de nettoyage par impulsions. Dans les endroits moins sujets à la poussière, à la neige et à la glace, les systèmes à impulsions ne sont pas si rentables.

Figure 9 : Les filtres aux taux de reprise des impulsions élevés maintiennent des pertes de charge plus faibles pendant plus longtemps.

Il existe des avantages considérables au fonctionnement d’un système de nettoyage à impulsions. Tout comme les essuie-glaces d’une voiture, le nettoyage par impulsions est une solution de secours en cas de conditions climatiques difficiles. Mais lorsque survient une demande ou une coupure de courant inopinée, la valeur du nettoyage par impulsions devient évidente. Un système totalement opérationnel, y compris les éléments compatibles avec le nettoyage par impulsions, est un système qui continue à fonctionner pendant le nettoyage par impulsions. Si vous avez hérité d’un système existant équipé d’un nettoyage par impulsions, dans la plupart des cas les avantages de l’entretien et de l’équipement avec un filtre compatible aux impulsions compensent les coûts d’une panne imprévue.

Le rapport entre le taux de reprise et la perte de charge est illustré à la figure 9. Ce graphique illustre la durée pendant laquelle les trois systèmes de filtration avec différents taux de reprise ont maintenu une perte de charge de filtre acceptable au fil du temps dans un environnement poussiéreux. Généralement, les filtres aux taux de reprise élevés maintiennent des pertes de charge plus faibles pendant plus longtemps.

Le fonctionnement des systèmes de nettoyage par impulsions nécessite également un examen approprié. Les systèmes sont généralement utilisés selon l’une de ces trois méthodes : 1) manuelle ; 2) automatique en fonction de la perte de charge ; ou 3) automatique en fonction des intervalles de temps. Peu importe la méthode utilisée (manuelle ou automatique), le nettoyage doit être effectué avant que le niveau d’encrassement devienne problématique. Par exemple, si un nettoyage n’est pas déclenché dans un intervalle de temps approprié, l’encrassement peut causer d’importants problèmes de fonctionnement. Comme pour toute fonction d’exploitation et de maintenance, la négligence augmente le risque d’erreur.

Dans certains cas, le système à impulsions ne sera nécessaire que pour prévenir l’encrassement. Lors des périodes de glace, de neige, de gel extrême, et de tempêtes de sable, le système à impulsions peut continuer à faire fonctionner la turbine en l’utilisant comme mesure préventive.

Résumé : Évaluez vos besoins

Les conditions environnementales influencent de manière importante les décisions liées à la conception du système d’entrée d’air et aux filtres. Les trois piliers, soit l’efficacité, l’étanchéité et le taux de reprise des impulsions, ne sont généralement pas autonomes, mais nécessitent une approche intégrée. L’équilibre idéal et la combinaison adaptée à votre turbine à gaz doivent entrer en ligne de compte pour les potentiels coûts des temps d’arrêt et les retours sur investissement (RSI).

Lors de l’évaluation du RSI, de nombreux facteurs peuvent influer sur les coûts de la filtration. Le scénario de chaque opérateur doit être évalué, car le RSI ne sera pas le même pour tout le monde. Par exemple, lors de l’évaluation de l’efficacité de la filtration, une meilleure note d’efficacité ne peut pas toujours être justifiée. Un RSI financier ne peut être réalisé que si l’augmentation de la production compense le coût d’une perte de charge légèrement plus élevée. Une moindre efficacité peut parfois être plus rentable à long terme. De la même manière, l’étanchéité peut compenser l’efficacité dans les zones côtières, mais pas dans les zones arides, où une exposition à l’air corrosif de l’océan est peu probable.

Chaque situation est différente et une analyse approfondie des besoins de l’opérateur est nécessaire pour déterminer la conception de filtre optimale. Les retombées économiques, en plus des facteurs techniques, doivent être prises en compte pour chaque usine. En conclusion, il faut déterminer quels facteurs sont les plus importants pour répondre aux besoins de l’opérateur.

Passage à un filtre d’entrée d’air adéquat : Deux exemples de cas

Un profil Er|W|P permet une comparaison exacte et une meilleure correspondance avec l’échelle d’évaluation des filtres d’entrée d’air d’admission de Donaldson aide les usines à adopter la solution de filtration adaptée aux conditions opérationnelles et environnementales de chacun. Si l’environnement ou les conditions de fonctionnement d’une usine changent, Donaldson peut aider cette dernière à choisir la filtration appropriée en fonction de l’efficacité (Er), de l’étanchéité (W) et de la reprise des impulsions (P), les trois attributs qui varient le plus d’un filtre à l’autre et qui, combinés, définissent également les coûts d’exploitation.

Après avoir déterminé le profil de base du filtre actuel, le propriétaire peut sélectionner des filtres de remplacement avec des évaluations plus élevées des propriétés les plus importantes dans les nouvelles conditions. Un profil Er|W|P fournit une comparaison entre des éléments semblables et permet donc de trouver la solution la mieux adaptée. Donaldson utilise des essais standardisés pour déterminer les facteurs Er|W|P du filtre actuel ainsi que de la solution proposée sur une échelle de 0 à 5 points.

Voici deux exemples de cas hypothétiques de conversion bénéfique d’un filtre à l’aide des cotes Er|W|P :

Enjeu environnemental
Une usine dans une région agricole est aux prises avec des conditions poussiéreuses pendant la saison des récoltes en utilisant un ruban de préfiltrage sur un filtre de filtration en profondeur. Le préfiltre et le filtre commencent à filtrer rapidement et doivent être remplacés fréquemment. Le propriétaire découvre qu’une carrière de roche a rouvert à l’ouest, aggravant ainsi le problème lié à l’accumulation de poussière. Donaldson retire et met le filtre actuel de l’usine à l’essai, découvrant que son efficacité de capture est de moyenne à élevée (Er3), son étanchéité modérée (W2) et sa reprise des impulsions faible. (P1). Le problème devient évident : Le taux de reprise des impulsions limité (P1) du filtre existant ne peut pas faire face au niveau élevé de charge des poussières. À l’aide de ces informations comparatives, Donaldson recommande un remplacement de type Er3|W1|P5. Le filtre ne nécessite aucune étanchéité à l’eau, mais il doit fournir le taux de reprise des impulsions le plus élevé possible (P5) pour se débarrasser de la lourde charge de poussière. En apportant cette modification, l’usine fonctionne en permanence avec des taux de poussière élevés et prévoit un rapide retour sur investissement.

Changement opérationnel
Une usine de pointe de 1 500 heures par an sur demande doit être convertie à un système de charge de base qui peut fonctionner 8 000 heures. Les temps d’arrêt deviennent une nouvelle préoccupation, le lavage à l’eau n’est plus une possibilité pour optimiser l’efficacité du compresseur. L’état du compresseur et la stabilité de la production d’électricité deviennent les principales préoccupations de gestion de l’usine, et la solution est un autre type de filtre d’entrée d’air. Lors d’une consultation, Donaldson retire et teste le filtre synthétique d’origine et constate qu’il offre une efficacité moyenne à haute (Er3), une étanchéité minimale (W1) et une pulsation maximale (P5). Donaldson recommande de passer à un filtre classé Er5|W5|P1, qui assurera une plus grande efficacité et une meilleure étanchéité à l’eau, en accordant moins d’importance à l’impulsion. Cette recommandation permet à l’usine de limiter les temps d’arrêt et de maximiser la production d’énergie.

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Mike Roesner est le directeur des ventes pour le groupe Systèmes de turbine à gaz chez Donaldson Company, Inc. Jason Tiffany est le chef d’équipe du développement de produits pour le groupe Systèmes de turbine à gaz chez Donaldson Company, Inc. 
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