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’air d'admission est importante, la conception des gaines d'admission et 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 de près de 600 kg (1 300 lb) de particules pourrait entrer dans le corps des turbines à gaz et ses filtres d’admission d’air en un an de fonctionnement¹. La poussière aéroportée et les contaminants peuvent provoquer une baisse de puissance en sortie machine, augmenter les coûts en 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 gagnent à évaluer les trois facteurs de performance : l’efficacité, l’étanchéité, et, dans les applications d'auto-nettoyage, le taux de dépoussiérage par impulsions, ou pulsabilité. Ces trois éléments peuvent être considérés comme les « piliers » clés de la filtration, qui participent au fonctionnement optimal d'un 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 Er : La proportion de particules d’air d’admission captées 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.

Etanchéité W : 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.

Pulsabilité :Le troisième facteur clé est lafacilité avec laquelle les filtres retrouvent une performance optimale après le nettoyage. Un taux de dépoussiérage par impulsions élevé 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, et potentiellement à des épisodes soudains d’accumulation sévère de poussières.

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

Pour aider les responsables du site lors du processus d’évaluation, Donaldson teste et classifie désormais ses filtres pour l'admission d’air des turbines à gaz selon les trois caractéristiques Er, W, P, en utilisant ces abréviations et leurs notes de performance respective.

• Efficacité de Er0 à Er5
• Etanchéité de W0 à W5
• Pulsabilité de P0 à P5

Présentation du nouveau système d'évaluation convivial de Donaldson pour les filtres 

Donaldson aide les opérateurs de turbines à gaz à sélectionner des filtres qui répondent à leurs besoins particuliers en efficacité (Er), en étanchéité (W), et en pulsabilité (P), dans l’ordre de priorité qui leur est adapté. 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 des filtres à la fois précise et simple pour de nombreux opérateurs partout dans le monde.

Voici une explication de chacun des piliers et la raison pour laquelle chacun doit être noté, classé, et mis en rapport avec les autres piliers pour optimiser les performances du système et ses 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 plus basse bloque moins de particules, lesquelles peuvent encrasser les composants de la turbine, faire baisser l’efficacité de la compression et nuire à l’état des étages de la partie compresseur. La figure 1 montre qu’un filtre à efficacité inférieure Er2 entraîne un encrassement beaucoup plus important après seulement 1 200 heures qu'un filtre à haute efficacité Er5 après 5 000 heures.

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

Les parties de courbes à pente descendante du filtre de classe F représentent la baisse typique de puissance en sortie machine causée par l’encrassement, suivies de soudaines parties ascendantes générées grâce au lavage. Après plusieurs lavages, la puissance en sortie d’une turbine de gaz équipée d’un filtre à efficacité Er3 sera probablement moins élevée que celle d’un filtre Er5 sans lavage machine.

Un filtre Er5 peut réduire le besoin en lavages du compresseur et maintenir une efficacité de turbine plus élevée. Cela peut aussi aider à réduire les coûts indirects 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 liés au temps d’arrêt autant que possible.

D'autres facteurs qui affectent l’efficacité filtrante sont notamment le débit d’air et sa perte de charge. La perte de charge de l'air d'admission provoquée par des congestions ou des éléments filtrants sous-dimensionnés peut compromettre la puissance en sortie de la turbine. Si un filtre à air fonctionne à un débit qui dépasse ses spécifications de conception, la perte de charge qui en résulte peut réduire la performance du système.

La perte de charge va typiquement augmenter à mesure que le filtre se charge en poussière. Cependant, il faut garder à l'esprit certains compromis à considérer, afin d'atteindre un équilibre. Étant donné que la perte de charge accrue d’un filtre à efficacité plus élevée peut malgré tout favoriser des bénéfices sur le long terme, les propriétaires et opérateurs du système doivent travailler en étroite collaboration avec leur fournisseur de filtres pour déterminer les classes et caractéristiques optimales du filtre à utiliser.

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

Niveau d’efficacité et méthodes de classification

L’efficacité d'un filtre indique son niveau de performance en comparant la concentration de particules en amont et en aval de celui-ci. Cette efficacité d’élimination des particules est généralement exprimée en pourcentage de rétention. Cependant, les classifications liées à l'efficacité de la filtration ont changé.

Aux États-Unis, les filtres ont été classés historiquement par la classification MERV (Minimum Efficiency Reporting Value ou Valeur de Rapport Minimum d'Efficacité), mise au point par l’American Society of Heating, Refrigeration and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE, orgnisation normative entre autres pour la qualité de l'air et l'efficacité énergétique). 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 standards 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 pour les niveaux de filtration à haute efficacité. Selon les normes EN 1822, (H)EPA a été défini comme un minimum de 99,5 % de rétention pour la taille des particules les plus pénétrantes, soit celles qui passent en plus grande quantité bien qu'arrêtées à 99.5% MPPS (Most Penetrating Particle Size). Les filtres EN 1822 ont un classement de E10 à E12, ce qui correspond généralement au niveau de filtration EPA (le classement (H)EPA est supérieur à E12).

Plus récemment, un nouveau standard ISO 16890 a été introduit au niveau mondial pour uniformiser les essais et classifications des filtres. Cette méthodologie se concentre non plus sur des tailles spécifiques mais sur des gammes de tailles appelées PM (Particulate Matter). Le protocole d’essai ISO 16890 teste les filtres avec une plage fort étendue de particules de différents diamètres, puis mesure la moyenne de rétention dans trois gammes de tailles spécifiques : PM1, PM2,5 et PM10. De par la nature complexe des différentes normes de test, Donaldson a conçu un outil dédié à l’efficacité, qui combine tous ces standards de test en une seule échelle d’efficacité facile d’utilisation, variant de Er0 à Er5, comme illustré à la figure 3.

Étanchéité : Prévenir la corrosion

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

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.

L’étanchéité est particulièrement importante dans les zones côtières, avec une humidité chargée en 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 puisse entrer dans la turbine à gaz. Dans les milieux côtiers, le sel en supension dans l'air peut facilement varier entre 0,05 et 0,50 ppm pour 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 défis, puisque sans une étanchéité adéquate, les hydrocarbures peuvent pénétrer dans le flux d’air. Ces produits peuvent accumuler des dépôts collants sur les pales et nuire à la performance.

L’étanchéité devrait être facile à évaluer pour un opérateur. Demandez à votre fournisseur de filtres de vous procurer un rapport de test d’un laboratoire indépendant vérifiant si une option filtrante spécifique est étanche et, dans le cas contraire, comment cela fonctionnera dans des conditions humides.

Donaldson a développé une nouvelle méthode de test des filtres dans un environnement contrôlé pour déterminer quelle éventuelle quantité d’eau peut passer à travers un filtre. Le test oriente 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 de celui-ci sont enregistrés.

Sur 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. Une vue graphique de ces classifications est illustrée à la figure 6.

Donaldson a testé et évalué ses filtres à air pour turbine à gaz les plus communs avec cette échelle d’étanchéité. La figure 7 montre comment les filtres ayant des notations supérieures limitent l’augmentation de perte de charge au fil du temps.

Taux de dépoussièrage (lié à la pulsabilité): Efficacité de l'auto-nettoyage par impulsions des filtres

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

Dans les caissons filtrant de type autonettoyant, les filtres peuvent être nettoyés en générant des « impulsions » d'air comprimé depuis le côté air propre en aval du filtre. Cela délogera les particules de poussière et les éventuels débris du côté amont d’un média filtrant encrassé. 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 d'auto-nettoyage, les impulsions sont déclenchées durant le fonctionnement de la turbine.

Le taux de dépoussiérage, ou la pulsabilité, est la tendance avec laquelle le filtre revient à un état « comme neuf » et stabilise la perte de charge pour permettre une continuité de fonctionnement. Plus le taux de dépoussiérage par impulsions est élevé, plus le filtre est considéré sensible à un tel nettoyage. Les taux de reprise de systèmes à impulsions dépendent largement de l’environnement et des types de médias dans le filtre : média pour la filtration de surface ou la filtration en profondeur. Les filtres dédiés à la filtration en profondeur ont des couches qui piègent progressivement les particules de plus en 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 dédiés à la filtration de surface en revanche piègent toutes les tailles de particules sur la couche sdupérieure du média filtrant, et y forment une couche de poussière superficielle pouvant être facilement éliminée à l’aide de l'auto-nettoyage par impulsions, ce qui étend la durée de vie du filtre.

Tout comme l’efficacité et l’étanchéité, le taux de dépoussiérage par impulsions peut être mesuré à l’aide de données de test en laboratoire. Donaldson a élaboré un processus de mesure du taux de dépoussiérage par impulsions, ou pulsabilité. En exposant des filtres à une simulation de tempête de sable sur une longue durée, la perte de charge et l’efficacité des filtres peuvent être mesurées pour obtenir des classement du taux de dépoussiérage par impulsions, comme illustré à la figure 8. Sur l’échelle établie par Donaldson, un filtre de classe P0 ne peut pas être nettoyé par impulsions sans un risque d'être endommagé, tandis que les classements P supérieurs indiquent le niveau de pulsabilité. Il existe de nombreuses variétés de facteurs de performance pour les filtres statiques (S) et Donaldson est en train de développer un système d’évaluation indépendant pour ces applications.

Si votre caisson filtrant ne possède pas de système auto-nettoyant, les solutions de filtration statique sont les plus appropriées. Une solution statique typique consiste à utiliser un média dédié à la filtration en profondeur et à se concentrer sur l’optimisation de la durée de vie du filtre en équilibrant sa perte de charge et sa capacité à retanir une charge de poussière.

Cependant, les avantages d’un système de filtre auto-nettoyant à impulsions peuvent être illustrés dans un exemple simplifié. Si 10 grammes de particules par jour étaient capturées par un filtre, en 100 jours, ce serait 1 kg au total qui serait saisi. L’accumulation de particules entraînerait à son tour une augmentation de la perte de charge dans le système. Si la perte de charge devait approcher les limites autorisées par la machine, le filtre devrait être remplacé ou nettoyé. Un filtre dédié à la filtration de surface pourrait être nettoyé durant le fonctionnement de la machine, tandis qu’un filtre dédié à la filtration en profondeur devrait être remplacé.

Les systèmes aut-nettoyants par 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 bénéfices liés à la longévité du système de filtration compensent de loin le coût additionnel d’un système d'auto-nettoyage par impulsions. Dans les endroits moins sujets à la poussière, à la neige et à la glace, les systèmes à impulsions peuvent ne pas être identiquement rentables.

Il existe des avantages considérables au fonctionnement d’un système d'auto-nettoyage à impulsions. Tout comme les essuie-glaces d’une voiture, l'auto-nettoyage par impulsions est une solution de securité face à l'imprévu en cas de conditions climatiques difficiles. Et lorsqu'une coupure de courant inopinée survient lors d'une demande opérationnelle, la valeur ajoutée de l'auto-nettoyage par impulsions devient évidente. Un système totalement fonctionnel, comprenant les éléments compatibles avec l'auto-nettoyage par impulsions, permet aux opérateurs de continuer à fonctionner pendant le cycle de nettoyage. Si vous avez hérité d’un système existant équipé d’un auto-nettoyage par impulsions, dans la plupart des cas les avantages liés au fait de l'entretenir et de l'équiper avec un filtre compatible avec cet auto-nettoyage compensent les coûts d’un arrêt non planifié.

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

Le fonctionnement des systèmes d'auto-nettoyage par impulsions nécessite en outre une analyse appropriée. Ces systèmes opèrent généralement selon l’une de ces trois méthodes : 1) manuelle ; 2) automatique en fonction de la perte de charge ; ou 3) automatique en fonction d'un intervalle de temps. Peu importe la méthode utilisée (manuelle ou automatique), le nettoyage doit être effectué avant que le niveau d’encrassement atteigne un état problématique. Par exemple, si le 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 de défaillance.

Dans certains cas, le système à impulsions ne sera nécessaire que pour prévenir l’encrassement par dépôt. 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 significative les décisions liées à la conception du système d’admission d’air et à ses filtres. Les trois piliers que sont l’efficacité, l’étanchéité et le taux de dépoussiérage par impulsions ne sont généralement pas autonomes ; ils nécessitent une approche intégrée. Pour identifier l’équilibre idéal et la combinaison la plus adaptée à votre turbine à gaz, il faut considérer le coût des temps d’arrêt potentiels et le retour sur investissement (RSI) sur le long terme.

Lors de l’évaluation du RSI, de nombreux facteurs peuvent influer sur les coûts de la filtration. Le scénario doit être évalué pour chaque opérateur, 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 classe d’efficacité ne sera pas toujours justifiée. Un RSI financier ne peut être atteint que si l’augmentation de la production compense le coût d’une perte de charge qui serait légèrement plus élevée. Une moindre efficacité peut parfois être plus rentable à long terme en pratique. De la même manière, l'intérêt de l’étanchéité peut surpasser celui de l’efficacité dans les zones côtières, au contraire des 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 centrale. En conclusion, il faut déterminer quels facteurs sont les plus importants pour rencontrer les 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 à la situation. Avec l’échelle d’évaluation des filtres pour l'air d’admission, Donaldson aide les centrales à se réorienter vers la solution de filtration la plus adaptée à leurs conditions opérationnelles et environnementales spécifiques. Si l’environnement ou les conditions de fonctionnement d’une centrale changent, Donaldson peut aider cette dernière à choisir la filtration appropriée en fonction de l’efficacité (Er), de l’étanchéité (W) et du taux de dépoussiérage par impulsions ou pulsabilité (P), les trois attributs qui varient le plus d’un filtre à l’autre et qui, combinés, aident à définir également les coûts d’exploitation.

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

Voici deux exemples de cas hypothétiques de conversion bénéfique d’un filtre grâce aux classements Er|W|P :

Défi environnemental:
Une usine dans une région agricole est aux prises avec des conditions chargées en poussière pendant la saison des récoltes, alors qu'elle utilise un préfiltre placé sur un filtre dédié à la filtration en profondeur. Le préfiltre et le filtre commencent à se charger rapidement en poussière et doivent être remplacés fréquemment. L'exploitant découvre qu’une carrière de roche a rouvert à l’ouest, aggravant ainsi le problème lié à l’accumulation de poussière. Donaldson retire certains filtres du système actuel et les teste, découvrant que leur efficacité de capture est de moyenne à élevée (Er3), leur étanchéité modérée (W2) et leur pulsabilité faible. (P1). Le problème devient évident : La pulsabilité étant limitée à P1, le filtre existant ne peut pas faire face au niveau élevé de charge en poussière. À l’aide de ces informations comparatives, Donaldson recommande un remplacement vers un filtre de type Er3|W1|P5. Le filtre ne nécessite pas d'étanchéité à l’eau, mais il doit fournir un taux de dépoussiérage par impulsions le plus élevé possible (P5) pour se débarrasser de la lourde charge de poussière. En apportant cette modification, l’usine fonctionne en continu malgré la charge de poussière élevée récurrente et prévoit un rapide retour sur investissement.

Changement opérationnel
Une usine dédiée aux pics opérationnels fonctionnant 1 500 heures par an sur demande doit être convertie en un système avec une charge de base qui peut fonctionner 8 000 heures. Dès lors que les temps d’arrêt deviennent une nouvelle préoccupation, le lavage du compresseur à l’eau n’est plus une option pour en optimiser l’efficacité. L'état du compresseur et la stabilité de la production en électricité deviennent les principales préoccupations de gestion de la centrale, et la solution est un autre type de filtre pour l'air d’admission. 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 pulsabilité 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’auto-nettoyage par impulsions. Cette recommandation permet à la centrale de limiter les temps d’arrêt et de maximiser la production d’énergie.

Références :

1. « How to Select the Optimal Inlet Air Filters for Your Engine », Combined Cycle Journal, 26 septembre 2017
2. « Technology Review of Modern Gas Turbine Inlet Filtration Systems », International Journal of Rotating Machinery, Volume 2012 (2012)
3. National Atmospheric Deposition Program/National Trends Network