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습한 연안 기후 조건에서 얻은 교훈

수밀 에어 필트레이션을 통한 가스 터빈 효율성 지원

문제: 습기와 열대성 비로 인한 수분은 dP를 높이고 포집된 미립자가 필터를 지나 터빈에 쌓이면서 압축기 효율이 3~5% 떨어지고 전력이 15~20% 손실됩니다.

솔루션: Donaldson Turbo-Tek Er5 | W5 | P1 수밀 필터

결과: 

  • 필터 효율 감소가 최대 10% 줄어들면서 필터 수명이 12개월에서 18~48개월로 3배 증가했습니다.
  • 높은 습도 또는 열대성 비에도 습기 유입이 방지됩니다.
  • 축류 압축기 효율 또는 전력 생산 손실이 없습니다.
  • 물 세척이 감소합니다(비가동 시에만 실시).

열대 기후에서 운영 중인 LNG(액체 천연가스) 플랜트는 Donaldson 가스 터빈 시스템의 수밀 에어 필트레이션을 통해 4년의 성공을 거두어왔습니다. 이 사례 연구는 습기 및 공기 중 오염 물질로 인해 어려움을 겪고 있는 다른 습한 열대 및 연안 정유 공장과 발전소에 적용할 수 있습니다.

이 사례 연구의 LNG 플랜트는 해저 파이프라인을 통해 티모르 해 연안의 수출 시설에 연결되어 있습니다. 주요 글로벌 석유 및 가스 회사가 소유한 이 시설에서는 프로판 냉동용 터빈 2개, 에틸렌 냉동용 터빈 2개, 메탄 냉동용 터빈 2개로 구성된 6개의 GE LM2500 G4 엔진을 사용합니다.

이 시설의 터빈 엔진 6개에는 공기 중 오염 물질을 여과하고 깨끗한 흡입 공기를 제공하기 위한 총 720쌍의 필터 엘리먼트가 필요했습니다. 이 연안 지역은 열대 기후로 인해 심각한 필트레이션 문제가 있습니다. 여름철에는 상대 습도가 80%에 달하고, 열대성 비가 내렸으며, 공기 속에 염분이 있습니다. 건조한 겨울철에는 지역 내 소규모 산불로 인해 공기가 심한 연기와 재로 오염되었습니다. 습도가 이동하면서 유입되는 미립자로 인해 블레이드가 오염되고 장비가 조기에 마모될 수 있었습니다.

2014년에 LNG 플랜트에서는 프리미엄 합성 F9 MERV 15 필터를 사용했으며, 당시 이 에어 필트레이션 기술은 터빈 산업에서 최첨단 기술로 꼽혔습니다. 엘리먼트는 이전의 혼합 F9 MERV 15 필터보다 더 효과적으로 작동했지만, 터빈에는 여전히 운전 차압(dP) 및 필터 수명과 관련된 성능 문제가 발생했습니다.

이 시설의 회전 장비 총괄 엔지니어는 "필터에 그을음 입자가 가득했습니다. 많은 오염 물질이 미크론 단위보다 작았기 때문에 필터를 통과해 축류 압축기 블레이드에 달라붙을 수 있었습니다."라고 말했습니다.

운전 차압 증가와 축류 압축기 효율 감소는 상당한 수분과 더불어 그을음, 연기, 염분을 포함한 오염 물질이 필터에 침투했음을 말해줍니다. 이로 인해 축류 압축기의 효율성 저하를 유발하는 기계적 불균형인 블레이드 오염이 발생했습니다. 시설의 효율성 손실은 12개월 동안 3~5% 범위였습니다. 즉, 측정 가능한 전력 손실이 나타났습니다.

이 엔지니어는 “습도와 관련된 가장 큰 문제는 높은 습구 온도로 인해 전력이 손실된다는 사실이었습니다. 플랜트의 처리량은 습한 날씨 때문에 이미 15~20% 정도 감소한 상태였습니다. 즉, 필터의 운전 차압(dP)으로 인한 추가적인 장애가 문제에 더해졌습니다.

LNG 플랜트에서는 720쌍의 Donaldson 필터가 6개의 LM2500 G4 가스 터빈에 깨끗한 공기를 제공합니다.

터빈에서 상단 케이스를 분리하고 블레이드를 손으로 청소하거나 수리를 위해 내려 놓아야 할 정도였습니다."라고 설명했습니다.

습한 여름철의 전력 손실을 극복하기 위해 플랜트는 물 세척을 완료했습니다. 이 작업에는 다음과 같이 추가적인 유지 관리 비용과 인건비가 듭니다. 비가동 중 세척에는 하루 종일 6명의 직원이 필요하고 가동 중 세척에는 며칠 간 2명의 직원이 필요합니다.

그러나 물 세척은 전력 저하에 대한 일시적인 해결책일 뿐입니다. 세척할 때마다 부분적으로 전력을 회복했지만 세척 주기마다 수익이 감소했습니다. 그 결과, 18개월째 720쌍의 필터가 더 이상 적절한 전력 생산을 지원하지 못해 교체가 필요했습니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 2015년 LNG 플랜트에서는 새로운 Donaldson 수밀 (H)EPAgrade Turbo-Tek Er5 | W5 | P1 미디어를 시험하기로 결정했습니다. 고객사에서 6개의 LNG 터빈 중 4개에 Turbo-Tek Er5 | W5 | P1 필터를 설치했고, 성능을 나란히 비교하기 위해 나머지 2개에는 기존 F9 기술을 유지했습니다.

9개월 후, 수밀 필터를 장착한 터빈의 운전 차압(dP) 및 압축기 효율 데이터를 살펴본 결과 이러한 변화로 터빈 보호에 상당한 개선이 있었습니다. 여름철 및 필터 수명 동안 dP가 안정적으로 유지되어 축류 압축기 효율 손실이 거의 없었습니다.

6,000시간 동안 산불 그을음이 축적되었음에도 불구하고 운전 차압이나 블레이드 상태의 급격한 악화는 발생하지 않았습니다.

이 시험 가동에 따라 LNG 플랜트에서 6개의 터빈을 모두 수밀 (H)EPA Turbo-Tek Er5 | W5 | P1 필터로 바꾸기로 결정했고, 이후 다른 LNG 시설에서도 필터를 도입했습니다.

4년 후인 2019년 말까지 모든 Turbo-Tek Er5 | W5 | LNG 플랜트의 P1 필터가 원래의 성능을 유지했습니다. 엔진은 축류 압축기 효율에서 거의 0%의 손실을 유지했으며 플랜트는 가동 중 물 세척 공정을 없앴습니다.

놀랍게도 2019년 12월 기준, 플랜트는 2015년에 설치된 원래의 TurboTek Er5 | W5 | P1 필터를 사용하고 있었으며, 운전 차압(dP)의 소폭 증가를 줄이기 위해 36개월째 1회의 프리 필터 랩만 바꾸었을 뿐입니다. 플랜트는 필터 수명을 18개월에서 48개월로 연장하여 필터 및 유지 관리 비용을 크게 절감할 수 있었습니다.

(H)EPA 등급 Turbo-Tek Er5 | W5 | P1 수밀 필터 사용으로 4,000시간 후에도 깨끗한 블레이드

엔지니어는 "F9 Spider-Web XP 필터에서 E12 Turbo-Tek Er5 | W5 | P1 수밀 필터로 바꾸고 운영에 큰 변화가 생겼습니다. 이제 압축기의 효율성이 떨어지지 않고 세척하러 내려갈 필요가 없어졌습니다."라고 말했습니다. 우기 동안 터빈을 깨끗하게 유지할수록 더 나은 생산성을 유지할 수 있습니다. 필터가 축류 압축기를 매우 깨끗하게 유지해줍니다. 추가적인 이점은 필터가 사실상 오랜 시간 기능한다는 점입니다. 매우 특별한 이점이죠. 그래서 전반적으로 결과에 만족합니다. Turbo-Tek Er5 | W5 | P1 수밀 필터에 대한 투자 수익은 확실히 보장됩니다."라고 그는 덧붙였습니다.

다양한 조건에 맞는 필트레이션 솔루션을 선택하면 효율적이고 효과적인 운영을 지원할 수 있습니다. Donaldson은 플랜트 소유자의 필터 선택을 돕기 위해 2018년 Turbo-Tek 가스 터빈 필터 라인에 대해 Er | W | P 등급 시스템을 도입했습니다. Donaldson은 이제 수밀성 및 펄스 회복률에 대한 업계 최초의 실험실 테스트를 사용하여 다음 세 가지 특성에 대해 0~5점 척도로 각 필터 유형을 평가합니다.

  • 효율성(Er0~Er5) - 공기 중 오염 물질의 비율은 어느 정도입니까?
  • 수밀성(W0~W5) - 높은 습도와 습기를 어떻게 처리합니까?
  • 펄스 회복률(P0~P5) - 셀프클리닝 시스템과 관련되어 있습니다. 압축 공기로 펄스 클리닝한 후 필터가 얼마나 쉽게 최고 성능을 회복합니까?

이 사례 연구에서 논의된 필터는 Er5 | W5 | P1 등급입니다. 즉, 최고의 포집 효율성(Er5)과 최고의 수밀성 등급(W5)이지만, 심층 포집 필터이기 때문에 Donaldson Turbo-Tek 가스 터빈 필터 라인에서 펄스 회복률은 낮습니다(P1).

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