Nauka oparta na wilgotnych warunkach przybrzeżnych

Problem: Wilgoć pochodząca z wilgotnego powietrza i tropikalnego deszczu powoduje wysokie wartości różnicy ciśnień (dP) i przenoszenie wszelkich wychwyconych cząstek stałych przez filtry do turbiny, powodując straty 3-5% sprawności sprężarki i 15-20% mocy.

Rozwiązanie: Filtry wodoszczelne Donaldson Turbo-Tek Er5 | W5 | P1

Wyniki:

Żywotność filtra potroiła się – od 18 do 48 miesięcy w porównaniu do 12 miesięcy przy utracie wydajności do 10%
Brak obejścia wilgoci podczas wysokiej wilgotności powietrza lub tropikalnego deszczu
Brak strat w wydajności sprężarki osiowej lub produkcji energii
Zredukowane mycie wodą tylko do trybu offline

Zakład produkujący ciekły gaz ziemny (LNG) w klimacie tropikalnym od czterech lat odnosi sukcesy dzięki wodoszczelnej filtracji powietrza firmy Donaldson Gas Turbine Systems. To studium przypadku ma zastosowanie do innych wilgotnych, tropikalnych i przybrzeżnych rafinerii ropy naftowej i elektrowni, które zmagają się z wilgocią i zanieczyszczeniami w powietrzu.

Instalacja LNG przedstawiona w tym studium przypadku jest połączona rurociągiem podmorskim z przybrzeżnymi obiektami eksportowymi na Morzu Timorskim. Instalacja należąca do dużego światowego koncernu naftowo-gazowego wykorzystuje sześć silników GE LM2500 G4 z dwiema turbinami do chłodzenia propanu, dwiema do chłodzenia etylenu i dwiema do chłodzenia metanu.

Sześć silników turbinowych zakładu wymaga łącznie 720 par elementów filtrujących do filtrowania zanieczyszczeń unoszących się w powietrzu i zapewniania czystego powietrza wlotowego. Tropikalny klimat tego nadmorskiego miejsca stwarza poważne wyzwania związane z filtracją. W miesiącach letnich wilgotność względna wynosi 80%, do tego dochodzi deszcz tropikalny i słone powietrze. W suchym sezonie zimowym powietrze zanieczyszcza również ciężki dym i popiół z pożarów obszarów naturalnych. Przenikanie wilgoci ma tendencję do przenoszenia cząstek stałych, które mogą powodować zanieczyszczenie łopatek i przedwczesne zużycie sprzętu.

W 2014 roku zakład produkcji LNG korzystał z syntetycznych filtrów premium F9 MERV 15. Ta technologia filtracji powietrza była wówczas najnowocześniejszą technologią w przemyśle turbinowym. Chociaż elementy pracowały wydajniej niż poprzednie mieszane filtry F9 MERV 15, pod względem różnicy ciśnień (dP) i żywotności filtra turbiny nadal napotykały problemy z wydajnością.

„Filtry były wypełnione cząstkami sadzy” – powiedział główny inżynier zajmujący się sprzętem wirującym. „Wiele z tych zanieczyszczeń przedostało się przez filtr i przywierało do naszych łopatek sprężarki osiowej, ponieważ zanieczyszczenia mają rozmiary poniżej mikrona”.

Wzrost różnicy ciśnień i zmniejszenie wydajności sprężarki osiowej wskazywały, że znaczna wilgoć nadal wnikała do filtrów, a wraz z nią zanieczyszczenia, w tym sadza, dym i sól. Spowodowało to zanieczyszczenie łopatek – niewyważenie mechaniczne, które spowodowało utratę wydajności sprężarki osiowej. Straty sprawności w zakładzie wahały się od 3% do 5% w ciągu 12 miesięcy, co przełożyło się na wymierną utratę mocy.

„Największym problemem związanym z wilgocią był fakt, że straciliśmy moc z powodu wysokiej temperatury termometru mokrego” – wyjaśnił inżynier. „Wydajność naszej instalacji spadła już o 15% do 20% przy wilgotnej pogodzie, co oznaczało dodatkowe utrudnienia spowodowane różnicą ciśnień (dP) na filtrze.

W instalacji LNG 720 par filtrów Donaldson dostarcza czyste powietrze do sześciu turbin gazowych LM2500 G4.

Doszliśmy do punktu, w którym trzeba było zdjąć górną obudowę z turbin i ręcznie czyścić łopatki lub wymontować je w celu przeprowadzenia naprawy”.

Aby poradzić sobie z utratą mocy w wilgotnych okresach letnich, zakład zakończył mycie wodą – praktyka, która wiązała się z dodatkowymi kosztami konserwacji i robocizny: mycie w trybie offline wymaga załogi w składzie sześciu osób na jeden pełny dzień roboczy, a mycie w trybie online wymaga załogi składającej się z dwóch osób pracujących przez kilka dni.

Jednak mycie wodą stanowiło tylko tymczasowe rozwiązanie problemu z utratą mocy. Każde mycie przywracało częściową moc, ale z każdym cyklem mycia zwroty były coraz mniejsze. W rezultacie po 18 miesiącach 720 par filtrów nie było już w stanie zapewnić odpowiedniej produkcji energii i wymagało wymiany.

Aby sprostać tym wyzwaniom, w 2015 roku zakład produkujący LNG zdecydował się wypróbować nowy wodoszczelny filtr firmy Donaldson (H) EPAgrade Turbo-Tek Er5 | W5 | P1. Klient zainstalował filtry Turbo-Tek Er5 | W5 | P1 w czterech z sześciu turbin LNG i zachował istniejącą technologię F9 w pozostałych dwóch dla własnego porównania wydajności.

Po dziewięciu miesiącach zmiana przyniosła znaczną poprawę ochrony turbiny, na co wskazywały dane dP i sprawności sprężarki dla turbin z wodoszczelnymi filtrami. Wartość dP pozostawała stabilna w miesiącach letnich i przez cały okres eksploatacji filtra, prawie bez utraty wydajności sprężarki osiowej.

Pomimo nagromadzenia się sadzy po pożarze buszu po 6000 godz. zmiany w różnicy ciśnień lub stanie łopatek były niewielkie lub żadne.

Na podstawie przeprowadzonych testów w instalacji LNG podjęto decyzję o konwersji wszystkich sześciu turbin na wodoszczelne filtry (H) EPA Turbo-Tek Er5 | W5 | P1 – i od tego czasu firma dokonała zmian w innych swoich instalacjach LNG.

Pod koniec 2019 roku, cztery lata po zakończeniu próby, wszystkie filtry Turbo-Tek Er5 | W5 | P1 w instalacji LNG zachowały swoją pierwotną wydajność. Silniki utrzymały niemal 0% strat wydajności sprężarki osiowej, a zakład wyeliminował mycie wodą w trybie online.

Co ciekawe, do grudnia 2019 roku zakład nadal używał swojego oryginalnego filtra TurboTek Er5 | W5 | P1, zainstalowanego w 2015 roku, z jedną wymianą okładziny filtra wstępnego po 36 miesiącach, aby zmniejszyć niewielki wzrost dP. Zakład wydłużył żywotność filtra z 18 do 48 miesięcy, co skutkuje znacznymi oszczędnościami w zakresie kosztów związanych z filtrami i konserwacją.

Czyść łopatki po 4000 godz. z filtrami wodoszczelnymi (H) EPA Turbo-Tek Er5 | W5 | P1.

„Przejście z filtrów F9 Spider-Web XP na wodoszczelne filtry E12 Turbo-Tek Er5 | W5 | P1 zapewniło niezwykłą różnicę w naszej pracy, ponieważ nie tracimy teraz wydajności naszej sprężarki i nie musimy tam schodzić, aby ją umyć”– powiedział inżynier. „Im czystsze turbiny w porze deszczowej, tym lepsze utrzymanie produkcji. Filtry utrzymują sprężarkę osiową w czystości, a zaletą jest to, że filtry faktycznie działają przez długi czas, co jest dość niezwykłe. Podsumowując, jesteśmy zadowoleni z wyników. Zwrot z naszej inwestycji w wodoszczelne filtry Turbo-Tek Er5 | W5 | P1 zdecydowanie ma sens”.

Wybór rozwiązań filtracyjnych w oparciu o różnorodne warunki może pomóc w skutecznym i wydajnym działaniu. Aby pomóc właścicielom zakładów w doborze filtrów, w 2018 roku firma Donaldson wprowadziła system klasyfikacji Er | W | P dla linii filtrów do turbin gazowych Turbo-Tek. Korzystając z pierwszych w branży testów laboratoryjnych wodoszczelności i pulsacji, firma Donaldson ocenia teraz każdy typ filtra w skali od 0 do 5 punktów pod kątem trzech cech:

Wydajność (od Er0 do Er5) – jaką część zanieczyszczeń z powietrza wychwytuje?
Wodoszczelność (W0 do W5) – Jak radzi sobie z wysoką wilgotnością i wilgocią?
Pulsacyjność (P0 do P5) – dotyczy układów samoczyszczących. Jak łatwo filtry odzyskują najwyższą wydajność po zastosowaniu pulsacyjnego sprężonego powietrza?

Filtr omówiony w tym studium przypadku ma ocenę Er5 | W5 | P1. Oznacza to, że mają najwyższą wydajność wychwytywania zanieczyszczeń (Er5), najwyższą klasę wodoszczelności (W5), a ponieważ są to filtry wgłębne, mają niską pulsacyjność (P1) w linii filtrów do turbin gazowych Turbo-Tek firmy Donaldson.