As turbinas a gás são projetadas para misturar ar seco e limpo com combustível para produzir energia. Como a qualidade do ar admitido é importante, o projeto da entrada de ar e a filtração são primordiais no desempenho da turbina. Com base em dados de poluição do ar da Agência de Proteção Ambiental dos EUA, uma média de aproximadamente 1.300 libras de partículas poderia entrar em uma carcaça de turbina a gás e filtro de ar de entrada em um ano de operação. A sujeira transportada pelo ar e os contaminantes podem causar diminuição na potência, aumentar os custos de combustível e potencialmente danificar componentes vitais.
As necessidades de filtragem são em grande parte impulsionadas pela qualidade do ar local, mas quase todos os operadores precisam avaliar três fatores de desempenho: eficiência, estanqueidade e, em aplicações de limpeza por pulso, taxa de recuperação de pulso. Esses podem ser vistos como os principais “pilares” da filtração que suportam o funcionamento ideal do GTS. Na maioria dos casos, todas essas propriedades são importantes, mas sua classificação pode variar dependendo dos ambientes locais e das condições operacionais. Os três pilares podem ser resumidos como se segue:
Eficiência: A proporção de partículas de ar de admissão capturadas pelo filtro é a métrica de desempenho mais amplamente reconhecida. Como os filtros de maior eficiência têm custos associados, os operadores precisam determinar uma classificação de eficiência que proporcione um retorno sobre o investimento.
Estanqueidade: Em locais úmidos ou à beira-mar, a resistência à umidade se torna uma alta prioridade. Os sais e outros sólidos dissolvidos transportados pela água podem ser altamente corrosivos e muitas vezes mais prejudiciais do que os contaminantes transportados pelo ar.
Taxa de recuperação de pulso: A rapidez com que os filtros recuperam o desempenho máximo após a limpeza é um terceiro fator-chave. A alta recuperação de pulso se torna prioridade máxima em ambientes desérticos ou árticos, onde há exposição contínua à poeira, neve e acúmulo de gelo, ou episódios repentinos de forte carga de partículas.
É necessária uma avaliação cuidadosa, caso a caso, para determinar a classificação desses fatores para uma situação local e um orçamento operacional. A identificação de prioridades lhe permitirá incorporar o projeto de entrada e a combinação de filtro mais apropriada para ser incorporada ao seu sistema de turbina a gás.
Para auxiliar os proprietários nesse processo de avaliação, a Donaldson testa e classifica seus filtros de entrada de turbina a gás nas três características, usando essas abreviações e suas respectivas pontuações de desempenho.
- Eficiência (Er0 a Er5)
- Estanqueidade (W0 a W5)
- Taxa de recuperação de pulso (S a P5)
Introducing Donaldson’s New User-Friendly Filter
Rating System
A Donaldson está ajudando os operadores de turbinas a gás a selecionar filtros que atendam às suas necessidades exclusivas de eficiência, estanqueidade e taxa de recuperação de pulso, na ordem de prioridade de que precisam. Com base em nossas décadas de experiência servindo operadores de turbinas a gás em todos os climas e condições, desenvolvemos uma escala de classificação de 0-5 pontos para cada atributo crítico, e agora classificamos cada um de nossos filtros em todas as três escalas. Essa metodologia tornará o balanceamento das características do filtro preciso e simples para uma ampla gama de operadores em todo o mundo.
Aqui está uma discussão sobre cada pilar e por que ele precisa ser corretamente avaliado, classificado e equilibrado com os outros para otimizar o desempenho e o custo operacional do sistema:
Eficiência: Equilíbrio das classificações com o custo
A maior eficiência de filtragem produz ar mais limpo, o que permite uma combustão mais eficiente, potência de saída sustentada e turbinas de maior duração. A filtragem de menor eficiência introduz partículas que podem sujar componentes da turbina a gás, diminuir a eficiência do compressor e afetar adversamente a integridade do compressor. A Figura 1 ilustra que um filtro Er2 de menor eficiência permite significativamente maior acúmulo de sujeira após apenas 1.200 horas do que um filtro Er5 de alta eficiência após 5.000 horas.
Figura 1: Palhetas guia de entrada (esquerda) após 1.200 horas de filtragem de menor eficiência (Er2), em comparação com as mesmas palhetas guia de entrada (direita) após 5.000 horas com filtragem de maior eficiência (Er5)
A lavagem da água do compressor da turbina a gás pode ser usada para recuperar a potência devido a incrustações; no entanto, uma diminuição geral da eficiência pode ocorrer após repetidas lavagens. A Figura 2 mostra a tendência de potência de uma turbina equipada com um sistema Er3/classe F que requer várias lavagens, comparada à de um sistema HEPA de alta eficiência (Er5) que não requer lavagens.
As linhas inclinadas para baixo do filtro classe F representam reduções típicas de desempenho devido ao acúmulo de sujeira, seguidas por oscilações de potência causadas pela lavagem. Após várias lavagens do compressor, a potência de saída de uma turbina a gás equipada com um filtro Er3 provavelmente será menor do que a de uma turbina com filtro Er5 que não requer lavagens.
Figura 2: Padrão típico de recuperação da eficiência do compressor após lavagens com água (dados de exemplo). Múltiplas lavagens do compressor são necessárias ao longo do tempo para recuperar a eficiência e a perda de potência. Um filtro Er5 / (H)EPA mantém a eficiência do compressor e a saída sem lavagem com água
Um filtro Er5 pode reduzir a necessidade de lavagens do compressor e manter uma maior eficiência da turbina. Isso também pode ajudar a reduzir os custos indiretos relacionados à manutenção e ao tempo de inatividade do equipamento.
Com a disponibilidade de turbinas muitas vezes um fator chave na avaliação do resultado financeiro, os operadores querem diminuir os custos de inatividade sempre que possível.
Outros fatores que afetam a eficiência do filtro incluem o fluxo de ar e a queda de pressão. Reduções na pressão de entrada por bloqueios ou elementos filtrantes subdimensionados podem comprometer a saída da turbina. Se um filtro operar a uma vazão que exceda as especificações de projeto, a queda de pressão resultante pode reduzir o desempenho do sistema.
A queda de pressão frequentemente aumentará à medida que o filtro for carregando. No entanto, existem trade-offs a considerar, e um equilíbrio deve ser alcançado. Como a maior queda de pressão de um filtro de maior eficiência ainda pode suportar ganhos a longo prazo, os proprietários e operadores do sistemadevem trabalhar em estreita colaboração com seu fornecedor de filtros para determinar as melhores classificações e características do filtro.
Vários sistemas de classificação de eficiência têm sido utilizados em toda a indústria de filtragem (ver barra lateral “Métodos de Classificação e Classificação de Eficiência”). Para simplificar, Donaldson agora combina as diferentes abordagens em uma escala de eficiência, de Er0 a Er5, como mostrado na figura 3.
Figura 3: Níveis mais altos de eficiência indicam maior proteção contra partículas. Esse método de classificação simples da Donaldson integra todas as principais normas de teste
Métodos de Classificação e Avaliação da Eficiência
A eficiência do filtro indica o desempenho de um filtro ao comparar a concentração de partículas a montante e a jusante do filtro. Essa eficiência de remoção é normalmente expressa como uma porcentagem da captura. No entanto, as classificações de eficiência de filtragem têm variado.
Nos Estados Unidos, os filtros têm sido historicamente classificados com um valor mínimo de eficiência (MERV), que foi desenvolvido pela American Society of Heating, Refrigeration and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE). As classificações MERV variam de 1 a 16, com uma pontuação mais alta indicando um melhor desempenho. Na Europa, duas normas foram utilizadas: Norma Europeia (EN) 779 e EN 1822. As normas EN 779 incluem classificações de G1-G4, M5-M6 e F7-F9, que geralmente abrangem a mesma gama de eficiências que as classificações MERV 1-15.
Os termos “ar particulado eficiente” (EPA) e “ar particulado de alta eficiência” (H)EPA são as medidas mais familiares em relação aos níveis premium de eficiência de filtragem. De acordo com as normas EN 1822, a (H)EPA foi definida como uma remoção mínima de 99,5% do tamanho da partícula mais penetrante (MPPS). Os filtros EN 1822 têm classificações de E10-E12, geralmente correspondentes aos níveis de filtragem EPA e (H)EPA.
Mais recentemente, uma nova norma, ISO 16890, foi introduzida mundialmente para unificar a forma como os filtros são testados e classificados. A metodologia foca mais nas classes de material particulado (PM). O protocolo de teste ISO 16890 desafia os filtros com partículas em uma ampla gama de diâmetros, depois mede a captura média em três faixas específicas: PM1, PM2.5, e PM10. Devido à natureza complexa de múltiplos padrões de teste, a Donaldson projetou uma ferramenta de eficiência que combina esses padrões de teste em uma escala de eficiência simples de usar, variando de Er0 a Er5, como mostrado na Figura 3.
Estanqueidade: Prevenindo a Corrosão
Assim como a poeira que escapa de um sistema de filtração menos eficiente, a água também pode impactar o desempenho da turbina. A umidade que entra na corrente de ar pode introduzir sais dissolvidos e outros sólidos.
Compostos como óxidos de ferro, cloretos e outros contaminantes podem causar corrosão ao longo do tempo, como mostrado na Figura 4. As lâminas da turbina podem então ter que ser lixadas, reparadas e reequilibradas - o que os operadores querem evitar.
Figura 4: Água e sólidos dissolvidos podem levar à corrosão das lâminas da turbina
A estanqueidade é particularmente importante nas áreas costeiras, pois a umidade do oceano carregada de sal pode expor o equipamento a uma corrosão acelerada. Consequentemente, a proteção contra a água salgada representa um fator chave que afeta a vida útil das turbinas a gás². Os fabricantes de turbinas a gás geralmente recomendam menos de 0,01 ppm de sal na turbina a gás. Em ambientes costeiros, o sal transportado pelo ar pode facilmente variar de 0,05 a 0,5 ppm em um dia típico.
De acordo com dados compilados pelo Programa Nacional de Deposição Atmosférica³, as concentrações de cloreto na atmosfera ao longo das áreas costeiras podem ser mais de 10 vezes... as concentrações das áreas interiores, como mostrado na Figura 5.
Figura 5: As concentrações de cloreto são geralmente mais elevadas nas áreas costeiras
Os ambientes petroquímicos também apresentam desafios, uma vez que os hidrocarbonetos podem entrar na corrente de ar sem a devida estanqueidade à água do sistema. Esses produtos podem deixar depósitos pegajosos nas lâminas e afetar negativamente o desempenho.
A estanqueidade deve ser simples de avaliar para o operador. Peça a seu fornecedor de filtros que forneça um relatório de teste de laboratório independente, verificando se uma determinada opção de filtro é estanque e, caso não seja, como ela funcionará em condições úmidas.
A Donaldson desenvolveu uma nova metodologia para testar filtros em um ambiente controlado ppara determinar a quantidade de água, se houver, que pode passar por um filtro. O teste direciona um spray de água de 60 litros por hora no filtro durante um período de oito horas. A queda de pressão do filtro e o volume de água que passa por ele são registrados.
Figura 6: Níveis mais altos de estanqueidade indicam a capacidade de impedir a entrada e proporcionar uma queda de pressão estável quando desafiado pela água
Com base nestas informações, a Donaldson classifica seus filtros de turbina a gás em uma escala de W0 a W5, com valores mais altos indicando uma maior estanqueidade. Um filtro classificado como W0 não seria capaz de suportar qualquer umidade, enquanto um filtro W5 poderia passar no teste com pelo menos 99,5% de retenção de água e não mais do que um aumento de 2 polegadas (WG) na queda de pressão. Uma exibição gráfica dessas classificações é mostrada na Figura 6.
Figura 7: Os testes de filtro indicam como o aumento da queda de pressão é reduzido com filtros de classificação mais alta
Donaldson testou e classificou seus filtros de ar para turbinas a gás mais comumente usados nesta escala de estanqueidade. A Figura 7 mostra como filtros de classificação mais alta reduzem o aumento da queda de pressão ao longo do tempo.
Taxa de recuperação: Filtros de limpeza por pulso de forma eficaz
Os projetos de entrada incluem tanto sistemas estáticos quanto sistemas de autolimpeza (pulso). A taxa de recuperação de pulso mede com que frequência os filtros podem ser limpos e quanta queda de pressão pode ser recuperada a cada vez.
Em carcaças de filtro projetadas por pulso, os filtros podem ser limpos introduzindo pulsos de ar comprimido pelo lado do ar limpo do filtro. Isto desalojará partículas de sujeira e detritos do lado a montante do meio filtrante de um filtro sujo. Essa prática pode ajudar a reduzir o custo de operação, minimizando a queda de pressão, prolongando a vida útil dos filtros e impedindo o desligamento não programado devido à incrustação dos filtros. Em um sistema de limpeza por pulso, isto pode ser feito durante o funcionamento da turbina.
A taxa de recuperação é a taxa na qual o filtro volta a uma condição “como novo” e .estabiliza a queda de pressão, permitindo operação contínua. Quanto maior a taxa de recuperação de pulso, mais “limpável” é um filtro. As taxas de recuperação em sistemas pulsados dependem em grande parte do ambiente e do tipo de meio filtrante utilizado. carregamento de superfície ou carregamento de profundidade. Os filtros de profundidade possuem camadas que capturam partículas progressivamente menores ao longo da espessura do meio filtrante. Embora retenham uma grande variedade de tamanhos de partículas, não podem ser limpas por pulso. Os filtros de carregamento de superfície, por outro lado, prendem todas as partículas na camada superior da mídia eformam uma leve “crosta de pó” que é facilmente removido pela limpeza por pulso, prolongando a vida útil do filtro.
Como no caso da eficiência e estanqueidade, a recuperação de pulso pode ser classificada usando dados de teste laboratoriais. A Donaldson desenvolveu um processo para medir a recuperação do pulso. Expondo os filtros a uma longa duração de condições simuladas de tempestade de areia, a queda de pressão e a eficiência do filtro são medidas para chegar a índices de recuperação de pulso, como mostrado na Figura 8. Na escala de Donaldson, um filtro S seria consideradoincapaz de suportar limpeza por pulso sem sofrer danos, enquanto o restante da classificação P indica o nível de recuperação do pulso. Há uma variedade de fatores de desempenho em filtros estáticos (S) e Donaldson está atualmente desenvolvendo um sistema de classificação independente para essas aplicações.
Figura 8: Níveis mais altos de recuperação de pulso indicam um desempenho estável de queda de pressão sob condições desafiadoras de poeira
Se a carcaça de seu filtro não tiver um sistema de pulso, as soluções de filtragem estática são as mais apropriadas. Uma solução estática típica utiliza meios filtrantes que carregam em profundidade e .prioriza maximizar a vida útil do filtro, equilibrando a queda de pressão e a capacidade de retenção de poeira.
Entretanto, as vantagens de um sistema de filtro pulsante podem ser ilustradas com um exemplo simplificado. Se 10 gramas de partículas por dia fossem capturadas por um filtro, em 100 dias,.um total de 1.000 gramas seria acumulado. O acúmulo de partículas também resultaria em um aumento da queda de pressão do sistema. Se a queda de pressão fosse considerada próxima aos limites permitidos, o filtro precisaria ser limpo ou substituído. Um filtro de carregamento de superfície poderia ser limpo durante a operação, enquanto um filtro de carga de profundidade precisaria ser substituído.
Os sistemas pulsáteis são frequentemente mais valiosos em áreas com poeira significativa, neve e acúmulo potencial de gelo. Nessas condições, os benefícios de longevidade do sistema de filtragem podem superar com folga o custo adicional de um sistema de limpeza por pulso. Em áreas menos propensas a poeira, neve e gelo, os sistemas pulsantes podem não ser tão econômicos.
Há vantagens consideráveis na operação de um sistema de limpeza por pulso. Muito parecido com um limpador de para-brisas de automóveis, a limpeza por pulso pode funcionar principalmente como uma contingência para eventos climáticos adversos. Mas quando há demanda e uma interrupção de energia seria indesejada, o valor da limpeza por pulso torna-se evidente. Um sistema totalmente funcional - incluindo elementos compatíveis com a limpeza por pulso - pode fornecer aos operadores um sistema que pode continuar operando enquanto o filtro é limpo por pulso. Se você herdou um sistema existente com limpeza por pulso, na maioria dos casos as vantagens de mantê-lo e equipá-lo com um filtro compatível com pulso compensam os custos de uma parada não planejada.
Figura 9: Filtros com taxas de recuperação de pulso mais altas geralmente mantêm quedas de pressão mais baixas por períodos mais longos
A relação entre taxa de recuperação e queda de pressão pode ser vista na Figura 9. Esse gráfico ilustra por quanto tempo três sistemas de filtragem com várias taxas de recuperação de pulso .mantiveram uma queda de pressão aceitável ao longo do tempo em um ambiente simulado com poeira. Geralmente, os filtros com maiores taxas de recuperação mantêm quedas de pressão mais baixas por períodos mais longos.
A operação de sistemas de limpeza por pulso também exige consideração adequada. Os sistemas são geralmente operados por um de três métodos: 1) manual; 2) automatizado com base na queda de pressão; ou 3) automatizado com base em intervalos de tempo. Independentemente de serem utilizados métodos manuais ou automatizados, a limpeza precisa ocorrerantes que o acúmulo de partículas alcance um nível problemático. Por exemplo, se a limpeza não for acionada no momento adequado, o acúmulo de sujeira pode chegar ao ponto de causar problemas operacionais significativos. Como em qualquer função de operação e manutenção, a negligência aumenta o risco de falha.
Em alguns casos, o sistema de pulso só será necessário para evitar a sujeira. Em períodos de gelo, neve, congelamento extremo e tempestades de areia, o sistema de pulso pode realmente manter a turbina funcionando, utilizando o sistema de pulso como medida preventiva.
Resumo: Avalie suas necessidades
As condições ambientais determinam em grande parte as decisões sobre o projeto do sistema de admissão e filtros. Os três pilares - eficiência, estanqueidade e taxa de recuperação de pulso - tipicamente não atuam isoladamente, mas requerem uma abordagem integrada. A identificação do equilíbrio e da combinação ideais para sua turbina de gás deve levar em conta os custos potenciais de inatividade e o retorno sobre o investimento (ROI) ao longo do tempo.
Ao avaliar o ROI, numerosos fatores podem ter impacto nos custos de filtragem. O cenário de cada operador precisa ser avaliado, pois o ROI varia conforme as condições de cada operação. Por exemplo, ao avaliar a eficiência da filtragem, nem sempre se justifica uma classificação de eficiência mais alta não é sempre justificável. Somente quando o aumento da produção compensar o custo de uma ligeiro aumento da queda de pressão é que um ROI financeiro pode ser realizado. A menor eficiência pode, às vezes, pode ser, de fato, mais econômica Da mesma forma, a estanqueidade pode superar a eficiência em áreas costeiras, mas não em regiões áridas, onde a exposição ao ar salino e corrosivo é pouco provável.
Cada situação é diferente, e uma revisão completa das necessidades do operador é necessária para identificar o projeto de filtro mais adequado. Os impactos econômicos, e não apenas os fatores técnicos, precisam ser considerados para cada planta. O objetivo final é avaliar quais fatores têm maior importância para atender às necessidades do operador.
Conversão para um filtro de entrada de ar apropriado: Dois exemplos de casos
O perfil EriWIP permite uma comparação justa e uma melhor correspondência entre as classificações do filtro de ar de entrada da Donaldson, ajudando as plantas a escolherem a solução de filtragem correta para suas condições operacionais e ambientais únicas. Se o ambiente ou as condições operacionais de uma planta mudarem, a Donaldson pode ajudar a planta a escolher a filtragem apropriada com base na eficiência (Er), estanqueidade (W) e recuperação de pulso (P) - os três atributos que mais diferem de um filtro para outro e, em combinação, também impulsionam os custos operacionais.
Com base no perfil do filtro atual, o operador pode selecionar filtros de reposição com classificações superiores nos atributos que são mais importantes para as novas condições. Um perfil Er|W|P fornece uma comparação justa e permite uma melhor combinação. A Donaldson utiliza testes padronizados para determinar o Eri/WIP em uma escala de 0 a 5 pontos, tanto para o filtro atual quanto para a solução proposta.
Aqui estão dois exemplos de casos hipotéticos de uma conversão benéfica do filtro usando a classificação Er|W|P:
Questão Ambiental
Uma fábrica em uma região agrícola está lidando com a poeira da época da colheita utilizando um pré-filtro em um filtro de profundidade. O pré-filtro e o filtro começam a se carregar rapidamente e passam a exigir substituição frequente. O proprietário descobre que uma pedreira de rochas reabriu para o Ocidente, agravando um problema de poeira. A Donaldson remove e testa o filtro atual da planta, descobrindo que ele apresenta eficiência de captura média-alta (Er3), estanqueidade moderada (W2) e baixa pulsabilidade. (P1). O problema torna-se evidente: A taxa limitada de recuperação de pulso (P1) do filtro existente não consegue acompanhar o ritmo da elevada carga de poeira. Com base nessas informações comparativas, a Donaldson recomenda uma substituição Er3/W1/P5. Nenhuma estanqueidade adicional é necessária no filtro, mas ele precisa fornecer a maior taxa de recuperação de pulso possível (P5) para lidar com a alta carga de poeira. Com essa mudança, a planta passa continuamente por altos níveis de poeira e projeta um rápido retorno sobre o investimento.
Mudança operacional
Uma central de geração de pico que opera 1.500 horas por ano sob demanda precisa ser convertida em um sistema de carga base que possa operar 8.000 horas. Como o tempo de parada passou a ser uma nova preocupação, a lavagem com água deixou de ser uma opção viável para otimizar a eficiência do compressor. A saúde dos compressores e a estabilidade de potência tornam-se as principais preocupações da equipe de gestão da planta — e a solução é um tipo diferente de filtro de ar de entrada. Durante uma avaliação, a Donaldson remove e testa o filtro sintético original e descobre que ele oferece eficiência média-alta (Er3), estanqueidade mínima (W1) e pulsabilidade máxima (P5). A Donaldson recomenda a substituição por um filtro com classificação Er5/W5/P1 — oferecendo maior eficiência e estanqueidade, com menor ênfase na pulsabilidade. Essa recomendação permite que a planta minimize o tempo de parada e maximize a produção de energia.
Referências:
- “How to Select the Optimal Inlet Air Filters for Your Engine”, Combined Cycle Journal, 26 de setembro, 2017
- “Technology Review of Modern Gas Turbine Inlet Filtration Systems”, International Journal of Rotating Machinery, Volume 2012 (2012)
- National Atmospheric Deposition Program/National Trends Network
