Poprawa wydajności filtrów wlotowych turbin gazowych w niskich temperaturach

Problem

Szron, deszcz ze śniegiem, śnieg lub zamarzająca mgła z chłodni kominowych mogą zatykać filtry powietrza, podczas gdy lód może zostać zassany do urządzenia, powodując naruszenie integralności strukturalnej systemu. Może to powodować znaczny wzrost różnicy ciśnień na filtrach, a tym samym całkowitego podciśnienia na wlocie do turbiny.

Dodatkowe podciśnienie zmniejsza dostępną moc wyjściową turbiny, a tym samym przychody zakładu. Jeśli zatkanie filtrów jest nadmierne i osiągnięta zostanie maksymalna dopuszczalna różnica ciśnień na filtrach, możliwe jest trwałe uszkodzenie filtrów lub wyłączenie turbiny.

Filtry zamienne mogą nie być natychmiast dostępne, co wymaga przedłużonego przestoju oraz powoduje utratę przychodów i nieplanowane koszty robocizny związane z konserwacją.

Lód może tworzyć się wewnątrz systemu wlotowego nawet wtedy, gdy temperatura zewnętrzna faktycznie nie osiąga lub nie spada poniżej punktu zamarzania. Gdy powietrze dostaje się do systemu filtrów wlotowych, jego prędkość wzrasta podczas przechodzenia przez obudowę filtrów, kanał wlotowy i tłumik.

Prędkości wzrastają, ponieważ przekrój kanału oraz wlotu sprężarki jest zawsze znacznie mniejszy niż przekrój obudowy filtrów wlotowych.

Ten wzrost prędkości powoduje spadek temperatury powietrza. Spadek temperatury może skutkować kondensacją pary wodnej zawartej w powietrzu i, w zależności od temperatury zewnętrznej, możliwym tworzeniem się lodu na wlocie sprężarki turbiny.

Niektóre turbiny wykorzystują również kierownice wlotowe do ograniczania przepływu powietrza do turbiny i umożliwienia pracy przy częściowym obciążeniu. Ograniczenie przestrzeni pomiędzy kierownicami podczas ich zamykania może powodować jeszcze wyższe prędkości oraz tworzenie się lodu bezpośrednio poniżej.

Ta warstwa lodu może zostać oderwana podczas pracy i uderzyć w łopatki pierwszego lub drugiego stopnia sprężarki, powodując uszkodzenie sprężarki. Jeśli filtry są już zatkane lodem lub śniegiem, istnieje tylko kilka możliwości działań korygujących. Operatorzy mogą usunąć część filtrów, aby zmniejszyć ciśnienie działające na turbinę, ale może to pozostawić ryzyko zassania ciał obcych oraz możliwego dalszego uszkodzenia turbiny.

Jeśli lód lub śnieg utworzył się lub zgromadził wyłącznie na prefiltrach pierwszego stopnia, usunięcie tylko prefiltrów może umożliwić dalszą pracę turbiny przy pewnym poziomie ochrony, jednak istnieje ryzyko dalszego uszkodzenia droższych filtrów końcowych, jeśli warunki będą się utrzymywać.The turbina może zostać wyłączona, powodując utratę przychodów, a filtry muszą zostać wymienione.

Niektórzy operatorzy próbowali po prostu usuwać śnieg i lód z filtrów za pomocą szczotek lub usuwać filtry i próbować strząsać śnieg oraz lód. Zwykle nie jest to w pełni skuteczne, ponieważ lód może tworzyć się wewnątrz samego medium filtracyjnego lub pomiędzy plisowanymi warstwami medium, a nie tylko na powierzchni. Istnieje bardzo realne ryzyko uszkodzenia filtrów przy użyciu tych metod.

Operatorzy próbowali spryskiwać filtry płynem odladzającym. Filtry powietrza zwykle nie są projektowane do bezpośredniego kontaktu z ciekłymi substancjami chemicznymi, dlatego istnieje podobne ryzyko trwałego uszkodzenia filtrów. Istnieje również ryzyko zassania części płynu odladzającego do turbiny, powodując tam uszkodzenia. Część płynu może dostać się do gruntu, powodując potencjalne problemy związane z zanieczyszczeniem środowiska.

Najlepszym rozwiązaniem jest zapobieganie zamarzaniu filtrów od samego początku oraz/lub zapobieganie tworzeniu się lodu na wlocie sprężarki turbiny poprzez zapewnienie podgrzewania powietrza wlotowego. Niniejszy dokument opisze kilka opcji rozwiązań podgrzewania powietrza wlotowego.

Przed zaprojektowaniem systemu grzewczego dla obudowy filtrów wlotowych operatorzy powinni dokładnie rozważyć cele projektu: ochronę filtrów przed zamarzaniem, zapobieganie tworzeniu się lodu na wlocie sprężarki lub oba te cele. Generalnie określa to miejsce, w którym ciepło musi zostać wprowadzone do strumienia powietrza spalania. Jeśli ochronie ma podlegać wyłącznie obszar „bell mouth” wlotu sprężarki, ciepło może zostać wprowadzone do kanału wlotowego poniżej głównego tłumika powietrza spalania oraz daleko poniżej filtrów wlotowych. Takie rozwiązanie zazwyczaj skutkuje niższym początkowym kosztem inwestycyjnym systemu grzewczego.

Oczywiście wprowadzanie ciepła poniżej filtrów nie zapobiega zamarzaniu filtrów. Wprowadzanie ciepła powyżej filtrów generalnie pomaga zarówno chronić filtry, jak i zapobiegać tworzeniu się lodu przy wlocie sprężarki typu bell mouth, ale koszt inwestycyjny takiego rozwiązania jest wyższy.

Kolejną decyzją projektową jest określenie całkowitego obciążenia cieplnego. Aby zapobiec tworzeniu się lodu spowodowanemu wzrostem prędkości powietrza w systemie wlotowym, typowa zalecana wartość projektowa wzrostu temperatury powietrza wlotowego wynosi około 12 stopni F (8 stopni C).

Celem jest zmniejszenie wilgotności względnej w napływającym strumieniu powietrza do około 68% RH, tak aby kondensacja nie mogła wystąpić i lód nie mógł się tworzyć, gdy powietrze spalania przyspiesza i schładza się podczas przepływu przez obudowę filtrów oraz kanał wlotowy.

Operator może zdecydować, że wymagane jest większe obciążenie cieplne w zależności od zasysanego śniegu, lodu, mgły z chłodni kominowych i innych czynników. Jeśli system podgrzewania powietrza wlotowego ma dostarczać wystarczającą ilość ciepła do rzeczywistego topienia śniegu lub lodu zasysanego do wlotu i wychwytywanego na filtrach, znacznie zwiększa to obciążenie cieplne, ponieważ ciepło topnienia wody jest znacznie większe niż ilość ciepła wymagana jedynie do podniesienia temperatury napływającego powietrza.

Środowisko lokalizacji powinno zostać dokładnie przeanalizowane, a natężenie przepływu masowego zasysanego śniegu lub lodu musi zostać oszacowane. Często trudno jest dostarczyć wystarczającą ilość ciepła do stopienia całego zasysanego śniegu i lodu. Dlatego często wprowadza się kompromisy projektowe, ograniczające możliwości jedynie do topienia częściowych lub mniejszych ilości zasysanego materiału.

Ogólnie wartość 0.2 g/m3 powietrza zwiększa obciążenie cieplne o około 10%. Spadek ciśnienia na ścieżce przepływu powietrza spalania oraz hałas są innymi czynnikami, które należy uwzględnić przy projektowaniu systemu grzewczego i mogą wpływać na wybór źródła ciepła.

Systemy podgrzewania powietrzem upustowym ze sprężarki mają bardzo niski spadek ciśnienia powietrza spalania, w niektórych przypadkach pomijalny.

Jednak systemy upustowe sprężarki generują hałas. Typowy poziom generowanego hałasu własnego wynosi 85 dBA SPL @ 1 meter. Dostępne są tłumiki i inne opcje, jeśli wymagane są niższe poziomy hałasu. Systemy upustowe sprężarki z natury zmniejszają dostępną moc wyjściową turbiny, ponieważ znaczna część całkowitego powietrza spalania nie jest dostępna do spalania.

Należy skonsultować się z producentem OEM turbiny w celu określenia maksymalnej dopuszczalnej ilości powietrza upustowego oraz wynikającego z tego zmniejszenia mocy wyjściowej turbiny.

Zastosowanie wężownic grzewczych spowoduje mierzalny spadek ciśnienia na ścieżce przepływu powietrza spalania, co doprowadzi do pewnej utraty mocy wyjściowej turbiny.

Stosowanie wężownic grzewczych wymaga również dodatkowego orurowania dla strony powrotnej medium oraz potencjalnie pomp recyrkulacyjnych. Jeśli stosowana jest para, należy uwzględnić kondensat. Spadek ciśnienia dla wężownic glikolowych prawdopodobnie będzie wyższy niż dla wężownic parowych.

Wybór rozwiązania źródła ciepła

Systemy powietrza upustowego sprężarki

Najczęściej stosowanym typem systemu podgrzewania wlotu jest system podgrzewania z wykorzystaniem powietrza upustowego sprężarki. Wykorzystuje on część powietrza spalania odprowadzanego z sekcji sprężarki turbiny, które zostało samoczynnie podgrzane w wyniku sprężania. Powietrze jest odprowadzane ze sprężarki przez przyłącze rurowe na obudowie sprężarki i recyrkulowane z powrotem do głównego przepływu powietrza wlotowego.

Powietrze ze sprężarki może mieć temperaturę w zakresie od 500 F do 700 F oraz ciśnienie od 100 do 200 PSI, w zależności od modelu turbiny oraz stopnia sprężania, z którego powietrze jest odprowadzane. Producent OEM turbiny powinien zostać najpierw skonsultowany w celu potwierdzenia, czy istnieje przyłącze do obudowy sprężarki oraz czy możliwe jest odprowadzenie części sprężonego powietrza wlotowego.

Wiadomo, że wiele jednostek turbin modeli Siemens Westinghouse W501F (Siemens SGT5000F) SGT 8000H, GE 7FA, Mitsubishi M701F, M501G oraz Alstom GT-11N2 wdrożyło systemy podgrzewania powietrza wlotowego z wykorzystaniem powietrza upustowego sprężarki. Producenci OEM turbin w wielu przypadkach zintegrowali takie rozwiązania jako opcje w swoich podstawowych ofertach elektrowni.

Projekt systemu wymaga następujących danych wejściowych:

• Rzeczywisty objętościowy przepływ powietrza spalania
• Masowy przepływ powietrza upustowego sprężarki
• Temperatura powietrza upustowego sprężarki
• Ciśnienie powietrza upustowego sprężarki

Ochrona filtrów oznacza najpierw wprowadzenie ciepła do przepływu powietrza powyżej filtrów. Powoduje to większy układ grzewczy niż w przypadku, gdy jedyną potrzebą jest zapobieganie tworzeniu się lodu na wlocie sprężarki. To z kolei pomaga również chronić filtry wlotowe przed zamarzaniem.

Istnieją dwie opcje rozpraszania gorącego powietrza przed filtrami: system wysokociśnieniowy lub system niskociśnieniowy. W systemie wysokociśnieniowym gorące powietrze jest dostarczane prawie pod takim samym ciśnieniem, pod jakim zostało odprowadzone ze sprężarki.

System dystrybucji jest wykonany z orurowania. Rozpraszanie powietrza odbywa się za pomocą dysz, które redukują ciśnienie, tłumią hałas i rozpraszają powietrze promieniowo z każdej dyszy. Liczba i rozmieszczenie dysz są określane na etapie szczegółowego projektowania, ale w przypadku dużego wlotu turbiny często przekraczają 100.

Rozwiązanie niskociśnieniowe wykorzystuje zawór redukujący ciśnienie pomiędzy przyłączem powietrza upustowego sprężarki na turbinie a wlotem filtra. Powietrze może następnie przepływać przez przewody o lżejszej konstrukcji (ale generalnie o większym przekroju), a centralny tłumik jest używany do redukcji hałasu. Dodatkowe przewody odgałęźne są stosowane na powierzchni wlotowej ze szczelinami do rozpraszania gorącego powietrza na całej powierzchni wlotu.

Wężownice grzewcze

System grzewczy może zostać zaprojektowany z wykorzystaniem pary lub glikolu krążącego przez tradycyjne wężownice lamelowo-rurowe zamontowane w strumieniu powietrza wlotowego.

Wadą stosowania glikolu jako medium jest konieczność zastosowania wymiennika ciepła lub oddzielnego kotła do podgrzewania medium.

Prawdopodobnie wystąpi zarówno dodatkowy początkowy koszt inwestycyjny, jak i koszt operacyjny związany z kotłem lub wymiennikiem ciepła, pompą obiegową medium oraz orurowaniem powrotnym. Wężownice typu lamelowo-rurowego są generalnie ciężkie, co wymaga przeprowadzenia analizy konstrukcyjnej podpór filtrów wlotowych w celu zapewnienia właściwego podparcia ciężaru.

Para była stosowana w niektórych lokalizacjach poprzez doprowadzenie pary z HRSG z powrotem do wężownic parowych zamontowanych na wlocie.

Rozwiązania są generalnie specyficzne dla lokalizacji

Nederman Pneumafil rutynowo dostarcza rozwiązania inżynieryjne mające na celu ograniczenie kosztownych napraw i nieplanowanych przestojów spowodowanych niskimi temperaturami i mokrą pogodą. Przy każdej okazji lokalne warunki miejsca są analizowane wraz z operatorem, uzgadniane są cele projektowe i opracowywane jest rozwiązanie. Należy zauważyć, że operatorzy często oczekują gwarancji, że instalacja takiego systemu nigdy więcej nie doprowadzi do wyłączenia z powodu śniegu i lodu, aby uzasadnić swoją inwestycję kapitałową.

Generalnie takie gwarancje są bardzo trudne do zapewnienia, a wydajność systemu jest po prostu określana przez ilość dostarczonego ciepła. Natura i pogoda są tak samo nieprzewidywalne jak zawsze, a każde wystąpienie rzeczywistych warunków zewnętrznych wykraczających poza uzgodnione warunki projektowe może nadal prowadzić do przestojów lub obniżonej wydajności.

Jednak instalacja grzewcza zdecydowanie zmniejszy ilość przestojów lub utraconych przychodów w porównaniu z systemem bez takiej ochrony.