Die Entwicklung der Turbinenfiltration

Von Tim Nicholas, 16. November 2022

Die Kosten für einen Schaden oder einen Ausfall einer Gasturbine können schnell in die Millionen gehen. Verunreinigungen können eine Turbine beschädigen und ihre Leistung verringern. Betreiber sind sich bewusst, dass zum Schutz von Turbinen, die häufig in rauen Umgebungen installiert werden, Filtersysteme erforderlich sind. Allerdings ist der Schutz der Maschinen und ihrer Leistung angesichts der extrem hocheffizienten und präzise konstruierten Gasturbinen von heute wichtiger denn je. Mit der Weiterentwicklung der Gasturbinentechnologie haben auch die Filtersysteme Schritt gehalten.

Die neueste fortschrittliche GT-Technologie erreicht ein hohes Maß an Effizienz durch ein besseres Verständnis der Wärmeübertragung, höhere Brenntemperaturen und präzise „Super-Finish“-Aerodynamikdesigns. Zu den Konstruktionsmerkmalen gehören eine fortschrittliche Schaufelaerodynamik, ein verbesserter Luftkühlungsstrom, ein verbessertes Design der Komponenten des Heißgaspfads zur Reduzierung von Temperatur- und Spannungsgradienten sowie verbesserte Wärmedämmschichten. Die Feinabstimmung dieser Maschinen und der von ihnen verwendeten Superlegierungen erfordert einen strengeren Schutz vor den Schäden, die feinere Partikel und Verunreinigungen im Einlassluftstrom verursachen können.

Zu den Verunreinigungen können Salz, Staub, Sand und Feuchtigkeit gehören, und ein Gasturbinenfiltersystem muss oft einige oder alle davon beseitigen. Größere Staub- oder Sandpartikel können die speziellen Superlegierungen, Oberflächen und Beschichtungen im Inneren des Kompressors und der Turbine angreifen und schließlich zu schweren Maschinenschäden führen. Feinere Staubpartikel können an Turbinenschaufeln haften bleiben, die Betriebsaerodynamik beeinträchtigen, die Turbineneffizienz verringern und die Betriebskosten erhöhen.

Salz ist einer der problematischsten Schadstoffe für Gasturbinenbetreiber. In der Offshore-Industrie und überall in der Nähe von Salzgewässern können Schäden an Turbinen schnell und schwerwiegend sein, wenn sie nicht ordnungsgemäß behoben werden. Salz ist hygroskopisch, das heißt, es kann Feuchtigkeit aus der Luft aufnehmen und schnell zwischen trockener, klebriger und flüssiger Form wechseln. Salz haftet nicht nur an Turbinenschaufeln und beeinträchtigt die Effizienz, sondern kann sich auch in heißeren Bereichen der Turbine mit Kraftstoff verbinden und Natriumsulfat bilden, das mit Turbinenmetall reagiert und so eine beschleunigte Korrosion verursacht.

Kleine Feuchtigkeitströpfchen im Turbineneinlassluftstrom verbinden sich mit Staub und bilden Schlamm, der einen Filter verstopfen kann. Aufgrund ihrer Größe können diese Tröpfchen auch in die Matrix des Filtermediums eindringen und dort stecken bleiben. Feuchtigkeit verursacht auch schnelle Änderungen im physikalischen Zustand hygroskopischer Salzpartikel von fester zu flüssiger Form, was ihre Handhabung für das Filtersystem erschwert.

Eines der Hauptelemente eines Filtersystems ist das Filtermedium. Da unterschiedliche Verunreinigungen zu bewältigen sind, verfügen große moderne Gasturbinen typischerweise über mehrere Filterstufen mit immer feineren Medien zum Sammeln von Partikeln. Dieses Medium wird in Platten gefaltet, um die Filterfläche zu maximieren und die Filtereffizienz zu optimieren.

Die Auswahl der richtigen Medien für einen Installationsort ist jedoch nur ein Teil der Geschichte. Wenn die Filter nicht so konzipiert und konstruiert sind, dass sie den Elementen selbst standhalten, kann Luft an den Medien vorbeiströmen und diese unbrauchbar machen. Luft nimmt immer den Weg des geringsten Widerstands und wenn sie das Medium umgehen kann, trägt sie die Verunreinigungen und Feuchtigkeit mit sich, die die Filter verhindern sollen, dass sie die Gasturbine erreichen. Die Folge sind Lochfraß und Korrosion, die im Laufe der Zeit die Leistung der Turbine erheblich beeinträchtigen und schließlich zu katastrophalen Ausfällen und Ausfällen führen können.

Um einen Luftbypass zu verhindern, müssen die Filterkonstruktionen robust sein. Durch den Einsatz der Polyurethan (PU)-Strömungstechnologie in der Filterkonstruktion wird eine vollständige Kapselung der Medienfalten gewährleistet. In Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit kann es auch sinnvoll sein, die Kantenversiegelungstechnologie zu verwenden, bei der am Rand der Falten durchgehende Heißschmelzperlen aufgetragen werden, die als sekundäre Verstärkungsdichtung gegen Feuchtigkeit dienen.

Weitere Überlegungen zur Filterkonstruktion umfassen die Rostgefahr. Besonders hoch ist die Rostgefahr dort, wo sich Salzpartikel, hohe Luftfeuchtigkeit und Schwefelwasserstoff aus Erdgas in der Atmosphäre befinden. Schwefeldioxidemissionen aus Dieselabgasen in städtischen Gebieten, Vulkane, Quellen, starke Laugen, Putze und Zement aus nahe gelegenen Industrien, die Chloride und Sulfate enthalten, saures Regenwasser und Kühlturmdrift können Rostbildung fördern. Daher ist es sinnvoll, die Metallteile des Filtergehäuses mit einer Pulverbeschichtung zu versehen, um die Zuverlässigkeit und Widerstandsfähigkeit gegenüber Umwelteinflüssen zu erhöhen. Wasserdichte Beschichtungen mit vernetzten Materialien erhöhen die Widerstandsfähigkeit des Filters gegenüber Rissen, Abblättern, Absplitterungen und Abrieb weiter.

Bei der Suche nach einer zuverlässigen Filterlösung sollten Betreiber auch auf Geräte mit robusten Rahmen, die Verwendung von Baumaterialien, die nicht reißen oder mit der Zeit spröde werden, und eine Medienauswahl achten, die nicht anfällig für plötzliche Verstopfungen und Druckspitzen ist.

Das Problem bei Filterbewertungen und -spezifikationen besteht darin, dass sie normalerweise unter Laborbedingungen durchgeführt werden, die nichts mit der Kombination echter Umweltfaktoren zu tun haben, denen Gasturbinenfilter in der realen Welt ausgesetzt sein können. Von gemäßigten Klimazonen über heiße, staubige Wüsten bis hin zu Gebieten mit Gefriertemperaturen, Salzaerosolen oder hoher Luftfeuchtigkeit – jede Gasturbinenanlage hat einzigartige Umweltherausforderungen. Der einzig wahre Maßstab für die Qualität eines Filters ist seine Leistung vor Ort. Zu diesem Zweck sollten Gasturbinenbetreiber Optionen in Betracht ziehen, die ausführlichen Tests unter realen Bedingungen unterzogen wurden, und zwar an Standorten, die ähnliche Elemente wie Ihre Standortinstallation aufweisen.

Um die bemerkenswerte Leistung hocheffizienter, fortschrittlicher Gasturbinen bestmöglich zu schützen, werden auch Filtersysteme weiterentwickelt. Ein Filtersystem ist nur so gut wie sein schwächster Teil. Während die Wahl des Mediums wichtig ist, sind bei der Gestaltung von Filtern viele andere Faktoren erforderlich, um sicherzustellen, dass die Leistung der Gasturbine erhalten bleibt, einschließlich Konstruktion, Abdichtung, Faltendesign, Behandlungen und Beschichtungen sowie Wahl des Mediums über mehrere Filtrationsstufen hinweg.

Über den Autor: Tim Nicholas ist PowerGen Market Manager für die Gas Turbine Filtration Division von Parker Hannifin.