Schriftenreihe Viledon Maßgeschneiderte Filterkonzepte für die

Schriftenreihe Viledon
Maßgeschneiderte Filterkonzepte
für die Zuluftfiltration von Gasturbinen und Turbokompressoren
Dipl.-Ing. Thomas Schroth
Vortrag anläßlich
3. Filterkolloquium
„Fortschritte und Entwicklungstendenzen
bei der Gasreinigung mit filternden Abscheidern“
Universität Karlsruhe (TH), 16. März 1993
Auszugsweise veröffentlicht in
Chemie-Anlagen + Verfahren, Heft 7/93, S. 18 + 21
Diesel & Gas Turbine Worldwide, Oktober 1993,
S. 38 + 40
■■Einleitung
Partikelförmige Verunreinigungen in der Ansaugluft
stellen einen wichtigen Einflußfaktor auf das Betriebsverhalten von Gasturbinen und Turbokompressoren dar. Die Leistungsfähigkeit der eingesetzten
Luftfilter bestimmt bei einer standortbedingten Staubund Schmutzbelastung der Umgebungsluft wesentlich
den zeitlichen Verlauf von Wirkungsgrad- und Leistungsrückgang der Turbomaschine. Die über den Luftweg
eingetragenen Partikeln verursachen in Abhängigkeit
von ihrer Größe auf den Schaufeloberflächen Materialabtrag oder Staubanbackungen.
■■Aufgabe der Luftfilter
1
Bezogene Leistung (P/P0)
1
h/h0
0,995
0,995
P/P0
0,99
0,99
0,985
0,985
0,98
0
100
200
300
400
0,98
500
Bezogener Wirkungsgrad (h/h0)
Die in Gasturbinen und Turbokompressoren eingesetzten Luftfilter haben in erster Linie die Aufgabe, Schäden
an der Beschaufelung der Turbomaschine zu verhindern.
An das Zuluftsystem werden zum Teil physikalisch gegenläufige Anforderungen gestellt. Die Luftfilter sollen
durch die Umgebungsluft eingetragene Partikeln hochwertig abscheiden und dennoch bei niedrigen Druckverlusten lange Standzeiten erreichen. Die Abhängigkeit
von Leistung und Wirkungsgrad einer Gasturbine vom
Druckverlust im Ansaugsystem ist in Abbildung 1 enthalten. Bei extrem hoher Abscheideleistung der Luftfilter wird zwar der Leistungsabfall infolge geringer Kompressorverschmutzung zurückgehen, aber die hohe
Druckdifferenz der Filter dazu gegenläufig die Leistungsabgabe der Turbomaschine verringern. Außerdem nimmt die Filterstandzeit mit zunehmender Abscheideleistung ab.
Die Filterstandzeit wird dann besonders wichtig, wenn
die Luftfilter nur einmal pro Jahr, zu einem bestimmten
Zeitpunkt, im Zuge einer Anlagenrevision gewechselt
werden sollen. Bei vorzeitigem Filterwechsel aufgrund
zu schnellen Differenzdruckanstieges entstehen hohe
Ausfallkosten, da die Filter aus Sicherheitsgründen
üblicherweise nur bei stehender Turbine gewechselt
werden.
Weiterhin ist der Betreiber einer Turbomaschine gezwungen, hohe Ansprüche an die Betriebssicherheit der
Luftfilter zu stellen. Beispielsweise müssen Materialzerstörungen am Filtermedium bei Durchnässung der Filter
während langanhaltender Nebelwetterlagen ausgeschlossen sein. Wenn die Turbomaschine ins Pumpen
kommt, d. h. kurzzeitige, expansive Rückströmung der
Ansaugluft stattfindet, dürfen die Luftfilter nicht beschädigt werden.
Als erfahrener Zuluftanlagen- und Filterhersteller ist
Freudenberg in der Lage, durch die Auswahl geeigneter Luftfilter dem Betreiber einer Turbomaschine ein
aus wirtschaftlicher und technischer Sicht optimiertes
Filtrationskonzept anzubieten.
Die Optimierung beruht in erster Linie auf
● der Rohstoff- und Filtermediumauswahl,
● der Abstimmung von Vor- und Endfiltern auf Luftbeschaffenheit am Anlagenstandort und Anforderungen
an die Reinluftqualität,
● Gewährleistung von Korrosionsfreiheit der Filter bei
unterschiedlichsten Witterungseinflüssen,
● dem Vorhandensein von Sicherheitsreserven gegenüber Bersten bei außergewöhnlichen Belastungen
der Luftfilter und
● konstanter Qualität der eingesetzten Produkte.
Druckverlust im Ansaugsystem (Pa)
Abb. 1:
Leistungs- und Wirkungsgradabfall einer Gasturbine durch
Druckverlust im Ansaugsystem
Abb. 2:
Staubanbackungen auf Laufschaufeln einer Industrie-Gasturbine (6 MW)
■■Schäden durch luftgetragene Partikeln
Abbildung 2 zeigt Staubanbackungen auf Laufschaufeln
einer 6 MW-Industrie-Gasturbine. In Abbildung 3 ist der
über zwei Betriebszyklen von 3.676 h und 4.021 h
festgestellte Rückgang der Turbinenleistung infolge
Verschmutzung des Kompressors einer 25 MWGasturbine dargestellt. Durch Waschen wird jeweils ein
hoher Leistungsrückgewinn erreicht. Dies dokumentiert
den starken Einfluß der Kompressorverschmutzung auf
den Gasturbinenbetrieb.
*Pel (MW)
25
24
23
22
0,9 MW
3,8 %
1,2 MW
5%
1. Waschen
ohne
Reinigung 0
0
2. Waschen
ohne Reinigung
3676 h
0 ohne Reinigung
3. Waschen
Partikelgrößenbereich
Erosion
> 5 - 10 mm
16.417
Gasturbine
Turboverdichter
Verschmutzung
(Fouling) und
dadurch bedingte
ca. 0,1 - 5 mm
Unwucht und
reduzierter Luftmassenstrom
Verschmutzung
der Zwischenkühler und
nachgeschalteter
Anlagenkomponenten
ca. 0,1 - 5 mm
Naßkorrosion
ca. 0,1 - 5 mm
Hochtemperaturkorrosion
ca. 0,1 - 5 mm
Verstopfen der
Kühlschlitze
ab 0,1 mm
4021 h
Abb. 4:
12.741
* Leistung bezogen auf eine
Ansaugtemperatur von 10°C
Abb. 3:
0,9 MW
3,8 %
Schadensbild
Schäden an Turbomaschinen
20.438
Gesamt-Betriebsstunden
Leistungsverlust durch Verdichterverschmutzung
Leistungsrückgewinn durch „Waschen“
und
Bei geschlossener Turbomaschine sind zwei Arten des
Waschens möglich. Während beim off-line-Waschen die
Beläge durch Einweichen in Waschlösung von den
Schaufeln abgelöst werden, wird beim on-line-Waschen
eine Waschmittellösung in den Kompressor eingedüst.
Das zeit- und daher auch kostenintensive Waschen der
Maschine in abgefahrenem Zustand (off-line) erweist
sich als effektiver als das on-line-Waschen, das jedoch
bei laufender Anlage durchgeführt werden kann. Wird
eine Gasturbine während des Waschens vom Netz
genommen, sind damit im Falle der in Abbildung 3 beschriebenen 25 MW-Maschine bei fünf Stunden Waschzeit 125.000 kWh weniger elektrische Energieerzeugung verbunden.
Beim on-line-Waschen ist es besonders schwierig, die
von den vorderen Schaufeln abgelösten Schmutzpartikeln bis in die Brennkammer zu transportieren und
damit ein Anbacken auf den hinteren Kompressorschaufeln zu verhindern. Erst im Zuge von Anlagenrevisionen und Aufdecken der Turbomaschinen können
derartige Schaufelbeläge praktisch vollständig entfernt
werden.
Ein wichtiger Zusammenhang besteht zwischen Schadensbild und korrelierender Partikelgröße (siehe hierzu
Abbildung 4). Partikeln von ca. 5 µm und größer haben
abrasive Wirkung auf die Kompressorschaufeln und
müssen von Luftfiltern praktisch vollständig abgeschieden werden. Insbesondere durch Partikeln kleiner
ca. 5 µm wird Belagbildung auf den Schaufeln verursacht.
Die Beläge bewirken zum einen Veränderungen der
Schaufelgeometrie und zum anderen Verengung des
freien Durchströmungsquerschnitts. Ersteres hat einen
Rückgang des Kompressorwirkungsgrades, letzteres
einen reduzierten Luftmassenstrom zur Folge. Bei
Gasturbinen werden dadurch Leistungsabgabe und
Wirkungsgrad erniedrigt, bei Turbokompressoren steigt
die Leistungsaufnahme, wenn ein konstantes Druckverhältnis gefordert ist. Aus diesem Grund sollten
durch die eingesetzten Luftfilter nicht nur die in der
Ansaugluft vorhandenen Partikeln größer 5 µm sondern
auch kleinere in hohem Maße abgeschieden werden.
Mit einem Anstieg der Abscheideleistung ist allerdings
eine Erhöhung des Filterdruckverlustes verbunden, was
sich auf Wirkungsgrad und Leistung der Turbomaschine
negativ auswirkt.
200 mm
Abb. 5:
LIM-Aufnahme: Belagprobe des Leitschaufelträgers einer
Großgasturbine
In Abbildung 5 ist eine lichtmikroskopische Aufnahme
des Schaufelbelages einer Großgasturbine (100 MW)
dargestellt. Die schwarzen Partikeln reflektieren Licht
stark, was auf einen hohen Rußanteil in Verbindung mit
unverbrannten Kohlenwasserstoffen schließen läßt. Für
die Zuluftfiltration dieser Gasturbine waren Feinstfilter
(Abscheidegrad für Partikeln von 2 µm und größer
ca. 100 %) eingesetzt gewesen. Der Belag besteht
im Prinzip nur aus Partikeln kleiner 2 µm, die stark
zu Agglomeratbildung neigen.
Im Vergleich hierzu zeigt Abbildung 6 den
Schaufelbelag einer Gasturbine, die ohne Zuluftfilter
betrieben wurde. Die zum Teil vorhandene Transluzenz
ist ein Indikator für natürliche Partikeln, die aus der
Erosion der Erdkruste stammen. Da diese Partikeln
5 µm Größe übersteigen, wird von ihnen neben
Belagbildung auch Erosion des Schaufelmaterials
verursacht.
50 mm
Abb. 6:
LIM-Aufnahme: Staubprobe Schaufelbelag, Gasturbine ohne
Zuluftfilter
Abbildung 7 zeigt das Spektrum einer energiedispersiven Röntgenfluoreszenz-Analyse (EDS-Analyse) des
Schaufelbelages einer 50 MW-Gasturbine, die mit Rollbandfiltern als einzige Filterstufe betrieben wurde. Der
hohe Peak für Silicium weist auf das Vorhandensein natürlicher Partikeln hin, die hauptsächlich größer 5 µm
sind. Der Schwefel-Peak ist ein Indikator für Verbrennungsprodukte (Ruß) und Sulfate. Die in die Turbine
eingetragenen Partikeln größer 5 µm hatten starken
Materialabtrag auf den Schaufeln verursacht.
Abb. 7:
EDS-Analyse: Belagprobe der 1. Laufschaufelreihe einer
Gasturbine mit Rollbandfiltern
Die EDS-Analyse der Mikrofaserschicht eines Taschenfilters (siehe Abbildung 8) zeigt, daß hier vor allem
Schwefel und Chlor enthaltende Partikeln zurückgehalten wurden. Der Anteil natürlicher Partikeln ist gering, da diese aufgrund ihrer Größe bereits in hohem
Maße von den Vorfiltern abgeschieden wurden. Schwefel ist ein Element, das vor allem bei Partikeln kleiner
2 µm gefunden wird.
Abb. 8:
EDS-Analyse: Mikrofaserschicht eines Compact Taschenfilters nach Einsatz in Gasturbine
Die diskutierten Analysen verdeutlichen die Notwendigkeit einer qualitativ hochwertigen Zuluftfiltration. Der
Einsatz von planem Filtermaterial (z. B. Rollbandfiltern)
ermöglicht nicht das Erreichen einer für Turbomaschinen notwendigen Reinluftqualität, da auch Erosion des
Schaufelmaterials auftritt. Im untersuchten Taschenfilter wurden Partikeln größer 2 µm praktisch vollständig
und kleinere in hohem Maße zurückgehalten.
■■Luftfiltertypen
Der durch ein Filtermedium verursachte Druckverlust
hängt im Bereich laminarer Durchströmung (Re < 1) ungefähr linear von der Durchströmgeschwindigkeit der
Luft durch das Medium ab. Für größere Reynoldszahlen
nimmt der Druckverlust überproportional zu. Es ist daher aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten erforderlich,
auf einem zur Verfügung stehenden Anströmquerschnitt möglichst viel wirksame Filterfläche zu installieren. Den zweiten Einflußparameter auf den Druckverlust stellt die Porosität (Hohlraumvolumenanteil)
des Filtermediums dar. Bei gleichem Flächengewicht
und gleichem Faserdurchmesser hat ein verdichtetes
Filtermedium einen höheren Druckverlust und geringeres Staubspeichervermögen als ein voluminöses.
Aus der Konfektionierungstechnik für Schwebstoffilter
hat sich ein Typ von Zuluftfiltern für Turbomaschinen
entwickelt, der sogenannte Kassetten- oder Rigid-Filter.
Das meist als Filtermedium verwendete Glasfaserpapier
wird aus – im Vergleich zu Schwebstoffiltern – gröberen Glasfasern hergestellt, um den Druckverlust auf einen für Turbomaschinen akzeptablen Wert zu senken.
Da Glasfaserpapiere nicht voluminös herstellbar sind,
wird durch Plissieren bis zu 20 m2 Filterfläche auf
0,37 m2 Anströmquerschnitt untergebracht. Der Nachteil des im Vergleich zu voluminösen Vliesstoffen sehr
viel höheren Druckverlustes und niedrigeren Staubspeichervermögens der Flächenware soll dadurch ausgeglichen werden. In der Praxis ergibt sich allerdings das
Problem, in den Faltentiefen die Belegung des Filtermaterials und somit eine tatsächliche Ausnutzung der
installierten Filterfläche zu erreichen. Weiterhin stellt
sich die Feuchtebeständigkeit des Glasfaserpapiers bei
Einwirkung von Wasser über längere Zeiträume als
problematisch dar. Als wenig geeignet haben sich Filtermedien aus Zellulosepapier herausgestellt, da dieses bei Feuchteeinwirkung zum Quellen neigt und damit
ein Anstieg des Druckverlustes verbunden ist. Diese
Materialveränderung kann bis zur Zerstörung des Filtermediums führen.
Eine zweite Variante der Zuluftfilter für Turbomaschinen
stellen die Patronenfilter dar. Es handelt sich dabei um
sternförmig gefaltete Filtermedien, die in zylindrische
Form gebracht werden. Diese Filterpatronen sind aus
der Entstaubungstechnik bekannt, wo sie eine Alternative zu Schlauchfiltern bilden, und genau wie diese
durch Druckstoßabreinigung vom gebildeten Staubkuchen befreit werden können. Das Argument, die Filter
seien abreinigbar, hat auch bei der Zuluftfiltration für
Turbomaschinen viele Anhänger gefunden.
In der Praxis zeigt sich jedoch, daß das typische Verhalten von atmosphärischem Staub europäischer Breitengrade die Abreinigung sehr schwierig macht. Der
Staub haftet aufgrund seiner Klebrigkeit stark auf den
Filtermedien und verursacht einen irreversiblen Differenzdruckanstieg. Häufiges Pulsen der Filter, um doch
eine Differenzdruckabsenkung zu erreichen, begünstigt
infolge der mechanischen Beanspruchung den Transport von Feinstpartikeln durch das Filtermedium, was
eine erhöhte Reingaskonzentration zur Folge hat.
Der Einsatz voluminöser Filtermedien beschränkt
allerdings die einsetzbare Filterfläche. Wenn sich die
Reinluftseiten benachbarter Filtermedien im Falle von
Taschenfiltern berühren, werden diese Flächen inaktiv,
weil keine Luft durchströmt. Ausgereifte Abstandshaltertechnik erlaubt hierbei das Erreichen eines Verhältnisses von aktiver Filterfläche zu freiem Anströmquerschnitt von bis zu 23 bei einer Bautiefe von 650 mm.
Mittelwerte über 87 Meßstationen
Massenkonzentration [mg/m3]
0,1
1991
1992
0,08
0,06
0,04
0,02
■■Abstimmung von Vor- und Endfiltern
0
1
Abb. 9:
5
10
15
20
25
30
35
40 45 50
Kalenderwoche
Schwebstaubkonzentration in Deutschland 1991 und 1992
Ein weiterer Aspekt macht die Abreinigung von mit
atmosphärischem Aerosol beaufschlagten Filterpatronen äußerst schwierig. Es handelt sich hierbei um die in
gemäßigten Breitengraden an den entsprechenden Anlagenstandorten zu erwartende Staubkonzentration. In
Abbildung 9 sind über 87 Meßstationen gemittelte
Wochendurchschnittswerte der Schwebstaubkonzentration in Deutschland für 1991 und 1992 dargestellt.
Der höchste Wochendurchschnittswert liegt bei ca.
0,09 mg/m3. Spitzenwerte von Einzelmeßstationen
überschreiten den über alle Meßstationen gemittelten
Wochendurchschnittswert allerdings deutlich. Der
höchste Wochendurchschnittswert einer Meßstation lag
1991 bei 0,19 mg/m3.
Diese relativ niedrigen Werte machen deutlich, daß der
Aufbau eines nennenswerten Staubkuchens auf der
Oberfläche des Filtermediums nicht erfolgen kann und
somit die Abreinigung der Zuluftfilter nicht genügend
effektiv arbeitet.
Eine dritte Filtertype stellen speichernde Tiefenfilter in
Form von Taschenfiltern dar. Für den Einsatz in Taschenfiltern erweisen sich feuchtebeständige, bruchsichere synthetisch-organische Fasern als zuverlässiges und anforderungsgerechtes Filtermaterial für hohe
Praxisanforderungen in Bezug auf Filterleistung und
Betriebssicherheit. Die Verarbeitung dieser Fasern zu
einem voluminösen Vliesstoff und die konstruktive Gestaltung eines daraus hergestellten Taschenfilters erfüllen diese Anforderungen in zahlreichen Einsätzen.
Der heutige Stand der Technik erlaubt die Herstellung
von synthetischen Fasern mit relativ großem Durchmesser ebenso wie von Mikrofasern für Feinstfilter. Die
Materialeigenschaften von polymeren Werkstoffen erlauben leckfreie Verarbeitung durch Verschweißen der
Filtermedien an den Kanten.
Der bereits beschriebene Zusammenhang zwischen
Schadensbild und Partikelgröße erlaubt die Definition
eines klaren Anforderungsprofils an die Filtration. Meist
wird ein zweistufiges Filterkonzept gewählt. Neben dem
endständigen Filter, der maßgeblich die Reinluftqualität
bestimmt, kommt dem eingesetzten Vorfilter eine hohe
Bedeutung zu. Die Hauptaufgabe eines Vorfilters besteht darin, die Standzeit des endständigen Feinfilters
zu verlängern. Der Vorfilter sollte auf die am Standort
der Turbomaschine vorliegende Außenluftbeschaffenheit abgestimmt sein. Er muß bei definierter Abscheideleistung eine möglichst niedrige Druckdifferenz bei
hohem Staubspeichervermögen aufweisen.
Da der Wirkungsgrad von Turbomaschinen vom Druckverlust im Ansaugsystem abhängt (siehe auch Abbildung 1), sollte der mittlere Druckverlust des Vorfilters
aus wirtschaftlichen Gründen maximal halb so groß wie
der des endständigen Filters sein. Diese Anforderung
ist nur durch eine Vorfiltration mit genügend großer
Filterfläche zu erfüllen. Durch planes Filtermaterial, beispielsweise in Form von Rollbandfiltern, wird ein hoher
Druckverlust erzeugt. Bei einer in der Zuluftfiltration für
Turbomaschinen üblichen Anströmgeschwindigkeit der
Filter von ca. 2,5 bis 3,2 m/s beträgt die Druckdifferenz einer Grobfiltermatte im unbestaubten Zustand
ca. 50 Pa und steigt aufgrund des relativ niedrigen
Staubspeichervermögens der Planware schnell an.
Demgegenüber steht eine Druckdifferenz für üblicherweise als Vorfilter eingesetzte Taschenfilter von lediglich 20 Pa. Infolge eines hohen Staubspeichervermögens des Taschenfilters steigt die Druckdifferenz
langsam an.
In Abbildung 10 ist der Druckdifferenzverlauf von Rollbandfiltern (planes Filtermedium) und Taschenfiltern
gleicher Filterklasse gemäß DIN 24 185 (EN 779)
anhand eines Praxisfalles dargestellt. Der Betreiber hat
den Verlauf des Druckdifferenz-Anstieges der beiden
Filtertypen über jeweils 11.000 Betriebsstunden festgehalten. Die mittlere Druckdifferenz der Rollbandfilter
betrug ca. 160 Pa, die der Taschenfilter ca. 60 Pa.
Das heißt, bei vergleichbarer Abscheideleistung liegt
die Druckdifferenz des Taschenfilters wesentlich niedriger als die des planen Filtermediums.
,,,,,,
,,,,,,
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,,,,,,
Betriebsstunden
Druckdifferenz (Pa)
1850
3700
5550
7400
9250
200
11100
1
2 3
4
5
6
7
8
1
160
2
120
3
80
4
40
1
Druckdifferenz Rollbandfilter
2
Mittlere Druckdifferenz Rollbandfilter
3
Druckdifferenzverlauf Compact Taschenfilter
4
Mittlere Druckdifferenz Compact Taschenfilter
Abb. 10: Praxisvergleich: Druckdifferenzverläufe
Viledon Compact Taschenfilter
Rollbandfilter
1
Anti-Icing-System
2
Wetterschutzgitter
3
Vogelschutzgitter
4
Vorfilterwand
5
Endfilterwand
6
Zuluftkanalschutzgitter
7
Übergangsstück mit
Bypass-Klappen
8
Ansaugschalldämpfer
Abb. 11: Baugruppen einer Zuluftanlage für Turbomaschinen mit
Compact Taschenfiltern
–
Die erforderliche Reinluftqualität kann nur durch den
Einsatz von hochabscheidenden Feinstfiltern (Abscheidegrad für Partikeln größer 2 µm ca. 100 %) erreicht
werden. Ein solcher Filter erzeugt ca. 80 Pa Anfangsdruckverlust bei langsamem Druckdifferenzanstieg
über seinen Betriebszeitraum. Da das Staubspeichervermögen eines Feinstfilters aus physikalischen Gründen (Porosität des Filtermediums, notwendige Faserfeinheit) nicht so hoch wie das eines Grobfilters sein
kann, wird das Erreichen einer hohen Standzeit durch
optimale Abstimmung mit dem Vorfilter wesentlich
erleichert.
Die Standzeit des endständigen Filters ist allerdings
nicht unabhängig von der des Vorfilters. Muß der
Vorfilter häufig gewechselt werden, wird dadurch die
Stanzeit des Endfilters verkürzt, da die Abscheideleistung unbestaubter Filter niedriger als die bestaubter
Filter ist. Dies bedeutet, nach jedem Vorfilterwechsel
wird der Endfilter mit einer erhöhten Staubfracht beaufschlagt und der Enddruckverlust schneller erreicht.
■■Baugruppen einer Zuluftanlage
In Abb. 11 ist die Prinzipskizze eines Filterhauses mit
speichernden Tiefenfiltern dargestellt. Nach Passieren
der Wetterschutz- bzw. Vogelschutzgitter gelangt die
Luft über 1. und 2. Filterstufe und den Schalldämpfer in
das Plenum vor der Ansaugöffnung der Turbomaschine.
Bei besonders hohen Staubbelastungen (z. B. in ariden
Zonen bei Sandstürmen) kann vor dem Vorfilter ein
Trägheitsabscheider installiert sein (siehe Abb. 12). Bei
Trägheitsabscheidern muß jedoch beachtet werden,
daß die Abscheideleistung von der Luftgeschwindigkeit
abhängt und somit eine relativ hohe Druckdifferenz
anliegen muß, um die Funktion des Trägheitsabscheiders zu gewährleisten. Die Betriebsdruckdifferenz liegt
üblicherweise im Bereich von 200 – 250 Pa bei einer
Anströmgeschwindigkeit von 2,3 – 2,7 m/s. Im allgemeinen wird mit in Turbomaschinen eingesetzten Trägheitsabscheidern für Partikeln von 10 µm und grösser eine ungefähr 90 %ige Abscheidung erreicht. Für
kleinere Partikeln sind Trägheitsabscheider wenig
effektiv.
Staubausstoß
(Sekundärluft)
gereinigte Luft
Außenluft
Abb. 12: Trägheitsabscheider für die Zuluftfiltration von Turbomaschinen
Teilweise wird ein sogenanntes Anti-Icing System
eingesetzt. Durch Vorwärmung der angesaugten Luft
wird eine Vereisung der Wetterschutzgitter, der nachgeschalteten Filter sowie der ersten Kompressorschaufeln verhindert. Je nach vorhandener Wärmequelle werden unterschiedliche Methoden des AntiIcings angewendet. Einen Überblick gibt Abbildung 13.
In der Praxis wird empfohlen, das Anti-Icing bei Luftfeuchten > 70% und Temperaturen zwischen –5°C und
+5°C in Betrieb zu nehmen.
Beachtlich ist der enorme Leistungsbedarf eines AntiIcing Systems. Beispielsweise ist im Falle einer
Turbomaschine mit einem Ansaugvolumenstrom von
300.000 m3/h eine Wärmeleistung von mehr als
100 kW pro Kelvin Erwärmung der Luft aufzubringen.
Ein Anti-Icing System sollte möglichst wenig Fläche für
Schmutzanbackungen bieten, da es aus anlagentechnischen Gründen vor den Luftfiltern installiert wird. Lamellenheizregister sind aus diesem Grund weniger empfehlenswert als zum Beispiel Blasrohre.
Beimischung von
Kompressor-Zapfluft
Erwärmung mit Abgaswärmetauscher
Dampf-Beheizung
Elektrische Beheizung
Abb. 13: Anti-Icing-Systeme
Freudenberg Filtration Technologies KG
69465 Weinheim /Germany
Tel. (06201) 80-6264 | Fax (06201) 88-6299
[email protected] | www.viledon-filter.de
■■Zusammenfassung
Die Verschmutzung der Leit- und Laufschaufeln von
Gasturbinen und Turbokompressoren beeinflußt Leistungsabgabe bzw. -aufnahme und Wirkungsgrad. In
Abhängigkeit von der Größe der über den Luftweg eingetragenen Partikeln werden Staubanbackungen und
Materialabtrag verursacht. Die eingesetzten Luftfilter
sollen neben der notwendigen Abscheideleistung und
akzeptabler Standzeit auch hohe Betriebssicherheit
bieten. Für den Einsatz in Turbomaschinen werden üblicherweise speichernde Tiefenfilter und Oberflächenfilter in vielen Konfektionierungsformen (z. B. als Rollbandfilter, Rigid-Filter, Taschenfilter, Filterpatrone) eingesetzt.
Untersuchungen von Schaufelbelägen und beaufschlagten Filtern zeigen abhängig von der Qualität der Zuluftfiltration verschiedene typische chemische Elemente
und Partikelstrukturen. Vornehmlich aus Erosionsprozessen der Erdkruste stammen die Partikeln größer
5 µm. Sie enthalten Elemente wie Silicium, Calcium,
Eisen und zeigen scharfe Bruchkanten. Schwefel ist ein
typisches Element für Partikeln kleiner 5 µm, die bei
Verbrennungsprozessen (Ruß) gebildet werden. Die untersuchten Schaufelbeläge und bestaubten Filter zeigten, daß nur mit hochabscheidenden Feinstfiltern ein
ausreichender Schutz der Turbomaschine möglich ist.