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Retrofit di un sistema di filtrazione aria per turbina a gas

Un possibile modo di migliorare l’efficienza delle turbine a gas è basato sull’utilizzo di filtri ad altissima efficienza (Epa: Efficiency Particulate Air filter). Normalmente il sistema di filtrazione è formato da pannelli coalescenti in fibra di vetro, seguiti da filtri a tasche flosce di classe G4 o F5 con il filtro finale di classe F8/F9 (secondo la normativa EN 779-2012, vedi nota a pagina 49). Di seguito si confrontano i dati relativi a questo sistema con quelli relativi a un sistema dotato di filtro finale assoluto (di altissima efficienza). Tralasciando i pannelli coalescenti che saranno trattati nel seguente paragrafo, viene analizzato di seguito il sistema classico basato su un prefiltro G4 e filtro finale F8; a fronte condizione ambientale esterna di 50 µg/ m3 di concentrazioni di polveri, in una turbina da 250 MW entrano mediamente 13,1 Kg/anno di polvere che causano i fenomeni di fouling, corrosione ed erosione.

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La Termotecnica, maggio 2017

Pubblicato
da Alessia De Giosa




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Estratto del testo
Tecnica 46 LA TERMOTECNICA MAGGIO 2017 Energia & Ambiente INTRODUZIONE
Una turbina a gas di elevata potenza aspira significative portate
d'aria (fino ad oltre 2.000.000 m3/h d'aria) nelle quali sospeso
particolato atmosferico di varia natura quali residui di combustione,
polveri, particelle e fibre di origine minerale e vegetale, sali solubili,
idrocarburi ecc. La presenza del particolato causa principalmente
tre fenomeni: erosione, corrosione e fouling. L'erosione causata da
piccole particelle con diametro superiore ai 5 micron e provoca lo
smussamento del profilo delle pale oltre alla riduzione dello spessore della pala stessa. La corrosione avviene per effetto di una progres-
siva abrasione della superficie del metallo ed un fenomeno legato
alla reazione chimica tra le particelle solide aspirate e la superficie
del metallo. Il Fouling, o sporcamento del compressore, consiste
nel deposito sulle pale del compressore del particolato che cambia
la geometria delle pale riducendo l'efficienza della turbina a gas.
L'obiettivo del sistema filtrante quello di ridurre gli effetti inde-
siderati, in particolare il fouling, al fine di mantenere il corretto
funzionamento della turbina a gas. Per turbine di grande potenza,
il sistema filtrante (detto 'came-
ra filtri' o 'air intake') contiene
centinaia di filtri aria.
Per ottenere la migliore perfor-
mance importante che il siste-
ma filtrante sia stato progettato
tenendo attentamente conto dei
parametri tipici del microclima lo-
cale e delle caratteristiche dell'in-
quinamento ambientale del luogo
di installazione.
Un sistema di filtrazione ben di-
mensionato dovr quindi tenere
conto della diversa qualit dell'a-
ria del luogo (Fig. 1, livello di PM
2.5- fonte WHO 2016) di C. Coltri Retrofit di un sistema di filtrazione aria per turbina a gas In Europa, negli ultimi anni, la ridotta produzione di energia elettrica da gas aveva reso meno interessante lo studio di possibili azioni che miglio-
rassero l'efficienza delle turbine a gas. Di seguito alcuni fattori che stanno cambiando lo scenario europeo: -Maggiore attenzione per le emissioni di CO 2 (la produzione elettrica da gas produce il 50% in meno di CO2 rispetto al carbone) e possibili variazioni favorevoli del mercato ETS (Emission Trading System). -Parziale diminuzione del prezzo del gas, dovuto anche alle prime importazioni dello shale gas americano. -Ridotta produzione elettrica da fonte nucleare in Francia. Il presente studio ha lo scopo di rendere evidente come il corretto utilizzo dei filtri dell'aria possa garantire una migliore efficienza delle turbine a gas. RETROFIT OF GAS TURBINE AIR INTAKES
Recently, in Europe, the reduction of power generation with gas had made less interesting the study of possible actions that would improve the efficiency
of gas turbines. The following factors are currently changing the European scenario: -More attention on CO 2 emissions (power generation from gas produces 50% less CO2 than coal) and possible changes of ETS market (Emission Trading System). -Price decrease of gas, also caused by the first imports of American shale gas.
-Reduced power generation from nuclear plants in France. The article will show how the right use of air filters can improve a lot energy efficiency of a gas turbine. Carlo Coltri
MANN+HUMMEL FIGURA 1 Tecnica LA TERMOTECNICA MAGGIO 2017 47 Energia & Ambiente FILTRAZIONE EPA A TRE STADI
Un possibile modo di migliorare l'efficienza delle turbine a gas
basato sull'utilizzo di filtri ad altissima efficienza (Epa: Efficiency
Particulate Air filter). Normalmente il sistema di filtrazione formato
da pannelli coalescenti in fibra di vetro, seguiti da filtri a tasche
flosce di classe G4 o F5 con il filtro finale di classe F8/F9 (secondo
la normativa EN 779-2012, vedi nota a pagina 49).
Di seguito si confrontano i dati relativi a questo sistema con quelli
relativi a un sistema dotato di filtro finale assoluto (di altissima effi-
cienza). Tralasciando i pannelli coalescenti che saranno trattati nel
seguente paragrafo, viene analizzato di seguito il sistema classico
basato su un prefiltro G4 e filtro finale F8; a fronte condizione am-
bientale esterna di 50 g/ m3 di concentrazioni di polveri, in una
turbina da 250 MW entrano mediamente 13,1 Kg/anno di polvere
che causano i fenomeni di fouling, corrosione ed erosione. Questo
sistema ha una perdita di carico iniziale di 145 Pa. L'alternativa
da analizzare un prefiltro G4 , un filtro F9 e un filtro finale E11;
in questo caso nella turbina arriveranno 26,8 gr/anno con una
perdita di carico iniziale di 360 Pa, notevolmente pi alta del caso
precedente. Se si passa da due a tre stadi, si ha quindi un aumento
della perdita di carico a fronte per di una significativa riduzione
della polvere che arriva alla turbina. Per calcolare l'incidenza della
perdita di carico sull'efficienza di una turbina, si considera che 50
Pa di perdita di carico incidono approssimativamente per lo 0,1%.
In Fig. 2 riportato l'andamento dell'efficienza della turbina in
funzione del tempo dovuto all'effetto del fouling. Nel a gestione del e turbine a gas, per riportare l'efficienza del a
turbina a un valore ottimale, vengono utilizzati i lavaggi off line, ossia
lavaggi con acqua e detergenti (considerati rifiuti pericolosi una volta
utilizzati). In Fig. 3 e sono riportati rispettivamente gli andamenti dovuti
al fouling con la filtrazione classica e quella con i filtri assoluti.
Si pu notare come nella filtrazione con filtro assoluto non sia neces-
sario il lavaggio off line per 9000 ore. Sovrapponendo le due curve
si ottiene il seguente risultato di Fig.4, confermato dai dati empirici, in
cui si nota come la turbina con filtrazione con filtro assoluto presenti minore fouling e minore peggioramento dell'efficienza.
Come esempio pratico, il cambiamento da due a tre stadi di filtrazione FIGURA 2 FIGURA 3 FIGURA 4 Tecnica 48 LA TERMOTECNICA MAGGIO 2017 Energia & Ambiente ha portato un risparmio misurato di 2300 MWh in un anno in un retrofit
di una turbina da 37 MW. MIGLIORAMENTO DELL'EFFICIENZA DELLE TURBINE
A GAS ATTRAVERSO L'ELIMINAZIONE DI PANNELLI
COALESCENTI O GRATE ANTIPIOGGIA E L'UTILIZZO
DI PREFILTRI IDROFOBICI

In passato il modo pi semplice per fermare l'acqua al primo stadio degli
air intake consisteva nell'utilizzo di pannelli coalescenti in fibra di vetro o
di grate alettate antipioggia. Questi sistemi presentano per una grossa
perdita di carico, soprattutto nel caso dei pannelli coalescenti sporchi;
centinaia di Pascal vengono sprecati per poter catturare l'acqua ed evitare
che quest'ultima arrivi ai filtri finali e alla turbina.
L'introduzione sul mercato di filtri di materiale idrofobico che svolgono la
doppia funzione di filtro e coalescente ha permesso di ottenere notevoli
vantaggi in termini di perdita di carico mantenendo la capacit di fermare
l'acqua ed aumentando la performance di filtrazione oltre a ridurre le
dimensioni degli air intake di nuova installazione. Nelle vecchie camere
filtro con pannelli coalescenti e/o grate antipioggia nel primo stadio, si
possono sostituire i pannelli con questi nuovi prefiltri/coalescenti senza
dover intervenire sulla struttura esistente migliorando significativamente
l'efficienza della turbina. Il presente test esamina le camere filtro di due turbine identiche da 250 MW installate nella stessa centrale, quindi con
le stesse condizioni di funzionamento.
In entrambe le camere filtri sono stati installati filtri nuovi; in un air intake
sono stati installati filtri tradizionali (pannelli coalescenti, prefiltro e filtro
finale) mentre nella seconda camera filtri sono stati installati nuovi prefiltri
con caratteristiche idrofobiche e lo stesso filtro finale (schema Fig. 5)
Il prefiltro idrofobico permette, con un solo prodotto, la rimozione dell'ac-
qua e una sufficiente prefiltrazione (secondo EN779-2012 M5). Il caso
studiato, con due air intake vicini e nelle stesse condizioni, offre un'eccel-
lente opportunit per dimostrare i benefici dell'uso del prefiltro idrofobico. PRINCIPALI RISULTATI DEL TEST
Il prefiltro idrofobico ha mostrato una perdita di carico molto stabile per
4800 ore di funzionamento, passando da 65 Pa iniziali fino a 90 Pa
(Fig.6).
Nella turbina B, i pannelli coalescenti sono stati cambiati dopo 2000 ore
di funzionamento; da notare che la perdita di carico complessiva stata
fortemente influenzata dalla perdita del pannello coalescente (in verde
Fig.7).
La perdita di carico dei filtri finali F9 molto simile in entrambi gli air
intake.
I filtri finali F9 della turbina A (con prefiltro idrofobico) hanno lavorato FIGURA 5 FIGURA 6 Tecnica LA TERMOTECNICA MAGGIO 2017 49 Energia & Ambiente per un numero maggiore di ore e hanno avuto comunque una perdita di
carico leggermente inferiore (105 contro 110 Pascal). Questo risultato
dovuto al fatto che il prefiltro idrofobico non solo ha ridotto la perdita di
carico totale ma, allo stesso tempo, ha aumentato l'efficienza di prefiltra-
zione (da G4 a M5) proteggendo quindi meglio il filtro finale.
La perdita di carico totale iniziale della turbina A stata di 165 Pa,
significativamente inferiore rispetto a turbina B (275 Pa). ALTRI PUNTI INTERESSANTI DEL TEST
Il comportamento del prefiltro idrofobico risultato molto pi stabile ri-
spetto alla soluzione con pannello coalescente; dopo quasi 5.000 ore di
funzionamento la perdita di carico totale ha raggiunto i 220 Pa.
La soluzione parallela B ha mostrato invece una perdita di pressione totale
di 350 Pa dopo appena 2200 ore, quando stato necessario sostituire i
pannelli coalescenti. La Fig. 8 riassume i risultati del test.
Solo considerando la perdita di carico iniziale, il sistema di filtrazione
della turbina A (con prefiltro idrofobico) ha evidenziato quindi una perdita
di carico iniziale inferiore di oltre 100 Pa rispetto al sistema di filtrazione
della turbina B.
Considerando quindi solo la perdita di carico iniziale, la turbina a gas
A ha mostrato un aumento dell'efficienza di almeno lo 0,2% (50 Pa ~0,1 %). Questo risultato stato ottenuto solo cambiando i filtri nei diversi stadi
senza alcun investimento di retrofit degli air intake. CONCLUSIONI
Gli studi e i test sul campo hanno mostrato l'enorme potenziale per au-
mentare l'efficienza delle turbine a gas attraverso semplici azioni di retrofit
delle camere filtri. NOTE
La normativa EN 779 ha definito il metodo di classificazione per filtri dell'a-
ria per oltre 20 anni. Tuttavia, a partire dal 2017, entrer in vigore la nuova
normativa ISO 16890, un nuovo standard che cambier la metodologia
con cui i filtri saranno testati. La vecchia normativa EN 779 valutava la
capacit dei filtri di intercettare il particolato della dimensione di 0.4 m.
Con la nuova normativa ISO 16890, i filtri aria saranno testati con partico-
lato di diverse dimensioni (particolato da 0.3 m fino a 10 m) e saranno
introdotti quattro nuovi gruppi di filtri: grossolano, ePM10, ePM2.5 e
ePM1 (Il prefisso 'e' sta semplicemente per efficienza). Per far parte di
una specifica categoria, i filtri devono essere capaci di catturare almeno il
50% di particolato corrispondente alle dimensioni indicate (es. ISO ePM10
70% corrisponde a un filtro che intercetta il 70% del particolato PM10). FIGURA 7 FIGURA 8


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