La evolución de la filtración por turbina

Por Tim Nicholas16 de noviembre de 2022

El coste de los daños o la avería de una turbina de gas puede ascender rápidamente a millones. La contaminación puede dañar una turbina y reducir su rendimiento. Los operadores reconocen que se necesitan sistemas de filtración para proteger las turbinas, que a menudo se instalan en entornos hostiles. Sin embargo, con la eficiencia extremadamente alta actual y las turbinas de gas diseñadas con precisión, proteger las máquinas y su rendimiento es más crítico que nunca. Así, a medida que la tecnología de las turbinas de gas ha ido evolucionando, los sistemas de filtración también han ido a la par.

La última tecnología avanzada GT logra altos niveles de eficiencia a través de una mejor comprensión de la transferencia de calor, temperaturas de cocción más altas y diseños aerodinámicos precisos de "superacabado". Las características de diseño incluyen aerodinámica avanzada de las aspas, flujo de enfriamiento de aire mejorado, diseño mejorado de los componentes de la ruta del gas caliente para reducir los gradientes de temperatura y tensión y revestimientos de barrera térmica mejorados. El ajuste fino de estas máquinas y las superaleaciones que emplean requiere una protección más rigurosa contra los daños que pueden causar las partículas más finas y los contaminantes en el flujo de aire de entrada.

Los contaminantes pueden incluir sal, polvo, arena y humedad, y un sistema de filtración de turbina de gas a menudo necesita manejar algunos o todos ellos. Las partículas de polvo o arena más grandes pueden erosionar las superaleaciones, acabados y revestimientos especiales dentro del compresor y la turbina y, eventualmente, provocar daños graves a la máquina. Las partículas de polvo más finas pueden adherirse a las palas de las turbinas, afectando la aerodinámica operativa, reduciendo la eficiencia de las turbinas y aumentando los costos operativos.

La sal es uno de los contaminantes más problemáticos para los operadores de turbinas de gas. En la industria marina y en cualquier lugar cercano a masas de agua salada, los daños a las turbinas pueden ser rápidos y graves si no se tratan adecuadamente. La sal es higroscópica, lo que significa que puede absorber la humedad del aire y puede cambiar rápidamente entre formas secas, pegajosas y líquidas. Además de adherirse a las palas de la turbina y afectar la eficiencia, la sal puede combinarse con el combustible en áreas más calientes de la turbina para formar sulfato de sodio que reacciona con el metal de la turbina y provoca una corrosión acelerada.

Pequeñas gotas de humedad en la corriente de aire de entrada de la turbina se combinarán con el polvo para formar lodo que puede bloquear el filtro. El tamaño de estas gotas significa que también pueden abrirse camino hacia la matriz del medio filtrante y quedarse atascadas. La humedad también provoca cambios rápidos en el estado físico de las partículas de sal higroscópicas de forma sólida a líquida, lo que hace que su manejo sea más difícil para el sistema de filtración.

Uno de los elementos principales de un sistema de filtración es el medio de filtración. Con diferentes contaminantes que manejar, las grandes turbinas de gas avanzadas suelen tener múltiples etapas de filtración con medios cada vez más finos para recolectar partículas. Este medio está plisado en paneles para maximizar el área de filtración y optimizar la eficiencia de la filtración.

Sin embargo, elegir el medio adecuado para el lugar de instalación es sólo una parte de la historia. Si los filtros no están diseñados y construidos para resistir los elementos mismos, el aire puede pasar por alto el medio y volverlo inútil. El aire siempre tomará el camino de menor resistencia y, si puede sortear el medio, llevará consigo los contaminantes y la humedad que los filtros están allí para evitar que lleguen a la turbina de gas. El resultado serán picaduras y corrosión que, con el tiempo, dañarán gravemente el rendimiento de la turbina y eventualmente pueden provocar fallas e interrupciones catastróficas.

Para evitar la derivación del aire, los diseños de los filtros deben ser robustos. El uso de tecnología de flujo de poliuretano (PU) en la construcción del filtro garantizará la encapsulación completa de los pliegues del medio. En entornos con mucha humedad, también puede tener sentido utilizar tecnología de sellado de bordes, que aplica perlas continuas de fusión en caliente en el borde de los pliegues para actuar como un sello de refuerzo secundario contra la humedad.

Otras consideraciones relativas a la construcción del filtro incluyen el riesgo de oxidación. El riesgo de oxidación es particularmente alto en áreas donde hay partículas de sal, alta humedad y sulfuro de hidrógeno proveniente del gas natural en la atmósfera. Las emisiones de dióxido de azufre provenientes de los gases de escape de diésel en áreas urbanas, volcanes, manantiales, álcalis fuertes, yesos y cemento de industrias cercanas que contienen cloruros y sulfatos, agua de lluvia ácida y deriva de las torres de enfriamiento pueden promover la oxidación. Como tal, tiene sentido que las partes metálicas de la carcasa del filtro tengan un recubrimiento en polvo para mejorar la confiabilidad y la resistencia a los factores ambientales. Los revestimientos impermeables que incorporan materiales reticulados aumentarán aún más la resistencia del filtro al agrietamiento, el pelado, el desconchado y la abrasión.

Al buscar una solución de filtración confiable, los operadores también deben buscar unidades que incluyan marcos robustos, el uso de materiales de construcción que no se agrieten ni se vuelvan quebradizos con el tiempo y una selección de medios que no sea propensa a bloqueos repentinos y picos de presión.

El problema con las clasificaciones y especificaciones de los filtros es que generalmente se llevan a cabo en condiciones de laboratorio que no se relacionan con la combinación de factores ambientales reales que los filtros de turbinas de gas pueden enfrentar en el mundo real. Desde climas templados hasta desiertos cálidos y polvorientos, pasando por áreas con temperaturas bajo cero, aerosoles salinos o alta humedad, cada instalación de turbinas de gas enfrenta desafíos ambientales únicos. La única medida verdadera de qué tan bueno es un filtro será su desempeño en el sitio. Con este fin, los operadores de turbinas de gas deben considerar opciones que hayan tenido pruebas prolongadas en condiciones del mundo real, en sitios que tengan elementos similares a la instalación de su sitio.

Para proteger mejor el extraordinario rendimiento de las turbinas de gas avanzadas de alta eficiencia, los sistemas de filtración también están evolucionando. Un sistema de filtración es tan bueno como su parte más débil. Si bien la elección del medio es importante, existen muchos otros factores en el diseño de los filtros que se requieren para garantizar que se mantenga el rendimiento de la turbina de gas, incluida la construcción, el sellado, el diseño de los pliegues, los tratamientos y revestimientos y la elección de los medios, en múltiples etapas de filtración.

Sobre el autor: Tim Nicholas es director de mercado de PowerGen para la división de filtración de turbinas de gas de Parker Hannifin.