Kaasuturbiineihin asennetuista moniportaisista suodatinjärjestelmistä saadut kokemukset vahvistavat niiden toimivan myös käytännössä täyttäen nykyiset pölynvarauskykyä, erotusastetta ja painehäviöitä koskevat vaatimukset. Haittapuolena on, että niiden aiheuttama painehäviö on hieman suurempi, mutta toisaalta vältytään lähes kokonaan pölyn ja lian kertymiseltä. Näin varmistetaan kasvanut käyttöaika ja saavutetaan merkittäviä kustannussäästöjä.

Seisokit ovat kalliita. Tavoitteena ovat korkea hyötysuhde ja mahdollisimman pitkät käyttöajat. Etenkin kompressorin pesun synnyttämät seisokit aiheuttavat väistämättä tuotannon laskua, joten ne tulee rajoittaa minimiin tai niistä pitää päästä kokonaan eroon. Puhdistuksen tavoitteena on poistaa kaikki kompressorin siipiin kerääntynyt pöly ja lika. Likakerrosten syntyminen johtuu yleensä riittämättömästä ilmansuodatuksesta.

Hiukkassuodatuksen perusteet

Ilmansuodatusjärjestelmää tarvitaan vähentämään turbokoneistoon kulkeutuvien kiinteiden ja nestemäisten hiukkasten määrää. Kykyyn sitoa ja kerätä ilmassa liikkuvia hiukkasia (pölyä tai nestepisaroita) vaikuttavat etenkin hiukkasten kulkeutumismekanismit. Staattinen sähkö, diffuusio, inertia tai painovoima kuljettaa ainehiukkaset suodatinmateriaaliin, joka on yleensä valmistettu kuiduista.

Hiukkasten ja kuitujen väliset tartuntavoimat puolestaan määräytyvät Van der Waalsin voimien, staattisen sähkön ja nestepisaroihin vaikuttavien lainalaisuuksien perusteella. Niitä hyödyntämällä hiukkaset saadaan otettua pysyvästi talteen.

Ilmanottojärjestelmiä suunniteltaessa hiukkaspitoisuus on ratkaisevan tärkeä. Viime vuosina on suoritettu runsaasti pölypitoisuusmittauksia, joten käytettävissä on jo laaja tietokanta. Tässä tutkittujen PM10-hiukkasten määrä vaihteli Saksassa vuonna 2007 ajoittain välillä 5–40 μg/m³, riippuen pitkälti vuodenajasta, maantieteellisistä olosuhteista ja mittausalueen teollistumisasteesta. PM10 tarkoittaa hiukkasia, joiden keskimääräinen koko (aerodynaaminen halkaisija) oli 10 μm ja josta 50 % kerättiin talteen. Tähän hiukkasten kokoalueeseen kuuluu erillisiä hiukkasia, joiden läpimitta saattaa hyvinkin olla jopa 20–30 μm.

Vaikka suuri osa hiukkasista saadaan sidottua suodattimiin, aina niistä jonkin verran pääsee kulkeutumaan myös ohi. Tämän seurauksena kompressorin siipiin muodostuu likakerros, joka puolestaan johtaa kaasuturbiinin hyötysuhteen laskuun.

Kuva 1. Kaksiportainen suodatinjärjestelmä, jossa on pussi- ja laajapintasuodattimet.

Kuva 2. Kolmiportainen suodatinjärjestelmä.

Taulukko 1. 2- ja 3-portaisten suodatinjärjestelmien tehovertailua.

Kaasuturbiinien suodattimiin liittyviä käsitteitä

Ilmanoton suodatinjärjestelmän valinta riippuu hiukkaspitoisuudesta. Imuilman suodatuksen kannalta merkittävien hiukkasten koko on yleensä noin 0,01 μm ... 3 mm. Korkeiden teollisuuspäästöjen alueilla keskimääräinen hiukkaspitoisuus saattaa olla jopa 200 μg/m³.

Ainoastaan alueilla, joilla pölypitoisuus nousee hetkittäin erittäin korkealle, tarvitaan regeneratiivisia eli itsepuhdistuvia suodatinjärjestelmiä. Niissä pintasuodatusperiaatteella muodostetaan kiinteä pölykerros suodatinkuidun pinnalle.

Pölykerros voidaan poistaa suodattimen pinnalta määräajoin paineilmaa käyttämällä. Nämä suodatinratkaisut ovat lähinnä yksivaiheisia ja vaativat tarkkaa synkronointia tehokkaan puhdistusjärjestelmän kanssa. Haittapuolena niissä on suhteellisen helppo hiukkasten ohipääsy puhdistuksen aikana ja heti sen jälkeen, kun kulkeutumisen estävää pölykerrosta ei ole vielä muodostunut suodattimen pinnalle. Se syntyy vasta vähitellen uuden syklin alettua.

Staattisen suodatusjärjestelmän peruspiirteitä ovat isojen hiukkasten sitominen esisuodatinvaiheessa ja pienten hiukkasten kerääminen hienosuodatinvaiheessa. Staattinen ilmansuodatusjärjestelmä voidaan tehdä moniportaisena, jolloin saadaan paras mahdollinen tulos.

Uusia suodattimia suunniteltaessa on otettava huomioon koko järjestelmän toimintavaatimukset:

• Järjestelmän maksimoitu suodatuskyky = mahdollisimman tehokas suodatus jatkuvasti korkealla tasolla.
• Järjestelmän käytettävyys = seisokit suodattimien vaihtamiseksi harvoin ja lyhyinä.
• Tehokas järjestelmä = suodattimen aiheuttama pieni painehäviö.
• Suodatusjärjestelmän aiheuttamien seisokkien välttäminen = laadukas ja käyttövarma tuote.

Esimerkki kaksi- ja kolmiportaisesta suodatuksesta

Suodatuksen laatua voidaan tuntuvasti lisätä asentamalla esisuodatukseen modulaarisia suodattimia mitään rakenteellisia muutoksia tekemättä. Kuva 1 esittää kaksiportaista perussuodatusjärjestelmää, jossa toisen portaan laajapintasuodatin suojataan sen eteen asennetulla pussisuodattimella.

Kuvan 2 kolmiportaisen suodatinjärjestelmän ydin on kolmanteen vaiheeseen asennettu tehokas EPA-suodatin (EN 1822 -standardin mukainen luokan H11 suodatin). Esisuodattimien ensisijaisena tehtävänä on suojata viimeisen portaan EPA-suodatinta. Esisuodatuksessa käytetään yleensä M6-luokan pussisuodatinta (standardi EN 779) ja sen jälkeen välisuodattimeksi asennettua F8- tai F9-luokan laajapintasuodatinta.

Esisuodattimien vähentäminen tai suodatusasteen alentaminen vaikuttaa suoraan niiden läpi pääsevän pölyn määrään ja siten EPA-suodattimen käyttöikään. Lisäksi on otettava huomioon ilmankosteuden vaikutus suodattimiin kerääntyneeseen pölyyn, varsinkin, jos pölyhiukkaset saattavat sen seurauksena kasvaa tai jos niiden joukossa on tahmeita aineshiukkasia. Näin sääolosuhteiden muuttuminen saattaa aiheuttaa painehäviön kasvun.

Hyvin toteutettu EPA-suodatus pitää kaasuturbiinin kompressorin puhtaampana. Taulukosta 1 havaitaan, kuinka kolmiportainen EPA-suodatinjärjestelmä tehostaa pölynvarausta tavanomaiseen kahden portaan hienosuodatinjärjestelmään verrattuna. EPA-suodatinjärjestelmää käytettäessä kompressoriin kerääntyvien 0,3–0,5 μm:n kokoisten partikkelien määrää voidaan vähentää 1/30:aan ja hieman suurempien 0,5–1,0 μm:n partikkelien määrää noin 1/200:aan alkuperäisestä määrästä.

Käytännön tutkimustieto vahvistaa asian. Turbokompressorin siipien normaali likaantuminen voidaan välttää lähes kokonaan käyttämällä modernia EPA-suodatinteknologiaa. Tutkimustulosten mukaan myös online- ja offline-pesusta voidaan kokonaan luopua eikä suorituskyky enää laske pesujen välillä (jotka tähän saakka olivat pakollisia). Tämä parantaa kompressorin suorituskykyä, sillä vältytään tuotantokatkoksilta ja hyötysuhteen alenemiselta.

Taulukon 1 esittämä muutos on vahvistettu myös käytännössä. Kaasuturbiinien käyttäjät ovat ilmoittaneet tuotantotehokkuuden kasvaneen kolmiportaista järjestelmää käytettäessä, sillä turbiinin siipiin ei syntynyt pölykerrostumia.

Kuvassa 3 on endoskooppikuva Taurus 65 GT -kaasuturbiinikompressorin siipien pinnoista 9000 käyttötunnin jälkeen. Niitä ei ole pesty. Siivissä ei näy minkäänlaisia likakerrostumia. Tämä on selvä osoitus kolmiportaisen EPA-suodatinjärjestelmän tehokkuudesta yhdistelmällä M6-F9- E11.

Jokaiselle toteutukselle kannattaa tehdä erikseen kustannusvertailu varmistamaan, että suodatusratkaisun muuttaminen on taloudellisesti kannattavaa. Tähän mennessä kuitenkin kaikki uudistukset ovat parantaneet kokonaistulosta. Hyvien tulosten ansiosta teollisuus siirtyy kohti korkeampia suodatusluokkia, ja useimmat kaasuturbiinien valmistajat tarjoavat jo EPA-suodattimia ensisijaisena vaihtoehtona.

Kuva 3. Endoskooppikuva Taurus 65 GT -kaasuturbiinikompressorin
siipien pinnoista.

Mike Garnett

Freudenberg Filtration

Technologies

mike.garnett@freudenberg-filter.com

Markus Keskitalo

Freudenberg Filtration

Technologies Finland Oy

markus.keskitalo@freudenberg-filter.com