• Filter-Campus
  • EMW® (H)EPA Filter sichern die Kompressoreffizienz
Kompressoreffizienz
Kompressoreffizienz

Der Leistungseinfluss der Kompressoreffizienz

Der Bereich des Kompressors ist mit ca. 60-65% der größte Energieverbraucher einer Gasturbine.1 Bereits kleinste Veränderungen der Effizienz des Kompressors wirken sich spürbar auf die Gesamtleistung einer Gasturbine aus. Laut General Electric sind Verschmutzungen am Kompressors, besser bekannt als Fouling, für 70-85% der Leistungsverluste einer Gasturbine verantwortlich.2 Hauptursache ist oftmals eine ineffiziente Filtration der Zuluft. Dabei kann das Leistungsdefizit nachhaltig durch eine effiziente Filtration gemindert werden, wie der folgende Erfahrungsbericht nachweist.

1 Vgl. E. Schneider (2010): Analysis of compressor on-line washing to optimize gas turbine power plant performance.

2 Vgl. J. Janawitz / C. Childs (2015): Heavy-Duty Gas Turbine Operating and Maintenance Considerations.

Case Study
Case Study

Standortbedingungen

Standort Küstenregion in Nordeuropa
GT-Typ 4x Siemens SGT5-2000E (V94.2)
Problem Stetige Abnahme der Kompressor-Effizienz um durchschnittlich 2,18% innerhalb eines Beobachtungszeitraums von 2 1/2 Jahren trotz Reinigung des Kompressors.
Vormaliger Endfilter Kompaktfilter in der Filterklasse F7
EMW® Filter-Upgrade (H)EPA-Kompaktfilter GT in der Filterklasse E11
Ergebnisse Stabile Kompressor-Effizienz
Effektiver Schutz der Schaufeln ohne Kompressor-Reinigung
Gesteigerte Verfügbarkeit
Reduzierter Brennstoffverbrauch
Erhöhung der Betriebseffizienz


Im vorliegenden Fall befinden sich vier Siemens-Gasturbinen des Typs SGT5-2000E im Betrieb. Überwiegend in Grundlast betrieben, weisen die Gasturbinen eine Nennleistung von je 187 MW auf. Die lokalen Umwelteinflüsse sind durch einen industriellen Standort geprägt, welcher sich in direkter Küstennähe befindet. Im Sommer liegen die Temperaturen bei durchschnittlich 15°C. Im Winter liegen Temperaturen unter dem Gefrierpunkt vor. Mitunter ist starker Schneefall zu verzeichnen.

Verringerte Kompressoreffizienz aufgrund ineffizienter Filtration

Starke Verschmutzungen trotz regelmäßiger Reinigung des Kompressors führten zu Leistungseinbußen.

Den widrigen Zuständen war das originäre Filtersystem nicht gewachsen. Die Kompressor-Effizienz sank im Beobachtungszeitraum von 2 1/2 Jahren um durchschnittlich 2,18%. Bei starker Partikelbelastung kam es innerhalb weniger Tage zu stärkeren Effizienzverlusten. Um die Effizienzverluste kurzfristig zu minimieren, wurde der Kompressor der Gasturbine alle 2 Wochen während des Betriebs gereinigt, allerdings ohne nachhaltigen Erfolg. Zudem erfolgte eine gründliche Offline-Reinigung des Kompressors im jährlichen Rhythmus.

Die reduzierte Kompressor-Effizienz wirkte sich spürbar auf die Gesamtleistung der Gasturbine aus. Laut einer Studie von Ulf Schirmeister und Frederick Mohr geht mit einem Rückgang der Kompressor-Effizienz um 1% eine Verringerung der Gasturbineneffizienz um 0,4% einher.3 Im vorliegenden Fall verzeichnete das Output-Niveau der Gasturbine einen Rückgang um bis zu 2,18%. Hauptverantwortlich für das Leistungsdefizit war ein ineffizient agierendes Filtersystem.

3 Vgl. U. Schirmeister / F. Mohr (2016): Impact of enhanced GT air filtration on power output and compressor efficiency degradation.


Gasturbine SGT5-2000E
Nennleistung 187 MW
Verringerte Kompressoreffizienz Ø 2,18%
Kompressor-Reinigung 2x online / Monat
1x offline / Jahr

Um einen Vergleich am Standort zu vollziehen, installierte EMW® im gleichen Zeitraum ein Filter-Upgrade der (H)EPA-Filterklasse E11 an einer weiteren Gasturbine. Mit nachhaltigem Erfolg für den Kraftwerksbetrieb!

Das Filter-Upgrade
Das Filter-Upgrade

Originäres Filtersystem vs. EMW® Filter-Upgrade


(420 Filter pro Filterstufe) Originäres Filtersystem EMW Filter-Upgrade
Gasturbine
GT 1
GT 2
Endfilter
Kompaktfilter GT in F7 Kompaktfilter GT in E11
Volumenstrom pro Filter 3669 m³/ h
3669 m³/ h

Die Zuluft gelangt über drei Einströmseiten ins Filterhaus. Pro Filterstufe sind 420 Luftfilter installiert. Der Volumenstrom liegt bei ca. 3669 m³/h pro Filter. Ehemals befand sich in der letzten Filterstufe ein Kompaktfilter der Filterklasse F7 gemäß EN 779. EMW® hat bei einem Filterhaus ein Upgrade mit einem GT Kompaktfilter der (H)EPA-Filterklasse E11 realisiert und die Resultate der Kompressoreffizienz im Parallelbetrieb verglichen.

Zur Umsetzung des Filter-Upgrades waren keine Veränderungen am Filterhaus erforderlich!

Laut Angaben des Betreibers verzeichnete die Anfangsdruckdifferenz der finalen Filterstufe einen Anstieg um lediglich 8 Prozent von ca. 120 Pa auf 130 Pa. Denn im Vergleich brilliert der (H)EPA-Endfilter von EMW® mit einer um knapp 55 Prozent höheren Filterfläche als der originäre Endfilter in F7. Die Entwicklung der Druckdifferenz verlief beim EMW ®-Filtersystem während der Laufzeit stabil. Im Vergleichszeitraum von 2 ½ Jahren stieg die Druckdifferenz des (H)EPA-Luftfilters von EMW® um 150 Pa an. Ein Filterwechsel war in diesem Zeitraum nicht notwendig.


Endfilter des originären Filtersystems (H)EPA Endfilter
EMW® Filter-Upgrade
Anfangsdruckdifferenz
Endfilter 3669m
³/h
Ca. 120 Pa Ca. 130 Pa
Standzeit 2 1/2 Jahre 2 1/2 Jahre
Enddruckdifferenz nach 2,5 Jahren 250 Pa 280 Pa


Ein Anstieg der Druckdifferenz wirkt sich linear auf die Leistung sowie den Brennstoffverbrauch einer Gasturbine aus. Ein um 50 Pascal reduzierter Druckanstieg kann in einer erhöhten Output-Leistung von ca. 0,1% resultieren (Vgl. Wilcox 2010: S. 15). Verschiedene Studien verweisen aber darauf, dass deutlich größere Optimierungspotenziale über höhere Effizienz eines Filtersystems bzw. über eine höhere Qualität der beigesteuerten Luftqualität realisierbar sind. Ähnlich verhält es sich bei den folgenden Ergebnissen dieser Studie.


Resultate
Resultate

Wirkung des (H)EPA Filter-Upgrades auf die Kompressoreffizienz

Wie am folgenden Chart ersichtlich, weist die Abscheideleistung des originären Kompaktfilters in F7 eine deutlich geringere Abscheideleistung im Partikelspektrum <0,3 µm auf, als der (H)EPA-Kompaktfilter in E11 von EMW®. Dabei gilt es insbesondere dieses Partikelspektrum am Eintritt zum Kompressor zu hindern, um die Kompressor-Effizienz zu sichern. Denn das Ziel vom Kraftwerks-Team und dem EMW®-Team lautete: Die Kompressoreffizienz zu stabilisieren!


Die deutlichen Unterschiede in der Abscheideleistung der Luftfilter wirkten sich unmittelbar auf das Erscheinungsbild des jeweiligen Kompressors der Gasturbine aus, wie die folgenden Aufnahmen verdeutlichen.


Kompressor GT#1 mit originärem Filtersystem
Kompressor GT#2 mit EMW® Filter-Upgrade

Das deutlich saubere Erscheinungsbild des Kompressors wirkte sich unmittelbar auf dessen Effizienz aus. Wies die Kompressor-Effizienz bei GT#1 Verluste von durchschnittlich 2,18% trotz kontinuierlicher Reinigung des Kompressors auf, hielten sich die Verluste der Kompressor-Effizienz (isentropisch) bei GT#2 durch das EMW ®-Upgrade über 2 ½ Jahren stabil zwischen 0 - 0,11%. Gleichzeitig operiert die Anlage kontinuierlich auf einem höheren Niveau der Kompressoreffizienz, während die Anlage mit dem originären Feinfiltersystem lediglich kurzfristig ein ähnliches Effizienzniveau erzielt und dann sofort wieder abfällt. Dabei erfolgte über den Zeitraum keinerlei Reinigung des Kompressors an der betreffenden Gasturbine, welche mit dem (H)EPA-Upgrade von EMW® ausgestattet wurde.




Im Zuge des erfolgreichen Upgrades werden mittlerweile alle Gasturbinen am Standort mit EMW®-(H)EPA-Kompaktfiltern betrieben.



Vergleichen