Comprendere l'impatto di una cattiva filtrazione dell'aria sulle prestazioni delle turbine a gas

Premessa

Le incrostazioni, la corrosione e l’erosione dei compressori delle turbine a gas sono tutte legate alla qualità dell’aria. Le incrostazioni dei compressori possono essere causate da materiale vegetale naturale o da particolato solido presente nell’aria. Può anche essere causato da fattori di inquinamento atmosferico di origine antropica, come fumi di carbone o idrocarburi, che creano una sostanza appiccicosa quando si deposita sulle pale della turbina.

Le parti rotanti delle moderne turbine a gas sono complesse nella progettazione e nella struttura e hanno un profilo critico per la massima efficienza di lavoro. Le pale e gli ugelli ad alta pressione sono talvolta dotati di piccoli fori per l’aria di raffreddamento, poiché le temperature di esercizio sono prossime o superiori al limite del materiale. Le pale del compressore sono realizzate con una lega di metalli molto sofisticata per garantire resistenza e durata, e sono rivestite con uno strato protettivo per una maggiore durata. Questo fa sì che una filtrazione efficace sia un fattore importante per la durata a lungo termine della turbina a gas.

Ma quanto è importante la filtrazione delle turbine a gas e quali sono gli impatti di una cattiva filtrazione dell’aria aspirata? In questo articolo esploriamo gli impatti e spieghiamo le cause.

Erosione

Le particelle, che hanno una massa sufficiente per usurare irreversibilmente i componenti rotanti interni, sono in genere identificate come di diametro superiore a 10 µm. La loro durezza, la velocità e la concentrazione nel flusso d’aria possono causare l’erosione in funzione del tempo. Tali particelle possono essere rimosse con estrema facilità da filtri o prefiltri inerziali. Una particella di 10 µm di diametro è considerata molto grande, ma l’occhio umano può vedere solo particelle di diametro superiore a 40 µm. L’erosione causa danni irreversibili alle turbine a gas, ma può essere facilmente evitata con un’adeguata filtrazione dell’aria.

Incrostazione

Gli inquinanti con diametro inferiore a 5 µm non hanno una massa sufficiente per causare usura, ma possono impattare sulla superficie dei componenti rotanti e statici e in breve tempo modificare il profilo della pala rispetto alla sua forma ideale. Questo fenomeno viene comunemente definito incrostazione della turbina a gas e rimane un problema molto comune. Tuttavia, l’impatto delle incrostazioni può essere molto significativo e, sebbene il lavaggio con acqua del motore con detergenti e abbondanti quantità di acqua dolce possa ripristinare l’efficienza, si assiste comunque a un lento e stabile deterioramento dell’efficienza e della potenza del motore. Vale la pena notare che le stesse piccole particelle che causano l’incrostazione del compressore possono anche ostruire i fori dell’aria di raffreddamento situati nelle pale, aumentando la temperatura di esercizio dei componenti e riducendo la durata del motore.

Corrosione

La corrosione dei componenti a bassa pressione (LP) e a pressione calda (HP) di una turbina a gas può verificarsi se i sali presenti nell’aria passano attraverso il sistema di filtrazione. Si tratta di un processo chimico che non dipende dalle dimensioni del particolato, ma dalla presenza di umidità e da una reazione elettrolitica tra sali e metalli di diverso tipo. La presenza di sale e acqua nell’aria provoca una corrosione a bassa temperatura, mentre la combinazione di sale (NaCl) e zolfo trasportato dall’aria e dal combustibile provoca una solfidazione/ossidazione ad alta temperatura o corrosione da ‘gas caldo’ all’interno della sezione della turbina a gas.

Corrosione da gas caldo

La corrosione da gas caldo è particolarmente preoccupante soprattutto nelle zone costiere e offshore, dove il NaCl è prevalente sia come particella secca che in soluzione nell’acqua. Se mescolato con combustibile acido (solforoso), provoca una degradazione accelerata dei componenti chiave della sezione calda della turbina a gas. Si tratta di una causa comune di guasto del motore in ambiente offshore, spesso ben prima della vita utile di una turbina a gas.

Effetto combinato di erosione e corrosione a bassa temperatura

Una combinazione di questi effetti può portare alla rottura della pala. L’erosione dovuta a una cattiva filtrazione può provocare la rimozione del rivestimento protettivo della pala, lasciando la pala suscettibile alla corrosione a bassa temperatura causata da una combinazione di sale e acqua. Se si sviluppa una corrosione per vaiolatura in prossimità della base della pala, si potrebbe verificare un guasto grave con il distacco della pala a causa dei carichi eccessivi alla base della pala indebolita.

Conclusione

L’impatto di una cattiva filtrazione dell’aria sulle prestazioni delle turbine a gas è interamente legato alla qualità dell’aria e quindi alla posizione specifica di un impianto di turbine a gas. È l’ambiente circostante a determinare la gravità della sfida della qualità dell’aria e l’impatto potenziale di una cattiva filtrazione.

Gli operatori non possono affidarsi semplicemente ai filtri per turbine a gas forniti dal produttore originale. Per proteggere le macchine rotanti dall’impatto di incrostazioni, erosione, corrosione e corrosione da gas caldo, i produttori di turbine a gas (OEM) impongono ai fornitori di filtri requisiti obbligatori sulla qualità dell’aria. In generale, il livello di questi requisiti non è particolarmente rigoroso, ma tiene anche conto del fatto che sarà necessario un regolare lavaggio con acqua e la manutenzione della turbina a gas. Per quanto riguarda la fornitura di apparecchiature originali, ciò consente all’OEM di rimanere commercialmente redditizio in un mercato competitivo, garantendo al contempo le prestazioni, le condizioni e la durata della turbomacchina.

L’operatore deve considerare i vantaggi commerciali e ambientali di una migliore filtrazione, in particolare il valore dell’aggiornamento alla filtrazione EPA. AAF può collaborare con il cliente per quantificare questi vantaggi e fornire dettagli sul costo totale di proprietà, in modo da poter compensare qualsiasi aumento dei prezzi dei filtri con i vantaggi commerciali che si otterranno. Il dilemma più grande in questo scenario è che, anche nelle sfide più difficili per la qualità dell’aria, le particelle che causano i danni maggiori rimangono invisibili a occhio nudo ed è quindi facile capire perché la gravità del problema non sia chiara. Una filtrazione dell’aria ottimizzata può proteggere qualsiasi turbina a gas, indipendentemente dalla posizione e dall’ambiente circostante, e AAF lavorerà con il cliente per trovare la soluzione giusta per una singola turbina a gas. Con una gamma di soluzioni dedicate, AAF può supportare i clienti con prodotti leader di mercato che eliminano i rischi di danni alle turbine a gas e ne mantengono l’efficienza e la potenza.