Nein, wir sprechen nicht von Fußball, wir sprechen von Filterhäusern! Unserer Marktrecherche zufolge ist weltweit eine Vielzahl an Filterhäusern zur Zuluftfiltration für Gasturbinen mit runden Pulsfiltern bestückt. Und wir fragen uns: Warum ist das so?
Über Jahrzehnte hat sich die EMW® dagegen gewehrt, Pulsfilter zu fertigen – bis jetzt! Zwecks Vergleiches zwischen Pulsfiltern und Kompaktfiltern haben wir einen Pulsfilter mit den Abmessungen 352/240 x 900 (AD/ID x L) mit einem synthetischen Medium der Filterklasse ISO ePM1 80 % gemäß ISO 16890 (ehemals F9 gemäß EN 779) gefertigt. Nicht irgendein Pulsfilter – das Faltenpaket wurde nicht mit der üblichen pleat-lock Technologie, sondern in Minipleat Ausführung mit Hotmeltabstandhaltern gefertigt. Die an diesem Pulsfilter bei einem Volumenstrom von 1500 m³/h gemessene Druckdifferenz beträgt 140 Pa. Ein ordentlicher Wert im Vergleich zum Ergebnis an den Filtern einiger unserer Marktbegleiter, die üblicherweise bei einer Anfangsdruckdifferenz von rund 170 Pa bei gleichem Volumenstrom liegen.
In dieser Abhandlung soll es allerdings nicht um den Vergleich mit unserer Konkurrenz gehen, sondern ein Vergleich mit EMW®‘s eigengefertigtem Kompaktfilter der Baureihe MPK 49-20 erfolgen. Diesen Kompaktfilter haben wir nicht nur mit dem gleichen Medium wie den Pulsfilter bestückt, es handelt sich sogar um dieselbe Charge, ja sogar dieselbe Medienrolle. Ein- und dasselbe Medium – 2 unterschiedliche Bauarten von Filtern!
Die Druckdifferenz eines Filters ergibt sich aus seinem aerodynamischen Design und dem verwendeten Medium. Betrachten wir zunächst einmal das Medium. Nachstehend finden Sie eine typische Druckdifferenzkurve des verwendeten Mediums in seiner planen Ausführung. Das Medium wurde also nicht in gefalteter Ausführung, sondern als Flächenware bei verschiedenen Anströmgeschwindigkeiten auf seinen Druckverlust hin getestet.
Anders, als Sie es vielleicht gewohnt sind, ist die Druckdifferenz im Diagramm nicht über dem Volumenstrom in m³/h, sondern über der Anströmgeschwindigkeit in cm/s aufgetragen, die sich mit der Fläche der geprüften Medienproben ergibt. Es ergibt sich eine lineare Charakteristik. Soweit, so gut – wir wissen, das hilft Ihnen jetzt nicht besonders viel weiter.
Betrachten wir nun im Vergleich dazu die Druckdifferenzen die sich am Puls- und Kompaktfilter ergeben. Der Pulsfilter wurde bis zu einem Prüfvolumenstrom von 1500 m³/h getestet, der sich auf 20,5 m² effektive Filterfläche verteilt. Die 17,8 m² effektive Filterfläche des Kompaktfilters wurden mit bis zu einem Prüfvolumenstrom von 3400 m³/h untersucht. Auf den ersten Blick fällt hier schon mal auf, dass sich die effektiven Filterflächen näherungsweise auf einem vergleichbaren Niveau befinden, wohingegen die Volumenströme stark voneinander abweichen.
Klarer wird das Bild, wenn man den Druckverlust, wie zuvor beim planen Medium, auch für die konfektionierten Filter über der Anströmgeschwindigkeit bezogen auf die durchströmbare Fläche des Mediums in den Filtern bezieht. Demnach wird das Filtermedium im Pulsfilter mit 2,03 cm/s durchströmt, während das Filtermedium des Kompaktfilters mit 5,31 cm/s durchströmt wird. Wir haben das Ganze mal grafisch für Sie aufgearbeitet:
In der Grafik sehen Sie die Druckdifferenzkurve des Mediums bis 5,31 cm/s, des Kompaktfilters ebenfalls bis 5,31 cm/s (entspricht 3400 m³/h) und des Pulsfilters bis 2,03 cm/s (entspricht 1500 m³/h). Das Medium hat bei einer Anströmgeschwindigkeit von 2,03 cm/s eine Druckdifferenz von 28 Pa, wohingegen der Pulsfilter eine Druckdifferenz von 140 Pa aufweist. Beim Kompaktfilter liegt die Druckdifferenz des Filters bei 131 Pa und des Mediums bei 72 Pa @ 5,31 cm/s. Die Differenz von Pulsfilter zu Medium in Höhe von 140 – 28 = 112 Pa, sowie dem Kompaktfilter in Höhe von 131 – 72 = 59 Pa resultiert aus dem aerodynamischen Design des jeweiligen Filters und der Faltengeometrie des / der Faltenpakete.
Als Zwischenergebnis können wir festhalten: Der negative Einfluss des aerodynamischen Designs des Pulsfilters samt Faltenpaket liegt mit 112 Pa über dem des Kompaktfilters mit 59 Pa.
So, wie wir Sie als Spezialisten in Sachen Filtration kennen, ist Ihnen sicherlich aufgefallen, dass in diesem Vergleich mal wieder Äpfel mit Birnen verglichen werden. Das Medium im Pulsfilter wird nämlich lediglich mit 2,03 cm/s durchströmt, wohingegen der Kompaktfilter mit 5,31 cm/s konfrontiert ist. Das ist mehr als das 2 ½ fache an Geschwindigkeit. Wir haben es uns daher mal erlaubt, vergleichbare Bedingungen zu schaffen. In den nachfolgenden Grafiken können Sie ablesen, wie sich die Druckdifferenzen am planen Medium, am Pulsfilter und am Kompaktfilter bei gleichen Anströmgeschwindigkeiten darstellen.
Bei 2,03 cm/s hat das Medium eine Druckdifferenz von 28 Pa, der Kompaktfilter von 37 Pa und der Pulsfilter von 140 Pa. Diese Geschwindigkeit entspricht einem Volumenstrom von 1301 m³/h für den Kompaktfilter. Bei 5,31 cm/s hat das plane Medium eine Druckdifferenz von 72 Pa, der Kompaktfilter von 131 Pa und der Pulsfilter von sagenhaften 917 Pa. Der Volumenstrom des Pulsfilters entspricht 3919 m³/h, wenn dessen Filtermedium mit der gleichen Geschwindigkeit wie beim Kompaktfilter angeströmt würde. Der negative Einfluss des aerodynamischen Designs des Pulsfilters samt Faltenpaket liegt nun bei 917 – 72 = 845 Pa gegenüber dem des Kompaktfilters mit 131 – 72 = 59 Pa. (Hier gilt es zu beachten, dass am Markt üblicherweise mehr Filterfläche in einen vergleichbaren Pulsfilter zu unserem Prototyp eingebracht wird, was die Durchströmungsgeschwindigkeit des Mediums weiter verringert. Theoretisch müsste damit auch die Druckdifferenz eines vergleichbaren Pulsfilters niedriger ausfallen, was in der Praxis oftmals nicht der Fall ist. Hier wurden die Aerodynamik bzw. Faltengeometrie im Zweifel nicht ausreichend beachtet.)
Woher kommt nun diese Ungleichbehandlung zu den unterschiedlichen Bautypen an statischen Luftfiltern und Pulsfiltern? Ein Indiz gibt schon einmal der Betriebsvolumenstrom für die Anwendung. Für die konkreten Luftfilter haben wir uns einen speziellen Gasturbinen Maschinentyp ausgesucht, bei dem beide dieser Filter zum Einsatz kommen – eine Alstom GT26. Diese Maschine kreiert einen Volumenstrom von 518 m ³/s bzw. 1.864.800 m³/h. 1 In einer konkreten Anlage in Europa wird dieser Volumenstrom auf 518 statische Kompaktfilter verteilt, im Mittleren Osten auf 1176 Pulsfilter. Daraus errechnet sich ein Betriebsvolumenstrom von 3600 m ³/h für die Kompaktfilter und rund 1585 m³/h für die Pulsfilter. Hier zeigt sich, dass der negative Einfluss des aerodynamischen Designs des Pulsfilters samt Faltenpaket zwangsläufig durch die Anzahl der eingesetzten Filter ausgeglichen werden muss, um die Pulsfilter auf einem erträglichen Druckdifferenzniveau betreiben zu können.
1 F. Muscroft (2006) Gas Turbine Combustion Air Its Effects,
Treatment And Operational costs, S. 76
Aber woher kommt nun die Auslegung des Filterhauses auf einen bestimmten Betriebsvolumenstrom pro Filterelement?
Genau können wir es nicht sagen! Vermutlich liegt der Grund darin, dass in der Vergangenheit Filterhausbau und Filterherstellung von Kompaktfiltern nicht in einer Hand lagen. Der Filterhausbauer hat den Filterhersteller um Spezifizierung seiner Kompaktfilter gebeten, der den Nachweis der Güteklasse mit einem EN 779 (heute: ISO 16890) Prüfzeugnis erbracht hat. Beide Normen legen den Prüfvolumenstrom im Zweifel auf 3400 m³/h fest. Demgegenüber lagen historisch betrachtet Filterhausbau und Filterherstellung eines Pulsfiltersystems lange in der Hand eines Herstellers. Der Hersteller des Filterhauses inklusive der Luftfilter konnte den Betriebsvolumenstrom für die Filterelemente frei wählen, insbesondere auch deswegen, weil explizit keine Prüfvorschrift für Pulsfilter am Markt zur Verfügung stand und damit kein Prüfvolumenstrom „vorgegeben“ wurde. Ganz im Gegenteil definieren die Saudi Aramco DeskTop Standards, die eine Systemprüfung von abreinigbaren Filtersystemen beschreiben, sogar, dass die Anfangsdruckdifferenz des Systems nicht über 400 Pa liegen darf und beschreiben, dass die übliche Geschwindigkeit vom Medium für sogenannte TTD Filtertypen bei 1,5 cm/s liegt. Hier wird also alles darangesetzt, die Anströmgeschwindigkeiten des Pulsfilters auf einem möglichst niedrigen Niveau zu halten.
Warum dies für statische Kompaktfilter nicht gelten soll und somit ein ungleiches Leistungsbild am Markt erzeugt wird, wenn die beeinflussenden Variablen nicht in die Analyse einbezogen werden, ist uns bis heute nicht ersichtlich? Um den zu Beginn verwendeten Fußballjargon wieder aufzunehmen, bilden statische GT Kompaktfilter selbst bei hohen Angriffswellen durch unterschiedlichste verdichtete Formationen eine solide Abwehr zur Sicherung des Kraftwerkbetriebs.
