1. EinleitungNeubauten und das wachsende Ersatz -

geschäft lassen 2013 den Umsatz mitAnsaugfiltern für Gasturbinen auf über400 Millionen Dollar steigern. In seinemBericht zu den Weltmärkten für Luft -filterung und -reinhaltung (Air Filtrationand Purification World Markets) stellte derHerausgeber McIlvaine dar, dass innerhalbdes mit 7 Milliarden Dollar veranschlagtenLuftfiltermarktes ein Anteil von 6 % aufdieses Segment der Gasturbinen zuluft -filtra tion entfallen wird. Angesichtssteigen der Ansprüche an die Qualität derAnsaugluft moderner Gasturbinen bestehtzunehmend Bedarf an Gasturbinen -luftfiltern mit verbessertem Wirkungsgradund höherer Energieeffizienz im Betrieb.Viele der bereits bestehenden und zu -künftigen Gasturbinenkraftwerke werdenin trockenen oder halbtrockenen Gebietenerrichtet, in denen sie unter Umständenhohen Staubaufkommen ausgesetzt sind.

Normalerweise werden Ansaugfilter fürden Einsatz in Gasturbinen zur Klassi -fizierung nach EN 779 getestet. Hiermiterhält man zwar Leistungsdaten wieAnfangsdruckverlust und -wirkungsgrad;die Angaben über den gemittelten DEHS-Wirkungsgrad und die ASHRAE-Prüf -staubkapazität sind nicht relevant. DieseNorm gibt auch keinen Aufschluss überdas Verhalten abreinigbarer Filteranlagenund deren Leistung im Betriebsablauf,geschweige unter erschwerten Betriebs -bedingungen.

Für die Filtermedien solcher Ansaug -filter sind Vorprüfungen auf dem Prüfstandnach VDI 3926 („Prüfung von abreinig -baren Filtermedien“ oder ISO 11057 /2/)zu empfehlen, um Informationen über dasAlterungsverhalten oder z.B. die Ab -scheideleistung gegenüber dem aus derAnwendung stammenden Prüfstaub inErfahrung zu bringen.

Beim sogenannten Saudi AramcoStandard 32-SAMSS-008 handelt es sichum eine „Materials System Specification“,die im Anhang eine Prüfvorschrift fürabreinigbare Pulsfilter enthält. Durch dieseSpezifikation soll sichergestellt werden,dass Ansaugluftfiltersysteme für die mitAußenluft arbeitenden Gasturbinen denextremen Umweltbedingungen sowohl inWüstengebieten mit hohem Staubauf kom -men als auch in Gebieten mit einerrelativen Luftfeuchtigkeit bis 100 %(Küstenbereich) standhalten. Mit einemsolchen Ansaugluftfiltersystem soll dafürgesorgt werden, dass das Eindringen vonLuft schmutzpartikeln wie zum BeispielSand, Staub und Alkalimetallsalzen(Meersalzaerosolen) minimiert wird, umdie Erosion der Gasturbinenverdichter,allgemeine Verschmutzung, Blockierungdes Kühlluftdurchlasses und die Heiß -gaskorrosion der Bauteile im Turbinen -bereich zu verhindern. Das in der Spezifi -kation beschriebene System ist für einehochleistungsfähige Luftfilterung imDauerbetrieb vorgesehen. Diese Spezifi -kation gilt also nur für selbstreinigendenLuftfiltersysteme mit automatischerAbpulsung.

Für andere Umweltbedingungen inGebieten mit weit geringerem Staubauf -kommen, wie z.B. in Mitteleuropa, wurdekürzlich die Prüfnorm „Luftfilterein lass -

systeme von Rotationsmaschinen - Prüf -verfahren - Teil 1: Statische Filter -elemente“ (ISO/DIS 29461-1:2010, /3/)für Luftfilter, die sich nicht abreinigenlassen, erstellt.

Als Luftfilterprüfspezialist und externesPrüfinstitut hat die DMT GmbH & Co. KGdie Firma Bilfinger Gerber als Anlagen -bauer (Schallschutz- und Filtersysteme wieFilterhäuser) beim Aufbau eines speziellenPrüfstands unterstützt, auf dem sich Gas -turbinenansaugfilter nach der von SaudiAramco verfassten „Material SystemSpecification“ 32-SAMSS-008 halbauto -ma tisch prüfen lassen. Anhang II derAramco-Spezifikation beschreibt dasPrüfverfahren für ein in mehrere Phasenunterteiltes Filterprüfprogramm unterbesonders rauen Bedingungen, mit demdie Widerstandsfähigkeit gegen Sand -stürme in der Wüste ermittelt wird.

2. Prüfnorm Material System Specification 32-

SAMSS-008 der Saudi Aramco(ARAMCO-Standard)

Die meisten Kapitel der Spezifikationbefassen sich mit den Material- undSystem anforderungen an ein in einemFilter ge häuse eingebautes Ansaugluft -filter system für Gasturbinen. Enthaltensind außerdem die Anforderungen an dasLuftfilterelement (Aufbau). Des Weiterenbeschreibt die Spezifikation Anforde -rungen an die Systemleistung, dieElektrik, Mechanik und Messgeräte tech -nik sowie das Filtergehäuse. Im Anhangfinden sich Informationen über Schutz -anstriche und die genaue Beschreibung derdefinierten Eignungs- und Leistungstestsfür Werkstoffe, zum Beispiel auf Be -ständig keit gegen Salznebel.

Schwerpunktthemen

374 F & S Filtrieren und Separieren Jahrgang 27 (2013) Nr. 6

Halbautomatische Prüfung vonGasturbinenansaugfiltern nach dem ARAMCO-Standard und zurLeistungsoptimierungD. Renschen*, J. Schamberg*, N. Guttenbrunner**, N. Schneider**

Angesichts steigender Ansprüche an die Qualität der Ansaugluft moderner Gasturbinen besteht zunehmender Bedarfan Gasturbinenluftfiltern mit verbessertem Wirkungsgrad und höherer Energieeffizienz im Betrieb. Deshalb hat BilfingerGerber mit Unterstützung durch die DMT GmbH & Co. KG als Prüfspezialisten für Luftfilter einen speziellen Prüfstanderstellt, auf dem sich Gasturbinenansaugfilter nach dem ARAMCO-Standard (32-SAMSS-008, /1/) halbautomatischprüfen lassen. Der Standard beschreibt ein strenges Prüfprogramm für Gasturbinenfilter incl. Abreinigungssystem. Durch eine entsprechende Messdatenerfassung und Regelungstechnik können die verschiedenen Prüfphasen auto -matisch so ablaufen, wie es vom ARAMCO-Standard gefordert wird. Nur für die Entnahme der Staubproben zurErmittlung des Filterwirkungsgrades ist ein manuelles Eingreifen erforderlich. So lassen sich aufeinanderfolgendePrüfungen verschiedener Arten von Luftansaugfiltern durchführen, um beispielsweise im Rahmen von Forschung undEntwicklung die Filterleistung zu optimieren.

* D. Renschen, J. Schamberg, DMT GmbH & Co. KGProduktprüfungen Kälte & Luftqualität Am Technologiepark 1, D-45307 Essen ** N. Guttenbrunner, N. SchneiderBilfinger-Gerber GmbH, D-44379 Dortmund

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Bei der Planung einer Prüfung (bzw.eines Prüfstands) müssen unbedingt dieAnforderungen an das Pulsabreinigungs -system berücksichtigt werden (Kapitel 5).Alle übrigen wichtigen Kennzahlen zurPrüfgeräteausstattung, dem Testmaterial(Prüfstaub), Versuchsbedingungen unddem Prüfverfahren für Filterelementesowie die Berichtserstellung der er halte -nen Ergebnisse sind in Anhang II(Filterprüfanforderungen) aufgeführt.

3. Auslegung und Validierung des Prüfstands

Trotz der in Anhang II des Aramco-Standards genannten Anforderungen undBeschreibungen zur geeigneten Aus -stattung des Prüfstands waren noch diverseEinzelheiten festzulegen. Aufgrund desgeplanten Aufbaus eines halbautomatischarbeitenden Prüfstands mussten weitereAnforderungen definiert werden, ins -beson dere für die Mess-, Steuer- undRegeltechnik sowie die Software zurDatenerfassung und -kontrolle.

Weitere Anforderungen ergaben sichaus der Notwendigkeit, ein Prüfsystem zurGenerierung von Daten aufzubauen, dasauch den Anforderungen hinsichtlich einerAkkreditierung (nach DIN EN ISO/IEC17025 /4/) als auch Zertifizierung (DINEN ISO/IEC 17065 /5/) genügt. Dies vordem Hintergrund mit diesem Prüfstand zuprüfenden Filterelemente zertifizieren zukönnen. Deshalb müssen sich sämtliche indem Prüfstand eingebauten Messgerätekalibrieren lassen und über eine gültigesKalibrationszeugnis verfügen.

Nach Fertigstellung muss der Prüfstandals vollständiges Prüfsystem überprüft undseine Eignung bestätigt werden (Validie -rung nach EN 45002 „AllgemeineKriterien zum Begutachten von Prüf -labora torien“/6/). Das Prüfverfahren zurValidierung kennzeichnet die Verfahrens -merkmale der Prüfverfahren des Aramco-Standards. Ein weiteres Ziel der Vali die -rung des Prüfstands und des Prüf ver -fahrens (durch DMT) besteht darin

sicherzustellen, dass auch die Durch -führung der Prüfungen an den Gas -turbinen filtereinsätzen (die an einerPrüfstelle von Bilfinger Gerber vorge -nommen werden) dem Aramco-Standardentspricht. Für die Zertifizierung vongeprüften Filterbauarten muss das vali -dier te Prüfverfahren auch vor jeglicherManipulation im Rahmen der Daten -erfassung geschützt sein. DMT handelt alsneutraler Dienstleister, der mit einerZertifizierungsprüfung beauftragt ist.Bilfinger Gerber stellt ihm das Prüflaborzur Verfügung. Daher muss DMT dieRichtigkeit der Messdaten gewährleisten,wenn diese in dem externen Laborgemessen werden.

Das Prüfverfahren für Filter nach demAramco-Standard ist in sechs Phasenunterteilt, in denen eine Reihe ver -schiedener Parameter und Messungendurchgeführt werden.

Im Wesentlichen sind für die Aramco-Prüfverfahren (Phasen 0 bis 5) folgendeDaten kontinuierlich zu messen:- Differenzdruck am Wilson-Staugitter

(Volumenstrom im Prüfkanal – max.12750 m3/Std.): ΔpStaugitter

- Umgebungsdruck (0 – 1100 mbar): pbarom.- Umgebungstemperatur: TUmgebung

- Relative Luftfeuchtigkeit: ϕUmgebung

- Differenzdruck Ansaugfilter (3 Druck -messumformer: I 0 bis 300 Pa, II 0 bis1000 Pa, III 0 bis 10000 Pa): ΔpFilter

- Druckluftbehälterdruck (max.10 bar):pDruckluft

- Ventilöffnungszeit (wird dem vor ge ge be -nen Wert angepasst, nicht gemes sen)

- Volumenstrom an Entnahmestelle 1(Mas sen durchflussregler 0 – 200 Liter/Min.): V PN1

- Volumenstrom an Entnahmestelle 2(Massendurchflussregler 0 – 200 Liter/Min.): V PN2

- Staubkonzentration Rohgas (vorgeschal -tet, über Stauberzeuger, gravimetrischeDosie rung, Wägezelle 0 bis 50 kg):·m Prüfstaub

Schwerpunktthemen

F & S Filtrieren und Separieren Jahrgang 27 (2013) Nr. 6

Tab. 1: Überblick über die Messstellen des Prüfstands nach Aramco-Standard

02_fs_0613_seite_364_412__ 04.12.13 19:05 Seite 375

Datenerfassung und -übertragung derMesswerte an den Zentralrechner (Leit -stand) müssen sichergestellt sein. AlleMessparameter sind in Tabelle  1 zu -sammen gefasst.

4. Halbautomatischer Prüfstandfür Gasturbinenansaugfilter

Der neue Prüfstand von BilfingerGerber besteht aus mehreren ver schie de -nen Modulen, die sich für die Durch -führung von Prüfungen nach der techni -schen Spezifikation 32-SAMSS-008 eig nen.

Der Prüfaufbau setzt sich aus 10Modulen zusammen:1) Kompressor (Druckluftversorgung)

für den Druckluftbehälter2) Druckluftbehälter3) Membraneckventil 4) Blasrohr/-leitung5) Prüfkanal6) Prüfabschnitt für Staubprobenahme

bzw. Staubprobenahmesystem7) Staubeinblasung (Staubauf gabe -

system)8) Differenzdruckmessung

(für den Filter)9) Gebläse (Saugbetrieb)10) Verdampfer zur BefeuchtungTabelle 2 zeigt Fotos der verschiedenenModule.

Alle Bestandteile des in dieser Formaufgebauten Prüfstands sind an denzentralen Steuerrechner angeschlossen.Das Softwareprogramm erfasst alle Datenund steuert die verschiedenen Kompo -nenten wie z.B. das frequenzgesteuerteGebläse zur automatischen Anpassung desVolumenstroms an den Sollwert. Auch diePrüfstauberzeugung, die Druckimpuls -steuerung und die Probenahme des Staubsauf der Anströmseite (Reingas) derFilterprüflinge werden innerhalb einerPrüfphase nach Aramco-Standard auto -matisch durchgeführt. Lediglich derWechsel der geprüften Filter zur gravi -metrischen Bestimmung des im Reingasenthaltenen Prüfstaubs muss in be -stimmten Zeitabständen vom Bediener perHand durchgeführt werden.

Der Zentralrechner kontrolliert dieMessdaten anhand bestimmter Grenzwerte(zum Beispiel Druckobergrenze). Wirddieser Grenzwert erreicht, wird derPrüflauf automatisch gestoppt und derBediener durch ein Alarmsignal daraufaufmerksam gemacht. Abbildung 1 zeigtden Bildschirm des Steuerungs pro -gramms.

5. Validierung von Prüfstand und -verfahren

Um ein korrektes Prüfverfahren alsGrundlage einer Zertifizierung zu ge -währleisten, wurde der gesamte Prüfstand

Schwerpunktthemen

376 F & S Filtrieren und Separieren Jahrgang 27 (2013) Nr. 6

6

Staubprobenahmesystem

Massendurch-flussregler(Staubprobenahme)

7

Staubeinblasung (Düsen) Steuereinheit

Prüfstaubrückhalte-vorrichtung

Tab. 2: Grundmodule des Prüfstands nach Aramco-Standard

1

Kompressor mitLufttrockner

ZwischengeschalteterDruckluftbehälter

2

Druckluftbehälter mitMembranventilen, Blasrohranschluss

Druckregelventil

3

Membranventil

Ventilsteuerung für Blasrohr -membran ventil

4

2 Blasrohre mit (jeweils) 6 Austrittsdüsen

5+6

Prüfkanal

Abschnitt für dieStaubprobenahme

02_fs_0613_seite_364_412__ 04.12.13 19:05 Seite 376

gründlich untersucht. Die Untersuchungbefasste sich insbesondere mit den Mess -wertaufnehmern, um die ordnungsgemäßePositionierung und das Kalibrieren derMessausrüstung zu kontrollieren.

Zunächst wurde der Kalibrierstatus derverschiedenen Messgeräte kontrolliert. AlsBestandteil der Prüfstandsvalidierungbedeutet das eine Überprüfung der Kali -brierscheine und deren Aufnahme in dasPrüfstandshandbuch. Sämtliche Mess -fühler der Prüfgeräteausstattung müssenre gelmäßig gemäß den An forde rungen desvereinbarten Qualitätskontrollsystems(Tabelle. 1) rekalibriert werden. Im Rah -men der Durchführung von Prüfungen anAnsaugfiltern nach dem ARAMCO-Standard unter der Aufsicht von DMTwird von dieser die Gültigkeit derKalibrierscheine regelmäßig überprüft.

Für die Stauberzeugung untersuchteDMT den Massen durchfluss des Staubsund kalibrierte das System nach einerinternen Verfahrensanweisung zur Qua li -täts kontrolle. Die Qualität der Partikel -größen verteilung des Stauberzeu gungs -systems wurde durch Messung mittelseines von DMT modifizierten Berner-Impaktors und Vergleich mit der Korn -größenverteilung des verwendeten Prüf -staubs (Abb. 2) untersucht.

Schwerpunktthemen

F & S Filtrieren und Separieren Jahrgang 27 (2013) Nr. 6 377

8

Differenzdruckmessumformer Messstellen

9

RadialgebläseAxialgebläse Lüftungsklappe mit Stellantrieb

10

Verdampfer (Vorderseite außerhalb der Prüfkammer)

Feuchte- und Temperaturfühler (innerhalb der Prüfkammer)

Tab. 2: Grundmodule des Prüfstands nach Aramco-Standard

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Die von den verschiedenen Mess fühlern im Prüfstand ge messenenDaten werden vom zentralen Steuerrechner mit einer Ge -schwindigkeit von etwa fünf Werten pro Minute erfasst. Die sichdaraus ergebende Tabelle zeigt eine kontinuier liche Zeit skala, aufder die Daten der einzelnen Messfühler in entsprechenden Säulendargestellt werden. Die Daten werden nach den fünf Prüfphasenaufgeschlüsselt und in einer „csv-Datei” gespeichert, die in eineExcel-Tabelle umgewandelt wird, um sie für eine anschließendeDaten analyse problemlos bearbeiten zu können.

Zur Validierung des an den Standard 32-SAMSS-008 ange -passten halbautoma tischen Filterprüfverfahrens wurden zweigleiche Prüfungen an einem baugleichen Ansaugfilter auf demDMT- und dem Bilfinger Gerber-Prüfstand vorgenommen. Dieseerste Validierungsprüfung auf dem Prüfstand von Bilfinger Gerberwurde von einem DMT-Prüfingenieur begleitet.

Im Rahmen dieser Prüf ver fahrens validie rung hat DMTLeistungen in Form folgender Arbeitspakete erbracht:- Definition der Anforderungen an diese externe Zertifizierungs -

prüfung- Definition des für das Prüfverfahren angewandten Validierungs -

verfahrens- Ringversuch zwischen DMT und Bilfinger Gerber- Kontrolle der Rohdatenintegrität und der ordnungsgemäßen

Daten übertragungDer gesamte Validierungsprozess wurde von Bilfinger Gerbererfolgreich be standen.

6. Durchführung der Prüfungen und Zertifizierungder Ansaugfilterelemente

Die Prüfung der Filtereinsätze nach Aramco-Standard auf demneuen Prüf stand erfolgt am Standort von Bilfinger Gerber. DiePrüfungsergebnisse werden jedoch von DMT zertifiziert. Dabeiwird davon ausgegangen, dass Bilfinger Gerber und DMT bei derUntersuchung der Filterleistung für andere Kunden eng zu sam -menarbeiten. Deshalb erfolgt die Zusammenarbeit der beidenParteien auf Grundlage einer Geheim haltungs verein barung, durchdie ver trau liche Behandlung aller Informationen, die im Rahmenvon Prüfungen für Dritte zur Kenntnis gelangen, sichergestellt ist.

DMT erhält sowohl während laufender Messungen Zugriff aufdie am externen Prüfstand erfassten Daten als auch nach Abschlussder Prüfungen auf die vollständigen Datensätze. DMT kann überdas Internet mit dem TeamViewer-Programm auf dasRechnersystem des externen Prüfstands zugreifen. Auf diese Weiselassen sich die jeweiligen Betriebs zustände während laufender

Prüfungen überwachen. Durch den Vergleich der Daten, diewährend der Überwachung durch den TeamViewer dokumentiertwurden, mit dem Rohdatensatz nach Abschluss der Prüfungenkann die Gültigkeit der Daten verifiziert werden.

7. Einsatzmöglichkeiten dieses einzigartigen Prüfsystems

Mit dem halbautomatischen „Aramco-Prüfstand” von BilfingerGerber lassen sich plausible und verlässliche Ergebnisse erzielen.Seine Auslegung eignet sich für das an Ansaugfilternvorzunehmende Prüfverfahren gemäß der Spezifikation 32-SAMSS-008. Durch diese halbauto ma ti sche Filtersystemprüfungkönnen Prü fungen viel leichter und mit weniger Personaleinsatzdurchgeführt werden.

Zu den Grundmerkmalen des Prüf stands zählen auch eineDampfbe feuch tung und ein Umluftsystem. Die Umluft wie auchder erzeugte Dampf wird in einem speziellen Raum eingeleitet,indem sich der Lufteinlass zum Prüfkanal mit den Filterpatronenbefindet. Durch diese Konfiguration des Prüfaufbaues eröffnensich diverse weitere Prüfmöglichkeiten.

Dieser Prüfstand ermöglicht die Durch führung von Testreihenverschiedener An saugfiltertypen (nicht nur Gasturbinen einlaß -luftfilter) und eignet sich zur Optimierung der Filterleistung imRahmen der Entwicklung und Vorentwicklung. Daher könnenneben den standard ge rech ten Prüfoptionen weitere Prüfungendurchgeführt werden, zum Beispiel eine Optimierung des Abstandszwischen Blasrohr und Filtereinsatz oder des Druckluftverbrauchs,die Ermittlung der Effizienz von Koaleszenzfiltern oderTropfenabscheidern, usw.

Literatur/1/ 32-SAMSS-008, Materials System Specification for Inlet Air Filtration Systems forCombustion Gas Turbines, Saudi Aramco, 2008 /2/ VDI 3926-1, „Prüfung von Filtermedien für Abreinigungsfilter - Standardprüfung zurvergleichenden Bewertung von abreinigbaren Filtermedien”/3/ ISO/DIS 29461-1:2010, „Luftfiltereinlasssysteme von Rotationsmaschinen -Prüfverfahren - Teil 1: Statische Filterelemente”/4/ DIN EN ISO/IEC 17025 „Allgemeine Anforderungen an die Kompetenz von Prüf- undKalibrierlaboratorien„/5/ DIN EN ISO/IEC 17065, „Konformitätsbewertung - Anforderungen an Stellen, dieProdukte, Prozesse und Dienstleistungen zertifizieren”/6/ EN 45002 „Allgemeine Kriterien zum Begutachten von Prüflaboratorien”

Schwerpunktthemen

378 F & S Filtrieren und Separieren Jahrgang 27 (2013) Nr. 6

Abb. 1: Foto des Bildschirms des Steuerungsprogramms

EN- Comparison of particles size distributions

from test dust before and after dustdispersion by the injection system

- particle mass [%]- particle size [µm]- Test dust dispersed in raw gas

(Impactor 18.03.2013)- Test dust (Impactor 19.03.2013)

Abb. 2: Vergleich der Korngrößenverteilung des Prüfstaubs mit demdisper gierten Prüfstaub, der dem Rohgas im Prüfstand entnommen wurde

DE- Vergleich der Korngrößenverteilungen

des Prüfstaubs vor und nach der Staub -verteilung durch das Einblassystem

- Partikelmasse [%]- Partikelgröße [µm]- Prüfstaub, verteilt im Rohgas

(Impaktor 18.03.2013)- Prüfstaub (Impaktor 19.03.2013)

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