煤層氣發(fā)電中固定式燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)潤滑特性分析

孫莎莎 王玉國

(中國石化潤滑油有限公司華北銷售中心，北京 100085)

1 背景

截至2018年底，山西省全年煤層氣地面抽采量達(dá)到56.57億m3，其中利用量為53.94億m3，約占全國的90%。煤層氣發(fā)電行業(yè)主要集中在山西，國產(chǎn)煤層氣發(fā)電機(jī)組對油品和冷卻液質(zhì)量級別要求不高，設(shè)備說明書中推薦CD及以上級別柴油機(jī)油對發(fā)電機(jī)組進(jìn)行潤滑，因此很多企業(yè)在初裝時(shí)選擇使用普通柴油機(jī)油對發(fā)電機(jī)組進(jìn)行潤滑。

2 發(fā)電機(jī)組潤滑系統(tǒng)要求

山西煤層氣用戶中使用CD/CF-4級別柴油機(jī)油的設(shè)備集中在1000kW固定式燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組，從數(shù)據(jù)上統(tǒng)計(jì)，大部分煤層氣企業(yè)對發(fā)電設(shè)備的選擇集中在國產(chǎn)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組，表1是國內(nèi)1000kW燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組設(shè)備參數(shù)。

表1 燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組技術(shù)參數(shù)

燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組為四沖程水冷，工作形式與移動(dòng)式柴油發(fā)動(dòng)機(jī)相似，但由于煤層氣中的氣體以甲烷為主，含有一些含S、N等氣體，區(qū)別于以柴油作為燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)，固定式燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)對潤滑的要求更為嚴(yán)格，由于柴油除了作為燃料以外，成液體狀態(tài)進(jìn)入燃燒室，可以潤滑氣門座、氣缸與活塞等部位，而煤層氣作為氣體進(jìn)入燃燒室不但沒有潤滑作用，對潤滑油還會起到吹掃作用，使?jié)櫥Ч儾?，固定式發(fā)動(dòng)機(jī)對潤滑油的要求如下。

2.1 灰分的要求

由于煤層氣呈氣體狀態(tài)，在進(jìn)入燃燒室前對氣體進(jìn)行預(yù)處理，脫除水分、灰塵等雜質(zhì)，使氣體干燥，因此對灰分有嚴(yán)格的要求，如果機(jī)油中灰分過低，造成氣門和閥座間潤滑不良導(dǎo)致磨損加劇和開關(guān)不嚴(yán)，使燃燒室不能達(dá)到規(guī)定的壓力，如果灰分過大，將導(dǎo)致閥座和活塞頂部、裙部等存在過多積碳，造成燃燒室內(nèi)溫度過高，導(dǎo)致氣門損壞和關(guān)閉不嚴(yán)，積碳顆粒易造成活塞和缸套的刮擦和磨損，溫度過高時(shí)造成拉缸和早燃爆燃等情況，因此灰分是固定式發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要關(guān)注指標(biāo)，目前按照硫酸鹽灰分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)將固定式燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)油的灰分分為三個(gè)等級：無灰型(0.15%)、低灰型(0.15%～0.6%)和中灰型(0.6%～1.0%)。無灰型應(yīng)用于無硫、低硫天然氣為燃料的固定式、較高輸出功率、渦輪增壓二沖程天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，低灰型應(yīng)用于低硫天然氣為原料的固定式、較高輸出功率、渦輪增壓二沖程和四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，中灰型應(yīng)用于高硫天然氣為燃料或雙燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)固定式較高輸出功率、渦輪增壓四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)。

2.2 抗氧化硝化能力

要求潤滑油具有良好的抗氧化硝化能力是因?yàn)閮?nèi)燃機(jī)工作條件為高溫環(huán)境，同時(shí)進(jìn)氣中含有S、N等元素，在高溫作用下極易發(fā)生氧化反應(yīng)造成油品發(fā)生氧化硝化，引起油品變質(zhì)從而造成潤滑能力的下降。

2.3 耐腐蝕能力、儲備堿值

在內(nèi)燃機(jī)中煤層氣經(jīng)過燃燒后會產(chǎn)生大量CO2、NOX及SO2等酸性氣體，同時(shí)燃燒產(chǎn)生的熱量如不及時(shí)帶走，高溫也將氧化潤滑油產(chǎn)生酸性物質(zhì)，氧化物與水份混合后極易腐蝕金屬表面，因此，潤滑油應(yīng)具備一定的堿值中和酸性物質(zhì)的能力。

2.4 換油周期

由于煤層氣作為原料進(jìn)行并網(wǎng)發(fā)電，要求潤滑油的周期更長，目前國內(nèi)固定式燃?xì)獍l(fā)電機(jī)使用CD級別的柴油機(jī)油更換周期為800h，選用CF級別的柴油機(jī)油推薦更換周期為1000h，每次更換潤滑油進(jìn)行小范圍保養(yǎng)至少需要1天時(shí)間完成，這將對整個(gè)用氣量和發(fā)電量產(chǎn)生影響，因此為了不產(chǎn)生發(fā)電中斷的情況，通常采用分批次更換的方法，如果使用周期得到有效延長，將減少停機(jī)維護(hù)的次數(shù)，增加單機(jī)發(fā)電時(shí)長，降低成本。

3 使用效果及原因分析

由于國產(chǎn)機(jī)組的設(shè)備使用說明書中推薦油品的質(zhì)量級別較低，客戶選用普通CD/CF級別柴機(jī)油對機(jī)組進(jìn)行潤滑，在使用過程中，普通柴油機(jī)油難以應(yīng)對煤層氣發(fā)電機(jī)組的工況，產(chǎn)生油品顏色和性能的變化。

個(gè)別電站在整個(gè)使用周期內(nèi)，出現(xiàn)油品部分設(shè)備中潤滑油顏色明顯變化現(xiàn)象，時(shí)間集中在200～800h之間，相同機(jī)型、不同運(yùn)行時(shí)間油品的顏色對比情況，但當(dāng)油樣達(dá)到800h以上，顏色回歸正常黃褐色。在接到顏色變化特例后，對該地區(qū)使用相同產(chǎn)品的其他企業(yè)進(jìn)行回訪和篩查，發(fā)現(xiàn)在多個(gè)煤層氣發(fā)電公司中均發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)該情況，個(gè)別機(jī)組伴有淺灰色沉淀。

對顏色發(fā)生變化的原因進(jìn)行分析，煤層氣輸送為總輸氣管道經(jīng)過凈化后分為12個(gè)歧管對各個(gè)煤層氣發(fā)電機(jī)組進(jìn)行供氣，各個(gè)煤層氣機(jī)組入口處的氣體一致，不同氣源導(dǎo)致相同設(shè)備中部分油品顏色產(chǎn)生變化的因素得到排除。發(fā)電機(jī)組從裝機(jī)一直使用同一品牌CF-4 15W/40柴油機(jī)油，沒有添加或混入過其他品牌油品，排除不同品牌機(jī)油添加劑體系不同，混合導(dǎo)致不相容產(chǎn)生析出的現(xiàn)象。從現(xiàn)場查看設(shè)備均為相同型號，油品全部來自同一批次，排除不同批次導(dǎo)致變紅現(xiàn)象，排除外來物質(zhì)進(jìn)入導(dǎo)致油品變紅。

通過上述分析，排除外界因素導(dǎo)致顏色變化，選取一臺顏色變化明顯機(jī)組，對同批次新油和在用變紅油品與顏色正常油樣進(jìn)行檢測，數(shù)據(jù)對比如表2所示。從表2中可以看出，通過新油、213h(顏色變?yōu)榇u紅色)、1035h(顏色為棕色)對比，通過一個(gè)運(yùn)行周期的使用，整體檢測數(shù)據(jù)仍在正常使用范圍內(nèi)，隨著使用時(shí)間的延長，運(yùn)動(dòng)黏度略微下降，符合柴油機(jī)油正常使用趨勢，酸值升高、堿值降低，鐵銅含量輕微上升，油品各項(xiàng)指標(biāo)沒有明顯異常變化。

表2 同批次新油和在用變紅油品與顏色正常油樣檢測結(jié)果

圖1 新油紅外光譜圖

圖2 產(chǎn)生沉淀柴油機(jī)油紅外光譜圖

從圖1新油紅外譜圖與圖2產(chǎn)生沉淀的紅外光譜圖的對比可以看出，產(chǎn)生沉淀的油樣中，左側(cè)有明顯峰值出現(xiàn)，由于水分的進(jìn)入，結(jié)合高溫工況，普通柴油機(jī)油的添加劑成分難以滿足固定式燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)工作的較高溫度，同時(shí)油中水分的進(jìn)入，加速分解，形成樣品底部大量的灰白色沉淀，在ICP對鈣元素的檢測中可以得到印證，有沉淀析出的油樣鈣元素含量大量升高。

從CF-4 15W-40組成成分分析，添加劑中鈣主要來自磺酸鈣，鈣主要作為清凈分散劑的主要成分存在，其作用有酸中和作用、洗滌作用、分散作用及增溶作用，尤其是為潤滑油提供了良好的堿保持能力，能夠在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，持續(xù)的中和柴油機(jī)油和燃燒氣體中含硫物質(zhì)燃燒后生成的氧化硫，防止其磺化柴油機(jī)油，也可中和汽油燃燒后產(chǎn)生的氯化氫和硝酸，防止他們進(jìn)一步和烴類發(fā)生反應(yīng)，由于這一過程中和了有機(jī)酸和無機(jī)酸，防止了酸性物質(zhì)腐蝕發(fā)動(dòng)機(jī)金屬元素，同時(shí)使CD/CF級別柴油機(jī)油在使用過程中不會因氧化、硝化和硫化等造成油品酸值迅速升高，但由于其以膠束形式分散于油中，由于水分大量進(jìn)入，破壞了磺酸鈣膠束形式，導(dǎo)致不穩(wěn)定的鈣離子析出，形成大量灰白色沉淀，從而造成鈣元素含量的浮動(dòng)，同時(shí)在使用過程中，部分時(shí)間段顏色的變化。

4 用油推薦及使用效果

固定式燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)組高溫、難潤滑、前期預(yù)處理后仍存在水分的特點(diǎn)，應(yīng)選用長壽命固定式燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)油，添加劑選用均衡配方，更符合高溫工況，與水分仍能保持性能穩(wěn)定，換油周期得到大幅度延長，減少中間停機(jī)保養(yǎng)次數(shù)，延長單臺設(shè)備發(fā)電時(shí)長。表3為更換長壽命固定式燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)油后各項(xiàng)指標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)。

表3 長壽命固定式燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測數(shù)據(jù)

經(jīng)過對長壽命固定式燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)油新油、運(yùn)行1h、1448h、3927h、5727h油品的監(jiān)測，沒有出現(xiàn)顏色變化異常及沉淀等現(xiàn)象，運(yùn)動(dòng)黏度隨時(shí)用時(shí)間增加略微上升，總體仍保持穩(wěn)定，并變化較小，閃點(diǎn)變化值較小，酸值和堿值在達(dá)到5700h后酸值升高量較小，氧化硝化值遠(yuǎn)小于換油指標(biāo)，油品在到達(dá)5700h后仍能繼續(xù)使用，性能穩(wěn)定，通過油品的升級將換油周期從1000h延長至5000h以上，極大減少了發(fā)電機(jī)組停機(jī)維護(hù)保養(yǎng)的次數(shù)，提升發(fā)電效率，節(jié)約成本60%以上。