姚文釗,李廣濤

(西安石油大佳潤實(shí)業(yè)有限公司，陜西 西安 710077)

0 引言

目前，我國主要的發(fā)電方式仍然以傳統(tǒng)的燃煤發(fā)電為主，其面臨最大的問題就是資源利用率不高而且會對環(huán)境造成嚴(yán)重污染。燃?xì)獍l(fā)電具有能源轉(zhuǎn)換效率高、污染物排放少、啟動及停止速度快、運(yùn)行靈活等特點(diǎn)。近年來，我國燃?xì)獍l(fā)電產(chǎn)業(yè)持續(xù)快速發(fā)展，為優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、促進(jìn)節(jié)能減排、緩解電力供需矛盾發(fā)揮了重要作用。煤層氣作為一種潛力巨大的非常規(guī)天然氣資源，在發(fā)電行業(yè)已經(jīng)有了十分廣泛的應(yīng)用。

目前煤層氣發(fā)電機(jī)組主要有三種：蒸汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組和燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組。三種發(fā)電形式各有優(yōu)缺點(diǎn)，但總體來看燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組具有啟動時(shí)間短、燃?xì)夤鈮毫Φ?、對燃?xì)夂窟m應(yīng)范圍寬的優(yōu)點(diǎn)，尤其是能夠更為靈活地適應(yīng)煤層氣含量連續(xù)變化的情況[1]。隨著煤層氣發(fā)電行業(yè)的迅速發(fā)展及配套發(fā)電機(jī)組的增加，對發(fā)電設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)成為當(dāng)下不可忽視的問題，特別是設(shè)備長期連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的潤滑保護(hù)問題，已經(jīng)引起了行業(yè)內(nèi)外廣泛的關(guān)注。

由于燃?xì)獾男再|(zhì)不同于傳統(tǒng)的汽油和柴油，燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)和工況等方面也發(fā)生了變化，主要表現(xiàn)在：燃?xì)獍l(fā)動機(jī)燃燒室溫度遠(yuǎn)高于使用汽柴油，促使?jié)櫥瓦^快老化，造成潤滑失效和部件早期磨損；閥座及部件干澀無潤滑，極易產(chǎn)生過度磨損；排放的尾氣中氮化物多，促進(jìn)機(jī)油過快變質(zhì)，油泥增多。總的說就是兩高(高溫、高氮)一難(難潤滑)[2]。因此，傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)油不再適用于燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的潤滑，需要專門的燃?xì)獍l(fā)動機(jī)專用潤滑油，該產(chǎn)品既要具有良好的抗氧化硝化性能，又要具有較低的灰分，能耐高溫以及較好抗腐蝕、抗磨損性能[3-4]。

固定式燃?xì)獍l(fā)動機(jī)油的研制，成功解決了燃?xì)獍l(fā)動機(jī)組使用柴油機(jī)油時(shí)存在的活塞環(huán)積炭嚴(yán)重、油品使用壽命短等實(shí)際問題，經(jīng)過在煤層氣發(fā)電機(jī)組長達(dá)1800 h的運(yùn)行試驗(yàn)，油液檢測結(jié)果表明，油品質(zhì)量達(dá)到了國內(nèi)外同類產(chǎn)品的性能要求。

1 原材料性質(zhì)及試驗(yàn)方法

1.1 主要原材料理化性質(zhì)

試驗(yàn)用油主要理化指標(biāo)見表 1。

表 1 試驗(yàn)用油主要理化指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

GB/T 260 石油產(chǎn)品水分測定法。

GB/T 265 石油產(chǎn)品運(yùn)動黏度測定法和動力黏度計(jì)算法。

GB/T 511 石油產(chǎn)品和添加劑機(jī)械雜質(zhì)測定法。

GB/T 2433 添加劑和含添加劑潤滑油硫酸鹽灰分測定法。

GB/T 3536 石油產(chǎn)品凝點(diǎn)測定法。

GB/T 3536 石油產(chǎn)品閃點(diǎn)和燃點(diǎn)測定法(克利夫蘭開口杯法)。

SH/T 0251 石油產(chǎn)品堿值測定法。

2 試驗(yàn)部分

2.1 試驗(yàn)設(shè)備基本參數(shù)

研究在淄柴新能源公司生產(chǎn)的全新300系列燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組進(jìn)行，設(shè)備參數(shù)見表2。

表 2 設(shè)備主要規(guī)格參數(shù)

表2(續(xù))

2.2 燃料煤層瓦斯氣理化性能指標(biāo)

甲烷6%～14%；

一氧化碳0.1%；

硫化氫0.01%。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

試驗(yàn)在12臺全新發(fā)動機(jī)組同時(shí)進(jìn)行, 按照不同時(shí)段隨機(jī)采樣進(jìn)行分析檢測，主要檢測項(xiàng)目有運(yùn)動黏度、酸值、堿值、閃點(diǎn)、傾點(diǎn)等的變化。

3.1 運(yùn)動黏度變化分析

油品運(yùn)動黏度的變化主要有以下幾個(gè)方面的原因。一是為了有效調(diào)節(jié)油品的高低溫性能，成品油配方中通常加入一定量的黏度指數(shù)改進(jìn)劑和降凝劑， 但是在摩擦副的苛刻剪切下，大分子的黏度指數(shù)改進(jìn)劑和降凝劑通常被剪切成小分子，導(dǎo)致其增黏作用逐漸消失，油品運(yùn)動黏度逐漸下降，而運(yùn)動黏度的過度下降不利于摩擦表面油膜的形成；二是發(fā)動機(jī)活塞裝配不好或長期摩擦導(dǎo)致活塞與缸套間隙增大，致使少量燃料泄漏進(jìn)入油底殼，稀釋發(fā)動機(jī)油而造成黏度下降；三是由于發(fā)動機(jī)內(nèi)部高溫以及摩擦副之間相互作用促使油品因氧化而生成油泥、膠質(zhì)等物質(zhì)，致使油品黏度再次回升，此時(shí)黏度回升代表油品氧化已在氧化和剪切的平衡中占主導(dǎo)。因此，運(yùn)動黏度變化率可以較為真實(shí)地反映油品在使用過程中的質(zhì)量衰變情況，可以作為衡量油品使用壽命的一個(gè)重要指標(biāo)參數(shù)。試驗(yàn)中油品黏度隨使用時(shí)間變化情況見圖1。

圖1 油品運(yùn)動黏度變化情況

從圖中可以看出，油品使用過程中，40 ℃運(yùn)動黏度最多從127 mm2/s降低到112 mm2/s，降低幅度為11.8%；100 ℃運(yùn)動黏度從15.95 mm2/s降低到14.87 mm2/s左右，變化率僅6.8%，說明油品在使用長達(dá)1800 h后，仍然保持著比較好的使用性能，同時(shí)可看出設(shè)備在高溫下長時(shí)間運(yùn)行，高溫黏度變化率較低，油品的剪切安定性良好。同時(shí)可以看出，油品黏度還沒有進(jìn)入因氧化變質(zhì)而增大的階段，表明油品抗氧化性能良好。

3.2 酸值和堿值變化分析

油品中酸性物質(zhì)主要包括有機(jī)或無機(jī)酸(包括氧化變質(zhì)后生成的酸類物質(zhì))、酯、酚類化合物和酸性添加劑等。對于新油，酸值表示油品的精制深度或含酸性添加劑的加入量，一般來說基礎(chǔ)油的酸值很低； 對于舊油，酸值表示油品氧化變質(zhì)的程度。一般潤滑油在儲存和使用過程中，在一定溫度尤其是高溫下與空氣中的氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而生成一定量的有機(jī)酸，酸值增加；酸性物質(zhì)會腐蝕設(shè)備、進(jìn)一步氧化后生成油泥、積炭，造成油路堵塞和設(shè)備磨損，因此需要堿性添加劑進(jìn)行中和。油品中的堿性組分主要包括有機(jī)或無機(jī)堿、胺基化合物、多元酸堿式鹽、重金屬鹽以及堿性添加劑，在用油品堿值的變小，表示油品中堿性添加劑發(fā)生消耗，油品中和酸性物質(zhì)的能力下降。油品酸值及堿值隨使用時(shí)間的變化見圖2、圖3。

圖2 油品酸值變化情況

圖3 油品堿值變化情況

從酸值增加來看，隨著使用時(shí)間的延長，油品會緩慢氧化而生成酸性的氧化產(chǎn)物，因此酸值呈逐漸增大的趨勢。與此同時(shí)中和酸性物質(zhì)需要消耗大量的堿性組分，因而堿值隨之降低，在使用600～1000 h區(qū)間下降較為明顯，之后油品堿值降低幅度趨于穩(wěn)定，尚未達(dá)到20%；從酸值增加規(guī)律看油品使用1800 h，酸值增加仍未超出3.0 mgKOH/g的指標(biāo)，按照瓦克夏發(fā)動機(jī)廠家推薦的換油周期酸值增加2.5～3.0 mgKOH/g，堿值下降率50%～70%指標(biāo)來看，酸堿值余量空間還比較大，亦即油品使用壽命還有較大的空間。

3.3 閃點(diǎn)和凝點(diǎn)變化分析

閃點(diǎn)是表示石油產(chǎn)品著火危險(xiǎn)性及油品蒸發(fā)性能的一項(xiàng)指標(biāo)。油品的餾分越輕，蒸發(fā)性越大，閃點(diǎn)越低。在用油品閃點(diǎn)的降低表明有輕組分的燃料泄漏進(jìn)入潤滑油系統(tǒng)，影響潤滑油膜的形成。潤滑油的凝點(diǎn)和傾點(diǎn)是表示油品低溫流動性的一個(gè)重要指標(biāo)，對生產(chǎn)、運(yùn)輸和使用都有重要意義。凝點(diǎn)高的油品不能在低溫下使用，相反在氣溫高的地區(qū)沒必要使用低凝點(diǎn)的油品(凝點(diǎn)越低生產(chǎn)成本越高)。一般潤滑油的凝點(diǎn)應(yīng)比使用環(huán)境最低溫度低5～7 ℃。選用低溫潤滑油要結(jié)合凝點(diǎn)、低溫黏度及黏溫特性綜合考慮。在用油品中混入水分等高凝點(diǎn)物質(zhì)時(shí)會引起凝點(diǎn)升高，混入輕組分燃料油等時(shí)凝點(diǎn)會降低。油品閃點(diǎn)和凝點(diǎn)隨使用時(shí)間變化情況見圖4、圖5。

圖4 油品閃點(diǎn)變化情況

圖5 油品凝點(diǎn)變化情況

從圖中結(jié)果可知，油品使用過程中，閃點(diǎn)和凝點(diǎn)基本維持在一個(gè)比較穩(wěn)定的狀態(tài)，進(jìn)一步證明了油品性能穩(wěn)定，設(shè)備密封狀態(tài)良好，沒有水分等高凝點(diǎn)物質(zhì)和輕組分進(jìn)入潤滑系統(tǒng)。但隨著時(shí)間的進(jìn)一步延長，閃點(diǎn)有升高趨勢，這是因?yàn)橛推分休p組分在使用過程中消耗所致(組分越輕閃點(diǎn)越低)。

3.4 設(shè)備拆檢結(jié)果分析

設(shè)備運(yùn)行過程跟蹤檢測發(fā)現(xiàn)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中設(shè)備轉(zhuǎn)速基本穩(wěn)定在600 r/min, 有效功率維持在630 kW左右，油壓0.52 MPa，油溫69 ℃，水溫71 ℃。設(shè)備連續(xù)運(yùn)行約8000 h后，進(jìn)行中期保養(yǎng)，各部件拆檢圖示見圖6，同款機(jī)組使用CF-4柴油機(jī)油后5000 h拆檢結(jié)果見圖7。

圖6 發(fā)動機(jī)拆檢結(jié)果

圖7 使用柴油機(jī)油發(fā)動機(jī)拆檢結(jié)果

眾所周知，因潤滑不當(dāng)而引起活塞環(huán)等部位積炭，造成拉缸、黏環(huán)是發(fā)動機(jī)壽命減小甚至損壞的主因。積炭是一種較硬的黑色物質(zhì)，能強(qiáng)力附著在活塞環(huán)、缸套壁、噴油嘴、進(jìn)氣閥及燃燒室四周的各個(gè)部件上面。吸附于活塞環(huán)或缸套壁，可導(dǎo)致活塞環(huán)運(yùn)動不暢甚至卡死，損壞發(fā)動機(jī)；吸附于進(jìn)氣門背面可導(dǎo)致燃燒室密封不嚴(yán)，發(fā)動機(jī)動力不足；吸附于噴油嘴，可導(dǎo)致噴油不勻，燃燒不充分，動力性下降等。因此通過提高油品的清凈分散性能，解決油品使用過程中形成油泥和積炭是柴油機(jī)油和燃?xì)獍l(fā)動機(jī)油需要解決的主要問題。對比圖6、圖7結(jié)果可以看出，加注柴油機(jī)油，設(shè)備累計(jì)運(yùn)行5000 h，活塞環(huán)槽里有大量積炭形成，嚴(yán)重影響活塞環(huán)的伸縮性；軸瓦積炭嚴(yán)重，從積炭脫落情況看，積炭層較厚，嚴(yán)重影響連桿與軸瓦之間的運(yùn)動。使用專用油后，活塞環(huán)槽、活塞頭、缸套內(nèi)壁、曲軸內(nèi)壁等部位無明顯油泥積炭，缸套內(nèi)壁、曲軸內(nèi)壁也無明顯磨損痕跡。尤其是頂環(huán)槽和頂環(huán)炱部位，積炭比較少，不會因積炭嚴(yán)重而造成活塞環(huán)卡殼而引起拉缸等危害，進(jìn)一步證明油品的各項(xiàng)性能良好，能滿足固定式燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的使用要求。

4 結(jié)論

燃?xì)獍l(fā)動機(jī)專用潤滑油在以煤層瓦斯氣為燃料的燃?xì)獍l(fā)動機(jī)組經(jīng)過長達(dá)1800 h的帶負(fù)荷運(yùn)行試驗(yàn)表明，該產(chǎn)品具有良好的抗氧化抗硝化等使用性能，能夠有效抑制油品氧化變質(zhì)，油品使用壽命長；累積8000 h的拆檢結(jié)果表明，產(chǎn)品的抗磨損性能良好，能有效抑制設(shè)備磨損，保證設(shè)備正常運(yùn)行。