固定式燃氣發動機油在煤層氣發電中的應用研究

姚文釗,李廣濤

(西安石油大佳潤實業有限公司，陜西 西安 710077)

0 引言

目前，我國主要的發電方式仍然以傳統的燃煤發電為主，其面臨最大的問題就是資源利用率不高而且會對環境造成嚴重污染。燃氣發電具有能源轉換效率高、污染物排放少、啟動及停止速度快、運行靈活等特點。近年來，我國燃氣發電產業持續快速發展，為優化能源結構、促進節能減排、緩解電力供需矛盾發揮了重要作用。煤層氣作為一種潛力巨大的非常規天然氣資源，在發電行業已經有了十分廣泛的應用。

目前煤層氣發電機組主要有三種：蒸汽輪機發電機組、燃氣輪機發電機組和燃氣內燃機發電機組。三種發電形式各有優缺點，但總體來看燃氣內燃機發電機組具有啟動時間短、燃氣供氣壓力低、對燃氣含量適應范圍寬的優點，尤其是能夠更為靈活地適應煤層氣含量連續變化的情況[1]。隨著煤層氣發電行業的迅速發展及配套發電機組的增加，對發電設備的維護保養成為當下不可忽視的問題，特別是設備長期連續穩定運行的潤滑保護問題，已經引起了行業內外廣泛的關注。

由于燃氣的性質不同于傳統的汽油和柴油，燃氣發動機的結構和工況等方面也發生了變化，主要表現在：燃氣發動機燃燒室溫度遠高于使用汽柴油，促使潤滑油過快老化，造成潤滑失效和部件早期磨損；閥座及部件干澀無潤滑，極易產生過度磨損；排放的尾氣中氮化物多，促進機油過快變質，油泥增多。總的說就是兩高(高溫、高氮)一難(難潤滑)[2]。因此，傳統的發動機油不再適用于燃氣發動機的潤滑，需要專門的燃氣發動機專用潤滑油，該產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]。

固定式燃氣發動機油的研制，成功解決了燃氣發動機組使用柴油機油時存在的活塞環積炭嚴重、油品使用壽命短等實際問題，經過在煤層氣發電機組長達1800 h的運行試驗，油液檢測結果表明，油品質量達到了國內外同類產品的性能要求。

1 原材料性質及試驗方法

1.1 主要原材料理化性質

試驗用油主要理化指標見表 1。

表 1 試驗用油主要理化指標

1.2 試驗方法

GB/T 260 石油產品水分測定法。

GB/T 265 石油產品運動黏度測定法和動力黏度計算法。

GB/T 511 石油產品和添加劑機械雜質測定法。

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 石油產品凝點測定法。

GB/T 3536 石油產品閃點和燃點測定法(克利夫蘭開口杯法)。

SH/T 0251 石油產品堿值測定法。

2 試驗部分

2.1 試驗設備基本參數

研究在淄柴新能源公司生產的全新300系列燃氣發電機組進行，設備參數見表2。

表 2 設備主要規格參數

表2(續)

2.2 燃料煤層瓦斯氣理化性能指標

甲烷6%～14%；

一氧化碳0.1%；

硫化氫0.01%。

3 試驗結果與討論

試驗在12臺全新發動機組同時進行, 按照不同時段隨機采樣進行分析檢測，主要檢測項目有運動黏度、酸值、堿值、閃點、傾點等的變化。

3.1 運動黏度變化分析

油品運動黏度的變化主要有以下幾個方面的原因。一是為了有效調節油品的高低溫性能，成品油配方中通常加入一定量的黏度指數改進劑和降凝劑， 但是在摩擦副的苛刻剪切下，大分子的黏度指數改進劑和降凝劑通常被剪切成小分子，導致其增黏作用逐漸消失，油品運動黏度逐漸下降，而運動黏度的過度下降不利于摩擦表面油膜的形成；二是發動機活塞裝配不好或長期摩擦導致活塞與缸套間隙增大，致使少量燃料泄漏進入油底殼，稀釋發動機油而造成黏度下降；三是由于發動機內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、膠質等物質，致使油品黏度再次回升，此時黏度回升代表油品氧化已在氧化和剪切的平衡中占主導。因此，運動黏度變化率可以較為真實地反映油品在使用過程中的質量衰變情況，可以作為衡量油品使用壽命的一個重要指標參數。試驗中油品黏度隨使用時間變化情況見圖1。

圖1 油品運動黏度變化情況

從圖中可以看出，油品使用過程中，40 ℃運動黏度最多從127 mm2/s降低到112 mm2/s，降低幅度為11.8%；100 ℃運動黏度從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1800 h后，仍然保持著比較好的使用性能，同時可看出設備在高溫下長時間運行，高溫黏度變化率較低，油品的剪切安定性良好。同時可以看出，油品黏度還沒有進入因氧化變質而增大的階段，表明油品抗氧化性能良好。

3.2 酸值和堿值變化分析

油品中酸性物質主要包括有機或無機酸(包括氧化變質后生成的酸類物質)、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，一般來說基礎油的酸值很低； 對于舊油，酸值表示油品氧化變質的程度。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生化學反應而生成一定量的有機酸，酸值增加；酸性物質會腐蝕設備、進一步氧化后生成油泥、積炭，造成油路堵塞和設備磨損，因此需要堿性添加劑進行中和。油品中的堿性組分主要包括有機或無機堿、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生消耗，油品中和酸性物質的能力下降。油品酸值及堿值隨使用時間的變化見圖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，隨著使用時間的延長，油品會緩慢氧化而生成酸性的氧化產物，因此酸值呈逐漸增大的趨勢。與此同時中和酸性物質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區間下降較為明顯，之后油品堿值降低幅度趨于穩定，尚未達到20%；從酸值增加規律看油品使用1800 h，酸值增加仍未超出3.0 mgKOH/g的指標，按照瓦克夏發動機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 閃點和凝點變化分析

閃點是表示石油產品著火危險性及油品蒸發性能的一項指標。油品的餾分越輕，蒸發性越大，閃點越低。在用油品閃點的降低表明有輕組分的燃料泄漏進入潤滑油系統，影響潤滑油膜的形成。潤滑油的凝點和傾點是表示油品低溫流動性的一個重要指標，對生產、運輸和使用都有重要意義。凝點高的油品不能在低溫下使用，相反在氣溫高的地區沒必要使用低凝點的油品(凝點越低生產成本越高)。一般潤滑油的凝點應比使用環境最低溫度低5～7 ℃。選用低溫潤滑油要結合凝點、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物質時會引起凝點升高，混入輕組分燃料油等時凝點會降低。油品閃點和凝點隨使用時間變化情況見圖4、圖5。

圖4 油品閃點變化情況

圖5 油品凝點變化情況

從圖中結果可知，油品使用過程中，閃點和凝點基本維持在一個比較穩定的狀態，進一步證明了油品性能穩定，設備密封狀態良好，沒有水分等高凝點物質和輕組分進入潤滑系統。但隨著時間的進一步延長，閃點有升高趨勢，這是因為油品中輕組分在使用過程中消耗所致(組分越輕閃點越低)。

3.4 設備拆檢結果分析

設備運行過程跟蹤檢測發現，整個實驗過程中設備轉速基本穩定在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 ℃。設備連續運行約8000 h后，進行中期保養，各部件拆檢圖示見圖6，同款機組使用CF-4柴油機油后5000 h拆檢結果見圖7。

圖6 發動機拆檢結果

圖7 使用柴油機油發動機拆檢結果

眾所周知，因潤滑不當而引起活塞環等部位積炭，造成拉缸、黏環是發動機壽命減小甚至損壞的主因。積炭是一種較硬的黑色物質，能強力附著在活塞環、缸套壁、噴油嘴、進氣閥及燃燒室四周的各個部件上面。吸附于活塞環或缸套壁，可導致活塞環運動不暢甚至卡死，損壞發動機；吸附于進氣門背面可導致燃燒室密封不嚴，發動機動力不足；吸附于噴油嘴，可導致噴油不勻，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油和燃氣發動機油需要解決的主要問題。對比圖6、圖7結果可以看出，加注柴油機油，設備累計運行5000 h，活塞環槽里有大量積炭形成，嚴重影響活塞環的伸縮性；軸瓦積炭嚴重，從積炭脫落情況看，積炭層較厚，嚴重影響連桿與軸瓦之間的運動。使用專用油后，活塞環槽、活塞頭、缸套內壁、曲軸內壁等部位無明顯油泥積炭，缸套內壁、曲軸內壁也無明顯磨損痕跡。尤其是頂環槽和頂環炱部位，積炭比較少，不會因積炭嚴重而造成活塞環卡殼而引起拉缸等危害，進一步證明油品的各項性能良好，能滿足固定式燃氣發動機的使用要求。

4 結論

燃氣發動機專用潤滑油在以煤層瓦斯氣為燃料的燃氣發動機組經過長達1800 h的帶負荷運行試驗表明，該產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，油品使用壽命長；累積8000 h的拆檢結果表明，產品的抗磨損性能良好，能有效抑制設備磨損，保證設備正常運行。