煤層氣發電中固定式燃氣發動機潤滑特性分析

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%。煤層氣發電行業主要集中在山西，國產煤層氣發電機組對油品和冷卻液質量級別要求不高，設備說明書中推薦CD及以上級別柴油機油對發電機組進行潤滑，因此很多企業在初裝時選擇使用普通柴油機油對發電機組進行潤滑。

2 發電機組潤滑系統要求

山西煤層氣用戶中使用CD/CF-4級別柴油機油的設備集中在1000kW固定式燃氣發電機組，從數據上統計，大部分煤層氣企業對發電設備的選擇集中在國產燃氣發電機組，表1是國內1000kW燃氣發電機組設備參數。

表1 燃氣發電機組技術參數

燃氣發電機組為四沖程水冷，工作形式與移動式柴油發動機相似，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，區別于以柴油作為燃料的發動機，固定式燃氣發動機對潤滑的要求更為嚴格，由于柴油除了作為燃料以外，成液體狀態進入燃燒室，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，使潤滑效果變差，固定式發動機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，在進入燃燒室前對氣體進行預處理，脫除水分、灰塵等雜質，使氣體干燥，因此對灰分有嚴格的要求，如果機油中灰分過低，造成氣門和閥座間潤滑不良導致磨損加劇和開關不嚴，使燃燒室不能達到規定的壓力，如果灰分過大，將導致閥座和活塞頂部、裙部等存在過多積碳，造成燃燒室內溫度過高，導致氣門損壞和關閉不嚴，積碳顆粒易造成活塞和缸套的刮擦和磨損，溫度過高時造成拉缸和早燃爆燃等情況，因此灰分是固定式發動機的一個重要關注指標，目前按照硫酸鹽灰分的質量分數將固定式燃氣發動機油的灰分分為三個等級：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動機，低灰型應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動機，中灰型應用于高硫天然氣為燃料或雙燃料的發動機固定式較高輸出功率、渦輪增壓四沖程發動機。

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為內燃機工作條件為高溫環境，同時進氣中含有S、N等元素，在高溫作用下極易發生氧化反應造成油品發生氧化硝化，引起油品變質從而造成潤滑能力的下降。

2.3 耐腐蝕能力、儲備堿值

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

2.4 換油周期

由于煤層氣作為原料進行并網發電，要求潤滑油的周期更長，目前國內固定式燃氣發電機使用CD級別的柴油機油更換周期為800h，選用CF級別的柴油機油推薦更換周期為1000h，每次更換潤滑油進行小范圍保養至少需要1天時間完成，這將對整個用氣量和發電量產生影響，因此為了不產生發電中斷的情況，通常采用分批次更換的方法，如果使用周期得到有效延長，將減少停機維護的次數，增加單機發電時長，降低成本。

3 使用效果及原因分析

由于國產機組的設備使用說明書中推薦油品的質量級別較低，客戶選用普通CD/CF級別柴機油對機組進行潤滑，在使用過程中，普通柴油機油難以應對煤層氣發電機組的工況，產生油品顏色和性能的變化。

個別電站在整個使用周期內，出現油品部分設備中潤滑油顏色明顯變化現象，時間集中在200～800h之間，相同機型、不同運行時間油品的顏色對比情況，但當油樣達到800h以上，顏色回歸正常黃褐色。在接到顏色變化特例后，對該地區使用相同產品的其他企業進行回訪和篩查，發現在多個煤層氣發電公司中均發現出現該情況，個別機組伴有淺灰色沉淀。

對顏色發生變化的原因進行分析，煤層氣輸送為總輸氣管道經過凈化后分為12個歧管對各個煤層氣發電機組進行供氣，各個煤層氣機組入口處的氣體一致，不同氣源導致相同設備中部分油品顏色產生變化的因素得到排除。發電機組從裝機一直使用同一品牌CF-4 15W/40柴油機油，沒有添加或混入過其他品牌油品，排除不同品牌機油添加劑體系不同，混合導致不相容產生析出的現象。從現場查看設備均為相同型號，油品全部來自同一批次，排除不同批次導致變紅現象，排除外來物質進入導致油品變紅。

通過上述分析，排除外界因素導致顏色變化，選取一臺顏色變化明顯機組，對同批次新油和在用變紅油品與顏色正常油樣進行檢測，數據對比如表2所示。從表2中可以看出，通過新油、213h(顏色變為磚紅色)、1035h(顏色為棕色)對比，通過一個運行周期的使用，整體檢測數據仍在正常使用范圍內，隨著使用時間的延長，運動黏度略微下降，符合柴油機油正常使用趨勢，酸值升高、堿值降低，鐵銅含量輕微上升，油品各項指標沒有明顯異常變化。

表2 同批次新油和在用變紅油品與顏色正常油樣檢測結果

圖1 新油紅外光譜圖

圖2 產生沉淀柴油機油紅外光譜圖

從圖1新油紅外譜圖與圖2產生沉淀的紅外光譜圖的對比可以看出，產生沉淀的油樣中，左側有明顯峰值出現，由于水分的進入，結合高溫工況，普通柴油機油的添加劑成分難以滿足固定式燃氣發動機工作的較高溫度，同時油中水分的進入，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，能夠在發動機運行過程中，持續的中和柴油機油和燃燒氣體中含硫物質燃燒后生成的氧化硫，防止其磺化柴油機油，也可中和汽油燃燒后產生的氯化氫和硝酸，防止他們進一步和烴類發生反應，由于這一過程中和了有機酸和無機酸，防止了酸性物質腐蝕發動機金屬元素，同時使CD/CF級別柴油機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，由于水分大量進入，破壞了磺酸鈣膠束形式，導致不穩定的鈣離子析出，形成大量灰白色沉淀，從而造成鈣元素含量的浮動，同時在使用過程中，部分時間段顏色的變化。

4 用油推薦及使用效果

固定式燃氣發動機組高溫、難潤滑、前期預處理后仍存在水分的特點，應選用長壽命固定式燃氣發動機油，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定，換油周期得到大幅度延長，減少中間停機保養次數，延長單臺設備發電時長。表3為更換長壽命固定式燃氣發動機油后各項指標監測數據。

表3 長壽命固定式燃氣發動機監測數據

經過對長壽命固定式燃氣發動機油新油、運行1h、1448h、3927h、5727h油品的監測，沒有出現顏色變化異常及沉淀等現象，運動黏度隨時用時間增加略微上升，總體仍保持穩定，并變化較小，閃點變化值較小，酸值和堿值在達到5700h后酸值升高量較小，氧化硝化值遠小于換油指標，油品在到達5700h后仍能繼續使用，性能穩定，通過油品的升級將換油周期從1000h延長至5000h以上，極大減少了發電機組停機維護保養的次數，提升發電效率，節約成本60%以上。