煤层气发电中固定式燃气发动机润滑特性分析

孙莎莎 王玉国

(中国石化润滑油有限公司华北销售中心，北京 100085)

1 背景

截至2018年底，山西省全年煤层气地面抽采量达到56.57亿m3，其中利用量为53.94亿m3，约占全国的90%。煤层气发电行业主要集中在山西，国产煤层气发电机组对油品和冷却液质量级别要求不高，设备说明书中推荐CD及以上级别柴油机油对发电机组进行润滑，因此很多企业在初装时选择使用普通柴油机油对发电机组进行润滑。

2 发电机组润滑系统要求

山西煤层气用户中使用CD/CF-4级别柴油机油的设备集中在1000kW固定式燃气发电机组，从数据上统计，大部分煤层气企业对发电设备的选择集中在国产燃气发电机组，表1是国内1000kW燃气发电机组设备参数。

表1 燃气发电机组技术参数

燃气发电机组为四冲程水冷，工作形式与移动式柴油发动机相似，但由于煤层气中的气体以甲烷为主，含有一些含S、N等气体，区别于以柴油作为燃料的发动机，固定式燃气发动机对润滑的要求更为严格，由于柴油除了作为燃料以外，成液体状态进入燃烧室，可以润滑气门座、气缸与活塞等部位，而煤层气作为气体进入燃烧室不但没有润滑作用，对润滑油还会起到吹扫作用，使润滑效果变差，固定式发动机对润滑油的要求如下。

2.1 灰分的要求

由于煤层气呈气体状态，在进入燃烧室前对气体进行预处理，脱除水分、灰尘等杂质，使气体干燥，因此对灰分有严格的要求，如果机油中灰分过低，造成气门和阀座间润滑不良导致磨损加剧和开关不严，使燃烧室不能达到规定的压力，如果灰分过大，将导致阀座和活塞顶部、裙部等存在过多积碳，造成燃烧室内温度过高，导致气门损坏和关闭不严，积碳颗粒易造成活塞和缸套的刮擦和磨损，温度过高时造成拉缸和早燃爆燃等情况，因此灰分是固定式发动机的一个重要关注指标，目前按照硫酸盐灰分的质量分数将固定式燃气发动机油的灰分分为三个等级：无灰型(0.15%)、低灰型(0.15%～0.6%)和中灰型(0.6%～1.0%)。无灰型应用于无硫、低硫天然气为燃料的固定式、较高输出功率、涡轮增压二冲程天然气发动机，低灰型应用于低硫天然气为原料的固定式、较高输出功率、涡轮增压二冲程和四冲程发动机，中灰型应用于高硫天然气为燃料或双燃料的发动机固定式较高输出功率、涡轮增压四冲程发动机。

2.2 抗氧化硝化能力

要求润滑油具有良好的抗氧化硝化能力是因为内燃机工作条件为高温环境，同时进气中含有S、N等元素，在高温作用下极易发生氧化反应造成油品发生氧化硝化，引起油品变质从而造成润滑能力的下降。

2.3 耐腐蚀能力、储备碱值

在内燃机中煤层气经过燃烧后会产生大量CO2、NOX及SO2等酸性气体，同时燃烧产生的热量如不及时带走，高温也将氧化润滑油产生酸性物质，氧化物与水份混合后极易腐蚀金属表面，因此，润滑油应具备一定的碱值中和酸性物质的能力。

2.4 换油周期

由于煤层气作为原料进行并网发电，要求润滑油的周期更长，目前国内固定式燃气发电机使用CD级别的柴油机油更换周期为800h，选用CF级别的柴油机油推荐更换周期为1000h，每次更换润滑油进行小范围保养至少需要1天时间完成，这将对整个用气量和发电量产生影响，因此为了不产生发电中断的情况，通常采用分批次更换的方法，如果使用周期得到有效延长，将减少停机维护的次数，增加单机发电时长，降低成本。

3 使用效果及原因分析

由于国产机组的设备使用说明书中推荐油品的质量级别较低，客户选用普通CD/CF级别柴机油对机组进行润滑，在使用过程中，普通柴油机油难以应对煤层气发电机组的工况，产生油品颜色和性能的变化。

个别电站在整个使用周期内，出现油品部分设备中润滑油颜色明显变化现象，时间集中在200～800h之间，相同机型、不同运行时间油品的颜色对比情况，但当油样达到800h以上，颜色回归正常黄褐色。在接到颜色变化特例后，对该地区使用相同产品的其他企业进行回访和筛查，发现在多个煤层气发电公司中均发现出现该情况，个别机组伴有浅灰色沉淀。

对颜色发生变化的原因进行分析，煤层气输送为总输气管道经过净化后分为12个歧管对各个煤层气发电机组进行供气，各个煤层气机组入口处的气体一致，不同气源导致相同设备中部分油品颜色产生变化的因素得到排除。发电机组从装机一直使用同一品牌CF-4 15W/40柴油机油，没有添加或混入过其他品牌油品，排除不同品牌机油添加剂体系不同，混合导致不相容产生析出的现象。从现场查看设备均为相同型号，油品全部来自同一批次，排除不同批次导致变红现象，排除外来物质进入导致油品变红。

通过上述分析，排除外界因素导致颜色变化，选取一台颜色变化明显机组，对同批次新油和在用变红油品与颜色正常油样进行检测，数据对比如表2所示。从表2中可以看出，通过新油、213h(颜色变为砖红色)、1035h(颜色为棕色)对比，通过一个运行周期的使用，整体检测数据仍在正常使用范围内，随着使用时间的延长，运动黏度略微下降，符合柴油机油正常使用趋势，酸值升高、碱值降低，铁铜含量轻微上升，油品各项指标没有明显异常变化。

表2 同批次新油和在用变红油品与颜色正常油样检测结果

图1 新油红外光谱图

图2 产生沉淀柴油机油红外光谱图

从图1新油红外谱图与图2产生沉淀的红外光谱图的对比可以看出，产生沉淀的油样中，左侧有明显峰值出现，由于水分的进入，结合高温工况，普通柴油机油的添加剂成分难以满足固定式燃气发动机工作的较高温度，同时油中水分的进入，加速分解，形成样品底部大量的灰白色沉淀，在ICP对钙元素的检测中可以得到印证，有沉淀析出的油样钙元素含量大量升高。

从CF-4 15W-40组成成分分析，添加剂中钙主要来自磺酸钙，钙主要作为清净分散剂的主要成分存在，其作用有酸中和作用、洗涤作用、分散作用及增溶作用，尤其是为润滑油提供了良好的碱保持能力，能够在发动机运行过程中，持续的中和柴油机油和燃烧气体中含硫物质燃烧后生成的氧化硫，防止其磺化柴油机油，也可中和汽油燃烧后产生的氯化氢和硝酸，防止他们进一步和烃类发生反应，由于这一过程中和了有机酸和无机酸，防止了酸性物质腐蚀发动机金属元素，同时使CD/CF级别柴油机油在使用过程中不会因氧化、硝化和硫化等造成油品酸值迅速升高，但由于其以胶束形式分散于油中，由于水分大量进入，破坏了磺酸钙胶束形式，导致不稳定的钙离子析出，形成大量灰白色沉淀，从而造成钙元素含量的浮动，同时在使用过程中，部分时间段颜色的变化。

4 用油推荐及使用效果

固定式燃气发动机组高温、难润滑、前期预处理后仍存在水分的特点，应选用长寿命固定式燃气发动机油，添加剂选用均衡配方，更符合高温工况，与水分仍能保持性能稳定，换油周期得到大幅度延长，减少中间停机保养次数，延长单台设备发电时长。表3为更换长寿命固定式燃气发动机油后各项指标监测数据。

表3 长寿命固定式燃气发动机监测数据

经过对长寿命固定式燃气发动机油新油、运行1h、1448h、3927h、5727h油品的监测，没有出现颜色变化异常及沉淀等现象，运动黏度随时用时间增加略微上升，总体仍保持稳定，并变化较小，闪点变化值较小，酸值和碱值在达到5700h后酸值升高量较小，氧化硝化值远小于换油指标，油品在到达5700h后仍能继续使用，性能稳定，通过油品的升级将换油周期从1000h延长至5000h以上，极大减少了发电机组停机维护保养的次数，提升发电效率，节约成本60%以上。