气体机油在煤层气发电中的应用研究

杨绳政，叶小娟，邓冰，玉树，覃韦涛

(广西北海玉柴马石油高级润滑油有限公司，广西 北海 536000)

0 引言

随着环保、节能和减排意识增强，加之能源的日趋紧张，煤层气的治理和利用越来越被重视。我国有丰富的煤层气资源，储量居世界第三。煤层气主要成份为CH4、N2、O2、CO2和微量的C2H6、C4H10、H2、CO、SO2以及H2S等[1]。煤层气是与煤共生、伴生并赋存于煤系地层的非常规天然气，俗称“瓦斯”，是一种清洁、高效的可燃能源，作为燃料燃烧后产物主要是二氧化碳和水。煤层气作为一种赋存于煤层及围岩中的非常规天然气，除具有自生自储、与煤碳资源共伴生、资源量大、分布面广等特点外，还具有典型的吸附大、赋存多孔隙介质等层特征。其开发方式一般有两种：一是地面规模性开采原始储层煤层气资源，二是利用煤矿抽放有效地开采煤矿区煤层气资源。煤层气可广泛应用做民用燃料、工业燃料、化工原料等[2]。概括起来可分为以下几个方面用途：民用，用做化工原料，发电[3]。利用煤层气包含3种方式，大功率燃气轮机发电，蒸汽机发电，固定式燃气内燃机发电机组。三种发电形式各有优缺点，但总体来看固定式燃气内燃发电机组有启动时间短、燃气供气压力低、对燃气含量适应范围宽的优点，尤其是能够更为灵活地适应煤层气含量连续变化的情况[4]。高浓度煤层气是指CH4体积分数高于80%的较高纯度的煤层气，约占煤层气总量的1%。而低浓度的煤层气是指CH4体积分数9%～30%的瓦斯，但总量特别大。固定式燃气发动机的燃烧特性和排放特性受煤层气的甲烷含量及惰性气体组分的影响较大，但是在发动机较大负荷工况下，煤层气对发动机工作性能的硬性要求与常规天然气接近或相似[5-8]。随着煤层气发电行业的迅速发展及配套发电机组增加，对发电设备的维护保养成为当下不可忽视的问题，特别是设备长期连续稳定运行的润滑保护问题，已经引起了行业内外广泛关注。发动机的润滑油保养是煤层气发电站日常维护中十分重要的环节，关系到发电机组的稳定运行以及运行成本的控制。煤层气润滑油没有统一的工业油标准，油品性能必须在实践中评估，所以润滑油公司在如何选择合适油品方面进行了大量的现场测试。煤层气发电对润滑油的要求[9]：(1)要求固定式燃气发动机油具有优异的抗氧化、抗硝化以及分散清净性能。煤层气发动机工况与天然气发动机一样苛刻，受到高温高压影响，燃烧室的温度可高达845 ℃左右，而柴油机的温度还不到700 ℃，高温势必导致发动机部件如阀门、摇杆等所承受的压力急剧增大，也易引起发动机油氧化缩合变质以及黏度增长，导致发动机的腐蚀和磨损，同时燃烧室内的高温还会产生更多的氮氧化合物，使发动机油硝化并容易产生油泥和积炭，导致发动机磨损，机油耗增高[10]；(2)跟柴油相比，煤气层没有润滑性和冷却性，致使固定式燃气发动机进排系统的润滑条件比柴油机更苛刻，易导致进排气阀及阀座磨损与塌陷。所以要求燃气发动油中具有一定灰分，以达到减摩和润滑功能，能对进排气系统起到保护作用。但发动机油中的灰分要适量，灰分过少可能会因润滑不良导致阀与阀座之间的磨损，甚至气门阀嵌入阀座；而灰分过多则可能在燃烧室和气缸产生过多坚硬的沉积物，且无法清洗，进而出现气门喷火烧蚀、阀系磨损、活塞擦伤、火花塞堵塞、爆燃等一系列问题，所以固定式燃气发动机油应具有适宜的灰分；对使用含有酸性、潮湿的煤层气燃料，功率大、工况苛刻的发动机，应选用中灰或高灰型油[11-12]；(3)良好的抗腐蚀性能。由于固定式燃气发动机的燃烧温度高，会造成发动机油中酸性物质增加，从而导致因腐蚀引起的磨损。另外，煤层气还含有硫化物(比如H2S),这些组分燃烧后产生强酸性物质，可能会导致活塞环、汽缸壁、曲轴等发动机零部件出现腐蚀。因此固定式燃气发动机油要有较好的腐蚀控制能力[13]；(4)更可靠的综合使用性能。用于煤气层发电的固定式燃气发动机通常需要长期运转，并且一些低浓度甲烷的煤层气还容易出现爆震，以及由于煤层气含量不稳定会造成发动机内部燃烧特性复杂，所以为了应对这些苛刻的工况，油品更具有更可靠的使用性能[14-15]。

文章旨在通过采用气体专用油在一款固定式燃气发动机上进行试验，分析润滑油的理化特性、元素含量等，研究煤层气燃料的固定式发动机润滑油特性，为研究煤层气在固定式发动机上的润滑油更换周期和油品的优化提供数据支持。

1 试验概述

1.1 现场发动机

现场主要通过煤层气抽放站某煤矿一采区回风井抽排的瓦斯作为燃料输送给瓦斯发电机组进行发电；同时利用换热设备(热管蒸发器)回收机组排烟中热量，余热管线架空铺设，产生热水供应该煤矿矿区使用，提高能源利用率。发动机基本信息见图1，表1。

图1 现场发动机

表1 发动机基本信息

在现场发现一个普遍的共性问题就是难起动，原因分析如下：(1)瓦斯中甲烷的浓度变化大，通过设置空气阀开度和甲烷浓度(影响燃气阀的开度)来找到最佳点火点较为困难，其中找到合适的燃气阀开度最难；(2)可燃混合气湿度大，不容易产生火核，对点火能量要求高。还有其他因素，比如燃气压力等影响点火。低浓度煤层气的利用难度较大。一般的燃气机/天然气发动机不能直接燃用瓦斯，因为瓦斯主要可燃成分甲烷含量较低，更重要的是其成分变化大，而且是随时的。由于瓦斯成分在不断变化，混合气的空燃比也随之发生变化，普通燃气发动机所使用的等真空度式混合气又不能自动调节空燃比，必然导致发动机转速和输出功率变化较大，甚至点火不连续而停机。

1.2 试验用油

本次试验油品采用玉柴马石油气体发动机专用油40，其理化数据见表2。

表2 气体发动机专用油40理化数据

1.3 试验方案

首先用XLLV视频内窥镜检查发动机的燃烧室以及缸壁清洁程度情况，取原机的旧油150 mL检测分析掌握机子前期运行状况。然后对试验发动机的润滑系统进行彻底清洗1次，每次30 min，从油底壳取出放油塞，将油排空(15 min)。两次清洗结束后，更换机滤，柴油滤清器，将试验油品按油底壳大小加入发动机中，加油过程要求瓶口等部位清洁干净。发动机怠速运行30 min后，取出150 mL的样品作为0 km油样，用油尺检查油底壳液位是否达到上刻线。监控试验机子运行里程，按照试验采样里程计划进行采集样品。若机子需额外补加油，应记录补油的里程和补油量。采集定量样品，贴好试验标签，做好标识记录，油品寄送玉柴马石油南宁研发中心检测和分析。

1.4 试验方法

油品的运动黏度、酸值、碱值、金属元素指标以及斑点检测方法见表3。

表3 试验方法

2 试验结果与讨论

2.1 水分测定

机油中的水主要来源于气源以及燃烧，但是主要来源于气源携带。低浓度的瓦斯从井下被水环真空泵抽出输送到瓦斯抽放管路后，管道内温度降低，从而积聚大量冷凝水。为保障低浓度的煤层气的输送安全，在输送管路上都安设水封阻火泄爆器，或采用细水雾与气源混合输送方式，亦会使瓦斯气体含有大量的水。煤层气气源含水不仅降低发电组的发电效率，也会对发电机组性能造成严重影响。液态水进入发电机组会因大量消耗瓦斯气体燃烧产生的热量而汽化，降低机组的温度，同时导致机组活花塞点火困难，汽化后体积增大占据气缸容积，降低发电组有效出力。有水分的存在，会造成润滑油乳化变质生成油泥，同时也加速润滑油氧化作用，使其氧化变质产生不溶性物质和有机酸，破坏润滑系统油膜，腐蚀金属部件。水分随时间的变化见图2。

图2 水分随时间的变化

图2中，整个试验过程油品水分持续上升，到1600 h已经达到行业换油标准，因此停止了采样并结束试验。结合可燃混合气湿度大，启动困难，含水量大的煤层气是影响瓦斯发电效率的关键因素，也是制约机油换油周期的一个关键影响因素，尽管其他指标表现很好，但是因为水分含量大，所以必须把气源中的液态水清除于进入燃烧室前。

2.2 运动黏度

气体发动机长期连续高负荷运转，不停机，发动机常暴露在苛刻的环境下，对发动机油的可靠性要求更高，因此本次试验采用综合性能良好的单剂发动机油品，以减少黏度指数改进剂的不利影响。运动黏度是油品关键指标之一，反映油品流动过程中内部分子剪切力的大小。油品运动黏度小，一方面有利于发动机的节约能耗，另一方面，黏度太小导致油膜形成不良，强度下降，零部件磨损增大；运动黏度大，油品的油膜强度大，可以为发动机部件提供更好承载保护，尤其在轴瓦部位形成油楔子，防止发动机部件磨损，但运动黏度过大，会影响油品的低温泵送速度，在低温冷启动状态，发动机不能及时将润滑油泵送到需要润滑的发动机部位，造成低温冷启动异常磨损。机油运动黏度会随着使用过程增大或者变小，黏度变化反映其氧化衰变程度、添加剂的高温热分解、降凝剂的受力剪切、热裂解缩合等变化情况。因油品高温氧化、硝化、硫化反应造成分子交联反应生成大分子聚合物而使油品运动黏度增大；常见的有发动机高温，油品被氧化；发动机漏气严重，积炭烟尘污染机油；发动机油运动黏度的变化情况一定程度上可以反映发动机油的衰变情况，结合水分等其他指标掌握发动机运行是否正常。试验过程中油品100 ℃运动黏度随着试验里程的变化趋势见图3[16]。

图3 运动黏度(100 ℃)随里程的变化

图3中，整个试验结过程油品100 ℃运动黏度变化非常平稳。尽管油品受摩擦副剧烈的高速剪切的作用但黏度均未见下降且并没有受到氧化值和硝化值增大的影响。该油品运动黏度保持性好。

2.3 酸碱值

酸碱值主要监测油品中清净剂功能的消耗情况及油品的老化程度。在用柴油机油的酸值增加主要来自两方面：一是油品高温氧化带来的酸性物质，二是燃料燃烧生成的酸性物质。气体发动机机油中含碱性的清净剂能够在使用过程中，持续中和润滑油和燃料氧化生成的含氧酸，阻止它们进一步氧化缩合，从而减少漆膜，同时可以中和含硫燃料燃烧后生成的氧化硫，阻止它们磺化润滑油，也可以中和燃烧后产生的氯化氢和硝酸等，阻止它们对烃类进一步作用，由于中和了这些无机酸和有机酸，从而防止这些酸性物质对发动机金属部件的腐蚀[17-18]。试验过程中酸值增值，说明油品产生了大量的酸性物质，会促使变质，生成油泥，对发动机造成一定程度的机械腐蚀，同时在金属的催化作用下继续加速油品的老化状况，影响发动机的正常运行。试验过程中油品的酸碱值随着试验里程的变化情况见图4。

图4 酸碱值随里程的变化

由图4可见，随着试验时间的增加，油品酸值逐渐增大，变化趋势平稳；试验结束时，油品酸值最大值为4.8 mgKOH/g，碱值为7.3 mgKOH/g,未出现酸碱值交叉现象。油品仍具有很好的清净性和碱值储备性，可以继续为油品和发动机提供保护，满足固定式内燃发动机的使用要求。

2.4 氧化值和硝化值的变化情况

气体发动机在运行过程中发生的一系列复杂的物理化学变化。主要表现在油品被燃烧产物污染以及油品自身因为接触发动机高温氧化和硝化、添加剂的老化降解以及与燃料产物的反应等。油品高温氧化后生成酸性化合物，会腐蚀发动机硬件、加速发动机部件的磨损。而氧化产物的进一步氧化缩合则生成大分子胶状物质，使油品黏度不断增大，最终因低温流动性能恶化而导致发动机故障。油品的硝化物是产生油泥的主要来源之一[19]。试验过程中油品的氧化值和硝化值随着试验时间的变化情况见图5。

图5 氧化值、硝化值随里程的变化

由图5可以看出，随着试验时间的进行，试验油品氧化值和硝化值含量逐步上升，达到12 A/cm左右。

2.5 金属元素含量的变化情况

发动机部件磨损及腐蚀都会导致使用油品的金属含量增高，因此通过油液监测金属元素含量的变化情况，可以了解和掌握发动机的磨损情况。发动机状态正常，油品中磨损金属元素会呈平稳上升趋势，如果金属元素含量一旦出现急剧增加则表明发动机发生了明显的磨损[20-22]。试验过程中油品铁、铝、铜含量变化见图6。

图6 磨损元素随里程的变化

从图6可以看出，磨损元素铁、铅、铝磨损含量变化很小且平稳，始终处于正常范围，说明发动机工作正常，油品使用性能良好。

2.6 分散性测试

油斑吸滤试验用于鉴定过多引擎烟尘、评价润滑油分散性和检测发动机曲轴箱内润滑油是否存在乙二醇、燃油和其他污垢物。润滑油分散测试仪如图7所示，可以在读取油斑时，避免个人主观判断影响试验结果可靠性。仪器测试项目包括分散性指标(MD)、污染指数(IC)、加权评分(DP)，功能介绍如表4。分别取经过1210 h、1430 h、1600 h的油品滴到滤纸上，如图7所示。

图7 润滑油分散性测试仪和油品滤纸效果

表4 油品试验结果

从表4可以看出，油品经过1600 h，表征分散性能和清洁能力的重要指标MD表现还是非常高，评定油品不容物的百分含量的指标IC很小，油品经过1600 h之后质量整体还是很好。

4 结论

试验证明玉柴马石油气体发动机专用油40在恒定转速的固定式燃气发动机上运行 1600 h试验中，发动机油底壳大，所以运行工况并不苛刻，从上面的数据分析得出，除了水分，油品其他各项指标变化平稳且正常，油品性能表现良好，可满足该类固定式内燃机的润滑需求；但从试验分析出，煤层气含水量大，成为制约气体机油换油周期的关键影响因素。