SAE 40固定式燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)油的差異化方案設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究

彭威

中國(guó)石化潤(rùn)滑油有限公司華南分公司

國(guó)內(nèi)采用垃圾填埋氣發(fā)電的某企業(yè)自有發(fā)動(dòng)機(jī)組較多，因發(fā)電機(jī)組換油頻繁和換油量大，期望通過延長(zhǎng)油品的換油周期，來降低發(fā)電機(jī)組的維護(hù)成本，但試用多家品牌的發(fā)動(dòng)機(jī)油后仍無法達(dá)到預(yù)期效果。本文采用長(zhǎng)城SAE 40固定式燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)油在該企業(yè)垃圾填埋氣燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組進(jìn)行了應(yīng)用試驗(yàn)，根據(jù)用戶要求的差異化方案設(shè)計(jì)并作了試用驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，新方案油品的換油周期可以達(dá)到800 h，顯著延長(zhǎng)了換油周期，滿足了客戶的需求。

國(guó)內(nèi)某領(lǐng)先的垃圾填埋氣綜合處置投資運(yùn)營(yíng)商致力于生活垃圾填埋場(chǎng)氣的綜合利用，擁有多個(gè)垃圾填埋氣發(fā)電廠項(xiàng)目，發(fā)電機(jī)組有勝動(dòng)、濟(jì)柴750 kW的國(guó)產(chǎn)機(jī)組和顏巴赫750 kW的進(jìn)口機(jī)組。發(fā)電機(jī)組用油量大，每次換油500 L/臺(tái)，因各垃圾填埋廠的氣源成分差異較大，造成燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的維護(hù)保養(yǎng)情況不一，平均每500 h左右就需要換油保養(yǎng)，使用成本非常高，因此客戶希望通過延長(zhǎng)換油周期來降低成本。但通過近一年試用國(guó)內(nèi)外多家潤(rùn)滑油供應(yīng)商的燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)油產(chǎn)品，仍然不能達(dá)到理想的目標(biāo)。為解決客戶的實(shí)際問題，結(jié)合設(shè)備的工況特點(diǎn)，本文進(jìn)行了長(zhǎng)城SAE 40固定式燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)油的試用應(yīng)用研究、差異化方案設(shè)計(jì)和實(shí)地驗(yàn)證，以期能夠?yàn)榭蛻籼峁M意的產(chǎn)品服務(wù)。

垃圾填埋氣發(fā)電機(jī)組的工況特點(diǎn)及潤(rùn)滑要求

垃圾填埋氣是生活垃圾填埋后，在填埋場(chǎng)內(nèi)被微生物分解，產(chǎn)生的以甲烷和二氧化碳為主要成分的混合氣體，屬于沼氣的一種。發(fā)電機(jī)組一般要求連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，對(duì)穩(wěn)定性要求較高，工況較為苛刻，而垃圾填埋氣熱值不太穩(wěn)定（CH4和CO2比例不穩(wěn)定）、成分比較復(fù)雜，因此采用垃圾填埋氣為氣源的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組，氣源成分的差異和變化對(duì)固定式燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)油性能有較大影響[1]，主要表現(xiàn)在：

◇垃圾填埋氣中含有微量H2S，本身具有一定的腐蝕性，與水、氧接觸后形成硫酸，會(huì)嚴(yán)重腐蝕發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸、軸瓦、活塞環(huán)等重要部件；

◇垃圾填埋氣中含有鹵素碳?xì)浠衔锶紵院笮纬甥u素酸，鹵素酸具有極強(qiáng)的腐蝕性，其腐蝕的機(jī)理不同于硫酸及亞硫酸；

◇垃圾填埋氣含有大量的CO2，致使沼氣燃料的燃燒速度較慢，燃燒持續(xù)時(shí)期變長(zhǎng)，使得發(fā)動(dòng)機(jī)油黏度增大；同時(shí)，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)后，由于冷卻產(chǎn)生飽和水蒸氣，垃圾填埋氣中的CO2溶解于水，形成帶有一定腐蝕性的碳酸。

◇垃圾填埋氣含有一定的灰塵和含硅顆粒物?；覊m進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)就會(huì)黏附到發(fā)動(dòng)機(jī)零件的油膜上，會(huì)阻塞、損壞軸承，并急劇地縮短許多發(fā)動(dòng)機(jī)零件的壽命；同時(shí)，含硅顆粒物容易在發(fā)動(dòng)機(jī)里聚積，造成氣門、氣缸套、閥門等部件的磨損。

因此，以垃圾填埋氣作為氣源的燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)，由于其特殊的工況特點(diǎn)，其發(fā)動(dòng)機(jī)油除了要求固定式燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)油具有良好的潤(rùn)滑性、抗磨損、抗氧化、抗硝化、清凈分散性能和適宜的灰分含量以外，還要求油品具有較高的堿值，以中和氣體中的酸性成分。而發(fā)動(dòng)機(jī)油的硫酸鹽灰分（簡(jiǎn)稱灰分）主要來源于機(jī)油中的堿性添加劑，因此在產(chǎn)品的開發(fā)中需要嚴(yán)格均衡發(fā)動(dòng)機(jī)油的配方，以求獲得較高的堿值和適宜的灰分含量。同時(shí)，以垃圾填埋氣作為氣源的燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)油品的換油周期、穩(wěn)定性、可靠性以及對(duì)發(fā)電機(jī)組的耐久性保護(hù)都有較高的要求。

產(chǎn)品應(yīng)用研究及差異化方案

根據(jù)設(shè)備的工況特點(diǎn)和市場(chǎng)同類產(chǎn)品情況，為客戶研制試生產(chǎn)了SAE 40固定式燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)油，并與6個(gè)其他品牌油品（氣源、環(huán)境、設(shè)備等大體一致）同時(shí)進(jìn)行產(chǎn)品性能的驗(yàn)證，油品的目標(biāo)換油周期為800 h。

應(yīng)用試驗(yàn)

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)及試驗(yàn)油品

對(duì)研制試生產(chǎn)的油品的應(yīng)用研究采用濟(jì)柴的具有代表性工況的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組進(jìn)行。復(fù)雜多變的氣源組成對(duì)固定式燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行帶來諸多挑戰(zhàn)。受限于成分復(fù)雜和降解組分變化，無法提供氣源具體組分?jǐn)?shù)據(jù)。進(jìn)行的對(duì)比試驗(yàn)機(jī)型和工況相同。燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組技術(shù)參數(shù)見表1，試用油品的主要理化指標(biāo)見表2。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)

表2 SAE 40固定式燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)油主要理化指標(biāo)數(shù)據(jù)

清洗和采樣

為保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，防止不同油品之間混用帶來的不良影響，試驗(yàn)開始之前，在熱態(tài)下將試用發(fā)電機(jī)組的舊機(jī)油全部排空，加注SAE 40固定式燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)油試驗(yàn)油至油標(biāo)尺3/4液面與高液面之間，對(duì)發(fā)電機(jī)組潤(rùn)滑系統(tǒng)徹底清洗1次，每次怠速運(yùn)轉(zhuǎn)清洗12 h，然后放盡清洗油并更換機(jī)油濾清器、空氣濾清器，最后加注試驗(yàn)機(jī)油到油標(biāo)尺3/4液面處開始試用試驗(yàn)。

油品采樣間隔為每100 h采用一次，采樣后及時(shí)寄送到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行樣品分析，計(jì)劃試驗(yàn)時(shí)間為800 h，待試驗(yàn)進(jìn)行到500 h后根據(jù)油品的理化分析結(jié)果和設(shè)備運(yùn)行情況來決定試驗(yàn)是否繼續(xù)進(jìn)行。

換油指標(biāo)

通過與客戶技術(shù)管理人員的充分溝通和交流，結(jié)合6 000 系列燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)說明書要求，確定了油品的換油指標(biāo)，見表3。

表3 參考換油指標(biāo)

初始方案產(chǎn)品應(yīng)用結(jié)果及討論

將研制試生產(chǎn)的SAE 40固定式燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)油（試驗(yàn)油A），并與試驗(yàn)油B以及其余五個(gè)品牌（試驗(yàn)油C、試驗(yàn)油D、試驗(yàn)油E、試驗(yàn)油F、試驗(yàn)油G）共計(jì)七個(gè)油品進(jìn)行產(chǎn)品性能對(duì)比試用試驗(yàn)。

100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度變化情況

試驗(yàn)油品100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度隨試驗(yàn)時(shí)間的變化見圖1。

圖1 100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度的變化

由圖1可見，7個(gè)試驗(yàn)油在整個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)，100 ℃油品運(yùn)動(dòng)黏度的變化總體平穩(wěn)，均能保持在新油的黏度級(jí)別范圍內(nèi)，符合客戶要求。試驗(yàn)油C 500 h黏度數(shù)據(jù)存在異常波動(dòng)，其可能原因是采樣分析誤差。

堿值變化情況

試驗(yàn)油品堿值隨試驗(yàn)時(shí)間的變化情況見圖2。

圖2 堿值的變化

試驗(yàn)油品的堿值（堿值下降率）隨試驗(yàn)時(shí)間的變化見圖2（除試驗(yàn)油A、B外的5種油品缺少初始?jí)A值，故只給出試驗(yàn)油A、B的堿值下降率的變化）。由圖2可以看出，在氣源條件較為苛刻的條件下，7個(gè)試驗(yàn)油的堿值都有所下降，試驗(yàn)油B在整個(gè)試驗(yàn)周期中都維持在較高堿值，但是從試驗(yàn)油B的初始?jí)A值（15.27 mgKOH/g）和灰分（1.85%）可見，其值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通的燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)油。較高的堿值和灰分會(huì)導(dǎo)致沉積物過多，氣門關(guān)閉不嚴(yán)，導(dǎo)致氣門噴火，造成氣門熔損，從保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)考慮，此款油品并不是燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的理想選擇。較高堿值對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的影響見圖3[2]。試驗(yàn)周期內(nèi)，長(zhǎng)城油品（試驗(yàn)油A）堿值保持較高水平，未超參考換油標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)油品的堿值下降較多的原因在于中和酸性物質(zhì)需要消耗大量的堿性組分，這與沼氣含有較高H2S等腐蝕性酸性物質(zhì)有關(guān)。

圖3 過高堿值對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的影響

磨損（污染）元素分析

試驗(yàn)油品磨損元素鐵含量、銅含量隨試驗(yàn)時(shí)間的變化見圖4、圖5，污染元素硅含量隨試驗(yàn)時(shí)間的變化見圖6。

圖4 鐵含量的變化

圖5 銅含量的變化

圖6 硅含量的變化

由圖4、圖5可以看出磨損金屬含量均較高，主要由于氣源成分中硅含量較高所致。由圖6可以看出，在試驗(yàn)周期內(nèi)，試驗(yàn)油品中的硅含量均較高，其中較高的硅含量主要源于氣源。征得客戶同意后，結(jié)合設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，在磨損元素超過參考換油標(biāo)準(zhǔn)后仍開展試驗(yàn)，結(jié)果以供客戶參考。

差異化設(shè)計(jì)方案

對(duì)比試用試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)的7個(gè)油品表現(xiàn)出不同的使用特性，但換油周期小于600 h。堿值保持能力、潤(rùn)滑油保護(hù)和換油周期未能同時(shí)達(dá)到預(yù)期。因此，根據(jù)用戶的要求，結(jié)合前期試驗(yàn)的數(shù)據(jù)和使用效果，我們提供了差異化的產(chǎn)品開展試驗(yàn)。針對(duì)垃圾填埋氣燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的燃燒室溫度較高，加劇機(jī)油在使用過程中的氧化變質(zhì)[3]的工況特點(diǎn)，選用了抗氧化性能更加優(yōu)異的基礎(chǔ)油和添加劑配伍[4]。

新設(shè)計(jì)方案應(yīng)用結(jié)果及討論

差異化設(shè)計(jì)的產(chǎn)品繼續(xù)在2臺(tái)垃圾填埋氣發(fā)電機(jī)組上進(jìn)行試用研究，機(jī)型和試用地點(diǎn)與采用初始方案的產(chǎn)品一致，保證了氣源、環(huán)境、設(shè)備等的大體一致性。新方案的產(chǎn)品理化數(shù)據(jù)如表4。

表4 新方案的試驗(yàn)用油主要理化指標(biāo)數(shù)據(jù)

在試用過程中通過對(duì)油品的100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度、堿值、不溶物、磨損元素、氧化值和硝化值等關(guān)鍵理化指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控，以評(píng)價(jià)產(chǎn)品的綜合性能。采樣周期依然為每100 h采樣一次，并及時(shí)寄送到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測(cè)分析。

100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度變化情況

新方案產(chǎn)品的100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度隨試驗(yàn)時(shí)間的變化見圖7。

圖7 新方案產(chǎn)品100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度變化

從圖7可以看出，新方案的產(chǎn)品在使用過程中，非常關(guān)鍵的理化指標(biāo)100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度變化平穩(wěn)，說明油品良好的潤(rùn)滑性能和突出的抗氧化能力，能夠滿足垃圾填埋氣發(fā)電機(jī)組的特殊工況要求，可以為垃圾填埋氣發(fā)電機(jī)組提供良好的潤(rùn)滑保護(hù)。

堿值變化情況

新方案的產(chǎn)品的堿值隨試驗(yàn)時(shí)間的變化見圖8。

圖8 新方案產(chǎn)品堿值變化

從圖8可以看出，新方案的產(chǎn)品在使用過程中，堿值下降率隨試驗(yàn)時(shí)間的推移逐漸上升，這是正?，F(xiàn)象。新方案產(chǎn)品在兩臺(tái)機(jī)組上試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間900 h時(shí)，堿值下降率仍在換油指標(biāo)要求范圍內(nèi)，表明油品具有較好的酸中和能力，避免設(shè)備的酸腐蝕磨損，同時(shí)體現(xiàn)了優(yōu)良的堿值保持性。

正戊烷不溶物變化情況

新方案的產(chǎn)品的正戊烷不溶物隨試驗(yàn)時(shí)間的變化見圖9。

圖9 新方案產(chǎn)品正戊烷不溶物變化

從圖9可以看出，新方案的產(chǎn)品在使用過程中，油品中的正戊烷不溶物含量較小，沒有達(dá)到換油標(biāo)準(zhǔn)的要求，體現(xiàn)了油品良好的清凈分散性。

水分變化情況

新方案的產(chǎn)品的水分隨試驗(yàn)時(shí)間的變化見圖10。

圖10 新方案產(chǎn)品水分變化

從圖10可以看出，新方案的產(chǎn)品在使用過程中，油品中的水分較小，沒有達(dá)到換油標(biāo)準(zhǔn)0.2%的要求，說明油品在使用過程中沒有受到水分的污染。

氧化值及硝化值變化情況

新方案的產(chǎn)品的氧化值和硝化值隨試驗(yàn)時(shí)間的變化見圖11、圖12。

圖11 新方案產(chǎn)品氧化值變化

圖12 新方案產(chǎn)品硝化值變化

從圖11、圖12可以看出，新方案的產(chǎn)品在使用過程中，油品的氧化值和硝化值呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，但在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)均沒有達(dá)到換油標(biāo)準(zhǔn)的要求，表明油品具有較好的抗氧化和抗硝化性能。

磨損（污染）元素含量變化情況

新方案的產(chǎn)品的Fe、Cu、Al、Pb磨損金屬元素含量的變化分別見圖13～圖16，污染元素硅含量的變化見圖17。

圖13 新方案產(chǎn)品鐵含量變化

圖15 新方案產(chǎn)品鋁含量變化

圖16 新方案產(chǎn)品鉛含量變化

圖17 新方案產(chǎn)品硅含量變化

從圖13～16可以看出，新方案產(chǎn)品在試用過程中Fe、Cu、Al和Pb等的磨損元素含量隨試用時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸增加。由圖13可知，鐵元素含量在800 h前增長(zhǎng)較為緩慢，2號(hào)機(jī)組運(yùn)行至1 100 h時(shí)仍未超出換油指標(biāo)，較改進(jìn)前（600 h時(shí)鐵含量已超出換油指標(biāo)）的油品有較大提升。由圖14可知，1號(hào)機(jī)組銅含量在800 h時(shí)未超換油指標(biāo)，2號(hào)機(jī)組試驗(yàn)結(jié)束時(shí)仍未超過換油指標(biāo)。由圖15可知，鋁元素在整個(gè)試驗(yàn)周期均未超出換油指標(biāo)。從圖17可以看出，污染元素硅含量增長(zhǎng)較快，主要受氣源因素影響所致。較高的硅元素含量對(duì)油品長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行提出了嚴(yán)苛挑戰(zhàn)。綜上所述，結(jié)合客戶主要關(guān)注點(diǎn)和兩臺(tái)機(jī)組的綜合表現(xiàn)，推薦換油期可達(dá)800 h，客戶對(duì)此推薦換油周期表示認(rèn)可。

結(jié)論

通過差異化的SAE 40固定式燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)油產(chǎn)品設(shè)計(jì)，使產(chǎn)品的換油周期從初始的600 h左右提升到800 h，得到客戶的認(rèn)可。

實(shí)際的應(yīng)用結(jié)果表明，新方案的SAE 40固定式燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)油具有更加優(yōu)異的產(chǎn)品性能，更加適合工況惡劣的采用垃圾填埋氣為燃料的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的潤(rùn)滑。油品換油周期可以達(dá)到800 h，相比客戶原用油的換油周期有了較大的提升，能夠有效地減少換油頻次，減少客戶的設(shè)備維護(hù)成本和人工成本。