Texaco
20.08.2015

Повышение КПД газовых двигателей

Обтекание

Феликс Кайфер, технический специалист по маслам и технологическим жидкостям компании Caterpillar Energy Solutions GmbH, рассказывает представителям компании Infineum о задачах, стоящих в настоящее время перед промышленностью, и последних разработках в сегменте газовых двигателей.

С каждым годом в мире растёт спрос на устойчивые и надёжные источники недорогой энергии. Всё больше предпочтений отдается природному газу. В результате неизбежно увеличивается количество стационарных двигателей, используемых или в транспортировке газа от скважины до потребителя, или для выработки электроэнергии. Чтобы удовлетворить потребности этого меняющегося и сложного рынка, нужно чётко знать требования производителей оборудования.


Применение газообразного топлива неуклонно растёт, и одна из важнейших проблем, которая, по мнению Феликса Кайфера, требует решения, – разница в качестве используемого газа. Он поясняет: 

«На рынке всё больше предлагают пропан, очищенный биогаз и водород, а, значит, увеличивается проблема качества газа. Нужно, чтобы конструкция газового двигателя могла быстро справляться с меняющимся метановым числом. Более того, так как для максимального КПД устанавливается высокая степень сжатия смеси, необходима и надёжная защита от детонации (преждевременного воспламенения)».

В данной отрасли нужно учитывать не только разницу в качестве газа, но также работать с самыми разными типами газа. Например, в Европе неуклонно растёт количество двигателей, в которых используется биогаз и свалочный газ.



Феликс Кайфер говорит о необходимости чётко классифицировать неочищенные высокосернистые газы.

«Мы работаем с тремя уровнями качества газа: высокое, среднее и низкое. Чтобы защитить двигатель и всю установку от повреждения, мы определили для газа низкого качества максимальные допуски по содержанию таких веществ, как сера, сероводород, хлор и аммиак. Если содержание этих контролируемых веществ меньше 20% от максимального предела, то считается, что это газ среднего качества – обычно такой газ может поступать с завода по производству биогаза, оборудованного фильтрами на основе активированного угля. В настоящее время, как для газа среднего качества, так и высококачественного газа нами установлен один и тот же уровень технического обслуживания и ресурса двигателя».


Потребность в экономии затрат

«У газовых двигателей высокое давление в цилиндре и большая удельная мощность.В этой связи для того, чтобы избежать изнашивания в результате полужидкостного трения, смазочный зазор должен быть минимален. Даже при очевидной кратковременной выгоде от экономии топлива применение масел класса SAE 30 или же SAE 20 может негативно повлиять на ресурс узлов двигателя. Так как мы не смогли продемонстрировать существенное снижение расхода топлива при использовании маловязких масел, то в нашей текущей научно-исследовательской деятельности не уделяется значительного внимания таким маслам. По моему мнению, намного интереснее разработка новых модификаторов трения». 


В данном случае технологи компании Texaco полностью разделяют мнение Феликса Кайфера (технический специалист по маслам и технологическим жидкостям компании Caterpillar Energy Solutions GmbH) насчет необходимости работы над формулировкой масел, а не повторения стандартных формулировок, которыми заполнен рынок. Новая линейка масел для стационарных газовых двигателей HDAX имеет ряд отличительных особенностей, в частности модификатор трения, о котором упоминает Феликс Кайфер.


Пакет присадок собственной разработки в сочетании с кристально-чистыми базовыми маслами II группы, также собственного производства, обеспечивает полную совместимость компонентов масла и содержит ряд элементов (в т.ч. молибден на уровне 300 мг/кг), необходимых для решения проблем прогара и полного закрытия клапанов в газовых двигателях. В двигателях, работающих на газе, топливо подается в камеру сгорания в газообразном состоянии, что отражается на состоянии впускных (прежде всего) и выпускных клапанов, так как газ не может обеспечить смазку пары клапан/седло, как это делает жидкое топливо. При этом смазкой между тарелкой клапана и седлом служит только зола, образуемая маслом, ввиду естественного расхода масла на угар. Слишком малое количество золы или не тот тип золымогут усилить износ клапана и седла. В то же время, слишком большое количество золы приводит к ее накоплению на поверхности клапанов и поршней, что может вызвать перегрев последних и их разрушение ввиду нарушения теплоотдачи. 

Стандартный диалкилдитиофосфат цинка, который используется во многих продуктах представленных сейчас на рынке, в ходе полевых испытаний оказался гораздо менее эффективен для защиты клапанов.

Желание сократить эксплуатационные расходы – еще один серьезный стимул для внедрения новых высокоэкономичных двигателей. Однако у таких двигателей высокий КПД, что существенно усложняет их конструкцию и повышает затраты на их установку. Как поясняет Феликс Кайфер, важно предоставить для каждого рынка правильный двигатель. «Для того чтобы выполнить требования каждого из наших целевых рынков, мы должны найти оптимальное соотношение между эксплуатационными характеристиками, затратами на установку, эксплуатационной пригодностью и надёжностью».


Двигатели с высоким КПД

Так как приоритетное значение придаётся токсичности отработавших газов и сокращению затрат, производители оборудования усиленно работают над внедрением инновационных систем.
Как упоминалось выше, двигатели с высоким кпд сильно отличаются от традиционных двигателей и имеют совершенно другие требования к смазочным материалам, что ставит перед производителями новые цели.
«Касаемо конструкции двигателей, есть цель обеспечить аналогичный или даже более длительный ресурс двигателя. Это означает увеличенные интервалы обслуживания и меньший простой, но при этом всё время надо учитывать нагрузку на двигатель, который подвергается большему износу». 

Смазочный материал должен выдерживать достаточно длительные интервалы замены, даже несмотря на то, что нагрузка будет больше, а расход масла или его доливка меньше. Когда мы рассматриваем необходимость того, чтобы масло предотвращало отложения в канавках поршневых колец и эффективно защищало двигатели от загрязнения, важно учитывать сокращение объёма картера поршня».


Важные темы для газовых двигателей

Одна из актуальных тем, обсуждаемых в настоящее время, – использование газовых двигателей для сбалансированного электроснабжения при пиковых нагрузках.
Феликс Кайфер говорит, что газовые двигатели лучше приспособлены для работы в разных режимах нагрузки, чем газовые турбины или большие электростанции (атомные и угольные):

«Считается, что при таком режиме работы двигатель намного чаще останавливается и запускается. Это необходимо учитывать при разработке новых моторных масел для газовых двигателей. Более того, для двигателей, в которых нет предварительного подогрева масла, предпочтительны всесезонные масла, а с ужесточением законодательства по ограничению токсичности отработавших газов кажется неизбежным и внедрение каталитических нейтрализаторов. Я думаю объем производства смазочных материалов, сульфатная зольность которых превышает 0,6% от массы, будет снижаться».


Ещё одна серьезная тема для обсуждения – проскок метана. По сравнению с дизельными двигателями современные газовые двигатели имеют относительно малое содержание NOx и CO2 в отработавших газах. Однако некоторое внимание привлекают выбросы несожжённого метана, также называемые «проскок метана» – не только из-за его стоимости, но и из-за того, что метан – парниковый газ.


Феликс Кайфер подтверждает:

«Мы задействованы в нескольких научно-исследовательских проектах по этой теме. До сих пор, чтобы максимально предупредить проскок метана, мы уделяли большое внимание технологиям сгорания топлива, и исследовательские проекты показали, что наши двигатели дают хорошие результаты. Будут оцениваться новые технологии доочистки отработавших газов на предмет скорости преобразования, затрат и, несомненно, надёжности».

Современные и будущие проблемы применения смазочных материалов

По словам Феликса Кайфера, в будущем больше двигателей будут устанавливаться в местах со сложными условиями окружающей среды, например, с высокой влажностью, высокими температурами и загрязнением.

«Это повышает сложность таких продуктов, что увеличивает роль квалифицированного персонала и сервисных центров. Способность работать с различным качеством газа, внесение изменений в организацию энергоснабжения и создание более высокой удельной мощности двигателя – вот основные задачи на предстоящие годы». 

Феликс Кайфер твёрдо уверен в том, что защита двигателя всё больше зависит от использования высокоэффективного смазочного материала, и такой усиленной защитой нельзя жертвовать ради продления интервалов замены масла.

На сегодняшний день инженеры и технологи сходятся в одном – законы физики и химии работают, как и прежде, но с учетом тенденции повышения КПД и, как следствие, возросших нагрузок (не говоря уже об иных факторах, например, колебаниях в качестве или составе топливного газа), результат, который показывают масла, может сильно отличаться.

В случае если воздушно-топливная смесь обогащается, например, в целях повышения выходной мощности, увеличивается и степень нитрования масла. Texaco HDAX 5200 создано на II группе API базовых масел по технологии синтеза ISOSYN, что означает отсутствие ароматических соединений, асфальто-смолистых веществ и нафтеновых кислот, в отличие от масел на I группе API получаемых, как правило, путем сольвентной очистки (очистки растворителями). Стабильность к окислению и нитрованию сильно разнится.  Это не говорит о том, что масла HDAX не окисляются вообще – это означает, что они выдерживают окислительную нагрузку значительно дольше.

Или другой пример: высокое содержание ароматических углеводородов в базовых маслах I группы – причина разрушений молекул дисперсантов. Дисперсанты предотвращают образование крупных частиц отложений, которыевызывают рост вязкости, блокируют фильтр (многие инженеры-механики не понаслышке сталкивались с аварийной остановкой установки по причине перепада давления в масляном фильтре) и закупоривают масляные магистрали, откладываются на поверхностях узлов и деталей и препятствуют отводу тепла (нарушается тепловой баланс установки).

Здесь нет никаких чудес, вопрос только в химии и физике явлений – ароматические молекулы снижают эффективность действия дисперсантов и не препятствуют агломерации (укрупнению) частиц отложений, т.к. ароматические соединения не обладают стерическим эффектом (эффекта отталкивания). В результате скопление частиц (агломерация) отложений приводит к увеличению вязкости и абразивному износу.

В тесном сотрудничестве с инженерами многих производителей стационарных двигателей, бренд Texaco  создал принципиально новую линейку масел HDAXна основе II группы базовых масел, которая лишена недостатков, описанных выше, а также имеет более низкую склонность к угару ввиду однородности молекулярнного состава. Продукты HDAX не содержат ни легколетучей ароматики, ни легколетучих углеводородов парафинового (а также и обратной стороны – тяжелых углеводородов нафтенового ряда). Как следствие, показатель испаряемости продуктов HDAX ниже чем у продуктов конкурентов, что отражается положительным образом на показателе рентабельности при эксплуатации газопоршневых установок.