Typické problémy plynových motorů z pohledu analýzy oleje

Tento článek upozorňuje na typické problémy plynových motorů a jak se projevují ve výsledcích analýz olejů. V tabulce 1 jsou uvedeny obvykle sledované parametry a doporučené limity tak, jak je uvádí výrobci motorů.

Viskozita - základní parametr mazacího oleje; u plynových motorů viskozita obvykle roste v důsledku termooxidační degradace nebo znečištění, pokles viskozity není příliš typický a bývá následkem degradace polymerního zahušťovače v případě vícestupňových olejů.

TBN - celkové číslo alkality; má velký význam při spalování plynů, jejichž hořením vznikají sloučeniny, které mohou zvláště za přítomnosti vlhkosti tvořit látky kyselého charakteru (bioplyn, skládkový plyn); charakterizuje obsah přísad, které tyto kyselé látky neutralizují.

TAN - celkové číslo kyselosti; charakterizuje nárůst obsahu kyselých složek v oleji, které mohou vznikat spalováním plynu a stárnutím oleje; většinou se používá kritérium „hodnota TAN nesmí být rovna nebo větší než hodnota TBN“.

i-pH (z anglického initial pH) - používá se k hodnocení možné korozívnosti oleje. Souvisí přímo s „kyselostí“ oleje a překročení jeho limitu vede k napadení ložiskové kompozice.

Oxidace, nitrace - určují se pomocí infračervené spektrometrie a jejich hodnota charakterizuje postup degradace oleje; někdy se také stanovuje hodnota sulfatace.

Znečištění - jde o tzv. mechanické nečistoty (prach, otěrové kovy) a produkty degradace oleje; produkty nedokonalého spalování typické pro naftové motory jsou u plynových motorů výjimkou, ale dochází k tomu při nevyvážených podmínkách provozu motorů spalujících zemní plyn; do motoru se mohou dostat nečistoty ze špatně vyčištěného bioplynu.

Křemík - původ křemíku v oleji z plynového motoru může být trojí: 1) prach z okolního prostředí - jde o nedokonalou funkci filtru vzduchu (je potřeba vyměnit filtr i oleje);
2) protipěnivostní přísada oleje - vyplatí se stanovit, zda je křemík v novém oleji, jeho množství a naměřené obsahy křemíku během provozu se vztahují k této hodnotě;  3) siloxany ze spalovaného plynu - pokud se naměří vyšší obsah křemíku bez doprovodu vyššího obsahu otěrových kovů, jde o tento případ, ale sloučeniny křemíku z plynu se mohou usazovat ve spalovacím prostoru motoru, což má posléze zvýšené opotřebení stejně za následek.

Voda - souvisí s možným průnikem chladicí směsi do oleje, případně s nevyváženými podmínkami spalování; větší množství negativně ovlivňuje jak olej, tak motor.

Glykol - stejně jako u vody souvisí s možným průnikem chladicí směsi do oleje; všichni výrobci plynových motorů doporučují okamžitý zásah při detekci glykolu v oleji, je to důsledek jeho negativního působení na přísady oleje a téměř jisté degradace oleje. Doporučuje se sledovat také obsah sodíku, případně dalších prvků, které jsou součástí přísad nemrznoucí kapaliny.

Otěrové kovy - někteří výrobci doporučují limity obsahu otěrových kovů, ale většina se přiklonila k trendové analýze. Pomocí optické emisní spektrometrie s indukcí vázaným plazmatem sleduje 14 až 22 prvků (jsou mezi nimi také aditivní prvky a prvky související se znečištěním oleje, ne jen otěrové kovy), analýza odhalí i malé odchylky od normálního průběhu.

Chlor - obsah chloru v olejích se sleduje především z motorů spalujících skládkový plyn, protože rozkladem některých plastů může chlor vznikat. Při spalování takového plynu pak mohou vznikat látky kyselé povahy (HCl) velmi nebezpečné kvůli možné korozi částí motoru.

Kromě uvedených parametrů se sledují i některé další, např. obsah síry.

Plynové motory
Ve srovnání s naftovými motory je provoz plynového motoru ovlivněn především spalovaným plynem. Provozní podmínky se vyznačují vysokými teplotami, tím, že plyn „nemaže“ a netvoří saze. Oleje pro plynové motory můžeme rozdělit do dvou základních skupin - oleje pro motory spalující zemní plyn a stlačené ropné plyny; oleje pro bioplyn a skládkový plyn. První skupina se vyznačuje nízkým obsahem popela a nižší hodnotou TBN. Do druhé skupiny patří oleje se středním obsahem popela (do 1,0 % hmot.) a vyšší hodnotou TBN, která se může pohybovat okolo 10 mg KOH/g. V ČR můžeme narazit na plynové motory těchto výrobců: Jenbacher, MWM Deutz, Caterpillar, TEDOM, Schnell/Scania, Waukesha, Wartsila, Agenitor, Perkins ad.


Typické problémy podle spalovaného plynu
V ČR i na Slovensku vznikly vzhledem k výhodné prodejní ceně elektřiny desítky kogeneračních stanic s plynovými motory. Nejčastěji se v motorech spaluje bioplyn, který má různý původ podle typu biomasy, ze které se plyn vyrábí. Obsah methanu v bioplynu je do 75 % a zbytek tvoří další plyny a různé znečištění. Podle našich zkušeností je v obou republikách dost rozšířený problém s kvalitou plynu, především obsahem sloučenin síry v něm. Ale vyskytují se i další znečišťující látky, jejichž přítomnost v plynu má negativní důsledky pro motor - např. siloxany nebo čpavek. Podobné problémy existují u skládkového plynu, jen hlavní znečištění je jiné, typicky chlor.
Na obr. 1 je vidět vliv siloxanů z plynu na postupně se zvyšující se opotřebení motoru. Že jde o siloxany je zřejmé z pomalého nástupu zvýšeného opotřebení při velmi vysokých hodnotách obsahu křemíku v oleji. Kdyby šlo o prach, obsah železa by rostl mnohem výrazněji a daleko dříve.

Na obr. 2 je ilustrován vliv většího obsahu síry v plynu na stav oleje. Přestože hodnoty sulfatace, které charakterizují vliv spalovaných sloučenin síry na degradaci oleje, nikdy nepřesáhly kritický limit 20 Abs/cm, je jasně vidět, že po úvodní fázi, kdy byla sulfatace nízká a hodnota TBN stále vyšší než hodnota TAN, došlo ke zvýšení hodnot sulfatace a k překřížení hodnot TAN a TBN. V závěrečné fázi pak byla hodnota TBN stále nižší než hodnota TAN, přestože došlo po výměně oleje k poklesu hodnoty sulfatace. To znamená, že po výměně se olej velmi rychle dostává do degradovaného stavu s TAN vyšším než TBN.

U motorů spalujících zemní plyn (nebo stlačené ropné plyny) je hlavním problémem termooxiodační degradace oleje, která má velmi podobné důsledky jako velký obsah síry v bioplynu projevující se velkou hodnotou sulfatace. Zde roste hodnota parametru „oxidace“ a posléze dochází ke zvyšování kyselosti oleje charakterizované vyšší hodnotou TAN (viz obr 3). Pokud je takový stav ponechán bez zásahu, důsledky jsou opět podobné jako v případě bioplynu - napadení barevných kovů v ložiskové kompozici (viz obr 4). Zde je vidět zvýšení obou parametrů charakterizujících degradaci oleje - nitrace i oxidace - a zvyšování obsahu olova v oleji.

Měnit olej často nebo méně často?
V tabulce 2 je ilustrován vliv nesprávně provedených výměn oleje na možné opotřebení motoru. Vzorek z července 2011 ukazuje v zásadě totální degradaci oleje po 980 provozních hodinách a vysoký obsah železa a olova. Měli bychom zde spíše zmínit korozi než opotřebení, protože velmi kyselý olej (TAN = 9,02 mg KOH/g při TBN = 1,4 mg KOH/g !!) negativně působil na ložiska motoru. Vzorek z prosince 2011 ukazuje, že i 783 provozních hodin je pro daný typ oleje při těchto provozních podmínkách příliš, protože parametry charakterizující degradaci oleje jsou bohatě nad povolenými limity a hodnota TAN je zřetelně vyšší než hodnota TBN. Hodnoty železa a olova, pokud je přepočteme na 1000 h provozu, jsou sice pod limity (železo 15,3 ppm, resp. olovo = 8,9 ppm), ale už jsou opět zvýšené.

Na obr. 5 je pak dokumentován stav, kdy pouze neustálé výměny oleje vrací jeho vlastnosti k normálu. Ze všech těchto výše uvedených zjištění jasně vyplývá, že se vyplatí vynaložit více nákladů na častější výměny oleje než „šetřit“ a provozovat dlouho jednu náplň oleje a pak několikanásobek „ušetřené“ částky zaplatit za opravu motoru.

Závěrem
Sledování plynových motorů pomocí analýz vzorků olejů z nich odebraných je dnes jednoznačně kvalitním diagnostickým nástrojem. Jsou významným zdrojem informací jak o stavu oleje a stavu motoru, tak i o kvalitě spalovaného plynu. Stejně jako u jiných typů motorů, platí i u plynových motorů spalujících bioplyn nebo skládkový plyn, že se vyplatí častější výměny oleje podložené analýzami stavu oleje. U motorů spalujících zemní plyn nebo stlačené ropné plyny se zase vyplatí vsadit na kvalitnější základový olej s lepší termooxidační stabilitou, přestože cena oleje je trochu vyšší.

Ing. Richard Němeček, Ing. Luboš Vacek, Tomáš Diviš, Ing. Vladimír Nováček
 

Publikováno: 21. 7. 2014 | Počet zobrazení: 5121 659