杜景涛
(国家管网集团西部管道有限责任公司兰州输气分公司，甘肃 兰州 730070)
本文对某压气站压缩机组润滑油周期性检查中出现的问题进行了分析，针对目前某输气管道所用压缩机组的润滑情况，对使用矿物润滑油和合成润滑油选型进行分析和研究。
2.1 压缩机组润滑重要性
目前，某输气管道压缩机组目前使用的全部为32号矿物质油，油品粘度为ISO VG 32。其润滑油流程如图1所示。
图1 润滑油工作流程
润滑油系统是任何一台燃驱机组必备的一个重要的辅助系统，主要作用是在机组启动、正常运行以及停机后，向燃驱机组的各个轴承、传动装置及其附属设备，供应数量充足的、温度和压力合适的、干净的润滑油。
对润滑油的要求，原则上有下列6个方面：
(1)优良的低温启动性。
(2)要求油品具有优异的沉积物抑制性能；
(3)要求油品具备高的热氧化稳定性；
(4)良好的抗磨损性能，满足轴承和齿轮的润滑要求；
(5)良好的空气释放性和良好的抗泡性；
(6)良好的抗乳化性和防锈性。
2.2 索拉压缩机组润滑系统工作情况
选择某压气站机组进行研究，了解机组润滑系统工作情况。由于燃驱机组主要设备都封闭在柜体中，在现场设备运行状态的检查中，最主要检查润滑油油箱温度和换热器的温度分布。
油箱温度基本在52 ℃，根据SOLAR对润滑油运行温度范围的要求可知，当设备运行30 min后，润滑油温度范围在43 ℃与74 ℃之间都为正常值。
润滑油冷却器进回油管之间的温差可达20 ℃左右，换热器工作正常，基本可判定换热器管内壁无影响换热的油泥或其他不溶物。
2.3 机组润滑油使用现状
目前，某压气站3台压缩机组所使用的润滑油型号均为美孚DTE 832，主要参数如表1所示。
表1 美孚DTE 832润滑油的主要性能参数
目前，某输气管道压缩机组润滑油管理采用的是每3个月进行一次检测，出现检测不合格的情况进行更换。某压气站近3年润滑油的主要参数变化趋势如图2～5所示。
图2 运动粘度变化趋势(40 ℃时)
图3 水分变化趋势
图4 抗乳化性变化趋势
图5 颗粒度变化趋势
通过对3台机组12批次的润滑油水分、颗粒度、运动粘度及抗乳化性的对比发现，不同检验批次中，不同机组润滑油的同一参数间存在较为密切关联，即存在同时升高和同时降低的现象。通过趋势图初步发现润滑油存在指标超标的现象，引起油品超标的原因存在以下几种可能性：
(1)该油品部分参数指标已实际达到超标值。
(2)取样瓶不洁净或取样方式不合理导致油品品质破坏。
(3)检验人员的不规范操作或检测设备的误差导致油品检验结果不准确。
(4)运输过程或取样至检测存在较长时间间隔导致油品品质变化。
根据相关的技术要求和润滑油监控指标来判定润滑油的状态，得到润滑油检测结论如表2所示。
表2 美孚DTE 832润滑油的主要性能参数
从表2可以看出某压气站近3年共36次润滑油检测中，有7次颗粒度超标，3次抗乳化性超标。由此可以得出，颗粒度和抗乳化性是机组润滑油最容易出现问题的两项性能参数。
3.1 颗粒度超标的危害与原因
3.1.1 颗粒度超标的危害
(1)加速燃气轮机中径向轴承与推力轴承的磨损
(2)堵塞过滤器滤网，造成润滑油过滤器压力偏高
(3)促进油品的油质劣化
(4)导致轴承温度偏高。
3.1.2 颗粒度超标的原因分析
(1)轴承密封气带入颗粒物
某压气站位于沙漠戈壁之上，气候干燥，空气中微小沙尘含量较高。这些空气经过压缩之后，作为压缩机干气密封的隔离气使用，起到将润滑油和天然气隔离开来的作用。容易导致空气中没有过滤掉的尘土颗粒掺混入润滑油之中，如图6所示。
图6 隔离气与润滑油混合示意图
燃机轴承采用空气增压的迷宫式密封，防止润滑油从轴承端泄漏，增压空气引自压气机第七级。若增压空气经过迷宫式密封泄漏到轴承润滑油腔内，会将空气中的少量颗粒物代入润滑油系统中，如图7所示。
图7 气封空气进入轴承箱示意图
(2)油液变质生成的杂质
润滑油中若含有水分，会使润滑油更快老化，同时加速润滑油乳化并产生乳化液，乳化液的存在会对润滑油颗粒度检测的结果有影响。
(3)外部带入
机组大、小修中，可能由修理者、零部件及脏污环境带入机械杂质颗粒。
(4)轴瓦磨损的影响
表3为2020年2#机组润滑油检测报告的一部分。检测发现该批次润滑油颗粒度超标，但检测报告中显示未检出铜(Cu)、铁(Fe)、锡(Sn)等元素，排除压缩机组轴承轴瓦的磨损作为润滑油颗粒度升高的原因。
表3 2020年2#机组润滑油检测情况
(5)由润滑油放空管路进入的颗粒物
机组润滑油箱配有放空管，用来排除油箱中所携带的气体介质和水蒸气，保证安全。油箱放空管与大气直接连通，空气中的颗粒物会随着放空管路进入油箱。
3.2 抗乳化性超标的危害与原因
3.2.1 抗乳化性超标的危害
润滑油中水份的存在会加速油质的老化及产生乳化，同时会与油中添加剂作用，促进其分解，导致设备锈蚀。[2]
抗乳化性即代表着润滑油与水相分开的能力，抗乳化性好，就说明润滑油与其中的水分更易分开。若抗乳化性超标，润滑油将与混入的水形成乳化液，使润滑油质量变差，润滑作用变差造成轴承磨损。[3]
3.2.2 抗乳化性超标的原因
润滑油里的水有三种形式：溶解水、乳化水和游离水。溶解水就是溶解在润滑油里的水分少量的溶解水，不会造成危害。润滑油里进入水后，如果没有和油分离开，微小的水滴悬浮在油液里成为悬浊液，就成为乳化水。当水和润滑油完全分离开后，就成为游离水，游离水的危害相对较小。
目前，压气站机组使用的润滑油全部为矿物油，而GE和RR燃机很多使用的事合同油。矿物油与合成油在性能上有较大的差异，下面对矿物油与合成油的使用进行一个对比分析。
4.1 合成油与矿物油概述
矿物油在物理提炼中，依靠的是重量而不是分子结构进行区分的。合成油则是原油通过聚合、催化等复杂的化学反应而制成的基础油。合成油的抗氧化安定性、粘度指数和抗乳化性等指标通常较好。
为了避免品牌和粘度等级不同造成的影响，本文选择了与站内正在使用的美孚DTE 832矿物润滑油同品牌、同粘度等级的美孚SHC 824合成润滑油进行比较，主要性能参数如表4所示。
表4 美孚SHC 824合成润滑油的主要性能参数
4.2 粘温性能
粘度—温度定律在前人的研究下已有很多关系式，其中Walther粘温关系式能较为准确反映粘度与温度的关系，被绝大多数人采用，公式如下：
loglog(ν+0.7)=A+BlogT
(1)
式中ν——运动粘度，mm2/s
T——绝度温度，K
A、B——常数
从美孚公司官网给出的产品数据可知，美孚DTE 832润滑油和美孚SHC 824润滑油在40 ℃时和在100 ℃时的粘度如表5所示。
表5 两种润滑油在40 ℃时和在100 ℃时的粘度
将温度与运动粘度的值代入式(1)计算得出A、B的值，结果如表6所示。
表6 两种润滑油的A、B值
美孚DTE 832润滑油与美孚SHC 824润滑油的Walther粘温关系式分别为
loglog(ν+0.7)=9.236-3.632logT
(2)
loglog(ν+0.7)=8.849-3.474logT
(3)
根据Walther粘温关系式，利用Origin软件作出两种润滑油的粘温曲线，如图8所示。
图8 两种润滑油的粘温曲线
从粘温曲线可以看出，两种油的粘温曲线比较接近，说明两种油的粘温性能相似，从粘温性能上不能区分两种润滑油的优劣。
4.3 低温性能
某输气管道途经青海、甘肃两省，冬季温度非常低，最低温度达-30 ℃以下。因此，研究润滑油的低温性能对某输气管道沿线的压缩机组来说很有必要。
4.3.1 低温流动性能
倾点是指油样在标准规定的条件下冷却时，能够继续流动的温度。[4]倾点高则润滑油的低温流动性好，倾点低则低温流动性差。
对于压缩机组来说，低温流动性主要影响着机组在低温条件下的启动性能。在环境温度接近于倾点的情况下，润滑油可能会发生稠化。目前在用的美孚DTE 832的倾点为-30 ℃，美孚SHC 824的倾点为-54 ℃。-54 ℃比青海、甘肃最低环境温度要低20 ℃左右，即使在非常低的环境温度下，美孚SHC 824润滑油依然具有较好的流动性，确保润滑油在低温下的快速循坏。
4.3.2 低温启动性能
通过已有的研究可知，边界泵送温度略大于最低启动温度，最低启动大于倾点，且最低启动温度比倾点高5 ℃左右。[5]因此，满足最低启动温度，就可满足低温泵送性。在选择润滑油的时候，润滑油的倾点应至少低于最低使用环境温度5～7 ℃。所研究的压气站一年之中最低环境温度约为-30 ℃。目前在用的美孚DTE 832润滑油的倾点与最低使用环境温度非常接近，选用美孚SHC 824润滑油，即使在润滑油箱加热器失效的情况下，也能确保机组正常启动。
所研究压气站备用机组通过加热器保持油箱温度处于30 ℃以上。如图9所示，从数据监控系统油箱温度的情况。可以看到，当油箱温度降低至35 ℃时，润滑油加热器启动，当润滑油加热到40 ℃时，润滑油加热器停止。
图9 润滑油加热器及油箱温度情况
如果选用美孚SHC 824合成润滑油，由于其较好的低温性能，则油箱加热温度可以降低15 ℃。
根据傅里叶导热定律可知，介质间的传热速率与介质间的温差成正比关系。降低油箱加热温度后，由于油箱温度与环境温度温差变小，所以冷却时间会变长。已知从40 ℃冷却至35 ℃的平均时间为100 min，所以可据此作出降低加热温度前后加热器工作状态和油箱温度关系图，如图10所示。
图10 降低加热温度前后加热器工作状态和油箱温度关系图
从图中可以看出降低油箱加热温度后，润滑油加热器的工作时间减少了3.5 h，节省电能为
W=P·T
(4)
式中W——电能，kW·h
P——加热器功率，25 kW
T——加热器缩短的工作时间，3.5 h
解出上式可得，W=87.5 kW·h，即采用美孚SHC 824润滑油并降低润滑油加热温度后，在环境温度0 ℃时一天可省电约87.5 kW·h。每年11～3月，此压气站所处地理位置日平均温度低于-1 ℃。所以按一年中有4个月的日平均温度为0 ℃计算，仅在11～3月的4个月间可省电量10500 kW·h以上，一年可省10000元以上电费。
4.4 高温性能
4.4.1 热氧化安定性
燃气轮机和压缩机在正常工作的情况下转速均达到10000 r/min以上，各轴承均以非常高的速度发生相对运动，并发出大量的热量。因此，对压缩机组轴承起到冷却作用的润滑油需要具有良好的散热性和高温保护性。
润滑油在高温条件下会易发生氧化，在流体温度高于60 ℃时，每升高10 ℃，氧化就会使润滑油的使用寿命减少一半。合成油具有更好的剪切稳定性，这使得油品在高温和发动机高转速下依然可以保持黏度级别，即使在苛刻的工况下，也能提供强韧的厚油膜保护，对发动机的润滑效果，大大减小摩擦、降低磨损。
4.4.2 蒸发特性
润滑油在温度升高后，容易发生表面汽化，出现蒸发的现象。润滑油在使用过程中，蒸发造成润滑油系统中润滑油量逐渐减少。闪点是表示润滑油蒸发性的指标，闪点越高，润滑油越不容易蒸发，且越安全。美孚SHC 824润滑油比美孚DTE 832润滑油闪点高24 ℃，所以美孚SHC 824润滑油具有更加优异的蒸发特性和安全性。
4.5 泡沫特性
润滑油泡沫特性指润滑油生产泡沫的倾向及泡沫的稳定性。机组润滑油在工作中，受到振荡作用，使空气进入润滑油而产生气泡，如图15所示。
润滑油产生泡沫的危害有：(1)增大润滑油的压缩性，使油压降低；
(2)增大润滑油与空气接触的面积，加速润滑油的老化；
(3)气泡存在不利于在轴承的相对运动表面内形成保护油膜。美孚DTE 832润滑油与美孚SHC 824润滑油的泡沫特性如表7所示。
表7 两种润滑油的泡沫特性
由上表可见美孚SHC 824润滑油在测试中产生的泡沫体积仅为美孚DTE 832润滑油的一半，由此可知美孚SHC 824润滑油的泡沫特性优于美孚DTE 832润滑油一倍。
4.6 成本核算
某压气站3#机组2016年更换了新的润滑油，现在已经达到了换油指标，所以矿物油的换油周期大概为4年。同时经过调研合成油换油周期大概为8年。美孚DTE 832单价为3500元/桶，美孚SHC 824单价为9000元/桶。对于索拉金牛星70机组来说，加满一次油需要25桶润滑油，则换一次矿物油的成本为87500元，换一次合成油成本为225000元。换算到每年的用油成本，矿物油为21875元/年，合成油为28125元/年。同时结合上文分析的能耗情况，可得出矿物油与合成油的年用油综合成本，如图11所示。
图11 两种油的年综合用油成本
由图11可以看出，美孚SHC 824比美孚DTE 832的年综合用油成本低10000元左右，具有更好的经济性能。
润滑油系统的正常工作对机组极为重要，为了选择出对于某输气管道压缩机组更适合的润滑油，上文将现用美孚DTE 832矿物润滑油与合成油进行对比分析，对比的对象为与现用润滑油相同品牌、相同粘度等级的涡轮润滑油美孚SHC 824合成润滑油，具体结论为：
(1)由近3年的润滑油检测情况来看，润滑油颗粒度和抗乳化性是最易超标的两项性能参数。
(2)美孚SHC 824合成润滑油与美孚DTE 832矿物润滑油相比，在抗氧化性、低温性能、粘温特性和泡沫特性等性能上具有优势，能带来较好的使用性能。
(3)采用美孚SHC 824润滑油可达到节能的目的，同时与美孚DTE 832润滑油相比有较好的使用经济性，能降低综合用油成本。
(4)此论文以某压气站的索拉金牛星70机组进行分析，同样适用其他燃气轮机。
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