Print

Tribodiagnostika v provozu motorů bioplynových stanic

-- 05.12.2017

Úvod

Stavba energetických center a bioplynových stanic vyrábějících palivo pro spalovací motory z alternativních zdrojů (bioplyny) se stala rychle se rozvíjející součástí zemědělské výroby, čističek odpadních vod a skládek komunálního odpadu. Konstruktéři a vývojáři výrazně zdokonalili konstrukci a technologii plynových motorů a dalších technologických zařízení těchto jednotek. Výrobci motorů stanovili požadavky na paliva a motorové oleje. Rozbory vzorků oleje jsou součástí provozu plynového motoru, který často rozhoduje o servisních úkonech a technickém stavu motoru a celého technologického celku. Možnosti tribodiagnostiky zajistit spolehlivý provoz a stabilizovat nebo i prodloužit servisní intervaly, způsoby sledování, metodika a výsledky jsou součástí tohoto článku.

Typ bioplynu a jeho vliv na provoz motoru 

Od konce 80. let 20. století jsou v České republice jedním z alternativních paliv pro spalovací motory energetických center a kogeneračních jednotek bioplyny. V tomto období se také získávaly první zkušenosti se specifickými podmínkami provozu. K dynamickému rozvoji v této oblasti a ke stavbám energetických center a bioplynových stanic došlo po roce 2000. Využívání bioplynů v zemědělství, kalových plynů v čističkách odpadních vod a skládkových plynů na skládkách odpadů se stává téměř módou.

V současnosti nejčastěji vyráběným a používaným typem bioplynu v České republice je plyn vznikající anaerobním mikrobiálním rozkladem organické hmoty živočišných exkrementů, hospodářských plodin a další biomasy. Kvalita a čistota plynu závisí výrazně na zplyňovaných materiálech a následné technologii odsiřování a vysušování. Současná technologie je schopna připravit palivo s velmi podobnými vlastnostmi a složením jako má zemní plyn s obsahem CH4 okolo 90 %. V běžném provozu tomu tak ale není a obsah CH4 je výrazně nižší (viz tabulka) a plyn často obsahuje velké množství pro chod motoru rizikových složek, zejména některé sloučeniny síry (sulfany, H2S). I když je odstranění těchto složek věnována zvýšená péče, jsou tyto sloučeniny výraznými faktory ovlivňujícími negativně provoz a servisní činnost.

Dalším hojně využívaným typem bioplynu je kalový plyn. Zdrojem je stejně jako u předcházejícího typu anaerobní mikrobiální rozklad organické hmoty kalů z mechanického a biologického čištění odpadních vod v ČOV. Složení a vlastnosti mohou být velmi podobné předcházejícímu typu. Vzhledem k materiálu pro zplyňování může ještě obsahovat i některé nežádoucí stopové prvky, např. Cl a F. Důsledným čištěním je i v tomto případě možné připravit velmi čisté palivo.

Posledním často využívaným typem plynu je plyn jímaný nebo čerpaný ze skládek komunálního odpadu (skládkový plyn). Vzniká aerobně anaerobním mikrobiálním rozkladem biologických složek odpadu. Má často velmi proměnlivé složení. Po mírných úpravách je i tato směs plynů velmi dobrým palivem s velmi podobnými vlastnostmi jako předcházející typy. Také zde lze čekat některé sloučeniny obsahující S, CL a F. Tabulka složení je i zde jen orientační a může být velmi proměnlivé. Z hlediska složení jednotlivých plynů je lze porovnat s nejlepším plynným palivem, a to se zemním plynem.

V České republice je charakterizován vysokou výhřevností a vysokou čistotou plynu. To vše zajišťuje dobrou regulaci spalovacího procesu, minimální kontaminaci spalin nežádoucími látkami a také nízkou kontaminací motorového oleje cizorodými látkami způsobujícími zrychlení degradace.

Konstrukce a charakteristika provozu stacionárních plynových motorů

Všechny popisované „bioplyny“ vyžadují speciální konstrukci motoru a sofistikovanou technologii na výrobu a úpravu plynu.

V praxi jsou vyráběny konstrukčně originální plynové motory a kompletní agregáty a technologie, speciální konstrukce motoru i sofistikované technologie na výrobu a úpravu plynu. Konstrukčně v praxi často vychází plynový motor z platformy vznětového naftového motoru s úpravami pro zážehový plynový motor. Se vznětovým motorem má motor základní konstrukční prvky (kliková hřídel, blok motoru, olejové hospodářství atd.), nová je technologie a konstrukce spalovací části, konstrukce ventilů, pístů apod. Některými výrobci jsou vyráběny konstrukčně originální plynové motory s kompletním technologickým příslušenstvím.

Servisní intervaly výměny motorového oleje jsou velice rozdílné dle motoru a zástavby (250–x000 Mth), dle různých objemů olejové náplně – vlastní systém, vnější systém s velkou nádrží často pro více motorů (30–500 l), použití automatického doplňování oleje apod. O servisních intervalech rozhoduje jak kontaminace kyselými produkty ze spalování (sulfany) napadající kovové části motoru, syloxany (úsady oxidů křemíku v motoru), tak teplotní režim motoru. Ten je u moderních motorů velmi náročný a spolu s kontaminací může vytvořit pro olej „jedovatý koktejl“.

Pro podchycení změn v oleji se potom tribodiagnostika motorového oleje stává nedílnou součástí údržby.

Dalším specifickým článkem celého technologického celku, který může hrát rozhodující roli v opotřebení motoru a v dosažení úrovně (délce) servisního intervalu, je motorový olej. Výrobci olejů formulují speciální motorové oleje splňující specifické požadavky výrobců plynových motorů. Standardní typy motorových olejů pro plynové motory jsou viskozitní třídy SAE 40 nebo 30, s optimalizovaným obsahem některých složek, např. sulfátového popela, P a dalších prvků a sloučenin, s optimalizovanými některými parametry, např. hodnotou TBN. Použití konkrétního oleje potom závisí na typu plynu, jeho čistotě, provozních podmínkách, zástavbových podmínkách, servisních intervalech, ekonomických parametrech atd.

Oleje pro plynové motory lze pro zjednodušení rozdělit do tří skupin podle obsahu sulfátového popelu. Motorové oleje s nízkým obsahem sulfátového popelu do 05 % hm. (Low Ash), oleje se středním obsahem 0,5 % až 1,0 % hm. (Medium Ash) a s obsahem nad 1,0 % hm. (High Ash). Pro provoz v běžných bioplynových stanicích jsou nejčastěji používány, a to s uspokojivými výsledky, oleje se střední hodnotou (Medium Ash). Podobně je tomu u hodnoty TBN. Ta je u těchto olejů v rozmezí 6,0 mgKOH/g až cca 13,0 mgKOH/g. Užití je potom závislé na čistotě plynu a obsahu některých sloučenin síry. Pro potlačení vlivu termooxidačního zatížení jsou dnes k dispozici motorové oleje na bázi nejnovějších typů základových olejů (API sk. II, sk. III, PAO, syntetické estery) s vynikající termooxidační stabilitou. V oblasti zušlechťujících přísad došlo k výrazným změnám také reflektujícím zejména termooxidační zatížení oleje. Pro bezproblémový chod plynového motoru spalujícího bioplyny je nutné v provozu používat tribodiagnostické hodnocení motorového oleje, které umožňuje předejít většině havarijních stavů motoru.

Tribodiagnostika

Vzhledem k naprosto specifickým podmínkám provozu motorů na plynná paliva je také vyhodnocování rozborů vzorků motorového oleje komplikovanější než u provozu motorů na motorovou naftu. Rozbory oleje v průběhu servisního intervalu jsou nedílnou součástí provozu plynového motoru. V praxi tomu tak ale často není. Hodnocení vzorků je zcela povrchní bez znalosti technologického celku, motoru, oleje a dalších provozních podmínek. Jeden rozbor vzorku motorového oleje v průběhu servisního intervalu je zcela nedostačující, nemůže říci o stavu motoru téměř nic.

Celý princip hodnocení je nutné vnímat na úrovni změn a jejich trendů. Lze sledovat dlouhodobé zhoršování chodu motoru i rázové změny charakterizující možné poškození motoru. Vyhodnocením těchto změn je možné využít v plánovaných krocích údržby i při zabránění havárií motoru.

Dalším nedořešeným problémem je četnost vzorků. Pokud zde hovoříme o sledování změn a trendů, je nutné stanovit nějaký počátek. Tím nejvhodnějším se jeví tzv. „blank“ vzorek odebraný po cca 1–10 hodinách provozu po výměně oleje. Tento vzorek nejenom, že zmapuje skutečný stav oleje na počátku servisního intervalu, ale také ukáže úspěšnost servisního úkonu výměny oleje a jednoznačně stanoví počátek vyhodnocení všech změn na oleji. Nyní se podíváme na parametry, metodiky a výsledky hodnocení vzorků motorového oleje plynového motoru spalujícího bioplyn tak, jak jsou v praxi využívány.

  • Změny viskozitních parametrů – ve stacionárních plynových motorech (všechny typy plynů) dochází zejména k nárůstu viskozity vlivem termooxidační a celkové degradace motorového oleje. Zpravidla dochází u monográdních olejů k nárůstu viskozity s doporučenou změnou do ± 25 %. Vyhodnocení je nutné spojit se sledováním dalších změn zejména v oblasti oxidačních a nitračních produktů. V praxi je v laboratořích měřeno na viskozimetrech ve viskozitních lázních při teplotě 100 ºC a 40 ºC. Toto klasické měření je velmi spolehlivé, ale je zatíženo vysokou cenou. V terénu se používají i „rychlometody“ vyhodnocení pomocí infračervené spektrometrie a softwaru. Toto hodnocení je však velmi závislé na stabilizaci provozu a kalibraci pro konkrétní motor, olej, zástavbu. Nedokonalá kalibrace tohoto procesu je příčinou mnohých omylů a servisních chyb. Výhodou bývá zpravidla cena a rychlost. Na následujícím grafu je patrná stabilizace viskozitních parametrů oleje při změně typu oleje a při prodloužení servisního intervalu:
  • Oxidační, nitrační (sulfatační) produkty – jedná se o charakteristické parametry degradace a kontaminace motorového oleje. V praxi jsou hodnoceny pomocí technologie FT-IR (infračervená spektrometrie) na FTIR spektrometru s ATR technikou. Limity je nutné stanovit pro konkrétní motor, olej a provoz. Zejména u plynových motorů je sledování tendence změn těchto složek součástí sledování oleje a motoru. Někteří výrobci motorů stanovují limity změn „absorbance“ pro své motory. Tato metodika je metodikou využívanou pro „rychlohodnocení“ motorového oleje, viz předcházející bod. Na následujícím obrázku jsou v kroužku sledované změny oxidačních a nitračních produktů v průběhu servisního intervalu. V tabulce potom naměřené hodnoty.

  • TBN, TAN, pH vodního výtřepku
    – charakterizují kontaminaci motorového oleje kyselými produkty. TBN charakterizuje odolnost oleje kyselým produktům (mgKOH/g), limit 30–50 % nového oleje, min. 2 mgKOH/g. TAN (mgKOH/g), charakterizuje nárůst obsahu kyselých složek v oleji, limit 2,5 až 3 mgKOH/g nad novým olejem. pH vodního výtřepku charakterizuje prostředí, limit min. pH 6,0. Měří se klasickými metodami – titrace (TBN, TAN), pH měřidlem (pH vodního výtřepku). Nevýhodou je obdobně jako je tomu u viskozity vysoká cena. I zde se používá metodika pomocí FT-IR. Platí pro ni však všechna pro i proti, viz měření viskozity. Na grafech jsou označeny limitní hodnoty a je na nich patrné vzájemné ovlivnění a souvislost těchto tří parametrů. Pořadí TBN, TAN a pH VV.
  • Otěrové kovy, prvky – obsahy prvků charakterizují opotřebení motoru (Fe. Cu, Cr, Pb), korozivní napadení motoru kyselými produkty a kontaminaci oleje z vně motoru. Na protokolech v terénu se často objevují seznamy velkého množství prvků, které znepřehledňují celý protokol a ve většině případů nemají relevantní vztah k vyhodnocení stavu oleje a motoru. Většinou se jedná o skutečnost, že některé měřicí technologie poskytnou tento široký rozsah automaticky. Skutečné využití lze hledat zejména v následujících prvcích. Fe, Cu, Pb a Cr charakterizují opotřebení a korozivní napadení kovových částí motoru. Dalším prvkem je Si, který může pomoci zajistit těsnost sacího traktu. Pro měření jsou k dispozici přístroje s rozdílnými možnostmi přesností měření, např. atomový absorpční spektrometr (AAS), jiskrový optický emisní spektrometr (CCD), rentgenový spektrometr, ICP spektrometr. Vyhodnocení výsledků je vždy závislé na množství oleje v systému v konkrétním motoru a zástavbě. Pro každý motor je nutné stanovit nové limity na základě olejové náplně, použitých materiálech a v neposlední řadě na základě stanovení „standardního“ množství prvků při dlouhodobém sledování.

Na následujícím grafu je zobrazen průběh obsahu Fe v průběhu servisního intervalu. Je na něm patrná téměř dokonalá stabilizace provozu a bezproblémový chod motoru. V takovém případě je možné okamžitě poznat změnu a pokusit se na ni reagovat nápravným opatřením.

  • Změny bodu vzplanutí – tato hodnota bývá vnímána spíše jako informativní a pomocná pro kompletní sledování významných změn, v některých případech může být hodnota ovlivněna v oleji rozpuštěným plynem. To se však stává jen zcela výjimečně. 
  • Obsah vody a glykolu – podobně jako u dalších spalovacích motorů chlazených kapalinou predikuje poruchu chladicího systému. Limit pro vodu je někde mezi 0,15 až 0,20 %. Obsah chladicí kapaliny se zpravidla nedoporučuje.
  • Obsah nečistot – olej je kontaminován produkty chemických reakcí některých sloučenin spojených s kontaminací látkami ze spalovacího procesu a nečistotami z vně motoru (prach, Si). Hodnotí se nejčastěji jako celkové množství nečistot, např. dle ČSN 65 6135 (% hm., 0,8 μm filtrační membrána). Doplňkově je možné využít i kapkovou zkoušku pro doplňující hodnocení celkového stavu oleje i jeho kontaminaci nečistotami. Další hodnocením nečistot může být přes stanovení Si, viz předcházející odstavce. Na obrázcích je vidět vzhled a typické zbarvení filtrační membrány a papíru kapkové zkoušky.

  • Hodnocení stavu zušlechťujících přísad v motorovém oleji – dalším v poslední době úspěšně aplikovaným hodnocením je hodnocení obsahu (ztrát) některých typů antioxidantů. Tato měření pomáhají doplnit celkový skutečný stav sledovaného a hodnoceného motorového oleje. Sledování se provádí pomocí technologie FT-IR nebo v poslední době i voltametricky (Ruler test). Hodnoty a metodika sledování se teprve formují, např. studie Jenbacher, Deutz, Waukesha.

Na konci výčtu je možné hodnocení vzorků motorového oleje zrekapitulovat. V následující tabulce je soupis parametrů, který by v žádném případě neměl chybět na žádném vyhodnocení.

Závěr

Závěrem bude asi nejlepší uvést soupis pravidel pro tribodiagnostiku plynových motorů spalujících bioplyny jednoho nejmenovaného výrobce maziv.

  • Tribodiagnostika motorového oleje je součást provozu motoru.
  • Pro sledování parametrů lze doporučit používání „klasických“ i „moderních“ metod.
  • Je doporučeno využívání „blank“ vzorku a sledování trendů změn.
  • Hodnocení výsledků je třeba důsledně vztahovat ke konkrétnímu motoru a zástavbě.

Použitá literatura:

[1] Preventivní údržba plynových motorů pomocí analýz olejů, Ing. Vladimír Nováček, Ing. Tomáš Turan, Tribotechnické informace 1/2012.

[2] Přednáška odpady a recyklace, Ing. Martin Dočkal, Ph.D.

[3] MOŽNOSTI ZÍSKAVANIA KALOVÉHO PLYNU Z ČISTIARNE ODPADOVÝCH VÔD, Martina Maslejová, Ján Pinka, Monika Petriláková, Ján Šurim, Miloslav Pinčák.

[4] Antioxidant Monitoring of Gas Engine Oils, Carsten Heine, OELCHEK GmbH, Jo Ameye, Fluitec International, Machinery Lubrication 13. 2. 2012.

Recenzent: Ing. Pavel Růžička, Ph.D., TOTAL Česka republika, s. r. o., Praha, certifikovaná osoba na funkci Technik diagnostik tribodiagnostik - kategorie III

Autor: Jiří Klapka


Sponzorované odkazy

 
Aktuální vydání
Reklama

Navštivte rovněž

  •   Události  
  •   Katalog  

Události

PROMOTIC SCADA + eWON flexy workshop
2018-09-26 - 2018-09-26
Místo: Hotel Absolutum Boutique Hotel, Praha
MSV Tour 2018
2018-10-01 - 2018-10-04
Místo: Výstaviště Brno
Mezinárodní strojírenský veletrh 2018
2018-10-01 - 2018-10-05
Místo: Výstaviště Brno
Fórum údržby
2018-10-02 - 2018-10-02
Místo: Brno, veletrh MSV
Energie pro budoucnost XXIV
2018-10-02 - 2018-10-02
Místo: sál P4, BVV

Katalog

Panasonic Electric Works Europe AG
Panasonic Electric Works Europe AG
Veveří 3163/111
616 00 Brno
tel. +420 541 217 001

Brady s.r.o
Brady s.r.o
Na Pantoch 18
831 06 Bratislava
tel. +421 2 3300 4862

ABB s.r.o.
ABB s.r.o.
Štětkova 1638/18
14000 Praha 4
tel. +420739552216

Schneider Electric CZ, s. r. o.
Schneider Electric CZ, s. r. o.
U Trezorky 921/2
158 00 Praha 5
tel. 00420737266673

všechny firmy
Reklama



Tematické newslettery






Anketa


Na horách/u moře
Na chalupě/chatě v tuzemsku
Co je to dovolená?

O nás   |   Reklama   |   Mapa stránek   |   Kontakt   |   Užitečné odkazy   |   Bezplatné zasílání   |   RSS   |   Partneři   |   Blogy   |   
Copyright © 2007-2018 Trade Media International s. r. o.
Navštivte naše další stránky
Trade Media International s. r. o. Trade Media International s. r. o. - Remote Marketing Továrna - vše o průmyslu Control Engineering Česko Řízení a údržba průmyslového podniku Inteligentní budovy Almanach produkce – katalog firem a produktů pro průmysl Konference TMI