渦輪機油的選擇和維護(一)
2010-04-05
渦輪機油的選擇和維護(一)
作者 吳世榮
前言
發電設備的渦輪機組裡，超過百噸的鋼鐵金屬結構以每分鐘3,600轉的速度由平軸承支撐旋轉，而介於其中的潤滑油膜，以僅僅比毛髮更薄的厚度作為潤滑和緩衝墊的效果。環顧全球各地的電廠，皆倚賴類似的液體動力夜以繼日的運轉，然這些肩負重責大任的相關渦輪機滑油，並未被特別的重視或注意。在季節性的尖峰時段，只要機組稍有差池，營收的損失可能以數百萬元計。舉一機組設備的平均值計算，綜合考量各項因素的營收為每百萬瓦-小時(MW-hr)50美元，尖峰時甚至可達1,000美元/MW-hr。如果渦輪機油的選用不當，一部500MW的機組就可能造成每天600,000美元的營收損失。
我們在以下的幾個單元裡，說明蒸汽、燃氣、水力、和航空燃氣渦輪機的潤滑油選擇重點。潤滑油供應廠商的技術支援服務能力也是需一併考慮的因素之一。當然，正確的運轉程序和確實的維護保養更是最重要的關鍵。
░ 讓正確的機具資材用於運轉工作：
考慮選擇渦輪機油之前應該先瞭解渦輪機油和其它潤滑油在物理和化學特性上的異同。
蒸汽、燃氣、和水力渦輪機都使用具抗氧化防銹(R&O)潤滑油。渦輪機設備機構、操作循環、維修習性、運轉溫度、和可能的污染等都是渦輪機油要求和其他應用的潤滑油所不同的地方。蒸汽和燃氣渦輪機的潤滑油槽可從二、三十桶到三、四百桶的需求油量，油品的使用效能和壽命是營運成本的考量之一。滑油的低添加補充率(每年約5%)也是需求高品質、長效潤滑油的原因。拋開嚴重污染問題的影響，渦輪機油主要是從其氧化穩定性來評定使用效能。油品的氧化穩定性會受到熱、水分、空氣、和粒子污染而變差。使用抗氧化劑、防銹劑、和抗乳化劑配合優質的基礎油可以延長油品壽命。渦輪機潤滑油系統安裝滑油冷卻器、除水裝置、和過濾器也是用來延長油品的使用壽命。
不同於引擎潤滑油，渦輪機油的配製要能將水分離且讓油中污染顆粒能夠在油槽裡沉澱，接著定期自槽底洩油口排掉或經由過濾系統去除。由於清淨或分散添加劑會有負面的作用，為幫助污染物質的分離，渦輪機油的配方都不添加高量的清淨或分散添加劑來清除和帶走污染物質。且不同於內燃機引擎機油，渦輪機油的潤滑工作環境並不會曝露在燃油或油煙的污染中，所以不必頻繁的排除舊油並更換新油。
░ 渦輪機油的效能特性按蒸汽、燃氣、水力、和航空燃氣渦輪機的應用而定：
蒸汽渦輪機：
維護良好的蒸汽渦輪機油配合適當的添加補充油量可以使用達20年以上。當蒸汽渦輪機油經氧化而提早劣化時，常常是因為水分污染所造成的後果。水污染會減低氧化穩定性並促進銹蝕的產生，銹蝕產物更會作為氧化觸媒的角色，加速油品的劣化。
在蒸汽渦輪機的運轉時，水分會持續經由填函密封處的洩漏進入蒸汽渦輪機的潤滑系統。由於渦輪機軸貫穿整個渦輪機罩，必須特別注意儘量避免低壓蒸汽或空氣洩漏至真空冷凝器。通常冷凝蒸汽會被導離潤滑系統，然而仍有些水氣會滲透機罩進入潤滑油系統裡。密封填函的狀況，被阻絕的蒸汽壓力，和排氣系統的狀況都會影響水分進入潤滑系統的多寡。一般來說，蒸汽抽取系統和高流速滑油都會形成真空狀態，將蒸汽經軸封吸入軸承和滑油系統。另外，油冷卻器的狀況不佳，機房環境不良，補充滑油時的水污染，和周遭高濕氣的冷凝水等，都是水分污染滑油常見的管道。
滑油遭水分污染的影響或滑油的油水分離效果不好，或許可藉優良的配方添加劑來彌補，例如抗氧化劑、防銹劑、和抗乳化劑等。過量的水分也可利用離心機、集水器、過濾系統、通氣口乾燥劑、和真空除水等裝置來除水。
溫度高熱會加速氧化導致渦輪機油的壽命減損。蒸汽渦輪發電設備，其軸承溫度大致為50℃~70℃，潤滑油槽溫度為50℃。眾所周知，溫度對滑油的影響(油溫超過60℃時)每升高10℃氧化速率倍增。傳統的礦物油在超過80℃的溫度會快速氧化。多數含錫的巴氏合金軸頸軸承在120℃的溫度會開始產生問題，這溫度已遠超過傳統渦輪機油的溫度限制。使用優質的抗氧化劑可以減緩高溫氧化的進行，但必須將水分和過熱源減至最低才得以達到渦輪機油的長效壽命。
燃氣渦輪機：
對絕大部分的燃氣機組，操作高溫是造成渦輪機油提前劣化失效的主因。燃氣渦輪機的高效能和高燃燒溫度設計趨勢，成為選用強化高溫特性渦輪機油的主要動力。現代大型燃氣渦輪機組的運作，其軸承溫度約在70℃~120℃間，新一代的機組其操作溫度更高。燃氣機組的製造廠家已提高對渦輪機油的旋轉壓力容器氧化試驗(RPVOT ASTM D2272)建議限值和渦輪機油氧化穩定性(TOST ASTM D943)效能，以因應高操作溫度的挑戰。
最新發展的燃氣渦輪機組，改變其操作運轉循環，同時也帶來新的潤滑挑戰。循環運轉的燃氣渦輪機組的潤滑問題，一開始是發生於90年代中期。軸承高溫和循環運轉模式導致液壓系統積垢，因而延遲設備的起動。為此，使用加氫裂解基礎油配合適當添加劑配製的渦輪機油得以研發來解決這些問題，同時也延長渦輪機油的換油週期。按實際應用的經驗，如Mobil DTE 800已成功證明用於循環運轉的燃氣渦輪機組達5年且效能優異，而傳統的礦物油通常在一或兩年的使用就會明顯的劣化或失效。
(下期續..)