渦輪機油的選擇和維護(二)

2010-05-05

渦輪機油的選擇和維護(二)
作者 吳世榮

 

░ 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:



水力渦輪機:
典型的水力渦輪機運轉使用 ISO 46 或68 的抗氧化防銹(R&O)循環機油。因有經常性的水分存在,抗乳化和水解穩定性是影響渦輪機油壽命的關鍵特性。水力發電的環境溫度變化幅度大,使得油品的黏度穩定也很重要, 所以黏度指數的檢測也是主要的效能標準之一。

航空燃氣渦輪機:
航空燃氣渦輪機需求特別高氧化穩定性的渦輪機潤滑油。主要的考量是航空燃氣渦輪機油會直接接觸到金屬的高溫達 200℃~320℃之間。油槽中滑油溫度約 70℃~120℃。這種構造結實的燃氣渦輪機組需仰賴滑油提供潤滑並將高熱帶至油槽。

同時,這種循環運轉使滑油需承受嚴苛的高溫和氧化應力。面對最具挑戰的潤滑狀況, 需選用優質的合成潤滑油。根據使用經驗,平均每小時 0.15 加侖的滑油添加補充量,能讓油品在這種困難的條件下維持良好的狀態。現今用於地面發電的航空燃氣渦輪機組使用黏度 5cSt 的渦輪機油。這類型機組的潤滑油槽設計相當小,通常是 50 加侖或更小。渦輪旋轉速度較高,大約 8,000~20,000 rpm,設計以滾柱抗磨軸承支撐。發電機組的軸承使用ISO 32 的抗氧化防銹(R&O)循環機油或液壓油。在較低溫的環境,可能需選用流動點夠低的液壓油作為潤滑。

合成渦輪機潤滑油的研發是為符合軍用航空器的燃氣渦輪引擎要求,其規範以 MIL 表示。Type II 渦輪機潤滑油於 60 年代初期問世,符合美國海軍的高效能要求,賦予的規範代號為 MIL-L (PRF)-23699。今日的航空燃氣發電機組採用這種以多元酯為基礎油的合成渦輪機油作為潤滑。這些 Type II 油品能提供極優異的效能遠超過先前的 Type I 雙酯類合成油品,80 年代初期,進階版的 Type II 渦輪機潤滑油問世,以符合美國海軍更好的高溫穩定性要求,新的規範代號為 MIL-L (PRF)-23699 HTS。Mobil Jet Oil 291 在 80 年代開始行銷,93 年起推出第四代的渦輪機油,以滿足更高溫和高負載的噴射機滑油使用要求。

░ 如何訂定渦輪機潤滑油的選用(採購)標準:
蒸汽、燃氣、和水力渦輪機潤滑油都使用高精煉的氫化基礎油配製,黏度則是 ISO 32 及 46 或 68。潤滑油供應廠商研發各種渦輪機油以符合渦輪機在各種推進動力和發電機組上的應用。這些配方的開發是為了符合渦輪機製造廠家的規範。由於渦輪機組持續的技術改良和渦輪機油品質相對的提升,許多渦輪機製造廠家將潤滑油認可廠牌自潤滑表上移除,代之以油品的規範作為選用參考。渦輪機製造廠家在確定所建議滑油的效能測試標準後,通常會說明一油品在實際應用上效能良好的話,即便其規範數值並不完全滿足原建議的標準仍可被選擇使用。雖然由工業標準的台架測試, 可以提供一渦輪機油潛在的效能和預期的使用壽命參考。然而,渦輪機製造廠家和潤滑油供應廠商都同意,渦輪機油在類似條件下的成功運轉效能,才是最佳的整體品質和效能的代表。

無論渦輪機油的類型或應用為何,基礎油的品質和添加劑的化學特性是油品長壽的主要因素。高品質基礎油是由其中高百分比的飽和烴,低百分比的芳香烴,和低硫及氮所主導。所使用的添加劑效能需通過完整嚴謹的測試,而且要遵循嚴格的掺配控制程序,這才得以達到所預期的使用效能。優質的渦輪機滑油關鍵在於其特性的維持。有些渦輪機滑油配方在實驗室測試中顯示出良好的數據結果,但實際應用上卻於短時間內提前氧化,這是由於添加劑耗損或析出以及基礎油的氧化所致。當然,實驗室裡頭的潤滑油分析可有助於判斷渦輪機油的壽命長短,但無論如何直接的使用經驗是最可靠且應優先參考的。該注意的是,渦輪機油供應廠商會提供『典型』的潤滑油分析數據來幫助評估預期的效能。這裡只能採用典型的數據是由於潤滑油各批次因基礎油的不同可能會有些許的差異。

蒸汽及燃氣渦輪機潤滑油可以是傳統的礦物油(Group I)或加氫處理的第二類基礎油(Group II)。優質的傳統礦物油在蒸汽及燃氣渦輪機組的潤滑運用上,已展現良好的效能超過 30 年。在發展高效率和循環運轉的燃氣渦輪機組的趨勢下,已促使採用第二類基礎油(Group II)作為渦輪機油的快速發展。絕大部分的加氫處理渦輪機潤滑油比起傳統礦物性渦輪機油具有較好的 RPVOT 和 TOST 效能。這種氧化穩定效能的優點,適用於重載的燃氣渦輪機組的應用。加氫處理渦輪機油的氧化效能優點對於潤滑要求較不嚴苛的蒸汽及燃氣渦輪機組,其優點可能就無法明顯的展現。傳統的礦物基礎油比起加氫處理基礎油有較好的溶解性,可提供較好的套裝添加劑維持,增加氧化產物的溶解能力以免其形成油泥和漆膜的可能性。

談到不同等級或品牌的渦輪機潤滑油的選用,對於滑油無法完全排淨和沖洗的系統,必須要考慮到對各品牌渦輪機油的相容性。添加劑間的化學抵觸或系統裡使用油品質的不良,都是不同品牌油品混合的限制和渦輪機油的不相容的顧慮。

░ 渦輪機潤滑油系統的沖洗:
除了渦輪機油的選擇外,還必須特別注意渦輪機潤滑油系統的更油沖洗和初充填試車的過濾。更換新油的沖洗,渦輪機系統維護保養洩掉舊油之後,需確實作好管線油槽系統的沖洗,並在加入新油運轉時,檢視過濾系統的狀況。新系統試車時,加入渦輪機油後,要以高速擾流沖洗來排除設備裝機時外界的污染物。

換油時的沖洗,主要的作用是去除洩油時無法排掉的滑油氧化殘餘物。最好先以沖洗用的油品沖洗,或者因成本費用考量,直接使用要更新的渦輪機油來進行。沖洗作業是利用潤滑系統的循環油泵,按正常運轉的系統潤滑油循環管道和流率進行作業,除非是外加的外部循環過濾裝置。這種過濾沖洗是來去除系統過濾裝置無法除掉的可溶性和不溶性物質,且是按實際需要每隔一段時間進行,而非原本的裝置隨正常運轉持續進行過濾。

絕大部分的原製造廠商都有高速沖洗和過濾的建議指南。承包廠商、油商、或專業的工程顧問也會有沖洗和過濾的建議指南。只是在渦輪機試車的時候,為了成本或時間的理由,這些建議的參考指南常常被省略掉。在高速沖洗作業,有些相關單位人員所共同支持應該注意的原則,也有些重點在執行程序上會有差異,這都需要特別強調。

一般在高速沖洗作業上,眾所同意的共同原則是:
● 油槽和供油系統應潔淨、乾燥、且無異味。勿使用柴油來沖洗。
● 可用外接高流量油泵以正常油流 2~3 倍流速來沖洗,或以接續方式跨接跳過敏感軸承,分區分段逐步沖洗。
● 完成沖洗作業後要徹底排淨沖洗油,再檢視和人工清潔(以無棉絮布料)渦輪機滑油系統內表層。
● 使用高效的旁路系統沖洗,免除精密液壓設備不當受損故障。
● 配合高速沖洗作業,可以補助或選擇性使用的方法重點:
● 使用專用的沖洗油去除可能導致泡沫、乳化問題、和氧化穩定性的油溶性污染物質。
● 初充填入系統的新油需過濾至符合規範要求的潔淨度。
● 加強管線振動及用橡膠槌敲擊管線的肘節處,以清掉焊接屑。
● 裝設特別的清淨度測試濾網和取樣點。
● 沖洗所欲達到的清淨程度:
→ ISO 17/16/14 ~ 16/14/11 範圍的顆粒數;
→ 使用現場光學計數器;
→ 使用 100-mesh 濾網,肉眼看不到顆粒;
→ Millipore 薄膜測試。

事先計畫並和施工包商、試車團隊、油商、和最終用戶會議討論,就沖洗的程序和各方人馬建立共識。對於渦輪機油效能監控要有良好的記錄習慣,例如,第一個油樣是尚未加入系統中的新油,第二個油樣則是加入系統中運轉 24 小時的油樣,兩油樣分別送檢並比對結果和記錄保存。建議的檢測項目,在下述段落中會說明。

░ 油品分析來評估新的渦輪機油和使用中渦輪機油的效能:
定期和正確的取樣程序是必要的重點, 而且要在系統運轉時取樣。重要的考量包括取樣點、取樣工具、取樣瓶的潔淨、和沖洗取樣端口等,簡單的說,所取的油樣要具代表性。下列取樣點按選擇的優先順序排列,但因設備的差異,取樣點可能會有所限制:

1. 回至油槽的各軸承管路集合端。
2. 用抽油管自油槽取樣。
3. 系統過濾器後或油泵排放端上游。
4. 自油槽底部洩油為最後選擇,但需徹底沖洗取樣端口;有時可能需先排掉超過200 公升以上,才能取得具代表性的油樣。



滑油的分析是預測新油或使用油效能的工具。對於不同油品添加混合使用的相容性,也應該利用滑油的分析 來決定。從滑油的分析中所整理出來的參考數值,可以看到一個基本的概況。一般建議使用油的監控分析間隔為月、季、和年,檢測要持續性的比較前後的發展。

藉由分析檢測結果,從數值的趨勢變化可解讀設備和滑油的效能狀況。
對新的渦輪機油、使用中的油況評定、或相容性測試,需按不同的油品目的來選擇套裝組合測試。ASTM D4378-97『蒸汽和燃氣渦輪機礦物性渦輪機油的使用油監控標準實務』,是發電工業的渦輪機油分析標準,其中包含建議的警告及不合用限制。接下來討論的是 ASTM D4378-97 對使用中渦輪機油主要的警告限制標準和測試的頻率。

░ 黏度 ASTM D445 和黏度指數 D2270:
黏度是渦輪機油最重要的特性,因為要潤滑的軸頸軸承和止推軸承非常緊密的餘隙。渦輪葉片的間隙對發電機組的效能和可靠性至為關鍵,葉片的間隙直接受到滑油黏度的影響。滑油黏度的改變,可造成軸向和徑向的轉子位置不準。軸向的移動直接衝擊渦輪葉片的效率,也會導致葉片受損。黏度改變造成的徑向移動會導致『油擾動』,轉軸無法固定在徑向的位置,油擾動的現象常經由振動測試認定。

除非是受到污染或嚴重的氧化,渦輪機油的黏度可以長年維持穩定。ASTM D4378-97 建議從原先的黏度改變 5%為警告標準,黏度應最少每季檢測。
黏度指數(VI)是油品在溫度變化時抗拒黏度改變的指標。大多數的燃氣和蒸汽渦輪機製造廠商要求渦輪機油的 VI 最少為 90,絕大部分的渦輪機油供應廠家都符合這要求。渦輪機油的 VI 在運轉使用中並不會改變,所以,使用油狀況的監控分析中不需要檢測。

(下期續)