長城LNG雙燃料船用發(fā)動機油的應用研究

秦振清

中國石化潤滑油有限公司上海研究院

采用長城LNG雙燃料船用發(fā)動機油，在裝備濰柴81702C-11主機的某集裝箱船上進行了超過4 000 h的應用試驗。監(jiān)測分析結(jié)果表明，試驗油品的100 ℃運動黏度、水分、閃點、總堿值、磨損及污染元素含量等性能指標表現(xiàn)平穩(wěn)，無異常變化，說明油品可以為發(fā)動機提供良好的潤滑保護，能滿足濰柴LNG雙燃料發(fā)動機的使用要求。

LNG（Liquefied Natural Gas），即液化天然氣的英文縮寫。天然氣是在氣田中自然開采出來的可燃氣體，主要由甲烷構(gòu)成。LNG是通過在常壓下氣態(tài)的天然氣冷卻至-162 ℃，使之凝結(jié)成液體。天然氣液化后可以大大節(jié)約儲運空間，而且具有熱值大、性能高等特點。

LNG是一種清潔、高效的能源。由于進口LNG有助于能源消費國實現(xiàn)能源供應多元化、保障能源安全，而出口LNG有助于天然氣生產(chǎn)國有效開發(fā)天然氣資源、增加外匯收入、促進國民經(jīng)濟發(fā)展，因而LNG貿(mào)易正成為全球能源市場的新熱點。

天然氣作為清潔能源越來越受到青睞，很多國家都將LNG列為首選燃料，天然氣在能源供應中的比例迅速增加。液化天然氣正以每年約12%的高速增長，成為全球增長最迅猛的能源行業(yè)之一。近年來全球LNG的生產(chǎn)和貿(mào)易日趨活躍，LNG已成為稀缺清潔資源，正在成為世界油氣工業(yè)新的熱點。為保證能源供應多元化和改善能源消費結(jié)構(gòu)，一些能源消費大國越來越重視LNG的引進，日本、韓國、美國、歐洲都在大規(guī)模興建LNG接收站。國際大石油公司也紛紛將其新的利潤增長點轉(zhuǎn)向LNG業(yè)務，LNG將成為石油之后下一個全球爭奪的熱門能源商品。

LNG作為船舶用柴油的替代燃料之一，在未來的能源供給市場中將占有一席之地。目前LNG（液化天然氣）作為船用燃料在全球范圍內(nèi)普及程度仍較低，只有零星幾個國家在為數(shù)不多的輪渡、游輪等進行定點運輸?shù)拇吧鲜褂肔NG作為船用燃料，且大部分集中在挪威。全球LNG運載船多采用柴油和BOG（天然氣的蒸發(fā)氣）雙動力系統(tǒng)，但其推進系統(tǒng)毫無例外都是蒸汽渦輪動力裝置。然而，在世界范圍內(nèi)，國際原油供應緊張，而國際LNG價格則在2009年以后大幅度回落，LNG燃料的經(jīng)濟性優(yōu)勢正在推動船用LNG的發(fā)展。近年來，國際海事組織（IMO）加強了對海上船舶排放的強制性規(guī)定，這也將促使船用LNG的快速發(fā)展。

2013年中國船級社（CCS）頒布國內(nèi)首部以天然氣燃料作動力的船舶技術(shù)規(guī)范——《天然氣燃料動力船舶規(guī)范》，并已于同年9月1日生效。按照其規(guī)定，氣體燃料發(fā)動機需要具有以下特征[1]：

◇工作循環(huán)：2沖程或4沖程；

◇天然氣進氣方式：缸內(nèi)直噴、增壓器前或增壓器后混合通過進氣總管進入氣缸、從進氣支管或進氣道混合進入氣缸；

◇雙燃料發(fā)動機主燃油和引燃油（如適用）噴油方式：直接或間接噴射；

◇燃氣直接進入氣缸或支管的進氣閥操作方式：凸輪驅(qū)動或電子控制；

◇燃氣到進氣總管的進氣閥操作方式，及進氣總管到氣缸的氣閥操作方式：凸輪驅(qū)動或電子控制；

◇燃料類型：液體、雙燃料、氣體；

◇渦輪增壓系統(tǒng)：脈沖系統(tǒng)或定壓系統(tǒng)；

◇增壓空氣冷卻系統(tǒng)：有或沒有中冷器；

◇氣缸排列方式：直列或V型。

LNG雙燃料發(fā)動機的潛在客戶以長江上的3 000～4 000 t的船舶為主，數(shù)量大約有10 000～20 000條船，使用LNG雙燃料發(fā)動機可以節(jié)省15%～20%的成本。

針對LNG雙燃料發(fā)動機的用油需求，中國石化潤滑油公司開發(fā)了具有良好的清凈性、抗磨性能的長城LNG雙燃料船用發(fā)動機油。該產(chǎn)品為高速機油，滿足中國石化企業(yè)標準Q/SH303 0668—2015《長城LNG雙燃料船用發(fā)動機油》。本文采用長城LNG雙燃料船用發(fā)動機油在A公司某集裝箱船上開展了應用試驗，以了解油品在LNG雙燃料發(fā)動機上的實際使用性能（特別是使用低硫燃料工況下長時間運轉(zhuǎn)時），為該產(chǎn)品的市場開拓提供有力的技術(shù)支持。

LNG雙燃料發(fā)動機的工況特點

使用LNG雙燃料發(fā)動機時，啟動、正常停車、空載怠速運行、低負荷運行、高負荷運行和超負荷運行時應僅使用燃油，除非有資料證明發(fā)動機能在燃氣模式下安全啟動和正常停車，并能在空載、低負荷、高負荷和超負荷工況下安全運行。

發(fā)動機燃料模式的轉(zhuǎn)換（從燃油模式轉(zhuǎn)換為燃氣和從燃氣轉(zhuǎn)換為燃油模式）應僅在一定的功率范圍內(nèi)實現(xiàn)，且實現(xiàn)此轉(zhuǎn)換的可靠性應通過試驗進行證明。發(fā)動機燃料模式轉(zhuǎn)換的準備工作，包括對此轉(zhuǎn)換的所有必要條件的檢查工作完畢后，轉(zhuǎn)換過程應能自動進行。發(fā)動機負荷減小時如轉(zhuǎn)換為燃油模式，則這種轉(zhuǎn)換應能自動進行。在任何情況下均應能通過手動方式中斷上述轉(zhuǎn)換過程。

正常停車及緊急停車時，氣體燃料供應的切斷不應遲于燃油供應的切斷。氣體燃料供應的切斷應不依賴于燃油供應的切斷。

氣缸內(nèi)的燃氣-空氣混合氣應通過噴射燃油壓燃的方式引燃。噴入各氣缸的燃油量應足以保證燃氣-空氣混合氣的強制點火。在停止供應燃油之前，應提前或同時切斷發(fā)動機整機或各氣缸的燃氣供應。燃油供應中斷時，應確保燃氣不會噴入氣缸[1]。

LNG雙燃料發(fā)動機在實際使用中，出于安全考慮，對LNG的使用有較多的限制，其對潤滑油品的性能要求主要取決于其所使用的液體燃料。目前LNG雙燃料四沖程高速發(fā)動機主要為LNG/輕柴油模式。根據(jù)與相關(guān)業(yè)內(nèi)專家的交流，了解到部分使用LNG雙燃料發(fā)動機的船舶在氣門、活塞環(huán)等部位有一定的積炭和磨損，為此對油品的清凈性、抗磨性能提出了較高的要求。

試驗部分

試驗船舶

試驗船舶A是A公司下屬的集裝箱船，建造于1988年，船舶及其主機信息見表1。

試驗用潤滑油、燃料油

試驗用潤滑油為長城LNG雙燃料船用發(fā)動機油，其典型數(shù)據(jù)見表2。

試驗用燃料油的典型數(shù)據(jù)見表3。

油品采樣與分析

在應用研究期間，每間隔300 h對曲軸箱內(nèi)長城LNG雙燃料船用發(fā)動機油取樣測試，每次取樣150 mL。在采樣50 h前不得補加新油。

測試項目包括堿值(ASTM D2896)、運動黏度(ASTM D445)、水分(ASTM D6304)、正戊烷不溶物(ASTM D893)、閃點(ASTM D3828)、元素分析(ASTM D5185)等。通過監(jiān)控油品各項理化指標的變化情況，評價長城LNG雙燃料船用發(fā)動機油的抗氧化性能、抗磨損性能和清凈分散性能。

結(jié)果與討論

運動黏度

長城LNG雙燃料船用發(fā)動機油的黏度等級為SAE15W-40，這使得油品既擁有足夠的承載能力，又能夠在摩擦表面上快速擴散從而達到潤滑目的，同時也能夠保證其低溫性能。試驗油品100 ℃運動黏度變化見圖1。

由圖1可以看出，長城LNG雙燃料船用發(fā)動機油的100 ℃運動黏度在一定范圍內(nèi)呈現(xiàn)波動態(tài)勢，說明油膜強度比較穩(wěn)定，潤滑情況良好，同時體現(xiàn)出油品良好的抗氧化性能，沒有在使用過程中產(chǎn)生黏度較大的氧化產(chǎn)物。同時，油品黏度長期處于8～12 mm2/s的偏低范圍，這說明存在部分柴油泄漏進入長城LNG雙燃料船用發(fā)動機油中的情況。左主機4 384 h處樣品黏度異常升高，可能存在采樣不當。

表1 試驗船舶及主機信息

表2 長城LNG雙燃料船用發(fā)動機油理化性能數(shù)據(jù)

水分

試驗油品水分的變化見圖2。

表3 試驗使用的燃料油典型數(shù)據(jù)

圖1 長城LNG雙燃料船用發(fā)動機油100 ℃運動黏度的變化

圖2 長城LNG雙燃料船用發(fā)動機油水分的變化

由圖2可見，長城LNG雙燃料船用發(fā)動機油的水分長期小于0.2%（質(zhì)量分數(shù)），說明設備運轉(zhuǎn)正常，沒有發(fā)生異常的管道泄漏，同時也說明油品具有優(yōu)異的水分離性能，能夠保證在船舶濕潤環(huán)境下的正常使用。

正戊烷不溶物

正戊烷不溶物所體現(xiàn)的是油品自身氧化情況，可以間接反映發(fā)動機中的活塞環(huán)與缸套之間間隙的情況，導致油品中正戊烷不溶物增多的主要原因為發(fā)動機竄氣，燃燒室中的燃燒產(chǎn)物進入潤滑油之中，從而導致油品劣化，影響發(fā)動機正常運轉(zhuǎn)。試驗油品正戊烷不溶物的變化見圖3。

由圖3可見，長城LNG雙燃料船用發(fā)動機油的正戊烷不溶物長期處于1.2%（質(zhì)量分數(shù)）以下，距離1.5%的警示值較遠，說明發(fā)動機活塞環(huán)與缸套之間的間隙保持穩(wěn)定，密封性良好，沒有發(fā)生異常的竄氣現(xiàn)象。這說明油品具有良好的潤滑性，沒有導致活塞環(huán)與缸套的異常磨損。

閃點（閉口）

閃點主要體現(xiàn)的是油品在使用過程中是否有燃料油的混入，是油品安全管理中很重要的一個環(huán)節(jié)。應用試驗過程中試驗油品的閃點見表4。

由表4可見，在應用研究期間，部分時間油品閃點小于180℃。這說明可能有部分柴油泄漏進入長城LNG雙燃料船用發(fā)動機油之中，這也和運動黏度的分析結(jié)果相一致。

總堿值

LNG雙燃料發(fā)動機所使用的燃料是柴油和LNG，2種燃料的硫含量都非常低，因此在燃燒過程中產(chǎn)生的酸性物質(zhì)也非常少，對長城LNG雙燃料船用發(fā)動機油的堿值要求較低。試驗油品總堿值的變化見圖4。

從圖4可以看出，長城LNG雙燃料船用發(fā)動機油的堿值由于燃料油硫含量不同呈平穩(wěn)波動的趨勢，油品大部分時間均保持足夠的堿性儲備，即在用油堿值保持在新油堿值的60%以上。

元素含量

通過原子發(fā)射光譜檢測在用油中的磨損元素（如 Fe、Ni、Sn、Pb、Cu、Cr等，主要來自曲軸軸承、氣缸套、活塞環(huán)等金屬零件）、污染元素(如Si、Mg、K、Na等，來自空氣、燃油等)和添加劑元素(如P、Mg、Zn、Ca等)，可以掌握發(fā)動機設備的正常磨損和非正常磨損狀況以及在用油的使用情況。

圖3 長城LNG雙燃料船用發(fā)動機油正戊烷不溶物的變化

表4 長城LNG雙燃料船用發(fā)動機油閃點數(shù)據(jù)

圖4 長城LNG雙燃料船用發(fā)動機油總堿值的變化

磨損元素

鐵、鋁、銅含量的變化反映了發(fā)動機缸套、活塞的磨損狀況。試驗油品中鐵、鋁、銅含量的變化情況見圖5～圖7。

由圖5～圖7可以看出，試驗過程中：

◇長城LNG雙燃料船用發(fā)動機油中的鐵含量較高，這可能是由于LNG雙燃料發(fā)動機的特性所致。

◇鐵、鋁、銅含量的變化總體比較平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)大的波動，說明缸套、活塞磨損在可控范圍內(nèi)，氣缸潤滑狀況良好。

污染元素

硅主要來自空氣帶入的灰塵、密封件部件等。釩、鎳則反映長城LNG雙燃料船用發(fā)動機油中是否有燃油燃燒產(chǎn)物進入等情況發(fā)生。試驗油品中硅、鎳、釩含量的變化情況見圖8～圖10。

由圖8可以看出，長城LNG雙燃料船用發(fā)動機油的硅含量保持在較小范圍，說明空氣帶來的灰塵較少，密封件部件密封良好。

由圖9、圖10可以看出，長城LNG雙燃料船用發(fā)動機油的鎳含量最大值不超過1 mg/kg，釩含量小于檢出限，運行過程中沒有燃料油燃燒產(chǎn)物的竄入，說明隨著運行時間的變長，活塞與缸套的間隙保持穩(wěn)定的趨勢。

由長城LNG雙燃料船用發(fā)動機油分析數(shù)據(jù)可見，LNG雙燃料船用發(fā)動機油潤滑性能良好，對發(fā)動機活塞、活塞環(huán)、缸套起到良好的潤滑保持，隨著發(fā)動機運行時間的延長，沒有發(fā)生磨損過大現(xiàn)象。

結(jié)論

在試驗船舶A的 濰柴81702C-11主機上進行了4 383 h的應用試驗，結(jié)果表明，長城LNG雙燃料船用發(fā)動機油具有較好的氧化安定性及抗磨損性，可有效防止發(fā)動機的磨損，保證發(fā)動機的正常運行，油品綜合性能可滿足濰柴LNG雙燃料發(fā)動機的使用要求。

圖5 長城LNG雙燃料船用發(fā)動機油鐵含量的變化

圖6 長城LNG雙燃料船用發(fā)動機油鋁含量的變化

圖7 長城LNG雙燃料船用發(fā)動機油銅含量的變化

圖8 長城LNG雙燃料船用發(fā)動機油硅含量的變化

圖9 長城LNG雙燃料船用發(fā)動機油鎳含量的變化

圖10 長城LNG雙燃料船用發(fā)動機油釩含量的變化

[1]中國船級社.天然氣燃料動力船舶規(guī)范[S].2013:47-48.