فرمولاسيون روغنهاي كمپرسورهاي CNG
نويسنده: سيدحسين آقاميري ، ابوالفضل برخورداريون ، فريبرز كمالي تبريزي
براي گازسوز كردن خودروها و عمومي سازي استفاده از سوخت گاز طبيعي در كشور (CNG) ، اولويت اول، تأسيس ايستگاه هاي سوخت رساني است. گاز تحويلي از شبكه گاز رساني ابتدا توسط كمپرسور فشرده، سپس به مخازن واسطه فرستاده مي شود. توزيع كننده (ديسپنسر)، CNG را از مخازن واسطه (يا از كمپرسور) به مخازن منصوب بر روي خودرو انتقال مي دهد. تجهيزات اصلي يك ايستگاه CNG شامل كمپرسور، مخازن ذخيره، تجهيزات خشك كن، توزيع كنندها (ديسپنسرها) و تابلوهاي كنترل و اولويت بندي است. كمپرسور مهمترين بخش يك ايستگاه CNG است كه بيش از يك سوم قيمت كل ايستگاه را شامل مي شود. از ديدگاه فني و اقتصادي، اكثر كارشناسان كمپرسور را به عنوان قلب سيستم جايگاه هاي سوختگيري CNG مي دانند.
كمپرسور جايگاه هاي توزيع CNG براي خودروها، از نوع جابجايي مثبت و مدل رفت و برگشتي است كه از لحاظ عملكرد و هزينه، بخشي مهم و اساسي به حساب مي آيد. كمپرسور به دو علت اصطكاك بين قطعات متحرك(5 تا10 درصد) و افزايش درجه حرارت ناشي از تراكم گاز(90 تا95 درصد) گرم مي شود. براي پيشگيري از كاهش كارآيي كمپرسور و از دست ندادن كيفيت روغن و روغنكاري، حرارت كمپرسور را بايد كاهش داد. روغني كه در كمپرسور به گردش در مي آيد وسيله خوبي براي جذب و دفع اين حرارت و خنك كردن كمپرسور است. روغن حرارت حاصله از اصطكاك را جذب و به بيرون از بدنه كمپرسور منتقل مي كند.
روانكاري كمپرسورهاي گاز بصورت روغنكاري تحت فشار و يا روغنكاري پاششي صورت مي گيرد. در سيستم هاي روغنكاري تحت فشار از يك پمپ جداگانه براي انتقال روغن به ياتاقان هاي اصلي، ياتاقان هاي ژورنال و انگشتي پيستون ها به طور مستقيم استفاده مي شود. روانكاري تحت فشار در مقايسه با روغنكاري پاششي از مزاياي بيشتري برخوردار بوده و اغلب در ماشين آلات بزرگ به كار مي رود.
روغنكاري پاششي بيشتر در كمپرسورهاي كوچك از جمله، كمپرسورهاي هوا به كار مي رود. در ماشين هايي كه از اين روش براي روغنكاري استفاده مي شود، روغن بايستي به طور مداوم تعويض شده و لزجت آن با شرايط آب و هوايي فصلي مطابقت داشته باشد.
كمپرسورها با روغنكاري، به طور مداوم روغن مصرف مي كنند و نياز به *****هاي روغن و جداسازهاي پيچيده در پايين دست كمپرسور دارند تا روغن موجود در گاز خروجي را كاهش دهند و به اين ترتيب ميزان روغن موجود در CNG در سطح قابل قبولي نگه داشته شود. خرابي يا نشتي سيستم روغنكاري مي تواند منجر به صدمه تجهيزات و افزايش خطرات آتش سوزي و كاهش امنيت سيستم شود.
انتخاب و كاربرد مناسب كمپرسورها از نقطه نظر روانكاري (و خواص فيزيكي و شيميايي مناسب آن) بسيار اساسي و حياتي است به نحوي كه مي توان ادعا كرد موفقيت نهايي فرآيند فشرده سازي گاز در كمپرسورها در گرو آن خواهد بود. طبقه بندي روان كننده هاي كمپرسور مطابق با استاندارد ايزو6743 (قسمت3A)، با توجه به نوع تجهيزات و شرايط عملكردي انجام مي شود.
شايع ترين مشكلات و مسائل گزارش شده در طي سرويس دهي كمپرسورهاي گاز، افزايش ويسكوزيته و عدد اسيدي كل، خوردگي قطعات مسي (روغن به رنگ سبز در مي آيد)، تشكيل لجن و رسوبات، نشت روغن به دريچه خروجي گاز، انسداد و گرفتگي ***** روغن و بروز خرابي در ياتاقان ها (روغن نياز به مواد افزودني و تقويت كننده دارد) است.
كمپرسورها در انواع مختلف، با ساختارهاي گوناگون و اصول عملكردي متفاوت طراحي و ساخته مي شوند. انتخاب نهايي يك كمپرسور به فاكتورهاي زيادي بستگي دارد. نوع گاز و فشار مورد نياز از مهمترين فاكتورها، هم در انتخاب كمپرسورها و هم در انتخاب روانساز هاي مصرفي در آنها است. با افزايش دما و فشار، تنش ها و فشارهاي اعمالي بر روان كننده هاي موجود در كمپرسورها نيز شدت خواهد گرفت. انتخاب روان كننده براي هر نوع كمپرسوري به نوع و ساختار آن، تركيبات گازي كه بايد تخت فشار قرار گيرد، نسبت تراكم و دماي خروجي گاز بستگي دارد. كمپرسورهاي رفت و برگشتي (پيستوني) بالاترين فشارها را ايجاد مي كنند. از اين رو، با سخت ترين شرايط عملكردي، از لحاظ روانكاري سيلندر و ساير قطعات، روبرو هستند.
حلاليت گاز در روان كننده ها
حلاليت گاز طبيعي و ساير هيدرو كربن ها در روغن هاي نفتي و روغن هاي مصنوعي پلي آلفا اولفيني (PAO) در مقايسه با ساير روغن هاي پايه سينتتيكي شايع، مثل دي استرها و پلي آلكيلين گلايكول ها (PAG) بسيار زيادتر است. اين موضوع امري مشخص و پذيرفته شده است. زيرا هيدروكربنهاي موجود در گاز طبيعي و روغن هاي پايه نفتي ساختاري مشابه داشته و برعكس دي استرها و PAGs كه نسبتاً قطبي هستند، عمدتاً پيوندهاي كربن و هيدروژن دارند. به طور نمونه در يك اتم PAG ، هر3 اتم در ساختار پليمر داراي يك اتم اكسيژن است كه آن را كاملاً قطبي مي سازد. لذا ، هيدروكربنها حلاليت كمي در PAGs دارند.
ميزان حلاليت گاز متان در روان كننده هاي PAG حدوداً نصف روان كننده هاي PAO و روغن هاي نفتي است. ميزان حلاليت گازمتان در روان كننده هاي نفتي و PAO بسيار بالا است. حلاليت گازها تأثير بسيار زياد و قابل توجه بر ويسكوزيته روان كننده ها دارد. هر چه حلاليت گاز در روان كننده ها بيشتر باشد، كاهش ويسكوزيته (رقيق سازي ويسكوزيته) بيشتر و بالاتر خواهد بود.
حلاليت روان كننده ها در گاز طبيعي فشرده بايد حداقل باشد تا انتقال روان كننده ها از طريق جذب در گاز نيز كاهش يابد. نتايج كارهاي تجربي بيانگر آن بوده است كه، در مقايسه با روان كننده هاي PAG ، جذب روغن هاي معدني در گاز طبيعي محسوس تر است.
روغن كمپرسورهاي CNG مورد استفاده در جايگاههاي سوخت كشور شامل سه گريد عمده ISO VG 100-122-150 با سطح كيفيت VDL مطابق با استاندارد DIN 51 506 است. از مهمترين خصوصيات يك روغن روان كننده مورد استفاده در سيستم كمپرسور CNG مي توان به، روغن پايه معدني با پالايش عالي (هيدروفينيشينگ)، مقاومت در برابر خوردگي و زنگ زدگي، گرانروي و ممانعت از سايش، ميزان حداقل كربن باقيمانده و خاكستر، نقطه ريزش و اشتعال پذيري، ميزان تمايل به كف و مقاومت در برابر اكسيداسيون اشاره كرد.
در جداول1 و2 بترتيب مشخصات فيزيكي و شيميايي روغن هاي پايه سينتتيك كمپرسور سري800 (راروس2) و روغن هاي پايه معدني كمپرسور سري400 نشان داده شده است. سازندگان كمپرسورهاي جايگاههاي سوختگيري CNG استفاده از اين نوع روغنها را توصيه كرده اند. در كار تجربي حاضر با استفاده از مجموعه ارزيابي هاي فيزيكي شيميايي فوق و همچنين جداول مشخصات فني موجود در منابع اينترنت و انطباق آنها با استاندارد DW 51506 ، فرمولاسيون روغن كمپرسور CNG استخراج شده است.
روغن پايه مورد استفاده روغن معدني توليد پالايشگاه هاي روغن سازي كشور است. روغن پايه مورد استفاده در كمپرسورهاي CNG ، بايد با بالاترين سطح كيفيت از لحاظ پالايش مورد استفاده قرار گيرد. امكان دستيابي به روغن SAE 40 و ISO 100-150 هيدروفينيش شده در كشور ميسر نبوده و تنها در برش هاي سبك تر مانند SAE 10 و SAE 20 مي توان محصول هيدورفينيش شده را تهيه كرد.
مواد افزودني مورد استفاده در اين فرمولاسيون شامل موارد زير است:
مواد افزودني ضدزنگ زدگي، مواد افزودني ضداكسيداسيون، مواد افزودني ضدكف، مواد افزودني كاهش دهنده نقطه ريزش، مواد افزودني بهبود دهنده نقطه انديس گرانروي، مواد كاهش دهنده نقطه ريزش و مواد افزودني فشار پذيري (EP) .
اين مواد گروه عاملي فلز ندارند و از خود خاكستر به جاي نمي گذارند.
مشخصات فيزيكي و شيميايي روغن هاي فرموله شده در جدول3 نشان داده شده است.
در نهايت با توجه به گريد روغن هاي پايه موجود در كشور، روغن CNG با گريد ISO 150 از تلفيق روغن هاي مختلف ساخته شده است. مواد افزودني مورد استفاده در اين فرمولاسيون ها شامل مواد بهبود دهنده شاخص گرانروي و پكيج ادتيوها بوده است. در جدول4 مشخصات فيزيكي و شيميايي روغن هاي فرموله شده ارسالي به صنعت جهت آزمون كاربردي نشان داده شده است.
ر فاز عملياتي و كاربردي مقدار100 ليتر روغن كمپرسور CNG با گريد ISO150 تهيه و در يكي از كمپرسورهاي جايگاههاي سوختگيري CNG ريخته شد. نتايج حاصل از نمونه برداري دوره اي از كمپرسور مزبور در اين جايگاه در حد بسيار خوب ارزيابي شده است.
فهرست مراجع و مأخذ1- www.ifco.ir
2- كمالي تبريزي فريبرز، »افت خواص روان كننده ها در كمپرسورهاي گاز طبيعي«، نشريه تخصصي روانسازها، شماره دهم، بهار1386
2-Lubricant Additives Chemistry and Application، Leslie R.Rudnick،2003
3- Lubricants and Lubrication، Theo Mang، Chapter12، page 301-329
4-www.exxonmobil.com
5-www.noria.com
6-www.shell.com7- گزارش پروژه فرمولاسيون روغن توربو كمپرسورهاي خطوط لوله
* اين مقاله در نخستين كنفرانس ملي صنعت CNG ارايه شده است.
نويسنده: سيدحسين آقاميري ، ابوالفضل برخورداريون ، فريبرز كمالي تبريزي
براي گازسوز كردن خودروها و عمومي سازي استفاده از سوخت گاز طبيعي در كشور (CNG) ، اولويت اول، تأسيس ايستگاه هاي سوخت رساني است. گاز تحويلي از شبكه گاز رساني ابتدا توسط كمپرسور فشرده، سپس به مخازن واسطه فرستاده مي شود. توزيع كننده (ديسپنسر)، CNG را از مخازن واسطه (يا از كمپرسور) به مخازن منصوب بر روي خودرو انتقال مي دهد. تجهيزات اصلي يك ايستگاه CNG شامل كمپرسور، مخازن ذخيره، تجهيزات خشك كن، توزيع كنندها (ديسپنسرها) و تابلوهاي كنترل و اولويت بندي است. كمپرسور مهمترين بخش يك ايستگاه CNG است كه بيش از يك سوم قيمت كل ايستگاه را شامل مي شود. از ديدگاه فني و اقتصادي، اكثر كارشناسان كمپرسور را به عنوان قلب سيستم جايگاه هاي سوختگيري CNG مي دانند.
كمپرسور جايگاه هاي توزيع CNG براي خودروها، از نوع جابجايي مثبت و مدل رفت و برگشتي است كه از لحاظ عملكرد و هزينه، بخشي مهم و اساسي به حساب مي آيد. كمپرسور به دو علت اصطكاك بين قطعات متحرك(5 تا10 درصد) و افزايش درجه حرارت ناشي از تراكم گاز(90 تا95 درصد) گرم مي شود. براي پيشگيري از كاهش كارآيي كمپرسور و از دست ندادن كيفيت روغن و روغنكاري، حرارت كمپرسور را بايد كاهش داد. روغني كه در كمپرسور به گردش در مي آيد وسيله خوبي براي جذب و دفع اين حرارت و خنك كردن كمپرسور است. روغن حرارت حاصله از اصطكاك را جذب و به بيرون از بدنه كمپرسور منتقل مي كند.
روانكاري كمپرسورهاي گاز بصورت روغنكاري تحت فشار و يا روغنكاري پاششي صورت مي گيرد. در سيستم هاي روغنكاري تحت فشار از يك پمپ جداگانه براي انتقال روغن به ياتاقان هاي اصلي، ياتاقان هاي ژورنال و انگشتي پيستون ها به طور مستقيم استفاده مي شود. روانكاري تحت فشار در مقايسه با روغنكاري پاششي از مزاياي بيشتري برخوردار بوده و اغلب در ماشين آلات بزرگ به كار مي رود.
روغنكاري پاششي بيشتر در كمپرسورهاي كوچك از جمله، كمپرسورهاي هوا به كار مي رود. در ماشين هايي كه از اين روش براي روغنكاري استفاده مي شود، روغن بايستي به طور مداوم تعويض شده و لزجت آن با شرايط آب و هوايي فصلي مطابقت داشته باشد.
كمپرسورها با روغنكاري، به طور مداوم روغن مصرف مي كنند و نياز به *****هاي روغن و جداسازهاي پيچيده در پايين دست كمپرسور دارند تا روغن موجود در گاز خروجي را كاهش دهند و به اين ترتيب ميزان روغن موجود در CNG در سطح قابل قبولي نگه داشته شود. خرابي يا نشتي سيستم روغنكاري مي تواند منجر به صدمه تجهيزات و افزايش خطرات آتش سوزي و كاهش امنيت سيستم شود.
انتخاب و كاربرد مناسب كمپرسورها از نقطه نظر روانكاري (و خواص فيزيكي و شيميايي مناسب آن) بسيار اساسي و حياتي است به نحوي كه مي توان ادعا كرد موفقيت نهايي فرآيند فشرده سازي گاز در كمپرسورها در گرو آن خواهد بود. طبقه بندي روان كننده هاي كمپرسور مطابق با استاندارد ايزو6743 (قسمت3A)، با توجه به نوع تجهيزات و شرايط عملكردي انجام مي شود.
شايع ترين مشكلات و مسائل گزارش شده در طي سرويس دهي كمپرسورهاي گاز، افزايش ويسكوزيته و عدد اسيدي كل، خوردگي قطعات مسي (روغن به رنگ سبز در مي آيد)، تشكيل لجن و رسوبات، نشت روغن به دريچه خروجي گاز، انسداد و گرفتگي ***** روغن و بروز خرابي در ياتاقان ها (روغن نياز به مواد افزودني و تقويت كننده دارد) است.
كمپرسورها در انواع مختلف، با ساختارهاي گوناگون و اصول عملكردي متفاوت طراحي و ساخته مي شوند. انتخاب نهايي يك كمپرسور به فاكتورهاي زيادي بستگي دارد. نوع گاز و فشار مورد نياز از مهمترين فاكتورها، هم در انتخاب كمپرسورها و هم در انتخاب روانساز هاي مصرفي در آنها است. با افزايش دما و فشار، تنش ها و فشارهاي اعمالي بر روان كننده هاي موجود در كمپرسورها نيز شدت خواهد گرفت. انتخاب روان كننده براي هر نوع كمپرسوري به نوع و ساختار آن، تركيبات گازي كه بايد تخت فشار قرار گيرد، نسبت تراكم و دماي خروجي گاز بستگي دارد. كمپرسورهاي رفت و برگشتي (پيستوني) بالاترين فشارها را ايجاد مي كنند. از اين رو، با سخت ترين شرايط عملكردي، از لحاظ روانكاري سيلندر و ساير قطعات، روبرو هستند.
حلاليت گاز در روان كننده ها
حلاليت گاز طبيعي و ساير هيدرو كربن ها در روغن هاي نفتي و روغن هاي مصنوعي پلي آلفا اولفيني (PAO) در مقايسه با ساير روغن هاي پايه سينتتيكي شايع، مثل دي استرها و پلي آلكيلين گلايكول ها (PAG) بسيار زيادتر است. اين موضوع امري مشخص و پذيرفته شده است. زيرا هيدروكربنهاي موجود در گاز طبيعي و روغن هاي پايه نفتي ساختاري مشابه داشته و برعكس دي استرها و PAGs كه نسبتاً قطبي هستند، عمدتاً پيوندهاي كربن و هيدروژن دارند. به طور نمونه در يك اتم PAG ، هر3 اتم در ساختار پليمر داراي يك اتم اكسيژن است كه آن را كاملاً قطبي مي سازد. لذا ، هيدروكربنها حلاليت كمي در PAGs دارند.
ميزان حلاليت گاز متان در روان كننده هاي PAG حدوداً نصف روان كننده هاي PAO و روغن هاي نفتي است. ميزان حلاليت گازمتان در روان كننده هاي نفتي و PAO بسيار بالا است. حلاليت گازها تأثير بسيار زياد و قابل توجه بر ويسكوزيته روان كننده ها دارد. هر چه حلاليت گاز در روان كننده ها بيشتر باشد، كاهش ويسكوزيته (رقيق سازي ويسكوزيته) بيشتر و بالاتر خواهد بود.
حلاليت روان كننده ها در گاز طبيعي فشرده بايد حداقل باشد تا انتقال روان كننده ها از طريق جذب در گاز نيز كاهش يابد. نتايج كارهاي تجربي بيانگر آن بوده است كه، در مقايسه با روان كننده هاي PAG ، جذب روغن هاي معدني در گاز طبيعي محسوس تر است.
روغن كمپرسورهاي CNG مورد استفاده در جايگاههاي سوخت كشور شامل سه گريد عمده ISO VG 100-122-150 با سطح كيفيت VDL مطابق با استاندارد DIN 51 506 است. از مهمترين خصوصيات يك روغن روان كننده مورد استفاده در سيستم كمپرسور CNG مي توان به، روغن پايه معدني با پالايش عالي (هيدروفينيشينگ)، مقاومت در برابر خوردگي و زنگ زدگي، گرانروي و ممانعت از سايش، ميزان حداقل كربن باقيمانده و خاكستر، نقطه ريزش و اشتعال پذيري، ميزان تمايل به كف و مقاومت در برابر اكسيداسيون اشاره كرد.
در جداول1 و2 بترتيب مشخصات فيزيكي و شيميايي روغن هاي پايه سينتتيك كمپرسور سري800 (راروس2) و روغن هاي پايه معدني كمپرسور سري400 نشان داده شده است. سازندگان كمپرسورهاي جايگاههاي سوختگيري CNG استفاده از اين نوع روغنها را توصيه كرده اند. در كار تجربي حاضر با استفاده از مجموعه ارزيابي هاي فيزيكي شيميايي فوق و همچنين جداول مشخصات فني موجود در منابع اينترنت و انطباق آنها با استاندارد DW 51506 ، فرمولاسيون روغن كمپرسور CNG استخراج شده است.
روغن پايه مورد استفاده روغن معدني توليد پالايشگاه هاي روغن سازي كشور است. روغن پايه مورد استفاده در كمپرسورهاي CNG ، بايد با بالاترين سطح كيفيت از لحاظ پالايش مورد استفاده قرار گيرد. امكان دستيابي به روغن SAE 40 و ISO 100-150 هيدروفينيش شده در كشور ميسر نبوده و تنها در برش هاي سبك تر مانند SAE 10 و SAE 20 مي توان محصول هيدورفينيش شده را تهيه كرد.
مواد افزودني مورد استفاده در اين فرمولاسيون شامل موارد زير است:
مواد افزودني ضدزنگ زدگي، مواد افزودني ضداكسيداسيون، مواد افزودني ضدكف، مواد افزودني كاهش دهنده نقطه ريزش، مواد افزودني بهبود دهنده نقطه انديس گرانروي، مواد كاهش دهنده نقطه ريزش و مواد افزودني فشار پذيري (EP) .
اين مواد گروه عاملي فلز ندارند و از خود خاكستر به جاي نمي گذارند.
مشخصات فيزيكي و شيميايي روغن هاي فرموله شده در جدول3 نشان داده شده است.
در نهايت با توجه به گريد روغن هاي پايه موجود در كشور، روغن CNG با گريد ISO 150 از تلفيق روغن هاي مختلف ساخته شده است. مواد افزودني مورد استفاده در اين فرمولاسيون ها شامل مواد بهبود دهنده شاخص گرانروي و پكيج ادتيوها بوده است. در جدول4 مشخصات فيزيكي و شيميايي روغن هاي فرموله شده ارسالي به صنعت جهت آزمون كاربردي نشان داده شده است.
ر فاز عملياتي و كاربردي مقدار100 ليتر روغن كمپرسور CNG با گريد ISO150 تهيه و در يكي از كمپرسورهاي جايگاههاي سوختگيري CNG ريخته شد. نتايج حاصل از نمونه برداري دوره اي از كمپرسور مزبور در اين جايگاه در حد بسيار خوب ارزيابي شده است.
فهرست مراجع و مأخذ1- www.ifco.ir
2- كمالي تبريزي فريبرز، »افت خواص روان كننده ها در كمپرسورهاي گاز طبيعي«، نشريه تخصصي روانسازها، شماره دهم، بهار1386
2-Lubricant Additives Chemistry and Application، Leslie R.Rudnick،2003
3- Lubricants and Lubrication، Theo Mang، Chapter12، page 301-329
4-www.exxonmobil.com
5-www.noria.com
6-www.shell.com7- گزارش پروژه فرمولاسيون روغن توربو كمپرسورهاي خطوط لوله
* اين مقاله در نخستين كنفرانس ملي صنعت CNG ارايه شده است.