Brian Snyder Michael A. Devine 电力部门 摘要 根据趋势分析建立场地和发动机特定维护计划可最大限度地提高设备最有价值的特性 : 在线生产时间
引言 对于燃气发动机发电机组而言, 最有价值的商品是时间, 具体而言是产生电力和收入的正常运行时间 因此, 发动机维护的目标在于实现尽可能长的正常运行时间 实质上, 高正常运行时间可将资本和运营成本分摊到更多的千瓦时, 减少每千瓦时成本的关键变量 替换部件 工作液 物资和劳动力成本固然重要, 但正常运行时间更为重要 因此, 当然需要避免意外停机, 特别是重大故障和长期维修 此外, 这也意味着 了解风险 用户所犯的一个基本错误是按照个人车辆的维护思维对待其工业用发动机发电机组 现在, 除了换油之外, 汽车和轻型卡车发动机很少需要关注 如果维护不足, 可能导致昂贵的费用, 但很少造成灾难性后果 工业燃气发动机要复杂得多, 风险也更大 : 如果一时疏忽造成重大故障, 很可能导致千万美元的维修费用, 甚至超过停机时间和停止生产造成的损失 监测趋势 用户手册中的建议 ( 规定的机油 / 过滤器和火花塞更换 气门调节 大修和其他任务的间隔 ) 通常非常保守, 旨在为不经常访问的偏远地区的发动机提供安 计划停机时间必须保持在应用类型适宜的最低限度 基于发动机用户手册按照手册要求进行维护, 与按照感知维护相反, 并不是实现最佳正常运行时间的关键 相反, 关键在于应用最佳实践达到最佳维护间隔, 并在此类定期维护工作中整合尽可能多的服务任务 实现这一目标的方法在于趋势分析 了解发动机如何响应对燃料 负载 环境条件和其他因素做出响应, 并相应地对维护工作进行调整 如果维护过少, 其缺陷显而易见, 而如果维护过多, 费用也将过高 : 如果设备维护次数高于真正必要的次数, 将浪费劳动力, 生产会因计划停工时间过长而损失, 且消耗品和备件也会在使用寿命结束前丢弃 根据发动机的运行条件, 按照手册要求进行定期维护可能意味着维护过少或过多 全性, 或者为所有者缺乏追踪基本状况指标的时间或精密度的发动机提供安全性 图 1: 维护清单 日常 1000 小时 2000 小时 8000 小时 o 排放空气罐水分和沉积物 o 排出后冷却器冷凝物 o 检查 / 调整化油器空燃比 o 更换烟雾处理过滤器 o 检查冷却液 o 检查交流发电机 o 检查压缩机旁路 o 检查旋转整流器 o 检查发动机空气滤清器指示器 o 检查 / 调整皮带 o 检查发电机 o 检查涡轮增压机 o 检查机油油位 o 测量曲轴箱压力 o 润滑发电机轴承 o 检查燃油过滤器压力 o 检查曲轴箱减振器 o 检查抗振性 10,000 小时 o 检查烟雾处理过滤器压力 o 清洁发动机曲轴箱通风装置 o 检查发电机轴承 o 检查发电机轴承温度 o 更换机油和机油过滤器 3000 小时 o 检查发电机负载 电压 频率 o 清洁发动机正时传感器 o 检查 / 更换火花塞 15,000 小时 o 检查夹套水热水器 o 检查发动机气门间隙和横梁 o 更换机油温度调节器 o 检查功率因数 o 检查挠性联轴节 4000 小时 o 顶端检修 o 环视检查 o 排放气压调节器冷凝物 o 检测曲轴箱窜气 o 测试发电机绕组绝缘情况 o 检测气缸压力 30,000 小时 250 小时 o 检查 / 更换软管和夹具 o 检查发动机支架 o 框内检修 o 检查蓄电池液位 o 检查进气 o 检查发动机继电器 o 更换冷却液 o 冷却液样品 (L1) o 清洁散热器 o 检查 / 调整点火正时 o 冷却系统添加剂 o 测量气门杆突出量 o 检查启动马达 60,000 小时 o 机油样品 o 检查水泵 o 全面检修 o 烟雾处理过滤器 实际上, 不存在适合所有情况的维护方案 某些发动机 ( 如使用垃圾填埋场或废水处理沼气池的发动机 ) 主要由于燃料质量问题, 可能需要较短的维护和大修间隔 另 一方面, 对于使用清洁天然气的发动机, 通常需要较少的维护 : 操作员可以通过趋势分析安全地延长公布的间隔, 而不会增加风险 以下是待监控的基本项目 2
润滑油 润滑油很容易被忽视, 然而它却是发动机的生命线 润滑油占维护成本的很大一部分, 但对于保护发动机以及对于发动机状况的反应也至关重要 润滑油的选择良好的维护始于为发动机和应用选择合适的润滑油 提供必要的润滑油寿命和部件保护 为工业发动机发电机组选择润滑油比从汽车配件商店随手购得一桶 5W-30 要复杂得多 油样分析油样分析可能是最有价值的发动机趋势工具 发动机机油分析类似于医疗血液测试, 且对于评估发动机的健康状况同样重要 发动机机油分析结果提供了重要 发动机制造商针对灰分 润滑性和工作温度等特性发布型号和应用类型特定的油品规格 润滑油含有多种添加剂, 旨在在一系列运行条件下增加油料稳定性 防止酸化并延长使用寿命 市场经常会引进新的石油化学品 应谨慎选择与发动机制造商存在历史渊源的润滑油供应商, 并了解发动机在特定应用中的润滑要求 信息, 可帮助设置最合适的换油间隔, 并可提醒潜在故障 公司名称 : 绿色能源 客户设备编号 : L6G00101 设备 : 天然气发动机 样品类型 : 机油 序列号 : L6G00101 样品发货时间 : 3 制造商 : 卡特彼勒 样品标签号 : Option III Prepaid 型号 : G3516 油液品牌 / 重量 : Cat NGEO Adv. 40 图 2: 样品 SOS 报告 天然气发动机油中一个关键的发动机健康指标是金属, 即铁 铬和铜 这些物质的存在及其含量, 通常以百万分之几 (ppm) 表示, 有助于指出哪些部件按照预期磨损, 哪些部件出现异常磨损 通过分析还可以检测出有害酸, 具体表现为总碱值 (TBN) 下降 (TBN 是缓冲量的量度 ) 和总酸值 (TAN) 上升 (TAN 是酸含量的量度 ) (TAN 通常不包括在基础油分析中, 必须特别要求 ) 通过分析也可以检测出乙二醇, 表明冷却液泄漏, 还可以检测出硅, 这可能 是进气系统漏气或空气滤清器损坏的信号 机油寿命是机油在发动机中的容积 发动机的工作负荷 环境条件和燃料质量的函数 机油可以安全的储存在发动机中, 直到某些测量值达到发动机制造商设定的报废限定 在以管道气为燃料的发动机中, 最常见的报废限定是氧化, 即由热导致的逐渐的油分解 其次最常见的是硝化反应, 由不完全燃烧或燃料污染物引起 油样分析可以用于两种情况的趋势分析 3
油样分析方案应该从测试您计划使用的清洁 ( 未使用的 ) 机油样品开始 所有的油都有不同的添加剂和化学成分 ; 在应用于发动机之前, 需要对这些油进行评估并了解其产生的化学物质 清洁机油试验的结果提供了一个基准, 以便比较今后使用后的机油样品的分析结果 然后, 应每 250 个工作小时对使用过的机油进行分析, 以确定设置报废限值的参数及特定机油配方的趋势 技术人员应在机油温热和充分混合的情况下取样, 以确保样品能够真实反映曲轴箱内机油的状况 图 3: 机油实验室 之后, 应在机油预期寿命的一半时对其进行分析, 以验证最初看到的趋势 一旦确定了报废限值, 则应谨慎地稍微缩短更换间隔, 以保证安全 一旦确定了明确的趋势, 在每次更换时都要对机油进行取样, 以验证趋势是否保持不变 一定要注意采样机油的总小时数 机油老化会对分析结果造成极大的影响 高质量分析实验室将最新的测试结果与以前的测试结果并列列出 他们还配备了一名经过培训和认证的机油技师, 这名技师知道具体的发动机型号, 他会检查结果, 寻找异常情况, 并就事态的发展趋势向用户提供建议 关于机油和分析, 还需要记住其他几个关键点 : 正如没有两个人的血液化学成分或血压完全一样, 也没有两台发动机以完全相同的方式运行, 或者具有完全相同的磨损特性, 甚至同一地点的同型号的两台发动机也不是以同一种模式运行 对于一台发动机正常的情况, 可能对于另一台发动机来说并不正常, 所以需要单独地分析发动机趋势 在检查油样分析时, 需要考虑的可能不是来自发动机内部, 而是来自周围环境的污染物 例如, 在脏的地方作业可能会提高硅的含量 ; 在排放氯化合物的化工厂附近作业可能会加速机油酸化 寄出油样前, 请仔细检查 如果发现大的磨损颗粒, 请通知您的实验室并让他们查找原因 使用原始设备的机油过滤器和订阅发动机制造商的机油分析服务有很多好处 在这种情况下, 由工厂经过培训 具有资质的技术人员进行分析并正确解释分析结果, 从而加强保修支持 : 如果发动机制造商的机油过滤器因缺陷而失效, 制造商不仅会赔偿失效的过滤器, 还会赔偿由此对发动机造成的损害 4
火花塞 正确操作火花塞对燃气发动机性能 燃油经济性和排放至关重要 现在先进的稀燃发动机可能使用传统的 J 型间隙火花塞或预燃烧室火花塞 在预燃烧室设计中, 火花塞通过小孔将空气和燃料吸入电极周围的小室中 点火时, 预燃烧室保护火焰不被气缸内的湍流 吹灭 然后不断增长的火焰通过小孔喷射, 点燃整个气缸的空气燃料 火花塞磨损随发动机负荷系数 燃油质量等因素变化较大 例如,J 型间隙火花塞的使用寿命在低压缩发动机中可能为 3000 至 5000 小时, 在高压缩发动机中可能为 2000 至 4000 小时 与机油一样, 火花塞的更换间隔时间可以超过用户手册中列出的间隔时间 良好的趋势数据可以帮助操作员为特定的设备设置最佳的更换间隔 J 型间隙火花塞必须在每次维修时重新调整间隙到正确的规格 操作员可以通过测量和记录每次维修时的间隙以及观察火花塞的一般状况来监测和跟踪火花塞磨损的趋势 良好的保养程序要求定期清洁火花塞电极 火花塞性能也可以通过监测二次变压器输出来预测, 二次变压器输出通常通过发动机软件或 SCADA 系统读取百分比 一个新的火花塞通常登记为约 25% 随着火花塞的老化, 电极退化, 间隙增大, 从而使火花塞跳过端子所需的电压增大 当二次电压超过 90% 时, 火花塞就会出现故障, 这就很容易达到重新调整间隙或更换火花塞的最佳时间 如果发动机不稳定或运行不良, 检查排气口温度是排除故障的一个好方法 温度下降表示火花塞出现故障或打不着火 决定何时更换所有火花塞是一种判断 一般来说, 如果只有一个火花塞出现故障, 而其发生故障的时间远未达到预计更换的时间间隔, 那么只更换这个火花塞更划算 然而, 尤其是短时间内, 当三个或三个以上火花塞出现故障时, 这是一个可靠的信号, 表明所有的火花塞都将接近使用寿命 图 4:J 型间隙火花塞 ( 左 ) 对比预燃烧室火花塞 ( 右 ) 5
用户手册之外的重要内容 气门 发动机气门的设计是在日常磨损时沉入气门座 气门间 隙需要定期调节 以保持气缸内有效的燃烧密封 沉入 的速度随操作条件 燃料质量和其他因素而变化 对趋 势分析来说 气门杆突出量的测量是必不可少的 图6 适用于Cat G3500C/E 发动机的新气门沉陷测量 工具 气门表面的积聚物也会改变气门间隙 从而改变气门 正时 进而影响气缸内的气流和空燃比 不正确的气 门开启/关闭顺序可能会导致压缩损失 燃油混合气过 浓导致爆震 或者在点火时气缸中有过多的惰性废气 从而降低功率输出 图5 气门杆突出量测量 气门杆突出量显示出气门表面和气门镶圈之间发生的磨 损量 在新气缸盖上的第一个1000 小时后 应测量初 始气门杆突出量 这是气门安装在镶圈上的正常 磨合 时期 这就建立了磨损基准 之后 应在更换火花塞时 进行测量 除了磨损趋势外 气门杆突出量测量还可以显示即将发 生的发动机故障 随着时间的推移 随着气门磨损到气 门座中 气门杆突出量通常会增加 气门杆突出量减少 表明气门表面的积聚物可能使气门保持开启状态并导致 气门烧损 例如 长时间的轻负荷运行会增加机油消耗 并可能导致气门结焦 图7 气门间隙调节 发动机制造商设定了最大允许气门杆突出量的规格 测 量必须一致而准确 在理想情况下 同一个人应该始终 用相同的工具和测量方法来测量突出量 突出量通常以 毫米为单位进行测量 且不同的测量设备和技术会明显 影响趋势数据的准确性 6
冷却系统 冷却液是一种具有多种用途的基本流体 其最明显的优点是防冻, 但也提高了冷却水的沸点, 提高了冷却效率 同样重要的是, 它还含有添加剂, 可以防止冷却剂通道中的矿物结垢, 润滑水泵密封件, 防锈, 防止缸套气蚀 选择发动机制造商推荐的冷却液类型并将其与去离子水按适当比例混合 (50-50 的比例通常用于较冷的气候, 但全年温暖的气候可能需要其他混合液 ) 一个简单的方法是使用预混合冷却液产品 在任何情况下, 对于您所在的位置来说, 冷却液混合液太强或者太弱都会损害发动机的性能和寿命 即使在不使用防冻剂的赤道地区, 发动机也需要使用冷却液调节剂来保持冷却液的最佳性能 像机油一样, 冷却液也应该定期分析, 至少每年一次 一个有效的分析程序可以帮助您在发生故障之前验证正确的冷却液化学成分 监控冷却系统状况和纠正冷却液或冷却系统的问题 通过分析可以检测故障的症状, 例如 ph 值不合适 水硬度不可接受 沉淀物的存在 乙二醇水平低或高 冷却液中含有机油, 以及铅 铜和铝水平的升高 其他趋势 在其他发动机趋势方面需要注意它们对性能的潜在影响, 以及对发动机状态的指示 发动机负荷重型工业用燃气发动机设计为在额定负荷或接近额定负荷的情况下长时间运行 用户手册通常会明确规定, 在 60% 或更低的负荷下运行一段指定时间的发动机必须恢复到满负荷, 以燃烧机油和沉积物 经常在较轻负荷下运行的发动机发电机组每千瓦时耗油量明显高于满载时, 每千瓦时的维护成本也会更高 环境条件炎热的天气加速了部件磨损和机油及冷却液的分解 高温环境条件使空气密度降低, 也可能需要降低发动机的功率 高空作业也是如此 图 8:Cat G3406 发动机中的冷却液液位传感器 冷却系统的压力也很重要 泄漏压力控制盖会降低冷却液的沸点, 使水沸腾和漏出 此外, 气缸盖上冒出的蒸汽会限制冷却能力, 导致部件过早磨损 所有应用于普通冷却系统的维护程序也适用于热电联产装置 热回收的基本功能仍然是冷却发动机 进气和排气歧管的压力和温度正态分布应确定预期的压力和温度值 ; 一个或多个气缸的任何偏差都应进行调查 仅举一个例子, 排气歧管温度和压力的升高可能表明夹套水后冷却器堵塞或出现故障, 阻碍散热 请记住趋势可能受到环境条件的影响 例如, 极高的环境温度可能会提高排气歧管的温度 机油温度和压力同样, 偏离正常测量值时值得调查 7
发动机检修 趋势可以帮助定制设备的检修间隔 ( 顶端检修 框内检修和全面检修 ) 对于许多发动机来说, 典型的时间间隔分别是 20000 小时 ( 顶端检修 ) 40000 小时 ( 框内检修 ) 和 80000 小时 ( 主体检修 ), 但是清洁的燃油 正确的操作和良好的维护可以延长这些时间间隔 顶端检修顶端检修更换气缸盖组件或用新的气门 气门座 导轨 弹簧 旋转器 保持器和其他部件重组气缸盖组件 同时更换火花塞和机油 顶端检修时间的主要趋势指标包括气门杆突出量 窜气回收系统的机油量和机油消耗 通常按重要程度排序 发动机制造商设定了气门杆突出量的最大允许程度 一个不符合规格的气门 ( 有时称为 飞片 ) 不一定是进行顶端检修的理由, 而可能是由于一个较软的气门或镶圈造成的畸变 但是, 如果两个或两个以上的气门超出了规定值, 则需要进行顶端检修 经过良好的规划, 在 24 到 36 个工作小时内即可完成一次顶端检修 对于顶端检修, 再制造的气缸盖可以成为新部件替代品, 更经济有效 在这种情况下, 发动机制造商或经销商提供的气缸盖是用符合原始设备规格的新部件和 / 或再制造部件组合而成的, 并具有与新部件相同的保修期 然后, 发动机所有者会因为更换了发动机气缸盖和部件而得到相应的奖励 图 9:G3406 完整的基础检修套件 虽然一些制造商声称他们的发动机不需要顶端检修, 但所有气缸盖都有磨损的运动部件 气门弹簧将气门上下提起, 气门旋转器每冲程旋转约 3 度, 以防止在气门座上形成沉积物, 燃烧热对排气门和气门座造成分子化学影响, 金属本身由于反复接触而磨损 声称不需要进行顶端检修的理由通常是在磨损或故障时更换单独的气缸盖, 通常包括极其严格甚至不切实际的燃料质量规格 框内检修框内检修, 顾名思义, 就是在不从发电机或底座轨道上拆下发动机缸体的情况下, 对发动机的许多内部系统进行修复 框内检修通常包括很多顶端检修的工作, 包括更换气缸盖 框内检修还通常包括更换活塞和连杆组 缸套 涡轮增压器, 以及主轴承和连杆轴承 此过程通常可在 36 至 60 个工作小时内完成 ; 然而, 发动机和部件的易接近性及所用技师的技术水平将对实际的维护时间产生很大的影响 经过良好的规划, 此过程可在 24 至 36 个工作小时内完成 框内检修的指标通常包括由气缸套玻璃化 ( 很容易通过缸径范围识别 ) 和通过油样分析检测到的机油中磨损金属 ( 铝 铜 铬和铁 ) 水平升高引起的机油消耗 全面检修全面检修本质上是一次彻底的改造, 使发动机恢复到最新的状态 全面检修更换了框内检修相同部件的同时, 还包括对前齿轮传动组 ( 更换轴承 检查齿轮和更换磨损的齿轮 ) 的重组 更换减震器皮带轮 更换凸轮轴轴承 检查发动机缸体上的缸套孔检查 ( 确保曲柄和凸轮孔仍彼此保持平行 ), 其他更多的还包括凸轮轴和曲轴修复 与框内检修不同, 全面检修需要将发动机从发电机上断开, 并从机身或外壳上拆卸下来, 然后将其运送到检修车间的受控环境中 对于典型的 170mm 缸径 16 缸发动机, 该过程可能需要 200 至 250 个工作小时, 如果气缸数更多或存在异常磨损, 则需要更长的时间 从 1000 小时的基准线设置开始计算, 全面检修的时间指标包括机油消耗量增加 300%, 或送至窜气再循环系统的机油量增加 200% 废气排放的重大变化也可能预示着大修时间的到来, 尽管单独出现这种现象可能仅仅表明需要调整发动机排放系统或控制策略 明智的做法是尽可能在停机的时间段前后安排检修 例如, 如果天然气公司将在框内检修前约 2000 小时关闭管道进行维护, 那么在此时完成检修与几个月后重新启动再关闭完成检修相比, 可能更具有经济意义 8
计算成本 使用天然气发动机发电机组的发电项目的成功归结为每千瓦时的电力成本 利润率可能很低, 但每千瓦时成本的十分之一在整个项目周期中可能意味着巨额资金 设施和设备的典型资本成本差异很大, 但通常在每千瓦时 3 至 3.5 美分的范围内, 并且基本上是不变的 另一方面, 维护费用主要由拥有者控制 好的维修费用是多少? 每个应用类型和维修方案都是不同的, 但从保守的经验来看, 对于使用天然气发电机组的项目, 全面 维护成本为每千瓦时 0.7 至 1.3 美分 图 10: 保养和维修费用的差异 糟糕的设施设计使设备难以进行维护, 劣质的管道燃料, 当地零件税和进口费用等因素都会导致成本上升 差的维修费用是多少? 基本上没有上限 发动机故障 部件快速磨损导致的过早大修 长时间的计划外停机 所有这些加在一起可能会造成数千美元的损失, 在大型项目中, 甚至会造成数百万美元的硬成本和收入损失, 极大地增加了每千瓦时的成本 良好的维护并不困难 良好的维护需要了解趋势方法 有效的调度 训练有素的人员 高质量的替换部件和易耗品, 以及获得发动机制造商的技术支持 在整个发电项目期间, 基于趋势的维护将有助于提高生产时间和降低成本 9
计算成本 B 使用年限 概念 : 苹果与苹果做比较与任何工业产品一样, 发动机的制造商也对其可靠性和耐用性提出了要求 : 持续无故障运行时间 为了评估这些说法, 将 苹果 与 苹果 进行比较, 有助于制定一些客观的衡量标准 B 使用年限即是这样的一个度量, 一个从 0 至 100 的尺度, 指的是在给定的使用寿命期内可正常使用的物品的百分比 例如, 发动机部件通常是根据 B10 的使用年限来设计的 这是 10% 的部件需要维修或更换的时间 ( 以工作小时为单位 ),90% 的部件仍然可以继续使用 机器的设计, 如发动机, 总是存在耐久性和成本之间的妥协 举例来说, 在太空探索或航空旅行中, 关键部件的制造 B 使用年限接近于零 接近 100% 的部件将使用到设计年限 这是非常昂贵的, 但却是必要的, 因为失败是不可接受的, 而且往往会危及生命 另一方面, 在工业发动机中, 部件故障也是不受欢迎的, 而且会造成成本损失, 但通常不会危及生命 如果制造 B 使用年限接近于零的发动机, 那么它的价格将非常昂贵, 几乎没有用户能够负担得起 现在, 假设一个发动机制造商推出了 20000 小时的顶端检修周期, 而具有类似发动机的竞争对手推出了 30000 小时的顶端检修 两种说法都可能是正确的, 但基于不同的 B 使用年限标准 也就是说,30,000 小时的说法可能是基于 B50: 只有一半组件能够使用到广告宣传的使用年限 所以, 在这些比较可靠的说法中, 对各制造商提出以下问题是明智且合法的 : 这种说法是根据哪种 B 使用年限? 通过这种方式,B 使用年限让买家知道苹果是否真的被拿来与苹果进行比较 事实上, 在制造商的操作与保养手册中, 有一些使用年限是 B10, 而另一些是 B50 服务引用 SEBU6400-05 SEBU8554-03 SEBU7681-17 LCXE0681-00 2014 年 4 月 2019 Caterpillar 保留所有权利 CAT CATERPILLAR LET S DO THE WORK 及其相应的徽标 Caterpillar Yellow Power Edge 和 Cat Modern Hex 商业外观以及本文所使用的企业和产品标识是 Caterpillar 的商标, 未经许可, 不得使用