LUBRICANTE PARA CONGENERACION MOTORES DE GAS

1. INTRODUCCIÓN La utilización de los motores de combustión interna alimentados con gas, especialmente gas natural, para la generación combinada de energía térmica y eléctrica (CHP), cogeneración, ha aumentado substancialmente en los últimos años. Constituye una fuente eficiente y amigable con el medio ambiente de generación energética para una amplia variedad de aplicaciones industriales y domésticas, alcanzando niveles de eficacia superiores al 90%. La mayor parte de las veces los fabricantes de motores se han limitado a realizar pequeñas modificaciones en los mismos para su adaptación a los nuevos combustibles y algunos han definido especificaciones propias de lubricantes para estas aplicaciones. El gran auge de las plantas de cogeneración y las nuevas tecnologías que hacen posible la utilización de gases residuales de diferentes procesos de fermentación han traído consigo un gran desarrollo de los motores estáticos de tamaño medio y grande entre 300 y 1000KW. 2. FUNCIONES PRINCIPALES DE LOS LUBRICANTES Las funciones principales de un aceite de motor son: − Reducir la fricción y el desgaste − Sellar − Refrigerar − Control de la limpieza del motor Además de reducir la fricción y el desgaste el aceite de motor actúa como un eficaz sellante, refrigerante y facilita la limpieza del motor. El lubricante sella las partes por donde pueden fugar los gases de la combustión en dirección al cárter. El aceite refrigera aquellas zonas del motor donde el sistema de refrigeración no es capaz de actuar como cojinetes, paredes de los cilindros, parte interna de los pistones, dependiendo del tipo de motor se estima que entre el 10 y 25% del calor generado en el motor se evacua a través del lubricante. En algunas zonas de máxima responsabilidad la doble función de refrigerar y lubricar recae sobre el aceite, como pasa en los casquillos de bancada y biela donde se alcanzan temperaturas superiores a los 150º C y donde no tiene acceso el sistema de refrigeración del motor. También posee la propiedad de sacar las partículas de las zonas comprometidas y transportarlas a los filtros. El aceite de los motores de gas debería contener unos niveles de dispersantes adecuados para mantener la suciedad y los productos de la oxidación en suspensión y para impedir la adherencia de los aros, la formación de fangos y de depósitos en el motor, especialmente cuando se utilicen gases “húmedos” o “agrios”. 3. COMBUSTIBLES PARA MOTORES DE GAS Existen varios tipos de combustibles gaseosos. Todos ellos se caracterizan por estar compuestos de hidrocarburos, aunque también pueden contener otro tipo de componentes. Pueden obtenerse de una amplia variedad de fuentes como el petróleo (gas natural), degradación biológica de materias orgánicas (biogás) o en forma de productos de proceso industrial o como productos derivados del mismo (gases fabricados). Gas natural. Constituido principalmente por metano, etano, propano, butano, CO2 y N2. Puede (dulce) o no (agrio) contener azufre en forma de sulfuro de hidrógeno que es muy corrosivo, además de pequeñas cantidades de sílice. Gases licuados del petróleo. Basado en propano y butano. Biogás. Familia de gases derivados de la digestión anaeróbica o bioquímica de materias orgánicas presentes en desechos industriales o domésticos, aguas fecales, desechos agrícolas y alimenticios. Constituido por metano, CO2, N2, vapor de agua, y componentes agresivos como H2S, hidrocarburos halogenados y siloxanos. También puede contener componentes abrasivos (sílice), humedad y arsénico. Otros gases. Obtenidos como derivados de un proceso industrial (gas de madera de refinería, de cabeza de pozo de petróleo…). Pueden contener bastante azufre. Gas natural. Constituido principalmente por metano, etano, propano, butano, CO2 y N2. Puede (dulce) o no (agrio) contener azufre en forma de sulfuro de hidrógeno que es muy corrosivo, además de pequeñas cantidades de sílice. Gases licuados del petróleo. Basado en propano y butano. Biogás. Familia de gases derivados de la digestión anaeróbica o bioquímica de materias orgánicas presentes en desechos industriales o domésticos, aguas fecales, desechos agrícolas y alimenticios. Constituido por metano, CO2, N2, vapor de agua, y componentes agresivos como H2S, hidrocarburos halogenados y siloxanos. También puede contener componentes abrasivos (sílice), humedad y arsénico. Otros gases. Obtenidos como derivados de un proceso industrial (gas de madera de refinería, de cabeza de pozo de petróleo…). Pueden contener bastante azufre. Además de esto, los motores de gas trabajan a temperaturas muy altas lo que promueve la formación de óxidos de nitrógeno (Nox) al combinar nitrógeno con oxigeno procedente del aire de combustión. Estos compuestos reaccionan con el aceite y producen los siguientes efectos: 1. Aumento de la viscosidad por polimerización del aceite. 2. Desgaste corrosivo por formación de ácidos. 3. Formación de lodos y barnices. Figura 2. Motor de gas JENBACHER 4. LUBRICANTES PARA MOTORES DE GAS Los motores de gas utilizados en aplicaciones industriales son un tanto únicos dado que funcionan de forma regular bajo cargas constantemente altas, sometidos a altas temperaturas y durante largos periodos de tiempo, a menudo en ubicaciones inaccesibles con una supervisión mínima. Por ello se necesita un alto grado de fiabilidad y calidad en lo que a las prestaciones del motor y el aceite se refiere. Las altas cargas y las temperaturas presentes en los motores promueven la oxidación, haciendo imprescindible la utilización de aceites con una mayor estabilidad a la oxidación. Los motores de gas son más propensos al desgaste de las válvulas y de sus asientos. Esto se debe a la naturaleza seca y limpia de la combustión dentro del motor y a la carencia de hollín o compuestos de plomo que normalmente lubrican las válvulas. Por esta razón el nivel de ceniza sulfatada es mucho más crítico que en motores gasolina o diesel. Los altos niveles de depósito de ceniza pueden causar un encendido prematuro y la presencia de suciedad en las bujías podría provocar encendidos defectuosos, válvulas quemadas, etc. Sin embargo la formación de cenizas puede ser beneficiosa. Una capa de sales metálicas sobre la superficie de la válvula puede proporcionar protección contra la exposición directa a elementos dañinos en el gas combustible y contra las altas temperaturas y corrosión en caliente. También puede lubricar el asiento de las válvulas y reducir el retroceso de las mismas. Generalmente es importante utilizar un aceite con bajo contenido en cenizas, especialmente cuando el motor correspondiente está funcionando con gas natural o biogás no agresivo. Cuando funcionan con gas natural, los aceites para motores no requieren el mismo nivel de detergencia que los motores diesel o gasolina. Sin embargo, si se requiere utilizar aceites con un nivel mayor de detergencia (TBN mayor) cuando se utiliza biogás, especialmente de gas de vertedero. Un aspecto que cada vez tiene mayor importancia es el relacionado con las emisiones a la atmósfera. Esto ha obligado a algunos fabricantes de motores de gas a la utilización de catalizadores para la eliminación y/o control de las emisiones. La utilización de catalizadores limita el contenido y tipo de aditivos que debe llevar el aceite de motor en su formulación. 5. FUNCIONES DE LOS ACEITES EN MOTORES DE GAS Las funciones principales que se espera realice el aceite utilizado en un motor de gas son las siguientes: - Control de la oxidación y de la nitración. Las temperaturas más altas experimentadas por los motores de gas promueven la formación de óxidos de nitrógeno y al reaccionar con el aceite dan lugar a * un aumento de la viscosidad, causada por la polimerización del aceite, * desgaste corrosivo causado por productos ácidos principalmente ácido nítrico, * formación de depósitos en el motor causados por fangos y barnices y * un bloqueo del filtro causado por fangos. Los aceites, por tanto, necesitan una base con un alto nivel de estabilidad a la oxidación, combinado con productos químicos (aditivos) que optimicen su resistencia a la oxidación / nitración. - Reducción de la fricción y el desgaste. Los motores de gas utilizados en las aplicaciones industriales a menudo funcionan con niveles de carga y velocidad constantes, lo que garantiza una completa lubricación hidrodinámica durante casi todo su tiempo de operación. Por ello, el nivel de prestaciones en lo referente al desgaste, no es tan alto como cuando existe continúas paradas y puestas en marcha o donde se produce una variación de carga. El retroceso de las válvulas constituye generalmente un problema en los motores de gas, por lo que el aceite debe proporcionar un nivel adecuado de protección a las válvulas. Los biogases y particularmente los de vertedero, pueden contener cantidades importantes de elementos agresivos que pueden causar desgaste corrosivo y abrasivo. - Prevención de la corrosión y del óxido. Los aceites de motor de gas deben impedir la corrosión y la formación de óxido, especialmente cuando el motor funciona con gas de vertedero, gas obtenido de aguas fecales u otros gases más corrosivos. Estos gases pueden contener altos niveles de hidrocarburos halogenados, ácidos orgánicos y compuestos sulfúricos que pueden formar ácidos fuertes y provocar corrosión. Es importante no solo utilizar aceites con un TBN mayor, sino aceites con la composición química correcta para neutralizar los diferentes tipos de especies ácidas. - Limpieza del motor. El aceite de los motores de gas debería contener unos niveles de dispersantes adecuados para mantener la suciedad y los productos de la oxidación en suspensión y para impedir la adherencia de los aros, la formación de fangos y de depósitos en el motor, especialmente cuando se utilicen gases “húmedos” o “agrios”. 6. CLASIFICACION DE LOS ACEITES DE MOTORES DE GAS No hay estándares sectoriales para la clasificación de los aceites para motores de gas, por lo que tampoco hay pruebas homologadas para la evaluación de su rendimiento. Los fabricantes de motores de gas tienen unos requisitos que varían ampliamente y solo se homologan aceites después de que se hayan realizado pruebas de campo. La duración de una prueba de campo puede variar entre 3000 y 10000 horas (entre uno y dos años), dependiendo del fabricante original del equipo. Normalmente se requiere un completo control del aceite y del motor durante la realización de las pruebas, así como una inspección del motor (por regla general de uno o dos cilindros) a la finalización de las mismas. Para motores de dos tiempos se recomienda el uso de lubricantes sin cenizas. Sin embargo, en motores de cuatro tiempos se deben utilizar productos con bajo o medio nivel de cenizas para prevenir desgastes y para neutralizar los compuestos ácidos formados. En determinadas aplicaciones es necesario el uso de detergentes especiales e inhibidores de la corrosión para los gases de vertedero. 7. SELECCIÓN DEL ACEITE Las tendencias en los lubricantes para motores de gas las podemos resumir en: - Productos con bajo contenido en cenizas - Exigencias superiores a API CD - Los aceites convencionales de gasolina y diesel no son adecuados. Al seleccionar el tipo de aceite para motor de gas es necesario tener en consideración un número variado de factores: - Tipo de gas. Un gas natural dulce y seco arde bien y generalmente no tiene elementos corrosivos por lo que en este caso un aceite con bajo nivel de ceniza, bajo TBN sería adecuado. Sin embargo, un gas agrio o un biogas pueden contener un alto nivel de compuestos sulfúricos y haluros, los cuales son muy corrosivos, por lo que se requieren unos aceites con un TBN mayor. - Capacidad del cárter y consumo del aceite. Un cárter pequeño y un bajo consumo de aceite pueden imponer grandes tensiones al aceite y reducir su vida útil, mientras que los motores con un mayor consumo de aceite ayudan a aumentar la vida útil del aceite pero pueden contribuir a la formación de depósitos, desgaste de las válvulas y suciedad en las bujías, especialmente si se utilizan aceites con un elevado contenido de cenizas. - Temperaturas. Los motores que funcionan a temperaturas más bajas (normalmente 0-40º C) pueden funcionar de forma satisfactoria con aceites tipo SAE 30, mientras un funcionamiento a temperaturas más altas (5-50º C) requeriría la utilización de aceites SAE 40. - Nivel de ceniza sulfatada. Dicho nivel determina la cantidad de materia incombustible restante cuando se quema una cierta cantidad de aceite y es un criterio muy importante a la hora de seleccionar los aceites en los motores de gas. Casi todos los aceites contienen aditivos organometálicos que se requieren para proporcionar detergencia y protección contra el desgaste y la oxidación. Estos detergentes, principalmente sulfatos y fenatos constituyen la fuente principal de ceniza en un motor de gas. La utilización de un aceite con bajo contenido en cenizas puede dar lugar a la exposición de las válvulas a altas temperaturas y a la acción de los elementos agresivos presentes en el combustible, resultando una corrosión térmica, retroceso de las válvulas, quemado de las válvulas, etc. Sin embargo, la utilización de un aceite con alto contenido en cenizas, podría causar la formación de cenizas en la cámara de combustión y el pistón lo que daría lugar a encendidos prematuros, suciedad en las bujías, quemado de las válvulas y la adherencia de los aros. - Especificaciones de los fabricantes originales de equipos. Siempre es importante consultar a los fabricantes de equipos con el fin de conocer sus recomendaciones actualizadas en lo que atañe a grado de viscosidad, nivel de ceniza y otros requisitos de los lubricantes. Hay fabricantes que tienen homologados aceites en función del tipo de gas como Guascor, Caterpillar, Jenbacher mientras que otros como Deutz solo tienen homologado un tipo de aceite independientemente del gas utilizado.