Nowe wymagania dotyczące układu chłodzenia dla generatorów hybrydowych HVO/biodiesel

Przełączenie agregatu prądotwórczego na HVO, biodiesel na bazie FAME lub mieszankę obu jest często opisywane jako proste przejście „wstępne”. W przypadku układu paliwowego opis ten jest w dużej mierze dokładny. W przypadku układu chłodzenia jest to tylko częściowo prawdą. Praca na biopaliwie wiąże się ze szczególnymi czynnikami związanymi z właściwościami termicznymi, chemicznymi i materiałowymi, które – jeśli zostaną zignorowane – mogą skrócić żywotność chłodnicy, pogorszyć wydajność płynu chłodzącego i spowodować nieoczekiwane przegrzanie w najgorszym możliwym momencie.

Jak HVO i biodiesel zmieniają profil termiczny silnika

HVO (hydrodrafinowany olej roślinny) i konwencjonalny olej napędowy mają bardzo podobną strukturę węglowodorów. W praktyce generator pracujący na 100% HVO wytwarza obciążenie odprowadzaniem ciepła w zakresie około 2–3% wartości bazowej oleju napędowego — różnica jest zbyt mała, aby w większości instalacji wymagać zmiany wymiarów grzejnika. Głównym powodem jest nieco niższa gęstość energii HVO (około 34,4 MJ/l w porównaniu z 35,7 MJ/l w przypadku oleju napędowego), co powoduje marginalny wzrost zużycia paliwa na kWh wytworzonej energii, a co za tym idzie, marginalny wzrost całkowitego ciepła odprowadzanego do obwodu chłodzącego.

Biodiesel na bazie FAME (ester metylowy kwasów tłuszczowych) zachowuje się inaczej. Jego struktura molekularna zawierająca tlen zmienia charakterystykę spalania w sposób istotny dla inżynierów systemów chłodzenia:

• Wyższe temperatury spalania przy średnim obciążeniu: Zawartość tlenu w cząsteczkach FAME sprzyja pełniejszemu spalaniu, co może podnieść szczytową temperaturę w cylindrze i przenieść większą część ciepła do obiegu płynu chłodzącego, a nie do strumienia spalin.
• Zwiększone zużycie paliwa przy mieszankach o wysokiej zawartości FAME: Mieszanki B20 (20% FAME) zazwyczaj wykazują 1–2% wzrost zużycia paliwa. B100 może wykazywać wzrost o 8–12%, wprost proporcjonalny do dodatkowego obciążenia odprowadzającego ciepło nałożonego na grzejnik.
• Niestabilność proporcji mieszanki w trybie hybrydowym: Agregaty prądotwórcze pracujące na zmiennych mieszankach HVO/FAME – w których proporcja mieszanki zmienia się pomiędzy dostawami paliwa – będą doświadczać zmiennego obciążenia termicznego. Grzejniki o stałej wydajności dostosowane do oleju napędowego mogą działać bliżej swojego marginesu, niż operatorzy zdają sobie z tego sprawę.

Praktyczny wniosek: praca wyłącznie w trybie HVO nie wymaga zmiany rozmiaru układu chłodzenia. Mieszanki FAME powyżej B20, szczególnie w zastosowaniach związanych z zasilaniem głównym, pracujących przy stałym dużym obciążeniu, wymagają formalnego przeliczenia oddawania ciepła przed podjęciem decyzji o zmianie paliwa.

Zgodność chłodziwa: co zmienia się w przypadku pracy na biopaliwie

Sam płyn chłodzący jest najczęściej pomijanym aspektem przejścia na biopaliwa. Większość agregatów prądotwórczych jest fabrycznie wypełniona konwencjonalnym chłodziwem w technologii dodatków nieorganicznych (IAT), w którym do ochrony powierzchni metalowych wykorzystuje się inhibitory krzemianów i fosforanów. Inhibitory te zostały opracowane z myślą o chemii spalania oleju napędowego i słabo oddziałują z zanieczyszczeniem biodieslem FAME.

Biodiesel FAME jest higroskopijny: pochłania wilgoć z atmosfery podczas przechowywania i eksploatacji. W silnikach z dowolną drogą przeddmuchu paliwa do obiegu płynu chłodzącego śladowe ilości produktów utleniania FAME — głównie krótkołańcuchowych kwasów organicznych — mogą przedostawać się do płynu chłodzącego. Kwasy te przyspieszają wyczerpywanie się inhibitorów krzemianowych, obniżając pH płynu chłodzącego i zamieniając płyn ochronny w lekko korozyjny.

W przypadku dowolnego agregatu prądotwórczego pracującego na mieszankach FAME powyżej B10, zaktualizuj specyfikację chłodziwa do OAT (technologia kwasów organicznych) lub HOAT (hybrydowy OAT) przed zmianą paliwa. W płynach chłodzących OAT zastosowano inhibitory karboksylanów, które są chemicznie odporne na zanieczyszczenia kwasami organicznymi, utrzymują stabilne pH w szerszym zakresie warunków i zapewniają doskonałą, długoterminową ochronę aluminiowych powierzchni wymienników ciepła. Wydłużają także okresy międzyobsługowe z typowego 2-letniego cyklu IAT do 4–5 lat, zmniejszając koszty konserwacji.

W przypadku pracy wyłącznie z HVO istniejąca specyfikacja płynu chłodzącego jest ogólnie wystarczająca, ale przejście to dobra okazja do sprawdzenia stanu płynu chłodzącego — sprawdzenia pH, stężenia inhibitora i temperatury zamarzania — i wymiany, jeśli płyn ma więcej niż dwa lata.

Wybór materiału chłodnicy dla środowisk wykorzystujących biopaliwa

Nie wszystkie materiały rdzenia chłodnicy reagują jednakowo na warunki pracy biopaliwa. To rozróżnienie ma największe znaczenie, gdy biodiesel FAME stanowi część miksu paliwowego.

Tradycyjne rdzenie chłodnic miedziano-mosiężnych wykorzystują lutowie miękkie (stop cyny i ołowiu) do łączenia rur z kolektorami. Podczas spalania FAME powstają niewielkie ilości kwasu mrówkowego i octowego jako produktów ubocznych utleniania. W ciągu tysięcy godzin pracy związki te – nawet w śladowych stężeniach w płynie chłodzącym – mogą atakować miękkie połączenia lutowane, powodując postępującą degradację połączeń i ewentualne wycieki chłodziwa na szwach rura-kołnierz. Ten tryb awarii jest powolny i często pozostaje niewykryty, dopóki nie pojawi się widoczny wyciek.

W przypadku agregatów prądotwórczych zasilanych paliwami zawierającymi FAME preferowanym materiałem jest konstrukcja z rdzeniem wykonanym w całości z lutowanego aluminium. W złączach lutowanych aluminium zastosowano stop wypełniacza aluminiowo-krzemowego, który jest chemicznie odporny na środowisko kwasów organicznych towarzyszące pracy na biodieslu. Rdzenie aluminiowe oferują również lepszy stosunek wytrzymałości do masy i lepszą przewodność cieplną w porównaniu z konstrukcjami miedziano-mosiężnymi przy równoważnych objętościach rdzenia. W przypadku instalacji planujących długoterminową strategię dotyczącą biopaliw, określenie całkowicie aluminiowy grzejnik agregatu prądotwórczego od samego początku całkowicie eliminuje ryzyko korozji lutowia.

W przypadku agregatów prądotwórczych z istniejącymi hybrydowymi grzejnikami aluminiowo-plastikowymi, w których aluminiowy rdzeń jest połączony z polimerowymi zbiornikami końcowymi, główna uwaga skupia się na materiałach uszczelki łączącej zbiornik z rdzeniem i pierścieni O-ring. Standardowe uszczelki EPDM są kompatybilne zarówno z HVO, jak i FAME. Jednakże uszczelki z neoprenu lub kauczuku nitrylowego mogą pęcznieć i mięknąć pod wpływem mieszanek o wysokiej zawartości FAME przez dłuższy czas. Przed zastosowaniem mieszanki B20 lub wyższej w grzejniku aluminiowo-plastikowym należy sprawdzić specyfikację materiału uszczelki u producenta grzejnika. Szczegółowe informacje na temat konstrukcji aluminiowo-plastikowej i jej zachowania korozyjnego w różnych środowiskach paliwowych można znaleźć w naszym artykule przewodnik korozji chłodnicy aluminiowo-plastikowej .

Rozmiary odprowadzające ciepło: czy potrzebujesz większego grzejnika?

Jest to pytanie, które większość operatorów zadaje jako pierwsze, a odpowiedź zależy całkowicie od rodzaju paliwa, proporcji mieszanki i profilu obciążenia roboczego.

Próg zmiany rozmiaru nie dotyczy jedynie średniego obciążenia — chodzi o utrzymujące się obciążenie szczytowe. Agregat prądotwórczy pracujący przy średnim obciążeniu 70% z okazjonalnymi skokami do pełnej mocy znamionowej może bezpiecznie pracować na B20 z istniejącą chłodnicą. Ta sama jednostka pracująca w trybie ciągłej mocy podstawowej przy obciążeniu 85–100% będzie miała węższy margines termiczny, a dodatkowe odprowadzanie ciepła z mieszanki B20 może spowodować wzrost temperatury płynu chłodzącego do strefy ostrzegawczej w gorące dni.

W przypadku instalacji zasilania głównego, które planują pracować na mieszankach FAME powyżej B20, jedyną wiarygodną metodą jest specjalne obliczenie termiczne z wykorzystaniem danych producenta silnika dotyczących oddawania ciepła przy docelowej specyfikacji paliwa. Zaprojektowany specjalnie główne grzejniki generatorów prądu zostały zaprojektowane z większą głębokością rdzenia i zwiększoną gęstością żeber, aby wytrzymać dokładnie te podwyższone obciążenia związane z odprowadzaniem ciepła w trybie ciągłym.

Praktyczna lista kontrolna adaptacji dla istniejących agregatów prądotwórczych

Zanim pierwszy zbiornik HVO lub mieszanki biodiesla zostanie oddany do użytku, wykonaj następujące czynności, aby upewnić się, że układ chłodzenia jest gotowy:

1. Zidentyfikuj materiał rdzenia chłodnicy. Rdzenie miedziano-mosiężne ze złączami lutowanymi miękkimi należy sprawdzić pod kątem istniejącej korozji i rozważyć ich wymianę, jeśli agregat prądotwórczy będzie długoterminowo pracował na mieszankach FAME powyżej B10. Rdzenie lutowane w całości z aluminium nie wymagają modyfikacji.
2. Sprawdź uszczelkę i materiały uszczelki. Sprawdź uszczelki zbiornika końcowego chłodnicy i wszystkie połączenia węży płynu chłodzącego. Przed przejściem na paliwa zawierające FAME należy wymienić wszelkie elementy neoprenowe lub nitrylowe na odpowiedniki EPDM.
3. W razie potrzeby uaktualnij specyfikację płynu chłodzącego. W przypadku zmiany z IAT na OAT/HOAT spuścić i przepłukać istniejący płyn chłodzący. Nie należy po prostu uzupełniać — mieszanie chemikaliów z inhibitorami może spowodować wypadanie inhibitora i tworzenie się osadu.
4. Oblicz ponownie oddawanie ciepła, jeśli używasz mieszanek B20 lub wyższych. Skorzystaj z danych dotyczących odprowadzania ciepła z arkusza danych silnika, skorygowanych o niższą gęstość energii paliwa i wyższy współczynnik zużycia paliwa. Porównaj wynik z znamionową wydajnością chłodniczą grzejnika przy maksymalnej temperaturze otoczenia.
5. Uważnie monitoruj przez pierwsze 250 godzin pracy. Po zmianie paliwa śledź temperaturę płynu chłodzącego przy pełnym obciążeniu, sprawdź, czy nie pojawiają się nowe wycieki na złączach chłodnicy i złączach węży, a także ponownie sprawdź pH płynu chłodzącego po 250 godzinach. To wstępne okno monitorowania wychwytuje większość problemów ze zgodnością, zanim przerodzą się one w poważne błędy.