Kraftwerk verändert die Bestimmung von Feuchtigkeit in Schmierölen

In modernen, konventionellen Kraftwerken ist der Gesamtzustand der Fluide, die große, hochwertige Maschinen schmieren, entscheidend für den erfolgreichen und wirtschaftlichen Betrieb der Anlage. Insbesondere die im Öl vorhandene Feuchtigkeitsmenge kann die Leistung der Schmierflüssigkeit beeinträchtigen, da Wasser kritische antioxidative Verbindungen auswaschen und zur Oxidation des Schmierstoffs und dem anschließenden Verlust der Schmierstoffleistung beitragen kann. Karl-Fischer (KF)-Titrationen werden seit Jahren zur Messung des Wassergehalts in Öl verwendet, jedoch weist diese Analysemethode eine Reihe von Einschränkungen auf. Vor drei Jahren haben wir unsere KF-Methode ersetzt und verwenden jetzt die Fourier-Transform-Infrarot-(FTIR)-Analyse, um den Grad der Wasserverschmutzung in Schmierflüssigkeiten zu messen und zu kontrollieren. Wir haben festgestellt, dass der FTIR-Analysator in kürzerer Zeit und mit weniger Komplikationen genaue Daten liefert als die „Goldstandard“ Karl-Fischer-Titration.

Schmierüberwachung bei Ferrybridge
Ferrybridge C Power Station ist ein 2.000 Megawatt starkes Kohle- und Biomassekraftwerk in West Yorkshire in England. Die vier riesigen Dampfturbinen und Hauptspeisepumpen der Anlage produzieren genug Strom für 2 Millionen Haushalte oder 4 Prozent des täglichen Strombedarfs des Vereinigten Königreichs. Die Leistung einer Dampfturbine würde ausreichen, um sechs Queen Mary 2-Kreuzfahrtschiffe mit voller Geschwindigkeit voranzutreiben. Jede Turbinenwelle ist mehr als 170 Fuß lang und außerordentlich schwer; mit 12 Stützlagern, alle mit Mineralölschmierung. Dieses Schmieröl dient mehr als einem Zweck, da es auch das Steueröl für den Betrieb der Turbinenreglerventile und Dampfeinlassventile ist. Daher ist es zwingend erforderlich, dass der Zustand des Öls überwacht und innerhalb der erforderlichen Spezifikation gehalten wird. Da sich der Feuchtigkeitsgehalt des Schmieröls im Laufe der Zeit in Abhängigkeit von Umgebungs- und Betriebsbedingungen ändert, ist es unerlässlich, schnell genaue analytische Informationen zu erhalten.

Die Messung von Wasser in Schmierflüssigkeiten mittels FTIR-Analyse
Bei Ferrybridge verwenden wir den iPAL FTIR-Analysator von A2 Technologies, der mit einem TumblIR-Übertragungszellensystem ausgestattet ist (Abbildung 1).

Abbildung 1. Der iPAL FTIR-Analysator von A2 Technologies wird im Ferrybridge-Werk für die Ölanalyse verwendet.

Um eine Probe zu analysieren, gibt der Bediener einen Tropfen sauberen, gebrauchten Öls auf das untere TumblIR-Fenster, das in der Oberfläche des Analysators montiert ist, und dreht dann ein zweites, kardanisch montiertes Fenster in Position, wodurch ein reproduzierbares 100- Mikrometerspalt, der das Öl hält. Das System ist mit einer vorkalibrierten, automatisierten Methode zur Analyse von Wasser in Öl ausgestattet, und ein einfacher Befehl leitet die IR-Übertragungsmethode ein. Der FTIR-Analysator sammelt, analysiert und meldet die Daten dann. Das iPAL-System ist in der Lage, Wasser bis zu 200 ppm (ppm) ohne Probenvorbereitung genau zu analysieren, sodass Nachweisgrenzen nicht in Frage kommen. A2 Technologies hat eine Methode mit Tensid entwickelt, die den quantitativen Nachweis von Wasser in Schmieröl bis zu 65 ppm ermöglicht.

Wir haben die iPAL-Analysator-Methode im Vergleich zu unserer Karl-Fischer-Titrationsmethode getestet und es zeigte sich eine gute Korrelation zwischen den Methoden. Der Trend der vorhandenen Wassermenge wird überwacht, absolute Werte sind daher nicht erforderlich. Auch bei KF-Messungen werden keine Absolutwerte gemessen, da das Ergebnis durch die verwendete Probenmenge und die inhärente Unmischbarkeit von Öl und Wasser verfälscht werden kann. Daher werden sowohl mit der FTIR- als auch mit der KF-Analyse (oftmals mit der KF) Wiederholungsmessungen durchgeführt. Da die FTIR-Messungen so schnell sind, sind Wiederholungsmessungen viel schneller und einfacher durchzuführen. Die kleinen Diskrepanzen zwischen den beiden Methoden unterscheiden sich nicht wesentlich von denen, die durch die Durchführung von zwei KF-Tests an derselben Probe erhalten werden.

Nachdem wir Vertrauen in die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der FTIR-Methode gewonnen haben, haben wir unsere KF-Messungen weitgehend ersetzt. Ein Beispiel zeigte, dass das iPAL-System den Feuchtigkeitsgehalt sowohl im Turbinenöl als auch im Öl der Hauptspeisepumpe verfolgte.

Wenn die Feuchtigkeit in der Schmierflüssigkeit die zulässige Spezifikation überschreitet, werden Korrekturmaßnahmen ergriffen, um das Wasser im Öl zu entfernen. Es gibt zwei Methoden, um den Feuchtigkeitsgehalt des Turbinenöls einzustellen:

1. Der Dampfdruck der Turbinenstopfbuchse wird manuell eingestellt, wenn das Gerät mit einer niedrigeren als der normalen Last betrieben werden soll.
2. Ein mechanisches Gerät, das Wasser vom Öl trennt, wird verwendet, um Feuchtigkeit aus dem Hauptöltank der Turbine zu entfernen.

Der iPAL FTIR-Analysator überwacht nicht nur den Wassergehalt im Öl und alarmiert uns, wenn nötig Korrekturmaßnahmen zu ergreifen, sondern auch, um die Wirksamkeit unserer Methoden zur Entfernung von Wasser zu verfolgen und das Öl auf akzeptable Feuchtigkeitsgrenzen zurückzuführen.

Der Wert der FTIR-Analyse zur Schmierungsüberwachung
Es gibt zahlreiche Gründe, warum wir bei Ferrybridge den iPAL FTIR-Analysator übernommen und viele unserer Karl-Fischer-Titrationsanalysen eliminiert haben.

• Die FTIR-Analyse von Wasser in Öl ist schnell.
  • Der FTIR-Analysator benötigt drei bis fünf Minuten, um das Wasser im Öl zu messen, von der Probenaufgabe bis zum Endergebnis.
  • Beim FTIR-System hat der Feuchtigkeitsgehalt der Probe keinen Einfluss auf die Analysezeit. Mit KF kann eine Probe mit geringer Feuchtigkeit (weniger als 0,05 Prozent) in etwa der gleichen Zeit wie das FTIR gemessen werden; bei Proben mit mittlerer bis hoher Feuchtigkeit (mehr als 0,05 bis 0,5 Prozent) können die Messungen jedoch fünf bis 30 Minuten dauern.
• Für die FTIR-Analyse von Wasser in Öl sind keine Reagenzien erforderlich.
  • Ein einzelner Tropfen reines Altöl wird analysiert – es sind keine Reagenzien erforderlich.
  • Die KF-Methode ist eine Titration, die Testchemikalien und Reagenzien erfordert, die teuer sind und nachbestellt werden müssen.
  • Die KF-Methode verwendet Reagenzien, die Jod und Schwefeldioxid in Gegenwart von Methanol und einer organischen Base wie Pyridin oder Imidazol enthalten. Dies sind potenziell toxische Reagenzien und in Bezug auf die Exposition ist Vorsicht geboten.
• Die FTIR-Analyse von Wasser in Öl ist einfach durchzuführen.
  • Die FTIR-Methode ist recht einfach und das Verfahren ist im System so programmiert, dass weniger qualifiziertes Personal genaue Messungen unabhängig vom vorhandenen Wasserstand durchführen kann.
  • Die KF-Methode erfordert einen erfahrenen Techniker, um die Analyse durchzuführen, und sehr nasse Öle können eine Herausforderung darstellen.
  • Nachdem mehrere nasse Proben gemessen wurden, muss der KF-Titrator außer Betrieb genommen, gereinigt und mit Reagenzien aufgefüllt werden. Dies erfordert, dass wir mehrere KF-Titratoren verwenden, um mit der Probennachfrage Schritt zu halten.
• Es ist einfach, Personal in der Verwendung des iPAL FTIR-Systems zu schulen.
  • Mit der bereits im iPAL-Analysator programmierten Standardmethode dauert die Schulung eines Technikers nur wenige Minuten.
  • Die KF benötigt mindestens einen halben Tag, da die Bediener darin geschult werden müssen, wie die giftigen Reagenzien sicher verwendet werden, um festzustellen, wann die Reagenzien ausgetauscht werden müssen, wie die Titratoren zu reinigen und zu trocknen, wie die Reagenzien nachgefüllt werden und wo sie die relativ teuren Reagenzien für die KF-Messung bestellen.
• Die FTIR-Analyse ist analytisch genauso genau wie die KF-Messung, in manchen Fällen sogar noch besser.
  • Wenn eine Methode einfach zu handhaben ist und nicht mehrere Schritte und Reagenzien erfordert, kann sie analytisch genauer sein als ein komplizierterer Test. Unsere Erfahrung mit der KF- und FTIR-Methode zeigt, dass die FTIR genauer ist, wenn der Feuchtigkeitsgehalt im Öl sehr hoch ist.
  • Ohne Vorbehandlung der Probe kann das iPAL-System Feuchtigkeit in Öl bis auf 200 ppm genau erkennen.
• Zusätzlich zur Bestimmung der Feuchtigkeit im Öl kann das iPAL FTIR andere wichtige Ölspezifikationen messen, alle an derselben Probe mit vorkalibrierten On-Board-Methoden. Dazu gehören:
  • Additivverarmung des Öls
  • Gesamtzustand/Oxidation des Öls
  • Öl in Wasser zum Entladen
• Das FTIR-System ermöglicht eine Echtzeitanalyse vor Ort. Dadurch können wir den Zustand der Schmierflüssigkeit sofort und genau erkennen.
  • Wenn Öl außerhalb der Spezifikation liegt, können Vor-Ort-Tests Korrekturmaßnahmen ergreifen und die Wirksamkeit unserer Maßnahmen praktisch in Echtzeit bestimmen. All dies kann erreicht werden, lange bevor die ersten Ergebnisse eines externen Testlabors vorliegen. Wenn die Probe von einem externen Testlabor zurückkommt, sind die Ergebnisse normalerweise irrelevant, da kompetente Bediener nicht mehrere Wochen warten können, bevor sie Korrekturmaßnahmen ergreifen.
• Das FTIR-System erhöht unser Vertrauen in die Ergebnisse, die wir von externen Testlabors erhalten.
  • Wir haben festgestellt, dass es bei den Feuchtigkeitstestergebnissen zu erheblichen Unterschieden kommen kann, wenn Schmierstoffe nicht ordnungsgemäß für den Versand beprobt, verpackt und versiegelt werden.
  • In der Vergangenheit haben wir häufig Ergebnisse von externen Testlabors erhalten, von denen wir wussten, dass sie (bestenfalls) verdächtig oder (im schlimmsten Fall) völlig ungenau waren. Durch die Durchführung von Vor-Ort-Tests mit dem FTIR-Analysator, der in der Lage ist, mehrere wichtige Analyten zu messen, haben wir viel mehr Vertrauen in die Ergebnisse und können so die Ergebnisse von Testlabors außerhalb des Standorts überprüfen.

Schlussfolgerung
Das Ferrybridge-Kraftwerk verfügt über ein proaktives Schmierungsüberwachungsprogramm vor Ort. Wir haben festgestellt, dass der iPAL FTIR-Analysator ein wichtiger Bestandteil dieses Programms ist, da er es uns ermöglicht, den Feuchtigkeitsgehalt in Schmierflüssigkeiten praktisch in Echtzeit zu messen. Dies ermöglicht es uns, Korrekturmaßnahmen zu ergreifen, um den Feuchtigkeitsgehalt anzupassen, wenn er vorgeschriebene Grenzwerte überschreitet. Der FTIR-Analysator ist analytisch genau wie die Karl-Fischer-Methode des „Goldstandards“ und um einiges einfacher zu handhaben, da keine teuren, giftigen Reagenzien oder umfangreiche Schulungen der Bediener erforderlich sind. Der iPAL FTIR-Analysator ist zu einem wichtigen Bestandteil unseres Vor-Ort-Testprotokolls bei Ferrybridge geworden und wir sind dabei, seinen Einsatz auf andere Anwendungen auszuweiten.

Abbildung 2. Ferrybridge C-Kraftwerk