陳 潔,吳海濤,郭 偉

(中海石油深海開發(fā)有限公司，廣東 深圳 518067)

海洋平臺

海洋平臺柴油發(fā)電機(jī)蓄電池選擇分析

陳 潔,吳海濤,郭 偉

(中海石油深海開發(fā)有限公司，廣東 深圳 518067)

深海油氣開發(fā)中，柴油發(fā)電機(jī)是海洋平臺必備應(yīng)急電源，其中蓄電池是啟動過程中提供應(yīng)急電源啟動的關(guān)鍵設(shè)備。文章從蓄電池的基本性能，并結(jié)合某深海平臺如何選用蓄電池及容量進(jìn)行了闡述。

海洋平臺；蓄電池；啟動；容量

在深海中建立海洋平臺，一般距離陸岸較遠(yuǎn)，各個(gè)平臺為獨(dú)立電站，平臺之間不易建立電力組網(wǎng)，這就對平臺自身的電力系統(tǒng)有較高的穩(wěn)定可靠性要求?，F(xiàn)以南海某采氣平臺為例，該平臺位于中國南海北部海域珠江口盆地，水深約195 m，距珠海東南約256 km。平臺上設(shè)1臺1 600 kW、400 V、50 Hz的柴油發(fā)電機(jī)作為應(yīng)急電源，用2組蓄電池(一用一備)啟動柴油機(jī)，當(dāng)主電源失電后的45 s之內(nèi)，應(yīng)急發(fā)電機(jī)組自動啟動，并向應(yīng)急負(fù)荷持續(xù)供電至少18 h，平臺應(yīng)急最大負(fù)荷約1 100 kW。該柴油發(fā)電機(jī)還作為渦輪主發(fā)電站的黑啟動電源。

1 蓄電池在啟動中作用

柴油機(jī)啟動過程由起轉(zhuǎn)、點(diǎn)火、調(diào)壓器投入3個(gè)工況構(gòu)成。

起轉(zhuǎn)工況：電力啟動時(shí)，蓄電池是啟動電動機(jī)電源，啟動電動機(jī)提供足夠的電磁轉(zhuǎn)矩用以克服旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的靜摩擦阻力矩使系統(tǒng)開始轉(zhuǎn)動，啟動過程中，蓄電池提供的最大電流稱為啟動電流，與之相應(yīng)的蓄電池電壓呈最小值，蓄電池在啟動工況中起著重要作用。

點(diǎn)火工況：柴油機(jī)起轉(zhuǎn)后就開始加速，直到在汽缸內(nèi)開始燃燒做功。柴油機(jī)開始做功后，啟動電流在電流時(shí)間曲線上出現(xiàn)拐點(diǎn)，在機(jī)組加速過程中，蓄電池持續(xù)提供能源。

調(diào)壓器投入工作工況：電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸提高，當(dāng)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速后調(diào)壓器開始投入工作，此時(shí)電壓上升，輔助發(fā)電機(jī)的電壓超過了蓄電池電壓，并開始向蓄電池充電，至此，蓄電池的啟動任務(wù)完成[1]。

啟動時(shí)電流的起始沖擊電流可達(dá)1 500～2 000 A，并由此選擇適當(dāng)參數(shù)。汽缸發(fā)生爆燃前，曲軸在穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下的電流具有重要意義，這一電流取決于柴油機(jī)曲軸的阻力轉(zhuǎn)矩，而阻力轉(zhuǎn)矩與水溫和潤滑油溫有關(guān)，柴油機(jī)在冷機(jī)情況下穩(wěn)定電流要超過熱機(jī)情況下啟動電流的1.5～2倍。

2 蓄電池種類比較

蓄電池作為啟動電源，在海洋平臺各類發(fā)動機(jī)設(shè)備上，采用的種類主要有鉛酸電池和鎳鎘電池。

鉛酸電池具有100多年的歷史，技術(shù)成熟、可靠性好、原材料易得、價(jià)格便宜，廣泛用作柴油機(jī)啟動動力源，但最大的缺點(diǎn)是容易硫化，質(zhì)量和體積太大。電放完后如不及時(shí)充電，一段時(shí)間后，電池的容量就會下降，如果用完后一個(gè)星期不充電，再充電可能只能充到80%。反復(fù)幾次違規(guī)充放電后，或在一個(gè)月之內(nèi)經(jīng)常無電存放，就可能完全充不進(jìn)電，影響電池壽命。

鎳鎘電池具有體積小、壽命長、無污染、維護(hù)方便、瞬時(shí)輸出功率大、高低溫特性優(yōu)良等特點(diǎn)，應(yīng)用廣泛程度僅次于鉛酸電池，其比能量可達(dá)55 W·h/kg，比功率超過190 W/kg。鎳鎘電池內(nèi)部抵制力小、內(nèi)阻很小、可快速充電，可為負(fù)載提供大電流。其放電時(shí)電壓變化很小，放電特性比較平緩，是一種非常理想的直流供電電池。它的循環(huán)使用壽命較長，是鉛酸電池的2倍多，可達(dá)到2 000多次，但價(jià)格為鉛酸電池的4～5倍。雖然初期購置成本高，但由于其在能量和使用壽命方面的優(yōu)勢，實(shí)際使用成本并不高。使用中要注意做好回收工作，以免重金屬鎘造成環(huán)境污染[2]。

鎳鎘電池正極板上的活性物質(zhì)由氧化鎳粉和石墨粉組成，石墨不參加化學(xué)反應(yīng)，其主要作用是增強(qiáng)導(dǎo)電性。負(fù)極板上的活性物質(zhì)由氧化鎘粉和氧化鐵粉組成，氧化鐵粉的作用是使氧化鎘粉有較高的擴(kuò)散性，防止結(jié)塊并增加極板的容量。活性物質(zhì)分別包在穿孔鋼帶中，加壓成型后即成為電池的正負(fù)極板。極板間用耐堿的硬橡膠絕緣棍或有孔的聚氯乙烯瓦楞板隔開。電解液通常用氫氧化鉀溶液。與其它電池相比，鎳鎘電池由自放電引起的能量損失小，不使用時(shí)失去電荷的速率適中。鎳鎘電池耐過充電能力強(qiáng)，不會因?yàn)檫^充電而引起負(fù)極金屬枝晶的產(chǎn)生和生長，也不會引起隔膜的破壞，所以不會因?yàn)檫^充電而產(chǎn)生內(nèi)部短路。

當(dāng)前，用鎳鎘電池取代鉛酸電池作為啟動電源被廣泛應(yīng)用。綜合比較，該海洋平臺使用2組(每組20塊)鎳鎘電池，作為柴油發(fā)電機(jī)啟動電源。

3 鎳鎘電池充放電特性

鎳鎘電池作為啟動電源能以相當(dāng)高的倍率放電15～45 s。開始啟動時(shí)，如在低溫地區(qū)啟動，典型的負(fù)荷電阻與電池的有效內(nèi)阻(Re)具有相同的數(shù)量級。當(dāng)啟動時(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子逐漸增速時(shí)，負(fù)荷電阻增大。這樣致使典型放電電流從較高的初始值逐漸降低，而電壓則從初始壓降50%或以上恢復(fù)到單只電池有效零負(fù)載電壓1.2 V以上。鎳鎘電池在不同放電倍率下的放電曲線見圖1，C為電池充放電電流大小的比率，即倍率。

圖1 鎳鎘電池在不同放電倍率下的放電曲線

當(dāng)啟動成功，電流迅速降低，而電壓則快速恢復(fù)至標(biāo)稱電壓。啟動時(shí)，放電電壓和電流可認(rèn)為總是在原來零負(fù)荷時(shí)約為1.2NV(N為電池?cái)?shù))的某一“瞬間負(fù)載校準(zhǔn)線”上。這種瞬時(shí)負(fù)載校準(zhǔn)線可視作線性，一點(diǎn)為固定的1.2NV，只有求取另一點(diǎn)就可以確定這條線。求得另一點(diǎn)的方法是，在電池電壓可能是0.6NV或有效開路電壓一半的地方的負(fù)載電流值。此負(fù)載電流值隨電池施加負(fù)載后被指定為瞬間最大功率電流Im。

如果將最初一瞬間的效應(yīng)忽略不計(jì)，僅需要模擬發(fā)動機(jī)啟動放電10 s后的Im值，此種“穩(wěn)態(tài)”值標(biāo)識為Im。其中負(fù)載連續(xù)可調(diào)，以產(chǎn)生作為時(shí)間函數(shù)所表示的電壓曲線?？刂拼朔N模擬電壓以代表更大的負(fù)載，從而更適用于特定溫度情況下的特殊電池。約在10 s內(nèi)出現(xiàn)的0.6NV的情況列入啟動程序—模擬的點(diǎn)火時(shí)間。

當(dāng)放電電壓等于0.6NV的瞬間、在控制負(fù)載情況下的放電電流，可認(rèn)為是特定電液溫度和充電狀態(tài)下的某電池的Im曲線。Im近似值也可采用0.6NV“恒電勢”放電15 s來測量。

最大輸出功率Pm和有效內(nèi)阻Re與Im關(guān)系的公式為：

Pm=0.6NIm;

Re=0.6N/Im。

可知，影響最大功率電流的因素為鎳鎘電池最大輸出功率的Im值(在電解液溫度為25 ℃的全充電時(shí)最大)。

Im值隨蓄電池充電電壓的增加和電解液溫度的升高而增加(實(shí)際上1 500～2 000 A大電流放電時(shí)，電池自身的電阻和線路中的連接器件的電阻會產(chǎn)生很大的壓降，直接影響了電池的最大輸出功率的Im值)。鎳鎘電池在不同充電倍率下的充電曲線見圖2。

圖2 鎳鎘電池在不同充電倍率下的充電曲線

4 鎳鎘電池容量選擇計(jì)算

要提高放電速率和降低電解液溫度共同對電池容量的影響，可按2種不同因素的乘積計(jì)算。理論上的計(jì)算方式比較復(fù)雜，要了解發(fā)動機(jī)的功率，啟動的最大電流和啟動點(diǎn)火的時(shí)間，電池的有效內(nèi)阻和線路的電阻，還要依據(jù)電池經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)查出該時(shí)間的電池壓降。然后再算出點(diǎn)火時(shí)的功率能否滿足設(shè)備的啟動使用，還要對發(fā)動機(jī)的效率、電池的效率及使用一段時(shí)間后容量的衰減和環(huán)境溫度的影響等諸多因數(shù)加以修正[3]。一般不這樣計(jì)算電池容量，而是在發(fā)動機(jī)的參數(shù)表上選定冷啟動電流，按電流的十分之一選定電池容量(超高倍率鎳鎘電池可以10倍率以上甚至瞬間20倍率放電，電池內(nèi)阻為：Re =(0.03～0.06)×電池?cái)?shù)目)。然后

將選定的電池容量查超高倍率放電數(shù)據(jù)表(表略)，根據(jù)數(shù)據(jù)表中提供的數(shù)據(jù)(20 ℃時(shí)電池容量的放電)，如果是-18 ℃的冷啟動電流，這時(shí)電池的容量僅能放出額定容量的70%～80%，電解液的內(nèi)阻增大很多，所以按70%來折算容量，一般分析折算后的電池容量能否在1 min內(nèi)放至0.85 V，如可以將此電池容量確定下來，如不行再適當(dāng)放大容量[4]。

該海上平臺柴油發(fā)電機(jī)啟動要求條件：冷啟動6次，每次時(shí)間約為15 s，間隔15 s。

經(jīng)計(jì)算，選用電池容量為190 A·h合適，而在實(shí)際中，柴油發(fā)動機(jī)有1臺預(yù)供油泵，功率為3 kW(不和電動機(jī)同時(shí)啟動)，再加富余量，最后選用250 A·h。

5 結(jié)束語

該平臺選用鎳鎘電池，在這2年內(nèi)每周對柴油進(jìn)行一次測試啟動，經(jīng)歷了幾次應(yīng)急啟動，從使用效果來看鎳鎘電池性能優(yōu)良，日常維護(hù)方便，每月測量單個(gè)電池電壓基本穩(wěn)定維持在1.38 V。在平臺主電站失電情況下，電池能正常提供柴油發(fā)電機(jī)啟動能量，為海上平臺的人員及設(shè)備提供了可靠的安全保障。

[1] 丁承衛(wèi).發(fā)電機(jī)組啟動蓄電池的充電[J].船舶,2005(4)：36-37.

[2] 胡福年,吳軍基.鎳鎘電池微機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].測控技術(shù)與設(shè)備,2002,28(11):21-25.

[3] 吳騏.鎳鎘蓄電池充放電及電池容量修補(bǔ)探析[J].機(jī)電信息,2013(15):37-38.

[4] 許南,王飚,孔凡旭.海洋平臺用蓄電池選型及容量計(jì)算探討[J].科技風(fēng),2013(14):68-69.

In deep sea oil-gas development,diesel generator becomes an essential emergency power supply in the center offshore platform，among which the battery is the key equipment to provide energy in case an emergent starting is needed.From the basic performance of battery,analysis is given to battery type selection and capacity calculation,combined with a deep water gas offshore platform.

offshore platform;nickel-cadmium battery;start;capacity

陳潔(1980-)，男，湖北武漢人，工程師，碩士，主要從事海洋平臺電氣技術(shù)和管理工作。

P75

10.13352/j.issn.1001-8328.2016.05.016

2016-06-12