高金虎

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300459)

1 研究背景

海上平臺(tái)配備應(yīng)急發(fā)電機(jī)組，啟動(dòng)電源為2套蓄電池組，正常工況下1用1備，任意1套可滿足應(yīng)急機(jī)冷態(tài)連續(xù)啟動(dòng)6次，每次啟動(dòng)時(shí)間不大于45 s的供電需求。當(dāng)主電站供電出現(xiàn)故障時(shí)，機(jī)組自啟動(dòng)為消防、救逃生、應(yīng)急照明等設(shè)備提供應(yīng)急電源。

某平臺(tái)應(yīng)急機(jī)1、2號(hào)蓄電池組分別單獨(dú)為控制系統(tǒng)、啟動(dòng)機(jī)供電，先后在現(xiàn)場(chǎng)、遠(yuǎn)程控制盤啟機(jī)測(cè)試。故障現(xiàn)場(chǎng)均為應(yīng)急機(jī)啟動(dòng)機(jī)得電動(dòng)作，電池組充電器盤面顯示充電電流增加，充電器蓄電池電壓檢測(cè)模塊檢測(cè)到電池瞬間壓降由28.8 V降至19.5 V，并且瞬間充電器面板上欠壓指示燈亮，說明實(shí)際的電壓降低至報(bào)警值18 V以下，遠(yuǎn)程控制盤應(yīng)急機(jī)高振動(dòng)報(bào)警，機(jī)組啟動(dòng)失敗。1、2號(hào)蓄電池組分別為控制系統(tǒng)、啟動(dòng)機(jī)供電時(shí)機(jī)組啟動(dòng)正常，并且單組蓄電池冷態(tài)連續(xù)啟機(jī)次數(shù)由6次以上降至3次。

2 故障原因分析

2.1 蓄電池容量選型錯(cuò)誤

柴油發(fā)電機(jī)組容量1 200 kW；蓄電池啟動(dòng)電壓DC 24 V；蓄電池容量150 Ah。

柴油發(fā)電機(jī)組蓄電池啟動(dòng)容量選擇公式：

電池容量C(Ah)

現(xiàn)場(chǎng)配備2套蓄電池額定容量150 Ah＞149 Ah，當(dāng)前蓄電池容量大于計(jì)算容量，滿足使用要求，并且控制系統(tǒng)與起動(dòng)機(jī)分列供電工況下，機(jī)組可正常啟動(dòng)，排除容量選擇錯(cuò)誤的因素。

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在缺陷

啟動(dòng)機(jī)工作特性：大電流(冷態(tài)工作電流高達(dá)1 260 A)、短時(shí)工作制。

直接反饋現(xiàn)象：電壓陡降、充電電流增加、監(jiān)控板低電壓報(bào)警(報(bào)警值18 V)。

故障現(xiàn)象：控制盤高振動(dòng)報(bào)警，應(yīng)急啟動(dòng)失敗。

現(xiàn)場(chǎng)多次排查分析：控制系統(tǒng)雖然配備直流穩(wěn)壓模塊U1，如圖1所示，但實(shí)際啟動(dòng)壓降超出穩(wěn)壓模塊工作范圍，是造成控制系統(tǒng)失靈機(jī)組啟動(dòng)失敗的主要原因。

2.3 人員誤操作啟動(dòng)條件改變

①現(xiàn)場(chǎng)醒目位置張貼標(biāo)準(zhǔn)化操作規(guī)程，防止誤操作；②操作人員持證上崗，并經(jīng)過專業(yè)技術(shù)培訓(xùn)；③機(jī)組定期啟機(jī)測(cè)試、維保；④機(jī)組缸套水加熱器投用(設(shè)定80℃)；⑤應(yīng)急機(jī)室冬季熱風(fēng)機(jī)投用，維持室溫＞15℃。

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)操作人員考核、各參數(shù)實(shí)際檢查，排除人員誤操作及啟動(dòng)條件改變?cè)斐蓹C(jī)組啟動(dòng)失敗的原因，現(xiàn)場(chǎng)可視化操作及各項(xiàng)檢測(cè)數(shù)值無誤。

2.4 蓄電池老化容量下降

①自投用至今已接近使用壽命年限(通常為5～7年)；②充電恢復(fù)時(shí)間長(20 min)；③蓄電池定期添加電解液、活化保養(yǎng)，但單塊電池電壓下降。

140年前，清同治年間，紹興“銅鋪一條街”聞名遐邇。1875年，一對(duì)出身于書香門第、名門望族的兄弟朱雨相、朱慶潤，在當(dāng)?shù)厥覙蚺祥_設(shè)了一家“朱府義大銅鋪”?！芭畠簥y，朱府工”一語，稱贊的正是朱府銅藝。

應(yīng)急發(fā)電機(jī)2組啟動(dòng)蓄電池自投用至今，投用時(shí)間長，對(duì)比蓄電池投用至今的啟動(dòng)時(shí)間、充電時(shí)間、電池內(nèi)阻、電壓等關(guān)鍵參數(shù)，如圖2所示，電池容量下降明顯低于額定容量150 Ah，可判定蓄電池容量逐年下降是導(dǎo)致啟動(dòng)次數(shù)不達(dá)標(biāo)(單組蓄電池冷態(tài)連續(xù)啟動(dòng)6次)的主要因素。

2.5 確定主要原因

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)多次測(cè)試結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)故障分析，最終確定應(yīng)急機(jī)單組蓄電池?zé)o法正常啟機(jī)及應(yīng)急機(jī)單組蓄電池冷態(tài)啟動(dòng)次數(shù)下降的主要原因有以下2項(xiàng)。

2.5.1 應(yīng)急機(jī)控制器在機(jī)組啟動(dòng)中低電壓失靈

應(yīng)急機(jī)控制系統(tǒng)(遠(yuǎn)程/就地控制盤)、百葉窗電源均為24 V蓄電池提供，啟動(dòng)機(jī)工作過程中大電流造成蓄電池電壓降至18 V以下，應(yīng)急機(jī)控制器工作低電壓，導(dǎo)致控制器工作失靈。

2.5.2 蓄電池嚴(yán)重老化

應(yīng)急機(jī)投用至今，蓄電池已連續(xù)運(yùn)行8年，已接近其使用壽命年限。蓄電池老化、容量下降、充電恢復(fù)速度慢，直接導(dǎo)致應(yīng)急機(jī)啟動(dòng)次數(shù)下降，應(yīng)急響應(yīng)能力不足。

3 改造方案

確定應(yīng)急機(jī)啟動(dòng)失敗的主要原因，有針對(duì)性地制定整改方案，確保應(yīng)急機(jī)啟動(dòng)系統(tǒng)改造完成之后，提升應(yīng)急機(jī)啟動(dòng)系統(tǒng)可靠性及應(yīng)急響應(yīng)能力，改造方案如下：

①應(yīng)急機(jī)控制系統(tǒng)改造，解決單組蓄電池供電啟動(dòng)瞬間電壓低造成的控制系統(tǒng)失靈，機(jī)組無法啟機(jī)。

②采用新技術(shù)、新能源(超級(jí)電容)替代現(xiàn)有老化蓄電池組，具有機(jī)組啟動(dòng)電源使用壽命更長、維護(hù)成本更低、充電速度更快、冷態(tài)啟動(dòng)能力更強(qiáng)等特點(diǎn)。

4 改造實(shí)施

4.1 控制系統(tǒng)改造

針對(duì)控制系統(tǒng)出現(xiàn)的問題、故障現(xiàn)象，結(jié)合圖紙仔細(xì)分析，確定并實(shí)施控制系統(tǒng)改造方案。

4.1.1 控制系統(tǒng)增加蓄電池組

如圖3所示，控制系統(tǒng)增加1組24 V、38 Ah蓄電池組，增加容量不超過蓄電池充電最大電流，機(jī)組啟動(dòng)時(shí)為控制系統(tǒng)提供穩(wěn)定電壓，正常情況下與電池組并聯(lián)，同時(shí)由蓄電池充電器浮充供電。

4.1.2 控制系統(tǒng)增加單向?qū)ǘO管

如圖4所示，控制系統(tǒng)24 V電源正極總進(jìn)線側(cè)增加二極管，單向?qū)ㄈ萘磕軌驖M足對(duì)新增小容量電池組、就地/遠(yuǎn)程控制盤、PD BOX、電磁閥用電需求。二極管單向?qū)ㄌ匦苑乐乖黾拥男∪萘侩姵亟M在機(jī)組啟動(dòng)時(shí)給啟動(dòng)器供電，造成小容量電池組過度放電損壞，同時(shí)保證了控制系統(tǒng)電源供電電壓穩(wěn)定。

4.2 采用新能源超級(jí)電容裝置

4.2.1 超級(jí)電容簡介

超級(jí)電容是從20世紀(jì)七八十年代發(fā)展起來的通過極化電解質(zhì)來儲(chǔ)能的一種電化學(xué)元件，又稱法拉電容，其容量范圍高達(dá)1～10 000 F，而普通電解電容都是pF或μF級(jí)。它不同于傳統(tǒng)的化學(xué)電源，是一種介于傳統(tǒng)電容器與電池之間、具有特殊性能的電源，主要依靠雙電層電荷轉(zhuǎn)移儲(chǔ)存電能，但在其儲(chǔ)能過程中并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，由于這種儲(chǔ)能過程是可逆的，超級(jí)電容可以反復(fù)充放電數(shù)十萬次。

4.2.2 超級(jí)電容裝置組成

如圖5所示，超級(jí)電容裝置由機(jī)柜、超級(jí)電容模組、充電機(jī)、放電維護(hù)裝置、監(jiān)控單元等組成。

4.2.3 超級(jí)電容裝置安裝

如圖6所示，超級(jí)電容裝置安裝于應(yīng)急發(fā)電機(jī)室，為了規(guī)避新技術(shù)以及新能源——超級(jí)電容裝置在使用過程中可能存在的不確定性因素，保留2號(hào)蓄電池組與超級(jí)電容啟動(dòng)裝置共同用于應(yīng)急機(jī)組啟動(dòng)，1號(hào)蓄電池組僅浮充隔離備用。

5 改造效果

5.1 驗(yàn)證控制系統(tǒng)單組蓄電池啟機(jī)效果

應(yīng)急機(jī)控制回路改造完畢，2套蓄電池組任1套單獨(dú)啟動(dòng)應(yīng)急機(jī)，應(yīng)急機(jī)正常啟動(dòng)無任何報(bào)警。如圖7所示，改造之后對(duì)控制回路內(nèi)各電氣元件檢測(cè)正常，2組蓄電池充電器浮充電流與改造前無差異。如圖8所示，啟動(dòng)瞬間控制系統(tǒng)電壓波動(dòng)范圍減小，由28.8 V降至25.85 V。最低電壓滿足控制系統(tǒng)穩(wěn)定工作要求。多次啟機(jī)測(cè)試正常，控制系統(tǒng)無任何異常報(bào)警。

5.2 驗(yàn)證超級(jí)電容裝置啟機(jī)效果

超級(jí)電容裝置安裝完畢，檢測(cè)裝置各項(xiàng)數(shù)據(jù)滿足啟機(jī)測(cè)試要求。

啟動(dòng)測(cè)試前利用蓄電池組對(duì)應(yīng)急機(jī)進(jìn)行試啟動(dòng)，確認(rèn)機(jī)組可正常啟機(jī)無其他干擾因素，機(jī)組停機(jī)后冷卻，該超級(jí)電容裝置供電進(jìn)行冷態(tài)啟機(jī)性能測(cè)試。

5.2.1 機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)次數(shù)檢測(cè)

斷開超級(jí)電容裝置220 V輸入充電電源，測(cè)試超級(jí)電容容量最大可支持成功啟機(jī)次數(shù)。按照機(jī)組啟機(jī)運(yùn)行5 min，停止5 min，再次啟機(jī)，反復(fù)測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)見表1。

表1 超級(jí)電容裝置啟機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.1 Start-up test data of super capacitor device

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試，新安裝超級(jí)電容裝置在充電電源斷電工況下，自身電容容量滿足應(yīng)急機(jī)成功啟動(dòng)6次(BV規(guī)范要求：對(duì)每臺(tái)連接可調(diào)螺距螺旋槳的不可逆轉(zhuǎn)主機(jī)或無反力矩而能啟動(dòng)的其他機(jī)械應(yīng)能連續(xù)啟動(dòng)不低于6次)的需求，容量測(cè)試合格。

5.2.2 超級(jí)電容充電恢復(fù)時(shí)間測(cè)試

超級(jí)電容裝置在無外部電源充電工況下，多次啟動(dòng)測(cè)試直至啟動(dòng)失敗為止，超級(jí)電容恢復(fù)充電至滿容量所需時(shí)間，測(cè)試結(jié)果見表2。超級(jí)電容裝置在啟動(dòng)多次至虧電狀態(tài)下，充電恢復(fù)至滿容量狀態(tài)僅需20 min，性能遠(yuǎn)優(yōu)于鎳鎘蓄電池?！?/p>

表2 超級(jí)電容充電時(shí)間測(cè)試Tab.2 Super capacitor charging time test