蓄電池在海洋平臺的應用

魏春先 高超 石作鋒 柏繼合

（海洋工程股份有限公司設計公司，天津 300451）

1 引言

在正常情況下，海洋平臺的生產(chǎn)和生活的電力均由主發(fā)電機提供，如果由于某種原因主發(fā)電機不能正常工作，如發(fā)生火災或維修時，由應急發(fā)電機組向消防、安全、緊急逃生和生活等用電設施提供必要的電力。

海洋平臺電力系統(tǒng)電源除上述主發(fā)電機和應急發(fā)電機組以外，還要確保各種緊急狀況情況下，為通信、消防和安全系統(tǒng)的緊急管段等設施提供必要的電力UPS（不間斷電源裝置）系統(tǒng)和直流24 V系統(tǒng)。而電池作為UPS和直流24 V系統(tǒng)重要組成部分，它的安全、可靠、穩(wěn)定的運行對保證平臺設施、人員安全則起到了至關重要的作用。

2 電池選型及應用

蓄電池的種類一般可分為：開放型液體鉛酸電池、鉛酸免維護電池和鎳鎘電池，它們各自特點如表1所示。

海洋平臺的電池的選型及應用除要充分考慮海上潮濕、鹽霧、油霧、酶菌、傾斜、搖擺、振動和沖擊等環(huán)境因素的影響，做好防護措施，另外還要結合具體的應用場合，進行正確的選型，在海洋平臺上，需要電池組的主要設備如下：

a） 平臺UPS系統(tǒng)；

b） 應急逃生燈具；

c） 霧笛導航系統(tǒng)；

d） 透平電站系統(tǒng)/透平壓縮機系統(tǒng)；

e） 應急柴油發(fā)電機系統(tǒng)/柴油消防泵系統(tǒng)/柴油吊機系統(tǒng)；

f） 儀表/通訊等專業(yè)自配蓄電池系統(tǒng)。

對比a）～f ）六種應用，以需要電池放電特點可以分為兩大類：一類為牽引電池，即以恒定電流持續(xù)一段時間放電，如a）、b）、c）和f）四項，以保障重要設備在平臺或船舶主電站無電時的供電；另一種為啟動電池，即短時大電流放電，以保障一些重要設備在無主電站供電時的啟動，如d）、e）兩項。

鎳鎘電池在長期浮充電的使用情況下，其壽命較長，但由于其大電流放電時，容易形成較大體積的結晶物，而阻塞極板群中的合金上的空隙，從而增加電池內(nèi)部電阻，且大體積的結晶物在電池充電時難以分解，從而減小電池容量，考慮到價格和性能因素，早期海洋平臺在柴油發(fā)電機原動機啟動電池選用時通?？紤]鉛酸蓄電池，近年來，隨著超高倍率燒結式堿性鎳鎘蓄電池的出現(xiàn)，鎳鎘電池也越來越多地應用在原動機啟動場合，而a）、b）、c）和f）四項需持續(xù)恒電流供電時則選用鎳鎘電池。

表1 蓄電池的種類及特點

2 電池容量估算

在供電負荷確定后，可以通過計算確定電池的容量，以滿足用電負荷的正常需求，本文以錦州25-1油氣田項目為例介紹UPS電池的計算和應急發(fā)電機原動機啟動用電池的計算。

錦州25-1油田位于渤海遼東灣中部海域，包括一座中心平臺（CEP）和一座井口平臺（WHPA），兩座平臺通過棧橋連接，布置在主體區(qū)。錦州25-1油田裝設一臺額定電壓為400 V，額定輸出功率1200 kW的應急發(fā)電機，為兩平臺的應急配電盤供電。

2.1 UPS電池計算

交流不間斷電源 UPS能夠在主電斷電等電網(wǎng)故障時持續(xù)供電，其核心是利用電池化學能作為后備能量，進行化學能與電能的能量轉換，見圖1。

圖1 UPS供電示意圖

錦州 25-1項目在 CEP中心平臺裝設一套UPS系統(tǒng)，35 kV，6.3 kV，0.4 kV配電盤內(nèi)部分指示燈、控制繼電器以及脫扣線圈、中控盤系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、火災盤等設備的電源均由UPS提供，表2給出電氣、儀表、通訊專業(yè)需要UPS供電的用電負荷。

表2 UPS供電負荷列表[1]

2.1.1 電池數(shù)量計算

在錦州25-1項目中UPS直流逆變器的輸入電壓為：220 V（-20%～+10%，即176 V～242 V）；

每只鎳鉻電池放電終止電壓為：1.0 V；每只鎳鉻電池放電平均電壓為：1.2 V；每只鎳鉻電池浮充電電壓為：1.4 V；

按照直流最低電壓不低于 176 V（220 V×0.8），每只鎳鉻電池放電終止電壓為1.0 V計算電池數(shù)量。

電池數(shù)量為：176 V/1.0 V/只=176 （只）

2.1.2 電池容量計算

結合錦州 25-1工程項目，表 3給出了 UPS用電負荷的具體統(tǒng)計及電池容量統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

表3中蓄電池累計需用容量為93 Ah，電池估算容量要考慮尖峰用電負荷及沖擊用電負荷的影響，從而保證電池一定的余量，通?？紤] 1.1倍的余量系數(shù)，并除以電池放電系數(shù)（K）和直流逆變器的效率[2]。本項目中依據(jù)AEG廠家樣本，逆變器的效率取0.91，即：

放電系數(shù)K根據(jù)不同廠家電池放電特性而有所不同，錦州25-1項目選用的SAFT電池，其電池放電系數(shù)見表4，按照K=0.5考慮。

根據(jù)公式（1）計算的得到電池容量為 205 Ah，電池容量選擇依據(jù)此值并結合表5 SAFT電池廠家標準產(chǎn)品系列進行選擇，電池選型為：SBM 231系列。

表3 錦州25-1UPS用電負荷用及電池容量統(tǒng)計表

表4 SAFT電池放電系數(shù)表

表5 SAFT電池放電數(shù)據(jù)表

2.2 應急發(fā)電機的啟動用電池計算

各種汽油、柴油發(fā)電機原動機啟動時的沖擊電流較大，可達2000 A甚至更高，滿足機組大電流啟動是選擇蓄電池容量的主要依據(jù)，并依據(jù)“蓄電池能夠連續(xù)啟動6次，每次啟動時間為5 s”的原則對蓄電池容量進行校驗。本項目應急發(fā)電機由CATERPILLAR供貨，選擇CATERPILLAR超高倍率燒結式鎘鎳蓄電池為原動機啟動用電池。

2.2.1 電池數(shù)量計算

原動機要求使用24 V啟動電池，其中每只鎳鉻電池平均電壓為1.2 V，電池數(shù)量為：24 V/1.2 V/只=20 只

2.2.2 電池容量計算

CATERPILLAR原動機要求啟動電流為：1260 A，最低環(huán)境溫度-18℃。

（1） 查表求容量

表6為超高倍率燒結式鎘鎳蓄電池20℃時終止電壓為0.85 V的放電數(shù)據(jù)表。

表6 超高倍率燒結式鎘鎳蓄電池放電數(shù)據(jù)表（20℃）

《海上固定平臺安全規(guī)則》[3]規(guī)定“自動啟動的應急發(fā)電機組應設有經(jīng)檢驗機構認可的啟動裝置, 并配備至少能供六次連續(xù)啟動的能源”，因此作為柴油發(fā)電機組起動用的蓄電池要滿足高倍率連續(xù)放電6次的要求。實際按照起動6 次，每次5 s，總計30 s高倍率放電考慮，同時考慮一定時間余量，按放電時間1 min（2×30 s），放電電流為1260 A時查表6近似得出蓄電池容量為100 Ah，因表6是環(huán)境溫度為20℃時的放電數(shù)據(jù)，還要將蓄電池查表容量折算到-18℃條件下的容量，實際按照折算系數(shù)為0.8和維護系數(shù)為0.85進行估算，即

計算結果為147 Ah，根據(jù)表6靠檔，確定為電池容量為170 Ah，即選擇CNC170型號的電池。

（2） 公式求容量

啟動要求：環(huán)境溫度為-18℃，冷啟動6 次，每次時間約為5 s，在此條件下電池容量按照經(jīng)驗公式（3）計算

其中：L為維護系數(shù)、主要考慮到使用年數(shù)、使用條件的變化而引起的容量變化，一般取0.85，代入數(shù)值，計算得

此時計算結果已考慮溫度因素，因此，可以直接在表6進行靠檔選擇，確定電池容量為170 Ah，即選擇CNC170型號電池。由此可以看出無論利用查表法還是公式計算法，最終選擇容量應該是一致的。

（3） 國家標準校驗

方形開口鎘鎳單體蓄電池總規(guī)范GB/T15142-2002（國際電工標準 IEC 60623：1990）規(guī)定：在20℃環(huán)境中，以0.2 C5A 充電8 h，超高倍率燒結式鎘鎳蓄電池在不同倍率放電性能不低于表7要求。

表7 超高倍率燒結式鎘鎳蓄電池放電特性（20℃）

超高倍率燒結式鎘鎳蓄電池在常溫條件下充電8 h，然后在－18℃環(huán)境中在不同倍率放電性能不低于表8要求。

表8 超高倍率燒結式鎘鎳蓄電池放電特性（-18℃）

柴油發(fā)電機組起動用電池為是瞬間放電，所以均以10倍率選用電池，從表7、8可以看出由（1） 和（2）確定的電池容量完全可以滿足柴油發(fā)電機組起動需求。

另外要注意，由于蓄電池瞬間放電電壓降較大，應急發(fā)電機組控制盤控制電源不應由啟動用的電池直接供電，以保證不受原動機啟動時的影響，保證控制線路的正常運行。

3 電池維護及注意事項

結合海洋平臺的特殊環(huán)境及特點，蓄電池組放置處所及通風要求根據(jù)蓄電池組充電功率的不同而應區(qū)別對待，具體如表9所示。

另外還要注意除密封式蓄電池外，蓄電池組不得安裝在生活區(qū)域內(nèi), 同時為防止酸堿發(fā)生化學反應，產(chǎn)生腐蝕，酸性蓄電池和堿性蓄電池嚴禁放在同一處所或箱（柜）中[4]。

表9 不同充電功率下蓄電池組放置處所及通風要求[1]

作為應急電源、交流不間斷電源所用的蓄電池組不可與應急配電板安裝在同一處所，原動機啟動蓄電池組應盡可能接近原動機，在海上平臺柴油機組的啟動電池通常裝設于機組旁，通過電纜長度的縮短降低直流電傳導中的電阻，以保證啟動電壓在一定的范圍內(nèi)[5]。

電池應定期充電放電，一般每隔2－3個月應完全放電一次，放電時間可根據(jù)蓄電池的容量和負載大小確定。一次全負荷放電完畢后，按規(guī)定再充電8 h以上，以避免因電池長期處于浮充電狀態(tài)，導致電池化學能與電能相互轉化的活性降低，從而縮短使用壽命；經(jīng)常檢查電池液面，適時添加純凈水，以維持液面在上下水線之間[6]。

4 結束語

作為海洋平臺電力系統(tǒng)的重要組成部分，蓄電池的正確選型及使用對保證平臺設施、人員安全有著至關重要的作用。結合海洋平臺的特殊環(huán)境，蓄電池的使用和日常維護要符合《海上固定平臺安全規(guī)則》和《中國船級社海上移動平臺入級與建造規(guī)范》關于蓄電池的相關規(guī)定，同時要密切關注蓄電池的發(fā)展方向及最新技術，如太陽能電池、氫燃料電池等以期使之更好的為保證平臺設備、人員安全的目標服務。

[1] 編寫組. 海洋石油工程設計指南[M]. 北京:石油工業(yè)出版社,2007.

[2] 中國航空工業(yè)規(guī)劃設計研究院組編. 工業(yè)與民用配電設計手冊[M]. 北京:中國電力出版社,2007.

[3] 編寫組. 海上固定平臺安全規(guī)則[S].

[4] 中國船級社. 海上移動平臺入級與建造規(guī)范[S]. 北京:人民交通出版社.

[5] 劉磊. 電力工程蓄電池回路電纜截面選擇[J]. 供用電, 2009（26）:46-48.

[6] 劉學. 淺談蓄電池的運行和與維護[J]. 天津航海,2009（2）:26-28