柴油發(fā)電機(jī)電池電壓暫降故障處理

鄒 菁，張海榮

（中海石油（中國(guó)）有限公司湛江分公司，廣東湛江 524057）

0 引言

某海上平臺(tái)正常生產(chǎn)過(guò)程中，使用中心平臺(tái)的透平電力源。在平臺(tái)失去透平主電時(shí)，應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)為該平臺(tái)關(guān)鍵和重要應(yīng)急設(shè)備提供電力源。應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組還用于海上油氣田海底管線應(yīng)急置換、井口平臺(tái)壓井以及中心平臺(tái)黑啟動(dòng)，對(duì)海上平臺(tái)安全連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)起著非常重要的作用。應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)是在應(yīng)急狀態(tài)下保障海上油氣田正常通信和工作等重要單元。平臺(tái)失去主電后，該發(fā)電機(jī)是通信、消防、救援唯一電力源。確保該發(fā)電機(jī)啟動(dòng)及運(yùn)行正常是平臺(tái)維修班組的重要工作內(nèi)容。

某平臺(tái)配備一臺(tái)康明斯CUMMINS/斯坦福STAMFORD 柴油發(fā)電機(jī)組，能夠滿足機(jī)組持續(xù)運(yùn)行18 h，額定持續(xù)輸出功率800 kW，功率因數(shù)0.8，額定電壓400 V，采用3 相3 線不接地，運(yùn)行過(guò)載10%。配備2 套電池組做啟動(dòng)電源，電池組額定電壓24 V，額定容量400 A·h，采用一用一備運(yùn)轉(zhuǎn)模式，通過(guò)隔離刀閘手動(dòng)切換。

1 故障現(xiàn)象

自油田投產(chǎn)以來(lái)，某海上平臺(tái)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)定期測(cè)試，可以實(shí)現(xiàn)正常啟停功能。但由于原8660 并網(wǎng)控制模塊只具備一次并網(wǎng)操作機(jī)會(huì)，對(duì)平臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)行并網(wǎng)優(yōu)化改造。通過(guò)GENSSYS 2.0 并網(wǎng)控制模塊控制，通過(guò)前置面板按鍵實(shí)現(xiàn)啟機(jī)、停機(jī)、合閘/分閘、并網(wǎng)等功能。在啟動(dòng)測(cè)試應(yīng)急機(jī)組時(shí)，出現(xiàn)啟動(dòng)失敗故障，GENSSYS 2.0 前置面板報(bào)“Boot Failure”故障，按“Reset”鍵能復(fù)位已觸發(fā)的故障，重新啟動(dòng)機(jī)組依然失敗。在機(jī)組啟動(dòng)瞬間用萬(wàn)用表測(cè)量電池輸出端電壓由24 V 降至16 V，并網(wǎng)控制器啟動(dòng)信號(hào)輸出繼電器反復(fù)吸合，發(fā)光二極管頻閃。

2 啟動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成

柴油發(fā)電機(jī)組的啟動(dòng)由啟動(dòng)系統(tǒng)完成。啟動(dòng)系統(tǒng)主要由蓄電池、點(diǎn)火開(kāi)關(guān)、啟動(dòng)馬達(dá)、繼電器或電磁開(kāi)關(guān)、啟動(dòng)馬達(dá)嚙合傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成（圖1）。啟動(dòng)系統(tǒng)工作原理：開(kāi)啟點(diǎn)火開(kāi)關(guān)后接通蓄電池和啟動(dòng)控制電路，啟動(dòng)繼電器通電接通啟動(dòng)馬達(dá)與蓄電池，控制撥叉撥動(dòng)使啟動(dòng)馬達(dá)齒輪與發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪嚙合。啟動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪和曲軸旋轉(zhuǎn)，短暫?jiǎn)?dòng)后柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，同時(shí)啟動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪自動(dòng)脫離啟動(dòng)馬達(dá)的嚙合齒輪。另外，啟動(dòng)系統(tǒng)的保護(hù)電路保證啟動(dòng)機(jī)不會(huì)因誤操作而啟動(dòng)，通過(guò)控制模塊監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況是否能開(kāi)啟啟動(dòng)馬達(dá)。

3 故障排除

圖1 柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)電路

（1）蓄電池容量不足或啟動(dòng)馬達(dá)出現(xiàn)故障。排查方法：利用遠(yuǎn)程7320 控制模塊啟動(dòng)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)正常，由于本地GENSSYS 2.0 并網(wǎng)控制器與遠(yuǎn)程7320 控制模塊使用同一套啟動(dòng)裝置，排除電池容量不足或啟動(dòng)馬達(dá)故障的可能性。

（2）啟動(dòng)瞬間供電電源不足，導(dǎo)致控制模塊無(wú)法正常工作。排查方法：在備用電池組并線引電至GENSSYS 2.0 并網(wǎng)控制模塊單獨(dú)供電，主電池組做啟動(dòng)電源，啟動(dòng)機(jī)組正常，從而確認(rèn)該故障是由啟動(dòng)瞬間蓄電池電壓跌落導(dǎo)致并網(wǎng)控制器供電不足，引起控制模塊無(wú)法正常工作。

4 蓄電池電壓低原因分析

4.1 啟動(dòng)瞬間負(fù)載分壓小

蓄電池是有內(nèi)阻的電源，未接負(fù)載時(shí)電池端電壓為開(kāi)路電壓，接負(fù)載時(shí)負(fù)載分壓小于開(kāi)路電壓，稱為閉路電壓。電池內(nèi)阻是指電池工作時(shí)電流流過(guò)電池內(nèi)部受到的阻力，由歐姆電阻、電化學(xué)內(nèi)阻及離子遷移內(nèi)阻組成。

電池內(nèi)阻越大，放電電流越大，則負(fù)載分壓越小。柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)電路電流流向：蓄電池正極→啟動(dòng)馬達(dá)接線柱→電磁開(kāi)關(guān)→勵(lì)磁線圈→電刷→電樞線圈→搭鐵→蓄電池負(fù)極。在啟動(dòng)瞬間蓄電池向電馬達(dá)放電，電馬達(dá)電樞轉(zhuǎn)子角速度為0，未建立起感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，電樞線圈處于短路狀態(tài)。故啟動(dòng)電流為I=EB/（RM+RB+RL），Ur=IRM，其中，EB——蓄電池開(kāi)路端電壓，Ur——負(fù)載分壓，RM——電馬達(dá)電樞電阻，RB——蓄電池內(nèi)阻，RL——電纜電阻。

蓄電池組標(biāo)稱開(kāi)路電壓為24 V，蓄電池標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)阻為1.7 mΩ（容量200 A·h），電磁開(kāi)關(guān)接觸電阻應(yīng)低于1 mΩ，電馬達(dá)電樞電阻接近0 Ω，啟動(dòng)主回路總電阻為毫歐級(jí)?？捎?jì)算出啟動(dòng)電流很大，極端情況下瞬間啟動(dòng)電流達(dá)1000 A 以上。根據(jù)上述2 個(gè)計(jì)算公式，蓄電池內(nèi)阻電壓提高到8～10 V，負(fù)載分壓僅為14～16 V。

GENSSYS 2.0 并網(wǎng)控制器對(duì)供電電源要求較高，蓄電池大電流放電造成蓄電池輸出電壓降低至低谷。GENSSYS 2.0 并網(wǎng)控制器輸出繼電器不能完全吸合，控制器檢測(cè)到電池電壓低于16 V 時(shí)可能會(huì)反復(fù)重啟，因?yàn)檫壿嬤\(yùn)算單元需要穩(wěn)定的輸入電源才能正常工作。

4.2 蓄電池過(guò)度放電

蓄電池放電到終止電壓時(shí)其內(nèi)阻增大，電池極板微孔和電池極板表面幾乎都處于中性。當(dāng)然電池體積也會(huì)出現(xiàn)發(fā)熱膨脹，濃度較大的硫酸鉛以結(jié)晶的形式形成顆粒狀物，導(dǎo)致電池內(nèi)部形成不可逆硫酸鹽化現(xiàn)象。晶體導(dǎo)電性能低，這就會(huì)堵塞電池極板微孔，影響電解液滲透，從而阻止蓄電池電能與化學(xué)能的可逆性轉(zhuǎn)換。

5 并網(wǎng)控制器穩(wěn)壓方案

PN 結(jié)具有單向?qū)щ娦裕请娮蛹夹g(shù)中許多器件所利用的特性。如果電源的正極接P 區(qū)，負(fù)極接N 區(qū)，外加的正向電壓有一部分降落在PN 結(jié)區(qū)，PN 結(jié)處于正向偏置。電流便從P 型一邊流向N 型一邊，空穴和電子都向界面運(yùn)動(dòng)，使空間電荷區(qū)變窄，電流可以順利通過(guò)。如果電源的正極接N 區(qū)，負(fù)極接P 區(qū)，外加的反向電壓有一部分降落在PN 結(jié)區(qū)，PN 結(jié)處于反向偏置。則空穴和電子都向遠(yuǎn)離界面的方向運(yùn)動(dòng)，使空間電荷區(qū)變寬，電流不能流過(guò)。

這樣可利用以PN 結(jié)為物質(zhì)基礎(chǔ)制造的半導(dǎo)體二極管，將GENSSYS 2.0 并網(wǎng)控制模塊供電電源由單組電池供電改造成雙組電池供電。在供電回路中增加二極管，當(dāng)二極管的正向端（正極）電壓高于負(fù)向端（負(fù)極）電壓時(shí)，二極管導(dǎo)通，有電流流過(guò)二極管；當(dāng)二極管的正向端（正極）電壓低于負(fù)向端（負(fù)極）電壓時(shí)，二極管截止，沒(méi)有電流流過(guò)二極管。

改造后的GENSSYS 2.0 并網(wǎng)模塊供電回路如圖2 所示，用電池組A 做為啟動(dòng)電池時(shí)，啟動(dòng)瞬間電池組A 電壓拉低至16 V，二極管D2 立即導(dǎo)通，GENSSYS 2.0 模塊由備用電池組B 供電，保證供電電源始終維持在24 V 以上；啟動(dòng)結(jié)束后，電池組A 電池恢復(fù)至24 V 以上，二極管D2 截止，GENSSYS 2.0模塊切換為電池組A 供電。改造完成后，采用本地GENSSYS 2.0 模塊可以正常啟動(dòng)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組。

圖2 改造后的GENSSYS 2.0 并網(wǎng)模塊供電回路

6 結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)作為海上平臺(tái)生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，一旦發(fā)生故障必將影響平臺(tái)安全生產(chǎn)和生活。由于機(jī)組系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，故障排除費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，作業(yè)難度大。通過(guò)此次穩(wěn)壓電路改造后，經(jīng)過(guò)近半年運(yùn)行，應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)未出現(xiàn)啟動(dòng)故障。通過(guò)此次改造，不僅驗(yàn)證了排除應(yīng)急發(fā)電機(jī)失敗的故障分析方法及思路，也證明了該電路改造方法科學(xué)可行。