超級(jí)電容啟動(dòng)裝置在海上平臺(tái)的安裝測(cè)試及實(shí)際應(yīng)用

張忠偉，賈俊松

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300452)

1 超級(jí)電容啟動(dòng)裝置簡介

超級(jí)電容是在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，其容量范圍可達(dá) 1～10000F，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)能的過程并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這種儲(chǔ)能過程是可逆的，此等超級(jí)電容可以反復(fù)充放電數(shù)10萬次[1]。

應(yīng)急機(jī)超級(jí)電容啟動(dòng)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，具體如圖1所示。各組成部分簡介如下，主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters

圖1 超級(jí)電容啟動(dòng)裝置組成圖Fig.1 Composition diagram of ultra-capacitor starting device

機(jī)柜外殼及結(jié)構(gòu)件采用鍍鋅板材料；單模組由10只3000F單體串聯(lián)組成，模組可多個(gè)并聯(lián)安裝到機(jī)柜中，最多可并聯(lián) 6個(gè)模組[2]；充電機(jī)為恒流限壓方式，充電電流 30A，電壓 20～25.5V可調(diào)；設(shè)置維護(hù)放電裝置，以便檢修時(shí)放掉電容器中儲(chǔ)存的電量；裝置設(shè)置監(jiān)控單元，監(jiān)測(cè)電容電壓、充電電流、各個(gè)單模組的溫度，由觸摸屏實(shí)時(shí)顯示；各個(gè)參數(shù)可實(shí)時(shí)上傳至上位機(jī)；電容模組組合方式為螺栓固定連接。

2 海上平臺(tái)應(yīng)急發(fā)電機(jī)安裝超級(jí)電容啟動(dòng)裝置的安裝測(cè)試

海上平臺(tái)應(yīng)急發(fā)電機(jī)安裝超級(jí)電容啟動(dòng)裝置分3個(gè)階段進(jìn)行：第 1階段超級(jí)電容啟動(dòng)裝置就位安裝；第2階段超級(jí)電容啟動(dòng)裝置接線調(diào)試；第3階段超級(jí)電容啟動(dòng)裝置現(xiàn)場(chǎng)啟動(dòng)應(yīng)急發(fā)電機(jī)測(cè)試。

2.1 超級(jí)電容啟動(dòng)裝置就位安裝

超級(jí)電容啟動(dòng)裝置安裝于某海上平臺(tái)應(yīng)急發(fā)電機(jī)間，具體安裝位置見圖2，為了避免超級(jí)電容在調(diào)試及試用階段出現(xiàn)問題，暫時(shí)保留 2號(hào)蓄電池組與超級(jí)電容啟動(dòng)裝置共同用于柴油應(yīng)急發(fā)電機(jī)啟動(dòng)。1號(hào)蓄電池組只進(jìn)行浮充備用，不用于應(yīng)急發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)。

圖2 超級(jí)電容啟動(dòng)裝置安裝就位圖Fig.2 Installation diagram of ultra-capacitor starting device

2.2 超級(jí)電容啟動(dòng)裝置接線調(diào)試

將 1號(hào)蓄電池組與應(yīng)急發(fā)電機(jī)啟動(dòng)馬達(dá)相連線路接線至超級(jí)電容啟動(dòng)裝置內(nèi)。另外，從應(yīng)急 220V照明盤內(nèi)鋪設(shè)一根電源線至超級(jí)電容啟動(dòng)裝置，為超級(jí)電容進(jìn)行充電，具體接線見圖3所示。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，超級(jí)電容電量達(dá)到 100%充電時(shí)間約 30min。對(duì)超級(jí)電容裝置進(jìn)行放電測(cè)試，完全放電時(shí)間約2h。

圖3 超級(jí)電容啟動(dòng)裝置接線調(diào)試圖Fig.3 Wiring commissioning diagram of ultra-capacitor starting device

2.3 超級(jí)電容啟動(dòng)裝置啟動(dòng)應(yīng)急發(fā)電機(jī)測(cè)試

2.3.1 測(cè)試過程

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急機(jī)啟動(dòng)測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)人員確認(rèn)應(yīng)急機(jī)設(shè)備狀態(tài)正常后，使用 2號(hào)蓄電池組啟動(dòng)應(yīng)急發(fā)電機(jī)，啟機(jī)正常，運(yùn)行5min后手動(dòng)進(jìn)行停機(jī)，準(zhǔn)備對(duì)超級(jí)電容裝置啟動(dòng)柜進(jìn)行啟機(jī)測(cè)試。

檢查確認(rèn)超級(jí)電容啟動(dòng)裝置電量已經(jīng)達(dá)到100%，電壓達(dá)到額定電壓 25.5V，其他各項(xiàng)參數(shù)正常，沒有報(bào)警信息。將超級(jí)電容啟動(dòng)裝置 220V充電電源進(jìn)行分閘，對(duì)超級(jí)電容啟動(dòng)裝置啟動(dòng)應(yīng)急發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)次數(shù)進(jìn)行測(cè)試。

首次啟動(dòng)后，超級(jí)電容啟動(dòng)裝置出現(xiàn)過壓報(bào)警，且容量很快上升到 107%，現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)異常情況后，立即對(duì)應(yīng)急發(fā)電機(jī)進(jìn)行停機(jī)。避免超級(jí)電容啟動(dòng)裝置損壞。經(jīng)過分析，確認(rèn)原因?yàn)閼?yīng)急發(fā)電機(jī)自身的輔助發(fā)電機(jī)在正常啟機(jī)后對(duì)超級(jí)電容啟動(dòng)裝置進(jìn)行反充電，造成超級(jí)電容啟動(dòng)裝置超容量、超壓報(bào)警。

為避免超級(jí)電容啟動(dòng)裝置反充電，現(xiàn)場(chǎng)決定摘除應(yīng)急機(jī)輔助發(fā)電機(jī)出線，繼續(xù)進(jìn)行測(cè)試。切斷超級(jí)電容啟動(dòng)裝置220V充電機(jī)開關(guān)，在無外界充電電源的工況下進(jìn)行應(yīng)急機(jī)啟動(dòng)測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)人員遠(yuǎn)程啟動(dòng)應(yīng)急發(fā)電機(jī)。在啟機(jī)后穩(wěn)定運(yùn)行 5min，觀測(cè)超級(jí)電容啟動(dòng)裝置電壓變化，停機(jī)觀察 5min，再進(jìn)行下一次啟動(dòng)，如此循環(huán)?，F(xiàn)場(chǎng)共成功啟動(dòng)應(yīng)急機(jī)4次，但第5次啟動(dòng)失敗，沒有達(dá)到預(yù)期的連續(xù) 6次啟動(dòng)要求(規(guī)范要求其連續(xù)啟動(dòng)次數(shù)不能小于 6次)。具體測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 測(cè)試結(jié)果Tab.2 Test results

2.3.2 測(cè)試結(jié)果分析

本次測(cè)試結(jié)果與在陸地進(jìn)行的多次應(yīng)急機(jī)啟動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)有很大出入，詳細(xì)分析如下。

①陸地啟動(dòng)測(cè)試機(jī)型為功率 1000kW 的康明斯QSK-50/K38機(jī)型，啟動(dòng)馬達(dá)參數(shù)與平臺(tái)應(yīng)急機(jī)一致，但不配備滑油泵。陸地測(cè)試時(shí)僅通過現(xiàn)場(chǎng)控制盤按鈕或鑰匙就可直接對(duì)機(jī)組進(jìn)行啟動(dòng)，而海上平臺(tái)應(yīng)急機(jī)組配備滑油泵，在遠(yuǎn)程控制盤發(fā)出啟機(jī)指令后，滑油泵啟動(dòng)數(shù)秒后，啟動(dòng)馬達(dá)開始動(dòng)作啟機(jī)。當(dāng)成功啟機(jī)后，滑油泵停止工作。通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，滑油泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)電流達(dá)到 200～230A，持續(xù)時(shí)間為 5～7s，這一部分能量消耗需超級(jí)電容供電，而此部分能量通過計(jì)算與啟動(dòng)馬達(dá)消耗的能量基本持平，致使啟機(jī)次數(shù)與陸地測(cè)試有很大區(qū)別(陸地測(cè)試能夠啟機(jī)13次)。

②平臺(tái)上測(cè)試時(shí)，在成功啟動(dòng)應(yīng)急機(jī)后，需持續(xù)運(yùn)行5min，停機(jī)后需等待5min再進(jìn)行啟動(dòng)。由于此時(shí)應(yīng)急機(jī)輔助發(fā)電機(jī)出線已被摘掉，同時(shí)超級(jí)電容啟動(dòng)裝置220V充電電源處于分閘狀態(tài)，應(yīng)急機(jī)現(xiàn)場(chǎng)控制盤、遠(yuǎn)程控制盤內(nèi)部分元件無法從輔助發(fā)電機(jī)獲取電能，只能由超級(jí)電容來供電。從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果來看，在成功啟機(jī)和停機(jī)后等待這兩段時(shí)間內(nèi)超級(jí)電容電壓下降較快，如果運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間加長，勢(shì)必會(huì)影響超級(jí)電容電量，導(dǎo)致啟動(dòng)次數(shù)的遞減。超級(jí)電容啟動(dòng)裝置在陸地進(jìn)行的啟機(jī)試驗(yàn)中，機(jī)組成功啟動(dòng)后，電壓、轉(zhuǎn)速達(dá)到額定值后即進(jìn)行停機(jī)，待機(jī)組完全停止后再進(jìn)行啟機(jī)試驗(yàn)，整個(gè)過程較快，內(nèi)部元件對(duì)超級(jí)電容消耗較小，滿足海上平臺(tái)建造規(guī)范中連續(xù)啟動(dòng)應(yīng)急機(jī)的要求。同時(shí)陸地測(cè)試機(jī)組并無遠(yuǎn)程控制盤等其他部件，所以在成功啟機(jī)后，超級(jí)電容模組電壓并未有太大的壓降，這也是導(dǎo)致此次測(cè)試結(jié)果與陸地試驗(yàn)差別大的一個(gè)原因。本文附上陸地應(yīng)急機(jī)啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)超級(jí)電容電壓變化曲線圖作為參考，具體參見圖4、5。

圖4 超級(jí)電容啟動(dòng)電壓隨啟動(dòng)次數(shù)變化曲線圖Fig.4 Starting voltage curve of ultra-capacitor with starting times

2.3.3 超級(jí)電容啟動(dòng)裝置在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)的問題

①按照原設(shè)計(jì)，平臺(tái)應(yīng)急機(jī)在成功啟機(jī)后，輔助發(fā)電機(jī)向本地控制盤、遠(yuǎn)程遙控盤供電，同時(shí)給蓄電池組反充電。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，輔助發(fā)電機(jī)輸出電壓為27.63V，而超級(jí)電容啟動(dòng)裝置目前設(shè)計(jì)的額定電壓為 25.5V，最高電壓為27V。如使用超級(jí)電容啟動(dòng)裝置啟動(dòng)應(yīng)急機(jī)，輔助發(fā)電機(jī)則會(huì)向超級(jí)電容啟動(dòng)裝置反充電，進(jìn)而導(dǎo)致超級(jí)電容過壓，造成設(shè)備損壞。同時(shí)，由于超級(jí)電容具有內(nèi)阻小的特點(diǎn)，在輔助發(fā)電機(jī)向超級(jí)電容充電時(shí)充電電流達(dá)到 111A，大于使用蓄電池的充電電流(50A左右)，而應(yīng)急機(jī)輔助發(fā)電機(jī)輸出的電纜截面積為 10mm2，對(duì)超級(jí)電容啟動(dòng)裝置反充電電流已超出了該電纜的承載能力[3]。

圖5 超級(jí)電容單次啟動(dòng)電壓變化曲線圖Fig.5 Single starting voltage curve of ultra-capacitor

②超級(jí)電容啟動(dòng)裝置支持充電情況下進(jìn)行啟機(jī)，但是在拆除應(yīng)急機(jī)輔助發(fā)電機(jī)出線的前提下和 220V充電器電源合閘情況下進(jìn)行啟機(jī)，超級(jí)電容啟動(dòng)裝置電壓還是呈下降趨勢(shì)，表明超級(jí)電容充電機(jī)充電功率要低于應(yīng)急機(jī)現(xiàn)場(chǎng)控制盤、遠(yuǎn)程控制盤、滑油泵消耗的功率，因此，應(yīng)急機(jī)輔助發(fā)電機(jī)出線不能拆除。

③陸地進(jìn)行測(cè)試時(shí)，超級(jí)電容電壓低于 13V之前都能正常啟動(dòng)應(yīng)急發(fā)電機(jī)，但是海上測(cè)試時(shí)，一旦低于 18V，應(yīng)急發(fā)電機(jī)啟動(dòng)就失敗了。主要原因是低壓 18V后達(dá)不到滑油泵的用電需求，無法進(jìn)入正常工作狀態(tài)，應(yīng)急發(fā)電機(jī)也就無法啟動(dòng)。

④目前超級(jí)電容啟動(dòng)裝置設(shè)計(jì)存在缺陷，應(yīng)急機(jī)啟動(dòng)后不能自動(dòng)切斷 220V充電回路，需要手動(dòng)分閘。如果對(duì)超級(jí)電容啟動(dòng)裝置進(jìn)行改造，則可以支持應(yīng)急機(jī)輔助發(fā)電機(jī)反充電功能，否則在人為忘記手動(dòng)切斷 220V充電機(jī)回路電源時(shí)就會(huì)出現(xiàn) 2路電源同時(shí)對(duì)超級(jí)電容啟動(dòng)裝置充電的情況，將會(huì)損壞超級(jí)電容啟動(dòng)裝置。

⑤目前超級(jí)電容啟動(dòng)裝置設(shè)計(jì)無法使用應(yīng)急機(jī)輔助發(fā)電機(jī)供電，需對(duì)超級(jí)電容啟動(dòng)裝置內(nèi)部或外部充電線路進(jìn)行相應(yīng)改造，以滿足輔助發(fā)電機(jī)電壓和電流的要求。具體改造方案需查閱平臺(tái)應(yīng)急機(jī)和超級(jí)電容相關(guān)資料，同時(shí)與各專業(yè)專家進(jìn)行商討并制定合理的改造方案，以解決超級(jí)電容電壓和充電電流的問題，保證平臺(tái)應(yīng)急機(jī)的正常啟動(dòng)。

2.3.4 超級(jí)電容啟動(dòng)柜改造建議

①對(duì)超級(jí)電容啟動(dòng)裝置內(nèi)部進(jìn)行改造，支持應(yīng)急機(jī)輔助發(fā)電機(jī)反充電功能，要求既能滿足接受27.6V反充電電壓，又能降低反充電電流，否則需要更換反充電的電纜。

②同時(shí)需要考慮當(dāng)反充電達(dá)到 100%容量時(shí)，如果繼續(xù)反充電，超級(jí)電容啟動(dòng)裝置是否會(huì)損壞，能否增加相應(yīng)的限定裝置，當(dāng)容量達(dá)到 100%后及時(shí)切斷反充電回路。

③在支持應(yīng)急機(jī)輔助發(fā)電機(jī)反充電后，設(shè)計(jì)能夠自動(dòng)切斷220V充電機(jī)回路供電的功能，排除因人為因素造成設(shè)備損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

④基于海上平臺(tái)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)都是類似的工作情況，如果能夠通過改造超級(jí)電容啟動(dòng)裝置，并達(dá)到相應(yīng)的改造建議要求，那么后續(xù)應(yīng)用上才會(huì)更加擁有推廣價(jià)值。

3 結(jié) 論

超級(jí)電容啟動(dòng)裝置按照上述整改建議，將對(duì)應(yīng)電氣回路適當(dāng)改造后已滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用要求，經(jīng)過近2年的實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證，廣泛應(yīng)用到海上平臺(tái)應(yīng)急發(fā)電機(jī)、柴油消防泵、柴油吊機(jī)的啟動(dòng)裝置上，且效果良好。