海洋平臺應急機啟動系統可靠性提升改造

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

海上平臺配備應急發電機組，啟動電源為2套蓄電池組，正常工況下1用1備，任意1套可滿足應急機冷態連續啟動6次，每次啟動時間不大于45 s的供電需求。當主電站供電出現故障時，機組自啟動為消防、救逃生、應急照明等設備提供應急電源。

某平臺應急機1、2號蓄電池組分別單獨為控制系統、啟動機供電，先后在現場、遠程控制盤啟機測試。故障現場均為應急機啟動機得電動作，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模塊檢測到電池瞬間壓降由28.8 V降至19.5 V，并且瞬間充電器面板上欠壓指示燈亮，說明實際的電壓降低至報警值18 V以下，遠程控制盤應急機高振動報警，機組啟動失敗。1、2號蓄電池組分別為控制系統、啟動機供電時機組啟動正常，并且單組蓄電池冷態連續啟機次數由6次以上降至3次。

2 故障原因分析

2.1 蓄電池容量選型錯誤

柴油發電機組容量1 200 kW；蓄電池啟動電壓DC 24 V；蓄電池容量150 Ah。

柴油發電機組蓄電池啟動容量選擇公式：

電池容量C(Ah)

現場配備2套蓄電池額定容量150 Ah＞149 Ah，當前蓄電池容量大于計算容量，滿足使用要求，并且控制系統與起動機分列供電工況下，機組可正常啟動，排除容量選擇錯誤的因素。

2.2 控制系統設計存在缺陷

啟動機工作特性：大電流(冷態工作電流高達1 260 A)、短時工作制。

直接反饋現象：電壓陡降、充電電流增加、監控板低電壓報警(報警值18 V)。

故障現象：控制盤高振動報警，應急啟動失敗。

現場多次排查分析：控制系統雖然配備直流穩壓模塊U1，如圖1所示，但實際啟動壓降超出穩壓模塊工作范圍，是造成控制系統失靈機組啟動失敗的主要原因。

2.3 人員誤操作啟動條件改變

①現場醒目位置張貼標準化操作規程，防止誤操作；②操作人員持證上崗，并經過專業技術培訓；③機組定期啟機測試、維保；④機組缸套水加熱器投用(設定80℃)；⑤應急機室冬季熱風機投用，維持室溫＞15℃。

經過現場操作人員考核、各參數實際檢查，排除人員誤操作及啟動條件改變造成機組啟動失敗的原因，現場可視化操作及各項檢測數值無誤。

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充電恢復時間長(20 min)；③蓄電池定期添加電解液、活化保養，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，一對出身于書香門第、名門望族的兄弟朱雨相、朱慶潤，在當地石灰橋畔開設了一家“朱府義大銅鋪”。“女兒妝，朱府工”一語，稱贊的正是朱府銅藝。

應急發電機2組啟動蓄電池自投用至今，投用時間長，對比蓄電池投用至今的啟動時間、充電時間、電池內阻、電壓等關鍵參數，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致啟動次數不達標(單組蓄電池冷態連續啟動6次)的主要因素。

2.5 確定主要原因

結合現場多次測試結果及現場故障分析，最終確定應急機單組蓄電池無法正常啟機及應急機單組蓄電池冷態啟動次數下降的主要原因有以下2項。

2.5.1 應急機控制器在機組啟動中低電壓失靈

應急機控制系統(遠程/就地控制盤)、百葉窗電源均為24 V蓄電池提供，啟動機工作過程中大電流造成蓄電池電壓降至18 V以下，應急機控制器工作低電壓，導致控制器工作失靈。

2.5.2 蓄電池嚴重老化

應急機投用至今，蓄電池已連續運行8年，已接近其使用壽命年限。蓄電池老化、容量下降、充電恢復速度慢，直接導致應急機啟動次數下降，應急響應能力不足。

3 改造方案

確定應急機啟動失敗的主要原因，有針對性地制定整改方案，確保應急機啟動系統改造完成之后，提升應急機啟動系統可靠性及應急響應能力，改造方案如下：

①應急機控制系統改造，解決單組蓄電池供電啟動瞬間電壓低造成的控制系統失靈，機組無法啟機。

②采用新技術、新能源(超級電容)替代現有老化蓄電池組，具有機組啟動電源使用壽命更長、維護成本更低、充電速度更快、冷態啟動能力更強等特點。

4 改造實施

4.1 控制系統改造

針對控制系統出現的問題、故障現象，結合圖紙仔細分析，確定并實施控制系統改造方案。

4.1.1 控制系統增加蓄電池組

如圖3所示，控制系統增加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，機組啟動時為控制系統提供穩定電壓，正常情況下與電池組并聯，同時由蓄電池充電器浮充供電。

4.1.2 控制系統增加單向導通二極管

如圖4所示，控制系統24 V電源正極總進線側增加二極管，單向導通容量能夠滿足對新增小容量電池組、就地/遠程控制盤、PD BOX、電磁閥用電需求。二極管單向導通特性防止增加的小容量電池組在機組啟動時給啟動器供電，造成小容量電池組過度放電損壞，同時保證了控制系統電源供電電壓穩定。

4.2 采用新能源超級電容裝置

4.2.1 超級電容簡介

超級電容是從20世紀七八十年代發展起來的通過極化電解質來儲能的一種電化學元件，又稱法拉電容，其容量范圍高達1～10 000 F，而普通電解電容都是pF或μF級。它不同于傳統的化學電源，是一種介于傳統電容器與電池之間、具有特殊性能的電源，主要依靠雙電層電荷轉移儲存電能，但在其儲能過程中并不發生化學反應，由于這種儲能過程是可逆的，超級電容可以反復充放電數十萬次。

4.2.2 超級電容裝置組成

如圖5所示，超級電容裝置由機柜、超級電容模組、充電機、放電維護裝置、監控單元等組成。

4.2.3 超級電容裝置安裝

如圖6所示，超級電容裝置安裝于應急發電機室，為了規避新技術以及新能源——超級電容裝置在使用過程中可能存在的不確定性因素，保留2號蓄電池組與超級電容啟動裝置共同用于應急機組啟動，1號蓄電池組僅浮充隔離備用。

5 改造效果

5.1 驗證控制系統單組蓄電池啟機效果

應急機控制回路改造完畢，2套蓄電池組任1套單獨啟動應急機，應急機正常啟動無任何報警。如圖7所示，改造之后對控制回路內各電氣元件檢測正常，2組蓄電池充電器浮充電流與改造前無差異。如圖8所示，啟動瞬間控制系統電壓波動范圍減小，由28.8 V降至25.85 V。最低電壓滿足控制系統穩定工作要求。多次啟機測試正常，控制系統無任何異常報警。

5.2 驗證超級電容裝置啟機效果

超級電容裝置安裝完畢，檢測裝置各項數據滿足啟機測試要求。

啟動測試前利用蓄電池組對應急機進行試啟動，確認機組可正常啟機無其他干擾因素，機組停機后冷卻，該超級電容裝置供電進行冷態啟機性能測試。

5.2.1 機組冷態啟動次數檢測

斷開超級電容裝置220 V輸入充電電源，測試超級電容容量最大可支持成功啟機次數。按照機組啟機運行5 min，停止5 min，再次啟機，反復測試，測試數據見表1。

表1 超級電容裝置啟機測試數據Tab.1 Start-up test data of super capacitor device

現場實際測試，新安裝超級電容裝置在充電電源斷電工況下，自身電容容量滿足應急機成功啟動6次(BV規范要求：對每臺連接可調螺距螺旋槳的不可逆轉主機或無反力矩而能啟動的其他機械應能連續啟動不低于6次)的需求，容量測試合格。

5.2.2 超級電容充電恢復時間測試

超級電容裝置在無外部電源充電工況下，多次啟動測試直至啟動失敗為止，超級電容恢復充電至滿容量所需時間，測試結果見表2。超級電容裝置在啟動多次至虧電狀態下，充電恢復至滿容量狀態僅需20 min，性能遠優于鎳鎘蓄電池。■

表2 超級電容充電時間測試Tab.2 Super capacitor charging time test