UPS蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在石油生產(chǎn)系統(tǒng)中的應(yīng)用

李興進(jìn)

（中海石油（中國(guó)）有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057）

0 引 言

在海上的石油裝置中為了保證油田的生產(chǎn)和安全，使用不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）系統(tǒng)為油田中重要的中控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、火氣報(bào)警和消防系統(tǒng)、應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)以及電力控制盤(pán)的操作系統(tǒng)提供恒壓恒頻不間斷供電的電源，是保障油田安全生產(chǎn)中非常關(guān)鍵的設(shè)備[1]。

目前，海上石油裝置的UPS 蓄電池采用人工月檢和日常巡檢的方式進(jìn)行維護(hù)。該方式的缺點(diǎn)是受到人的經(jīng)驗(yàn)和技能水平影響大，沒(méi)有實(shí)時(shí)精確的數(shù)據(jù)不能第一時(shí)間準(zhǔn)確反映蓄電池容量、內(nèi)阻的變化情況，甚至由于檢查不及時(shí)出現(xiàn)蓄電池發(fā)熱過(guò)大引起火災(zāi)的情況。海上石油生產(chǎn)裝置是高危場(chǎng)所，現(xiàn)場(chǎng)的任何火災(zāi)隱患都可能導(dǎo)致很?chē)?yán)重的事故后果，因此保證生產(chǎn)場(chǎng)所的安全尤為重要。

1 UPS 電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)介紹

為了進(jìn)一步提高海上石油裝置的UPS 供電系統(tǒng)的可靠性，采用的是2 臺(tái)UPS 并聯(lián)在一起使用。其中，UPS1有168 顆1.2 V、600 Ah 的鎳鉻電池；UPS2有36 顆12 V、144 Ah 的鉛酸電池，鉛酸電池是由2組18 顆電池進(jìn)行串聯(lián)后并聯(lián)。蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以保障海上石油生產(chǎn)裝置的UPS 系統(tǒng)的蓄電池正常工作。

蓄電池的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有多語(yǔ)言菜單顯示，利用觸摸屏進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和查詢(xún)信息；系統(tǒng)的配置簡(jiǎn)單，操作容易。同時(shí)，該系統(tǒng)所有的報(bào)警數(shù)據(jù)都能夠記錄下來(lái)，通過(guò)查詢(xún)故障記錄鎖定蓄電池的故障。此外，該系統(tǒng)提供可通過(guò) RS485 接口和遠(yuǎn)端設(shè)備進(jìn)行通信實(shí)現(xiàn)“遙測(cè)”“遙信”等功能。

2 蓄電池的介紹

該石油生產(chǎn)裝置的UPS 有2 種型號(hào)的蓄電池，分別是鎳鉻電池和鉛酸蓄電池。鎳鉻蓄電池的型號(hào)：KPM600P，電壓為1.2 V，容量為600 Ah，廠家為HBL。鉛酸蓄電池的參數(shù)如下：型號(hào)為SB140FR，電壓為12 V，容量為144 Ah，廠家為HOPPECKE。如果要做到對(duì)蓄電池更有效的保護(hù)，就必須對(duì)蓄電池的原理和保養(yǎng)方面做更為詳細(xì)的了解。

2.1 鎳鎘蓄電池的特性

鎳鉻蓄電池的優(yōu)點(diǎn)：鎳鎘電池可重復(fù)充電多次使用，可以比較長(zhǎng)時(shí)間提供電壓穩(wěn)定的大電流的輸出，而且內(nèi)阻比較小；對(duì)比市售的多種電池，鎳鎘蓄電池在過(guò)充電耐受力、過(guò)放電能力方面性能優(yōu)，儲(chǔ)存壽命長(zhǎng)而且限制條件少。

鎳鉻蓄電池的缺點(diǎn)：鎳鎘電池價(jià)格較高，具有記憶效應(yīng)；鎳鉻蓄電池的性能由于記憶效應(yīng)的無(wú)法充分發(fā)揮，蓄電池的使用時(shí)間大幅縮減。因此，鎳鉻蓄電池需要合理的監(jiān)管、保養(yǎng)和充放電。

2.2 鉛酸蓄電池的特性

鉛酸蓄電池的優(yōu)勢(shì)：鉛酸蓄電池是使用范圍最廣的蓄電池，設(shè)備的起動(dòng)蓄電池，大容量電能的儲(chǔ)能等場(chǎng)合主要使用鉛酸蓄電池；電池售價(jià)低，技術(shù)成熟、在高溫和低溫條件下使用性能穩(wěn)定可靠，可回收利用率高，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)明顯。

鉛酸蓄電池不足之處在于重復(fù)壽命偏短，能量密度較低。電池的制作原料毒性偏大，如鉛易造成各類(lèi)加工污染、毒害環(huán)境，若對(duì)此種電池處理不當(dāng)則會(huì)影響生物體健康[2]。

2.3 蓄電池的保養(yǎng)

定期檢查各蓄電池的電壓和內(nèi)阻，12 V 鉛酸蓄電池如果在檢查中發(fā)現(xiàn)端電壓差超過(guò)0.4 V 或內(nèi)阻超過(guò)80 mΩ 時(shí)，就應(yīng)該對(duì)故障的蓄電池進(jìn)行修復(fù)處理或者更換。狀態(tài)不良的蓄電池會(huì)導(dǎo)致蓄電池組電壓不平衡，如果不能第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)和處理，就會(huì)進(jìn)一步影響相關(guān)聯(lián)蓄電池的性能，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的容量降低，縮短UPS 應(yīng)急時(shí)的工作時(shí)長(zhǎng)。對(duì)于鎳鉻堿性電池，如果檢查發(fā)現(xiàn)單元電池的浮充電壓低于1.35 V，建議對(duì)相關(guān)的蓄電池進(jìn)行大電流的充電，電壓偏差比較大的建議進(jìn)行更換。

蓄電池進(jìn)行充電和放電，系統(tǒng)長(zhǎng)期停機(jī)未使用的蓄電池在重新使用之前，應(yīng)首先對(duì)蓄電池充電，或?qū)Υ朔N電池進(jìn)行浮充后帶載，浮充時(shí)間要長(zhǎng)于10～12 h。UPS 的蓄電池一般都是長(zhǎng)時(shí)間處于浮充的狀態(tài)而很少放電，所以UPS 的蓄電池使用的越久，電池內(nèi)阻就會(huì)逐漸的變大，容量逐漸的下降，進(jìn)而導(dǎo)致此種電池?fù)p壞，損壞原因是存放時(shí)間過(guò)久。因此，最好定期對(duì)UPS 的蓄電池進(jìn)行放電。蓄電池放電大約10 min 左右，負(fù)載為額定輸出的1/3 左右。海上石油裝置也會(huì)定期將UPS 的蓄電池?cái)嚅_(kāi)，外接充放電設(shè)備對(duì)蓄電池進(jìn)行深度的充放電。

電池環(huán)境溫度的影響，通常所處環(huán)境的溫度會(huì)影響蓄電池的容量大小，小于20 ℃時(shí)，會(huì)造成其容量變小，大于20 ℃時(shí)，會(huì)造成其容量稍微變大。蓄電池容量大小不僅與所處溫度環(huán)境有關(guān)，也與廠商制作電池型號(hào)類(lèi)型及廠商的不同有關(guān)，一般蓄電池的儲(chǔ)存環(huán)境溫度是+10 ～+30 ℃，這個(gè)范圍內(nèi)蓄電池的性能最佳，使用壽命最長(zhǎng)。海上生產(chǎn)裝置的蓄電池存放區(qū)域環(huán)境溫度較高，常年的溫度都是+30 ℃左右，對(duì)蓄電池的壽命和安全運(yùn)行有較大的隱患。

保證環(huán)境的通風(fēng)，蓄電池在充電的過(guò)程中，蓄電池會(huì)釋放氣體（含有可燃性氣體氫氣）。雖然UPS的蓄電池正常的浮充時(shí)，揮發(fā)出來(lái)的氣體比較少，但是需要保證一定的通風(fēng)量。尤其是海上油氣生產(chǎn)的高風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)環(huán)境的特殊性，蓄電池間一般都定義為1 類(lèi)危險(xiǎn)區(qū)。蓄電池間管理尤為重要，保證蓄電池間的通風(fēng)將可燃?xì)怏w排出，保證蓄電池間的可燃?xì)怏w濃度遠(yuǎn)小于處于爆炸下限。

堿性電池保養(yǎng)的其他注意，定期檢查電解液液位，如果發(fā)現(xiàn)液位低于下限，就需要使用蒸餾水或去離子水補(bǔ)液。如果液位過(guò)高也會(huì)有溢出的風(fēng)險(xiǎn)，也要及時(shí)的處理。

通過(guò)上面的分析：無(wú)論是堿性電池還是酸性電池，在日常的檢查中，單體蓄電池的電壓、內(nèi)阻、溫度都是非常關(guān)鍵的數(shù)據(jù)。通過(guò)這3 個(gè)參數(shù)的變化就可以動(dòng)態(tài)的分析和發(fā)現(xiàn)蓄電池的狀態(tài)、健康狀態(tài)，為用戶(hù)提供保養(yǎng)、檢修和更換蓄電池的建議，進(jìn)而保證UPS 系統(tǒng)的穩(wěn)定性[3]。

3 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

蓄電池電壓、電流和溫度的檢測(cè)，單個(gè)鉛酸蓄電池的電壓一般是12 V，單個(gè)鎳鉻蓄電池的電壓一般是1.2 V，電壓都不是很高，一般都可以直接采樣電壓到系統(tǒng)。蓄電池的電流一般都是通過(guò)電流互感器，將比較大的電流轉(zhuǎn)換為小的電流，再輸入監(jiān)測(cè)模塊。溫度的監(jiān)測(cè)通過(guò)在蓄電池的表面加裝溫度傳感器實(shí)現(xiàn)。溫度傳感器一般都是使用貼片式的溫度傳感器。油田的蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用的溫度傳感器是表面熱電阻傳感器，其熱質(zhì)量非常的低，50 ms 左右的時(shí)間就可以反饋表面溫度到系統(tǒng)。

蓄電池內(nèi)阻的檢測(cè)，蓄電池的在線內(nèi)阻測(cè)試一般都采用交流測(cè)試的方法。首先處理蓄電池兩側(cè)端點(diǎn)，分別連接交流電壓信號(hào)，并明確該信號(hào)的頻率、振幅，利用測(cè)量設(shè)備獲取和電壓同相位下，交流電流顯示出的數(shù)值，此時(shí)可獲取電池內(nèi)阻數(shù)據(jù)信息，求算方法為交流電壓/交流電流。交流測(cè)試的方法簡(jiǎn)單，也不會(huì)對(duì)正在使用的設(shè)備造成影響，這種方法的安全性能高，符合油田現(xiàn)場(chǎng)的使用要求。

通過(guò)大量的試驗(yàn)證明，當(dāng)蓄電池隨著使用時(shí)間的增加，逐漸老化，容量逐漸降低時(shí)，內(nèi)阻值會(huì)逐漸增大。通過(guò)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蓄電池的內(nèi)阻變化的情況，就可以發(fā)現(xiàn)容量降低的蓄電池，也可以反映出蓄電池組的整體老化情況，從而達(dá)到預(yù)先發(fā)現(xiàn)蓄電池的問(wèn)題進(jìn)行針對(duì)性的維護(hù)和處理目的。目前，普遍采用的標(biāo)準(zhǔn)是當(dāng)蓄電池容量小于80%時(shí)，就需要更換UPS 的蓄電池，以提高UPS 系統(tǒng)的可靠性。

4 UPS 電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

海上的石油裝置設(shè)計(jì)和安裝的蓄電池管理系統(tǒng)組成的原理如圖1 所示。通過(guò)蓄電池巡檢模塊和上位機(jī)進(jìn)行通信，將檢測(cè)到的蓄電池電流，電壓和環(huán)境溫度上傳到上位機(jī)。蓄電池的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還留有通信的接口，可以和其他的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)異地?cái)U(kuò)展的監(jiān)控。

圖1 蓄電池管理系統(tǒng)組成原理

蓄電池巡檢模塊用于采集單體電池的端電壓、電流，電池使用的環(huán)境溫度，蓄電池巡檢模塊的原理如圖2 所示。

圖2 蓄電池巡檢模塊

蓄電池的在線監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通過(guò)上位機(jī)的存儲(chǔ)和計(jì)算，可以獲取蓄電池電壓相關(guān)數(shù)據(jù)，生成單體柱狀圖，整組電池的折線圖等，從而輕松地查找到相關(guān)蓄電池的端電壓、內(nèi)阻、充放電的電流、整組電池的端電壓等數(shù)據(jù)。系統(tǒng)一旦發(fā)現(xiàn)參數(shù)有異常變化或者參數(shù)的變化趨勢(shì)異常時(shí)，就立即發(fā)出報(bào)警，管理維護(hù)人員進(jìn)而進(jìn)行分析、檢查和處理，保證整個(gè)UPS 系統(tǒng)的可靠和安全運(yùn)行。單體電壓、整組電池電壓、單個(gè)蓄電池的內(nèi)阻等參數(shù)，都可以設(shè)置報(bào)警的限值，當(dāng)超限時(shí)就會(huì)自動(dòng)報(bào)警。

5 現(xiàn)場(chǎng)的使用情況

在蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)投用后測(cè)得該UPS 的1號(hào)鎳鉻蓄電池的平均內(nèi)阻2.10 mΩ 左右，2 號(hào)鉛酸蓄電池平均內(nèi)阻8.60 mΩ 左右（部分蓄電池內(nèi)阻如表1所示）。同時(shí)，測(cè)試發(fā)現(xiàn)，每年對(duì)蓄電池組進(jìn)行充放電重新激活后，2 組蓄電池的平均內(nèi)阻值都略有下降。分析數(shù)據(jù)信息可得，環(huán)境溫度數(shù)值的不同影響蓄電池內(nèi)阻大小，冬季平均溫度25 ℃的電池內(nèi)阻比夏季平均溫度30 ℃內(nèi)阻高0.3 mΩ 左右。

表1 鉛酸蓄電池的內(nèi)阻

蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)投用一段時(shí)間后產(chǎn)生了報(bào)警，觀察得知，UPS2 第1 組11#蓄電池內(nèi)阻突然升高，從7.97 mΩ 增大到9.96 mΩ。對(duì)其展開(kāi)放電測(cè)試處理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其在放電率為10C 的情況中，120 min電壓變?yōu)?.9 V，表現(xiàn)為降低，容量小于20%，后來(lái)又多次進(jìn)行充放電的激活，最后的容量顯示不足額定容量的50%，表明其被損壞。更換為新蓄電池，系統(tǒng)測(cè)得內(nèi)阻在8.02 mΩ 左右，數(shù)值信息與其他蓄電池內(nèi)阻的數(shù)值極為接近，幾乎等同。通過(guò)這個(gè)案例說(shuō)明該系統(tǒng)的實(shí)用性，符合現(xiàn)場(chǎng)的使用要求。

6 結(jié) 論

海上的石油裝置的蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的使用，能夠有效地監(jiān)控蓄電池的工作情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)個(gè)別蓄電池早期惡化的情況，為后期的蓄電池維保和檢修提供有效的數(shù)據(jù)支持，及早地消除蓄電池運(yùn)行中的隱患。該系統(tǒng)對(duì)相關(guān)的電壓、電流、溫度、內(nèi)阻都設(shè)置了報(bào)警閾值，當(dāng)蓄電池出現(xiàn)異常可以進(jìn)行聲光報(bào)警，同時(shí)系統(tǒng)記錄了蓄電池的長(zhǎng)期運(yùn)行數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施比較方便，在海上石油裝置具有普遍的推廣價(jià)值。