蓄电池在海洋平台的应用

魏春先 高超 石作锋 柏继合

（海洋工程股份有限公司设计公司，天津 300451）

1 引言

在正常情况下，海洋平台的生产和生活的电力均由主发电机提供，如果由于某种原因主发电机不能正常工作，如发生火灾或维修时，由应急发电机组向消防、安全、紧急逃生和生活等用电设施提供必要的电力。

海洋平台电力系统电源除上述主发电机和应急发电机组以外，还要确保各种紧急状况情况下，为通信、消防和安全系统的紧急管段等设施提供必要的电力UPS（不间断电源装置）系统和直流24 V系统。而电池作为UPS和直流24 V系统重要组成部分，它的安全、可靠、稳定的运行对保证平台设施、人员安全则起到了至关重要的作用。

2 电池选型及应用

蓄电池的种类一般可分为：开放型液体铅酸电池、铅酸免维护电池和镍镉电池，它们各自特点如表1所示。

海洋平台的电池的选型及应用除要充分考虑海上潮湿、盐雾、油雾、酶菌、倾斜、摇摆、振动和冲击等环境因素的影响，做好防护措施，另外还要结合具体的应用场合，进行正确的选型，在海洋平台上，需要电池组的主要设备如下：

a） 平台UPS系统；

b） 应急逃生灯具；

c） 雾笛导航系统；

d） 透平电站系统/透平压缩机系统；

e） 应急柴油发电机系统/柴油消防泵系统/柴油吊机系统；

f） 仪表/通讯等专业自配蓄电池系统。

对比a）～f ）六种应用，以需要电池放电特点可以分为两大类：一类为牵引电池，即以恒定电流持续一段时间放电，如a）、b）、c）和f）四项，以保障重要设备在平台或船舶主电站无电时的供电；另一种为启动电池，即短时大电流放电，以保障一些重要设备在无主电站供电时的启动，如d）、e）两项。

镍镉电池在长期浮充电的使用情况下，其寿命较长，但由于其大电流放电时，容易形成较大体积的结晶物，而阻塞极板群中的合金上的空隙，从而增加电池内部电阻，且大体积的结晶物在电池充电时难以分解，从而减小电池容量，考虑到价格和性能因素，早期海洋平台在柴油发电机原动机启动电池选用时通常考虑铅酸蓄电池，近年来，随着超高倍率烧结式碱性镍镉蓄电池的出现，镍镉电池也越来越多地应用在原动机启动场合，而a）、b）、c）和f）四项需持续恒电流供电时则选用镍镉电池。

表1 蓄电池的种类及特点

2 电池容量估算

在供电负荷确定后，可以通过计算确定电池的容量，以满足用电负荷的正常需求，本文以锦州25-1油气田项目为例介绍UPS电池的计算和应急发电机原动机启动用电池的计算。

锦州25-1油田位于渤海辽东湾中部海域，包括一座中心平台（CEP）和一座井口平台（WHPA），两座平台通过栈桥连接，布置在主体区。锦州25-1油田装设一台额定电压为400 V，额定输出功率1200 kW的应急发电机，为两平台的应急配电盘供电。

2.1 UPS电池计算

交流不间断电源 UPS能够在主电断电等电网故障时持续供电，其核心是利用电池化学能作为后备能量，进行化学能与电能的能量转换，见图1。

图1 UPS供电示意图

锦州 25-1项目在 CEP中心平台装设一套UPS系统，35 kV，6.3 kV，0.4 kV配电盘内部分指示灯、控制继电器以及脱扣线圈、中控盘系统、通讯系统、火灾盘等设备的电源均由UPS提供，表2给出电气、仪表、通讯专业需要UPS供电的用电负荷。

表2 UPS供电负荷列表[1]

2.1.1 电池数量计算

在锦州25-1项目中UPS直流逆变器的输入电压为：220 V（-20%～+10%，即176 V～242 V）；

每只镍铬电池放电终止电压为：1.0 V；每只镍铬电池放电平均电压为：1.2 V；每只镍铬电池浮充电电压为：1.4 V；

按照直流最低电压不低于 176 V（220 V×0.8），每只镍铬电池放电终止电压为1.0 V计算电池数量。

电池数量为：176 V/1.0 V/只=176 （只）

2.1.2 电池容量计算

结合锦州 25-1工程项目，表 3给出了 UPS用电负荷的具体统计及电池容量统计数据。

表3中蓄电池累计需用容量为93 Ah，电池估算容量要考虑尖峰用电负荷及冲击用电负荷的影响，从而保证电池一定的余量，通常考虑 1.1倍的余量系数，并除以电池放电系数（K）和直流逆变器的效率[2]。本项目中依据AEG厂家样本，逆变器的效率取0.91，即：

放电系数K根据不同厂家电池放电特性而有所不同，锦州25-1项目选用的SAFT电池，其电池放电系数见表4，按照K=0.5考虑。

根据公式（1）计算的得到电池容量为 205 Ah，电池容量选择依据此值并结合表5 SAFT电池厂家标准产品系列进行选择，电池选型为：SBM 231系列。

表3 锦州25-1UPS用电负荷用及电池容量统计表

表4 SAFT电池放电系数表

表5 SAFT电池放电数据表

2.2 应急发电机的启动用电池计算

各种汽油、柴油发电机原动机启动时的冲击电流较大，可达2000 A甚至更高，满足机组大电流启动是选择蓄电池容量的主要依据，并依据“蓄电池能够连续启动6次，每次启动时间为5 s”的原则对蓄电池容量进行校验。本项目应急发电机由CATERPILLAR供货，选择CATERPILLAR超高倍率烧结式镉镍蓄电池为原动机启动用电池。

2.2.1 电池数量计算

原动机要求使用24 V启动电池，其中每只镍铬电池平均电压为1.2 V，电池数量为：24 V/1.2 V/只=20 只

2.2.2 电池容量计算

CATERPILLAR原动机要求启动电流为：1260 A，最低环境温度-18℃。

（1） 查表求容量

表6为超高倍率烧结式镉镍蓄电池20℃时终止电压为0.85 V的放电数据表。

表6 超高倍率烧结式镉镍蓄电池放电数据表（20℃）

《海上固定平台安全规则》[3]规定“自动启动的应急发电机组应设有经检验机构认可的启动装置, 并配备至少能供六次连续启动的能源”，因此作为柴油发电机组起动用的蓄电池要满足高倍率连续放电6次的要求。实际按照起动6 次，每次5 s，总计30 s高倍率放电考虑，同时考虑一定时间余量，按放电时间1 min（2×30 s），放电电流为1260 A时查表6近似得出蓄电池容量为100 Ah，因表6是环境温度为20℃时的放电数据，还要将蓄电池查表容量折算到-18℃条件下的容量，实际按照折算系数为0.8和维护系数为0.85进行估算，即

计算结果为147 Ah，根据表6靠档，确定为电池容量为170 Ah，即选择CNC170型号的电池。

（2） 公式求容量

启动要求：环境温度为-18℃，冷启动6 次，每次时间约为5 s，在此条件下电池容量按照经验公式（3）计算

其中：L为维护系数、主要考虑到使用年数、使用条件的变化而引起的容量变化，一般取0.85，代入数值，计算得

此时计算结果已考虑温度因素，因此，可以直接在表6进行靠档选择，确定电池容量为170 Ah，即选择CNC170型号电池。由此可以看出无论利用查表法还是公式计算法，最终选择容量应该是一致的。

（3） 国家标准校验

方形开口镉镍单体蓄电池总规范GB/T15142-2002（国际电工标准 IEC 60623：1990）规定：在20℃环境中，以0.2 C5A 充电8 h，超高倍率烧结式镉镍蓄电池在不同倍率放电性能不低于表7要求。

表7 超高倍率烧结式镉镍蓄电池放电特性（20℃）

超高倍率烧结式镉镍蓄电池在常温条件下充电8 h，然后在－18℃环境中在不同倍率放电性能不低于表8要求。

表8 超高倍率烧结式镉镍蓄电池放电特性（-18℃）

柴油发电机组起动用电池为是瞬间放电，所以均以10倍率选用电池，从表7、8可以看出由（1） 和（2）确定的电池容量完全可以满足柴油发电机组起动需求。

另外要注意，由于蓄电池瞬间放电电压降较大，应急发电机组控制盘控制电源不应由启动用的电池直接供电，以保证不受原动机启动时的影响，保证控制线路的正常运行。

3 电池维护及注意事项

结合海洋平台的特殊环境及特点，蓄电池组放置处所及通风要求根据蓄电池组充电功率的不同而应区别对待，具体如表9所示。

另外还要注意除密封式蓄电池外，蓄电池组不得安装在生活区域内, 同时为防止酸碱发生化学反应，产生腐蚀，酸性蓄电池和碱性蓄电池严禁放在同一处所或箱（柜）中[4]。

表9 不同充电功率下蓄电池组放置处所及通风要求[1]

作为应急电源、交流不间断电源所用的蓄电池组不可与应急配电板安装在同一处所，原动机启动蓄电池组应尽可能接近原动机，在海上平台柴油机组的启动电池通常装设于机组旁，通过电缆长度的缩短降低直流电传导中的电阻，以保证启动电压在一定的范围内[5]。

电池应定期充电放电，一般每隔2－3个月应完全放电一次，放电时间可根据蓄电池的容量和负载大小确定。一次全负荷放电完毕后，按规定再充电8 h以上，以避免因电池长期处于浮充电状态，导致电池化学能与电能相互转化的活性降低，从而缩短使用寿命；经常检查电池液面，适时添加纯净水，以维持液面在上下水线之间[6]。

4 结束语

作为海洋平台电力系统的重要组成部分，蓄电池的正确选型及使用对保证平台设施、人员安全有着至关重要的作用。结合海洋平台的特殊环境，蓄电池的使用和日常维护要符合《海上固定平台安全规则》和《中国船级社海上移动平台入级与建造规范》关于蓄电池的相关规定，同时要密切关注蓄电池的发展方向及最新技术，如太阳能电池、氢燃料电池等以期使之更好的为保证平台设备、人员安全的目标服务。

[1] 编写组. 海洋石油工程设计指南[M]. 北京:石油工业出版社,2007.

[2] 中国航空工业规划设计研究院组编. 工业与民用配电设计手册[M]. 北京:中国电力出版社,2007.

[3] 编写组. 海上固定平台安全规则[S].

[4] 中国船级社. 海上移动平台入级与建造规范[S]. 北京:人民交通出版社.

[5] 刘磊. 电力工程蓄电池回路电缆截面选择[J]. 供用电, 2009（26）:46-48.

[6] 刘学. 浅谈蓄电池的运行和与维护[J]. 天津航海,2009（2）:26-28