海洋平台柴油发电机蓄电池选择分析

陈 洁,吴海涛,郭 伟

(中海石油深海开发有限公司，广东 深圳 518067)

海洋平台

海洋平台柴油发电机蓄电池选择分析

陈 洁,吴海涛,郭 伟

(中海石油深海开发有限公司，广东 深圳 518067)

深海油气开发中，柴油发电机是海洋平台必备应急电源，其中蓄电池是启动过程中提供应急电源启动的关键设备。文章从蓄电池的基本性能，并结合某深海平台如何选用蓄电池及容量进行了阐述。

海洋平台；蓄电池；启动；容量

在深海中建立海洋平台，一般距离陆岸较远，各个平台为独立电站，平台之间不易建立电力组网，这就对平台自身的电力系统有较高的稳定可靠性要求。现以南海某采气平台为例，该平台位于中国南海北部海域珠江口盆地，水深约195 m，距珠海东南约256 km。平台上设1台1 600 kW、400 V、50 Hz的柴油发电机作为应急电源，用2组蓄电池(一用一备)启动柴油机，当主电源失电后的45 s之内，应急发电机组自动启动，并向应急负荷持续供电至少18 h，平台应急最大负荷约1 100 kW。该柴油发电机还作为涡轮主发电站的黑启动电源。

1 蓄电池在启动中作用

柴油机启动过程由起转、点火、调压器投入3个工况构成。

起转工况：电力启动时，蓄电池是启动电动机电源，启动电动机提供足够的电磁转矩用以克服旋转系统的静摩擦阻力矩使系统开始转动，启动过程中，蓄电池提供的最大电流称为启动电流，与之相应的蓄电池电压呈最小值，蓄电池在启动工况中起着重要作用。

点火工况：柴油机起转后就开始加速，直到在汽缸内开始燃烧做功。柴油机开始做功后，启动电流在电流时间曲线上出现拐点，在机组加速过程中，蓄电池持续提供能源。

调压器投入工作工况：电机转速逐渐提高，当达到一定转速后调压器开始投入工作，此时电压上升，辅助发电机的电压超过了蓄电池电压，并开始向蓄电池充电，至此，蓄电池的启动任务完成[1]。

启动时电流的起始冲击电流可达1 500～2 000 A，并由此选择适当参数。汽缸发生爆燃前，曲轴在稳定转速下的电流具有重要意义，这一电流取决于柴油机曲轴的阻力转矩，而阻力转矩与水温和润滑油温有关，柴油机在冷机情况下稳定电流要超过热机情况下启动电流的1.5～2倍。

2 蓄电池种类比较

蓄电池作为启动电源，在海洋平台各类发动机设备上，采用的种类主要有铅酸电池和镍镉电池。

铅酸电池具有100多年的历史，技术成熟、可靠性好、原材料易得、价格便宜，广泛用作柴油机启动动力源，但最大的缺点是容易硫化，质量和体积太大。电放完后如不及时充电，一段时间后，电池的容量就会下降，如果用完后一个星期不充电，再充电可能只能充到80%。反复几次违规充放电后，或在一个月之内经常无电存放，就可能完全充不进电，影响电池寿命。

镍镉电池具有体积小、寿命长、无污染、维护方便、瞬时输出功率大、高低温特性优良等特点，应用广泛程度仅次于铅酸电池，其比能量可达55 W·h/kg，比功率超过190 W/kg。镍镉电池内部抵制力小、内阻很小、可快速充电，可为负载提供大电流。其放电时电压变化很小，放电特性比较平缓，是一种非常理想的直流供电电池。它的循环使用寿命较长，是铅酸电池的2倍多，可达到2 000多次，但价格为铅酸电池的4～5倍。虽然初期购置成本高，但由于其在能量和使用寿命方面的优势，实际使用成本并不高。使用中要注意做好回收工作，以免重金属镉造成环境污染[2]。

镍镉电池正极板上的活性物质由氧化镍粉和石墨粉组成，石墨不参加化学反应，其主要作用是增强导电性。负极板上的活性物质由氧化镉粉和氧化铁粉组成，氧化铁粉的作用是使氧化镉粉有较高的扩散性，防止结块并增加极板的容量。活性物质分别包在穿孔钢带中，加压成型后即成为电池的正负极板。极板间用耐碱的硬橡胶绝缘棍或有孔的聚氯乙烯瓦楞板隔开。电解液通常用氢氧化钾溶液。与其它电池相比，镍镉电池由自放电引起的能量损失小，不使用时失去电荷的速率适中。镍镉电池耐过充电能力强，不会因为过充电而引起负极金属枝晶的产生和生长，也不会引起隔膜的破坏，所以不会因为过充电而产生内部短路。

当前，用镍镉电池取代铅酸电池作为启动电源被广泛应用。综合比较，该海洋平台使用2组(每组20块)镍镉电池，作为柴油发电机启动电源。

3 镍镉电池充放电特性

镍镉电池作为启动电源能以相当高的倍率放电15～45 s。开始启动时，如在低温地区启动，典型的负荷电阻与电池的有效内阻(Re)具有相同的数量级。当启动时发电机转子逐渐增速时，负荷电阻增大。这样致使典型放电电流从较高的初始值逐渐降低，而电压则从初始压降50%或以上恢复到单只电池有效零负载电压1.2 V以上。镍镉电池在不同放电倍率下的放电曲线见图1，C为电池充放电电流大小的比率，即倍率。

图1 镍镉电池在不同放电倍率下的放电曲线

当启动成功，电流迅速降低，而电压则快速恢复至标称电压。启动时，放电电压和电流可认为总是在原来零负荷时约为1.2NV(N为电池数)的某一“瞬间负载校准线”上。这种瞬时负载校准线可视作线性，一点为固定的1.2NV，只有求取另一点就可以确定这条线。求得另一点的方法是，在电池电压可能是0.6NV或有效开路电压一半的地方的负载电流值。此负载电流值随电池施加负载后被指定为瞬间最大功率电流Im。

如果将最初一瞬间的效应忽略不计，仅需要模拟发动机启动放电10 s后的Im值，此种“稳态”值标识为Im。其中负载连续可调，以产生作为时间函数所表示的电压曲线。控制此种模拟电压以代表更大的负载，从而更适用于特定温度情况下的特殊电池。约在10 s内出现的0.6NV的情况列入启动程序—模拟的点火时间。

当放电电压等于0.6NV的瞬间、在控制负载情况下的放电电流，可认为是特定电液温度和充电状态下的某电池的Im曲线。Im近似值也可采用0.6NV“恒电势”放电15 s来测量。

最大输出功率Pm和有效内阻Re与Im关系的公式为：

Pm=0.6NIm;

Re=0.6N/Im。

可知，影响最大功率电流的因素为镍镉电池最大输出功率的Im值(在电解液温度为25 ℃的全充电时最大)。

Im值随蓄电池充电电压的增加和电解液温度的升高而增加(实际上1 500～2 000 A大电流放电时，电池自身的电阻和线路中的连接器件的电阻会产生很大的压降，直接影响了电池的最大输出功率的Im值)。镍镉电池在不同充电倍率下的充电曲线见图2。

图2 镍镉电池在不同充电倍率下的充电曲线

4 镍镉电池容量选择计算

要提高放电速率和降低电解液温度共同对电池容量的影响，可按2种不同因素的乘积计算。理论上的计算方式比较复杂，要了解发动机的功率，启动的最大电流和启动点火的时间，电池的有效内阻和线路的电阻，还要依据电池经验数据查出该时间的电池压降。然后再算出点火时的功率能否满足设备的启动使用，还要对发动机的效率、电池的效率及使用一段时间后容量的衰减和环境温度的影响等诸多因数加以修正[3]。一般不这样计算电池容量，而是在发动机的参数表上选定冷启动电流，按电流的十分之一选定电池容量(超高倍率镍镉电池可以10倍率以上甚至瞬间20倍率放电，电池内阻为：Re =(0.03～0.06)×电池数目)。然后

将选定的电池容量查超高倍率放电数据表(表略)，根据数据表中提供的数据(20 ℃时电池容量的放电)，如果是-18 ℃的冷启动电流，这时电池的容量仅能放出额定容量的70%～80%，电解液的内阻增大很多，所以按70%来折算容量，一般分析折算后的电池容量能否在1 min内放至0.85 V，如可以将此电池容量确定下来，如不行再适当放大容量[4]。

该海上平台柴油发电机启动要求条件：冷启动6次，每次时间约为15 s，间隔15 s。

经计算，选用电池容量为190 A·h合适，而在实际中，柴油发动机有1台预供油泵，功率为3 kW(不和电动机同时启动)，再加富余量，最后选用250 A·h。

5 结束语

该平台选用镍镉电池，在这2年内每周对柴油进行一次测试启动，经历了几次应急启动，从使用效果来看镍镉电池性能优良，日常维护方便，每月测量单个电池电压基本稳定维持在1.38 V。在平台主电站失电情况下，电池能正常提供柴油发电机启动能量，为海上平台的人员及设备提供了可靠的安全保障。

[1] 丁承卫.发电机组启动蓄电池的充电[J].船舶,2005(4)：36-37.

[2] 胡福年,吴军基.镍镉电池微机监测系统设计[J].测控技术与设备,2002,28(11):21-25.

[3] 吴骐.镍镉蓄电池充放电及电池容量修补探析[J].机电信息,2013(15):37-38.

[4] 许南,王飚,孔凡旭.海洋平台用蓄电池选型及容量计算探讨[J].科技风,2013(14):68-69.

In deep sea oil-gas development,diesel generator becomes an essential emergency power supply in the center offshore platform，among which the battery is the key equipment to provide energy in case an emergent starting is needed.From the basic performance of battery,analysis is given to battery type selection and capacity calculation,combined with a deep water gas offshore platform.

offshore platform;nickel-cadmium battery;start;capacity

陈洁(1980-)，男，湖北武汉人，工程师，硕士，主要从事海洋平台电气技术和管理工作。

P75

10.13352/j.issn.1001-8328.2016.05.016

2016-06-12