UPS蓄电池在线监测系统在石油生产系统中的应用

李兴进

（中海石油（中国）有限公司湛江分公司，广东 湛江 524057）

0 引 言

在海上的石油装置中为了保证油田的生产和安全，使用不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）系统为油田中重要的中控系统、通信系统、火气报警和消防系统、应急关断系统以及电力控制盘的操作系统提供恒压恒频不间断供电的电源，是保障油田安全生产中非常关键的设备[1]。

目前，海上石油装置的UPS 蓄电池采用人工月检和日常巡检的方式进行维护。该方式的缺点是受到人的经验和技能水平影响大，没有实时精确的数据不能第一时间准确反映蓄电池容量、内阻的变化情况，甚至由于检查不及时出现蓄电池发热过大引起火灾的情况。海上石油生产装置是高危场所，现场的任何火灾隐患都可能导致很严重的事故后果，因此保证生产场所的安全尤为重要。

1 UPS 电池在线监测系统介绍

为了进一步提高海上石油装置的UPS 供电系统的可靠性，采用的是2 台UPS 并联在一起使用。其中，UPS1有168 颗1.2 V、600 Ah 的镍铬电池；UPS2有36 颗12 V、144 Ah 的铅酸电池，铅酸电池是由2组18 颗电池进行串联后并联。蓄电池在线监测系统可以保障海上石油生产装置的UPS 系统的蓄电池正常工作。

蓄电池的在线监测系统具有多语言菜单显示，利用触摸屏进行参数设置和查询信息；系统的配置简单，操作容易。同时，该系统所有的报警数据都能够记录下来，通过查询故障记录锁定蓄电池的故障。此外，该系统提供可通过 RS485 接口和远端设备进行通信实现“遥测”“遥信”等功能。

2 蓄电池的介绍

该石油生产装置的UPS 有2 种型号的蓄电池，分别是镍铬电池和铅酸蓄电池。镍铬蓄电池的型号：KPM600P，电压为1.2 V，容量为600 Ah，厂家为HBL。铅酸蓄电池的参数如下：型号为SB140FR，电压为12 V，容量为144 Ah，厂家为HOPPECKE。如果要做到对蓄电池更有效的保护，就必须对蓄电池的原理和保养方面做更为详细的了解。

2.1 镍镉蓄电池的特性

镍铬蓄电池的优点：镍镉电池可重复充电多次使用，可以比较长时间提供电压稳定的大电流的输出，而且内阻比较小；对比市售的多种电池，镍镉蓄电池在过充电耐受力、过放电能力方面性能优，储存寿命长而且限制条件少。

镍铬蓄电池的缺点：镍镉电池价格较高，具有记忆效应；镍铬蓄电池的性能由于记忆效应的无法充分发挥，蓄电池的使用时间大幅缩减。因此，镍铬蓄电池需要合理的监管、保养和充放电。

2.2 铅酸蓄电池的特性

铅酸蓄电池的优势：铅酸蓄电池是使用范围最广的蓄电池，设备的起动蓄电池，大容量电能的储能等场合主要使用铅酸蓄电池；电池售价低，技术成熟、在高温和低温条件下使用性能稳定可靠，可回收利用率高，市场竞争优势明显。

铅酸蓄电池不足之处在于重复寿命偏短，能量密度较低。电池的制作原料毒性偏大，如铅易造成各类加工污染、毒害环境，若对此种电池处理不当则会影响生物体健康[2]。

2.3 蓄电池的保养

定期检查各蓄电池的电压和内阻，12 V 铅酸蓄电池如果在检查中发现端电压差超过0.4 V 或内阻超过80 mΩ 时，就应该对故障的蓄电池进行修复处理或者更换。状态不良的蓄电池会导致蓄电池组电压不平衡，如果不能第一时间发现和处理，就会进一步影响相关联蓄电池的性能，从而导致系统的容量降低，缩短UPS 应急时的工作时长。对于镍铬碱性电池，如果检查发现单元电池的浮充电压低于1.35 V，建议对相关的蓄电池进行大电流的充电，电压偏差比较大的建议进行更换。

蓄电池进行充电和放电，系统长期停机未使用的蓄电池在重新使用之前，应首先对蓄电池充电，或对此种电池进行浮充后带载，浮充时间要长于10～12 h。UPS 的蓄电池一般都是长时间处于浮充的状态而很少放电，所以UPS 的蓄电池使用的越久，电池内阻就会逐渐的变大，容量逐渐的下降，进而导致此种电池损坏，损坏原因是存放时间过久。因此，最好定期对UPS 的蓄电池进行放电。蓄电池放电大约10 min 左右，负载为额定输出的1/3 左右。海上石油装置也会定期将UPS 的蓄电池断开，外接充放电设备对蓄电池进行深度的充放电。

电池环境温度的影响，通常所处环境的温度会影响蓄电池的容量大小，小于20 ℃时，会造成其容量变小，大于20 ℃时，会造成其容量稍微变大。蓄电池容量大小不仅与所处温度环境有关，也与厂商制作电池型号类型及厂商的不同有关，一般蓄电池的储存环境温度是+10 ～+30 ℃，这个范围内蓄电池的性能最佳，使用寿命最长。海上生产装置的蓄电池存放区域环境温度较高，常年的温度都是+30 ℃左右，对蓄电池的寿命和安全运行有较大的隐患。

保证环境的通风，蓄电池在充电的过程中，蓄电池会释放气体（含有可燃性气体氢气）。虽然UPS的蓄电池正常的浮充时，挥发出来的气体比较少，但是需要保证一定的通风量。尤其是海上油气生产的高风险作业环境的特殊性，蓄电池间一般都定义为1 类危险区。蓄电池间管理尤为重要，保证蓄电池间的通风将可燃气体排出，保证蓄电池间的可燃气体浓度远小于处于爆炸下限。

碱性电池保养的其他注意，定期检查电解液液位，如果发现液位低于下限，就需要使用蒸馏水或去离子水补液。如果液位过高也会有溢出的风险，也要及时的处理。

通过上面的分析：无论是碱性电池还是酸性电池，在日常的检查中，单体蓄电池的电压、内阻、温度都是非常关键的数据。通过这3 个参数的变化就可以动态的分析和发现蓄电池的状态、健康状态，为用户提供保养、检修和更换蓄电池的建议，进而保证UPS 系统的稳定性[3]。

3 系统的关键技术

蓄电池电压、电流和温度的检测，单个铅酸蓄电池的电压一般是12 V，单个镍铬蓄电池的电压一般是1.2 V，电压都不是很高，一般都可以直接采样电压到系统。蓄电池的电流一般都是通过电流互感器，将比较大的电流转换为小的电流，再输入监测模块。温度的监测通过在蓄电池的表面加装温度传感器实现。温度传感器一般都是使用贴片式的温度传感器。油田的蓄电池在线监测系统采用的温度传感器是表面热电阻传感器，其热质量非常的低，50 ms 左右的时间就可以反馈表面温度到系统。

蓄电池内阻的检测，蓄电池的在线内阻测试一般都采用交流测试的方法。首先处理蓄电池两侧端点，分别连接交流电压信号，并明确该信号的频率、振幅，利用测量设备获取和电压同相位下，交流电流显示出的数值，此时可获取电池内阻数据信息，求算方法为交流电压/交流电流。交流测试的方法简单，也不会对正在使用的设备造成影响，这种方法的安全性能高，符合油田现场的使用要求。

通过大量的试验证明，当蓄电池随着使用时间的增加，逐渐老化，容量逐渐降低时，内阻值会逐渐增大。通过在线实时监测蓄电池的内阻变化的情况，就可以发现容量降低的蓄电池，也可以反映出蓄电池组的整体老化情况，从而达到预先发现蓄电池的问题进行针对性的维护和处理目的。目前，普遍采用的标准是当蓄电池容量小于80%时，就需要更换UPS 的蓄电池，以提高UPS 系统的可靠性。

4 UPS 电池在线监测系统设计

海上的石油装置设计和安装的蓄电池管理系统组成的原理如图1 所示。通过蓄电池巡检模块和上位机进行通信，将检测到的蓄电池电流，电压和环境温度上传到上位机。蓄电池的在线监测系统还留有通信的接口，可以和其他的监控系统进行通信，实现异地扩展的监控。

图1 蓄电池管理系统组成原理

蓄电池巡检模块用于采集单体电池的端电压、电流，电池使用的环境温度，蓄电池巡检模块的原理如图2 所示。

图2 蓄电池巡检模块

蓄电池的在线监控系统的数据通过上位机的存储和计算，可以获取蓄电池电压相关数据，生成单体柱状图，整组电池的折线图等，从而轻松地查找到相关蓄电池的端电压、内阻、充放电的电流、整组电池的端电压等数据。系统一旦发现参数有异常变化或者参数的变化趋势异常时，就立即发出报警，管理维护人员进而进行分析、检查和处理，保证整个UPS 系统的可靠和安全运行。单体电压、整组电池电压、单个蓄电池的内阻等参数，都可以设置报警的限值，当超限时就会自动报警。

5 现场的使用情况

在蓄电池在线监测系统投用后测得该UPS 的1号镍铬蓄电池的平均内阻2.10 mΩ 左右，2 号铅酸蓄电池平均内阻8.60 mΩ 左右（部分蓄电池内阻如表1所示）。同时，测试发现，每年对蓄电池组进行充放电重新激活后，2 组蓄电池的平均内阻值都略有下降。分析数据信息可得，环境温度数值的不同影响蓄电池内阻大小，冬季平均温度25 ℃的电池内阻比夏季平均温度30 ℃内阻高0.3 mΩ 左右。

表1 铅酸蓄电池的内阻

蓄电池在线监测系统投用一段时间后产生了报警，观察得知，UPS2 第1 组11#蓄电池内阻突然升高，从7.97 mΩ 增大到9.96 mΩ。对其展开放电测试处理，实验结果表明其在放电率为10C 的情况中，120 min电压变为9.9 V，表现为降低，容量小于20%，后来又多次进行充放电的激活，最后的容量显示不足额定容量的50%，表明其被损坏。更换为新蓄电池，系统测得内阻在8.02 mΩ 左右，数值信息与其他蓄电池内阻的数值极为接近，几乎等同。通过这个案例说明该系统的实用性，符合现场的使用要求。

6 结 论

海上的石油装置的蓄电池在线监测系统的使用，能够有效地监控蓄电池的工作情况，及时发现个别蓄电池早期恶化的情况，为后期的蓄电池维保和检修提供有效的数据支持，及早地消除蓄电池运行中的隐患。该系统对相关的电压、电流、温度、内阻都设置了报警阈值，当蓄电池出现异常可以进行声光报警，同时系统记录了蓄电池的长期运行数据。该系统的设计和实施比较方便，在海上石油装置具有普遍的推广价值。