海洋平台应急机启动系统可靠性提升改造
2021-09-16高金虎
高金虎
(中海石油(中国)有限公司天津分公司 天津 300459)
1 研究背景
海上平台配备应急发电机组,启动电源为2套蓄电池组,正常工况下1用1备,任意1套可满足应急机冷态连续启动6次,每次启动时间不大于45 s的供电需求。当主电站供电出现故障时,机组自启动为消防、救逃生、应急照明等设备提供应急电源。
某平台应急机1、2号蓄电池组分别单独为控制系统、启动机供电,先后在现场、远程控制盘启机测试。故障现场均为应急机启动机得电动作,电池组充电器盘面显示充电电流增加,充电器蓄电池电压检测模块检测到电池瞬间压降由28.8 V降至19.5 V,并且瞬间充电器面板上欠压指示灯亮,说明实际的电压降低至报警值18 V以下,远程控制盘应急机高振动报警,机组启动失败。1、2号蓄电池组分别为控制系统、启动机供电时机组启动正常,并且单组蓄电池冷态连续启机次数由6次以上降至3次。
2 故障原因分析
2.1 蓄电池容量选型错误
柴油发电机组容量1 200 kW;蓄电池启动电压DC 24 V;蓄电池容量150 Ah。
柴油发电机组蓄电池启动容量选择公式:
电池容量C(Ah)
现场配备2套蓄电池额定容量150 Ah>149 Ah,当前蓄电池容量大于计算容量,满足使用要求,并且控制系统与起动机分列供电工况下,机组可正常启动,排除容量选择错误的因素。
2.2 控制系统设计存在缺陷
启动机工作特性:大电流(冷态工作电流高达1 260 A)、短时工作制。
直接反馈现象:电压陡降、充电电流增加、监控板低电压报警(报警值18 V)。
故障现象:控制盘高振动报警,应急启动失败。
现场多次排查分析:控制系统虽然配备直流稳压模块U1,如图1所示,但实际启动压降超出稳压模块工作范围,是造成控制系统失灵机组启动失败的主要原因。
2.3 人员误操作启动条件改变
①现场醒目位置张贴标准化操作规程,防止误操作;②操作人员持证上岗,并经过专业技术培训;③机组定期启机测试、维保;④机组缸套水加热器投用(设定80℃);⑤应急机室冬季热风机投用,维持室温>15℃。
经过现场操作人员考核、各参数实际检查,排除人员误操作及启动条件改变造成机组启动失败的原因,现场可视化操作及各项检测数值无误。
2.4 蓄电池老化容量下降
①自投用至今已接近使用寿命年限(通常为5~7年);②充电恢复时间长(20 min);③蓄电池定期添加电解液、活化保养,但单块电池电压下降。
140年前,清同治年间,绍兴“铜铺一条街”闻名遐迩。1875年,一对出身于书香门第、名门望族的兄弟朱雨相、朱庆润,在当地石灰桥畔开设了一家“朱府义大铜铺”。“女儿妆,朱府工”一语,称赞的正是朱府铜艺。
应急发电机2组启动蓄电池自投用至今,投用时间长,对比蓄电池投用至今的启动时间、充电时间、电池内阻、电压等关键参数,如图2所示,电池容量下降明显低于额定容量150 Ah,可判定蓄电池容量逐年下降是导致启动次数不达标(单组蓄电池冷态连续启动6次)的主要因素。
2.5 确定主要原因
结合现场多次测试结果及现场故障分析,最终确定应急机单组蓄电池无法正常启机及应急机单组蓄电池冷态启动次数下降的主要原因有以下2项。
2.5.1 应急机控制器在机组启动中低电压失灵
应急机控制系统(远程/就地控制盘)、百叶窗电源均为24 V蓄电池提供,启动机工作过程中大电流造成蓄电池电压降至18 V以下,应急机控制器工作低电压,导致控制器工作失灵。
2.5.2 蓄电池严重老化
应急机投用至今,蓄电池已连续运行8年,已接近其使用寿命年限。蓄电池老化、容量下降、充电恢复速度慢,直接导致应急机启动次数下降,应急响应能力不足。
3 改造方案
确定应急机启动失败的主要原因,有针对性地制定整改方案,确保应急机启动系统改造完成之后,提升应急机启动系统可靠性及应急响应能力,改造方案如下:
①应急机控制系统改造,解决单组蓄电池供电启动瞬间电压低造成的控制系统失灵,机组无法启机。
②采用新技术、新能源(超级电容)替代现有老化蓄电池组,具有机组启动电源使用寿命更长、维护成本更低、充电速度更快、冷态启动能力更强等特点。
4 改造实施
4.1 控制系统改造
针对控制系统出现的问题、故障现象,结合图纸仔细分析,确定并实施控制系统改造方案。
4.1.1 控制系统增加蓄电池组
如图3所示,控制系统增加1组24 V、38 Ah蓄电池组,增加容量不超过蓄电池充电最大电流,机组启动时为控制系统提供稳定电压,正常情况下与电池组并联,同时由蓄电池充电器浮充供电。
4.1.2 控制系统增加单向导通二极管
如图4所示,控制系统24 V电源正极总进线侧增加二极管,单向导通容量能够满足对新增小容量电池组、就地/远程控制盘、PD BOX、电磁阀用电需求。二极管单向导通特性防止增加的小容量电池组在机组启动时给启动器供电,造成小容量电池组过度放电损坏,同时保证了控制系统电源供电电压稳定。
4.2 采用新能源超级电容装置
4.2.1 超级电容简介
超级电容是从20世纪七八十年代发展起来的通过极化电解质来储能的一种电化学元件,又称法拉电容,其容量范围高达1~10 000 F,而普通电解电容都是pF或µF级。它不同于传统的化学电源,是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源,主要依靠双电层电荷转移储存电能,但在其储能过程中并不发生化学反应,由于这种储能过程是可逆的,超级电容可以反复充放电数十万次。
4.2.2 超级电容装置组成
如图5所示,超级电容装置由机柜、超级电容模组、充电机、放电维护装置、监控单元等组成。
4.2.3 超级电容装置安装
如图6所示,超级电容装置安装于应急发电机室,为了规避新技术以及新能源——超级电容装置在使用过程中可能存在的不确定性因素,保留2号蓄电池组与超级电容启动装置共同用于应急机组启动,1号蓄电池组仅浮充隔离备用。
5 改造效果
5.1 验证控制系统单组蓄电池启机效果
应急机控制回路改造完毕,2套蓄电池组任1套单独启动应急机,应急机正常启动无任何报警。如图7所示,改造之后对控制回路内各电气元件检测正常,2组蓄电池充电器浮充电流与改造前无差异。如图8所示,启动瞬间控制系统电压波动范围减小,由28.8 V降至25.85 V。最低电压满足控制系统稳定工作要求。多次启机测试正常,控制系统无任何异常报警。
5.2 验证超级电容装置启机效果
超级电容装置安装完毕,检测装置各项数据满足启机测试要求。
启动测试前利用蓄电池组对应急机进行试启动,确认机组可正常启机无其他干扰因素,机组停机后冷却,该超级电容装置供电进行冷态启机性能测试。
5.2.1 机组冷态启动次数检测
断开超级电容装置220 V输入充电电源,测试超级电容容量最大可支持成功启机次数。按照机组启机运行5 min,停止5 min,再次启机,反复测试,测试数据见表1。
表1 超级电容装置启机测试数据Tab.1 Start-up test data of super capacitor device
现场实际测试,新安装超级电容装置在充电电源断电工况下,自身电容容量满足应急机成功启动6次(BV规范要求:对每台连接可调螺距螺旋桨的不可逆转主机或无反力矩而能启动的其他机械应能连续启动不低于6次)的需求,容量测试合格。
5.2.2 超级电容充电恢复时间测试
超级电容装置在无外部电源充电工况下,多次启动测试直至启动失败为止,超级电容恢复充电至满容量所需时间,测试结果见表2。超级电容装置在启动多次至亏电状态下,充电恢复至满容量状态仅需20 min,性能远优于镍镉蓄电池。■
表2 超级电容充电时间测试Tab.2 Super capacitor charging time test