電池在線檢測系統在海上石油平臺上的應用

唐 怡，陳 鑫，馮可梁，杜銀昌，張天儀

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

0 引言

網絡化、數字化、智能化是時代大潮，海上平臺自動化、數字化、智能化將會改變人們的生產操作方式，是未來的發展趨勢[1]。UPS系統作為整個海洋平臺中央控制系統的供電電源[2]，能夠在主電源斷電或電網故障時持續供電，主要負責給平臺通訊系統、中控系統等核心設備供電，是最重要的供電系統。在平臺發生斷電或者故障情況下，需要30min的應急電源，保證整個平臺的安全；導航系統，主要負責給平臺的導航燈、障礙燈以及霧笛系統供電[3]。在平臺主電源斷電的情況下，需要96h的應急電源，保證整個平臺的信號可視；當UPS失電，中控系統的歷史數據將全部丟失，造成平臺出現嚴重的經濟損失，并使通訊系統癱瘓，存在人員無法及時逃避的安全隱患；同時，導航系統失電，存在飛機及船只撞平臺的風險[4]。所以UPS系統及導航系統的后備電池的好壞，對平臺的生產及安全關系重大。

由于鎳鉻電池性能穩定、自放電少、密封、經濟等優點，在海上平臺上迅速代替其他類型電池[5]。廠家承諾電池至少有10年使用壽命，然而平臺上很少使用壽命超過8年的電池。這主要是蓄電池長期浮充運行后，出現因電池失水、負極板硫酸化、熱失控、正極板腐蝕等原因導致容量衰退[6]。蓄電池采用串聯成組方式運行，某一只電池的損壞將造成全電池組的失效，同時某只電池的故障會加速整組電池組中其他電池的老化。因此，準確識別蓄電池組中的失效電池并將其剔除出電池組，加強日常維護和監測管理非常必要[7]。

目前，海上平臺上對蓄電池組的管理主要采用定期維護的方式[8]。電池的海上運維有月檢、年檢兩種，每月的月檢檢查每節電池外形狀態，包括連接片清理除銹、單節電壓、整體電池組電壓檢查、電解液位檢查等，部分電池的容量下降等問題通過月檢無法發現問題；兩年一次的外委年檢，通過年檢UPS系統和導航系統，斷開電池檢查各項電壓內阻指標判斷是否需要更換，又因為兩年的檢查間隔較長，不能及時發現問題。這種維護方式主要存在如下缺點[9]：

1）維護工作量大，導致維護人員工作量很大。

2）無法及時掌握蓄電池組運行真實數據，并且數據無法進行系統地分析。

3）維護風險較高。

為了實時在線監測蓄電池的運行狀態及各項運行參數，對電池進行自我診斷，延長電池壽命，對蓄電池的單體電壓、組壓、單體內阻、電池內部溫度等重要參數進行在線監測，一旦發現某個參數有異常或其變化趨勢有異常時立即告警，使管理維護人員及時發現問題或潛在的隱患，及時進行處理，保證UPS系統及導航系統的可靠性與安全性。因此，電池在線監測系統的應用勢在必行，提高了關鍵系統的安全性[10]。

電池在線檢測系統的優勢在于相對于以往平臺的電池的管理，體現了以下幾方面的優勢：

a）提前預警即將失效的蓄電池，排除潛在的隱患，確保UPS系統和導航系統安全。

b）無需進行定期的內阻、電壓手工測量，減少人工時產生效益。

c）即時發現充電故障，延長蓄電池組壽命。

1 監測系統

電池在線檢測系統，監測內容包括電池的單體電壓、單體內阻、組壓、環境溫度及充放電電流，并配置監測軟件，遠程讀取并顯示數據，同時數據可接入到第三方監控系統中。

蓄電池組在線監測由主模塊與擴展模塊組成，每個模塊采集每節電池的電壓與內阻，通過電流互感器采集電池組充放電電流，主模塊讀取這些數據后進行分析處理并保存。通過主模塊查詢實時數據與告警記錄，也可設置所有運行參數。主模塊有多種通信接口，支持各種通訊協議，第三方監測系統可通過發送命令讀取實時與歷史數據。電池檢測系統的拓撲結構如圖1所示。

圖1 電池檢測系統拓撲圖Fig.1 Topological diagram of battery detection system

1.1 監測內容

單體電壓、單體內阻、組壓、充放電電流、環境溫度，電池內部溫度，連接條電阻。

1.2 設備固定

主模塊與擴展模塊可以被安裝在標準的網絡柜內，也可安裝在電池架上。

1.3 設備與電池間接線

電壓采集線與內阻采集線已在工廠預制好，施工時需通過采集線將電池連接到模塊上，每根采集線在電池端都帶有短路保護裝置。

1.4 模塊間接線

電池監測系統的主模塊與其擴展模塊可通過通信線纜連接，實現電源供給與數據傳輸。

1.5 顯示

電池監測系統的主模塊上帶液晶顯示，可以顯示并查詢所有實時數據及告警記錄，可以對任意時刻的運行參數進行設置。

電池監測系統配置專用的WINDOWS的監測軟件，可以訪問主模塊來讀取所有監測信號和數據，也可以接入到第三方監測設備中，在統一的監測平臺上集中顯示。

1.6 告警

當監測到蓄電池某個參數超過限定值時，主模塊的屏幕上會顯示告警內容，蜂鳴器響，進行保護及報警動作，使其對應干節點動作，并將干接點接到第三方監測系統上，實現統一平臺告警。

2 項目應用

渤海某海油平臺應用電池檢測系統，電池房間與UPS設備間距離為25m。由于海上平臺電池間空間狹小且電池數量多，H2密度高，被劃分為危險區域，故放在電池間的設備需滿足此區域的防爆要求。

2.1 主模塊與拓展模塊的安裝

為了避免防爆設備的增加，將主模塊放置在距離電池間25m的UPS設備間（非防爆區域），安裝在獨立網絡柜內，同時主模塊設置液晶顯示器對每塊電池的健康狀態進行實時監測。主模塊主要集中了采集、控制、顯示與上傳等功能。

與主模塊相比，拓展模塊沒有顯示、控制及上傳功能，一個拓展模塊只能監測一組電池，拓展模塊不能獨立工作，受控于主模塊。以本項目UPS系統電池為例，一套電池176塊，需要一個主模塊，8塊電池為一組，拓展模塊為22個。

2.2 電流互感器安裝

電流互感器應串在每兩塊電池間的連接電纜上，電流互感器上標示的方向應與蓄電池充電電流方向一致，電流互感器設計安裝在安全區域，所以無需防爆要求。

2.3 電壓及內阻采樣線

在連接蓄電池到主模塊或擴展模塊時，需先給電池編號及安裝采樣端子。內阻采集端子上有兩個引腳，一個用來連接電壓采集線，另一個連接內阻測試線。連接電壓采集線的端子頭上串接了一個電阻，連接內阻測試線的端子頭上串接了一個保險絲。保險絲在線路發生故障時會產生電火花，如果要放置在電池間需滿足防爆要求，所以將檢測電壓及內阻的電壓及保險絲放置在非防爆區域的主機側，同時監測精度滿足設備要求。

為了避免將測試原件放在防爆區域，連接其設備的線纜需要特制。對于電壓采集線處于電池間的部分，出廠時端子與線芯焊接并延長安全區后再焊接測試元件電阻，第二段線為主機與測試元件電阻的連接線；內阻采集線與電壓采集線類似。環境溫度線從電池間引出，串聯安全柵后再接到主機，主機放在安全區UPS設備間。因此，目前基于本項目特點的電池在線檢測系統方案如圖2所示。

圖2 本項目電池檢測方案Fig.2 The battery detection scheme of this project

2.4 環境溫度傳感器接線

環境溫度傳感器接口連接主模塊上。溫度探頭最好在蓄電池上方固定，確保更準確的測量環境溫度，將測溫模塊串聯安全柵，成為本質安全電路，將電壓電流限制在一定安全范圍內。

目前電池在線檢測系統已經投入使用，系統可實現如下功能：

1）對電池進行實時狀態監測，可以防止因電池故障導致的任何計劃外的斷電，并可適當地進行預知性的電池維修，最大限度地延長電池的壽命。

2）預知性的維修可以讓維護人員有預先計劃的工作，可以配合整體檢修計劃，降低電池斷電對平臺的影響。

3）電池在線監測系統可以協助平臺了解電池的實時健康狀況，保證蓄電池在關鍵時刻能夠正常運行，并發揮其作用。

4）后臺系統可以顯示所有監測數據，可通過數據表格、曲線及柱狀圖的方式體現，至少可以保存兩年的完整數據。

5）電池在線監測系統的應用降低了月檢運維時對電池檢查的工作量，減少人工成本，為今后的智能化無人平臺提供設計借鑒。

3 結論

為了降低海洋石油平臺因電池故障導致的停電、停機、著火等安全事故概率，并結合本項目UPS及導航系統后備電池的特性進行分析研究，在國內首次海上平臺設計中對每塊電池進行電壓及內阻的在線檢測。此系統需具備總體控制功能、電壓探測、電流探測、電解液比重探測、單電池內阻探測、溫度探測、信息匯總分析功能、故障預警功能、信息傳遞等功能。本次電池在線檢測系統的應用相對于以往平臺的電池的管理，進行了實時、智能、全面、精準的監測。

實時：通過實時性（在線）監測，區別于以往項目通過充放電管理電池的健康狀態，本項目實現了及時發現故障電池。

智能：通過各項參數記錄分析電池趨勢，判斷故障電池并發出預警，預留儀表報警點輸出。并且通過不同數量硬件，實現了滿足可以監控單塊電池級別或者到幾塊電池的不同運維需求。

全面：增加的模塊收集每塊電池內阻、每塊電池端電壓、電池組總電壓、電池組總電流和電池溫度，保證了有效分析電池狀態，有著比以往平臺月檢項目更多的數據支持。

精準：通過全面的狀態收集以及智能分析，及時找出故障電池。

作為海洋平臺電力系統的重要組成部分，蓄電池的實時在線監測系統對保證平臺設施、人員安全有著至關重要的作用。