超級電容啟動裝置在海上平臺的安裝測試及實際應用

張忠偉，賈俊松

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300452)

1 超級電容啟動裝置簡介

超級電容是在20世紀七八十年代發(fā)展起來的通過極化電解質(zhì)來儲能的一種電化學元件，又稱法拉電容，其容量范圍可達 1～10000F，而普通電解電容都是pF或μF級。它不同于傳統(tǒng)的化學電源，是一種介于傳統(tǒng)電容器與電池之間、具有特殊性能的電源，主要依靠雙電層電荷轉移儲存電能。但在其儲能的過程并不發(fā)生化學反應，這種儲能過程是可逆的，此等超級電容可以反復充放電數(shù)10萬次[1]。

應急機超級電容啟動裝置由機柜、超級電容模組、充電機、放電維護裝置、監(jiān)控單元等組成，具體如圖1所示。各組成部分簡介如下，主要技術參數(shù)見表1。

表1 主要技術參數(shù)Tab.1 Main technical parameters

圖1 超級電容啟動裝置組成圖Fig.1 Composition diagram of ultra-capacitor starting device

機柜外殼及結構件采用鍍鋅板材料；單模組由10只3000F單體串聯(lián)組成，模組可多個并聯(lián)安裝到機柜中，最多可并聯(lián) 6個模組[2]；充電機為恒流限壓方式，充電電流 30A，電壓 20～25.5V可調(diào)；設置維護放電裝置，以便檢修時放掉電容器中儲存的電量；裝置設置監(jiān)控單元，監(jiān)測電容電壓、充電電流、各個單模組的溫度，由觸摸屏實時顯示；各個參數(shù)可實時上傳至上位機；電容模組組合方式為螺栓固定連接。

2 海上平臺應急發(fā)電機安裝超級電容啟動裝置的安裝測試

海上平臺應急發(fā)電機安裝超級電容啟動裝置分3個階段進行：第 1階段超級電容啟動裝置就位安裝；第2階段超級電容啟動裝置接線調(diào)試；第3階段超級電容啟動裝置現(xiàn)場啟動應急發(fā)電機測試。

2.1 超級電容啟動裝置就位安裝

超級電容啟動裝置安裝于某海上平臺應急發(fā)電機間，具體安裝位置見圖2，為了避免超級電容在調(diào)試及試用階段出現(xiàn)問題，暫時保留 2號蓄電池組與超級電容啟動裝置共同用于柴油應急發(fā)電機啟動。1號蓄電池組只進行浮充備用，不用于應急發(fā)電機的啟動。

圖2 超級電容啟動裝置安裝就位圖Fig.2 Installation diagram of ultra-capacitor starting device

2.2 超級電容啟動裝置接線調(diào)試

將 1號蓄電池組與應急發(fā)電機啟動馬達相連線路接線至超級電容啟動裝置內(nèi)。另外，從應急 220V照明盤內(nèi)鋪設一根電源線至超級電容啟動裝置，為超級電容進行充電，具體接線見圖3所示。經(jīng)過現(xiàn)場測試，超級電容電量達到 100%充電時間約 30min。對超級電容裝置進行放電測試，完全放電時間約2h。

圖3 超級電容啟動裝置接線調(diào)試圖Fig.3 Wiring commissioning diagram of ultra-capacitor starting device

2.3 超級電容啟動裝置啟動應急發(fā)電機測試

2.3.1 測試過程

現(xiàn)場應急機啟動測試，現(xiàn)場相關人員確認應急機設備狀態(tài)正常后，使用 2號蓄電池組啟動應急發(fā)電機，啟機正常，運行5min后手動進行停機，準備對超級電容裝置啟動柜進行啟機測試。

檢查確認超級電容啟動裝置電量已經(jīng)達到100%，電壓達到額定電壓 25.5V，其他各項參數(shù)正常，沒有報警信息。將超級電容啟動裝置 220V充電電源進行分閘，對超級電容啟動裝置啟動應急發(fā)電機的啟動次數(shù)進行測試。

首次啟動后，超級電容啟動裝置出現(xiàn)過壓報警，且容量很快上升到 107%，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)異常情況后，立即對應急發(fā)電機進行停機。避免超級電容啟動裝置損壞。經(jīng)過分析，確認原因為應急發(fā)電機自身的輔助發(fā)電機在正常啟機后對超級電容啟動裝置進行反充電，造成超級電容啟動裝置超容量、超壓報警。

為避免超級電容啟動裝置反充電，現(xiàn)場決定摘除應急機輔助發(fā)電機出線，繼續(xù)進行測試。切斷超級電容啟動裝置220V充電機開關，在無外界充電電源的工況下進行應急機啟動測試，現(xiàn)場人員遠程啟動應急發(fā)電機。在啟機后穩(wěn)定運行 5min，觀測超級電容啟動裝置電壓變化，停機觀察 5min，再進行下一次啟動，如此循環(huán)。現(xiàn)場共成功啟動應急機4次，但第5次啟動失敗，沒有達到預期的連續(xù) 6次啟動要求(規(guī)范要求其連續(xù)啟動次數(shù)不能小于 6次)。具體測試結果見表2。

表2 測試結果Tab.2 Test results

2.3.2 測試結果分析

本次測試結果與在陸地進行的多次應急機啟動測試實驗有很大出入，詳細分析如下。

①陸地啟動測試機型為功率 1000kW 的康明斯QSK-50/K38機型，啟動馬達參數(shù)與平臺應急機一致，但不配備滑油泵。陸地測試時僅通過現(xiàn)場控制盤按鈕或鑰匙就可直接對機組進行啟動，而海上平臺應急機組配備滑油泵，在遠程控制盤發(fā)出啟機指令后，滑油泵啟動數(shù)秒后，啟動馬達開始動作啟機。當成功啟機后，滑油泵停止工作。通過現(xiàn)場測試，滑油泵運轉時電流達到 200～230A，持續(xù)時間為 5～7s，這一部分能量消耗需超級電容供電，而此部分能量通過計算與啟動馬達消耗的能量基本持平，致使啟機次數(shù)與陸地測試有很大區(qū)別(陸地測試能夠啟機13次)。

②平臺上測試時，在成功啟動應急機后，需持續(xù)運行5min，停機后需等待5min再進行啟動。由于此時應急機輔助發(fā)電機出線已被摘掉，同時超級電容啟動裝置220V充電電源處于分閘狀態(tài)，應急機現(xiàn)場控制盤、遠程控制盤內(nèi)部分元件無法從輔助發(fā)電機獲取電能，只能由超級電容來供電。從現(xiàn)場測試結果來看，在成功啟機和停機后等待這兩段時間內(nèi)超級電容電壓下降較快，如果運轉時間加長，勢必會影響超級電容電量，導致啟動次數(shù)的遞減。超級電容啟動裝置在陸地進行的啟機試驗中，機組成功啟動后，電壓、轉速達到額定值后即進行停機，待機組完全停止后再進行啟機試驗，整個過程較快，內(nèi)部元件對超級電容消耗較小，滿足海上平臺建造規(guī)范中連續(xù)啟動應急機的要求。同時陸地測試機組并無遠程控制盤等其他部件，所以在成功啟機后，超級電容模組電壓并未有太大的壓降，這也是導致此次測試結果與陸地試驗差別大的一個原因。本文附上陸地應急機啟動實驗超級電容電壓變化曲線圖作為參考，具體參見圖4、5。

圖4 超級電容啟動電壓隨啟動次數(shù)變化曲線圖Fig.4 Starting voltage curve of ultra-capacitor with starting times

2.3.3 超級電容啟動裝置在測試中發(fā)現(xiàn)的問題

①按照原設計，平臺應急機在成功啟機后，輔助發(fā)電機向本地控制盤、遠程遙控盤供電，同時給蓄電池組反充電。經(jīng)現(xiàn)場測試，輔助發(fā)電機輸出電壓為27.63V，而超級電容啟動裝置目前設計的額定電壓為 25.5V，最高電壓為27V。如使用超級電容啟動裝置啟動應急機，輔助發(fā)電機則會向超級電容啟動裝置反充電，進而導致超級電容過壓，造成設備損壞。同時，由于超級電容具有內(nèi)阻小的特點，在輔助發(fā)電機向超級電容充電時充電電流達到 111A，大于使用蓄電池的充電電流(50A左右)，而應急機輔助發(fā)電機輸出的電纜截面積為 10mm2，對超級電容啟動裝置反充電電流已超出了該電纜的承載能力[3]。

圖5 超級電容單次啟動電壓變化曲線圖Fig.5 Single starting voltage curve of ultra-capacitor

②超級電容啟動裝置支持充電情況下進行啟機，但是在拆除應急機輔助發(fā)電機出線的前提下和 220V充電器電源合閘情況下進行啟機，超級電容啟動裝置電壓還是呈下降趨勢，表明超級電容充電機充電功率要低于應急機現(xiàn)場控制盤、遠程控制盤、滑油泵消耗的功率，因此，應急機輔助發(fā)電機出線不能拆除。

③陸地進行測試時，超級電容電壓低于 13V之前都能正常啟動應急發(fā)電機，但是海上測試時，一旦低于 18V，應急發(fā)電機啟動就失敗了。主要原因是低壓 18V后達不到滑油泵的用電需求，無法進入正常工作狀態(tài)，應急發(fā)電機也就無法啟動。

④目前超級電容啟動裝置設計存在缺陷，應急機啟動后不能自動切斷 220V充電回路，需要手動分閘。如果對超級電容啟動裝置進行改造，則可以支持應急機輔助發(fā)電機反充電功能，否則在人為忘記手動切斷 220V充電機回路電源時就會出現(xiàn) 2路電源同時對超級電容啟動裝置充電的情況，將會損壞超級電容啟動裝置。

⑤目前超級電容啟動裝置設計無法使用應急機輔助發(fā)電機供電，需對超級電容啟動裝置內(nèi)部或外部充電線路進行相應改造，以滿足輔助發(fā)電機電壓和電流的要求。具體改造方案需查閱平臺應急機和超級電容相關資料，同時與各專業(yè)專家進行商討并制定合理的改造方案，以解決超級電容電壓和充電電流的問題，保證平臺應急機的正常啟動。

2.3.4 超級電容啟動柜改造建議

①對超級電容啟動裝置內(nèi)部進行改造，支持應急機輔助發(fā)電機反充電功能，要求既能滿足接受27.6V反充電電壓，又能降低反充電電流，否則需要更換反充電的電纜。

②同時需要考慮當反充電達到 100%容量時，如果繼續(xù)反充電，超級電容啟動裝置是否會損壞，能否增加相應的限定裝置，當容量達到 100%后及時切斷反充電回路。

③在支持應急機輔助發(fā)電機反充電后，設計能夠自動切斷220V充電機回路供電的功能，排除因人為因素造成設備損壞的風險。

④基于海上平臺柴油發(fā)動機都是類似的工作情況，如果能夠通過改造超級電容啟動裝置，并達到相應的改造建議要求，那么后續(xù)應用上才會更加擁有推廣價值。

3 結 論

超級電容啟動裝置按照上述整改建議，將對應電氣回路適當改造后已滿足現(xiàn)場應用要求，經(jīng)過近2年的實際運行驗證，廣泛應用到海上平臺應急發(fā)電機、柴油消防泵、柴油吊機的啟動裝置上，且效果良好。