UPS蓄電池在線監測系統在石油生產系統中的應用

李興進

（中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057）

0 引 言

在海上的石油裝置中為了保證油田的生產和安全，使用不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）系統為油田中重要的中控系統、通信系統、火氣報警和消防系統、應急關斷系統以及電力控制盤的操作系統提供恒壓恒頻不間斷供電的電源，是保障油田安全生產中非常關鍵的設備[1]。

目前，海上石油裝置的UPS 蓄電池采用人工月檢和日常巡檢的方式進行維護。該方式的缺點是受到人的經驗和技能水平影響大，沒有實時精確的數據不能第一時間準確反映蓄電池容量、內阻的變化情況，甚至由于檢查不及時出現蓄電池發熱過大引起火災的情況。海上石油生產裝置是高危場所，現場的任何火災隱患都可能導致很嚴重的事故后果，因此保證生產場所的安全尤為重要。

1 UPS 電池在線監測系統介紹

為了進一步提高海上石油裝置的UPS 供電系統的可靠性，采用的是2 臺UPS 并聯在一起使用。其中，UPS1有168 顆1.2 V、600 Ah 的鎳鉻電池；UPS2有36 顆12 V、144 Ah 的鉛酸電池，鉛酸電池是由2組18 顆電池進行串聯后并聯。蓄電池在線監測系統可以保障海上石油生產裝置的UPS 系統的蓄電池正常工作。

蓄電池的在線監測系統具有多語言菜單顯示，利用觸摸屏進行參數設置和查詢信息；系統的配置簡單，操作容易。同時，該系統所有的報警數據都能夠記錄下來，通過查詢故障記錄鎖定蓄電池的故障。此外，該系統提供可通過 RS485 接口和遠端設備進行通信實現“遙測”“遙信”等功能。

2 蓄電池的介紹

該石油生產裝置的UPS 有2 種型號的蓄電池，分別是鎳鉻電池和鉛酸蓄電池。鎳鉻蓄電池的型號：KPM600P，電壓為1.2 V，容量為600 Ah，廠家為HBL。鉛酸蓄電池的參數如下：型號為SB140FR，電壓為12 V，容量為144 Ah，廠家為HOPPECKE。如果要做到對蓄電池更有效的保護，就必須對蓄電池的原理和保養方面做更為詳細的了解。

2.1 鎳鎘蓄電池的特性

鎳鉻蓄電池的優點：鎳鎘電池可重復充電多次使用，可以比較長時間提供電壓穩定的大電流的輸出，而且內阻比較小；對比市售的多種電池，鎳鎘蓄電池在過充電耐受力、過放電能力方面性能優，儲存壽命長而且限制條件少。

鎳鉻蓄電池的缺點：鎳鎘電池價格較高，具有記憶效應；鎳鉻蓄電池的性能由于記憶效應的無法充分發揮，蓄電池的使用時間大幅縮減。因此，鎳鉻蓄電池需要合理的監管、保養和充放電。

2.2 鉛酸蓄電池的特性

鉛酸蓄電池的優勢：鉛酸蓄電池是使用范圍最廣的蓄電池，設備的起動蓄電池，大容量電能的儲能等場合主要使用鉛酸蓄電池；電池售價低，技術成熟、在高溫和低溫條件下使用性能穩定可靠，可回收利用率高，市場競爭優勢明顯。

鉛酸蓄電池不足之處在于重復壽命偏短，能量密度較低。電池的制作原料毒性偏大，如鉛易造成各類加工污染、毒害環境，若對此種電池處理不當則會影響生物體健康[2]。

2.3 蓄電池的保養

定期檢查各蓄電池的電壓和內阻，12 V 鉛酸蓄電池如果在檢查中發現端電壓差超過0.4 V 或內阻超過80 mΩ 時，就應該對故障的蓄電池進行修復處理或者更換。狀態不良的蓄電池會導致蓄電池組電壓不平衡，如果不能第一時間發現和處理，就會進一步影響相關聯蓄電池的性能，從而導致系統的容量降低，縮短UPS 應急時的工作時長。對于鎳鉻堿性電池，如果檢查發現單元電池的浮充電壓低于1.35 V，建議對相關的蓄電池進行大電流的充電，電壓偏差比較大的建議進行更換。

蓄電池進行充電和放電，系統長期停機未使用的蓄電池在重新使用之前，應首先對蓄電池充電，或對此種電池進行浮充后帶載，浮充時間要長于10～12 h。UPS 的蓄電池一般都是長時間處于浮充的狀態而很少放電，所以UPS 的蓄電池使用的越久，電池內阻就會逐漸的變大，容量逐漸的下降，進而導致此種電池損壞，損壞原因是存放時間過久。因此，最好定期對UPS 的蓄電池進行放電。蓄電池放電大約10 min 左右，負載為額定輸出的1/3 左右。海上石油裝置也會定期將UPS 的蓄電池斷開，外接充放電設備對蓄電池進行深度的充放電。

電池環境溫度的影響，通常所處環境的溫度會影響蓄電池的容量大小，小于20 ℃時，會造成其容量變小，大于20 ℃時，會造成其容量稍微變大。蓄電池容量大小不僅與所處溫度環境有關，也與廠商制作電池型號類型及廠商的不同有關，一般蓄電池的儲存環境溫度是+10 ～+30 ℃，這個范圍內蓄電池的性能最佳，使用壽命最長。海上生產裝置的蓄電池存放區域環境溫度較高，常年的溫度都是+30 ℃左右，對蓄電池的壽命和安全運行有較大的隱患。

保證環境的通風，蓄電池在充電的過程中，蓄電池會釋放氣體（含有可燃性氣體氫氣）。雖然UPS的蓄電池正常的浮充時，揮發出來的氣體比較少，但是需要保證一定的通風量。尤其是海上油氣生產的高風險作業環境的特殊性，蓄電池間一般都定義為1 類危險區。蓄電池間管理尤為重要，保證蓄電池間的通風將可燃氣體排出，保證蓄電池間的可燃氣體濃度遠小于處于爆炸下限。

堿性電池保養的其他注意，定期檢查電解液液位，如果發現液位低于下限，就需要使用蒸餾水或去離子水補液。如果液位過高也會有溢出的風險，也要及時的處理。

通過上面的分析：無論是堿性電池還是酸性電池，在日常的檢查中，單體蓄電池的電壓、內阻、溫度都是非常關鍵的數據。通過這3 個參數的變化就可以動態的分析和發現蓄電池的狀態、健康狀態，為用戶提供保養、檢修和更換蓄電池的建議，進而保證UPS 系統的穩定性[3]。

3 系統的關鍵技術

蓄電池電壓、電流和溫度的檢測，單個鉛酸蓄電池的電壓一般是12 V，單個鎳鉻蓄電池的電壓一般是1.2 V，電壓都不是很高，一般都可以直接采樣電壓到系統。蓄電池的電流一般都是通過電流互感器，將比較大的電流轉換為小的電流，再輸入監測模塊。溫度的監測通過在蓄電池的表面加裝溫度傳感器實現。溫度傳感器一般都是使用貼片式的溫度傳感器。油田的蓄電池在線監測系統采用的溫度傳感器是表面熱電阻傳感器，其熱質量非常的低，50 ms 左右的時間就可以反饋表面溫度到系統。

蓄電池內阻的檢測，蓄電池的在線內阻測試一般都采用交流測試的方法。首先處理蓄電池兩側端點，分別連接交流電壓信號，并明確該信號的頻率、振幅，利用測量設備獲取和電壓同相位下，交流電流顯示出的數值，此時可獲取電池內阻數據信息，求算方法為交流電壓/交流電流。交流測試的方法簡單，也不會對正在使用的設備造成影響，這種方法的安全性能高，符合油田現場的使用要求。

通過大量的試驗證明，當蓄電池隨著使用時間的增加，逐漸老化，容量逐漸降低時，內阻值會逐漸增大。通過在線實時監測蓄電池的內阻變化的情況，就可以發現容量降低的蓄電池，也可以反映出蓄電池組的整體老化情況，從而達到預先發現蓄電池的問題進行針對性的維護和處理目的。目前，普遍采用的標準是當蓄電池容量小于80%時，就需要更換UPS 的蓄電池，以提高UPS 系統的可靠性。

4 UPS 電池在線監測系統設計

海上的石油裝置設計和安裝的蓄電池管理系統組成的原理如圖1 所示。通過蓄電池巡檢模塊和上位機進行通信，將檢測到的蓄電池電流，電壓和環境溫度上傳到上位機。蓄電池的在線監測系統還留有通信的接口，可以和其他的監控系統進行通信，實現異地擴展的監控。

圖1 蓄電池管理系統組成原理

蓄電池巡檢模塊用于采集單體電池的端電壓、電流，電池使用的環境溫度，蓄電池巡檢模塊的原理如圖2 所示。

圖2 蓄電池巡檢模塊

蓄電池的在線監控系統的數據通過上位機的存儲和計算，可以獲取蓄電池電壓相關數據，生成單體柱狀圖，整組電池的折線圖等，從而輕松地查找到相關蓄電池的端電壓、內阻、充放電的電流、整組電池的端電壓等數據。系統一旦發現參數有異常變化或者參數的變化趨勢異常時，就立即發出報警，管理維護人員進而進行分析、檢查和處理，保證整個UPS 系統的可靠和安全運行。單體電壓、整組電池電壓、單個蓄電池的內阻等參數，都可以設置報警的限值，當超限時就會自動報警。

5 現場的使用情況

在蓄電池在線監測系統投用后測得該UPS 的1號鎳鉻蓄電池的平均內阻2.10 mΩ 左右，2 號鉛酸蓄電池平均內阻8.60 mΩ 左右（部分蓄電池內阻如表1所示）。同時，測試發現，每年對蓄電池組進行充放電重新激活后，2 組蓄電池的平均內阻值都略有下降。分析數據信息可得，環境溫度數值的不同影響蓄電池內阻大小，冬季平均溫度25 ℃的電池內阻比夏季平均溫度30 ℃內阻高0.3 mΩ 左右。

表1 鉛酸蓄電池的內阻

蓄電池在線監測系統投用一段時間后產生了報警，觀察得知，UPS2 第1 組11#蓄電池內阻突然升高，從7.97 mΩ 增大到9.96 mΩ。對其展開放電測試處理，實驗結果表明其在放電率為10C 的情況中，120 min電壓變為9.9 V，表現為降低，容量小于20%，后來又多次進行充放電的激活，最后的容量顯示不足額定容量的50%，表明其被損壞。更換為新蓄電池，系統測得內阻在8.02 mΩ 左右，數值信息與其他蓄電池內阻的數值極為接近，幾乎等同。通過這個案例說明該系統的實用性，符合現場的使用要求。

6 結 論

海上的石油裝置的蓄電池在線監測系統的使用，能夠有效地監控蓄電池的工作情況，及時發現個別蓄電池早期惡化的情況，為后期的蓄電池維保和檢修提供有效的數據支持，及早地消除蓄電池運行中的隱患。該系統對相關的電壓、電流、溫度、內阻都設置了報警閾值，當蓄電池出現異常可以進行聲光報警，同時系統記錄了蓄電池的長期運行數據。該系統的設計和實施比較方便，在海上石油裝置具有普遍的推廣價值。