CC BY
98ПЕРСПЕКТИВЫ СОЗДАНИЯ ЭФФЕКТИВНЫХ СИСТЕМ ПОСТОЯННОГО ТОКА ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ОБЪЕКТОВ НА БАЗЕ СОВРЕМЕННЫХ АККУМУЛЯТОРОВ
УДК 621.355
A.А. Шаповало, к.т.н., ПАО «Газпром» (Санкт-Петербург, РФ), A.shapovaio@adm.gazprom.ru Т.Ф. Коноплев, ПАО «Газпром», T.Konoplev@adm.gazprom.ru
B.Ф. Югай, к.т.н., ПАО «Газпром», V.Yugay@adm.gazprom.ru
В.Н. Толмачев, д.т.н., АО «Газпром промгаз» (Санкт-Петербург, РФ), V.Tolmachev@spb.oao-promgaz.ru Л.А. Устименко, ООО «Системы Постоянного Тока» (Новосибирск, РФ), Larisa.Ustimenko@systemct.ru
В статье рассмотрены особенности построения и функционирования систем постоянного тока производственных объектов с использованием свинцово-кислотных аккумуляторов, имеющих ряд существенных недостатков. Приведена классификация основных типов аккумуляторов для стационарного применения. В качестве альтернативы для систем постоянного тока производственных объектов предложено использование литий-ионных аккумуляторов. Отмечены их преимущества, основные типы и характеристики. Литий-ионные аккумуляторные батареи имеют большую удельную энергоемкость и дают более высокое напряжение на одном элементе. Их недостаток - высокая цена. Проведенный анализ характеристик основных типов литий-ионных аккумуляторных батарей показал, что в системах резервного электропитания, а также в системах накопления энергии наиболее целесообразно использование батарей на основе литий-железо-фосфатных аккумуляторов. Результаты сравнительного анализа параметров свинцово-кислотной и литий-железо-фосфатной аккумуляторных батарей напряжением 220 В свидетельствуют о значительных преимуществах батареи на базе литий-ионных аккумуляторов. Выполнен анализ состояния разработки нормативно-правовых документов в области литий-ионных аккумуляторов.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: АККУМУЛЯТОРНАЯ БАТАРЕЯ, БЕЗОПАСНОСТЬ, ЕМКОСТЬ, ЛИТИЙ-ИОННЫЙ АККУМУЛЯТОР, РЕСУРС, САМОРАЗРЯД, СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫЙ АККУМУЛЯТОР, СИСТЕМА ПОСТОЯННОГО ТОКА, УДЕЛЬНАЯ ЭНЕРГОЕМКОСТЬ.
Системы постоянного тока (СПТ) используются на производственных объектах для обеспечения питанием электроприемников, относящихся по надежности электроснабжения к особой группе первой категории, бесперебойная работа которых необходима для безаварийного останова производства в целях предотвращения угрозы жизни людей, взрывов, пожаров и повреждения дорогостоящего основного оборудования (например, газоперекачивающих агрегатов (ГПА), автоматизированной системы управления и т. д.) [1, 2].
В настоящее время надежная работа СПТ, особенно в аварийных режимах электроснабжения, способствует устойчивой реализации основных технологических процессов добычи, транспорта, хранения,
переработки и использования газа, что повышает живучесть и промышленную безопасность производственных объектов в целом. Однако внедрение современного высокоэффективного технологического оборудования (энергоэффективных ГПА, современных систем автоматического мониторинга, контроля и управления, защиты, связи и т. д.) на производственных объектах Общества постоянно ужесточает требования, предъявляемые к надежности электроснабжения такого оборудования, а также к электроснабжению потребителей особой группы первой категории надежности. В связи с этим для обеспечения непрерывно повышающегося уровня надежности электроснабжения современного технологического оборудования
необходимо своевременное и адекватное изменение существующих технических решений СПТ на основе высокоэффективных технологий, устройств и систем аккумулирования энергии и методических рекомендаций по их применению, а также основных положений нормативных документов и, в частности, действующего СТО Газпром 2-1.11-192-2008 «Положение о построении и организации эксплуатации систем централизованного электропитания постоянным током на объектах ОАО «Газпром» [3].
Изменение существующих технических решений СПТ обусловлено потребностью снижения затрат на электроснабжение ответственных потребителей и повышения показателей энергетической эффективности СПТ производственных
A.A. Shapovalo, PhD in Engineering, PJSC Gazprom (Saint Petersburg, Russian Federation), A.Shapovalo@adm.gazprom.ru
T.F. Konoplev, PJSC Gazprom, T.Konoplev@adm.gazprom.ru
V.F. Yugai, PhD in Engineering, PJSC Gazprom, v.Yugay@adm.gazprom.ru
V.N. Tolmachev, Doctor of Engineering, JSC Gazprom promgaz (Saint Petersburg, Russian Federation),
V.Tolmachev@spb.oao-promgaz.ru
L.A. Ustimenko, Current Transformation Ltd. (Novosibirsk, Russian Federation), Larisa.Ustimenko@systemct.ru
Effective direct current power supply systems based on new type of batteries for industry: development prospects
The paper outlines specifics of development and operation of direct current power supply systems for industry facilities that use lead-acid batteries with serious shortcomings. The authors classify the main types of accumulators designed for stationary application. Lithium ion batteries are suggested as alternative to direct current power supply systems for industry facilities. The paper figures out their strong sides, basic types and parameters. Lithium ion batteries have big density of storage energy and provide higher voltage per one element. High price is their weak point. Performed analysis of parameters of the basic types of lithium ion batteries has indicated that it is reasonable to use lithium iron phosphate batteries in backup power supply systems and energy storage systems. Comparative analysis of lead-acid and lithium iron phosphate 220 V batteries strongly favours for batteries based on lithium ion accumulators. The authors also analyzed the current status of legislation in the field of lithium ion batteries.
KEYWORDS: ACCUMULATOR BATTERY, SAFETY, CAPACITY, LITHIUM ION BATTERY, RESOURCE, SELF DISCHARGE, LEAD-ACID ACCUMULATOR, DIRECT CURRENT SYSTEM, STORAGE ENERGY DENSITY.
объектов, в том числе за счет использования нового высокоэффективного оборудования и устройств аккумулирования энергии, а также методологически обоснованного его выбора. Перспективными направлениями применения СПТ представляются также внедрение на производственных объектах интеллектуальных систем энергоснабжения и возобновляемых источников энергии (ВИЭ), эффективное использование которых невозможно без современных систем аккумулирования энергии.
СУЩЕСТВУЮЩИЕ СПТ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ОБЪЕКТОВ
В настоящее время на производственных объектах наибольшее распространение получили системы аккумулирования с применением различных типов стационарных свинцово-кислотных, никель-кадмиевых (реже встречаются системы железо-никелевого типа) и литий-ионных аккумуляторов (ЛИА).
Классификация основных типов аккумуляторов для стационарного применения приведена в табл. 1 [4-12].
Сегодня основной тип аккумуляторов, используемых для создания
Рис. 1. Внешний вид свинцово-кислотной аккумуляторной батареи напряжением 220 В Fig. 1. Configuration of 220 V lead-acid accumulator battery
СПТ производственных объектов, -свинцово-кислотные. Внешний вид свинцово-кислотной аккумуляторной батареи(АБ)показан на рис. 1.
Функциональные схемы и структуры СПТ производственных объектов зависят от характера нагрузки, комплектации АБ и имеют много разновидностей и вариантов исполнения. Функциональные схемы подземных хранилищ газа, до-жимных компрессорных станций разрабатываются индивидуально для конкретного типа ГПА с учетом состава потребителей и их технических характеристик.
В существующих централизованных СПТ, как правило, используют следующие основные уровни рабо-
чих напряжений постоянного тока: 24 (27) В, 110 (121) В и 220 (242) В.
Типовая схема централизованной СПТ напряжением постоянного тока 220 В компрессорного цеха (КЦ), представленная на рис. 2, выполнена структурно и функционально с учетом требований СТО Газпром 2-1.11-192-2008 [3].
Схемно-технические решения СПТ обеспечивают:
- сохранение питания ответственных электроприемников во всех режимах работы СПТ;
- подключение АБ к каждой из двух секций щита постоянного тока (ЩПТ) через отдельный аппарат защиты;
- подключение входных цепей зарядных устройств (ЗУ) к одной из секций щита собственных нужд, а цепей выхода - на разные секции ЩПТ через отдельные аппараты защиты;
- возможность вывода в режим технического обслуживания одной из секций ЩПТ для проведения безопасного проведения регламентных работ;
- питание микропроцессорных устройств управления и защиты (основных и резервных) от разных секций ЩПТ;
Таблица 1. Основные типы стационарных аккумуляторов Table 1. Basic types of stationary accumulators
Тип аккумулятора Accumulators type AGM, Gel (свинцово-кислотный малообслужи-ваемый) AGM, Gel (lead-acid nonspillable) NiCD (никель-кадмиевый) NICD (nickel-cadmium) NiMH (никель-металлогид-ридный) NiMH (nickel metal-hydride) Li-Ion (литий- ионный) Li-Ion (lithium ion) Li-Pol (литий-полимерный) Li-Pol (lithium polymer)
Напряжение на элемент, В Voltage per element, V 2,0 1,2 1,2 3,2-3,9 3,6
Удельная энергоемкость, Втч/кг Storage energy density, W.h/kg 30-40 40-60 30-80 100-260 130-265
Удельная энергоплотность, Втч/л Power density, Wh/I 60-75 50-150 140-300 250-360 ~300
Максимальное число циклов «заряд/разряд» Maximum number of «charge/discharge» cycles 200-1200 2000-8000 500-1000 2000-30 000 1000-20 000
Самозаряд за месяц, % Self-charge per month, % 3 10-30 30 3-5 ~5
Минимальное время заряда, ч Minimum charge time, h 8-16 1 2-4 2-4 2-4
Диапазон рабочих температур, °С Range of working temperatures, °С -10...45 -50...70 - 20.60 -20.60 -20.60
Пиковый ток нагрузки (в долях от емкости), С Peak point load current (in fractions of density), C 5 20 5 2.24 >2
Оптимальный ток нагрузки (в долях от емкости), С Optimum load current (in fractions of density), C 0,2 1 0,5 1.4 <1
Эффект памяти Memory effect Отсутствует No Присутствует Yes Присутствует Yes Отсутствует No Отсутствует No
Срок службы, лет Service life, years 12-25 20 20 15-25 Нет данных No data
Устойчивость к перегреву Resistance to overheating Очень низкая, каждые 10 °С снижают срок службы в 2 раза Very low, service life decreases by 2 times per each 10 °С Высокая High Высокая High Средняя Medium Средняя Medium
Устойчивость к глубокому разряду Resistance to overdischarging Очень низкая Very low Высокая High Высокая High Низкая low Нет данных No data
Устойчивость к перезаряду Resistance to recharging Низкая Low Средняя Medium Низкая Low Очень низкая Very low Очень низкая Very low
- учет требований электромагнитной совместимости за счет подключения силовых толчковых нагрузок и микропроцессорных устройств управления и защиты к отдельным силовым шинам и шинам управления;
- надежное питание потребителей шин управления в СПТ уста-
новкой на вводе стабилизирующих устройств DC/DC, снижающих негативные последствия от токов короткого замыкания.
Существующие СПТ производственных объектов часто представляют собой разрозненный набор оборудования различных производителей и поставщиков:
АБ, выпрямительно-зарядных устройств, ЩПТ, конверторов и т. д.
При несомненных эксплуатационных достоинствах, таких как безотказность, длительный срок службы (при соблюдении правил эксплуатации - до 20 лет), свинцово-кислотные аккумуляторы обладают и недостатками [5, 6]:
А11 - Контроллер А8 - Светодиодное табло
A11 - Controller сигнализации
А10 - Панель управления A8 - LED alarm display
A10 - Switchboard А7 - Светодиодное табло
А9 - ЖК-индикатор сигнализации
A9 - LCD display A7 - LED alarm display
Рис. 2. Схема электрическая принципиальная щита ЩПТ 220 В компрессорного цеха Fig. 2. Electric schematic diagram. DC 220 V board in compressor room
- выделение водорода в процессе заряда аккумуляторов определяет ряд требований к размещению и обустройству соответствующей инженерной инфраструктуры специальных помещений;
- необходимость организации непрерывного контроля состояния аккумуляторов и периодического их обслуживания;
- продолжительные послеава-рийные процессы восстановления емкости аккумуляторов.
ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛИТИЙ-ИОННЫХ АККУМУЛЯТОРОВ И БАТАРЕЙ
Альтернативой свинцово-кис-лотным в настоящее время становятся литий-ионные и другие современные аккумуляторы.
Основные преимущества ЛИА [13]:
- высокая удельная энергоемкость;
- отсутствие выделений вредных и пожароопасных веществ;
- низкие значения внутренних сопротивлений, обеспечивающие
Рис. 3. Внешний вид литий-ионной АБ 380 Ач (тип LT-LYP 380-70 шт.) в составе СПТ 220 В
Fig. 3. Configuration of lithium ion accumulator battery 380 A.h (type LT-LYP 380-70 pieces) as part of 220 V DC system
прием более высоких пиковых нагрузок;
- сокращенное время послеава-рийного восстановления емкости аккумуляторов;
- увеличенный ресурс (в циклах «заряд - разряд»);
- низкие значения массогаба-ритных показателей;
- возможность дистанционного контроля параметров аккумуляторов и увеличенные периоды межремонтного обслуживания;
- более низкие эксплуатационные затраты на обслуживание АБ;
- потенциально высоким экономический эффект от внедрения (не менее 15-18 % по сравнению с традиционной СПТ на базе свин-цово-кислотных аккумуляторов).
Современные ЛИА имеют множество подтипов, основное различие которых заключается в составе катода (отрицательно заряженного электрода). Также может изменяться состав анода до полной замены графита или использования графита с добавлением других материалов.
Внешний вид литий-ионной АБ в составе СПТ 220 В продемонстрирован на рис. 3.
В табл. 2 представлены основные типы и характеристики ЛИА [5, 11-14]. Сравнение энергетических характеристик ЛИА по отношению к свинцово-кислотным (Lead acid) и никель-кадмиевым приведено на рис. 4. Из рис. 4 видно, что по -давляющее большинство типов ЛИА имеет более высокие показатели энергетической эффективности.
99908577
ГАЗОВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
№ 6 | 785 | 2019 г.
Таблица 2. Основные характеристики ЛИА
Table 2. Main parameters of lithium ion accumulator battery
= 2 = '*
"Г "Г
о о^
CL Q. Ч
Ü
UOU3
oŒo =
— ^ cî — —
d"Q.O LL°LL£ —I-&—IŒ
<Ю<.£2
Uq^O
Номинальное напряжение элемента, В
Nominal element voltage, V
3,7
3,9
3,7
3,2
3,6
2,4
Оптимальная глубина разряда, %
Optimum depth of discharge, %
85-90
85-90
85-90
85-90
85-90
85-90
Допустимая глубина разряда, % Acceptable depth of discharge, %
100
100
100
100
100
100
Циклический ресурс, D.O.D. 80 %
Cyclic life, D.O.D. = 80 %
700-1000
1000-2000
2000-8000
2000-3000
1000-2000
3000-8000
Оптимальная температура, °С Optimum temperature, °С
20...30
20...30
20.30
20.30
20.30
20.30
Диапазон рабочих температур,
°С
Range of working temperatures, °С
-10.60
-10.45
-10.55
-10.60
-10.55
-10.45
Срок службы, лет, при 20 °С Service life, years, under 20 °С
5-7
10
10
20-25
20-25
18-25
Саморазряд в мес., % Self-discharge per month, %
3-5
3-5
3-5
3-5
3-5
3-5
Максимальный ток разряда, С Maximum discharge current, C
10
25-30
10
Максимальный ток заряда, С Maximum charge current, C
0,7-1
0,7-1
0,7-1
0,7
Минимальное время заряда, ч Minimum charging time, h
2-3
2-2,5
2-3
2-3
2-3
2-3
Требования к обслуживанию Service requirements
Нет No
Нет No
Нет No
Нет No
Нет No
Нет No
Удельная энергоемкость, Втч/кг Storage density, W.h/kg
200
140
200
100
250
70
Безопасность Safety
Средняя Medium
Высокая High
Высокая High
Очень высокая Very high
Средняя Medium
Очень высокая Very high
Токсичность Toxicity
Низкая Low
Экологически
чистый
Eco-friendly
Низкая Low
Экологически
чистый
Eco-friendly
Низкая Low
Низкая Low
Область применения Application area
Для портативных приложений Pocket size applications
Электроинструмент Electric tools
ИБП, СПТ, СНЭ UPS, DCS, NEA
ИБП, СПТ, СНЭ UPS, DCS, NEA
Электрооборудование Electric equipment
ИБП, СПТ, СНЭ
UPS, DCS, NEA
Уровень стоимости Cost level
Высокий High
Средний Medium
Средний Medium
Низкий Low
Средний Medium
Высокий High
1
2
1
1
1
280
240
200
о> 160
S 120
oU 40
0
Lead Acid NiCd NiMH LTO
LMO NMC LCO NCA
Рис. 4. Сравнение энергетических характеристик различных типов аккумуляторов [15]
Fig. 4. Comparing power parameters of different accumulators [15]
со аз 2000
CI 0= ё-
ш ai Е> 1500
о
о. ш : 1 1000
m
s =г 5? 500
5 аз
з- Е 0
Ни ^10 ip (ЛОВ h мосгь АБ
ч Nu Tiber о cycle! АЕ сарас ity
** s'
Небес опасн ая обл< сть
Unsafe 1 area
1
4,1 4,2 4,3 4,4 Напряжение заряда, В Charge voltage, В
4,5
130
110
90
70
50
Рис. 5. Зависимость срока службы АБ в циклах «заряд/разряд» и емкости АБ от напряжения заряда
Fig. 5. Correlation between AB service life in «charge-discharge» cycles, AB capacity and charge voltage
Как показал проведенный анализ основных типов литий-ионных АБ, для применения в системах резервного электропитания(СПТ, источники бесперебойного питания (ИБП)), а также в системах накопления энергии (СНЭ), литий-железо-фосфатные батареи подходят наилучшим образом по большинству параметров сравнения.
Анализ параметров свинцово-кислотной и литий-железо-фосфатной АБ напряжением 220 В, обеспечивающих автономное питание нагрузки 360 А в течение не менее 30 мин, представлен в табл. 3 [14, 16].
Следует также отметить, что вопросы эффективности применения литий-железо-фосфатных АБ в системах оперативного постоянного тока (СОПТ) напряжением 110 В, 220 В распределительных подстанций электросетей подробно рассмотрены в статье [17], рекомендации по эксплуатации литий-ионных элементов в составе АБ приведены в работе [18].
ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ СОВРЕМЕННЫХ АККУМУЛЯТОРОВ И АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ
Основные энергетические показатели для различных типов аккумуляторов, а также сложившееся соотношение стоимости единицы накапливаемой и передаваемой энергии с учетом цен АБ различных систем и конструктивного исполнения показаны в табл. 4 [5].
Литий-ионные АБ при примерно одинаковом весе одного элемента имеют большую удельную энергоемкость, превосходя никель-кадмиевые аккумуляторы в 4-5 раз, а никель-металлогидридные -в 3-4 раза, и дают более высокое напряжение на одном элементе. Например, напряжение элемента наиболее распространенных потребительских форматов у ЛИА составляет 3,6 (3,2) В, что в три раза больше, чем у никель-кадмиевых и никель-металлогидридных элементов. Следовательно, там, где прежде требовались батареи
из двух или трех элементов, теперь можно использовать только один.
Главный недостаток ЛИА - высо -кая цена. Однако рынок литиевых элементов и батарей малой емкости, цена которых по определению не может быть существенной, постоянно расширяется, появляются новые области их применения, поэтому ЛИА сегодня считаются одними из наиболее перспективных.
Данные о сроках службы, ресурсе и саморазряде аккумуляторов различных электрохимических систем и основных конструктивных исполнений приведены в табл. 5 [5].
В среднем ресурс работы ЛИА составляет 2000-3000 циклов при глубине разряда 80 %. Саморазряд данного типа аккумуляторов - 3-5 % в первый месяц,
затем уменьшается. За год аккумулятор теряет 5-10 % емкости. Также ЛИА имеют потери емкости в разы меньше, чем потери у никель-кадмиевых аккумуляторов.
Режим постоянного подзаря-да батарей характерен для стационарных систем аварийного электроснабжения. В этом режиме использования АБ полный разряд аккумуляторов с последующим зарядом крайне редок, но батарея постоянно подзаряжается для компенсации саморазряда. Для ЛИА это самый тяжелый режим. Он требует постоянного контроля параметров и балансировки аккумуляторов в батарее.
Режим циклирования, когда АБ подвергается регулярному разряду с отбором 80-90 % емкости
Таблица 3. Сравнение свинцово-кислотной и литий-ионной АБ 220 В при токе нагрузки 360 А и времени автономной работы 30 мин
Table 3. Comparing 220 V lead-acid and lithium ion batteries for 360 A load current and 30 min autonomous operation
Параметр Parameter Аккумуляторная батарея 220 В, 360 А, 30 мин Accumulator battery (AB) 220 V, 360 A, 30 min
Свинцово-кислотные элементы 8 OPzS 800 Lead-acid elements 8 OPzS 800 Литий-железо-фосфатные элементы LT-LYP 380 Lithium-iron-phosphate elements LT-LYP 380
Номинальная емкость, Ач Nominal capacity, Ah 800 380
Количество элементов в АБ, шт. Number of elements in AB, pcs. 108 70
Отдаваемый в нагрузку ток, А/(30 мин) Current to load, A/(30 min) 376 494
Номинальное напряжение одного элемента, В Nominal voltage per one element, V 2 3,2
Внутреннее сопротивление элемента, мОм Internal element resistance, mOhm 0,34 0,23
Срок службы, лет Service life, years 20 20
Встроенная защита от нештатных режимов Built-in protection from incidents Нет No Есть BMS Yes BMS
Непрерывный мониторинг состояния элементов Continuous monitoring of elements» state Нет No Есть BMS Yes BMS
Время заряда АБ, ч AB charging time, h 8 2
Температурный диапазон, °C Temperature range, °C От 10 до 30 From 10 to 30 От -40 до 50 From -40 to 50
Количество циклов «заряд-разряд» Number of «charge-discharge» cycles 1000 3000
Габаритные размеры элемента, мм Element dimensions, mm 210 * 191 * 695 167 * 163 * 337
Вес элемента, кг Element weight, kg 61,3 14,8
Вес батареи,кг Battery weight, kg 6620 1036
Необходимая площадь, м2 Required space, m2 18,01 0,96
Удельная энергоемкость, Втч/кг Storage density, W.h/kg 26 82
Размещение Allocation На стеллажах в специальном помещении On shelves in a special room В шкафах непосредственно возле нагрузки In boxes near load
Помещение для установки Room for installation Отдельное, категория В1а Separate, category B1a Любое, не меняет категорию Any, does not change a category
Свинцово-кислотные элементы 8 OPzS 800 Lead-acid elements 8 OPzS 800
Необходимая для эксплуатации инженерная инфраструктура Engineering infrastructure required for operation
Сооружение рядом с аккумуляторным помещением тамбура
и кислотной, оборудование водопровода и канализации.
Установка отдельной приточно-вытяжной механической
системы вентиляции во взрывозащищенном исполнении.
Установка взрывозащищенных светильников
и обогревателей.
Установка огнестойких дверей.
Укладка в аккумуляторном помещении и кислотной
кислотостойкой керамической плитки.
Покрытие кислотостойкой краской всех поверхностей
в аккумуляторном помещении и кислотной
Anteroom and acid room, water lines and sewage system must
be installed nearby a battery room. Separate input-outlet
mechanical explosion-proof ventilation system is required
as well as explosion-proof lamps and heaters, fire-proof doors.
Battery and acid rooms must be floored with acid-fast ceramic
tiles. All surfaces in battery and acid rooms must be coated
with acid-proof paint
Литий-железо-фосфатные элементы LT-LYP 380 Lithium-iron-phosphate elements LT-LYP 380
Нет необходимости No requirements
Таблица 4. Основные энергетические показатели для различных типов аккумуляторов Table 4. Basic power parameters for accumulators of different types
Электрохимическая система, конструктивное исполнение аккумуляторов Electrochemical system, structural accumulator design Удельная энергия Storage density Характерная удельная Относительная стоимость единицы энергии, о.е. Relative cost per energy unit, relative units
Втч/кг Wh/kg Втч/л Wh/l мощность Specific power
Литий-ионная Lithium ion 100-260 190-490 Максимальная Maximum 2,5-4
Никель-металлогидридная Nickel-metal hydride 40-100 180-350 От умеренной до высокой From moderate to high 1,6-2,4
Никель-кадмиевая, герметичный Nickel-cadmium, nonspillable 20-55 90-200 Высокая 1,5-2
Никель-кадмиевая, открытый Nickel-cadmium, open type High 1
Свинцово-кислотная, герметичный Lead-acid, nonspillable 20-50 50-150 От умеренной до высокой 0,8-1,8
Свинцово-кислотная, открытый Lead-acid, open type From moderate to high 1,4-1,5
с последующим полным зарядом, типичен для систем электроснабжения с ВИЭ.
При выборе ЛИА следует найти оптимальное соотношение между напряжением заряда, емкостью АБ и сроком службы в циклах (рис. 5) [19]. Для рассматриваемого примера наилучший баланс между емкостью батареи и сроком службы достигается при напряжении 4,12 В на элемент. Увеличить количество циклов можно за счет уменьшения напряжения заряда, но при этом АБ заряжается не полностью и сни-
маемая (эффективная) емкость ее снижается.
Данные, характеризующие работоспособность различных типов аккумуляторов в зависимости от температурных условий, представлены в табл. 6 [5].
При оценке влияния температуры на работоспособность никель-кадмиевых и свинцово-кислот-ных аккумуляторов необходимо учитывать следующие факторы: - при повышении температуры на 10 °С сверх нормальной температуры эксплуатации (25 °С) срок
службы никель-кадмиевых батарей снижается на 20 %, а свинцово-кислотных - на 50 %. При температуре эксплуатации, равной 50 °С, срок службы свинцово-кислотной батареи сокращается примерно в 7 раз по сравнению с эксплуатацией при нормальной температуре;
- при -20 °С емкость никель-кадмиевых аккумуляторов снижается до 80 % от номинальной. Свинцово-кислотные аккумуляторы при -30 °С теряют 50 % номинальной емкости;
Таблица 5. Срок службы, ресурс и саморазряд аккумуляторов различных электрохимических систем Table 5. Service life, resource and self-discharge of different electrochemical systems
Электрохимическая система, конструктивное исполнение аккумуляторов Electrochemical system, structural accumulator design Ресурс в стандартном режиме постоянного циклирования, циклов Resource in standard constant cycling mode, cycles Срок службы в режиме постоянного подзаряда, лет Service life in continuous float charge mode, years Потеря емкости при хранении в заряженном состоянии, % в мес Loss of capacity in case of storage in charged state, % per month
Литий-ионная Lithium ion 500-3000 15-25 3-5
Никель-металлогидридная Nickel-metal hydride 400-700 до 5 up to 5 15-25
Никель-кадмиевая, герметичный Nickel-cadmium, nonspillable 700-800 до 20 up to 20 до 10 up to 10
Никель-кадмиевая, открытый Nickel-cadmium, open type 1000-2500 до 25 10-15
Свинцово-кислотная, герметичный Lead-acid, nonspillable 500-1500 12-20 3-15
Свинцово-кислотная, открытый Lead-acid, open type 500-1500 15-25 3-15
4,30
0 20 40 Î0 80 100 120 140 Емкость, % Capacity, %
Рис. 6. Разрядные характеристики ЛИА при токе разряда 0,2 Сн при различных температурах окружающей среды, °С
Fig. 6. Discharge parameters of LIA for 0,2 Сн discharge current for different ambient temperatures, °С
- некоторые типы никель-кадмиевых аккумуляторов сохраняют более 60 % емкости при охлаждении до -40 °С. Большинство свин-цово-кислотных аккумуляторов при охлаждении до -40 °С неработоспособны.
В настоящее время имеются ЛИА, которые могут работать и при температуре -40 °С, также стало возможным расширение диапазона температур и до более низких значений, что, в свою
очередь, снижает требования к обеспечению тепловлажност-ного режима в помещениях, где планируется размещение литий-ионных АБ. Зависимость емкости ЛИА от температуры окружающей среды (разрядные характеристики) приведена на рис. 6 [19].
Литий-ионные АБ имеют встроенные термодатчики для контроля температуры. Оптимальный вариант рабочих температур 0...40 °С. Зависимость емкости АБ
от напряжения холостого хода и количества циклов «заряд - разряд» показана на рис. 7.
Безопасность батарей обеспечивается реализуемыми мерами как внутреннего, так и внешнего характера, исключающими воздействие на человека и окружающую среду возможных вредных факторов (электрическое напряжение, вредные выделения и др.), а также возгорание и взрыв АБ.
Одно из эффективных решений безопасности литий-ионных батарей - применение систем контроля и управления (СКУ) батареями. Данная система контролирует в ба -тарее, в том числе по каждому аккумулятору, напряжение, токи, температуру и, при необходимости, иные параметры. Система контроля и управления способствует защите от неправильных действий, оптимальный режим заряда в сочетании с упомянутым выше автоматически управляемым ЗУ исключает глубокий разряд, вы -полняя необходимые коммутации внутренних соединений в батарее и внешние переключения.
НОРМАТИВНО-ПРАВОВАЯ БАЗА В ОБЛАСТИ СПТ НА БАЗЕ ЛИА
Научно-технический прогресс в области СПТ развивается в направлении повышения их управляе-
Таблица 6. Сравнительный анализ работоспособности различных типов аккумуляторов при изменении температуры Table 6. Comparative analysis of operability of different types of accumulators under temperature variations
Электрохимическая система, конструктивное исполнение Electrochemical system, structural accumulator design Диапазон рабочих температур, рекомендуемый изготовителями Range of working temperatures recommended by manufacturers Относительная работоспособность при низкой температуре Relative operability under low temperature Относительная работоспособность при высокой температуре Relative operability under high temperature
Литий-ионная Lithium ion -10.50 Умеренная Moderate Умеренная Moderate
Никель-металлогидридная Nickel-metal hydride -20.40 Низкая Low Низкая Low
Никель-кадмиевая, герметичный Nickel-cadmium, nonspillable -40.45 Умеренная Moderate Умеренная Moderate
Никель-кадмиевая, открытый Nickel-cadmium, open type -50.60 Высокая High Высокая High
Свинцово-кислотная, герметичный Lead-acid, nonspillable -20.40 Неработоспособен Non-operable Низкая Low
Свинцово-кислотная, открытый Lead-acid, open type -20.50 Неработоспособен Non-operable Низкая или умеренная Low or moderate
Число циклов «заряд-разряд» Number of "charge-discharge" cycles
Рис. 7. Зависимость емкости литий-ионной АБ от напряжения холостого хода и количества циклов «заряд/разряд» [20]
Fig. 7. Correlation between lithium ion AB capacity, open-circuit voltage and number of «charge-discharge» cycles
мости, устойчивости и надежности при обеспечении высокого качества электроснабжения потребителей.
В последние годы как за рубежом, так и в РФ создана достаточно полная нормативно-правовая база СПТ, регламентирующая их разработку, эксплуатацию и утилизацию.
В настоящее время в РФ разработаны несколько национальных стандартов в отношении ЛИА. Вместе с тем отсутствуют международные и национальные стандарты, устанавливающие требования к ускоренной методике ресурсных испытаний ЛИА.
Около 50 % национальных стандартов в области ЛИА распространяются на аккумуляторы, предназначенные для использования на дорожных транспортных средствах на электрической тяге (гибридных или аккумуляторных электромобилей) и определяют нормы к испытаниям по определению рабочих характеристик и ресурсным испытаниям,испытаниям на надежность и эксплуатацию с нарушением нормальных режимов эксплуатации, методы подобных испытаний,требования к безопасности и пр. Данные стандарты нельзя применять к ЛИА, предназначенным для использования на стационарных производственных объектах, в том числе объектах добычи, транспортировки,
хранения,использования и переработки газа, т. к. режимы работы и требования безопасности к ЛИА, применяемым на транспорте, существенно отличаются от режимов работы и норм требований безопасности к ЛИА, применяемым на производственных объектах.
Предварительный национальный стандарт ПНСТ 214-2017 [21] устанавливает основные минимальные технические требования и методы испытаний, а также требования к маркировке, обозначению, размерам литий-ионных
железо-фосфатных аккумуляторов для формирования набора критериев, позволяющих потребителю ЛИА сравнивать продукцию различных производителей.
Предварительный национальный стандарт ПНСТ 225-2017 [22] распространяется на системы бесперебойного питания (СБП), предназначенные для использования в низковольтных системах электропитания до 1000 В сетей переменного трехфазного тока номинальным напряжением 380 В и частотой 50 Гц, использующие
в качестве накопителя энергии ЛИА с катодами из фосфата железа ^Р), оборудованные СКУ для работы во всех областях промышленности и на объектах потребителей первой категории и особой группы первой категории, не допускающих ухудшения качества электроснабжения и перерывов в электроснабжении. Стандарт распространяется на стационарные и передвижные СБП с мощностью 40 кВА и выше, размещенные в шкафах.
Заинтересованным организациям целесообразно провести разработку новых национальных стандартов на основе действующих международных стандартов, а также подготовить предложения по разработке национальных стандартов, обеспечивающих применение ЛИА в системах накопления энергии.
При разработке национальных стандартов необходимо учитывать требования пожарной безопасности и безопасной эксплуатации ЛИА в составе СПТ на опасных производственных объектах, в том числе на объектах добычи, транспортировки, хранения, использования и переработки газа, включать нормы к утилизации ЛИА. В технических условиях на оборудование разработчиков и изготовителей
ЛИА подобные требования должны присутствовать в обязательном порядке.
Таким образом, на объектах нового строительства и реконструкции представляется целесообразным использование современных типов аккумуляторных батарей, в том числе литий-ионных в составе СПТ, СОПТ станций и подстанций, ИБП.
ВЫВОДЫ
Надежная работа СПТ - необходимое условие нормального функционирования технологических процессов добычи, транспорта, переработки и хранения газа, живучести производственных объектов в аварийных и нештатных ситуациях.
В составе СПТ производственных объектов широко применяются свинцово-кислотные аккумуляторы, имеющие при достаточно высокой безотказности и длительном сроке службы ряд недостатков, в том числе связанных с дополнительными затратами на строительство соответствующих зданий и специальных помещений с обеспечением требований по безопасности.
Альтернативными существующим считаются системы аккумулирова-
ния, использующие литий-ионные и другие современные аккумуляторы. Основные преимущества ЛИА - повышенная удельная энергоемкость, увеличенный ресурс, значительно меньший саморазряд, отсутствие выделений вредных и пожароопасных веществ, автоматизированный контроль состояния элементов, увеличенный интервал обслуживания, уменьшенная масса и габариты,которые в конечном счете значительно снижают затраты на создание СПТ.
Проведенный анализ действующих нормативно-технических документов свидетельствует о необходимости дальнейшего совершенствования нормативно-методической базы перспективных систем аккумулирования электрической энергии, в том числе ЛИА.
Внедрение СПТ на базе ЛИА в практику проектирования и эксплуатации объектов нового строительства и реконструкции представляется целесообразным, поскольку обеспечивает снижение затрат на электроснабжение ответственных потребителей и удовлетворяет основным техническим требованиям,предъявляемым к СПТ производственных объектов. ■
ЛИТЕРАТУРА
1. Правила устройства электроустановок. 7-я ред. (утверждены Приказом Министерства энергетики РФ № 204 от 08.07.2007).
2. СТО Газпром 2-6.2-1028-2015. Категорийность электроприемников промышленных объектов ПАО «Газпром» [Электронный ресурс]. Режим доступа: ограниченный.
3. СТО Газпром 2-1.11-192-2008. Положение о построении и организации эксплуатации систем централизованного электропитания постоянным током на объектах ОАО «Газпром» [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://zinref.ru/000_uchebniki/01500_gaz/ 080_ST0_Gazprom_2-1.11-192-2008/001. htm (дата обращения: 12.06.2019).
4. ГОСТ Р МЭК 60896.11-2015. Батареи свинцово-кислотные стационарные. Ч. 2. Закрытые типы. Общие требования и методы испытаний.
5. Химические источники тока: справ./под. ред. Н.В. Коровина, А.М. Скундина. М: Изд-во МЭИ, 2 0 03. 740 с.
6. Хрусталев Д.А. Аккумуляторы. М.: Изумруд, 2003. 224 с.
7. Berndt D. Maintenance-free Batteries: Lead-acid, Nickel/cadmium, Nickel/metal Hydride: a Handbook of Battery Technology. Research studies press, 2003. 486 p.
8. Tel. X Ni-Cd batteries for telecom network. Technical manual/SAFT, 2013. 29 p.
9. Новое поколение никель-кадмиевых аккумуляторных батарей Uptimax. Каталог. 2013. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https:// www.saftbatteries.com/products-solutions/products/new-uptimax (дата обращения: 17.06.2019).
10. Кедринский И.А., Дмитриенко В.Е., Грудянов И.И. Литиевые источники тока. М.: Энергоатомиздат, 1992. 240 с.
11. KOKAM. Total energy storage solution providerbrochure. 2017. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://kokam.com/data/ 2018_Kokam_ESS_Brochure_ver_5.0. pdf (дата обращения: 17.06.2019).
12. GS YUASA. LIM Series: Industrial Lithium Ion Batterry Catalog. 2016. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.yuasa.co.uk/ batteries/industrial/lim-li-ion/show/all. html (дата обращения: 17.06.2019).
13. YUASA. Lithium Power Cabinets. Catalog. 2016. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.gsyuasa-lp.com (дата обращения: 17.06.2019).
14. ТУ 3482-001-64366939-2011. Аккумуляторы литий-ионные. ООО «Лиотех». [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.liotech.ru/ UserFiles/Экспертное%20заключение%20на%20соотв%20сан%20эпид%20требованиям. pdf (дата обращения: 17.06.2019).
15. Отчет о НИР «Технические решения по построению СПТ на базе литий-ионных аккумуляторов. Рекомендации по применению СПТ на базе литий-ионных аккумуляторов на производственных объектах ПАО «Газпром». 2018. [Электронный ресурс]. Режим доступа: ограниченный.
16. Стационарные свинцово-кислотные аккумуляторы OPzS, комплект документации (руководство по эксплуатации, разрядные характеристики, буклет). Hawker. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://hawker.ru/product/statsionarnye-akkumulyatoryy/(дата обращения: 17.06.2019).
17. Чудинов Е.А., Ворошилов А.Н., Кучак С.В. Применение литий-железо-фосфатных аккумуляторных батарей в составе СОПТ
на распределительных подстанциях и электростанциях // Энергоэксперт: информационно-аналитический журнал. 2016. № 2. С. 46-54.
18. Фрэн Хоффард. Правильная эксплуатация может продлить жизнь литий-ионного аккумулятора. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://mobileelectronics.com.ua/uploadfiles/li-ion-battery-life-ru. pdf (дата обращения: 17.06.2019).
19. Кедринский И.А., Яковлев В.Г. Литий-ионные аккумуляторы. Красноярск: ИПК «Планета», 2002. 266 с.
20. Ting-Feng Yi, Ying Xie, Yan-Rong Zhu, Rong-Sun Zhu, Ming-Fu Ye. High rate micron-sized niobium-doped LiMn1.5Ni0.504 as ultra high power positive-electrode material for lithium-ion batteries // Journal of Power Sources. 2012. Vol. 211. Pp. 59-65.
ГАЗОВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
№ 6 | 785 | 2019 г.
21. ПНСТ 214-2017. Аккумуляторы литий-ионные железо-фосфатные. Технические требования и методы испытаний. М.: Стандартинформ, 2017. 12 с.
22. ПНСТ 225-2017. Системы бесперебойного питания на основе литий-ионных железо-фосфатных аккумуляторов. Технические требования [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/1200157427 (дата обращения: 12.06.2019).
REFERENCES
(1) Electrical Installations Code. 7th edition (approved by the Order of the Ministry of Energy of the Russian Federation No. 204 as of 08 July 2007). (In Russian)
(2) STO Gazprom 2-6.2-1028-2015. Categorization of electrical receivers at Gazprom»s industrial facilities. Limited availability. (In Russian)
(3) STO Gazprom 2-1.11-192-2008. Regulations on development and operation of direct current centralized power supply systems at Gazprom's facilities. Available from: https://zinref.ru/000_uchebniki/01500_gaz/080_ST0_Gazprom_2-1.11-192-2008/001. htm [Accessed 12th June 2019].
(In Russian)
(4) G0ST R IEC 60896.11-2015. Stationary lead-acid batteries. Part 2. Closed types. General requirements and test methods. (In Russian)
(5) Chemical current sources: reference book/under the editorship of NV Korovina, AM Skundina. Moscow: MPEI Press. 2003. (In Russian)
(6) Khrustalev DA. Accumulators. Moscow: Izumrud. 2003. (In Russian)
(7) Berndt D. Maintenance-free Batteries: Lead-acid, Nickel/cadmium, Nickel/metal Hydride: a Handbook of Battery Technology. Research studies press, 2003.
(8) Tel. X Ni-Cd batteries for telecom network. Technical manual/SAFT, 2013.
(9) New generation of nickel-cadmium accumulator batteries Uptimax. Catalogue. 2013. Available from: https://www.saftbatteries.com/ products-solutions/products/new-uptimax [Accessed 17th June 2019]. (In Russian)
(10) Kedrinsky IA, Dmitrienko VE, Grudyanov II. Lithium current sources. Moscow: Energoatomizdat. 1992. (In Russian)
(11) K0KAM. Total energy storage solution provider brochure. 2017. Available from: http://kokam.com/data/2018_Kokam_ESS_Brochure_ver_5.0. pdf [Accessed 17th June 2019].
(12) GS YUASA. LIM Series: Industrial Lithium Ion Battery Catalog. 2016. Available from: https://www.yuasa.co.uk/batteries/industrial/lim-li-ion/ show/all. html [Accessed 17th June 2019].
(13) YUASA. Lithium Power Cabinets. Catalog. 2016. Available from: http://www.gsyuasa-lp.com [Accessed 17th June 2019].
(14) TU 3482-001-64366939-2011. Lithium ion accumulators. Liotech LLC. Available from: http://www.liotech.ru/UserFiles/ Экспертное%20зак^roценне%20на%20соотв%20сан%20эпнfl%20тре6ованнflм. pdf [Accessed 17th June 2019]. (In Russian)
(15) Research report «Technical solutions on development of DC systems on the basis of lithium ion accumulators. Recommendations on application of DC systems on the basis of lithium ion accumulators at Gazprom's facilities». 2018. [Web resource]. Limited availability. (In Russian)
(16) Stationary OPzS lead-acid accumulators, documentation package (maintenance guide, discharge parameters, leaflet). Hawker. Available from: http://hawker.ru/product/statsionarnye-akkumulyatoryy/[Accessed 17th June 2019]. (In Russian)
(17) Chudinov EA, Voroshilov AN, Kuchak SV. Application of lithium iron phosphate batteries in operating DC voltage systems at distribution substations and power stations. Energoexpert: information and analytical journal. 2016: 2; 46-54. (In Russian)
(18) Fran Hoffard. Proper operation may prolong service life of a lithium ion battery. Available from: http://mobileelectronics.com.ua/uploadfiles/ li-ion-battery-life-ru. pdf [Accessed 17th June 2019]. (In Russian)
(19) Kedrinsky IA, Yakovlev VG. Lithium ion batteries. Krasnoyarsk: IPK Planeta, 2002. (In Russian)
(20) Ting-Feng Yi, Ying Xie, Yan-Rong Zhu, Rong-Sun Zhu, Ming-Fu Ye. High rate micron-sized niobium-doped LiMn1.5Ni0.504 as ultra high power positive-electrode material for lithium-ion batteries. Journal of Power Sources. 2012; 211:59-65.
(21) PNST 214-2017. Lithium ion iron phosphate batteries. Technical specifications and test methods. Moscow: Standartinform, 2017. (In Russian)
(22) PNST 225-2017. Uninterruptible power systems based on lithium ion iron phosphate batteries. Technical specifications. Available from: http://docs.cntd.ru/document/1200157427 [Accessed 12th June 2019]. (In Russian)
Конференции компании EPC в России и странах СНГ в 2019 году
Euro Petroleum Consultants
SHARING KNOWLEDGE,
SHAPING BUSINESS
Саммит руководителей
нефтегазовой отрасли России и стран СНГ
19-20 июня Сочи, Горки Город
Неделя нефтепереработки, газа и нефтехимии
Неделя включает 4-юСТСС, 18-ю [*РТС и 19-ю 1дах:
16-20 сентября, Москва
RU-CAT
2-я конференция России и стран CHI по технологиям катализа
18-19 ноября, Сочи
Op-Ex Russia & CIS
6-я Конференция но операционной эффективности в нефтегазохимической промышленности
20-22 ноября, Сочи
tí!
Стремимся к большему1
I www.europetro.ru | +7(495)517-77-09 | moscow@europetro.com
