Как составить техническое задание на промышленную аккумуляторную систему

Выбор промышленной аккумуляторной батареи нередко начинается с короткого запроса: «Нужна батарея на 220 В ёмкостью 200 А·ч». Этих сведений достаточно, чтобы найти изделия с подходящими номинальными характеристиками, но недостаточно, чтобы спроектировать надёжную систему резервного или автономного питания.

Два объекта с одинаковым напряжением и номинальной ёмкостью могут предъявлять совершенно разные требования к аккумуляторам. На одном батарея годами находится в буферном режиме и включается только при аварии. На другом она ежедневно заряжается и разряжается. В одном случае требуется десять минут автономной работы, в другом — несколько часов. Различаться могут температура, ток нагрузки, доступное пространство, требования к сроку службы и возможность технического обслуживания.

Поэтому подбор промышленной АКБ должен начинаться не с названия технологии и не с конкретной модели, а с корректно составленного технического задания.

Зачем аккумуляторной системе техническое задание

Техническое задание описывает не только желаемую батарею, но и задачу, которую она должна решать.

На основании исходных данных проектировщик определяет:

• подходящую электрохимическую систему;
• требуемую ёмкость;
• количество последовательно соединённых элементов;
• необходимость параллельных ветвей;
• допустимый зарядный и разрядный ток;
• конструкцию стеллажа или шкафа;
• требования к вентиляции и температуре;
• необходимость мониторинга;
• ожидаемый срок службы;
• состав поставки и перечень документации.

Чем точнее описаны условия эксплуатации, тем меньше риск получить батарею, которая формально соответствует спецификации, но не обеспечивает необходимое время автономной работы или преждевременно теряет ресурс.

1. Назначение аккумуляторной системы

Первый раздел технического задания должен отвечать на простой вопрос: какое оборудование будет питать батарея?

Промышленные аккумуляторы используются в разных системах:

• источниках бесперебойного питания;
• оперативных цепях подстанций;
• телекоммуникационном оборудовании;
• системах промышленной автоматики;
• аварийном освещении;
• системах связи и безопасности;
• железнодорожной инфраструктуре;
• нефтегазовых объектах;
• автономных энергетических установках;
• электротранспорте;
• системах запуска оборудования.

Условия работы в этих приложениях различаются. Для ИБП может быть важна высокая мощность на коротком интервале. Для автономной системы — способность регулярно переносить глубокие разряды. Для оперативных цепей — длительная работа в режиме постоянного подзаряда и гарантированная готовность к аварийному включению.

Поэтому в техническом задании желательно указывать не только название объекта, но и функцию батареи внутри системы.

2. Режим работы: буферный или циклический

Это один из главных параметров, влияющих на выбор технологии.

Буферный режим

В буферном режиме аккумулятор постоянно подключён к зарядному устройству и большую часть времени находится в полностью заряженном состоянии. Разряд происходит только при исчезновении основного питания.

Так работают батареи в большинстве:

• ИБП;
• систем связи;
• систем релейной защиты;
• охранных систем;
• систем аварийного освещения;
• цепей управления промышленными объектами.

Для такого применения важны стабильность подзаряда, низкий саморазряд, предсказуемое старение и готовность отдать необходимую мощность после длительного ожидания.

Циклический режим

В циклической системе аккумулятор регулярно проходит заряд и разряд. Это характерно для автономной энергетики, транспорта, мобильного оборудования и накопителей, участвующих в управлении энергопотреблением.

Здесь необходимо знать:

• сколько циклов происходит в сутки или месяц;
• какова средняя глубина разряда;
• сколько времени отводится на последующий заряд;
• насколько стабилен график нагрузки.

Фраза «аккумулятор будет иногда разряжаться» слишком неопределённа. Один неглубокий разряд в месяц и ежедневный разряд на 80% — принципиально разные условия.

3. Номинальное и рабочее напряжение

В техническом задании необходимо указать:

• номинальное напряжение системы;
• допустимый диапазон напряжения;
• минимальное напряжение отключения нагрузки;
• максимальное напряжение зарядного оборудования;
• параметры существующей шины постоянного тока;
• требования подключённого оборудования.

Номинального значения недостаточно. Например, обозначение «220 В» не описывает фактическое напряжение полностью заряженной батареи и напряжение в конце разряда.

Количество последовательно соединённых элементов рассчитывают с учётом допустимого диапазона напряжения всей системы. Ошибка в этом расчёте может привести к тому, что оборудование будет отключаться раньше времени либо получит напряжение за пределами разрешённого диапазона.

Если батарея предназначена для замены существующей, полезно приложить схему действующей системы и указать параметры зарядного устройства.

4. Профиль нагрузки

Ёмкость аккумулятора нельзя корректно рассчитать без информации о нагрузке.

Необходимо определить:

• постоянную мощность;
• максимальную мощность;
• пусковые и импульсные токи;
• продолжительность пиков;
• изменение нагрузки во времени;
• количество подключённых потребителей;
• вероятность одновременного включения оборудования.

Простое суммирование паспортных мощностей не всегда даёт правильный результат. Часть оборудования может работать постоянно, часть — включаться только при аварии, а некоторые устройства создают кратковременные пусковые токи.

Наиболее полезный формат исходных данных — таблица или график нагрузки.

Такой профиль позволяет рассчитать батарею точнее, чем одно усреднённое значение.

5. Необходимое время автономной работы

Время автономии должно быть связано с конкретным сценарием.

Например, батарея может обеспечивать питание:

• до запуска дизель-генератора;
• до переключения на резервный ввод;
• до восстановления внешней сети;
• до завершения технологического процесса;
• до безопасной остановки оборудования;
• в течение всего расчётного периода отсутствия электроснабжения.

В техническом задании необходимо указывать требуемое время при заданной мощности, а не отдельно от неё.

Формулировка «автономность — 60 минут» неполна, если неизвестно, какую нагрузку батарея должна поддерживать в течение этого часа.

Кроме основного времени автономии может предусматриваться запас на:

• увеличение нагрузки;
• снижение ёмкости в процессе эксплуатации;
• работу при низкой температуре;
• производственные отклонения;
• повторное отключение электроснабжения;
• невозможность немедленной замены батареи.

Размер запаса должен быть обоснован. Чрезмерное резервирование увеличивает стоимость, массу и площадь размещения системы, но не всегда пропорционально повышает её надёжность.

6. Температура эксплуатации

Температура влияет одновременно на доступную ёмкость и скорость старения аккумуляторов.

При низкой температуре электрохимические процессы замедляются, внутреннее сопротивление возрастает, а доступная ёмкость снижается. При высокой температуре батарея способна отдавать энергию эффективнее, но процессы старения ускоряются.

В техническом задании следует указать:

• минимальную температуру;
• максимальную температуру;
• среднюю рабочую температуру;
• продолжительность работы в крайних условиях;
• наличие отопления или охлаждения;
• температуру внутри шкафа;
• возможность установки температурного датчика.

Важно описывать реальную температуру возле батареи, а не только общеклиматические характеристики региона. В закрытом шкафу, рядом с силовым оборудованием или под прямыми солнечными лучами температура может значительно отличаться от температуры окружающего воздуха.

7. Условия размещения

Необходимо заранее определить, где будет находиться аккумуляторная система:

• в отдельном аккумуляторном помещении;
• в общем техническом помещении;
• в электротехническом шкафу;
• в контейнере;
• на открытой площадке;
• внутри мобильного объекта;
• в неотапливаемом помещении.

В задании желательно указать:

• доступную площадь;
• максимальную высоту;
• допустимую нагрузку на перекрытие;
• ширину дверных проёмов;
• возможность доставки и монтажа;
• наличие вентиляции;
• класс защиты шкафа;
• требования к сейсмостойкости;
• уровень вибрации;
• наличие агрессивных веществ и пыли;
• ограничения по размещению и обслуживанию.

Если пространство ограничено, к техническому заданию полезно приложить план помещения с размерами.

Размеры и масса батареи определяются не только ёмкостью. На компоновку влияют технология, количество элементов, схема соединения, конструкция стеллажа, расстояние для обслуживания и необходимость установки защитных аппаратов.

8. Зарядное оборудование

Аккумулятор и зарядное устройство образуют единую систему. Несовместимость их параметров может сократить ресурс даже правильно подобранной батареи.

В техническом задании необходимо указать:

• модель существующего зарядного устройства;
• диапазон выходного напряжения;
• максимальный зарядный ток;
• точность стабилизации;
• наличие температурной компенсации;
• доступные алгоритмы заряда;
• уровень пульсаций;
• возможность дистанционного контроля;
• необходимость резервирования зарядных модулей.

Если зарядное устройство также проектируется с нуля, требования к нему следует формировать одновременно с требованиями к аккумуляторам.

Особое внимание требуется при замене батареи одного типа на другой. Совпадение номинального напряжения ещё не означает совместимость режимов заряда.

9. Требования к сроку службы

Фраза «срок службы не менее десяти лет» требует уточнения.

Заявленный ресурс батареи зависит от:

• температуры;
• режима заряда;
• количества циклов;
• глубины разряда;
• качества электропитания;
• своевременного обслуживания;
• допустимой остаточной ёмкости.

Необходимо определить, что считается окончанием срока службы. Для резервных систем часто используют критерий, при котором фактическая ёмкость снижается до установленной доли от номинальной. Но даже до достижения этого порога батарея должна обеспечивать расчётное время автономии.

Поэтому правильнее указывать не только желаемый календарный срок, но и условия, при которых он должен быть достигнут.

10. Резервирование системы

Для объектов с повышенными требованиями к надёжности может потребоваться резервирование.

Возможные решения:

• увеличение расчётной ёмкости;
• несколько параллельных ветвей;
• независимые аккумуляторные системы;
• резервирование зарядных устройств;
• схема N+1;
• разделение критической и некритической нагрузки.

Параллельное соединение ветвей повышает ёмкость и может облегчить обслуживание, но одновременно усложняет контроль распределения токов. Поэтому количество ветвей должно выбираться не только исходя из требуемых ампер-часов.

В техническом задании следует указать допустимые последствия отказа одного элемента, одной ветви или зарядного модуля.

11. Мониторинг и диагностика

Для небольшой батареи может быть достаточно периодических ручных измерений. На крупном или критически важном объекте целесообразна автоматизированная система мониторинга.

Она может контролировать:

• общее напряжение;
• напряжение отдельных элементов;
• зарядный и разрядный ток;
• температуру;
• внутреннее сопротивление или проводимость;
• состояние межэлементных соединений;
• распределение токов между параллельными ветвями;
• аварийные отклонения.

Дополнительно указывают требования к интерфейсам передачи данных, журналированию, интеграции с АСУ ТП и удалённому оповещению.

Состав мониторинга должен соответствовать критичности объекта. Избыточная система увеличивает стоимость проекта, а недостаточная не позволяет вовремя обнаружить деградацию отдельного элемента.

12. Техническое обслуживание

Разные аккумуляторные технологии предъявляют разные требования к обслуживанию.

При формировании задания необходимо определить:

• допустима ли необходимость долива воды;
• как часто персонал сможет осматривать батарею;
• возможен ли доступ к каждому элементу;
• должна ли батарея работать без обслуживания;
• требуется ли замена отдельных элементов;
• допускается ли временное отключение системы;
• кто будет проводить диагностику.

Если на объекте нет подготовленного персонала, этот фактор должен учитываться ещё на этапе выбора решения.

«Необслуживаемый аккумулятор» не означает, что систему можно установить и полностью забыть о ней. Даже герметизированные батареи требуют периодической проверки состояния, соединений, зарядного напряжения и температуры.

13. Требования к безопасности

В техническом задании следует зафиксировать требования:

• к защите от короткого замыкания;
• отключающим аппаратам;
• изоляции токоведущих частей;
• вентиляции;
• размещению батарей;
• защите от случайного доступа;
• маркировке;
• средствам индивидуальной защиты;
• пожарной безопасности;
• обращению с аккумуляторами после окончания срока службы.

Конкретные меры определяются типом батареи, напряжением, ёмкостью, помещением и отраслевыми требованиями объекта.

Безопасность должна рассматриваться на уровне всей системы: аккумуляторов, соединений, шкафов, защиты, зарядного оборудования и организации эксплуатации.

14. Комплектность поставки

Чтобы избежать разночтений, в задании необходимо перечислить всё, что должно входить в поставку:

• аккумуляторы;
• межэлементные соединители;
• крепёж;
• защитные колпачки;
• кабели подключения;
• стеллажи или шкафы;
• автоматические выключатели или предохранители;
• датчики температуры;
• система мониторинга;
• зарядное оборудование;
• монтажный комплект;
• комплект запасных частей;
• средства обслуживания.

Отдельно указывают необходимость монтажа, пусконаладочных работ, испытаний и обучения персонала.

15. Документация и приёмочные испытания

Вместе с оборудованием заказчику могут потребоваться:

• паспорт продукции;
• руководство по эксплуатации;
• схема соединения;
• габаритный чертёж;
• протокол заводских испытаний;
• сертификаты и декларации;
• расчёт ёмкости;
• перечень уставок зарядного устройства;
• программа ввода в эксплуатацию;
• журнал исходных измерений.

Порядок приёмки также желательно согласовать заранее.

Проверка может включать внешний осмотр, контроль комплектации, измерение напряжений, проверку соединений, тестирование зарядного оборудования и испытание системы под нагрузкой.

Пример исходных данных для подбора

Минимальный опросный лист может выглядеть следующим образом:

Даже такой набор информации позволяет значительно сузить круг решений и подготовить обоснованный расчёт.

Типичные ошибки технического задания

Чаще всего при подготовке запроса встречаются следующие ошибки:

1. Указана только ёмкость в ампер-часах без мощности и времени автономии.
2. Не описан характер нагрузки.
3. Не указаны пусковые токи.
4. Буферный и циклический режимы не различаются.
5. Не учитывается температура внутри шкафа.
6. Новая батарея подбирается под настройки старого зарядного устройства без проверки совместимости.
7. Требуемый срок службы указывается без условий эксплуатации.
8. Не определены размеры помещения и допустимая нагрузка на пол.
9. Не описаны требования к мониторингу и обслуживанию.
10. Технология аккумулятора назначается заранее без анализа режима работы.

Главная ошибка — начинать техническое задание с конкретного типа батареи, не описав саму задачу. AGM, GEL, OPzS, Ni-Cd, LFP и другие технологии имеют собственные преимущества и ограничения. Выбор должен быть результатом расчёта, а не его исходной предпосылкой.

Заключение

Хорошее техническое задание на аккумуляторную систему отвечает на пять основных вопросов:

1. Какую нагрузку необходимо питать?
2. Как долго система должна работать автономно?
3. Как часто и насколько глубоко будет разряжаться батарея?
4. В каких условиях она будет установлена?
5. Какие требования предъявляются к ресурсу, обслуживанию и надёжности?

Чем полнее исходные данные, тем точнее можно подобрать технологию, рассчитать ёмкость и спроектировать систему в целом.

Специалисты «Балт Энерго» подбирают промышленные аккумуляторные решения с учётом профиля нагрузки, времени автономной работы, температурных условий, параметров зарядного оборудования и отраслевых требований объекта. Для предварительного расчёта можно направить готовое техническое задание или имеющиеся исходные данные — недостающие параметры будут уточнены в процессе проектирования.