工业技术 Ｃｈｉｎａ Ｎｅｗ Ｔｅｃｈｎｏ——— ｌｏｇｉｅｓ ａｎｄ — Ｐｒｏｄｕｃｔｓ 认识超级电容技术在工程装备上的应用 洪津孙彦青袁建虎高博 （解放军理工大学工程兵工程学院，江苏南京２１０００７） 摘要：根据超级电容器功率密度高、充电时间短、使用寿命长以及容量超大等特点，分析超级电容器在现有工程领域内的优势进而 分析超级电容器在工程装备中的应用。 关键词：超级电容；工程装备；超级电容模组：应用 中图分类号：ＴＭ９３ 文献标识码：８ 引言 超级电容器是一种新型的储能元件，其电 ５％或者更少，但是这种储能方式可以应用在蓄 电池性能不足的领域，相比传统的能储能件，超 供的电压在２５Ｖ～２．７Ｖ，而工程装备电源的电 压一般为十几伏到几十伏，远远大于单体超级 容量可达数千法拉，性能介于可充电电池和电 级电容器具有以下耗 ： 解电容器之间。从某种意义上可以说超级电容 ①是电容量超大。传统电容器一般用微法 器有着传统电容器和电池的双重功能，其功率 为单位，而一般的超级电容器电容量很容易达 密度远高于普通电池，能量密度远高于传统电 到１Ｆ，比普通电容器的电容量大了３～４个数量 容，因而填补了这两个传统技术之间的空白【１］。 级，目前单体超级电容器的最大电容量可以达 工程装备在实际的使用过程中劳动强度大、连 到５Ｏ００Ｆ； 续工作时间长、工作环境差（低温、高寒、大的振 ②是能够陕速充放电。超级电容器可以在 动和噪声），蓄电池等储能元件在这种环境下性 数秒到数分钟内快速充电，而蓄电池要在这么 能不稳定，影响工程装备的正常运转。一般电容 短的时间内完成充电是及其危险或者是不可能 器的电容量小，满足不了工程装备对电量的需 的，也可以快速放电，进而提供很大的放电电 求，超级电容的出现，解决了容量小的技术难 流，而普通电池在大的放电电流的作用下，寿命 题。超级电容器和蓄电池组合使用，供电设备具 将会大大减小； 有蓄电池和超级电容器的双重优点，大大改善 ③是寿命很长。充放电次数可以达到５００ 了工程装备在启动过程中电源的提供。 ０００次，而普通的蓄电池的从发电次数很难超过 １超级电容器的原理及特点 １０００次； １．１超级电容器的工作原理 ④是可以在很宽的温度范围内正常工作 根据电容器的原理，电容量取决于电极板 （一４０ｃＣ～＋７０℃）。蓄电池很难在高温、特别是 间的距离和电极板的表面积，其表达式 低温环境下工作； Ｃ＝ ．Ａ／ｄ（为： ） 另外，超级电容器的材料是安全无毒害的， 不污染环境，具有绿色环保的功能，而且，超级 电容器可以任意并联来增加电容量，采取均压 其中，为介电常数；为电极板表面积；为介 质厚度。 措施后，还可以串联使用。 超级电容采用了双电层原理和活性炭多孔 ２超级电容器在工程装备中的应用 化电极，其结构如图１。双电层介质在电容器两 超级电容器已经在生活中有着成功的应用 例子，在工程装备领域的应用才刚刚起步，但由 极施加电压时，在靠近电极的电介质界面上产 生与电极所携带电荷性质相反的电荷被束缚在 于它有普通储能原件不具备的特性，相信在不 久的将来，越来越多的超级电容器会应用到工 介质界面上，形成事实上电容器的两个电极。两 个电极之间的间距非常小，仅有几ｎｍ，同时活 程装备上。 性炭多孔化电极可以获得极大的电极表面积， ２１在现有应用领域中的优势 超级电容车是上海世博会的一道亮丽的风 可达到２００ｍ２／ｇ。因而这种结构的超级电容器具 景线，与传统汽车相比，这种超级电容动力车符 有极大的电容量并可以存储很大的静电能量。 合现代新能源开发和节能减排的理念，”零排放 ”环保无污染（保证了高人口密度的世博园区的 空气清洁）、能量利用率高（能耗是普通燃油车 的三分之一）、噪声小、使用寿命长、能够快速充 电（能够利用在终点站或乘客上下车时间完成 快速充电，充电时间３０ｓ一３ｍｉｎ），并且在整个行 图１超级电容的结构 驶过程中比较平稳，保证了超级电容车的舒适 当两个电极板间电势低于电解液的氧化还 度。 原电极电位时，电解液界面上的电荷不会脱离 随着纳米技术的发展，新型小体积、低高度 电解液，超级电容器处在正常工作状态，如果电 的柱形脉冲超级电容器已应用于更加广泛的高 容器二端电压超过电解液的氧化还原电极电 科技领域，为电容器制造领域开阔了广泛的空 位，那么电解液将分解，处于非正常状态。随着 间。 超级电容器的放电，正负极板上的电荷被外电 ２．２电容模组在工程装备中的应用 路泄放，电解液界面上的电荷响应减少。由此可 以下基本参数决定选择超级电容器的大 以看出超级电容器的充放电过程始终是物理过 小：１．最高工作电压；２工作截止电压；３．平均放 程，没有化学反应，因此性能是稳定的，与利用 电电流．４放电时间多长。在实际应用中，根据不 化学反应的蓄电池不同。 同的需求来选择不同规格的超级电容器，也可 １．２主要特点 以根据需要把多个超级电容器并联或者采取均 尽管超级电容的能量密度只有蓄电池的 压措施后串联起来，形成超级电容模组，以满足 不容的实际需求。一个单体超级电容器能够提 电容器提供的电压，而且一个超级电容器能够 提供的电量是非常有限的，这就要求必需把多 个超级电容器组合起来形成超级电容模组，才 能满足现实的要求，电容模组就是为了满足现 实的应用把多个超级电容器组合起来的。根据 装备需要的电流大小，放电时间和工作电压区 间就可以计算出所需电容器的数量，进而配备 出满足要求的超级电容模组，凯美公司生产的 超级电容模组如图２所示。 图２凯美公司生产的超级电容器１５Ｖ一５８Ｆ 低温启动模组 在工程装备内燃机的启动上，超级电容模 组有着广阔的发展空间，超级电容模组和蓄电 池并联，用于物质运输车、坦克、步战车和挖掘 机等工程装备的内燃发动机的启动电源，这样 不仅能够保证发动机在低温和蓄电池馈电的条 件下正常启动，而且能够有效降低蓄电池极板 的极化，使启动过程的平稳电压得到提高，避免 了发动机的频繁启动，有效地保护蓄电池，延长 蓄电池的寿命。启动过程中的电压剧烈变化也 是极强的电磁干扰，可以造成电气设备掉电，迫 使电气设备在发电机启动过程结束后重新上 电，计算机在这个过程中非常容易死机［２ｌ。电容 模组配合蓄电池启动时，能够减小蓄电池电压 的剧烈变化，避免了对其它电气设备的电磁干 扰。另外，超级电容模组也可以单独启动发动 机，对蓄电池已经损坏的工程装备进行启动。 超级电容模组可以作为为便携式启动电源，应 用在野外作业、坑道作业和停车厂的工程装备 上，与传统的蓄电池移动启动电源相比，其重量 轻、体积小、携带方便，另外，超级电容器的充电 速度很陕，在对装备进行启动的过程中能够快 速补电，重复使用起来非常方便。超级电容器可 以通过充电器利用野外工程车中的发电机进行 充电，所以在使用的过程中，只需在工程车中携 带充电器即可。在紧急停电自勺Ｊ睛况下，超级电容 可以作为野外作业和野外生活的电源，弥补蓄 电池不能快速充电的缺点。超级电容器还可以 为一个临时的指挥控制中心、野战医院供电。 ３存在的问题 实际生产的超级电容器的使用温度范围 为一４Ｏ℃～＋７０℃，而工程装备的最低温度 为一５５￣Ｃ，这就意味着超级电容器在温度极低 的高原和极寒地带的使用受到了限制。随着超 中国新技术新产品 一２４３一 — —～ Ｃｈｉｎａ Ｎｅｗ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ａｎｄ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ 工业技术 锅炉钢构架制造技术 高云鹏 （哈尔滨哈锅锅炉工程技术有限公司，黑龙江哈尔滨ｌ５Ｏｏ４０） 摘要 钢构架是锅炉的承力部件，它支撑锅炉本体的重量，并抵御地震、风及妒膛额定爆炸力等荷载。就金属耗量而言，一台 ３００ＭＷ锅炉重量在７０００多吨。构架重量约占总重的１／３，所以钢构架是锅炉产品制造的重要组成部分。本文从高强度螺栓结构钢 构架的结构特点入手．系统地介绍了独特的制造工艺。 关键词：锅炉钢构架；高强度螺栓；制造技术 中图分类号：Ｚ 文献标识码：Ｂ 对接焊缝采取全焊透结构，工型角焊缝采 为中２４，一台炉构架—般有ｌＯ余万个连接孔。 Ｎａ＝５０ＯｋＮ，Ｎｂ＝３４７Ｋｎ，Ｎｃ＝５１４ｋＮ。 取船形位置焊，埋弧焊熔深Ｐ≥ｌｍｍ。 经计算３种方法的平均摩擦系数分别为： 对接焊缝坡口形式，以保证焊缝质量，并尽 连接部位靠摩擦传力，摩擦系数 ＝０．４０。 ａ＝０Ａ５， ｂ＝０．３ｌ， ｃ＝０．４６ 量减少填充金属。 构架最顶端有大板梁，它是锅炉构架中最 重要的承力部件。一台３００ＭＷ炉一般有１０根 可以看出，ａ和ｃ两种工艺方法得到的摩擦 定位焊要求。定位焊过渡时间短，母材升温 大板梁，总质量在２８０吨左右。大板梁为板拼工 系数能够达到设计值要求。 迟缓，冷却速度快，容易出现裂纹和焊不透现 型梁，最大梁高４ｍ，梁宽ｌｍ左右，最长２０ｍ ３工艺要点 象。所以定位焊应与正式焊接同等对待，由具有 多，单件最大质量６０多吨。大板梁的几何尺寸 ３．１零件备料。工型杆件翼板、腹板采用数 合格证的焊工施焊，且定位焊缝高度和长度应 校平、校直用校 足够大，焊缝高度一般情况下应不小于焊缝高 和质量都很大，钢板厚，孔群多，技术要求高，制 控气割机或半自动气割机下料，板机和火焰校证。 度的７倍，长度５０一ｌＯＯｍｍ。 造难度大。 ２摩擦系数测定 连接板８＜２０ｍｍ采用剪板机下料，８￣＞２０ｍｍ 焊接材料选取见表２所示。 由于高强度螺栓连接靠摩擦传力，连接部 用手工气割或数控气割下料，压力机校平。 预热及热处理。１６Ｍｎ材料６￣＞３２ｍｍ焊前 位摩擦系数的大小直接影响构架的受力，所以 连接角钢厚８≤１０ｍｍ采用联合冲剪机下 预热１００～１５０￣Ｃ，Ｑ２３５一Ａ材料６ ７０ｒａｍ焊前 Ｃ，均包括定位焊。６￣３８ｍｍ板对接 在生产前必须对摩擦面进行摩擦系数测定，验 料，６＞１０ｍｍ用手工气割下料，最好采用锯床 预热１００ｏ 证拟采取的工艺措施能否达到设计值 ＝０Ａ０。 锯切下料。如角钢角度不能保证９０￣时，要用压 焊缝焊后要进行去应力热处理。无损检验。８￣＞３２ｍｍ板对接焊缝１００％ＲＴ ２．１试件选取。取与构架材质相同的试件和 力机角尺模进行校正。 工程所用的高强度螺栓连接副进行试验。 ３．２机械加工。连接板基准边用 包或铣加 或ｕＴ检验；８＞２５ｍｍ板对接焊缝及两块板均 ２２摩擦系数计算。计算公式为： ＝Ｎ／ｎ・ 工；翼板匕有孔群的杆件腹板两边及８￣＞３８ｍｍ ６＞２５ｍｍ的角焊缝１０ｏ％ＭＴ检验；８￣＜２５ｍｍ ∑Ｐ 的所有板件边缘进行刨边或铣边加工；柱子两 对接焊缝ＭＴ抽查起弧和收弧部位。 式中 一摩擦系数；Ｎ～滑动荷载；ｎ一传力 端端铣或镗加工；对接边及对接坡口进行机械 ３．５其它。工型组件中的翼板和腹板拼接焊 加工。 、 缝及其相关联部位要相互错开，下料尺寸要参 摩擦面数，ｎ＝２；乏Ｐ一与试件荷载一侧对应的高 最好出拼接图。相互错开距离如 强度螺栓预拉力（紧固轴力）之和，因实际预拉 依据钢板厚度和下料方法，单边机械加工 照组件图绘出，力与公称预拉力有一定出入，所以Ｐ应为实测 余量预留３￣７ｍｍ；腹板机加宽度公差按一０． 下：相邻拼缝Ｌ＞２００ｍｍ；拼缝与附件Ｌ≥ 值。 ５～１控制。 ｌＯＯｍｍ；拼缝与孔Ｌ＞１２０ｍｍ。 ２．３螺栓预拉力测定。通过电阻应变仪进行 ３．３工型杆件翼板和腹板长度余量。翼板和 钻完孑Ｌ后要清理干净铁屑及毛刺等，但不 测定。取１Ｏ个高强度螺栓，加工后贴好应变片， 腹板在备料时应适当放出一定的余量，以补偿 能将孔磨出倒角，这样会减小摩擦面，而影响传 用导线连接于应变仪上，然后连接试件，用电动 下列因素的收缩影响。 力。 钢板拼接焊缝收缩。主要与拼接缝的多少 孔群周围７５ｍｍ范围内不允许油漆，涂漆 扭矩搬手紧固螺栓。螺栓受力后产生伸长线应 变，在应变仪上分别读出每个螺栓的应变量。求 及板厚有关，拼接缝越多、板越厚收缩量越大。 时应用必要的工装覆盖孔群周围表面，避免摩 出平均应变量ｓ。 角焊缝收缩。主要与焊缝的长度有关，焊缝 擦面淋上油漆而降低摩擦系数。 ８＝ ８ ｉ／１０＝２４９３ｘ １０—６ １结构特点 别测定： 连接副试件全部喷砂处理．ｂ．连接副试 台３００ＭＷ锅炉构架重量一般在２０００ 件全部酸洗处理；ｃ．连接哥４试件一部分酸洗后淋 上水，室外放置２４小时，使其生锈；另一部分喷 多吨，主体构架总高在６０ｍ左右，一般分５层。 根据构件的作用分为柱、梁、垂直支撑（立面斜 砂处理。 每种取３组试件，将其分别在拉力机上夹 拉条）及水平支撑（水平斜拉条）４部分。柱、梁、 垂直支撑基本都是板拼工型构件，采用碳钢或 紧（轴线要与夹具中心严格对中）。启动拉力机， 低合金钢材料的中厚板拼焊而成，水平支撑杆 观察试件标记线。当标记线发生错位时的拉力 件为型钢件。各部分杆件通过连接板或连接角 机渎数即为滑动荷载。 钢，用Ｍ２２高强度螺栓连接组成构架。连接孔 经测定３种方法的平均滑动荷载分别为： 一综合以上各种因素，一般按以下规律放余 量：梁、垂直支撑杆件翼板和腹板按总长的１％ １．５％ｍｍ ｔｇ．ｇｚ－ｊｔ；ｌ柱子两端机械加工，余量按总 一长的２ｑ￣３％ｍｍ选取。 ３．４焊接。钢板对接及杆件４条主角焊缝采 用埋弧自动焊。两端装点引息弧板（Ｌ≥ １００ｍｍ），焊后割掉，不允许用锤击去除。焊缝区 域浮锈及杂物要清理干净露出金属光泽。 越长收缩越大。 参考文献 螺栓紧固轴力计算公式为：Ｐ＝８ ＥＦ 火焰校正收缩。工型杆件焊接成型后的变 『１１李秋爽．钢结构入门及设计基础知识ｌＭ１．成都： 式中Ｐ一螺栓紧固轴力；Ｅ一弹性模量，取 形用火焰校正，火焰校正的收缩量与操作者技 西南交通大学出版社，２００４． ２１陈骥．钢结构稳定理论与设计ｆＭ１．第四版北 Ｅ＝２．Ｉ×１０６ｋｇ／ｃｍ２；Ｆ一螺栓截面积，３．６４ｃｍ２。 术水平高低有很大关系，烤火点准确、烤火量及 『经计算螺栓的平均紧固轴力为：Ｐ＝Ｉ８６． 遍数少，收缩量就小，反之就大。 京：科学出版社，２００８． ９ｋＮ。 柱子端铣余量。根据截面的大小，一般按每 『３】袁继雄，框架梁柱节点性能研究之测试方法与 ２．４摩擦系数测定。选３种表面处理方法分 端５～８ｒａｍ考虑。 边界条件的分析ｐ１．汕头：汕头大学，２００８． 级电容制造技术的不断发展，耐超低温的这项 技术难题不断得到攻破，实际生产的超级电容 器在一５５℃温度下依然可以使用。 结论。超级电容未出现以前，由于普通电容 容量小，电容器在工程装备中的应用一直被限 制在滤波、耦合、谐振等方面。超级电容器的出 现，改变了普通电容器的应用方向，为工程装备 提供了一种新形势的电源。随着对超级电容器 研究的不断深入和生产技术的不断成熟，更大 容量、更高电压的电容器很快就会出现，届时工 程装备中将有超级电容器的一席之地。 参考文献 【１Ｊ李宝华，周鹏伟等．超级电容器的性能研究ｍ． 深圳特区科技，２００５．１１． 『２】王鑫．超级电容器在汽车启动中的应用明国外 电子元器件，２００６￣４． 一２４４一 中国新技术新产品