秦山核電廠蓄電池組改進(jìn)

施蘭芳 郭桐岳 陳富杰 汪運(yùn)律 錢厚軍

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 嘉興 314300）

0 引言

核電廠直流電力系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上賦予其于正常及應(yīng)急工況下向關(guān)鍵/重要系統(tǒng)和設(shè)備的控制、保護(hù)、信號(hào)、儀表和動(dòng)力裝置或系統(tǒng)提供直流電源的功能。蓄電池組是直流電力系統(tǒng)的核心設(shè)備，占據(jù)極其重要的地位。當(dāng)直流系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)，由充電裝置承擔(dān)正常負(fù)荷電流，同時(shí)向蓄電池組補(bǔ)充電，以補(bǔ)充蓄電池的自放電，蓄電池以滿容量的狀態(tài)處于備用狀態(tài)。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障失去交流電時(shí)，蓄電池組發(fā)揮其獨(dú)立后備電源的作用，為負(fù)載繼續(xù)提供電源，維持重要負(fù)載可繼續(xù)運(yùn)行規(guī)定的時(shí)間，為及時(shí)恢復(fù)交流電或設(shè)備安全停止提供了緩沖時(shí)間。

目前，大多數(shù)核電廠直流系統(tǒng)主要以防酸隔爆式鉛酸蓄電池為主，因其具有外殼透明、內(nèi)部極板與電解液可觀察、可根據(jù)液位和比重變化情況補(bǔ)酸或補(bǔ)水的特點(diǎn)，通常簡(jiǎn)稱為富液電池。但該型式的蓄電池存在維護(hù)工作風(fēng)險(xiǎn)高（釋放氫氣、酸堿作業(yè)）、維護(hù)工作量大（需定期檢查比重、液位、補(bǔ)酸補(bǔ)水）、占用空間大（只能直立安裝）等缺點(diǎn)。而閥控密封式鉛酸蓄電池（valve regulated lead acid battery，簡(jiǎn)稱VRLA電池）是在富液電池的基礎(chǔ)上發(fā)展來(lái)的，具有能量密度高、大電流性能好、維護(hù)工作量小、安裝方式靈活多樣（可疊層臥放）等特點(diǎn)。VRLA電池作為后備電源已經(jīng)成功地替代富液式蓄電池廣泛應(yīng)用于商業(yè)UPS電源、通信基站、電網(wǎng)變電站、數(shù)據(jù)中心等較多領(lǐng)域數(shù)十年。本文描述了秦山核電廠蓄電池組近三十年實(shí)際運(yùn)行維護(hù)業(yè)績(jī)和更新改造的實(shí)踐，全面分析比較了防酸隔爆式鉛酸蓄電池、閥控密封式鉛酸蓄電池這兩種類型蓄電池各方面的優(yōu)缺點(diǎn)，提出其他核電廠在蓄電池更新改造時(shí)可參考使用閥控密封式鉛酸蓄電池的觀點(diǎn)。

1 蓄電池的分類及綜合比較

鉛酸蓄電池根據(jù)類型來(lái)分，可以分為兩種，即防酸隔爆式鉛酸蓄電池（簡(jiǎn)稱富液電池）和閥控密封式鉛酸蓄電池（簡(jiǎn)稱VRLA）。閥控密封式鉛酸蓄電池又可分為膠體式（GEL）和貧液吸附式（AGM）。

表1分析了三種型式的鉛酸蓄電池并進(jìn)行綜合比較，總體來(lái)說(shuō)，VRLA電池在體積比容量、大電流性能、循環(huán)次數(shù)、占地面積以及維護(hù)等方面均較富液電池具有更大的優(yōu)勢(shì)，可突破當(dāng)前富液電池的大電流放電和長(zhǎng)時(shí)間放電能力難以兼顧的問(wèn)題，AGM電池還具有安裝方式靈活多樣、節(jié)省空間的優(yōu)勢(shì)。但VRLA電池在充電過(guò)程中存在熱失控風(fēng)險(xiǎn)，可以通過(guò)改善環(huán)境溫度和配置智能充電裝置合理設(shè)置充電參數(shù)來(lái)解決，設(shè)置超溫報(bào)警、過(guò)壓報(bào)警，發(fā)生報(bào)警時(shí)及時(shí)干預(yù)，目前智能充電裝置已非常普及。（VRLA電池?zé)崾Э厥且环N充電末期，電流和溫度發(fā)生積累性的相互促進(jìn)作用而形成惡性循環(huán)的失效模式，表現(xiàn)為浮充電流迅速增大、溫度升高、電池外殼鼓脹變形，最終導(dǎo)致電池失效。）

表1 富液電池/GEL電池/AGM電池性能比較

2 核電廠蓄電池現(xiàn)狀及問(wèn)題

目前在國(guó)內(nèi)核電廠，核島、常規(guī)島直流系統(tǒng)中應(yīng)用VRLA電池的還較少，主要以富液電池為主。此類蓄電池具有制造工藝成熟，價(jià)格不高的優(yōu)勢(shì)。但此類型電池普遍存在的問(wèn)題：（1）維護(hù)工作風(fēng)險(xiǎn)高：在充電期間，富液蓄電池釋出氫氣，有氫氣聚集爆炸風(fēng)險(xiǎn)，需對(duì)房間進(jìn)行氫氣測(cè)量和通風(fēng)處理。檢查蓄電池比重、液位和補(bǔ)水補(bǔ)酸的工作，以及配置電解液等作業(yè)，屬于酸堿類高風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)，工作人員需穿戴防酸衣、防護(hù)面具及橡膠手套，防止電解液濺出受傷。年度核對(duì)性充電期間，蓄電池還釋出酸氣，對(duì)維護(hù)人員呼吸道造成潛在傷害。（2）維護(hù)工作量大：按照預(yù)防性維修大綱的要求，需要對(duì)蓄電池開(kāi)展周檢、月檢工作。通過(guò)檢查電壓、內(nèi)阻、比重、液位，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)蓄電池的異常狀態(tài)并及時(shí)進(jìn)行處理，重復(fù)性工作量較大。（3）占用空間大。由于其技術(shù)特點(diǎn)，只能豎直放置，占用空間大，且體積和重量大于其他類型電池，不易于更換。（4）殼體端蓋出線處密封不易處理，無(wú)法根治極柱爬酸問(wèn)題，需要及時(shí)擦拭清理。

3 秦山核電廠蓄電池運(yùn)行維護(hù)與改進(jìn)

秦山核電廠是中國(guó)大陸第一座自行設(shè)計(jì)、自行建造和自行運(yùn)行管理的原型壓水堆核電廠，設(shè)計(jì)工作于20世紀(jì)70年代就已開(kāi)始，1985年開(kāi)工建設(shè)，1991年首次并網(wǎng)發(fā)電，通過(guò)不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)和設(shè)備更新改造，電廠創(chuàng)造了優(yōu)異的運(yùn)行業(yè)績(jī)，至今已安全穩(wěn)定運(yùn)行接近30年，預(yù)計(jì)將繼續(xù)運(yùn)行20年。

3.1 秦山核電廠蓄電池原設(shè)計(jì)

秦山核電廠核島、常規(guī)島直流系統(tǒng)，原設(shè)計(jì)蓄電池組共8組富液式（見(jiàn)表1），其中7組核島蓄電池為1E級(jí)，1組常規(guī)島蓄電池為N1E級(jí)。由于歷史原因，秦山核電廠設(shè)計(jì)建造在先，核安全法規(guī)逐步完善在后。秦山核電廠于2001年運(yùn)行10周年起，開(kāi)展PSR評(píng)審工作。通過(guò)評(píng)審，核島7組蓄電池均未經(jīng)過(guò)嚴(yán)格意義的1E級(jí)鑒定，需要在后續(xù)改造為具備1E級(jí)的蓄電池。

3.2 秦山核電廠蓄電池設(shè)計(jì)改進(jìn)

進(jìn)入21世紀(jì)，中國(guó)核電事業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展期，相關(guān)制造廠陸續(xù)開(kāi)展了1E級(jí)電氣設(shè)備的鑒定改造，1E級(jí)電氣設(shè)備也嚴(yán)格按照核安全法規(guī)生產(chǎn)制造。因此秦山核電廠核島A/B通道4組蓄電池陸續(xù)改造為1E級(jí)富液蓄電池，并保持相同容量參數(shù)。

秦山核電廠EDG（應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)）在建廠設(shè)計(jì)時(shí)選用了大連機(jī)車車輛廠生產(chǎn)的東風(fēng)4B型柴油機(jī)內(nèi)燃機(jī)車（火車頭），使用東北蓄電池廠生產(chǎn)的N-420型蓄電池作為機(jī)組啟動(dòng)電源。該電池在運(yùn)行期間，存在缺陷較多于20世紀(jì)末已淘汰停產(chǎn)。秦山核電廠EDG啟動(dòng)用N-420型蓄電池是一種較為特殊的情況，這種啟動(dòng)類型的蓄電池，無(wú)經(jīng)過(guò)1E級(jí)鑒定的產(chǎn)品可替代（其他絕大多數(shù)核電廠EDG都是采用壓縮空氣作為動(dòng)力源啟動(dòng)機(jī)組）。秦山核電廠于2010年啟動(dòng)科研工作，對(duì)N-420啟動(dòng)型蓄電池（富液）的升級(jí)替代產(chǎn)品NM-450（AGM）實(shí)施了1E級(jí)鑒定工作，并完成1E級(jí)鑒定。2013年實(shí)施了3臺(tái)EDG啟動(dòng)蓄電池的改造。

表2 蓄電池原設(shè)計(jì)列表

另外秦山核電廠交流不間斷電源系統(tǒng)（UPS）也進(jìn)行了設(shè)計(jì)改進(jìn)。2007年新增常規(guī)島UPS兩臺(tái)，配置兩組非核級(jí)GEL蓄電池（490 Ah 104節(jié)）。

2011年福島核事故后，秦山核電廠增設(shè)防水淹柴油發(fā)電機(jī)組（AAC），2014年建成投產(chǎn)。該機(jī)組配置啟動(dòng)AGM蓄電池兩組（24 V 450 Ah）和控制AGM蓄電池一組（220 V 200 Ah），均采用橫臥放置，上下多層結(jié)構(gòu)。

根據(jù)浙江電網(wǎng)評(píng)審要求，常規(guī)島直流系統(tǒng)蓄電池配置不滿足要求，應(yīng)設(shè)兩段母線兩組蓄電池，實(shí)際是兩段母線一組蓄電池、母線不分段運(yùn)行。2019年實(shí)施了改造，并增加一組蓄電池。改造后采用兩組(NDP-1200 104節(jié))AGM蓄電池，容量不變，橫臥放置，上下兩層，有效節(jié)省了空間。如采用富液電池，該房間無(wú)法布置兩組，需要新建蓄電池房間。

目前秦山核電廠核島、常規(guī)島蓄電池全部完成設(shè)行十一年，于2018年進(jìn)行了更換，EDG啟動(dòng)AGM蓄電池由于保守起見(jiàn)，其1E級(jí)鑒定壽命僅完成了5年試驗(yàn)，在2018年更換后對(duì)換下來(lái)的NM-450啟動(dòng)蓄電池進(jìn)行了性能測(cè)試和解剖檢查，判定其仍可繼續(xù)使用8年以上。

配套CAP1400示范電站項(xiàng)目，南都電源公司開(kāi)展4 000 Ah VRLA超大容量蓄電池（AGM）的1E級(jí)鑒定工作，已于2020年9月完成1E級(jí)鑒定工作，將在三代核電站核島1E級(jí)直流系統(tǒng)率先使用VRLA電池。秦山核電廠在下一次核島A/B通道蓄電池更換時(shí)將可以考慮使用VRLA蓄電池替代目前的富液電池，實(shí)現(xiàn)全部VRLA化。

對(duì)于業(yè)內(nèi)擔(dān)心的VRLA電池?zé)崾Э貑?wèn)題，秦山核電廠通過(guò)精心設(shè)置充電參數(shù)和開(kāi)展日常巡檢，對(duì)全廠蓄電池進(jìn)行了有效管控，未出現(xiàn)過(guò)電池?zé)崾Э厥КF(xiàn)象，電池在充電末期殼體溫度基本在25℃以內(nèi)，環(huán)境溫度保持在20℃～25℃。所以通過(guò)有效地控制充電電壓和環(huán)境溫度，可以避免熱失控的出現(xiàn)。計(jì)改進(jìn)（見(jiàn)圖1），主要14組蓄電池中，VRLA電池占據(jù)其中10組，最早投運(yùn)的UPS蓄電池已安全穩(wěn)定運(yùn)

圖1 改造后蓄電池現(xiàn)狀

3.3 秦山核電廠蓄電池改進(jìn)后的性能試驗(yàn)

以兩組閥控膠體電池GEL、和閥控吸附式電池AGM的放電性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)（見(jiàn)表3），來(lái)說(shuō)明VRLA電池的性能。用富液電池的試驗(yàn)方式和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)充滿電的整組蓄電池以十小時(shí)率容量放電電流恒流放電8小時(shí)，放出電量為80%C10，要求截至第8小時(shí)每節(jié)電池電壓都大于放電終止電壓1.8V，否則判定試驗(yàn)不合格。選用一組2007年投運(yùn)以來(lái)第10次性能試驗(yàn)的GEL蓄電池，單節(jié)最低終止電壓為1.865 V；一組為2019年投運(yùn)，首次性能試驗(yàn)的AGM蓄電池，單節(jié)最低終止電壓為1.910V，從試驗(yàn)結(jié)果可以看出VRLA電池在性能上安全，可以替代富液電池。

表3 兩組蓄電池10小時(shí)率放電試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.4 秦山核電廠蓄電池改進(jìn)后的收益分析

截至2021年2月底，秦山核電廠核島、常規(guī)島主要蓄電池的現(xiàn)狀（見(jiàn)表4），14組蓄電池中，4組為富液電池，10組為VRLA電池。在實(shí)際運(yùn)行中，秦山核電廠嚴(yán)格按照預(yù)防性維修大綱的安排，機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電期間開(kāi)展蓄電池的周、月檢工作，機(jī)組換料大修期間核對(duì)性容量充放電試驗(yàn)，通過(guò)嚴(yán)格執(zhí)行維修規(guī)程和定期試驗(yàn)規(guī)程，秦山核電廠蓄電池保持了優(yōu)良的運(yùn)行業(yè)績(jī)。

表4 核島、常規(guī)島蓄電池改造后現(xiàn)狀

表5對(duì)兩種型式的蓄電池維護(hù)工作量進(jìn)行了對(duì)比分析（以秦山核電廠實(shí)際情況統(tǒng)計(jì)），得出VRL電池不用再測(cè)比重、調(diào)電解液、調(diào)整電解液后的補(bǔ)充電等重復(fù)性工作，維護(hù)工時(shí)遠(yuǎn)小于富液電池，為1/2～1/4之間；充放電工時(shí)約為富液電池的2/3，有效節(jié)省了人工工時(shí)，節(jié)約了人工成本。

表5 秦山核電廠兩種型式的蓄電池工時(shí)比較

秦山核電廠蓄電池設(shè)計(jì)改進(jìn)后，系統(tǒng)運(yùn)行可靠性得以提升，同時(shí)有效降低了維護(hù)工作風(fēng)險(xiǎn)，維護(hù)工作的人工成本，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)束語(yǔ)

秦山核電廠電氣系統(tǒng)通過(guò)持續(xù)改進(jìn)，不斷提升系統(tǒng)設(shè)備可靠性，提高了工作人員的技術(shù)，積累了經(jīng)驗(yàn)。相比同行核電廠來(lái)說(shuō)，秦山核電廠最早運(yùn)行，最早改造，改造工作走在了前面，積累的成功經(jīng)驗(yàn)也應(yīng)該分享給同行核電廠，以VRLA電池逐步取代富液電池的經(jīng)驗(yàn)，也同樣可在同行核電廠蓄電池組更新改造時(shí)參考。