核電廠鉛鈣蓄電池與鉛銻蓄電池析氫量分析

趙宏軍，齊索妮，沈 巖，李 嘉

（中國(guó)核電工程有限公司， 北京 100840）

核電廠鉛鈣蓄電池與鉛銻蓄電池析氫量分析

趙宏軍，齊索妮，沈 巖，李 嘉

（中國(guó)核電工程有限公司， 北京 100840）

蓄電池材質(zhì)選型需根據(jù)廠家數(shù)據(jù)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)文件。通過(guò)具體計(jì)算，對(duì)比分析鉛鈣合金和鉛銻合金兩種不同類型開(kāi)口鉛酸蓄電池析氫量的差異，為核電廠蓄電池的材質(zhì)選擇奠定基礎(chǔ)。

鉛銻；鉛鈣；析氫量

目前，核電廠核島直流系統(tǒng)通常使用開(kāi)口式（富液）鉛酸蓄電池。按照極板材質(zhì)劃分，主要可分為鉛鈣合金、鉛銻合金和大面積鉛板型。AP1000核電站為第三代核電技術(shù)，我國(guó)的工程技術(shù)人員也對(duì)該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了多方面的研究[1]，在該類型的核電廠中采用了一種鉛鈣合金的蓄電池作為應(yīng)急電源，其產(chǎn)品具有析氫量小，加水量少的特點(diǎn)。M310核電廠中采用的蓄電池均為鉛銻蓄電池，這種電池重量較輕，價(jià)格便宜，但是析氫量大，補(bǔ)水間隔短，在使用過(guò)程中會(huì)發(fā)生減液現(xiàn)象。因?yàn)檎龢O板柵上銻溶解，并通過(guò)隔板轉(zhuǎn)移到負(fù)極表面，也就是柵架上的銻會(huì)污染負(fù)極板，減弱了完全充電后鉛酸蓄電池內(nèi)的反電動(dòng)勢(shì)，造成水的過(guò)度分解，大量的氧氣和氫氣分別從正負(fù)極板上逸出，使電解液減少。蓄電池的逸氣和自放電以及頻繁的加水維護(hù)不可避免[2]。

而鉛鈣型蓄電池的析氫過(guò)電位高，可以基本上保證鉛酸蓄電池在工作中有很低的水損耗和自放電，保證了良好的免維護(hù)性能[3]。在鉛酸電池中用鈣代替銻，就可以改變完全充電后的鉛酸蓄電池的反電動(dòng)勢(shì)，減少過(guò)充電流，液體氣化速度減低，從而減低了電解液的損失。

蓄電池的析氫量直接關(guān)系到蓄電池房間的通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，蓄電池組的析氫量是通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)輸入。在IEEE 484中對(duì)單只蓄電池每安時(shí)的氫氣釋放率有明確的數(shù)值要求，在EPRI的文件中也規(guī)定了蓄電池析氫量的計(jì)算公式[4-5]。

但鉛鈣蓄電池與鉛銻蓄電池的析氫量的具體差異，尚未有專門的文獻(xiàn)闡述。經(jīng)過(guò)查閱和搜集相關(guān)規(guī)范要求、廠家資料，并利用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的公式，本文計(jì)算出不同廠家鉛銻電池的析氫量并與鉛鈣型蓄電池進(jìn)行對(duì)比分析，得到鉛銻蓄電池與鉛鈣蓄電池的析氫量定量分析結(jié)果。

式中：N——每組蓄電池的個(gè)數(shù)，只；

K——充電時(shí)每安時(shí)的氫氣釋放率，mm3/s；

Ah——蓄電池額定容量，Ah；

FC——蓄電池每100 Ah浮充電電流，A，經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

環(huán)境條件：一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，溫度25 ℃。氫氣釋放率，ft3/h，

1 計(jì)算樣本選取

本文中使用的鉛鈣電池參數(shù)主要參考了生產(chǎn)廠家提供的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)；鉛銻電池樣本采用了沈陽(yáng)某蓄電池廠家以及武漢某蓄電池廠家提供的析氫量設(shè)計(jì)參數(shù)；同時(shí)還參考了武漢某蓄電池廠家的《固定型鉛酸蓄電池介紹手冊(cè)》；以及某鉛鈣蓄電池廠家運(yùn)行維護(hù)手冊(cè)附錄中析氫量計(jì)算中的相關(guān)數(shù)據(jù)。120 ℉（48.9 ℃）時(shí)，當(dāng)溫度比77 ℉（25 ℃）每提高16 ℉（8.9 ℃）時(shí)，氫氣釋放量將雙倍增長(zhǎng)。

但不同結(jié)構(gòu)的鉛蓄電池，即使其他條件完全相同，其浮充電流也不相同；同樣結(jié)構(gòu)的不同容量電池，浮充電流會(huì)隨電池容量增加而加大。極板原材料中的有害雜質(zhì)會(huì)使活性物質(zhì)自放電速度加快，從而引起浮充電流加大。

同時(shí)蓄電池使用壽命也影響浮充電流，新電池浮充電流較小，蓄電池在使用中，極板表面會(huì)逐漸遭到有害雜質(zhì)污染，降低析氫和氧過(guò)電位，即常說(shuō)的“銻中毒”從而促使浮充電流增加。另外，電池內(nèi)部也會(huì)逐步形成微短路，引起浮充電流加大。

2 析氫量計(jì)算

2.1 計(jì)算公式

2.2 鉛銻電池（GFD-2500，120只）

2.2.1 沈陽(yáng)某廠家提供實(shí)測(cè)值（GFD-2500，120只）

浮充電壓2.23 V/只時(shí)，實(shí)測(cè)值C浮充=347 mm3/s·只（浮充）：

● 環(huán)境溫度77 ℉（25 ℃）時(shí)，CA1=41 640 mm3/s；

● 環(huán)境溫度120 ℉（48.9 ℃）時(shí)，CA1T=268 262mm3/s。

表1 引自EPRI出版物的FC的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)[4]Table 1 Typical float current in EPRI publication[4]

均充電電壓為2.35 V/只時(shí)，實(shí)測(cè)值C均充=753.3 mm3/s（均充）：

● 環(huán)境溫度77 ℉（25 ℃）時(shí)，CA1=90 396 mm3/s；

● 環(huán)境溫度120 ℉（48.9 ℃）時(shí)，CA1T=582 367 mm3/s。

2.2.2 武漢某廠家提供計(jì)算數(shù)據(jù)（OPzS

2500（2682 Ah）120只）

浮充時(shí)：

● 環(huán)境溫度77 ℉（25 ℃）時(shí)，CA2= 11 111 mm3/s；

● 環(huán)境溫度120 ℉（48.9 ℃）時(shí)，CA2T= 59 888 mm3/s。

均充時(shí)：

● 環(huán)境溫度77 ℉（25 ℃）時(shí)，CA2= 35 833 mm3/s；

● 環(huán)境溫度120 ℉（48.9 ℃）時(shí)，CA2T= 189 333 mm3/s。

2.2.3 國(guó)外某廠家提供的計(jì)算數(shù)據(jù)

浮充時(shí)，F(xiàn)C=0.185（2.25 V/只）：

● 環(huán)境溫度77 ℉（25 ℃）時(shí)，CA3=70 418 mm3/s；

● 環(huán)境溫度120 ℉（48.9 ℃）時(shí)，CA3T=453 664 mm3/s。

均充時(shí)，F(xiàn)C=0.45（2.33 V/只）：

● 環(huán)境溫度77 ℉（25 ℃）時(shí)，CA3=171 288 mm3/s；

● 環(huán)境溫度120 ℉（48.9 ℃）時(shí)，CA3T= 1 103 506 mm3/s。

2.2.4 EPRI 給出的數(shù)據(jù)

浮充時(shí)，F(xiàn)C=0.42（2.25 V/只）：

● 環(huán)境溫度77 ℉（25 ℃）時(shí)，CA4=159 869 mm3/s；

● 環(huán)境溫度120 ℉（48.9 ℃）時(shí)，CA4T= 1 029 939 mm3/s。

均充時(shí)，F(xiàn)C=0.96（2.33 V/只）：

● 環(huán)境溫度77 ℉（25 ℃）時(shí)，CA4=365 414 mm3/s；

● 環(huán)境溫度120 ℉（48.9 ℃）時(shí)，CA4T= 2 354 146 mm3/s。

2.3 鉛鈣蓄電池（120只額定容量2 430 Ah）

美國(guó)某廠家提供的蓄電池樣本：（每組鉛鈣蓄電池有120節(jié)額定容量2 430 Ah）

在每節(jié)蓄電池浮充電壓為2.25 V的條件下：

● N=120，每組蓄電池的個(gè)數(shù)；

● K=126.88，充電時(shí)每安時(shí)的氫氣釋放率，mm3/s；

● Ah=2 430，蓄電池額定容量，Ah；

● FC=0.011，蓄電池每100 Ah浮充電電流，A；

● 環(huán)境溫度77 ℉（25 ℃）時(shí)，C=4 032.8 mm3/s；

● 環(huán)境溫度120 ℉（48.9 ℃）時(shí)，CT=25 981 mm3/s；

● 在每節(jié)蓄電池均衡充電電壓為2.33 V的條件下，F(xiàn)C=0.024；

● 環(huán)境溫度77 ℉（25 ℃）時(shí)，C=8 804.4 mm3/s；

● 環(huán)境溫度120 ℉（48.9 ℃）時(shí)，CT= 56 721 mm3/s。

3 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2、表3所示。

4 結(jié)果分析

根據(jù)沈陽(yáng)某廠家提供的鉛銻蓄電池氫氣釋放率，浮充時(shí)氫氣釋放量是普通鉛鈣電池的41?640/4?032.8=10.32倍，在均充時(shí)，該差異可達(dá)到90?396/8?804.4=10.27倍。

根據(jù)武漢某廠家提供的鉛銻蓄電池氫氣釋放率，浮充時(shí)氫氣釋放量是普通鉛鈣電池的11?111/4?032.8=2.75倍，在均充時(shí)，該差異可達(dá)到90?396/8?804.4=4.7倍。以上數(shù)據(jù)均為25 ℃時(shí)的比較值，若溫度升高，則差異將進(jìn)一步增大。

文中還引用了國(guó)外某廠家生產(chǎn)的鉛銻蓄電池?cái)?shù)據(jù)，每100 Ah浮充電流的經(jīng)驗(yàn)值，浮充時(shí)鉛銻蓄電池的氫氣釋放量是鉛鈣電池的70?418/4?032.8=17.46倍，在均充時(shí)，該差異可達(dá)到268?262/8?804.4=30.46倍。

表2 正常浮充狀態(tài)下（2.25 V/只）的氫氣釋放量1）Table 2 Hydrogen generation during float charge（2.25 V/cell）1）

表3 蓄電池均衡充電狀態(tài)下（2.33 V/只）的氫氣釋放量1）Table 3 Hydrogen generation during equalizing charge（2.33 V/cell）1）

根據(jù)EPRI提供的數(shù)據(jù)：浮充時(shí)鉛銻蓄電池的氫氣釋放量是鉛鈣電池的159?869/ 4?032.8=39.64倍，在均充時(shí)，該差異可達(dá)到365?414/8?804.4=41.5倍。

在此計(jì)算中，鉛銻電池每安時(shí)氫氣釋放率采用IEEE?484第5.4節(jié)給出的126.88??mm3/ s。最終的氫氣釋放量計(jì)算結(jié)果與浮充電流的大小成正比關(guān)系。新的鉛銻電池與鉛鈣電池的氫氣釋放量一般為10倍左右的關(guān)系，舊的鉛銻電池與鉛鈣電池的氫氣釋放量一般為40倍左右的關(guān)系。

通風(fēng)專業(yè)根據(jù)蓄電池間的析氫量和換氣要求，計(jì)算通風(fēng)排風(fēng)量，確定空調(diào)機(jī)組各風(fēng)機(jī)、風(fēng)閥、風(fēng)管等的設(shè)計(jì)選型，若選擇析氫量少的鉛鈣蓄電池，可以大大減少通風(fēng)設(shè)備的容量。

[1] 蘇榮福，唐涌濤. AP1000核電廠反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)布置設(shè)計(jì)[J]. 中國(guó)核電，2014.（SU Rongfu, TANG Yong-tao. Layout design of AP1000 reactor coolant system [J]. China Nuclear Power, 2014.）

[2] 許磊. 添加錫鉍元素對(duì)鉛鈣電極合金性能的影響[J].材料導(dǎo)報(bào)，2008.（XU Lei. The impact of adding Sn-Bi elements to the alloy performance of Pb-Ca electrode [J]. Materials Review, 2008.）

[3] 梁晶晶. 關(guān)于免維護(hù)鉛酸蓄電池鉛鈣合金摻雜元素的腐蝕研究[J]. 蓄電池，2012.（LIANG Jing-jing. Study on the corrosion of Pb-Ca alloy doping elements of maintenance free lead-acid battery [J]. Storage Battery, 2012.）

[4] EPRI EL 5036 V9.

[5] IEEE484-IEEE Recommended Practice for Installation Design and Installation of Vented Lead-Acid Batteries for Stationary Applications.

Hydrogen Generation Comparison Between Lead-Calcium and Lead-Antimony Batteries in Nuclear Power Plant

ZHAO Hong-jun，QI Suo-ni，SHEN Yan，LI Jia
（China Nuclear Power Engineering Co.，Ltd.，Beijing 100840，China）

Battery type selection is performed with the help of technical information supplied by vendors, and according to relevant criteria. Analysis and comparison of the hydrogen generation differences between two different lead-acid battery types are carried out through calculation. The analysis result may provide suggestions for battery type selection in nuclear power plant.

lead-antimony；lead-calcium；hydrogen generation

TM623Article character：A

：1674-1617(2014)04-0378-04

TM623

：A

：1674-1617(2014)04-0378-04

2014-09-12

趙宏軍（1972—），男，河北人，高級(jí)工程師，學(xué)士，從事核電廠核島低壓及直流電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)。