非能動(dòng)核電廠用蓄電池國產(chǎn)化情況分析

倪丹（上海核工程研究設(shè)計(jì)院，上海 200233）

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非能動(dòng)核電廠用蓄電池國產(chǎn)化情況分析

倪丹
（上海核工程研究設(shè)計(jì)院，上海 200233）

摘要：非能動(dòng)核電廠對(duì) 1E 級(jí)蓄電池的性能要求與能動(dòng)核電廠有很大差異，目前非能動(dòng)核電廠采用的 1E 級(jí)蓄電池為鉛鈣蓄電池，而國內(nèi)具有核級(jí)生產(chǎn)資質(zhì)的蓄電池廠家生產(chǎn)的為鉛銻蓄電池。本文基于這兩種鉛酸蓄電池的性能差異，結(jié)合非能動(dòng)核電廠對(duì) 1E 級(jí)蓄電池的放電特性的要求，簡要分析國產(chǎn)鉛銻蓄電池使用的可行性及替換可能產(chǎn)生的問題。

關(guān)鍵詞：核電；非能動(dòng)；鉛銻蓄電池；鉛鈣蓄電池；1E 級(jí)；直流系統(tǒng)

0 前言

直流系統(tǒng)是核電廠不可缺少的配電系統(tǒng)，在交流失電的情況下，直流系統(tǒng)可持續(xù)為安全停堆所需的負(fù)荷繼續(xù)提供電源。而蓄電池正是確保持續(xù)供電的重要設(shè)備。目前核電廠的安全級(jí)蓄電池普遍采用富液式鉛酸蓄電池。

1 蓄電池的放電性能要求

蓄電池的放電電流大小以及放電時(shí)間根據(jù)每個(gè)電廠具體的直流負(fù)荷運(yùn)行要求確定。大部分二代及二代加壓水堆核電廠中，安全級(jí)蓄電池的運(yùn)行時(shí)間一般為 2 h。

福島事件后，嚴(yán)重事故工況下核電廠的供電能力，成為了令人關(guān)注的問題[1]。國家核安全局對(duì)運(yùn)行和在建核電廠開展了核安全檢查，在檢查意見中提出要研究改進(jìn)提高蓄電池供電能力。在《“十二五”期間新建核電廠安全要求（征求意見稿）》中要求核電廠應(yīng)在喪失廠外和廠內(nèi)應(yīng)急交流電源 8 h 內(nèi)能夠保持堆芯的持續(xù)冷卻而不會(huì)導(dǎo)致堆芯嚴(yán)重?fù)p壞，因此，蓄電池的長時(shí)供電也成為了確保安全的重要環(huán)節(jié)。

在三代非能動(dòng)核電廠 (AP1000系列) 中，要求安全級(jí)蓄電池的供電時(shí)間長達(dá) 24 h 以及 72 h。美標(biāo)的蓄電池標(biāo)準(zhǔn)額定容量為 8 小時(shí)率，歐標(biāo)的蓄電池標(biāo)準(zhǔn)容量為 10 小時(shí)率。24 h 及 72 h 對(duì)蓄電池長時(shí)供電能力提出了更高的要求。

此外，短時(shí)沖擊負(fù)荷的大小也對(duì)蓄電池選型起到?jīng)Q定性作用。大部分核電廠第 1 分鐘的直流沖擊負(fù)荷主要為控制回路的接觸器或繼電器的動(dòng)作電流，一般沖擊電流不會(huì)比長時(shí)負(fù)荷大出很多；但對(duì)于 AP 系列的非能動(dòng)電廠，蓄電池需為 1E 級(jí)電動(dòng)閥供電，在全廠失電和 LOCA 兩種工況下，均有很多電動(dòng)閥在第 1 分鐘動(dòng)作，且電動(dòng)閥的啟動(dòng)電流較大。這就要求蓄電池能在第 1 分鐘提供出很大的放電電流以滿足第 1 分鐘沖擊負(fù)荷的要求，因此對(duì)于蓄電池第 1 分鐘的高放電率也提出了很高的要求。

2 AP 系列蓄電池國產(chǎn)化情況分析

目前滿足 AP 系列核電廠安全級(jí)蓄電池要求的為鉛鈣蓄電池，正極板柵普遍采用的是鉛鈣合金，正負(fù)極板均為涂膏式的。而對(duì)于國內(nèi)具有核級(jí)生產(chǎn)資質(zhì)的蓄電池廠家，電池正極板柵采用鉛銻合金，正極板為管式極板，負(fù)極板為涂膏式極板。采用的極板類型和合金材料的不同，會(huì)導(dǎo)致蓄電池的放電性能和適用場合有所差異。以下將結(jié)合上文中提到的蓄電池放電性能要求以及不同類型的蓄電池特點(diǎn)，分析 1E 蓄電池國產(chǎn)化的要點(diǎn)及難點(diǎn)。

2.1 極板的性能差異分析

從正極板柵合金材料上看，一個(gè)采用的是鉛鈣合金，一個(gè)采用的是鉛銻合金。

鉛鈣合金的蓄電池在完全充電狀態(tài)下的浮充電電流非常小，因而產(chǎn)生的氣體量非常小，水的消耗量也非常小。鉛鈣合金的主要優(yōu)點(diǎn)：析氫過電位比鉛銻合金提高約 0.2 V，接近于純鉛，從而有效地抑制了蓄電池的自放電和負(fù)極的析氫。但是鉛鈣合金板柵易膨脹，電池深充放電時(shí)，會(huì)出現(xiàn)電池容量早期下降，不同程度地存在早期容量損失（PCL）現(xiàn)象，因此鉛鈣蓄電池不適用于頻繁的深度放電，電池過放電時(shí)再充電接受能力也較差[2]。

鉛銻合金蓄電池在充電接受能力以及循環(huán)性能上都明顯優(yōu)于鉛鈣合金，因此鉛銻合金的蓄電池適用于頻繁充放電循環(huán)和深度放電的運(yùn)行工況。浮充電流、氣體的生成量以及加液頻率與板柵中的銻含量成正比。此外，隨著銻合金電池的老化，電解液中銻的含量逐漸增大，浮充電流、水的消耗量以及生成的氫氣量也由于溶解的銻與負(fù)極板反應(yīng)而增加[3]。

對(duì)于核電廠中的蓄電池，除了定期試驗(yàn)外，只有在異常工況下才會(huì)放電。根據(jù) IEEE 450[4]及RG1.129[5]要求，在壽命初期，蓄電池每兩年進(jìn)行一次容量試驗(yàn)，當(dāng)壽命出現(xiàn)下降時(shí)，每一年進(jìn)行一次容量試驗(yàn)。電廠發(fā)生異常工況引起蓄電池放電的概率較低，因此對(duì)于核電廠安全級(jí)蓄電池，不會(huì)頻繁放電。

采用鉛銻蓄電池較鉛鈣蓄電池，氫氣釋放量會(huì)有所增加。根據(jù) IEEE 484 標(biāo)準(zhǔn)[6]，蓄電池氫氣釋放量與充電電流成正比，在 25 ℃，760 mm Hg 的大氣壓下，每個(gè)蓄電池單體對(duì)應(yīng)每安培充電電流下釋放的氫氣量為 0.127 mL/s。IEEE 為美國標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)的美標(biāo)鉛酸蓄電池一般電解液相對(duì)密度為 1.215，額定容量為 8 小時(shí)率對(duì)應(yīng)容量。表 1 為某美國鉛酸蓄電池廠家提供的不同類型的鉛酸蓄電池單體，在不同充電電壓下，每 100 Ah 對(duì)應(yīng)的充電電流值。從表中數(shù)據(jù)可以看出，同樣容量的鉛銻蓄電池氫氣釋放量會(huì)達(dá)到鉛鈣蓄電池的 5～20 倍。

表 1 鉛酸蓄電池充電電流需求量

另一個(gè)差異體現(xiàn)在正極板的型式上[7]：對(duì)于涂膏式極板，活性物質(zhì)以膏狀混合物的形式涂覆在鉛合金板柵上，板柵的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)提供了很多可以到達(dá)極板端子的電流通路。管式正極板的活性物質(zhì)填充在不具有傳導(dǎo)性的套管中，鉛合金板柵筋條位于套管的中心并作為載流導(dǎo)體；基于管式極板的材料特性，設(shè)計(jì)能夠保證多次的充放電循環(huán)，但與酸液的接觸面積小于涂膏式極板，所以管式極板的高倍率放電性能較差。還有一種是普蘭特極板，普蘭特極板較厚，由純鉛澆鑄而成，連接到鉛銻合金的匯流排上，極板兩側(cè)的表面形成活性物質(zhì)，鉛體上很薄的活性物質(zhì)，增加了接觸面積，有利于載流子交換使之在短時(shí)間內(nèi)可提供大電流，可保證非常長的浮充電壽命和循環(huán)壽命，適用于短時(shí)高倍率放電。

2.2 國產(chǎn)化難點(diǎn)分析

三代非能動(dòng)核電廠 (AP1000系列) 中，對(duì)蓄電池第 1 分鐘放電能力和 24 h、72 h 放電能力提高了要求。一般能動(dòng)電廠蓄電池的放電時(shí)間一般不超過2 h，國內(nèi)核電廠用蓄電池一般最長只做到 10 小時(shí)率的放電試驗(yàn)，未檢驗(yàn)過 24 h、72 h 的長時(shí)間放電性能。另一方面鉛銻蓄電池在放電性能上與鉛鈣蓄電池本身也有所差異。

表 2 所示為某廠家?guī)追N不同類型極板的蓄電池，20 ℃ 放電至 1.75 V 所對(duì)應(yīng)的放電參數(shù)。明確可見，容量相近的鉛銻合金管式極板的蓄電池 1 小時(shí)率以下的短時(shí)放電能力，特別是 1 min 大電流放電能力遠(yuǎn)小于其他兩種類型的電池；對(duì)于 72 小時(shí)率長時(shí)間放電能力，鉛銻合金的管式極板以及普蘭特極板均低于鉛鈣合金的涂膏式極板電池。

表 2 蓄電池各小時(shí)率放電率

要達(dá)到相同的 1 min 及 72 小時(shí)率放電能力，鉛銻合金蓄電池需有更大的容量，這樣在經(jīng)濟(jì)性上會(huì)有所犧牲。目前國內(nèi)鉛銻電池最大容量在 3000 Ah左右，但對(duì)于 CAP1400，由于直流系統(tǒng)電壓等級(jí)由AP1000 的 250 V 調(diào)整到了 220 V，相同功率設(shè)備電流也會(huì)有所增大，再加上部分設(shè)備國產(chǎn)化以后功率也有所增大，因此國內(nèi)現(xiàn)有的蓄電池最大容量無法滿足 72 h 負(fù)荷放電需求，需要向 4000 Ah 這種大容量的方向研發(fā)。

從表 2 還可以看到，對(duì)于鉛銻蓄電池，主要制約的是 72 小時(shí)放電率。表 3 為 Enersys 電池廠 GN系列的蓄電池的放電參數(shù)以及單體尺寸[8]。同大部分蓄電池廠家設(shè)計(jì)一樣，同一外殼尺寸對(duì)應(yīng)多個(gè)容量等級(jí)。根據(jù)外殼內(nèi)放置的極板數(shù)量以及極板長度的不同，最終蓄電池的總?cè)萘繒?huì)有所不同。一般來說，隨著蓄電池的容量的增加，對(duì)應(yīng)的各放電率的放電電流應(yīng)相應(yīng)地增加；但從表 3 中的參數(shù)可見，對(duì)于 72 小時(shí)放電率，放電電流并不是隨容量的變化而變化：同一殼體尺寸的蓄電池隨著容量的增加，72 小時(shí)率放電電流反而降低了。這是由于短時(shí)放電能力主要取決于活性物質(zhì)與酸液的接觸反應(yīng)面積，隨著放電時(shí)間加長，特別是 72 h 這么長的時(shí)間，活性物質(zhì)與酸液的反應(yīng)程度越來越受到酸液量的限制。從樣本參數(shù)可見，相同殼體電池的 72 小時(shí)率放電電流大小變化不大。蓄電池殼體變大后，72 小時(shí)率放電電流隨之階梯式增大。對(duì)于相同殼體不同容量的蓄電池，如 GN-35 到 GN-45，GN-35電池雖然極板數(shù)量少，但是酸液量較多，所以 72小時(shí)率放電電流反而最大。因此可知，并不是只靠增加極板數(shù)量，或者擴(kuò)大極板面積以增大容量就可以滿足要求。廠家應(yīng)綜合考慮滿足短時(shí)放電需求的極板數(shù)量、尺寸以及滿足長時(shí)放電要求的酸液配比來確定蓄電池外殼尺寸。當(dāng)然不能無限制地放大殼體尺寸，對(duì)于安全級(jí)蓄電池，還需滿足抗震要求。殼體過高，極板過長都會(huì)對(duì)電池的抗震性能帶來不利的影響，此外尺寸過大也會(huì)給布置帶來困難。

表 3 GN 系列蓄電池放電參數(shù)及單體尺寸

在壽命方面，要求蓄電池的設(shè)計(jì)壽命不低于20 a。根據(jù) IEEE 450 標(biāo)準(zhǔn)，放電容量低于額定容量的 80 % 時(shí)，需對(duì)蓄電池進(jìn)行更換。目前很多研究都承諾，其富液式鉛酸蓄電池的壽命可達(dá) 20 a，但所進(jìn)行的放電試驗(yàn)最多是用 10 小時(shí)率來進(jìn)行考核的。當(dāng)放電時(shí)間延長到 72 h 后，是否還可以滿足使用 20 a 的要求，廠家需進(jìn)一步驗(yàn)證。

4 結(jié)束語

本文結(jié)合三代非能動(dòng)核電廠中對(duì) 1E 級(jí)蓄電池的性能要求以及鉛銻及鉛鈣蓄電池的性能差異，分析了國內(nèi)現(xiàn)有的鉛酸蓄電池的不足之處，闡明了要實(shí)現(xiàn)非能動(dòng)系統(tǒng) 1E 級(jí)蓄電池的國產(chǎn)化，需要注意大容量、短時(shí)放電和長時(shí)放電以及設(shè)計(jì)壽命等幾方面的要點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 福島事故后，我國核電廠通用改進(jìn)技術(shù)要求.

[2] 陳瑞宗, 鄭宣佩, 呂永堯, 等. 鉛酸電池用鉛鈣合金與低銻合金的比較[J]. 船電技術(shù), 2005, 25(1): 62-63.

[3] 周玉婷. 鉛酸蓄電池鉛銻板柵電化學(xué)性能的研究[D]. 合肥工業(yè)大學(xué), 2010.

[4] IEEE 450—2010 Recommended practice for maintenance, testing and replacement of vented lead-acid batteries for stationary applications.

[5] RG 1.29—1978 Seismic Design Classification.

[6] IEEE 484—2002 Recommended practice for installation design and installation of vented leadacid batteries for stationary applications.

[7] NBT 20062—2012 核電廠不間斷電源系統(tǒng)蓄電池組.

[8] GN 蓄電池樣本. US-GN-RS-002 - February 2012.

Analysis of the domestic situation of the lead-acid batteries for the passive nuclear power plants

NI Dan
(Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute, Shanghai 200233,China)

Abstract:The dynamic performance requirements of class 1E batteries for the nuclear power plants are significantly different from those for active nuclear power plants. Now class 1E batteries for passive nuclear power plants are lead calcium batteries, but the domestic manufacturers with nuclear grade qualifi cation usually produce lead antimony batteries. In this paper, based on the performance differences of the two kinds of lead-acid batteries, combined with the discharge characteristics of class 1E batteries for passive nuclear power plants, the feasibility of using domestic lead antimony batteries and the possible problem replacing lead calcium batteries by lead antimony batteries are analyzed briefl y.

Key words:nuclear power; passive; lead antimony battery; lead calcium battery; class 1E; direct current system

收稿日期：2015–07–15

中圖分類號(hào)：TM 912.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-0847(2016)01-31-04