核電廠安全級蓄電池壽命監(jiān)測及提升

金少軍

（陽江核電有限公司，廣東 陽江 529500）

1 蓄電池壽命監(jiān)測的意義

核電廠安全級直流系統(tǒng)是由蓄電池和整流充電器組成的電源系統(tǒng)，向逆變器、核反應(yīng)堆保護(hù)組、斷路器、繼電器、電磁閥、計算機(jī)、各種檢測分析記錄儀等重要負(fù)荷供電，對核電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用。而蓄電池作為后備電源，在失去交流電源時能夠繼續(xù)為下游負(fù)荷提供穩(wěn)定的輸出，直至交流電源恢復(fù)（通過廠外電源或廠內(nèi)柴油機(jī)）或機(jī)組已被控制在安全的狀態(tài)，確保核電廠的運(yùn)行安全。然而，在蓄電池的實際運(yùn)行維護(hù)過程中，外界的各種不利因素會使蓄電池的性能降低，壽命縮短。在提升蓄電池供電可靠性的同時，如何準(zhǔn)確迅速地發(fā)現(xiàn)過早出現(xiàn)問題的電池，并提前預(yù)判蓄電池的未來性能變化情況，已經(jīng)成為電池運(yùn)行維護(hù)的新目標(biāo)，也成為提高備用電源可靠性的關(guān)鍵。

2 蓄電池壽命監(jiān)測的方法

影響蓄電池壽命的因素很多，一方面與蓄電池本身生產(chǎn)制造工藝相關(guān)的極板材料、活性物質(zhì)、極柱密封等內(nèi)部因素有關(guān)，另一方面還與蓄電池的工作條件、維護(hù)方法等外在因素密切相關(guān)[3]，因此在日常運(yùn)維當(dāng)中應(yīng)通過核容試驗、腐蝕、內(nèi)阻測量等方面來監(jiān)測和評價蓄電池性能，同時結(jié)合蓄電池實際運(yùn)行溫度對壽命進(jìn)行預(yù)測，具體如下：

2.1 通過核容試驗進(jìn)行監(jiān)測

核容試驗是監(jiān)測蓄電池性能的最有效手段，綜合蓄電池的電壓、電流、放電時間等參數(shù)，建立容量趨勢并預(yù)測蓄電池未來性能的變化，有計劃地終止蓄電池壽命，確保后備電源安全可控。

①蓄電池核容試驗的方法

核電廠安全級蓄電池核容試驗多采用小時率容量檢測試驗（主要有10小時率、5小時率、1小時率等）、最大電流放電（Id）容量檢測試驗等。

小時率容量檢測試驗是對充好電的蓄電池組以I10/I5/I1電流放電，當(dāng)實際放電時間超過理論放電時間（理論放電時間應(yīng)考慮老化系數(shù)），視為蓄電池容量滿足事故工況下對下游負(fù)載的供電能力要求。

最大電流放電（Id）容量檢測試驗是增加負(fù)載電流達(dá)到工作周期內(nèi)最大放電電流進(jìn)行的試驗，在終止電壓前，實際放電時間大于設(shè)計要求的帶載時間即視為試驗合格。

小時率容量檢測試驗、最大電流放電（Id）容量檢測試驗均能證明蓄電池的儲備時間滿足設(shè)計要求，實際選用哪種放電方法，要根據(jù)放電試驗回路包括開關(guān)容量、試驗回路電纜截面以及放電小車的容量進(jìn)行選擇，但一旦選定了某種試驗方式，在蓄電池壽命周期內(nèi)應(yīng)采用同一種方法進(jìn)行試驗，以便進(jìn)行蓄電池劣化趨勢分析。

②蓄電池剩余容量的壽命終止準(zhǔn)則

核容試驗用于揭示蓄電池組老化的趨勢，按照容量計算書中所用的老化系數(shù)確定蓄電池壽命的終止點(diǎn)。一般核電廠設(shè)計選用的老化系數(shù)為1.2，當(dāng)容量降至額定容量的1/1.2=83.3%時更換蓄電池。例如：如果一組蓄電池采用5小時率核容放電，額定情況下以I5放電電流可持續(xù)5小時供電，老化后蓄電池的壽命終止持續(xù)時間為5*0.833=4小時10分鐘。

鉛酸蓄電池的性能在其壽期內(nèi)的大部分時間是相對穩(wěn)定的，但在后期其性能開始迅速劣化，蓄電池壽命與性能關(guān)系曲線的“拐點(diǎn)”大約在其額定性能指標(biāo)的80%出現(xiàn)[1]，因此有必要對蓄電池歷次的放電數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄并建立趨勢，在到達(dá)拐點(diǎn)之前完成蓄電池組的更換。

考慮到核電站的換料周期多為18個月，當(dāng)本次放電試驗結(jié)果表明蓄電池容量達(dá)到或接近83.3%時，由于新蓄電池制造、采購周期的制約，已劣化的蓄電池組需要延后至下一個換料窗口進(jìn)行更換，因此建議在容量下降到額定容量的90%時制定在下一個換料窗口更換蓄電池的計劃，并在下一個換料窗口完成更換。

2.2 通過腐蝕進(jìn)行監(jiān)測

鉛酸蓄電池的設(shè)計壽命一般可以達(dá)到20年，但在實際使用中多半發(fā)生了提前失效，其中正極柱腐蝕是造成蓄電池早期失效的重要原因。

正極柱腐蝕的主要影響因素有極柱的密封方式、補(bǔ)液的水質(zhì)、充電設(shè)備的紋波、蓄電池的運(yùn)行溫度等，其中環(huán)境溫度對腐蝕的影響需要重點(diǎn)關(guān)注。筆者所在核電廠1號機(jī)在同一時間投入運(yùn)行的11組蓄電池，其中共有4組運(yùn)行時間在7年左右的蓄電池出現(xiàn)了不同程度的正極柱腐蝕鼓包現(xiàn)象。通過比對發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)腐蝕鼓包的4組蓄電池所在房間，受樓下房間蒸汽管道的熱傳導(dǎo)影響，造成樓板發(fā)熱，要比其他房間高5℃左右。

正極柱腐蝕鼓包雖不影響蓄電池的容量，但可能造成極柱載流量降低、極柱斷裂、外殼受擠壓開裂漏液等嚴(yán)重后果，影響蓄電池在事故情況下的供電可靠性，因此必須重視并在日常維護(hù)中做好檢查，應(yīng)檢查每個蓄電池外殼與蓋之間、極柱與蓋之間的密封，檢查是否有酸泄漏、殼體裂紋、極柱變形等情況。對已產(chǎn)生腐蝕鼓包的蓄電池，應(yīng)建立監(jiān)測機(jī)制，增加巡視檢查的頻度，若評估腐蝕鼓包可能影響蓄電池的安全，應(yīng)考慮對蓄電池進(jìn)行單節(jié)甚至整組更換。

2.3 通過內(nèi)阻測量進(jìn)行監(jiān)測

在評價蓄電池組的電化學(xué)性能可使用內(nèi)阻測量，蓄電池的內(nèi)阻值隨著蓄電池的容量降低而升高，也就是說，隨著蓄電池的老化，容量降低時蓄電池的內(nèi)阻增加。核電廠采用核容放電試驗進(jìn)行蓄電池容量檢測存在試驗周期長、不能測試每一節(jié)單體蓄電池容量等缺點(diǎn)，而蓄電池內(nèi)阻測試可以在線進(jìn)行，通過比對整組的蓄電池內(nèi)阻差異或與基準(zhǔn)值進(jìn)行比較的方式，找出或者預(yù)測已劣化的蓄電池。一旦蓄電池內(nèi)阻超標(biāo)，應(yīng)查明原因，確定為蓄電池劣化的原因后應(yīng)考慮在下一個窗口更換蓄電池。

2.4 結(jié)合蓄電池運(yùn)行溫度的壽命預(yù)測

蓄電池在較高的溫度下運(yùn)行會大大縮短蓄電池的預(yù)期壽命，主要原因為蓄電池在充電時會產(chǎn)生熱量，需及時釋放到環(huán)境中，當(dāng)環(huán)境溫度過高時，導(dǎo)熱效率降低，會導(dǎo)致蓄電池內(nèi)部溫度升高，電化學(xué)反應(yīng)加劇使得電解液溫度進(jìn)一步升高，產(chǎn)生惡性循環(huán)，最終會導(dǎo)致蓄電池壽命降低甚至直接失效[4]。

根據(jù)熱劣化曲線，蓄電池運(yùn)行溫度與標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行溫度（25℃）相比，每超過8℃，蓄電池壽命縮短一半。下式通過計算在升高的溫度下老化時間與標(biāo)準(zhǔn)溫度下（25℃）蓄電池壽命的比值之和得到蓄電池組的壽命[2]。

式中：Ltc——經(jīng)溫度修正的蓄電池壽命，年；%life——從熱劣化曲線中得到的壽命百分比，曲線參見NB/T 20028.4-2010附錄K；Mos@T1——在溫度T1下的時間，月；M—蓄電池組預(yù)期的正常壽命，月

注：T1+T2+T3+……+Tn等于12個月。

表1 本廠1LBA系統(tǒng)蓄電池電解液溫度記錄（2017年）

表1是本廠1LBA系統(tǒng)蓄電池在2017年的電解液溫度記錄，經(jīng)過公式計算，設(shè)計壽命為20年的蓄電池，其預(yù)期壽命將縮減至12.4年。

因此，電廠有必要采取對通風(fēng)系統(tǒng)增加冷卻器等措施降低蓄電池的運(yùn)行溫度，同時，電廠設(shè)備管理部門應(yīng)根據(jù)蓄電池的運(yùn)行溫度進(jìn)行壽命預(yù)測，建立定期更換的大綱，在蓄電池壽命終止前完成蓄電池的更換。

3 蓄電池壽命提升的措施

3.1 維護(hù)方面

①確保蓄電池表面、電氣連接件以及端部的清潔，比重測量等工作中要防止酸液滴落，防止酸液對極柱和連接件的腐蝕。

②應(yīng)定期觀察蓄電池液位，防止液位過低甚至極板裸露，加水不及時可能造成硫酸鹽化，容量減少直至失效。

③補(bǔ)液操作時，必須使用合格的除鹽水，相關(guān)的水桶、量具、器皿要用除鹽水做好清潔，防止不合格的水導(dǎo)致板柵腐蝕、硫酸鹽化或其他損害。

④應(yīng)每月對蓄電池的比重進(jìn)行抽檢，比重偏低表明蓄電池未達(dá)到滿充電狀態(tài)，應(yīng)通過均衡充電使比重恢復(fù)到預(yù)期范圍，否則，長期充電不足會導(dǎo)致硫酸鹽化。

3.2 環(huán)境方面

①蓄電池運(yùn)行溫度過高將造成蓄電池腐蝕加快、壽命縮短，應(yīng)保持蓄電池房間良好的通風(fēng)，可對進(jìn)風(fēng)風(fēng)管增加冷卻器，使蓄電池在25℃左右的適宜溫度下運(yùn)行。

②針對本核電廠蓄電池房間由于受樓下房間蒸汽管道的熱傳導(dǎo)影響，造成樓板發(fā)熱，可對蓄電池房間底部樓板增加隔熱保溫的方式降低蓄電池房間溫度。

3.3 充電方面

①電壓控制：對國內(nèi)南方的核電廠，夏季因氣溫偏高導(dǎo)致蓄電池電解液溫度過高，內(nèi)阻減小，電化學(xué)反應(yīng)速度加快使充電電流增大，為防止蓄電池長期處于過充狀態(tài)，浮充充電要考慮溫度補(bǔ)償。對不具備自動根據(jù)蓄電池溫度進(jìn)行浮充電壓補(bǔ)償調(diào)節(jié)的功能的充電器，建議在蓄電池溫度超過一定限值時（如規(guī)定30℃）手動調(diào)節(jié)充電器浮充電壓。

②均衡充電：應(yīng)定期（季度或半年）對蓄電池進(jìn)行均衡充電，防止蓄電池組中的部分電池由于充電不足造成硫酸鹽化，蓄電池壽命下降。