核電廠安全級(jí)蓄電池壽命監(jiān)測(cè)及提升

金少軍

【摘 要】蓄電池在核電廠安全級(jí)直流系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，在事故工況下能夠提供安全有效的電源輸出，更是核電站安全的必要保障。論文提供了多種蓄電池壽命的監(jiān)測(cè)手段，同時(shí)也針對(duì)性地提出了蓄電池壽命的提升措施。

【Abstract】The battery plays a vital role in the safety level DC system of the nuclear power plant. Under accident conditions， it can provide safe and effective power output， and it is even the necessary guarantee for the safety of nuclear power plants. The paper puts forward a variety of monitoring means for battery life， and the promotion measures of the battery life.

【關(guān)鍵詞】蓄電池；壽命監(jiān)測(cè)；措施

【Keywords】 battery ； life monitoring； measures

【中圖分類號(hào)】TM912 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2018）09-0187-03

1 蓄電池壽命監(jiān)測(cè)的意義

核電廠安全級(jí)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(jì)算機(jī)、各種檢測(cè)分析記錄儀等重要負(fù)荷供電，對(duì)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(shí)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(shí)際運(yùn)行維護(hù)過程中，外界的各種不利因素會(huì)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(shí)，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(cè)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(yàn)、腐蝕、內(nèi)阻測(cè)量等方面來監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)蓄電池性能，同時(shí)結(jié)合蓄電池實(shí)際運(yùn)行溫度對(duì)壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，具體如下：

2.1 通過核容試驗(yàn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)

核容試驗(yàn)是監(jiān)測(cè)蓄電池性能的最有效手段，綜合蓄電池的電壓、電流、放電時(shí)間等參數(shù)，建立容量趨勢(shì)并預(yù)測(cè)蓄電池未來性能的變化，有計(jì)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(yàn)的方法

核電廠安全級(jí)蓄電池核容試驗(yàn)多采用小時(shí)率容量檢測(cè)試驗(yàn)（主要有10小時(shí)率、5小時(shí)率、1小時(shí)率等）、最大電流放電（Id）容量檢測(cè)試驗(yàn)等。

小時(shí)率容量檢測(cè)試驗(yàn)是對(duì)充好電的蓄電池組以I10/I5/I1電流放電，當(dāng)實(shí)際放電時(shí)間超過理論放電時(shí)間（理論放電時(shí)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(duì)下游負(fù)載的供電能力要求。

最大電流放電（Id）容量檢測(cè)試驗(yàn)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(yàn)，在終止電壓前，實(shí)際放電時(shí)間大于設(shè)計(jì)要求的帶載時(shí)間即視為試驗(yàn)合格。

小時(shí)率容量檢測(cè)試驗(yàn)、最大電流放電（Id）容量檢測(cè)試驗(yàn)均能證明蓄電池的儲(chǔ)備時(shí)間滿足設(shè)計(jì)要求，實(shí)際選用哪種放電方法，要根據(jù)放電試驗(yàn)回路包括開關(guān)容量、試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)，以便進(jìn)行蓄電池劣化趨勢(shì)分析。

②蓄電池剩余容量的壽命終止準(zhǔn)則

核容試驗(yàn)用于揭示蓄電池組老化的趨勢(shì)，按照容量計(jì)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(jì)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(shí)更換蓄電池。例如：如果一組蓄電池采用5小時(shí)率核容放電，額定情況下以I5放電電流可持續(xù)5小時(shí)供電，老化后蓄電池的壽命終止持續(xù)時(shí)間為5*0.833=4小時(shí)10分鐘。

鉛酸蓄電池的性能在其壽期內(nèi)的大部分時(shí)間是相對(duì)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(duì)蓄電池歷次的放電數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄并建立趨勢(shì)，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(gè)月，當(dāng)本次放電試驗(yàn)結(jié)果表明蓄電池容量達(dá)到或接近83.3%時(shí)，由于新蓄電池制造、采購(gòu)周期的制約，已劣化的蓄電池組需要延后至下一個(gè)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(shí)制定在下一個(gè)換料窗口更換蓄電池的計(jì)劃，并在下一個(gè)換料窗口完成更換。

2.2 通過腐蝕進(jìn)行監(jiān)測(cè)

鉛酸蓄電池的設(shè)計(jì)壽命一般可以達(dá)到20年，但在實(shí)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(duì)腐蝕的影響需要重點(diǎn)關(guān)注。筆者所在核電廠1號(hào)機(jī)在同一時(shí)間投入運(yùn)行的11組蓄電池，其中共有4組運(yùn)行時(shí)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(duì)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(gè)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(duì)已產(chǎn)生腐蝕鼓包的蓄電池，應(yīng)建立監(jiān)測(cè)機(jī)制，增加巡視檢查的頻度，若評(píng)估腐蝕鼓包可能影響蓄電池的安全，應(yīng)考慮對(duì)蓄電池進(jìn)行單節(jié)甚至整組更換。

2.3 通過內(nèi)阻測(cè)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)

在評(píng)價(jià)蓄電池組的電化學(xué)性能可使用內(nèi)阻測(cè)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(shí)蓄電池的內(nèi)阻增加。核電廠采用核容放電試驗(yàn)進(jìn)行蓄電池容量檢測(cè)存在試驗(yàn)周期長(zhǎng)、不能測(cè)試每一節(jié)單體蓄電池容量等缺點(diǎn)，而蓄電池內(nèi)阻測(cè)試可以在線進(jìn)行，通過比對(duì)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(cè)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(gè)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(cè)

蓄電池在較高的溫度下運(yùn)行會(huì)大大縮短蓄電池的預(yù)期壽命，主要原因?yàn)樾铍姵卦诔潆姇r(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，需及時(shí)釋放到環(huán)境中，當(dāng)環(huán)境溫度過高時(shí)，導(dǎo)熱效率降低，會(huì)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(huì)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(jì)算在升高的溫度下老化時(shí)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]。

Ltc=

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(shí)間，月；M—蓄電池組預(yù)期的正常壽命，月

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(jì)算，設(shè)計(jì)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(duì)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(shí)，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(cè)，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(cè)量等工作中要防止酸液滴落，防止酸液對(duì)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(shí)可能造成硫酸鹽化，容量減少直至失效。

③補(bǔ)液操作時(shí)，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(duì)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(zhǎng)期充電不足會(huì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)國(guó)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(zhǎng)期處于過充狀態(tài)，浮充充電要考慮溫度補(bǔ)償。對(duì)不具備自動(dòng)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(shí)（如規(guī)定30℃）手動(dòng)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(duì)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。

【參考文獻(xiàn)】

【1】NB/T 20028.1-2010 核電廠用蓄電池 第1部分：容量確定[S].

【2】NB/T 20028.4-2010 核電廠用蓄電池 第4部分：維護(hù)、試驗(yàn)和更換方法[S].

【3】王慧，等. 淺析鉛酸蓄電池使用周期的影響因素及對(duì)策[J]. 電源技術(shù)應(yīng)用，2010，13（9）：21-23.

【4】劉慶生. 溫度對(duì)蓄電池的影響[J] .湖北電力，2009，33（4）：45-46.