核電廠氫電池備用電源系統(tǒng)可靠性研究

李健 李江 胡兵 李超群

摘要：目前，核電主要廠采用柴油發(fā)電機作為380V交流備用應急電源，由于柴油發(fā)電機結(jié)構(gòu)復雜，包含機械轉(zhuǎn)動部件，設備故障概率較高。氫燃料電池結(jié)構(gòu)簡單、易于維護，采用模塊化設計，系統(tǒng)整體可靠性優(yōu)于應急柴油機。在氫電池故障概率的基礎上，結(jié)合系統(tǒng)部件的無故障運行時間，對核電廠氫電池備用電源系統(tǒng)整體的故障概率進行分析研究，以獲取定量的可靠性數(shù)據(jù)，為氫電池備用電源系統(tǒng)應用提供一定的基礎。

關(guān)鍵詞：氫燃料電池;后備電源;可靠性

引言

核電作為一種高效、清潔、環(huán)保的新能源，在世界范圍內(nèi)發(fā)展迅速。統(tǒng)計顯示，目前全球核電站事故率在2%左右，傷亡人數(shù)遠低于汽車運輸業(yè)和航空業(yè)，遠低于采礦、建筑等行業(yè)。1980年代切爾諾貝利核電站爆炸和2011年日本地震使福島核電站的核電站泄漏，使人們對核電的使用產(chǎn)生懷疑，難以完全信任核電的安全性。根據(jù)美國活力協(xié)會基金會的建議，確保核心冷卻系統(tǒng)運行的應急電源必須通電正常運行兩年，無需運維。氫燃料電池是最具發(fā)展前景的新能源之一，具有清潔、高效等優(yōu)點。氫燃料電池集成后備電源系統(tǒng)模塊化設計、維護方便，可實時監(jiān)控設備參數(shù)，系統(tǒng)可靠性高，滿足停電后設備的用電需求。本文主要研究分析核電廠氫電池備用電源系統(tǒng)的可靠性。

1、核電廠氫電池備用電源系統(tǒng)簡介

核電廠氫電池備用電源系統(tǒng)采用直流總線架構(gòu)，總線額定電壓420V，系統(tǒng)由氫電池組、鋰電池組、市電等設備組成供電系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖1。

2、氫燃料電池故障頂事件概率分析

氫電池不能輸出有效功率的事件導致原因包括氫電池外漏率超標、氫電池內(nèi)漏率超標、循環(huán)水參數(shù)超標、氣體壓力超標、監(jiān)控參數(shù)異常、反極故障等，根據(jù)行業(yè)數(shù)據(jù)，氫電池故障頂事件概率為0.012。

3、氫燃料電池系統(tǒng)可靠性分析

對于一般的串聯(lián)系統(tǒng)，如圖2所示，整個系統(tǒng)的故障率設為λ，若已知平均無故障運行時間（MTBF），則系統(tǒng)故障率可以近似為式3.1所示。

系統(tǒng)平均故障率：

=1=1+1+1+。。。。（3.1）

sys123

（1）鋰電池（民品）

平均無故障時間一般在2000h左右。

（2）氫燃料電池（民品）

國際上燃料電池的壽命為5000小時左右，雪人公司新研發(fā)的電池壽命已超過1萬小時。

（3）氫燃料電池用升降壓DC/DC變換器

億華通科技的60kWDC/DC燃料電池功率變換器，輸入100V-600V，輸出350V-500V，平均無故障時間一般在50000h左右。

（4）電機負載支路及阻性負載支路逆變器

固德威80kW逆變器平均無故障時間一般在50000h左右。

（5）鋰電池支路用升壓DC/DC變換器

清馳科技80kWDC/DC升壓變換器（300-400V輸入420V輸出），平均無故障時間一般在50000h左右。

（6）市電供電支路用AC/DC變換器

魯斯蘭新能源科技發(fā)展有限公司300kW，AC/DC降壓變換器（三相380V交流輸入420V輸出），平均無故障時間一般在50000h左右。

核電廠氫電池備用電源系統(tǒng)5個氫燃料電池組成的電池組中，設定一個氫燃料電池作為冗余，因此其單體氫燃料電池故障概率可以減半，因此氫燃料電池隨機失效故障率0.012/2=0.006≈1/167;鋰電池支路故障率λ=1/2000+1/500000≈1/2000，氫燃料電池供電支路與鋰電池供電支路并聯(lián)，且可以達到冗余效果，因此氫燃料電池與鋰電池并聯(lián)系統(tǒng)隨機失效期故障率λ=1/（167+2167）=0.00046，另外的逆變器、DC/DC變換器、AC/DC變換器故障率極低，這些設備均與鋰電池組或者是氫電池組串聯(lián)，其故障率可以忽略。采用“1-故障率”的方法計算可靠性，氫燃料電池與鋰電池組成的供電系統(tǒng)，可靠性可以達到99.954%，而行業(yè)內(nèi)應急柴油機可靠性普遍在98%以下。

隨著氫燃料電池和鋰電池的不斷完善，其可靠性還有提升空間。而柴油發(fā)電機由于其自身特點，可靠性提升空間有限，因此用氫燃料電池與鋰電池組合替代柴油發(fā)電機，具有更大優(yōu)勢。

4、結(jié)論

在氫燃料電池備用電源系統(tǒng)中，采用直流總線架構(gòu)及多個氫燃料電池并聯(lián)冗余系統(tǒng)和鋰電池輔助供能結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)中電氣設備均采用技術(shù)成熟產(chǎn)品，應用廣泛，故障率極低，此種設計使得氫電池備用電源系統(tǒng)可靠性得到極大提高，相比于柴油機發(fā)電機，其可靠性更優(yōu)。

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