閥控式密封鉛酸蓄電池應(yīng)用于核島直流系統(tǒng)的可行性探討

黃藝昀 蔡晶慧 翟曉滿

（中國核電工程有限公司 北京 100840）

核電廠的直流系統(tǒng)向安全相關(guān)的工藝系統(tǒng)負(fù)荷、反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)、事故余熱排出系統(tǒng)等安全相關(guān)儀表、控制、監(jiān)測設(shè)備，以及和電廠操作和保護(hù)有關(guān)的用電設(shè)備提供連續(xù)可靠的電源［1-2］。在發(fā)生失去全部廠外或廠內(nèi)交流電源的事故時(shí)，蓄電池組能夠向相應(yīng)的直流和交流UPS 負(fù)荷持續(xù)供電，對核電廠的安全運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用。

在正常運(yùn)行工況下，蓄電池長期處于浮充電狀態(tài)，由充電器為下游負(fù)荷供電，同時(shí)，給蓄電池提供浮充電流。若有充電器無法支持的沖擊負(fù)荷，此時(shí)，蓄電池會(huì)短時(shí)放電，提供沖擊電流。在失去交流電源或充電器故障時(shí)，蓄電池開始放電，以保障在規(guī)定的周期內(nèi)為下游負(fù)荷提供電源，確保核電廠運(yùn)行安全。

鉛酸蓄電池是當(dāng)前電力工程中廣泛使用的直流電源裝置，它具有可靠性高、儲(chǔ)存性能好、容量大、能承受一定沖擊負(fù)荷和造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)［3-4］。鉛酸蓄電池可以分為開口式、封閉式、防酸隔爆式、消氫式和閥控密封式等。核電廠中，核島的直流及交流不間斷電源系統(tǒng)均采用固定型防酸富液式鉛酸蓄電池。這類電池運(yùn)行中可以加液，便于監(jiān)視、壽命較長、價(jià)格較低；但占地面積大，運(yùn)行中產(chǎn)生氫氣，且伴隨著酸霧，對環(huán)境污染較大，維護(hù)工作復(fù)雜量大。

閥控式鉛酸蓄電池是在防酸排氣式蓄電池的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，在正常充放電過程中處于密封狀態(tài)，電解液不泄漏，也不排放任何氣體，不需要定期加水或加酸。與防酸式鉛酸蓄電池相比較，減小了維護(hù)工作量。當(dāng)下，閥控式鉛酸蓄電池已成功替代防酸式蓄電池應(yīng)用于電網(wǎng)變電站、通信基站、商業(yè)UPS電源等領(lǐng)域［5-6］。本文將對閥控式鉛酸蓄電池替代防酸式蓄電池應(yīng)用于核島直流系統(tǒng)的可行性進(jìn)行探討。

1 工作原理

鉛酸蓄電池負(fù)極和正極的主要材料分別為鉛（Pb）和二氧化鉛（PbO2），以硫酸（H2SO4）水溶液作為電解質(zhì)。放電時(shí)，正極和負(fù)極的活性物質(zhì)都與電解液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成硫酸鉛；充電時(shí)，正極和負(fù)極發(fā)生與充電時(shí)相反的化學(xué)反應(yīng)，分別重新生成鉛和二氧化鉛［3］。蓄電池在充電狀態(tài)下發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)方程式如下。

與充電過程相反，蓄電池在放電狀態(tài)下的化學(xué)反應(yīng)方程式如下。

防酸式鉛酸蓄電池為開口富液式，具有管狀正極板，組裝在抗沖擊的透明容器中，電池殼體和蓋膠合在一起形成防漏密封容器。電池還配備有螺紋連接或卡接的防爆通風(fēng)帽和液位指示儀。

閥控式密封鉛酸蓄電池的電解液分類有膠體電解液和超細(xì)玻璃纖維隔膜吸附電解液。

（1）膠體電解液由硫酸配制成的電解液包含在由SiO2微粒組成的膠體物質(zhì)中，可充滿電池槽內(nèi)所有空隙。

（2）用超細(xì)玻璃纖維隔膜將電解液全部吸附在隔膜和極板中，形成一種貧電液電池，電池腔內(nèi)的電解液不會(huì)流動(dòng)，通過電池內(nèi)部氧氣的復(fù)合循環(huán)，減少水的損耗，實(shí)現(xiàn)電池在充放電時(shí)保持密封狀態(tài)。

我國現(xiàn)階段，電網(wǎng)、常規(guī)電站、通信基站等工程領(lǐng)域所使用的閥控式密封鉛酸蓄電池通常為超細(xì)玻璃纖維隔膜吸附電解液。

2 閥控式密封鉛酸蓄電池的性能特征

不同種類的鉛酸蓄電池工作原理基本相同，但是由于其電解液和外形結(jié)構(gòu)的不同，技術(shù)特點(diǎn)也會(huì)有所差異。與防酸式蓄電池不同，閥控式密封蓄電池是貧液式，此類蓄電池的電解液全部吸附在隔膜和極板中，不僅降低了漏液風(fēng)險(xiǎn)，其布置方式也更具有多樣性，因此，閥控式密封蓄電池有立式安裝和臥式疊裝兩種組合安裝方式。臥式疊裝的蓄電池均具有鋼架組合結(jié)構(gòu)，為滿足抗震要求，不宜超過3層，同時(shí)，也更便于巡檢和安裝。此安裝方式更有效的利用空間，減少了蓄電池組的占地面積。特別需要注意的是，若蓄電池室布置在樓層上時(shí)，需核實(shí)樓板承載荷重。

閥控蓄電池較防酸式蓄電池對環(huán)境溫度更為敏感，非適宜溫度下工作對電池壽命和容量均有影響。除此之外，每節(jié)蓄電池均需監(jiān)控裝置，監(jiān)測電阻和溫度防止熱失控的發(fā)生。

防酸式蓄電池與閥控式密封蓄電池的主要差異如表1所示。

表1 防酸排氣式鉛酸蓄電池與閥控式密封鉛酸蓄電池的比較

綜上所述，閥控式密封蓄電池的主要優(yōu)點(diǎn)為可縮小占地面積，可簡化蓄電池室的防酸、調(diào)酸、防爆、防水等方面的要求。防酸式蓄電池日常維護(hù)工作量大，需定期加水加酸以滿足電解液比重和液位的要求。閥控式密封蓄電池雖維護(hù)工作量小，但在成本上需增加監(jiān)控裝置的費(fèi)用，同時(shí)，還增加了蓄電池室的布線量。為滿足閥控式密封蓄電池的環(huán)境溫度需求，蓄電池室可能需要增加加熱器或空調(diào)。

3 核島直流系統(tǒng)蓄電池的運(yùn)行條件

蓄電池放置于安全殼外區(qū)域，蓄電池室應(yīng)為防酸、防火、防爆建筑，室內(nèi)嚴(yán)禁裝設(shè)開關(guān)、熔斷器、插座、電爐等，照明應(yīng)采用防爆燈具。蓄電池室應(yīng)裝設(shè)通風(fēng)設(shè)施，為避免氫氣聚集排風(fēng)口設(shè)置于房間頂部，其通風(fēng)換氣量應(yīng)能保證室內(nèi)含氫量低于0.7%、含酸量小于2mg/m3。蓄電池室內(nèi)還應(yīng)設(shè)置運(yùn)行和檢修通道，保證定期通過取水管添加除鹽水。電力電纜引出端應(yīng)安裝在蓄電池的頂部。

在正常運(yùn)行條件下，蓄電池長期處于浮充電狀態(tài)，每個(gè)電池的浮充電壓為2.23±1%V。根據(jù)規(guī)定，蓄電池組的電池至少達(dá)到15年的工作壽命，其余部件規(guī)定的工作壽命為40年。蓄電池室正常工況下的環(huán)境溫度約為10～40℃，事故工況下的環(huán)境溫度約為40～50℃。為核對蓄電池的剩余容量，需每個(gè)換料周期進(jìn)行一次放電實(shí)驗(yàn)，根據(jù)工藝所提供的負(fù)荷時(shí)序，對蓄電池進(jìn)行系統(tǒng)所規(guī)定的放電周期（24h或72h）的放電實(shí)驗(yàn)，終止放電電壓一般取1.75V。放電實(shí)驗(yàn)或經(jīng)歷事故工況放電后，需對蓄電池進(jìn)行均衡充電，每個(gè)電池均衡充電電壓為2.33±1%V。

4 失效模式分析

閥控式密封鉛酸蓄電池存在熱失控、正極板柵腐蝕、負(fù)極匯流排腐蝕、不可逆硫酸鹽化、電解液干涸等多種失效模式，下文主要分析了3 種會(huì)影響安全性能的失效模式。

4.1 熱失控

閥控密封式鉛酸蓄電池與防酸式鉛酸蓄電池在充電過程中的熱平衡功能有很大的差別。防酸式鉛酸蓄電池在充電時(shí)，一部分電能轉(zhuǎn)變成了分解水的化學(xué)能，然后電解液分解出的氫氣和氧氣可以從電池內(nèi)部逸出，并由此釋放熱量。閥控密封式鉛酸蓄電池相較防酸式電池在充電的過程中產(chǎn)生更多的熱量，且其在正常充放電時(shí)處于密封狀態(tài)。因此，當(dāng)閥控密封式電池過充或浮充電壓過高時(shí)，充電電流增大，從而導(dǎo)致溫度升高，導(dǎo)電率增大，充電電流進(jìn)一步提高。這樣的惡性循環(huán)終將出現(xiàn)熱失控現(xiàn)象，最終導(dǎo)致蓄電池?fù)p壞。

核電廠直流系統(tǒng)在正常工況下，蓄電池通常以2.23～2.25V 的電壓進(jìn)行浮充，由于電壓低，浮充電流小，產(chǎn)生的熱量小，因此，并不會(huì)出現(xiàn)熱失控現(xiàn)象。事故工況下，蓄電池開始放電，也不會(huì)出現(xiàn)熱失控現(xiàn)象。相較于浮充電壓值，均衡充電末期的電壓值更高，熱失控風(fēng)險(xiǎn)大。而蓄電池的均充一般發(fā)生在核電廠檢修期間，此時(shí)蓄電池?zé)o需執(zhí)行安全功能，意味著此時(shí)發(fā)生的熱失控事件并不會(huì)造成對核安全的影響。

4.2 正極板柵腐蝕

核電廠直流系統(tǒng)中的鉛酸蓄電池長期處于浮充電狀態(tài)，正極板柵電位長期處于高電位環(huán)境，因此其無法避免腐蝕的發(fā)生。隨著蓄電池使用時(shí)間增長，正極板柵腐蝕程度逐漸嚴(yán)重，電池內(nèi)阻增加，電池容量也隨之降低。

閥控式密封鉛酸蓄電池由于酸的比重較高且相應(yīng)的浮充電壓較高，因此，極板的腐蝕速率高于普通的防酸式蓄電池。除此之外，閥控式密封鉛酸蓄電池由于隔絕性能好，水分蒸發(fā)少，但是并非完全不會(huì)消耗水，卻無法像普通的防酸式蓄電池一樣再加液。極板的腐蝕和水分的消耗是影響蓄電池壽命的兩個(gè)主要因素，因此，閥控式密封鉛酸蓄電池在長期浮充狀態(tài)的情況下運(yùn)行壽命有可能大大短于防酸式蓄電池。

蓄電池板柵腐蝕性與電解液的硫酸濃度和電解液溫度有關(guān)，當(dāng)電池浮充電壓高、電解液比重高、浮充電流大，板柵腐蝕的速率高，進(jìn)而導(dǎo)致溫度升高、加快水分蒸發(fā)，浮充運(yùn)行預(yù)期壽命降低。因此，控制浮充電流在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，可以保證較高浮充運(yùn)行預(yù)期壽命。

4.3 負(fù)極匯流排腐蝕

負(fù)極匯流排腐蝕是閥控式密封鉛酸蓄電池特有的失效方式。蓄電池浮充的過程中，伴隨著正極析氧反應(yīng)和負(fù)極的氧復(fù)合反應(yīng)，閥控式密封蓄電池在正常充放電運(yùn)行時(shí)都是處于密封狀態(tài)，不會(huì)排放任何氣體，使電池腔內(nèi)存有氧氣，而負(fù)極匯流排無法避免地會(huì)被電池腔內(nèi)的氧氣氧化，產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象，并隨著時(shí)間加劇。嚴(yán)重腐蝕的匯流排機(jī)械強(qiáng)度降低，無法保證在壽期內(nèi)斷裂，造成電池開路失效。

5 結(jié)語

本文對比了防酸富液式鉛酸蓄電池和閥控式密封鉛酸蓄電池的性能特征，發(fā)現(xiàn)閥控式密封鉛酸蓄電池在比容量、大電流性能、設(shè)備布置及維護(hù)工作量等方面較防酸式蓄電池具有更大的優(yōu)勢，從性能上可以滿足大電流放電和長時(shí)間放電能力的要求，符合核電站緊湊型發(fā)展的趨勢。但是閥控式密封鉛酸蓄電池具有多種失效模式，可靠性和安全性比防酸富液式鉛酸蓄電池差。除此之外，閥控式密封蓄電池對溫度更加敏感，其運(yùn)行壽命自然短于防酸富液式鉛酸蓄電池。

蓄電池作為核電站廠用電系統(tǒng)中的應(yīng)急電源之一，是核電站縱深防御體系的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其安全性和可靠性關(guān)系到系統(tǒng)在核電事故工況中的可用性。因此，驗(yàn)證蓄電池在其壽期內(nèi)是否能夠執(zhí)行其安全功能是核島直流系統(tǒng)蓄電池選擇的首要條件。本文通過對閥控式密封鉛酸蓄電池的主要失效模式分析，可以篩出負(fù)極匯流排腐蝕是當(dāng)前無法避免且通過外部條件來緩解的問題。

根據(jù)已知條件對比分析，防酸富液式鉛酸蓄電池可靠性更高，更能滿足核電廠的核島直流系統(tǒng)。但是，若閥控式密封鉛酸蓄電池建立設(shè)備鑒定標(biāo)準(zhǔn)體系，并通過設(shè)備鑒定工作確認(rèn)其在整個(gè)設(shè)計(jì)運(yùn)行壽命周期內(nèi)能夠執(zhí)行安全功能，理論上是具有應(yīng)用于核島直流系統(tǒng)的可行性。