核安全(1E)级蓄电池选型的几个问题探索

2015-02-16李尚武宋晓兰

产业与科技论坛 2015年6期

□张巍李尚武宋晓兰

蓄电池是核工程中的重要设备之一，属于安全级的电源设备，执行极其重要的安全功能。因此，在选择蓄电池时，应注意以下要求:一是电气性能可靠;二是对环境的适应性强;三是使用寿命长，经济性好;四是抗震性能好。目前，火电厂等工业项目主要使用防酸隔爆式铅酸蓄电池、免维护型阀控密封式铅酸蓄电池和镉镍碱性蓄电池。本文根据核工程对安全级蓄电池的功能要求，比较3 种蓄电池对于核工程的适用性，从而选择适用于核工程的蓄电池。

一、核工程中蓄电池的功能

核工程中，安全级蓄电池主要应用在3 个方面:一是为安全级配电柜、保护装置、辐射监测设备提供直流控制电源;二是为安全级UPS 提供直流电源;三是作为安全级柴油发电机组的启动电源。因蓄电池布置在安全壳外，且执行安全功能，因此，根据GB/T12727 的规定，其安全等级为1E，鉴定等级为K3，抗震等级为I 类。此3 个方面对于蓄电池的要求不同，见表1。

表1 核工程蓄电池负荷分类

不同场所的蓄电池，要求不同的充电、放电和老化特性，为此，在选择蓄电池时，需考虑物理特性、寿命、放电的频次和深度、环境温度、充电特性、维护要求、通风要求、抗震性能等因素。

二、蓄电池的适用性比较

目前，火电厂等工业项目广泛应用的蓄电池主要有铅酸蓄电池和镉镍碱性蓄电池。

(一)铅酸蓄电池与碱性蓄电池的比较。与铅酸蓄电池相比，密闭式镉镍碱性蓄电池的充放电速度快，放电倍率高，能胜任大电流放电;由于电解液不腐蚀纤维极板，高温时老化影响明显比其他电池小，降低了循环寿命的成本，设计寿命和使用寿命长，一般可达到15～20年，有的产品可达到25年;工作温度低，低温时的性能比铅酸电池好，最低温度可达到-50℃;机械强度好，坚韧性好。这些优点使其在高铁、地铁等工程中具有很大的优势，但镉镍碱性蓄电池也有其自身的缺陷，例如:单体电池电压为1．2V，正常浮充电电压较高，而放电时电压下降幅度较大，终止电压又低，内阻大，电动势小;单体电池电压低，使电池数量增加;对于高倍率镉镍蓄电池，最大容量为200Ah。受负荷容量、运行时间能因素的影响，核工程中安全级蓄电池的容量较大，例如:M310 机组的安全级蓄电池为250～3，000Ah，供电时间1～2 小时;AP1，000 的蓄电池为2，400Ah，供电时间分别为72 小时和24 小时;中国先进快中子研究堆的安全级蓄电池为300Ah、1，000Ah;中国先进研究堆(CARR)的安全级蓄电池为400Ah、1，400Ah。因此，镉镍碱性蓄电池受到容量范围的限制，应用范围受限;虽然能瞬时放出大电流，对于用途2和3 的小容量冲击负荷较为适用，但其价格较贵，是防酸隔爆式铅酸蓄电池的2～3 倍。目前，国内尚无蓄电池厂进行镉镍碱性蓄电池的民用核安全电气设备的资质申请，在核工程中尚无应用先例。

(二)铅酸蓄电池的比较。铅酸蓄电池的分类如下:一是防酸隔爆式铅酸蓄电池。蓄电池槽与蓄电池盖之间密封，使蓄电池内产生的气体只能从防酸栓排出，电极主要由铅制成，电解液是硫酸溶液的一种蓄电池。二是阀控密封式铅酸蓄电池(VRLA)。蓄电池正常使用时保持气密和液密状态，当内部气压超过预定值时，安全阀自动开启，释放气体，当内部气压降低后安全阀自动闭合，同时防止外部空气进入蓄电池内部，使其密封。蓄电池在使用寿命期限内，正常使用情况下无需补加电解液。可分为胶体式(GEL)和贫液吸附式(AGM)。AGM 采用吸收式玻璃纤维棉隔板吸附硫酸电解液的技术;GEL 采用二氧化硅胶体吸收硫酸电解液的技术。

图1 铅酸蓄电池分类

1．GEL 电池和AGM 电池的比较。AGM 电池是常见的“免维护型阀控密封式铅酸蓄电池”，与胶体式电池比较，其存在着明显的劣势:一是循环使用寿命低、容量衰减快、尤其不适用深度循环，80% 深度放电循环寿命仅为150～200 次;二是小电流充放电使用易发生电池硫酸盐化，造成充电效率降低，深度放电后恢复充电较困难;三是属于“贫液式”电池，温度稳定性能差，使用环境温度较高时易造成电池“干涸”失效;四是大容量电池易出现内部电解液分层，缩短电池寿命并造成自放电加速。AGM 电池的可靠性、寿命、高低温环境适用能力均不如胶体蓄电池(GEL)，因其价格便宜，在电动自行车行业应用比较广泛，在注重可靠性、安全性的核工程领域不适用。

2．胶体式与防酸隔爆式蓄电池的比较。国内核工程常用的安全级蓄电池主要是防酸隔爆式和胶体式铅酸蓄电池。二者的化学反应原理相同，正、负极板的活性物质为二氧化铅、纯铅;充电时，正极析出氧气，负极析出氢气。在结构、放电的频次和深度、恢复性能、气体释放、寿命、维护、价格等方面各有优劣(见表2)。

表2 铅酸蓄电池性能比较

二者的区别主要体现在寿命、维护和价格方面。而铅酸蓄电池出现失效、损坏和寿命终止的原因主要有:极板硫酸盐化;水分失去:当电解液失水量达到10%时，容量下降，当达到20%时，电解液干涸;板栅腐蚀。而导致以上现象主要是由于运行维护不当引起的，采取适当的措施(见表3)可以弥补或延长使用寿命。

防酸隔爆式和胶体式铅酸蓄电池均会出现上述3 种故障。但是由于二者结构不同，在运行维护方面也存在差异，因此，对电池的寿命影响也不同:一是防酸隔爆式蓄电池，在充电过程中，有H2、水蒸气、酸液通过防酸栓溢出，对于通风设施、运行维护要求高;其外壳差异全透明材料，壳体上标注有液位刻度线，方便进行电解液和极板的检查和监测，以便及时采取补液、充电等维护手段。二是胶体式铅酸蓄电池为密封结构，装有单向安全阀，无需补液、加酸，号称是“免维护阀控铅酸蓄电池”。当严格按照充放电标准执行时，极少有H2溢出;但当充放电、通风设施等维护不当时，易发生上述3种故障，由于其壳体为不透明材料，只能通过测量表面温度、电压来判断，无法观察其内部电解液和极板的现状，在故障还未不可挽回时及时采取措施;这也就是胶体电池的使用寿命往往低于设计寿命的原因。例如:高温气冷堆的胶体式蓄电池的设计寿命为15年，鉴定试验中热老化的等效寿命为10年，使用寿命为12年。

核电厂的安全级蓄电池，除大修期间全年均在运行，运行时间长，维护人员素质高，维护保养经验丰富，运行维护措施完善。虽然防酸隔爆式蓄电池的运行维护要求高，但其使用寿命长，更换周期长，价格低，经济性好，因此，国内M310、AP1000 等核电机组均选用此种电池，使用寿命达到15～18年。对于试验堆等核工程的安全级蓄电池，相对于核电厂来说，其运行周期不规律、运行维护措施不完善、维护保养经验欠缺，因此，在保证合理充放电的前提下，更适宜选择免维护的胶体式铅酸蓄电池，避免了补液、加酸等维护操作。例如:中国先进快中子研究堆、中国先进研究堆(CARR)、高温气冷堆均选用此种蓄电池。

表3 铅酸蓄电池故障原因及维护措施

3．铅酸蓄电池极板的比较。铅酸蓄电池的寿命取决于正极板的寿命。极板越薄，相同体积电池内的极板数量越多，极板与电解液的接触面积越大，其瞬间放电电流越大深度放电性能越好。但同时由于极板越薄，深度放电时，极板易弯曲，电池寿命也会缩短。正极板有管式、栅式、纯铅3种，栅式、纯铅极板均比管式极板薄。核工程中，安全级柴油发电机组的起动蓄电池通常要求瞬间释放大电流，因此，可选取栅式或纯铅正极板的防酸隔爆式铅酸蓄电池，在相同放电电流的条件下，比管式正极板铅酸蓄电池的容量小、体积小，无需设置单独的电池间。