秦山核电厂蓄电池组改进

2022-04-09施兰芳郭桐岳陈富杰汪运律钱厚军

科技视界 2022年8期

施兰芳郭桐岳陈富杰汪运律钱厚军

（中核核电运行管理有限公司，浙江嘉兴 314300）

0 引言

核电厂直流电力系统在设计上赋予其于正常及应急工况下向关键/重要系统和设备的控制、保护、信号、仪表和动力装置或系统提供直流电源的功能。蓄电池组是直流电力系统的核心设备，占据极其重要的地位。当直流系统在正常运行时，由充电装置承担正常负荷电流，同时向蓄电池组补充电，以补充蓄电池的自放电，蓄电池以满容量的状态处于备用状态。当电力系统发生故障失去交流电时，蓄电池组发挥其独立后备电源的作用，为负载继续提供电源，维持重要负载可继续运行规定的时间，为及时恢复交流电或设备安全停止提供了缓冲时间。

目前，大多数核电厂直流系统主要以防酸隔爆式铅酸蓄电池为主，因其具有外壳透明、内部极板与电解液可观察、可根据液位和比重变化情况补酸或补水的特点，通常简称为富液电池。但该型式的蓄电池存在维护工作风险高（释放氢气、酸碱作业）、维护工作量大（需定期检查比重、液位、补酸补水）、占用空间大（只能直立安装）等缺点。而阀控密封式铅酸蓄电池（valve regulated lead acid battery，简称VRLA电池）是在富液电池的基础上发展来的，具有能量密度高、大电流性能好、维护工作量小、安装方式灵活多样（可叠层卧放）等特点。VRLA电池作为后备电源已经成功地替代富液式蓄电池广泛应用于商业UPS电源、通信基站、电网变电站、数据中心等较多领域数十年。本文描述了秦山核电厂蓄电池组近三十年实际运行维护业绩和更新改造的实践，全面分析比较了防酸隔爆式铅酸蓄电池、阀控密封式铅酸蓄电池这两种类型蓄电池各方面的优缺点，提出其他核电厂在蓄电池更新改造时可参考使用阀控密封式铅酸蓄电池的观点。

1 蓄电池的分类及综合比较

铅酸蓄电池根据类型来分，可以分为两种，即防酸隔爆式铅酸蓄电池（简称富液电池）和阀控密封式铅酸蓄电池（简称VRLA）。阀控密封式铅酸蓄电池又可分为胶体式（GEL）和贫液吸附式（AGM）。

表1分析了三种型式的铅酸蓄电池并进行综合比较，总体来说，VRLA电池在体积比容量、大电流性能、循环次数、占地面积以及维护等方面均较富液电池具有更大的优势，可突破当前富液电池的大电流放电和长时间放电能力难以兼顾的问题，AGM电池还具有安装方式灵活多样、节省空间的优势。但VRLA电池在充电过程中存在热失控风险，可以通过改善环境温度和配置智能充电装置合理设置充电参数来解决，设置超温报警、过压报警，发生报警时及时干预，目前智能充电装置已非常普及。（VRLA电池热失控是一种充电末期，电流和温度发生积累性的相互促进作用而形成恶性循环的失效模式，表现为浮充电流迅速增大、温度升高、电池外壳鼓胀变形，最终导致电池失效。）

表1 富液电池/GEL电池/AGM电池性能比较

2 核电厂蓄电池现状及问题

目前在国内核电厂，核岛、常规岛直流系统中应用VRLA电池的还较少，主要以富液电池为主。此类蓄电池具有制造工艺成熟，价格不高的优势。但此类型电池普遍存在的问题：（1）维护工作风险高：在充电期间，富液蓄电池释出氢气，有氢气聚集爆炸风险，需对房间进行氢气测量和通风处理。检查蓄电池比重、液位和补水补酸的工作，以及配置电解液等作业，属于酸碱类高风险作业，工作人员需穿戴防酸衣、防护面具及橡胶手套，防止电解液溅出受伤。年度核对性充电期间，蓄电池还释出酸气，对维护人员呼吸道造成潜在伤害。（2）维护工作量大：按照预防性维修大纲的要求，需要对蓄电池开展周检、月检工作。通过检查电压、内阻、比重、液位，以便及时发现蓄电池的异常状态并及时进行处理，重复性工作量较大。（3）占用空间大。由于其技术特点，只能竖直放置，占用空间大，且体积和重量大于其他类型电池，不易于更换。（4）壳体端盖出线处密封不易处理，无法根治极柱爬酸问题，需要及时擦拭清理。

3 秦山核电厂蓄电池运行维护与改进

秦山核电厂是中国大陆第一座自行设计、自行建造和自行运行管理的原型压水堆核电厂，设计工作于20世纪70年代就已开始，1985年开工建设，1991年首次并网发电，通过不断优化设计和设备更新改造，电厂创造了优异的运行业绩，至今已安全稳定运行接近30年，预计将继续运行20年。

3.1 秦山核电厂蓄电池原设计

秦山核电厂核岛、常规岛直流系统，原设计蓄电池组共8组富液式（见表1），其中7组核岛蓄电池为1E级，1组常规岛蓄电池为N1E级。由于历史原因，秦山核电厂设计建造在先，核安全法规逐步完善在后。秦山核电厂于2001年运行10周年起，开展PSR评审工作。通过评审，核岛7组蓄电池均未经过严格意义的1E级鉴定，需要在后续改造为具备1E级的蓄电池。

3.2 秦山核电厂蓄电池设计改进

进入21世纪，中国核电事业进入快速发展期，相关制造厂陆续开展了1E级电气设备的鉴定改造，1E级电气设备也严格按照核安全法规生产制造。因此秦山核电厂核岛A/B通道4组蓄电池陆续改造为1E级富液蓄电池，并保持相同容量参数。

秦山核电厂EDG（应急柴油发电机）在建厂设计时选用了大连机车车辆厂生产的东风4B型柴油机内燃机车（火车头），使用东北蓄电池厂生产的N-420型蓄电池作为机组启动电源。该电池在运行期间，存在缺陷较多于20世纪末已淘汰停产。秦山核电厂EDG启动用N-420型蓄电池是一种较为特殊的情况，这种启动类型的蓄电池，无经过1E级鉴定的产品可替代（其他绝大多数核电厂EDG都是采用压缩空气作为动力源启动机组）。秦山核电厂于2010年启动科研工作，对N-420启动型蓄电池（富液）的升级替代产品NM-450（AGM）实施了1E级鉴定工作，并完成1E级鉴定。2013年实施了3台EDG启动蓄电池的改造。

表2 蓄电池原设计列表

另外秦山核电厂交流不间断电源系统（UPS）也进行了设计改进。2007年新增常规岛UPS两台，配置两组非核级GEL蓄电池（490 Ah 104节）。

2011年福岛核事故后，秦山核电厂增设防水淹柴油发电机组（AAC），2014年建成投产。该机组配置启动AGM蓄电池两组（24 V 450 Ah）和控制AGM蓄电池一组（220 V 200 Ah），均采用横卧放置，上下多层结构。

根据浙江电网评审要求，常规岛直流系统蓄电池配置不满足要求，应设两段母线两组蓄电池，实际是两段母线一组蓄电池、母线不分段运行。2019年实施了改造，并增加一组蓄电池。改造后采用两组(NDP-1200 104节)AGM蓄电池，容量不变，横卧放置，上下两层，有效节省了空间。如采用富液电池，该房间无法布置两组，需要新建蓄电池房间。

目前秦山核电厂核岛、常规岛蓄电池全部完成设行十一年，于2018年进行了更换，EDG启动AGM蓄电池由于保守起见，其1E级鉴定寿命仅完成了5年试验，在2018年更换后对换下来的NM-450启动蓄电池进行了性能测试和解剖检查，判定其仍可继续使用8年以上。

配套CAP1400示范电站项目，南都电源公司开展4 000 Ah VRLA超大容量蓄电池（AGM）的1E级鉴定工作，已于2020年9月完成1E级鉴定工作，将在三代核电站核岛1E级直流系统率先使用VRLA电池。秦山核电厂在下一次核岛A/B通道蓄电池更换时将可以考虑使用VRLA蓄电池替代目前的富液电池，实现全部VRLA化。

对于业内担心的VRLA电池热失控问题，秦山核电厂通过精心设置充电参数和开展日常巡检，对全厂蓄电池进行了有效管控，未出现过电池热失控失效现象，电池在充电末期壳体温度基本在25℃以内，环境温度保持在20℃～25℃。所以通过有效地控制充电电压和环境温度，可以避免热失控的出现。计改进（见图1），主要14组蓄电池中，VRLA电池占据其中10组，最早投运的UPS蓄电池已安全稳定运

图1 改造后蓄电池现状

3.3 秦山核电厂蓄电池改进后的性能试验

以两组阀控胶体电池GEL、和阀控吸附式电池AGM的放电性能试验数据（见表3），来说明VRLA电池的性能。用富液电池的试验方式和验收标准，对充满电的整组蓄电池以十小时率容量放电电流恒流放电8小时，放出电量为80%C10，要求截至第8小时每节电池电压都大于放电终止电压1.8V，否则判定试验不合格。选用一组2007年投运以来第10次性能试验的GEL蓄电池，单节最低终止电压为1.865 V；一组为2019年投运，首次性能试验的AGM蓄电池，单节最低终止电压为1.910V，从试验结果可以看出VRLA电池在性能上安全，可以替代富液电池。

表3 两组蓄电池10小时率放电试验数据

3.4 秦山核电厂蓄电池改进后的收益分析

截至2021年2月底，秦山核电厂核岛、常规岛主要蓄电池的现状（见表4），14组蓄电池中，4组为富液电池，10组为VRLA电池。在实际运行中，秦山核电厂严格按照预防性维修大纲的安排，机组并网发电期间开展蓄电池的周、月检工作，机组换料大修期间核对性容量充放电试验，通过严格执行维修规程和定期试验规程，秦山核电厂蓄电池保持了优良的运行业绩。