阀控式密封铅酸蓄电池应用于核岛直流系统的可行性探讨

黄艺昀 蔡晶慧 翟晓满

（中国核电工程有限公司 北京 100840）

核电厂的直流系统向安全相关的工艺系统负荷、反应堆保护系统、事故余热排出系统等安全相关仪表、控制、监测设备，以及和电厂操作和保护有关的用电设备提供连续可靠的电源［1-2］。在发生失去全部厂外或厂内交流电源的事故时，蓄电池组能够向相应的直流和交流UPS负荷持续供电，对核电厂的安全运行起到至关重要的作用。

在正常运行工况下，蓄电池长期处于浮充电状态，由充电器为下游负荷供电，同时，给蓄电池提供浮充电流。若有充电器无法支持的冲击负荷，此时，蓄电池会短时放电，提供冲击电流。在失去交流电源或充电器故障时，蓄电池开始放电，以保障在规定的周期内为下游负荷提供电源，确保核电厂运行安全。

铅酸蓄电池是当前电力工程中广泛使用的直流电源装置，它具有可靠性高、储存性能好、容量大、能承受一定冲击负荷和造价低等优点［3-4］。铅酸蓄电池可以分为开口式、封闭式、防酸隔爆式、消氢式和阀控密封式等。核电厂中，核岛的直流及交流不间断电源系统均采用固定型防酸富液式铅酸蓄电池。这类电池运行中可以加液，便于监视、寿命较长、价格较低；但占地面积大，运行中产生氢气，且伴随着酸雾，对环境污染较大，维护工作复杂量大。

阀控式铅酸蓄电池是在防酸排气式蓄电池的基础上发展而来的，在正常充放电过程中处于密封状态，电解液不泄漏，也不排放任何气体，不需要定期加水或加酸。与防酸式铅酸蓄电池相比较，减小了维护工作量。当下，阀控式铅酸蓄电池已成功替代防酸式蓄电池应用于电网变电站、通信基站、商业UPS电源等领域［5-6］。本文将对阀控式铅酸蓄电池替代防酸式蓄电池应用于核岛直流系统的可行性进行探讨。

1 工作原理

铅酸蓄电池负极和正极的主要材料分别为铅（Pb）和二氧化铅（PbO2），以硫酸（H2SO4）水溶液作为电解质。放电时，正极和负极的活性物质都与电解液发生化学反应，生成硫酸铅；充电时，正极和负极发生与充电时相反的化学反应，分别重新生成铅和二氧化铅［3］。蓄电池在充电状态下发生的化学反应方程式如下。

与充电过程相反，蓄电池在放电状态下的化学反应方程式如下。

防酸式铅酸蓄电池为开口富液式，具有管状正极板，组装在抗冲击的透明容器中，电池壳体和盖胶合在一起形成防漏密封容器。电池还配备有螺纹连接或卡接的防爆通风帽和液位指示仪。

阀控式密封铅酸蓄电池的电解液分类有胶体电解液和超细玻璃纤维隔膜吸附电解液。

（1）胶体电解液由硫酸配制成的电解液包含在由SiO2微粒组成的胶体物质中，可充满电池槽内所有空隙。

（2）用超细玻璃纤维隔膜将电解液全部吸附在隔膜和极板中，形成一种贫电液电池，电池腔内的电解液不会流动，通过电池内部氧气的复合循环，减少水的损耗，实现电池在充放电时保持密封状态。

我国现阶段，电网、常规电站、通信基站等工程领域所使用的阀控式密封铅酸蓄电池通常为超细玻璃纤维隔膜吸附电解液。

2 阀控式密封铅酸蓄电池的性能特征

不同种类的铅酸蓄电池工作原理基本相同，但是由于其电解液和外形结构的不同，技术特点也会有所差异。与防酸式蓄电池不同，阀控式密封蓄电池是贫液式，此类蓄电池的电解液全部吸附在隔膜和极板中，不仅降低了漏液风险，其布置方式也更具有多样性，因此，阀控式密封蓄电池有立式安装和卧式叠装两种组合安装方式。卧式叠装的蓄电池均具有钢架组合结构，为满足抗震要求，不宜超过3层，同时，也更便于巡检和安装。此安装方式更有效的利用空间，减少了蓄电池组的占地面积。特别需要注意的是，若蓄电池室布置在楼层上时，需核实楼板承载荷重。

阀控蓄电池较防酸式蓄电池对环境温度更为敏感，非适宜温度下工作对电池寿命和容量均有影响。除此之外，每节蓄电池均需监控装置，监测电阻和温度防止热失控的发生。

防酸式蓄电池与阀控式密封蓄电池的主要差异如表1所示。

表1 防酸排气式铅酸蓄电池与阀控式密封铅酸蓄电池的比较

综上所述，阀控式密封蓄电池的主要优点为可缩小占地面积，可简化蓄电池室的防酸、调酸、防爆、防水等方面的要求。防酸式蓄电池日常维护工作量大，需定期加水加酸以满足电解液比重和液位的要求。阀控式密封蓄电池虽维护工作量小，但在成本上需增加监控装置的费用，同时，还增加了蓄电池室的布线量。为满足阀控式密封蓄电池的环境温度需求，蓄电池室可能需要增加加热器或空调。

3 核岛直流系统蓄电池的运行条件

蓄电池放置于安全壳外区域，蓄电池室应为防酸、防火、防爆建筑，室内严禁装设开关、熔断器、插座、电炉等，照明应采用防爆灯具。蓄电池室应装设通风设施，为避免氢气聚集排风口设置于房间顶部，其通风换气量应能保证室内含氢量低于0.7%、含酸量小于2mg/m3。蓄电池室内还应设置运行和检修通道，保证定期通过取水管添加除盐水。电力电缆引出端应安装在蓄电池的顶部。

在正常运行条件下，蓄电池长期处于浮充电状态，每个电池的浮充电压为2.23±1%V。根据规定，蓄电池组的电池至少达到15年的工作寿命，其余部件规定的工作寿命为40年。蓄电池室正常工况下的环境温度约为10~40℃，事故工况下的环境温度约为40~50℃。为核对蓄电池的剩余容量，需每个换料周期进行一次放电实验，根据工艺所提供的负荷时序，对蓄电池进行系统所规定的放电周期（24h或72h）的放电实验，终止放电电压一般取1.75V。放电实验或经历事故工况放电后，需对蓄电池进行均衡充电，每个电池均衡充电电压为2.33±1%V。

4 失效模式分析

阀控式密封铅酸蓄电池存在热失控、正极板栅腐蚀、负极汇流排腐蚀、不可逆硫酸盐化、电解液干涸等多种失效模式，下文主要分析了3种会影响安全性能的失效模式。

4.1 热失控

阀控密封式铅酸蓄电池与防酸式铅酸蓄电池在充电过程中的热平衡功能有很大的差别。防酸式铅酸蓄电池在充电时，一部分电能转变成了分解水的化学能，然后电解液分解出的氢气和氧气可以从电池内部逸出，并由此释放热量。阀控密封式铅酸蓄电池相较防酸式电池在充电的过程中产生更多的热量，且其在正常充放电时处于密封状态。因此，当阀控密封式电池过充或浮充电压过高时，充电电流增大，从而导致温度升高，导电率增大，充电电流进一步提高。这样的恶性循环终将出现热失控现象，最终导致蓄电池损坏。

核电厂直流系统在正常工况下，蓄电池通常以2.23~2.25V的电压进行浮充，由于电压低，浮充电流小，产生的热量小，因此，并不会出现热失控现象。事故工况下，蓄电池开始放电，也不会出现热失控现象。相较于浮充电压值，均衡充电末期的电压值更高，热失控风险大。而蓄电池的均充一般发生在核电厂检修期间，此时蓄电池无需执行安全功能，意味着此时发生的热失控事件并不会造成对核安全的影响。

4.2 正极板栅腐蚀

核电厂直流系统中的铅酸蓄电池长期处于浮充电状态，正极板栅电位长期处于高电位环境，因此其无法避免腐蚀的发生。随着蓄电池使用时间增长，正极板栅腐蚀程度逐渐严重，电池内阻增加，电池容量也随之降低。

阀控式密封铅酸蓄电池由于酸的比重较高且相应的浮充电压较高，因此，极板的腐蚀速率高于普通的防酸式蓄电池。除此之外，阀控式密封铅酸蓄电池由于隔绝性能好，水分蒸发少，但是并非完全不会消耗水，却无法像普通的防酸式蓄电池一样再加液。极板的腐蚀和水分的消耗是影响蓄电池寿命的两个主要因素，因此，阀控式密封铅酸蓄电池在长期浮充状态的情况下运行寿命有可能大大短于防酸式蓄电池。

蓄电池板栅腐蚀性与电解液的硫酸浓度和电解液温度有关，当电池浮充电压高、电解液比重高、浮充电流大，板栅腐蚀的速率高，进而导致温度升高、加快水分蒸发，浮充运行预期寿命降低。因此，控制浮充电流在一个较小的范围内，可以保证较高浮充运行预期寿命。

4.3 负极汇流排腐蚀

负极汇流排腐蚀是阀控式密封铅酸蓄电池特有的失效方式。蓄电池浮充的过程中，伴随着正极析氧反应和负极的氧复合反应，阀控式密封蓄电池在正常充放电运行时都是处于密封状态，不会排放任何气体，使电池腔内存有氧气，而负极汇流排无法避免地会被电池腔内的氧气氧化，产生腐蚀现象，并随着时间加剧。严重腐蚀的汇流排机械强度降低，无法保证在寿期内断裂，造成电池开路失效。

5 结语

本文对比了防酸富液式铅酸蓄电池和阀控式密封铅酸蓄电池的性能特征，发现阀控式密封铅酸蓄电池在比容量、大电流性能、设备布置及维护工作量等方面较防酸式蓄电池具有更大的优势，从性能上可以满足大电流放电和长时间放电能力的要求，符合核电站紧凑型发展的趋势。但是阀控式密封铅酸蓄电池具有多种失效模式，可靠性和安全性比防酸富液式铅酸蓄电池差。除此之外，阀控式密封蓄电池对温度更加敏感，其运行寿命自然短于防酸富液式铅酸蓄电池。

蓄电池作为核电站厂用电系统中的应急电源之一，是核电站纵深防御体系的关键环节，其安全性和可靠性关系到系统在核电事故工况中的可用性。因此，验证蓄电池在其寿期内是否能够执行其安全功能是核岛直流系统蓄电池选择的首要条件。本文通过对阀控式密封铅酸蓄电池的主要失效模式分析，可以筛出负极汇流排腐蚀是当前无法避免且通过外部条件来缓解的问题。

根据已知条件对比分析，防酸富液式铅酸蓄电池可靠性更高，更能满足核电厂的核岛直流系统。但是，若阀控式密封铅酸蓄电池建立设备鉴定标准体系，并通过设备鉴定工作确认其在整个设计运行寿命周期内能够执行安全功能，理论上是具有应用于核岛直流系统的可行性。