核電廠安全級蓄電池壽命監測及提升

金少軍

（陽江核電有限公司，廣東 陽江 529500）

1 蓄電池壽命監測的意義

核電廠安全級直流系統是由蓄電池和整流充電器組成的電源系統，向逆變器、核反應堆保護組、斷路器、繼電器、電磁閥、計算機、各種檢測分析記錄儀等重要負荷供電，對核電廠的安全穩定運行起到至關重要的作用。而蓄電池作為后備電源，在失去交流電源時能夠繼續為下游負荷提供穩定的輸出，直至交流電源恢復（通過廠外電源或廠內柴油機）或機組已被控制在安全的狀態，確保核電廠的運行安全。然而，在蓄電池的實際運行維護過程中，外界的各種不利因素會使蓄電池的性能降低，壽命縮短。在提升蓄電池供電可靠性的同時，如何準確迅速地發現過早出現問題的電池，并提前預判蓄電池的未來性能變化情況，已經成為電池運行維護的新目標，也成為提高備用電源可靠性的關鍵。

2 蓄電池壽命監測的方法

影響蓄電池壽命的因素很多，一方面與蓄電池本身生產制造工藝相關的極板材料、活性物質、極柱密封等內部因素有關，另一方面還與蓄電池的工作條件、維護方法等外在因素密切相關[3]，因此在日常運維當中應通過核容試驗、腐蝕、內阻測量等方面來監測和評價蓄電池性能，同時結合蓄電池實際運行溫度對壽命進行預測，具體如下：

2.1 通過核容試驗進行監測

核容試驗是監測蓄電池性能的最有效手段，綜合蓄電池的電壓、電流、放電時間等參數，建立容量趨勢并預測蓄電池未來性能的變化，有計劃地終止蓄電池壽命，確保后備電源安全可控。

①蓄電池核容試驗的方法

核電廠安全級蓄電池核容試驗多采用小時率容量檢測試驗（主要有10小時率、5小時率、1小時率等）、最大電流放電（Id）容量檢測試驗等。

小時率容量檢測試驗是對充好電的蓄電池組以I10/I5/I1電流放電，當實際放電時間超過理論放電時間（理論放電時間應考慮老化系數），視為蓄電池容量滿足事故工況下對下游負載的供電能力要求。

最大電流放電（Id）容量檢測試驗是增加負載電流達到工作周期內最大放電電流進行的試驗，在終止電壓前，實際放電時間大于設計要求的帶載時間即視為試驗合格。

小時率容量檢測試驗、最大電流放電（Id）容量檢測試驗均能證明蓄電池的儲備時間滿足設計要求，實際選用哪種放電方法，要根據放電試驗回路包括開關容量、試驗回路電纜截面以及放電小車的容量進行選擇，但一旦選定了某種試驗方式，在蓄電池壽命周期內應采用同一種方法進行試驗，以便進行蓄電池劣化趨勢分析。

②蓄電池剩余容量的壽命終止準則

核容試驗用于揭示蓄電池組老化的趨勢，按照容量計算書中所用的老化系數確定蓄電池壽命的終止點。一般核電廠設計選用的老化系數為1.2，當容量降至額定容量的1/1.2=83.3%時更換蓄電池。例如：如果一組蓄電池采用5小時率核容放電，額定情況下以I5放電電流可持續5小時供電，老化后蓄電池的壽命終止持續時間為5*0.833=4小時10分鐘。

鉛酸蓄電池的性能在其壽期內的大部分時間是相對穩定的，但在后期其性能開始迅速劣化，蓄電池壽命與性能關系曲線的“拐點”大約在其額定性能指標的80%出現[1]，因此有必要對蓄電池歷次的放電數據進行記錄并建立趨勢，在到達拐點之前完成蓄電池組的更換。

考慮到核電站的換料周期多為18個月，當本次放電試驗結果表明蓄電池容量達到或接近83.3%時，由于新蓄電池制造、采購周期的制約，已劣化的蓄電池組需要延后至下一個換料窗口進行更換，因此建議在容量下降到額定容量的90%時制定在下一個換料窗口更換蓄電池的計劃，并在下一個換料窗口完成更換。

2.2 通過腐蝕進行監測

鉛酸蓄電池的設計壽命一般可以達到20年，但在實際使用中多半發生了提前失效，其中正極柱腐蝕是造成蓄電池早期失效的重要原因。

正極柱腐蝕的主要影響因素有極柱的密封方式、補液的水質、充電設備的紋波、蓄電池的運行溫度等，其中環境溫度對腐蝕的影響需要重點關注。筆者所在核電廠1號機在同一時間投入運行的11組蓄電池，其中共有4組運行時間在7年左右的蓄電池出現了不同程度的正極柱腐蝕鼓包現象。通過比對發現，出現腐蝕鼓包的4組蓄電池所在房間，受樓下房間蒸汽管道的熱傳導影響，造成樓板發熱，要比其他房間高5℃左右。

正極柱腐蝕鼓包雖不影響蓄電池的容量，但可能造成極柱載流量降低、極柱斷裂、外殼受擠壓開裂漏液等嚴重后果，影響蓄電池在事故情況下的供電可靠性，因此必須重視并在日常維護中做好檢查，應檢查每個蓄電池外殼與蓋之間、極柱與蓋之間的密封，檢查是否有酸泄漏、殼體裂紋、極柱變形等情況。對已產生腐蝕鼓包的蓄電池，應建立監測機制，增加巡視檢查的頻度，若評估腐蝕鼓包可能影響蓄電池的安全，應考慮對蓄電池進行單節甚至整組更換。

2.3 通過內阻測量進行監測

在評價蓄電池組的電化學性能可使用內阻測量，蓄電池的內阻值隨著蓄電池的容量降低而升高，也就是說，隨著蓄電池的老化，容量降低時蓄電池的內阻增加。核電廠采用核容放電試驗進行蓄電池容量檢測存在試驗周期長、不能測試每一節單體蓄電池容量等缺點，而蓄電池內阻測試可以在線進行，通過比對整組的蓄電池內阻差異或與基準值進行比較的方式，找出或者預測已劣化的蓄電池。一旦蓄電池內阻超標，應查明原因，確定為蓄電池劣化的原因后應考慮在下一個窗口更換蓄電池。

2.4 結合蓄電池運行溫度的壽命預測

蓄電池在較高的溫度下運行會大大縮短蓄電池的預期壽命，主要原因為蓄電池在充電時會產生熱量，需及時釋放到環境中，當環境溫度過高時，導熱效率降低，會導致蓄電池內部溫度升高，電化學反應加劇使得電解液溫度進一步升高，產生惡性循環，最終會導致蓄電池壽命降低甚至直接失效[4]。

根據熱劣化曲線，蓄電池運行溫度與標準運行溫度（25℃）相比，每超過8℃，蓄電池壽命縮短一半。下式通過計算在升高的溫度下老化時間與標準溫度下（25℃）蓄電池壽命的比值之和得到蓄電池組的壽命[2]。

式中：Ltc——經溫度修正的蓄電池壽命，年；%life——從熱劣化曲線中得到的壽命百分比，曲線參見NB/T 20028.4-2010附錄K；Mos@T1——在溫度T1下的時間，月；M—蓄電池組預期的正常壽命，月

注：T1+T2+T3+……+Tn等于12個月。

表1 本廠1LBA系統蓄電池電解液溫度記錄（2017年）

表1是本廠1LBA系統蓄電池在2017年的電解液溫度記錄，經過公式計算，設計壽命為20年的蓄電池，其預期壽命將縮減至12.4年。

因此，電廠有必要采取對通風系統增加冷卻器等措施降低蓄電池的運行溫度，同時，電廠設備管理部門應根據蓄電池的運行溫度進行壽命預測，建立定期更換的大綱，在蓄電池壽命終止前完成蓄電池的更換。

3 蓄電池壽命提升的措施

3.1 維護方面

①確保蓄電池表面、電氣連接件以及端部的清潔，比重測量等工作中要防止酸液滴落，防止酸液對極柱和連接件的腐蝕。

②應定期觀察蓄電池液位，防止液位過低甚至極板裸露，加水不及時可能造成硫酸鹽化，容量減少直至失效。

③補液操作時，必須使用合格的除鹽水，相關的水桶、量具、器皿要用除鹽水做好清潔，防止不合格的水導致板柵腐蝕、硫酸鹽化或其他損害。

④應每月對蓄電池的比重進行抽檢，比重偏低表明蓄電池未達到滿充電狀態，應通過均衡充電使比重恢復到預期范圍，否則，長期充電不足會導致硫酸鹽化。

3.2 環境方面

①蓄電池運行溫度過高將造成蓄電池腐蝕加快、壽命縮短，應保持蓄電池房間良好的通風，可對進風風管增加冷卻器，使蓄電池在25℃左右的適宜溫度下運行。

②針對本核電廠蓄電池房間由于受樓下房間蒸汽管道的熱傳導影響，造成樓板發熱，可對蓄電池房間底部樓板增加隔熱保溫的方式降低蓄電池房間溫度。

3.3 充電方面

①電壓控制：對國內南方的核電廠，夏季因氣溫偏高導致蓄電池電解液溫度過高，內阻減小，電化學反應速度加快使充電電流增大，為防止蓄電池長期處于過充狀態，浮充充電要考慮溫度補償。對不具備自動根據蓄電池溫度進行浮充電壓補償調節的功能的充電器，建議在蓄電池溫度超過一定限值時（如規定30℃）手動調節充電器浮充電壓。

②均衡充電：應定期（季度或半年）對蓄電池進行均衡充電，防止蓄電池組中的部分電池由于充電不足造成硫酸鹽化，蓄電池壽命下降。