閥控式密封鉛酸蓄電池應用于核島直流系統的可行性探討

黃藝昀 蔡晶慧 翟曉滿

（中國核電工程有限公司 北京 100840）

核電廠的直流系統向安全相關的工藝系統負荷、反應堆保護系統、事故余熱排出系統等安全相關儀表、控制、監測設備，以及和電廠操作和保護有關的用電設備提供連續可靠的電源［1-2］。在發生失去全部廠外或廠內交流電源的事故時，蓄電池組能夠向相應的直流和交流UPS 負荷持續供電，對核電廠的安全運行起到至關重要的作用。

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

鉛酸蓄電池是當前電力工程中廣泛使用的直流電源裝置，它具有可靠性高、儲存性能好、容量大、能承受一定沖擊負荷和造價低等優點［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均采用固定型防酸富液式鉛酸蓄電池。這類電池運行中可以加液，便于監視、壽命較長、價格較低；但占地面積大，運行中產生氫氣，且伴隨著酸霧，對環境污染較大，維護工作復雜量大。

閥控式鉛酸蓄電池是在防酸排氣式蓄電池的基礎上發展而來的，在正常充放電過程中處于密封狀態，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，減小了維護工作量。當下，閥控式鉛酸蓄電池已成功替代防酸式蓄電池應用于電網變電站、通信基站、商業UPS電源等領域［5-6］。本文將對閥控式鉛酸蓄電池替代防酸式蓄電池應用于核島直流系統的可行性進行探討。

1 工作原理

鉛酸蓄電池負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。放電時，正極和負極的活性物質都與電解液發生化學反應，生成硫酸鉛；充電時，正極和負極發生與充電時相反的化學反應，分別重新生成鉛和二氧化鉛［3］。蓄電池在充電狀態下發生的化學反應方程式如下。

與充電過程相反，蓄電池在放電狀態下的化學反應方程式如下。

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中，可充滿電池槽內所有空隙。

（2）用超細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，電池腔內的電解液不會流動，通過電池內部氧氣的復合循環，減少水的損耗，實現電池在充放電時保持密封狀態。

我國現階段，電網、常規電站、通信基站等工程領域所使用的閥控式密封鉛酸蓄電池通常為超細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構的不同，技術特點也會有所差異。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，不僅降低了漏液風險，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構，為滿足抗震要求，不宜超過3層，同時，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，需核實樓板承載荷重。

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

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點為可縮小占地面積，可簡化蓄電池室的防酸、調酸、防爆、防水等方面的要求。防酸式蓄電池日常維護工作量大，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工作量小，但在成本上需增加監控裝置的費用，同時，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境溫度需求，蓄電池室可能需要增加加熱器或空調。

3 核島直流系統蓄電池的運行條件

蓄電池放置于安全殼外區域，蓄電池室應為防酸、防火、防爆建筑，室內嚴禁裝設開關、熔斷器、插座、電爐等，照明應采用防爆燈具。蓄電池室應裝設通風設施，為避免氫氣聚集排風口設置于房間頂部，其通風換氣量應能保證室內含氫量低于0.7%、含酸量小于2mg/m3。蓄電池室內還應設置運行和檢修通道，保證定期通過取水管添加除鹽水。電力電纜引出端應安裝在蓄電池的頂部。

在正常運行條件下，蓄電池長期處于浮充電狀態，每個電池的浮充電壓為2.23±1%V。根據規定，蓄電池組的電池至少達到15年的工作壽命，其余部件規定的工作壽命為40年。蓄電池室正常工況下的環境溫度約為10～40℃，事故工況下的環境溫度約為40～50℃。為核對蓄電池的剩余容量，需每個換料周期進行一次放電實驗，根據工藝所提供的負荷時序，對蓄電池進行系統所規定的放電周期（24h或72h）的放電實驗，終止放電電壓一般取1.75V。放電實驗或經歷事故工況放電后，需對蓄電池進行均衡充電，每個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，一部分電能轉變成了分解水的化學能，然后電解液分解出的氫氣和氧氣可以從電池內部逸出，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生更多的熱量，且其在正常充放電時處于密封狀態。因此，當閥控密封式電池過充或浮充電壓過高時，充電電流增大，從而導致溫度升高，導電率增大，充電電流進一步提高。這樣的惡性循環終將出現熱失控現象，最終導致蓄電池損壞。

核電廠直流系統在正常工況下，蓄電池通常以2.23～2.25V 的電壓進行浮充，由于電壓低，浮充電流小，產生的熱量小，因此，并不會出現熱失控現象。事故工況下，蓄電池開始放電，也不會出現熱失控現象。相較于浮充電壓值，均衡充電末期的電壓值更高，熱失控風險大。而蓄電池的均充一般發生在核電廠檢修期間，此時蓄電池無需執行安全功能，意味著此時發生的熱失控事件并不會造成對核安全的影響。

4.2 正極板柵腐蝕

核電廠直流系統中的鉛酸蓄電池長期處于浮充電狀態，正極板柵電位長期處于高電位環境，因此其無法避免腐蝕的發生。隨著蓄電池使用時間增長，正極板柵腐蝕程度逐漸嚴重，電池內阻增加，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，水分蒸發少，但是并非完全不會消耗水，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主要因素，因此，閥控式密封鉛酸蓄電池在長期浮充狀態的情況下運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，當電池浮充電壓高、電解液比重高、浮充電流大，板柵腐蝕的速率高，進而導致溫度升高、加快水分蒸發，浮充運行預期壽命降低。因此，控制浮充電流在一個較小的范圍內，可以保證較高浮充運行預期壽命。

4.3 負極匯流排腐蝕

負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和負極的氧復合反應，閥控式密封蓄電池在正常充放電運行時都是處于密封狀態，不會排放任何氣體，使電池腔內存有氧氣，而負極匯流排無法避免地會被電池腔內的氧氣氧化，產生腐蝕現象，并隨著時間加劇。嚴重腐蝕的匯流排機械強度降低，無法保證在壽期內斷裂，造成電池開路失效。

5 結語

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，發現閥控式密封鉛酸蓄電池在比容量、大電流性能、設備布置及維護工作量等方面較防酸式蓄電池具有更大的優勢，從性能上可以滿足大電流放電和長時間放電能力的要求，符合核電站緊湊型發展的趨勢。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中的應急電源之一，是核電站縱深防御體系的關鍵環節，其安全性和可靠性關系到系統在核電事故工況中的可用性。因此，驗證蓄電池在其壽期內是否能夠執行其安全功能是核島直流系統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，可以篩出負極匯流排腐蝕是當前無法避免且通過外部條件來緩解的問題。

根據已知條件對比分析，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。但是，若閥控式密封鉛酸蓄電池建立設備鑒定標準體系，并通過設備鑒定工作確認其在整個設計運行壽命周期內能夠執行安全功能，理論上是具有應用于核島直流系統的可行性。