GFMJ系列閥控式密封膠體鉛酸蓄電池在火力發電廠中研究與應用

山西臨汾熱電有限公司 陳西勤 王建勛 陳紀鋒

某熱電公司自2010年投產至今，全廠共裝有六組蓄電池，每臺機組裝設兩組蓄電池，設計初期使用閥控式密封鉛酸蓄電池，兩組直流母線均為控制負荷和動力負荷混用，蓄電池組與充電器并列運行，正常情況下充電器給直流負荷供電，并給蓄電池浮充電，事故情況下則由蓄電池供電。直流系統的供電方式采用輻射形；網控保護間兩組蓄電池，每組蓄電池104個，直流母線電壓235V。

每臺機組設有兩段220V 直流母線；每組直流母線配置一組蓄電池、一組充電器、一組微機監控器、一套微機絕緣監查裝置、一臺蓄電池巡檢儀。兩組220V 直流母線中間設有聯絡刀閘，可以并列運行。每組蓄電池由104只電瓶組成。公司投產運行10多年，蓄電池組運行時間較長，均出現多個蓄電池極板腐蝕，個別蓄電池容量不能滿足要求的問題，需要更換蓄電池組。

1 蓄電池組在直流系統中的作用

蓄電池采用充電、放電方式運行，一般其直流負荷很小或沖擊負荷很小。采用這種方式運行時，首先需要蓄電池組具有充足電荷，充電設備停止運行時，蓄電池組處于放電運行狀態。蓄電池電壓隨時間的推移而降低，當電壓降到規定值（一般在單電池電壓1.8V）啟動充電設備，向蓄電池充電，以補充蓄電池能量，同時供給經常性的直流負荷，直到蓄電池充足容量，停止充電設備，開始下一循環運行[1]。

發電廠所用蓄電池組一般采用浮充電方式運行的直流系統，采用浮充電方式是將蓄電池與充電器通過直流母線長期并列運行，由蓄電池擔負沖擊負荷，充電設備擔負自放電、穩定負荷和沖擊負荷后蓄電池的電能補充，蓄電池長期處于充電狀態。實踐證明，采用浮充方式可提高蓄電池的使用壽命[2]。同時，直流負荷的供電可靠性會增強。特別是在大的沖擊負荷或發電企業設備事故情況下，蓄電池可以提供穩定可靠的保安電源。

采用浮充電方式運行的蓄電池，要定期進行核對性放電試驗，其目的是促使蓄電池內有效物質起化學反應，及時發現蓄電池是否有維護不當的問題，從而選擇合理的充放電周期。對于新裝蓄電池要按制造廠家的規定執行。定期核對性放電次數應根據具體觀察的現象來定，一般以一年一次為宜。

2 蓄電池組使用中存在問題

蓄電池組作為直流系統的心臟，在直流系統中起著舉足輕重的作用。通過加強對蓄電池的管理，改善其使用狀況，延長蓄電池壽命尤為重要。本公司蓄電池在長期運行中存在問題主要有以下幾點。

單個電池頻繁出現電壓低現象，實測發現該電瓶電壓與其他電池偏差超過0.2V，多次大充大放之后，該電池電壓未有較大改觀。更換單個電瓶后，投運一段時間，通過內阻測量發現更換后蓄電池內阻存在一定的差異；個別蓄電池存在滲液爬液、殼體變形、失水等現象。失水是蓄電池失效的最常見故障，主要導致蓄電池嚴重硫化和容量下降。蓄電池電解液外溢，主要原因有安全閥動作頻繁或蓄電池運行時間長，密封件老化，容易出現漏液現象[3]；蓄電池組長期運行，極板腐蝕嚴重，嚴重時個別蓄電池極板出現斷裂，因此要對蓄電池組進行定期更換。

3 蓄電池選型方法

密封膠體電池主要優點：環保性能高，極板腐蝕小，漏酸概率小，失水少，循環壽命長。采用高分子聚合硅膠體電解液取代硫酸，污染小、易處理，膠體電解質為凝膠狀態，內部無游離液體存在，在相同體積下電解質容量大，熱容量大，散熱能力強。極板使用特殊的鈣鉛錫合金板柵，更耐腐蝕，同時電解質濃度低，可以有效防止極板被腐蝕，充電接受能力更強。采用超高強度隔板能避免短路的情況發生，且濃度均勻，不存在電解液分層現象，具有很好的物理及化學保護作用，是普通鉛酸電池使用壽命的兩倍。

密封膠體電池在長時間放電、循環放電、深度放電及大電流放電時有較好的承受表現。膠體蓄電池具有很強的浮充壽命和放電性能。膠體充滿在隔板與極板之間，降低了電池內阻，充電接受能力能得到有效改善，自放電小，免維護性好，便于長時間保存。這使得蓄電池有較強的自恢復能力，反彈容量大，恢復時間短，而且在低溫啟動能力、荷電保持能力、電解液保持能力、循環耐久能力、耐震動性能、耐溫變性能等方面有顯著提高。

密封膠體電池耐低溫和高溫性能強?？稍?50℃～+50℃的環境正常使用，尤其是北方高溫、高寒地區，冬天溫度低，夏天溫度高，適用于溫差變換大的區域?？拐鹦阅芎?，能在各種惡劣的環境下安全使用[4]。使用快捷方便，由于單體電池的內阻、容量、浮充電壓一致性好，因此無須均衡充電，也無須經常維護。

蓄電池作為直流系統主要電源，既要經濟環保，又要安全可靠，因此選型很重要。蓄電池型號選擇主要依據以下條件：蓄電池的使用壽命、頻次；蓄電池的放電電流；蓄電池的放電時間；為避免過放電和超大電流放電時對蓄電池造成傷害，蓄電池放電時，放電電流一般控制在0.1c10A 以下，容量盡量選擇大一些的。通過可靠性、經濟性比對分析，1號、2號機組分別選擇了GFMJ-1200、網控蓄電池和GFMJ-300系列閥控式密封膠體鉛酸蓄電池。

4 GFMJ 系列閥控式密封膠體鉛酸蓄電池結構與原理

4.1 組成

GFMJ 膠體蓄電池由正極板、負極板、隔板、極柱、安全閥、殼體、專用膠體電解質及附件等組成。

4.2 結構特點

電解質：采用德國氣相二氧化硅制作，電解液為膠體狀態，充滿在正負極之間及整個電池中，保證極板各部反應均勻，其熱容量大、散熱性好，能避免一般蓄電池容易產生的熱失控現象。電解質在成品電池中呈凝膠狀態，不流動，在運行中不會出現漏液和分層現象；極板：正極板骨架由組織晶粒細小致密多元合金壓鑄成型，耐腐蝕性能好，壽命長，正極板板體采用管式極板，能有效防止活性物質的脫落。負極板為涂膏式極板，板柵為放射狀結構，活物質的利用率和大電流放電能力強，充電接受能力強。

電池槽：使用ABS 材料，耐腐蝕、高強度，采用蓋封盒形式，可以有效防止泄漏；隔板：使用膠體電池專用微孔PVC-SiO2隔板，其孔率大、電阻低。具有較大的電解質儲存空間；端子密封：具有較大的電流承載能力與耐腐蝕性的內嵌銅芯鉛基極柱，采用雙重密封結構，極柱密封性可靠，能有效避免泄漏；開閉閥壓力恒定，可靠性強，避免蓄電池外殼膨脹、破裂和出現電解液干涸現象。

4.3 工作原理

4.3.1 GFMJ 膠體蓄電池充放電過程中的化學反應

充電時：硫酸鉛通過氧化還原反應分別恢復二氧化鉛和海綿狀鉛，電解液中的硫酸濃度增大?；瘜W反應如下：2PbSO4+2H2O →Pb+PbO2+2H++2HSO4-；放電時：正極板的二氧化鉛和負極板的海綿狀鉛與電解液中的硫酸反應，生成硫酸鉛，電解液中的硫酸濃度降低?；瘜W反應如下：Pb+PbO2+2H++2HSO4-→2PbSO4+2H2O。

4.3.2 充電末期電極反應

電池在充電后期電壓上升至一定值或過充電情況下，正極板上的水分解后會放出氧氣，負極柵采用高純度的鉛鈣合金板柵，提高負極析氫過電位，抑制氧氣的析出：H2O →2H++?O2+2e-。電池內的硅凝膠為三維多孔結構，存在許多細小裂縫（氣體通道），在充電期間正極析出氧氣通過上述裂縫到達負極，與海綿狀鉛發生化合反應：2Pb+O2→2PbO，PbO 是堿性氧化物，與電解液中的硫酸反應生成硫酸鉛：PbO+H2SO4→PbSO4+H2O；硫酸鉛經充電轉化成海綿狀鉛：PbSO4+2H++2e-→Pb+H2SO4；負極板上的總反應：O2+4H++4e-→2H2O。膠體電池在充電時，正極板上失去的水，由負極板上生成的水來補充。實現了電池在使用過程中免加水，免維護。

5 更換蓄電池方案分析、實施及日常維護及注意事項

5.1 更換蓄電池方案分析、實施

1號直流系統簡圖如圖1所示。

圖1 1號機直流系統簡圖

六組蓄電池組運行時間長，更換是必須選擇，先從1號機組入手，每臺機組裝設兩組蓄電池，兩段220V 直流母線、每組直流母線帶一組蓄電池、一組充電器、一組微機監控器、一套微機絕緣監察裝置、一套蓄電池巡檢儀；兩組220V 直流母線中間設有聯絡刀閘，可以并列運行。安裝方案確立為，將1號機組兩段直流母線并列運行，1號蓄電池組與充電器停運、停電后實施更換工作。

1號機組直流系統并列操作，核對聯絡刀閘上下口極性一致，1號機組兩段直流母線電壓接近，兩段母線沒有發生不同極接地情況，合上聯絡刀閘QF13、QF23將兩段直流母線進行并列。兩段直流母線電壓正常后，因兩組充電器不宜長期并列運行，斷開1號蓄電池組上母線刀閘，斷開1號充電器上母線刀閘。辦理1號蓄電池更換工作票，合理安排人員和準備工器具，進行原鉛酸蓄電池拆除和新的GFMJ 膠體蓄電池安裝更換工作。1號蓄電池組更換正常后，對蓄電池組進行大充大放試驗正常后，恢復直流系統正常運行方式。經過上述操作兩段直流母線并列后，停用2號充電器和2號蓄電池組，進行2號蓄電池組更換工作。

5.2 日常維護

每月對單個蓄電池電壓、溫度進行測量，并形成日常維護臺賬。同一蓄電池組中，各單體蓄電池的電壓值偏差不超過0.2V，電壓出現偏差時，持續關注該電池運行情況，浮充電運行6個月后，電壓偏差值會自動趨于一致，若6個月后偏差仍超過0.2V 以上，聯系供應商進行更換調整。電池表面溫差不超過5℃，超過及時聯系供應商進行檢查或更換；檢查電池外殼、蓋子有無漏液、鼓脹及損傷情況，外觀異常時先確認其原因，若影響正常使用則及時進行更換。

定期清理蓄電池外部灰塵污漬，確保外觀清潔；檢查安裝架、連接電纜、正負端子等有無生銹情況，若有銹跡時，及時除銹、更換連接電纜等；檢查蓄電池電瓶各接頭螺絲及焊接處支持絕緣子良好，電瓶外殼無破裂。各連接部位，有無過熱和松動現象，若有及時進行緊固處理；每年利用大、小修對蓄電池組進行核對性容量試驗，確保10h 放電率正常；新型膠體蓄電池體積小、極板腐蝕小，運行維護更方便。

5.3 蓄電池常見故障

蓄電池組在使用初期放電時，某單節電池電壓和蓄電池組總電壓下降過快。原因：電池端子連接螺栓松動；端子或連接電纜表面臟污。處理方法：擰緊螺栓；清除污垢，重新安裝。蓄電池組總電壓的測量值比計算值低約4V。原因：蓄電池組中有一節單體電池極性接反。處理方法：檢查蓄電池極性，將錯誤電池及時進行更正。

2022年1月、5月、7月分別對1號機、2號機、網控2組蓄電池組由原來的閥控式密封鉛酸蓄電池更換為GFMJ 系列閥控式密封膠體鉛酸蓄電池組，更換以后跟蹤監視直流系統運行穩定，無論在高溫夏季、還是寒冷冬季各蓄電池電壓、容量、溫度等各項指標均正常。針對大容量機組、超高壓輸電線路不斷升級，對自動化要求更高，對直流電源質量、可靠性要求越高，蓄電池作為直流系統的重要設備，對其要求更高，如果運行維護不當，會造成故障與事故，將會對發電廠與電力系統帶來不可預估后果。