施蘭芳 郭桐岳 陳富杰 汪運律 錢厚軍

（中核核電運行管理有限公司，浙江 嘉興 314300）

0 引言

核電廠直流電力系統(tǒng)在設(shè)計上賦予其于正常及應(yīng)急工況下向關(guān)鍵/重要系統(tǒng)和設(shè)備的控制、保護、信號、儀表和動力裝置或系統(tǒng)提供直流電源的功能。蓄電池組是直流電力系統(tǒng)的核心設(shè)備，占據(jù)極其重要的地位。當直流系統(tǒng)在正常運行時，由充電裝置承擔(dān)正常負荷電流，同時向蓄電池組補充電，以補充蓄電池的自放電，蓄電池以滿容量的狀態(tài)處于備用狀態(tài)。當電力系統(tǒng)發(fā)生故障失去交流電時，蓄電池組發(fā)揮其獨立后備電源的作用，為負載繼續(xù)提供電源，維持重要負載可繼續(xù)運行規(guī)定的時間，為及時恢復(fù)交流電或設(shè)備安全停止提供了緩沖時間。

目前，大多數(shù)核電廠直流系統(tǒng)主要以防酸隔爆式鉛酸蓄電池為主，因其具有外殼透明、內(nèi)部極板與電解液可觀察、可根據(jù)液位和比重變化情況補酸或補水的特點，通常簡稱為富液電池。但該型式的蓄電池存在維護工作風(fēng)險高（釋放氫氣、酸堿作業(yè)）、維護工作量大（需定期檢查比重、液位、補酸補水）、占用空間大（只能直立安裝）等缺點。而閥控密封式鉛酸蓄電池（valve regulated lead acid battery，簡稱VRLA電池）是在富液電池的基礎(chǔ)上發(fā)展來的，具有能量密度高、大電流性能好、維護工作量小、安裝方式靈活多樣（可疊層臥放）等特點。VRLA電池作為后備電源已經(jīng)成功地替代富液式蓄電池廣泛應(yīng)用于商業(yè)UPS電源、通信基站、電網(wǎng)變電站、數(shù)據(jù)中心等較多領(lǐng)域數(shù)十年。本文描述了秦山核電廠蓄電池組近三十年實際運行維護業(yè)績和更新改造的實踐，全面分析比較了防酸隔爆式鉛酸蓄電池、閥控密封式鉛酸蓄電池這兩種類型蓄電池各方面的優(yōu)缺點，提出其他核電廠在蓄電池更新改造時可參考使用閥控密封式鉛酸蓄電池的觀點。

1 蓄電池的分類及綜合比較

鉛酸蓄電池根據(jù)類型來分，可以分為兩種，即防酸隔爆式鉛酸蓄電池（簡稱富液電池）和閥控密封式鉛酸蓄電池（簡稱VRLA）。閥控密封式鉛酸蓄電池又可分為膠體式（GEL）和貧液吸附式（AGM）。

表1分析了三種型式的鉛酸蓄電池并進行綜合比較，總體來說，VRLA電池在體積比容量、大電流性能、循環(huán)次數(shù)、占地面積以及維護等方面均較富液電池具有更大的優(yōu)勢，可突破當前富液電池的大電流放電和長時間放電能力難以兼顧的問題，AGM電池還具有安裝方式靈活多樣、節(jié)省空間的優(yōu)勢。但VRLA電池在充電過程中存在熱失控風(fēng)險，可以通過改善環(huán)境溫度和配置智能充電裝置合理設(shè)置充電參數(shù)來解決，設(shè)置超溫報警、過壓報警，發(fā)生報警時及時干預(yù)，目前智能充電裝置已非常普及。（VRLA電池?zé)崾Э厥且环N充電末期，電流和溫度發(fā)生積累性的相互促進作用而形成惡性循環(huán)的失效模式，表現(xiàn)為浮充電流迅速增大、溫度升高、電池外殼鼓脹變形，最終導(dǎo)致電池失效。）

表1 富液電池/GEL電池/AGM電池性能比較

2 核電廠蓄電池現(xiàn)狀及問題

目前在國內(nèi)核電廠，核島、常規(guī)島直流系統(tǒng)中應(yīng)用VRLA電池的還較少，主要以富液電池為主。此類蓄電池具有制造工藝成熟，價格不高的優(yōu)勢。但此類型電池普遍存在的問題：（1）維護工作風(fēng)險高：在充電期間，富液蓄電池釋出氫氣，有氫氣聚集爆炸風(fēng)險，需對房間進行氫氣測量和通風(fēng)處理。檢查蓄電池比重、液位和補水補酸的工作，以及配置電解液等作業(yè)，屬于酸堿類高風(fēng)險作業(yè)，工作人員需穿戴防酸衣、防護面具及橡膠手套，防止電解液濺出受傷。年度核對性充電期間，蓄電池還釋出酸氣，對維護人員呼吸道造成潛在傷害。（2）維護工作量大：按照預(yù)防性維修大綱的要求，需要對蓄電池開展周檢、月檢工作。通過檢查電壓、內(nèi)阻、比重、液位，以便及時發(fā)現(xiàn)蓄電池的異常狀態(tài)并及時進行處理，重復(fù)性工作量較大。（3）占用空間大。由于其技術(shù)特點，只能豎直放置，占用空間大，且體積和重量大于其他類型電池，不易于更換。（4）殼體端蓋出線處密封不易處理，無法根治極柱爬酸問題，需要及時擦拭清理。

3 秦山核電廠蓄電池運行維護與改進

秦山核電廠是中國大陸第一座自行設(shè)計、自行建造和自行運行管理的原型壓水堆核電廠，設(shè)計工作于20世紀70年代就已開始，1985年開工建設(shè)，1991年首次并網(wǎng)發(fā)電，通過不斷優(yōu)化設(shè)計和設(shè)備更新改造，電廠創(chuàng)造了優(yōu)異的運行業(yè)績，至今已安全穩(wěn)定運行接近30年，預(yù)計將繼續(xù)運行20年。

3.1 秦山核電廠蓄電池原設(shè)計

秦山核電廠核島、常規(guī)島直流系統(tǒng)，原設(shè)計蓄電池組共8組富液式（見表1），其中7組核島蓄電池為1E級，1組常規(guī)島蓄電池為N1E級。由于歷史原因，秦山核電廠設(shè)計建造在先，核安全法規(guī)逐步完善在后。秦山核電廠于2001年運行10周年起，開展PSR評審工作。通過評審，核島7組蓄電池均未經(jīng)過嚴格意義的1E級鑒定，需要在后續(xù)改造為具備1E級的蓄電池。

3.2 秦山核電廠蓄電池設(shè)計改進

進入21世紀，中國核電事業(yè)進入快速發(fā)展期，相關(guān)制造廠陸續(xù)開展了1E級電氣設(shè)備的鑒定改造，1E級電氣設(shè)備也嚴格按照核安全法規(guī)生產(chǎn)制造。因此秦山核電廠核島A/B通道4組蓄電池陸續(xù)改造為1E級富液蓄電池，并保持相同容量參數(shù)。

秦山核電廠EDG（應(yīng)急柴油發(fā)電機）在建廠設(shè)計時選用了大連機車車輛廠生產(chǎn)的東風(fēng)4B型柴油機內(nèi)燃機車（火車頭），使用東北蓄電池廠生產(chǎn)的N-420型蓄電池作為機組啟動電源。該電池在運行期間，存在缺陷較多于20世紀末已淘汰停產(chǎn)。秦山核電廠EDG啟動用N-420型蓄電池是一種較為特殊的情況，這種啟動類型的蓄電池，無經(jīng)過1E級鑒定的產(chǎn)品可替代（其他絕大多數(shù)核電廠EDG都是采用壓縮空氣作為動力源啟動機組）。秦山核電廠于2010年啟動科研工作，對N-420啟動型蓄電池（富液）的升級替代產(chǎn)品NM-450（AGM）實施了1E級鑒定工作，并完成1E級鑒定。2013年實施了3臺EDG啟動蓄電池的改造。

表2 蓄電池原設(shè)計列表

另外秦山核電廠交流不間斷電源系統(tǒng)（UPS）也進行了設(shè)計改進。2007年新增常規(guī)島UPS兩臺，配置兩組非核級GEL蓄電池（490 Ah 104節(jié)）。

2011年福島核事故后，秦山核電廠增設(shè)防水淹柴油發(fā)電機組（AAC），2014年建成投產(chǎn)。該機組配置啟動AGM蓄電池兩組（24 V 450 Ah）和控制AGM蓄電池一組（220 V 200 Ah），均采用橫臥放置，上下多層結(jié)構(gòu)。

根據(jù)浙江電網(wǎng)評審要求，常規(guī)島直流系統(tǒng)蓄電池配置不滿足要求，應(yīng)設(shè)兩段母線兩組蓄電池，實際是兩段母線一組蓄電池、母線不分段運行。2019年實施了改造，并增加一組蓄電池。改造后采用兩組(NDP-1200 104節(jié))AGM蓄電池，容量不變，橫臥放置，上下兩層，有效節(jié)省了空間。如采用富液電池，該房間無法布置兩組，需要新建蓄電池房間。

目前秦山核電廠核島、常規(guī)島蓄電池全部完成設(shè)行十一年，于2018年進行了更換，EDG啟動AGM蓄電池由于保守起見，其1E級鑒定壽命僅完成了5年試驗，在2018年更換后對換下來的NM-450啟動蓄電池進行了性能測試和解剖檢查，判定其仍可繼續(xù)使用8年以上。

配套CAP1400示范電站項目，南都電源公司開展4 000 Ah VRLA超大容量蓄電池（AGM）的1E級鑒定工作，已于2020年9月完成1E級鑒定工作，將在三代核電站核島1E級直流系統(tǒng)率先使用VRLA電池。秦山核電廠在下一次核島A/B通道蓄電池更換時將可以考慮使用VRLA蓄電池替代目前的富液電池，實現(xiàn)全部VRLA化。

對于業(yè)內(nèi)擔(dān)心的VRLA電池?zé)崾Э貑栴}，秦山核電廠通過精心設(shè)置充電參數(shù)和開展日常巡檢，對全廠蓄電池進行了有效管控，未出現(xiàn)過電池?zé)崾Э厥КF(xiàn)象，電池在充電末期殼體溫度基本在25℃以內(nèi)，環(huán)境溫度保持在20℃～25℃。所以通過有效地控制充電電壓和環(huán)境溫度，可以避免熱失控的出現(xiàn)。計改進（見圖1），主要14組蓄電池中，VRLA電池占據(jù)其中10組，最早投運的UPS蓄電池已安全穩(wěn)定運

圖1 改造后蓄電池現(xiàn)狀

3.3 秦山核電廠蓄電池改進后的性能試驗

以兩組閥控膠體電池GEL、和閥控吸附式電池AGM的放電性能試驗數(shù)據(jù)（見表3），來說明VRLA電池的性能。用富液電池的試驗方式和驗收標準，對充滿電的整組蓄電池以十小時率容量放電電流恒流放電8小時，放出電量為80%C10，要求截至第8小時每節(jié)電池電壓都大于放電終止電壓1.8V，否則判定試驗不合格。選用一組2007年投運以來第10次性能試驗的GEL蓄電池，單節(jié)最低終止電壓為1.865 V；一組為2019年投運，首次性能試驗的AGM蓄電池，單節(jié)最低終止電壓為1.910V，從試驗結(jié)果可以看出VRLA電池在性能上安全，可以替代富液電池。

表3 兩組蓄電池10小時率放電試驗數(shù)據(jù)

3.4 秦山核電廠蓄電池改進后的收益分析

截至2021年2月底，秦山核電廠核島、常規(guī)島主要蓄電池的現(xiàn)狀（見表4），14組蓄電池中，4組為富液電池，10組為VRLA電池。在實際運行中，秦山核電廠嚴格按照預(yù)防性維修大綱的安排，機組并網(wǎng)發(fā)電期間開展蓄電池的周、月檢工作，機組換料大修期間核對性容量充放電試驗，通過嚴格執(zhí)行維修規(guī)程和定期試驗規(guī)程，秦山核電廠蓄電池保持了優(yōu)良的運行業(yè)績。

表4 核島、常規(guī)島蓄電池改造后現(xiàn)狀

表5對兩種型式的蓄電池維護工作量進行了對比分析（以秦山核電廠實際情況統(tǒng)計），得出VRL電池不用再測比重、調(diào)電解液、調(diào)整電解液后的補充電等重復(fù)性工作，維護工時遠小于富液電池，為1/2～1/4之間；充放電工時約為富液電池的2/3，有效節(jié)省了人工工時，節(jié)約了人工成本。

表5 秦山核電廠兩種型式的蓄電池工時比較

秦山核電廠蓄電池設(shè)計改進后，系統(tǒng)運行可靠性得以提升，同時有效降低了維護工作風(fēng)險，維護工作的人工成本，具有較好的經(jīng)濟效益。

4 結(jié)束語

秦山核電廠電氣系統(tǒng)通過持續(xù)改進，不斷提升系統(tǒng)設(shè)備可靠性，提高了工作人員的技術(shù)，積累了經(jīng)驗。相比同行核電廠來說，秦山核電廠最早運行，最早改造，改造工作走在了前面，積累的成功經(jīng)驗也應(yīng)該分享給同行核電廠，以VRLA電池逐步取代富液電池的經(jīng)驗，也同樣可在同行核電廠蓄電池組更新改造時參考。