磷酸鐵鋰電池在核電廠直流電源系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性分析

陸宗達(dá) 李美增 謝賢林

摘? 要：文章分析了現(xiàn)有核電廠直流電源系統(tǒng)電池的優(yōu)缺點(diǎn)，從常規(guī)性能，溫度特性、壽命特性、安全性、成本、使用維護(hù)和工作方式等方面，比較磷酸鐵鋰電池和現(xiàn)有蓄電池的優(yōu)劣性，探討用磷酸鐵鋰電池替代現(xiàn)有蓄電池的可行性，提出磷酸鐵鋰電池應(yīng)用于核電廠直流電源系統(tǒng)的具體要求和實(shí)踐方法。

關(guān)鍵詞：核電廠;直流系統(tǒng);磷酸鐵鋰電池;GFD蓄電池

Abstract： This paper analyzes the advantages and disadvantages of the existing DC power system batteries in nuclear power plants， and compares the advantages and disadvantages of lithium iron phosphate batteries and existing batteries from the aspects of conventional performance， temperature characteristics， life characteristics， safety， cost， maintenance and working mode. The feasibility of replacing existing batteries with lithium iron phosphate batteries is discussed， and the specific requirements and practical methods for the application of lithium iron phosphate batteries in DC power systems of nuclear power plants are put forward.

1 概述

核電廠直流電源系統(tǒng)為控制、信號(hào)、保護(hù)和自動(dòng)裝置（統(tǒng)稱為控制負(fù)荷），以及斷路器電磁合閘、直流電動(dòng)機(jī)、逆變器、事故照明（統(tǒng)稱為動(dòng)力負(fù)荷）等供電，涉及應(yīng)急柴油機(jī)控制盤(pán)、核反應(yīng)堆保護(hù)組、棒電源斷路器屏、停堆斷路器、核儀表等重要負(fù)荷，對(duì)核電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用。蓄電池是核電廠直流電源系統(tǒng)的重要設(shè)備。本文將鉛酸蓄電池同磷酸鐵鋰電池作全方位的對(duì)比，分析磷酸鐵鋰電池用作核電廠直流電源系統(tǒng)蓄電池的可能性。

1.1 核電廠直流電源系統(tǒng)（方家山M310為例）

方家山核電廠直流電源系統(tǒng)采用了220V、110V、48V和24V電壓等級(jí)，與國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一。每個(gè)直流系統(tǒng)設(shè)備有蓄電池組，整流充電器和一組帶進(jìn)出線斷路器和開(kāi)關(guān)的直流配電裝置。220V直流電源LAA、LAB一般為電動(dòng)機(jī)、照明以及大容量逆變器等動(dòng)力負(fù)荷供電;110V直流電源一般為小容量逆變器、配電裝置控制回路以及其他控制、保護(hù)和自動(dòng)裝置等控制負(fù)荷供電;48V直流電源一般為電動(dòng)閥控制裝置、報(bào)警裝置、繼電器機(jī)柜、專用儀表控制系統(tǒng)及通信系統(tǒng)供電。24V直流配電系統(tǒng)只向機(jī)組的調(diào)節(jié)設(shè)備供電。此外LNA、LNB、LNC、LND四組反應(yīng)堆保護(hù)電源系統(tǒng)也自帶有蓄電池組。

1.2 核電廠用蓄電池現(xiàn)狀分析

目前方家山核電廠主要使用的是沈陽(yáng)東北蓄電池廠生產(chǎn)的固定防酸式鉛酸蓄電池，該蓄電池同普通民用蓄電池有很大的差別，相比普通蓄電池，它設(shè)計(jì)合理，比能量高，首次放電即可達(dá)到95%以上，浮充壽命可以達(dá)到15年以上。雖然性能上相比普通鉛酸蓄電池有了很大提高，不過(guò)還是存在以下問(wèn)題：

（1）對(duì)環(huán)境要求較高，蓄電池室必須安裝有通風(fēng)系統(tǒng)，以避免溫度過(guò)高影響蓄電池容量壽命。

（2）安裝過(guò)程復(fù)雜，不清潔的環(huán)境可能導(dǎo)致短路，調(diào)試期間我廠曾經(jīng)發(fā)生過(guò)類似問(wèn)題。

（3）高溫下長(zhǎng)期浮充對(duì)蓄電池性能影響很大，長(zhǎng)期處于浮充狀態(tài)，會(huì)使蓄電池內(nèi)阻增加，容量大幅下降，使用壽命變短。

（4）檢修維護(hù)要求非常復(fù)雜，比如補(bǔ)充電解液，三個(gè)月需要均充一次等等。

（5）生產(chǎn)運(yùn)行及報(bào)廢過(guò)程中，會(huì)造成重金屬污染。

2 性能對(duì)比

磷酸鐵鋰蓄電池是用磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰電池，其特點(diǎn)是原料價(jià)格低廉豐富，工作電壓適中，電容量大， 高放電功率，可快速充電且循環(huán)壽命長(zhǎng)，穩(wěn)定性高。

2.1 基本性能對(duì)比

磷酸鐵鋰電池的標(biāo)稱電壓是鉛酸電池的1.5倍之多，同樣容量的單節(jié)電池，前者重量比后者輕一半以上，所占體積只有后者的1/3，這意味著如果用磷酸鐵鋰電池替代鉛酸電池用于直流系統(tǒng)中，不但電池部分所占空間大大縮小， 對(duì)于維護(hù)人員其工作強(qiáng)度也會(huì)減少很多。

2.2 放電特性對(duì)比

磷酸鐵鋰電池-20℃放電是其常溫放電容量的80%以上，GFD電池-20℃只能放出常溫容量的60%不到;但是高溫性能方面，GFD蓄電池有別于普通蓄電池高溫放電容量低的特性，依然保持了相當(dāng)高的放電容量。磷酸鐵鋰電池具有良好的倍率放電特性，大電流放電電壓平穩(wěn)，4C放電容量是額定容量的92%以上，根據(jù)廠家資料，GFD蓄電池的倍率放電曲線和普通蓄電池沒(méi)有大的區(qū)別，因此從圖上可以看到GFD蓄電池在不同放電電流下電壓平臺(tái)變化較大，并且在2C電流條件下時(shí)放電容量就只能達(dá)到額定容量的80%。在倍率放電特性方面，磷酸鐵鋰電池具有更好的特性。

2.3 壽命特性對(duì)比

磷酸鐵鋰蓄電池對(duì)于充放電流的大小與壽命基本沒(méi)有關(guān)系，具有良好的適應(yīng)能力。核電廠蓄電池正常情況下，基本都是在浮充狀態(tài)，據(jù)相關(guān)資料，在浮充狀態(tài)下，磷酸鐵鋰電池相比普通鉛酸蓄電池也具有很好的壽命特性。根據(jù)北京201所的實(shí)驗(yàn)，磷酸鐵鋰電池在60℃情況下浮充一年，仍能達(dá)到81%的容量保持率。在常溫下浮充三個(gè)月，容量保持率達(dá)到了96.8%。對(duì)比GFD蓄電池，磷酸鐵鋰電池電池在高溫下會(huì)具有更優(yōu)秀的壽命特性。在壽命特性方面磷酸鐵鋰電池表現(xiàn)更勝一籌。

2.4 性能對(duì)比結(jié)論

GFD蓄電池相比普通鉛酸蓄電池在性能上有了很大的改進(jìn)，特別是在浮充壽命特性上，不過(guò)磷酸鐵鋰電池電池在大部分性能方面還是要?jiǎng)龠^(guò)GFD蓄電池。

3 磷酸鐵鋰電池的運(yùn)行方式

對(duì)于核電廠直流系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，蓄電池的運(yùn)行方式只能選擇在線式運(yùn)行方式，而不能選擇后備式。方家山核電的直流系統(tǒng)還要兼做UPS的后備電源，無(wú)論是UPS的要求還是本身核安全相關(guān)負(fù)載的要求，都需要在線式的備用電源，切換時(shí)間為納秒級(jí)，幾乎可以忽略不計(jì)。雖然后備式10ms左右的切換時(shí)間對(duì)于一般的負(fù)載設(shè)備來(lái)說(shuō)可能可以接受，不過(guò)對(duì)于與核安全相關(guān)的設(shè)備如DCS系統(tǒng)等等是不能接受的，因此我廠的直流系統(tǒng)一般都是采用浮充式，根據(jù)核電廠的實(shí)際情況，作者認(rèn)為磷酸鐵鋰蓄電池可以有以下三種方式工作方式：

（1）磷酸鐵鋰電池替代原有鉛酸電池，蓄電池直接掛接在系統(tǒng)直流母線上，處于在線浮充狀態(tài)。

（2）為磷酸鐵鋰電池配置BMS系統(tǒng)，控制電池的充放電過(guò)程，蓄電池掛接在系統(tǒng)直流母線上，處于在線浮充狀態(tài)。

（3）磷酸鐵鋰電池配置BMS系統(tǒng)，控制電池的充放電過(guò)程及系統(tǒng)工作狀態(tài)，蓄電池通過(guò)一大功率逆止二極管掛接在直流母線上，處于智能間歇式充放電狀態(tài)。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)本文的對(duì)比，我們將采用工作方式二和三的磷酸鐵鋰電池與GFD蓄電池的綜合對(duì)比總結(jié)列于表1。

在核電技術(shù)不斷發(fā)展的今天，我們依然在使用幾十年前的蓄電池技術(shù)，雖然傳統(tǒng)鉛酸蓄電池的技術(shù)也在不斷改進(jìn)，很多參數(shù)相比以前有了很大提高，但鉛酸蓄電池依然存在很多固有的缺點(diǎn)，尤其是安全性方面的問(wèn)題。隨著核電技術(shù)的發(fā)展，我們有理由對(duì)蓄電池提出更好更高的要求，磷酸鐵鋰電池本身具有的環(huán)保，壽命長(zhǎng)，耐高溫的特性完全符合核電廠直流系統(tǒng)用蓄電池的要求。我們有理由相信磷酸鐵鋰電池蓄電池在核電廠直流系統(tǒng)的應(yīng)用是完全可行的。

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