阀控式密封铅酸蓄电池在电力工程中的应用

 1  前言
在电力系统的火电厂、变电所中，直流系统是十分重要的。直流系统供电的可靠性和质量，直接影响到电力系统的安全运行。直流电源种类的选型在《火力发电厂、变电所直流系统设计技术规定》中3．2．1款指出，“火力发电厂、变电所宜采用固定型防酸式铅酸蓄电池；在技术经济合理时，也可采用中倍率镉镍蓄电池。”在《火力发电厂设计技术规程》的11章第4节中，也有相应条款对该类型蓄电池配置作了规定，几十年来，虽然固定型防酸式铅酸蓄电池也在不断地改进完善，有了较成熟的制造技术和系列化产品，运行单位也具备丰富的使用维护经验，但在实际应用中仍存在着许多缺点。如，电池体积大，占据较大的蓄电池室；运行中有酸雾逸出，污染环境；蓄电池须安装在制殊要求的场所，装设通风设备和调酸加液设备；需由专门的运行维护人员进行复杂繁琐的日常维护。而镉镍蓄电池由于制造工艺水平提高甚慢，爬碱、渗漏等问题一直没有得到有效解决，而且尚需定期换液，这些问题直接影响到直流电源的稳定可靠运行，同时其产品价格大大高于普通铅酸蓄电池，所以也未能在火电厂广泛采用。
    阀控式铅酸蓄电池(VRLA—Valve一Reg-ulated Lead Acid Batteries)，也叫阴极吸收式铅酸蓄电池，是最近十几年发展起来的一种先进的铅酸蓄电池。由于其在使用过程中可以保持阀控式密封，不需加酸加水维护，无酸雾逸出，不污染环境，不腐蚀设备，电池可立放、卧放或积木式安装，节省占地面积。因此，当VRLA蓄电池一出现，在国际国内就受到广泛重视，而且逐步被推广应用。特别是在工业蓄电池领域。据国外资料统计，在美国和欧洲固定型和浮充式电池中，已有约80%为阀控式蓄电池。目前已广泛应用于我国的邮电、通信、高层建筑、交流不停电电源等领域。
    随着VRLA蓄电池在我国其他领域尤其是邮电通信方面的广泛应用，以及VRLA蓄电池的生产制造在国内的兴起，我国电力系统自九十年代初开始将VRLA蓄电池用于火力发电厂、变电所的控制保护和动力的直流系统中。在新建扩建的各类型发变电工程和已投运的发电厂、变电所，遍及全国各地都程度不同地采用了VRLA蓄电池。为了规范在发变电工程中蓄电池的设计选型、安装维护和直流系统配套设备的造型等，有必要了解VRLA蓄电池在发电厂、变电所作为动力控制电源的实际应用情况，以便制定相应的规程规范。为此，我们向东北、中北、华东、西北、西南、中南、湖南、山西、黑龙江等十四个电力设计院调查了近年来新建工程选用VRLA蓄电池的情况；也对一些已应用 VRLA蓄电池的火电厂、变电所、供电局和电力局进行调查，了解VRLA蓄电池的实际运行情况和用户的反馈意见；同时向一些VRLA蓄电池的生产厂收资，了解产品的生产工艺技术，质量保证和售后服务措施以及完善改进等方面的情况。
 2  阀控式密封铅酸蓄电池在电力工程中的应用
 2．1  应用范围
    在我们调查的十五个电力设计院中，每个院都在所设计的工程中部分地选用了VRLA蓄电池，加上运行单位自行更换选用的蓄电池，目前从中小型火电厂直到单机容量600MW的大型火电厂，从110kV无人值守小型配电变直至500kV枢纽变，都有使用VRLA蓄电池的运行的单位。蓄电池有用于48V控制、IlOV～ 220V控制、以及220V动力负荷、容量从100安时至4500安时。蓄电池安装点为主控楼、网控楼或单元集控楼，安装方式多为钢架组合式结构，个别小容量蓄电池也有装在屏内，布置在继电器室的。投运时间最早的火电厂是在1991年到1992年，至今已有7～8年时间，而大范围采用是从1995年开始。
    据以上各设计院不完全调查统计，近年来约有30个火电厂工程，40～50个变电所工程选用了VRLA蓄电池，大部分已投运。占近年新建火电厂工程的10％左右，变电所工程可达 20％左右，尤其是在广东、湖南、河南等地，选用 VRLA蓄电池的工程比例更高，变电所可达 50％左右。原使用VRLA蓄电池较少的西北、西南地区，目前一些在建的电厂也都采用了 VRLA蓄电池，在近期一些国际招标的火电厂中如标书有要求时，国外各投标商也以VRLA蓄电池投标。另外，一些七十年代、八十年代投运的火电厂，当原有蓄电池报废需更换时，也有相当数量的电厂更换为VRLA蓄电池，使得采用VRLA蓄电池的火电厂所占比例呈逐年上升趋势。
 2．2  选用的蓄电池型号
    根据调研情况，在火电厂、变电所动力控制直流电源中选用VRLA蓄电池的型号主要有：美国GNB、美国c&D、英国霍克、日本汤浅、德国阳光等国外各公司产品。一般国外的VRLA蓄电池产品性能较好，寿命长，质量较稳定。发生问题也少。但由于其价位高，约为同类型国产蓄电池的1.2～2倍，所以仅有10～15％用户选择了国外产品，大部分用户选用的国内生产的VRLA蓄电池．主要选用的型号有华达电源公司的GFM，GM型，约占已统计发电厂工程的50％左右，还有山东曲阜圣阳电池公司的 GM型以及其他一些蓄电池厂的产品。
 2．3  在火力发电厂应用的情况
    根据调查统计，在VRLA蓄电池运行的火电厂、变电所中，使用情况良好的占90％以上。其他10％左右的用户，大多是个别电瓶渗漏、电池容量均一性不好等问题，尤其是在95年以前使用的电池问题较突出。另外也有一些是蓄电池投运之初容量就达不到额定值的，还有极个别用户的VRLA蓄电池运行寿命未达到预期值的情况。以下是两个大型火电厂VRLA蓄电池的实际应用情况。
    其一为SMW火电厂，装机容量4 X 300MW，主厂房的控制、动力直流均采用华达电源公司的GFM(GM)型VRLA蓄电池。容量为500安时(110V)和1500至1870安时 (280V)，未设端电池，安装在单元控制楼零米的蓄电池室，钢架组合结构五层布置。室内设轴流式通风机一台，夏季室温可达35℃以上。网控室无蓄电池，由主厂房直流系统供电。电厂无专门的蓄电池维护班组，由继电保护班管理，继保班仅有7人，要管理全厂4台机组和网控室的继电保护、控制、自动装置及直流系统，人手很紧张。对蓄电池维护不可能投入太多人力，蓄电池正常运行在浮充电状态，配套青整厂的 KGCA40型硅整流充电装置，浮充电压一般在 2．23伏，浮充电流较小。自1992年第一套蓄电池投运以来，未进行均充或定期大充大放。维护人员进行巡视检查，定期清扫灰尘。测量电瓶电压等少量维护工作。投运初期有过个别电瓶极柱处渗漏已及时更换，至今全厂蓄电池均正常运行。
    华达电源公司打算配合该厂进行一次容量测试，以了解运行6年后蓄电池的实际容量。
    与SMW火电厂投运VRLA蓄电池时间接近的YJZ火电厂，装机容量6X 200MW，机组自七十年代起相继投产。于1992年将其中一台机组的固定型防酸蓄电池更换为国产的 VRLA蓄电池，容量1000安时，没有端电池，共1 30只。安装在集控楼6．2米的蓄电池室，靠近锅炉房，环境较差，在充电时有记录的夏季室温曾高达40．5℃。蓄电池正常运行在浮充电状态，未更换原有的KGCFA型充电设备，其性能较差，稳压稳流精度不高，对蓄电池的浮充电流有时达2A左右。电厂的运行维护人员，按原有的蓄电池规程对其进行维护，在机组大小修时进行大充大放，采用恒流定时充电方式，有时单瓶电压可达2．9V以上。当使用至五年左右时，某次充放电过程中发现蓄电池容量不足，个别电瓶电压偏低，再次充电放电时，多个电瓶损坏，蓄电池组报废。
 2．4  运行单位的意见和建议
    总结VRLA蓄电池运行情况以及电厂、供电局等运行单位的意见和建议，VRLA蓄电池在工程中应用是有相当大的优势。首先VRLA蓄电池体积小，钢架组合安装，这不单节省了空间，减少主厂房的总的建筑面积，而且安装简捷方便。另外，对运行单位来讲，其“少维护”的特性很受欢迎。在新建的火电厂工程中，大多已采用新厂新定员标准，为达到较高的经济效益，所以一般不会设置专门的直流设备运行维护人员。在已运行的火电厂采用VRLA蓄电池的，一般也未设置专门的维护人员。对于已建成的老厂，也可达到减人增效的目的。另外，蓄电池在运行中无酸雾逸出，这也符合建设现代化无污染火电厂的要求。因此，虽然在VRLA蓄电池使用初期出现了一些问题，用户仍持十分积极的态度。在SMW电厂，继保班维护人员和生产管理部门的技术人员，对采用VRLA蓄电池十分欢迎，认为确实减轻了他们的维护工作量。一些更换VRLA蓄电池的老厂，虽然仍有专门维护的班组，但他们认为工作量大大减少，不到原来的1／3。另外在SZ市供电局，变电部电源班十一人，管理50多个变电所，原采用GAM型铅酸蓄电池，有相当大的工作量，配置了数部汽车跑维护。近来逐步更换为VRLA蓄电池，尤其配套采用智能型高频开关电源作为蓄电池的充电设备，对电池浮充性能良好，而且可实现远方对蓄电池的监控，维护工作大大减轻。目前已有十几个站已更换，准备逐步全部更换为 VRLA蓄电池及智能型充电设备，以达到远方监控的目的。
 3  使用阀控式密封铅酸蓄电池应注意的问题
    VRLA蓄电池虽然有许多优点，但有一点是不容忽视的，那就是其价格高于固定型防酸式铅酸蓄电池，约为后者的1．5～2．5倍，计及节省占地和不袋专用设备的费用，其综合造价仍高于后者。人们花了较高的代价，希望充分发挥出VRLA蓄电池少维护而使用寿命又较长的特点。怎样才能更好的应用VRLA蓄电池呢？我们认为以下几方面是很关键的。
 3．1  对蓄电池性能和质量的要求
    首先电池本身产品的性能和质量必须是良好的，纵现VRLA蓄电池的发展，七十年代国外密封电池技术起步，八十年代才开始批量及大容量VRLA蓄电池的生产，主要代表产品有德国阳光的凝胶阴极吸收式电池，美国GNB等公司的混合板栅的阴极吸收式电池，还有日本汤浅公司的阴极吸收博形极板电池。早期各公司的蓄电池，由于设计和生产工艺方面的原因，也存在容量不均匀、渗漏、电池发热失水、早期失效等问题，使得蓄电池可靠性降低，实际寿命低于预期年限等。据八十年代末九十年代初国外资料统计，VRLA蓄电池故障率高达3. 2％～5％。进入九十年代，国外VRLA蓄电池生产技术日趋成熟，解决了诸如极板材料腐蚀、安全阀泄漏、极柱焊接和泄漏，降低自放电率等方面的关键问题，使产品质量得到了明显提高，逐步占领了蓄电池市场。如美国c&D公司的 VRLA蓄电池，具有特殊的壳、盖和极性密封技术，采用独特的母子板栅技术和单片极板槽式化成，氧复合率高达99．9％，使得安全阀压力低至o．067kg／cm2，另外还设计了瓦楞状外壳便于散热，钢架组合牢固便捷，所以，c&D公司的2000系列浮充使用预期寿命可达20年。
    国内VRLA蓄电池的生产也有同样经历。华达电源公司在八十年代引进GNB技术生产 GM型蓄电池，也曾出现电瓶渗漏等问题，在此基础上，1995年华达电源公司推出了改进后的 GFM型电池，主要改进了极板材料、厚度和装配工艺；将手工极柱焊接改为计算机控制的氩弧焊；极柱处加环氧树脂双重密封．安全阀采用双层硫酸防爆结构等，共有十余项改进措施，使得GFM型蓄电池性能和质量大为改善。
    虽然VRLA蓄电池生产技术日趋完善，但对于不同制造厂，其产品质量也是参差不齐的， 1995年我国VRLA蓄电池生产厂已达50余家，近年来飞速发展目前已达数百家。其中一些 VRLA蓄电池制造厂，采用引进国外技术或生产线，具备一定生产规模，技术力量雄厚设备先进，产品质量稳定，售后服务良好，如华达电源公司的GFM型蓄电池，引进美国GNB生产技术及生产线设备。山东曲阜圣阳电池公司，于八十年代开始生产VRLA蓄电池，九十年代引进美国等国家先进的生产技术和设备，杭州南都电源公司GFM型蓄电池，采用酉班牙Tudor集团和德国Hagen公司专利技术，引进美国等国家的生产设备，产品已在邮电、通信等领域广泛应用。以上这些制造厂都已通过ISO9000质量体系认证。
    还有一些蓄电池厂，技术力量薄弱，规模小，设备落后，半手工制作，没有形成系列生产，缺乏必要的质量监督，没有进行相关试验或试验不全面，放电曲线等重要的特性曲线不准确等等。这些厂的产品质量不能保证，但以其低价位也占据了部分市场，同时也出现了一些问题，但因投运时间短，产品质量差的短期行为所造成的危害还不十分明显。
    由于VRLA八蓄电池市场上存在着产品良莠不齐的情况，所以在使用中的选型选厂就十分重要，有些用户盲目相信一些制造厂的宣传而不深入了解调查，仅以价格低作为选择的唯一条件，这将造成十分有害的后果。应根据产品的性能、业绩、质量保证体系和售后服务措施，在同等技术条件下，综合考虑性能价格比来筛选不同的制造厂的不同的型号。
 3．2  正确的设计、安装和选择
    除了要求VRLA蓄电池产品质量好，耐受力强之外，正确地设计、安装、维护VRLA蓄电池也是十分重要的。  首先，VRLA蓄电池的设计选择计算是有其特殊要求的，以往的规程和设计手册都是针对固定型防酸铅酸蓄电池的，对VRLA不完全适用的，VRLA蓄电池浮充电压略高于普通铅酸电池，特性曲线不同，个数选择也有区别，不同型号的蓄电池应以不同的参数进行选择计算。部电力工程新型直流屏设计研制组于1993年和1996年针对华达GFM电池编写了《GWM(GM)型阀控式密封铅酸蓄电池电力工程设计安装应用手册》，对设计选用 VRLA蓄电池起到了积极的指导作用。另外，河南省电力设计院编制的《直流系统设计软件》，也将不同生产厂家不同型号的VRLA蓄电池的放电曲线输入软件数据库，可根据不同的型号来进行蓄电池的选择计算。这样才能保证VRLA蓄电池的设计选型正确合理有效。最近中国电力工业出版社出版的《电力工程直流系统设计手册》中，对VRLA电池也有较详细的论述。
    其次，VRLA蓄电池对温度非常敏感。电池温度每升高10℃，电池寿命减半，制造厂给出的使用寿命都是在25℃条件下的数值。当温度升高，电池自放电加大，失水加快，会导致电池因失水而早期失效。另外电池的浮充电压与温度密切相关，一般每升高1℃浮充电压应降低o．03-o．04V左右。所以应将VRLA蓄电池的环境温度控制在5℃～30℃为好，并根据不同温度调节电池的浮充电压，以保证其使用寿命。
 3．3  对充电装置的特殊要求
    另外，直流系统配置的充电设备的性能也影响VRLA蓄电池的使用寿命。在《火力发电厂、变电所直流系统设计技术规定》中，要求充电装置稳流精度不大于士5％；稳压精度不大于土2％；纹波系数不大于2%。这对普通铅酸蓄电池是足够的，而VRLA蓄电池则有更高的要求。VRLA电池浮充电压一般为2．23～2.25伏，稳定的浮充电压有助于蓄电池特性稳定，而且在温度变化时，浮充电压要随之进行极小的调整，如精度不高，则无法调节，另外，充电装置输出直流电源的纹波分量，将会对VRLA蓄电池造成不可逆的损害。所以，应配置稳压稳流精度高，尤其是纹波系数小的充电装置，最好能选择具有电池检测、自动调节、监视报警功能的充电设备，以实现无人维护也可对蓄电池的监控。因此，智能微机型充电装置和高频开关电源都是较适合的配套设备。
 3．4  重视蓄电池的运行维护
    VRLA蓄电池正确的运行维护也至关重要。由于VRLA蓄电池在电厂使用时间不长，经验少，运行维护人员普遍感到对VRLA蓄电池性能特点了解不够，而且无章可循。要么误解“免维护”即完全不维护。实际上这仅指运行中不需加酸加水，而并非不维护。要么是沿袭多年来普通铅酸蓄电池的运行维护方式，造成了对 VRLA蓄电池的损伤。一些造成VRLA电池损坏的，都和运行维护不当有关。如前述YJz电厂报废的蓄电池组，主要是由于充放电不当造成的。在选用VRLA蓄电池的同时，应加强对有关人员的培训，提高维护运行人员的素质，依据VRLA蓄电池特定的运行规程进行工作。这样就可以真正实现VRLA八蓄电池“少维护”并达到人们所期望的使用年限。

4  结论
    总结以上对VRLA蓄电池的应用调查且分析，我们认为：
 4．1  在火电厂应用阀控式密封铅酸蓄电池，虽然目前存在着基建投资略高，运行经验少，电池质量不够稳定等问题，但随着国内外VRLA蓄电池日益广泛的应用和技术的成熟，以上问题会逐步得到解决。而VRLA蓄电池节省空间、运行维护简单，使用寿命长等特点有着其它类型电池不可比拟的优势，尤其是在目前电力行业减员增效的形势下，更有着十分积极的意义。所以，VRLA电池也受到电力系统用户及生产管理部门的欢迎和认同。关于基建投资略高的问题，如使用寿命达到预期值，计及运行维护所节省的人力的费用，其踪合价格是有可比性的。因此，在火力发电厂直流系统中是可以选用 VRLA蓄电池的。
 4．2  在VRLA蓄电池的应用中，首先要有正确的设计选型，邮电通信系统经过多年的实践应用，有较多的设计人员和其他专业人员研究和探讨VRLA蓄电池作为通信电源的问题和特点，制定了有关标准，编写了一些专著，有了较成功的经验。电力系统于1997年制订了《阀控式密封铅酸蓄电池订货技术条件》(DL/ T637—1997)，于1998年6月实施，主要是对 VRLA电池产品的具体要求。还应针对VRLA蓄电池在设计选型、安装方式，运行维护及对充电设备等方面的特点，制定适用于VRLA蓄电池的设计规定、规范设计工作，这一工作正在进行中。
4. 3  各方面都要重视VRLA蓄电池的应用。在使用中，除了要求设计人员正确选择计算外，
   各级管理和建设单位要综合考虑蓄电池的性能价格比，选用质量好性能优的产品，为今后的运行打下良好基础。使用VRLA蓄电池的运行部门，也要加强对运行维护人员的培训，使有关人员加深对VRLA蓄电池的了解，提高整个直流系统的运行水平。