GFMJ系列阀控式密封胶体铅酸蓄电池在火力发电厂中研究与应用

山西临汾热电有限公司 陈西勤 王建勋 陈纪锋

某热电公司自2010年投产至今，全厂共装有六组蓄电池，每台机组装设两组蓄电池，设计初期使用阀控式密封铅酸蓄电池，两组直流母线均为控制负荷和动力负荷混用，蓄电池组与充电器并列运行，正常情况下充电器给直流负荷供电，并给蓄电池浮充电，事故情况下则由蓄电池供电。直流系统的供电方式采用辐射形；网控保护间两组蓄电池，每组蓄电池104个，直流母线电压235V。

每台机组设有两段220V 直流母线；每组直流母线配置一组蓄电池、一组充电器、一组微机监控器、一套微机绝缘监查装置、一台蓄电池巡检仪。两组220V 直流母线中间设有联络刀闸，可以并列运行。每组蓄电池由104只电瓶组成。公司投产运行10多年，蓄电池组运行时间较长，均出现多个蓄电池极板腐蚀，个别蓄电池容量不能满足要求的问题，需要更换蓄电池组。

1 蓄电池组在直流系统中的作用

蓄电池采用充电、放电方式运行，一般其直流负荷很小或冲击负荷很小。采用这种方式运行时，首先需要蓄电池组具有充足电荷，充电设备停止运行时，蓄电池组处于放电运行状态。蓄电池电压随时间的推移而降低，当电压降到规定值（一般在单电池电压1.8V）启动充电设备，向蓄电池充电，以补充蓄电池能量，同时供给经常性的直流负荷，直到蓄电池充足容量，停止充电设备，开始下一循环运行[1]。

发电厂所用蓄电池组一般采用浮充电方式运行的直流系统，采用浮充电方式是将蓄电池与充电器通过直流母线长期并列运行，由蓄电池担负冲击负荷，充电设备担负自放电、稳定负荷和冲击负荷后蓄电池的电能补充，蓄电池长期处于充电状态。实践证明，采用浮充方式可提高蓄电池的使用寿命[2]。同时，直流负荷的供电可靠性会增强。特别是在大的冲击负荷或发电企业设备事故情况下，蓄电池可以提供稳定可靠的保安电源。

采用浮充电方式运行的蓄电池，要定期进行核对性放电试验，其目的是促使蓄电池内有效物质起化学反应，及时发现蓄电池是否有维护不当的问题，从而选择合理的充放电周期。对于新装蓄电池要按制造厂家的规定执行。定期核对性放电次数应根据具体观察的现象来定，一般以一年一次为宜。

2 蓄电池组使用中存在问题

蓄电池组作为直流系统的心脏，在直流系统中起着举足轻重的作用。通过加强对蓄电池的管理，改善其使用状况，延长蓄电池寿命尤为重要。本公司蓄电池在长期运行中存在问题主要有以下几点。

单个电池频繁出现电压低现象，实测发现该电瓶电压与其他电池偏差超过0.2V，多次大充大放之后，该电池电压未有较大改观。更换单个电瓶后，投运一段时间，通过内阻测量发现更换后蓄电池内阻存在一定的差异；个别蓄电池存在渗液爬液、壳体变形、失水等现象。失水是蓄电池失效的最常见故障，主要导致蓄电池严重硫化和容量下降。蓄电池电解液外溢，主要原因有安全阀动作频繁或蓄电池运行时间长，密封件老化，容易出现漏液现象[3]；蓄电池组长期运行，极板腐蚀严重，严重时个别蓄电池极板出现断裂，因此要对蓄电池组进行定期更换。

3 蓄电池选型方法

密封胶体电池主要优点：环保性能高，极板腐蚀小，漏酸概率小，失水少，循环寿命长。采用高分子聚合硅胶体电解液取代硫酸，污染小、易处理，胶体电解质为凝胶状态，内部无游离液体存在，在相同体积下电解质容量大，热容量大，散热能力强。极板使用特殊的钙铅锡合金板栅，更耐腐蚀，同时电解质浓度低，可以有效防止极板被腐蚀，充电接受能力更强。采用超高强度隔板能避免短路的情况发生，且浓度均匀，不存在电解液分层现象，具有很好的物理及化学保护作用，是普通铅酸电池使用寿命的两倍。

密封胶体电池在长时间放电、循环放电、深度放电及大电流放电时有较好的承受表现。胶体蓄电池具有很强的浮充寿命和放电性能。胶体充满在隔板与极板之间，降低了电池内阻，充电接受能力能得到有效改善，自放电小，免维护性好，便于长时间保存。这使得蓄电池有较强的自恢复能力，反弹容量大，恢复时间短，而且在低温启动能力、荷电保持能力、电解液保持能力、循环耐久能力、耐震动性能、耐温变性能等方面有显著提高。

密封胶体电池耐低温和高温性能强。可在-50℃～+50℃的环境正常使用，尤其是北方高温、高寒地区，冬天温度低，夏天温度高，适用于温差变换大的区域。抗震性能好，能在各种恶劣的环境下安全使用[4]。使用快捷方便，由于单体电池的内阻、容量、浮充电压一致性好，因此无须均衡充电，也无须经常维护。

蓄电池作为直流系统主要电源，既要经济环保，又要安全可靠，因此选型很重要。蓄电池型号选择主要依据以下条件：蓄电池的使用寿命、频次；蓄电池的放电电流；蓄电池的放电时间；为避免过放电和超大电流放电时对蓄电池造成伤害，蓄电池放电时，放电电流一般控制在0.1c10A 以下，容量尽量选择大一些的。通过可靠性、经济性比对分析，1号、2号机组分别选择了GFMJ-1200、网控蓄电池和GFMJ-300系列阀控式密封胶体铅酸蓄电池。

4 GFMJ 系列阀控式密封胶体铅酸蓄电池结构与原理

4.1 组成

GFMJ 胶体蓄电池由正极板、负极板、隔板、极柱、安全阀、壳体、专用胶体电解质及附件等组成。

4.2 结构特点

电解质：采用德国气相二氧化硅制作，电解液为胶体状态，充满在正负极之间及整个电池中，保证极板各部反应均匀，其热容量大、散热性好，能避免一般蓄电池容易产生的热失控现象。电解质在成品电池中呈凝胶状态，不流动，在运行中不会出现漏液和分层现象；极板：正极板骨架由组织晶粒细小致密多元合金压铸成型，耐腐蚀性能好，寿命长，正极板板体采用管式极板，能有效防止活性物质的脱落。负极板为涂膏式极板，板栅为放射状结构，活物质的利用率和大电流放电能力强，充电接受能力强。

电池槽：使用ABS 材料，耐腐蚀、高强度，采用盖封盒形式，可以有效防止泄漏；隔板：使用胶体电池专用微孔PVC-SiO2隔板，其孔率大、电阻低。具有较大的电解质储存空间；端子密封：具有较大的电流承载能力与耐腐蚀性的内嵌铜芯铅基极柱，采用双重密封结构，极柱密封性可靠，能有效避免泄漏；开闭阀压力恒定，可靠性强，避免蓄电池外壳膨胀、破裂和出现电解液干涸现象。

4.3 工作原理

4.3.1 GFMJ 胶体蓄电池充放电过程中的化学反应

充电时：硫酸铅通过氧化还原反应分别恢复二氧化铅和海绵状铅，电解液中的硫酸浓度增大。化学反应如下：2PbSO4+2H2O →Pb+PbO2+2H++2HSO4-；放电时：正极板的二氧化铅和负极板的海绵状铅与电解液中的硫酸反应，生成硫酸铅，电解液中的硫酸浓度降低。化学反应如下：Pb+PbO2+2H++2HSO4-→2PbSO4+2H2O。

4.3.2 充电末期电极反应

电池在充电后期电压上升至一定值或过充电情况下，正极板上的水分解后会放出氧气，负极栅采用高纯度的铅钙合金板栅，提高负极析氢过电位，抑制氧气的析出：H2O →2H++½O2+2e-。电池内的硅凝胶为三维多孔结构，存在许多细小裂缝（气体通道），在充电期间正极析出氧气通过上述裂缝到达负极，与海绵状铅发生化合反应：2Pb+O2→2PbO，PbO 是碱性氧化物，与电解液中的硫酸反应生成硫酸铅：PbO+H2SO4→PbSO4+H2O；硫酸铅经充电转化成海绵状铅：PbSO4+2H++2e-→Pb+H2SO4；负极板上的总反应：O2+4H++4e-→2H2O。胶体电池在充电时，正极板上失去的水，由负极板上生成的水来补充。实现了电池在使用过程中免加水，免维护。

5 更换蓄电池方案分析、实施及日常维护及注意事项

5.1 更换蓄电池方案分析、实施

1号直流系统简图如图1所示。

图1 1号机直流系统简图

六组蓄电池组运行时间长，更换是必须选择，先从1号机组入手，每台机组装设两组蓄电池，两段220V 直流母线、每组直流母线带一组蓄电池、一组充电器、一组微机监控器、一套微机绝缘监察装置、一套蓄电池巡检仪；两组220V 直流母线中间设有联络刀闸，可以并列运行。安装方案确立为，将1号机组两段直流母线并列运行，1号蓄电池组与充电器停运、停电后实施更换工作。

1号机组直流系统并列操作，核对联络刀闸上下口极性一致，1号机组两段直流母线电压接近，两段母线没有发生不同极接地情况，合上联络刀闸QF13、QF23将两段直流母线进行并列。两段直流母线电压正常后，因两组充电器不宜长期并列运行，断开1号蓄电池组上母线刀闸，断开1号充电器上母线刀闸。办理1号蓄电池更换工作票，合理安排人员和准备工器具，进行原铅酸蓄电池拆除和新的GFMJ 胶体蓄电池安装更换工作。1号蓄电池组更换正常后，对蓄电池组进行大充大放试验正常后，恢复直流系统正常运行方式。经过上述操作两段直流母线并列后，停用2号充电器和2号蓄电池组，进行2号蓄电池组更换工作。

5.2 日常维护

每月对单个蓄电池电压、温度进行测量，并形成日常维护台账。同一蓄电池组中，各单体蓄电池的电压值偏差不超过0.2V，电压出现偏差时，持续关注该电池运行情况，浮充电运行6个月后，电压偏差值会自动趋于一致，若6个月后偏差仍超过0.2V 以上，联系供应商进行更换调整。电池表面温差不超过5℃，超过及时联系供应商进行检查或更换；检查电池外壳、盖子有无漏液、鼓胀及损伤情况，外观异常时先确认其原因，若影响正常使用则及时进行更换。

定期清理蓄电池外部灰尘污渍，确保外观清洁；检查安装架、连接电缆、正负端子等有无生锈情况，若有锈迹时，及时除锈、更换连接电缆等；检查蓄电池电瓶各接头螺丝及焊接处支持绝缘子良好，电瓶外壳无破裂。各连接部位，有无过热和松动现象，若有及时进行紧固处理；每年利用大、小修对蓄电池组进行核对性容量试验，确保10h 放电率正常；新型胶体蓄电池体积小、极板腐蚀小，运行维护更方便。

5.3 蓄电池常见故障

蓄电池组在使用初期放电时，某单节电池电压和蓄电池组总电压下降过快。原因：电池端子连接螺栓松动；端子或连接电缆表面脏污。处理方法：拧紧螺栓；清除污垢，重新安装。蓄电池组总电压的测量值比计算值低约4V。原因：蓄电池组中有一节单体电池极性接反。处理方法：检查蓄电池极性，将错误电池及时进行更正。

2022年1月、5月、7月分别对1号机、2号机、网控2组蓄电池组由原来的阀控式密封铅酸蓄电池更换为GFMJ 系列阀控式密封胶体铅酸蓄电池组，更换以后跟踪监视直流系统运行稳定，无论在高温夏季、还是寒冷冬季各蓄电池电压、容量、温度等各项指标均正常。针对大容量机组、超高压输电线路不断升级，对自动化要求更高，对直流电源质量、可靠性要求越高，蓄电池作为直流系统的重要设备，对其要求更高，如果运行维护不当，会造成故障与事故，将会对发电厂与电力系统带来不可预估后果。