鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)火災(zāi)危險(xiǎn)性及防范措施

朱 江，張宏亮

(山西省消防總隊(duì)，山西 太原 030001)

2017年3月7日，山西某電廠鋰電池儲(chǔ)能電站1組鋰電池集裝箱發(fā)生火災(zāi)。該起火災(zāi)過火面積約28 m2，火災(zāi)燒毀1號(hào)儲(chǔ)能集裝箱。同年12月21日該鋰電池儲(chǔ)能電站再次發(fā)生火災(zāi)，燒毀2號(hào)儲(chǔ)能集裝箱。兩起火災(zāi)事故發(fā)生后，引起社會(huì)各界廣泛關(guān)注。因此，探討鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的火災(zāi)危險(xiǎn)性及防范措施具有現(xiàn)實(shí)意義。

一、儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)簡介及應(yīng)用前景

電力系統(tǒng)的頻率反映了發(fā)電有功功率與負(fù)荷之間的平衡關(guān)系，為滿足發(fā)電廠設(shè)備、用戶設(shè)備和電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的需要，電力系統(tǒng)設(shè)置了頻率的控制要求，例如我國要求電力系統(tǒng)頻率控制在50±0.2 Hz范圍內(nèi)的時(shí)間應(yīng)達(dá)到98%以上。在頻率發(fā)生變化時(shí)，電力系統(tǒng)會(huì)調(diào)整發(fā)電機(jī)組功率的基準(zhǔn)值，改變發(fā)電機(jī)組的輸出功率，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組的功率和負(fù)荷實(shí)時(shí)保持平衡。這一過程即為本文所述的電力系統(tǒng)調(diào)頻。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的調(diào)頻由火電、水電等常規(guī)發(fā)電機(jī)組提供，但隨著儲(chǔ)能技術(shù)的出現(xiàn)，近年來越來越多的電化學(xué)儲(chǔ)能電池(主要為鋰電池)系統(tǒng)開始為電力系統(tǒng)提供服務(wù)。鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，能很好地避免傳統(tǒng)機(jī)組的調(diào)節(jié)延遲、調(diào)節(jié)反向、調(diào)節(jié)偏差大等缺點(diǎn)，能快速精確地響應(yīng)電網(wǎng)的調(diào)頻指令，因此近年來在國內(nèi)外的應(yīng)用呈上升趨勢。據(jù)中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截至2017年底，全球范圍內(nèi)儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)累計(jì)裝機(jī)規(guī)模達(dá)到1 005.7 MW，其中鋰電池的裝機(jī)規(guī)模超過90%。我國范圍內(nèi)，這一規(guī)模為35 MW，全部為鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。2018年，我國新增(包括新投運(yùn)、在建、簽訂合同的系統(tǒng))儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)總計(jì)超200 MW，呈快速發(fā)展態(tài)勢。

我國的新一輪電力體制市場化改革正在全面推進(jìn)，在此過程中，調(diào)頻輔助服務(wù)市場作為首要的改革領(lǐng)域已經(jīng)在山西、廣東、山東等地開始試點(diǎn)運(yùn)行，并且華東、西北等區(qū)域電網(wǎng)也正在陸續(xù)修改相關(guān)市場規(guī)則，醞釀市場化改革。這一改革過程中，調(diào)頻資源性能好壞將是決定其市場競爭力的關(guān)鍵點(diǎn)，性能優(yōu)越的調(diào)頻資源將在市場競爭中獲得更多的機(jī)會(huì)，這將進(jìn)一步刺激全國范圍內(nèi)投用儲(chǔ)能系統(tǒng)為電網(wǎng)提供調(diào)頻輔助服務(wù)，會(huì)有越來越多的鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)入我國電力調(diào)頻輔助服務(wù)市場。

二、鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的火災(zāi)危險(xiǎn)性

鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的火災(zāi)危險(xiǎn)性主要包括鋰電池的火災(zāi)危險(xiǎn)性和電氣設(shè)備的火災(zāi)危險(xiǎn)性等方面。

(一)鋰電池的火災(zāi)危險(xiǎn)性

研究發(fā)現(xiàn)，涉及鋰電池的火災(zāi)主要是電解液分解、燃燒的結(jié)果，是一種碳?xì)浠衔餁怏w燃燒火災(zāi)。美國消防協(xié)會(huì)(NFPA)針對(duì)鋰電池燃燒火災(zāi)的研究中指出：鋰電池的火災(zāi)危險(xiǎn)主要來自其構(gòu)造，與電池的物質(zhì)組成直接相關(guān)，在濫用情況下，比如電池過熱、過度充放電、電池設(shè)計(jì)缺陷及原材料瑕疵造成的短路等導(dǎo)致內(nèi)部的電池材料之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，電解液分解產(chǎn)生大量的熱和氣體，引起電池的熱失控。研究認(rèn)為快速釋放能量的熱失控是引起電解液燃燒的主要原因，一旦發(fā)生熱失控，電池溫度迅速升高，其結(jié)果直接導(dǎo)致電池材料燃燒。當(dāng)鋰電池電解液分解、燃燒產(chǎn)生的可燃性氣體濃度達(dá)到一定程度后，遇明火會(huì)發(fā)生爆炸。在大型鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中，電池組具有高密度、集中式分布的特點(diǎn)，鋰電池模塊通過串聯(lián)形成單個(gè)電池組，多個(gè)電池組通過并聯(lián)形成一個(gè)大容量儲(chǔ)能單元。這樣不僅增加了鋰電池出現(xiàn)故障的概率，而且一旦發(fā)生火災(zāi)，也會(huì)因?yàn)殡姵刂g無法切斷電路，而增加火災(zāi)蔓延渠道。

(二)電氣設(shè)備的火災(zāi)危險(xiǎn)性

鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中存在大量的附屬電氣設(shè)備，這些設(shè)備的不安全使用也增加了儲(chǔ)能系統(tǒng)整體的火災(zāi)危險(xiǎn)性，如意外的高電壓、大電流(雷電、浪涌)侵入。造成鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)高電壓、大電流侵入，一方面是因?yàn)殇囯姵貎?chǔ)能系統(tǒng)中的電子設(shè)備高度集成化，從而降低了其對(duì)高電壓、大電流的抵御能力；另一方面是因?yàn)橄到y(tǒng)中使用的通信線路數(shù)量較多，也造成高電壓、大電流侵入的渠道增加。同時(shí)，保護(hù)元件失效也是引發(fā)火災(zāi)的重要原因之一[1]。比如，通過對(duì)一起鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)火災(zāi)監(jiān)控錄像的觀察發(fā)現(xiàn)，在起火后的3 s內(nèi)多處Rack BMS(電池管理單元)先后發(fā)生爆燃，隨后蔓延至電池端面發(fā)生拉弧爆燃?？梢源_定電池內(nèi)過流保護(hù)、直流熔斷器與電池內(nèi)過流熔斷器未能有效隔離短路故障，是造成火災(zāi)蔓延擴(kuò)大的主要原因。通過對(duì)未燃燒的Rack BMS柜勘查發(fā)現(xiàn)，長期發(fā)熱超溫造成柜體內(nèi)部分電氣元件氧化腐蝕、部分絕緣材料老化，不能滿足其原設(shè)計(jì)的電阻、絕緣要求，致使鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)整體在電氣安全方面存在較大隱患。

(三)火災(zāi)對(duì)電廠設(shè)施的危害

通常情況下，鋰電池燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量氣體，主要有氫氣、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、苯和甲苯等有機(jī)氣體以及氯化氫、氟化氫等有毒氣體。鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)一般安裝在電廠主要設(shè)備附近，其一旦發(fā)生火災(zāi)，集裝箱內(nèi)部的鋰電池在高溫情況下釋放的氫氣、一氧化碳等可燃?xì)怏w，得不到有效控制極易造成火勢迅速蔓延甚至發(fā)生爆炸，危及空冷平臺(tái)或者主電設(shè)備，進(jìn)而造成巨大財(cái)產(chǎn)損失。

三、鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的火災(zāi)防范措施

安全性是鋰電池制造廠商重點(diǎn)考慮的內(nèi)容。下面從火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、自動(dòng)滅火裝置、電氣設(shè)計(jì)、現(xiàn)場設(shè)計(jì)及消防安全管理等方面探討鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的火災(zāi)防范措施。

(一)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)及滅火設(shè)施的設(shè)置

一般情況下，鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的火災(zāi)發(fā)生過程可分為初起階段、發(fā)展階段、猛烈燃燒階段、熄滅階段。前兩個(gè)階段的時(shí)間相對(duì)較長，火情還沒有蔓延擴(kuò)散，火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)在此刻及時(shí)探測到火情，實(shí)現(xiàn)早期報(bào)警，可對(duì)火災(zāi)進(jìn)行防控。根據(jù)《火力發(fā)電廠與變電站設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB 50229—2006)、《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50116—2013)等行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，集裝箱式鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中每個(gè)集裝箱為一個(gè)報(bào)警區(qū)域，配備區(qū)域火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。每個(gè)報(bào)警區(qū)域根據(jù)集裝箱內(nèi)空間布置設(shè)置對(duì)應(yīng)的探測區(qū)域，探測區(qū)域內(nèi)設(shè)置一定數(shù)量的點(diǎn)型火災(zāi)探測器。在此基礎(chǔ)上，增加吸入式感煙探測器，能夠?qū)崿F(xiàn)早期報(bào)警并將該區(qū)域的報(bào)警信號(hào)統(tǒng)一發(fā)送至電廠的消防控制中心。根據(jù)不同鋰電池的特性，有針對(duì)性地增設(shè)可燃?xì)怏w探測器，能夠提前捕捉到因鋰電池故障而擴(kuò)散出來的可燃?xì)怏w。在增加報(bào)警信號(hào)采集的同時(shí)還應(yīng)考慮所采集信號(hào)的處理方式，例如增加聲光報(bào)警器的數(shù)量，并將其布置在經(jīng)常有人員巡邏、值守的場所，并將該區(qū)域的報(bào)警信號(hào)統(tǒng)一發(fā)送至電廠的消防控制中心。

根據(jù)《氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50370—2005)，自動(dòng)滅火系統(tǒng)要求采用無導(dǎo)電性的七氟丙烷為滅火劑，并依據(jù)惰化設(shè)計(jì)濃度來設(shè)置七氟丙烷滅火劑配備量，同時(shí)利用電廠的氮?dú)馍a(chǎn)系統(tǒng)布置一套氮?dú)鉁缁鹣到y(tǒng)。自動(dòng)滅火系統(tǒng)應(yīng)具備自動(dòng)運(yùn)行、自動(dòng)監(jiān)測、自動(dòng)滅火功能。七氟丙烷滅火劑噴灑持續(xù)時(shí)間為10 s，噴灑完畢后使電池集裝箱保持10 min密封狀態(tài)，使滅火劑充分?jǐn)U散和滅火。當(dāng)鋰電池集裝箱內(nèi)氣體滅火裝置無法撲滅箱內(nèi)火災(zāi)時(shí)，大量、持續(xù)噴水是針對(duì)鋰電池火災(zāi)最有效的撲滅方法。通常情況下，鋰電池集裝箱設(shè)備現(xiàn)場水滅火系統(tǒng)可利用發(fā)電廠或變電站原有消防給水設(shè)施，給水壓力應(yīng)保證消防用水總量達(dá)到最大時(shí)，水槍充實(shí)水柱不應(yīng)小于13 m，并保證外集裝箱端部安全位置噴水滅火時(shí)水柱可達(dá)箱內(nèi)各處。

(二)電氣設(shè)計(jì)

針對(duì)鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的高電壓、大電流侵入問題，可以從電氣線路防雷防浪涌、通信線路防雷防浪涌、合理的布線與屏蔽、綜合接地與等電位連接四個(gè)方面綜合考慮，合理利用電廠現(xiàn)有的防雷及接地設(shè)施，同時(shí)增加防浪涌設(shè)備器件，以提高其抵御高電壓、大電流侵入的能力。針對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部可能出現(xiàn)超溫失控的元件、部位、場所應(yīng)增加超溫控制系統(tǒng)，及時(shí)觀察、監(jiān)測該部位的溫度變化情況，發(fā)現(xiàn)溫度超出預(yù)定范圍、溫度變化速率異?；驕囟乳L期處于某處不合理的區(qū)域等情況，及時(shí)發(fā)出警報(bào)，采取控制該部位的設(shè)備退出工作狀態(tài)，系統(tǒng)整體停機(jī)等措施，以保證系統(tǒng)安全可靠[2]。

(三)防火間距布置

鋰電池集裝箱采用戶外安裝方式，作為電廠或變電站輔助生產(chǎn)設(shè)備可滿足快速布置需求。目前全球還缺乏針對(duì)鋰電池集裝箱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)范，因此設(shè)計(jì)排布方式多種多樣。考慮到合格鋰電池產(chǎn)品的火災(zāi)危險(xiǎn)等級(jí)不高、集裝箱耐火等級(jí)高等因素，建議鋰電池集裝箱與相關(guān)儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)備間布置距離可按照生產(chǎn)工藝的需求來確定，不做防火間距要求。但鋰電池集裝箱、雙向功率變換裝置(PCS)集裝箱、配電集裝箱(E-House)均應(yīng)滿足相關(guān)戶外防護(hù)等級(jí)、耐火等級(jí)要求。單臺(tái)設(shè)備發(fā)生火災(zāi)時(shí)，應(yīng)注意對(duì)其他設(shè)備采取噴水等降溫措施，避免由于熱輻射造成火災(zāi)擴(kuò)散。鋰電池集裝箱與電廠或變電站內(nèi)原有建筑、設(shè)備間防火間距建議參照油浸變壓器等戶外電氣設(shè)備布置要求，與生產(chǎn)建筑間距應(yīng)不小于10 m。在有生產(chǎn)工藝或場地限制等要求時(shí)，鋰電池集裝箱可與電廠或變電站內(nèi)原有建筑、設(shè)備采用相對(duì)緊密的布置方式，但應(yīng)對(duì)原生產(chǎn)建筑朝向鋰電池集裝箱側(cè)的門、窗進(jìn)行封堵，或設(shè)置甲級(jí)防火門(窗)，墻面與防火門(窗)耐火極限不應(yīng)小于1 h[3]。

(四)加強(qiáng)消防安全管理

應(yīng)依法建立消防安全責(zé)任制，通過建立防火檢查巡查制度、應(yīng)急處置制度，明確各級(jí)、各崗位的消防安全職責(zé)，負(fù)責(zé)組織實(shí)施日常消防安全管理工作。加強(qiáng)對(duì)移動(dòng)儲(chǔ)能電站內(nèi)用火、用電和易燃可燃物的管理，采取防火措施，有效控制火災(zāi)危險(xiǎn)源。移動(dòng)儲(chǔ)能電站設(shè)備安裝區(qū)域出入口不應(yīng)少于2個(gè)，其周圍應(yīng)設(shè)置消防車道，消防車道可利用交通道路實(shí)現(xiàn)。要定期開展消防實(shí)戰(zhàn)演練，不斷增強(qiáng)員工消防安全素質(zhì)。將電廠志愿消防隊(duì)納入自動(dòng)報(bào)警體系，進(jìn)一步提高消防隊(duì)伍快速反應(yīng)和聯(lián)合作戰(zhàn)能力。