儲能電站消防安全現(xiàn)狀與火災(zāi)防控措施探析

余曉玲

摘要：近年來，隨著儲能市場的逐步升溫，一系列諸如光伏儲能電站、電化學(xué)儲能電站等迅速發(fā)展起來。然而盡管儲能電站擁有著較大的市場發(fā)展?jié)摿Γ捎诨瘜W(xué)電池一旦起火，極易引發(fā)爆炸，造成嚴(yán)重的人員傷亡或損失，如何確保消防安全已然成為時下建設(shè)新儲能電站時亟需思考的問題。對此，本文主要從儲能電站的火災(zāi)危險性及儲能電站事故產(chǎn)生的原因等方面著手，就當(dāng)前儲能電站消防安全現(xiàn)狀加以分析，并有針對性的提出火災(zāi)防控策略。

關(guān)鍵詞：儲能電站;消防安全;火災(zāi);防控

一、儲能電站基本概述

1、儲能電站的構(gòu)成

儲能電站所采用的電池主要由兩種材料構(gòu)成，一種是三元電池，另一種是磷酸鐵鋰電池。由多種單體電池以并聯(lián)或串聯(lián)等方式構(gòu)成一個電池模組，產(chǎn)生電池包，許多個電池包便構(gòu)成了儲能系統(tǒng)。由此可見，儲能系統(tǒng)的構(gòu)成涵蓋多個單體電池，但這也在無形中加劇了鋰電池安全隱患的發(fā)生。如果某一個單體電池因受到自身或者外界等諸多因素的影響而失控，引發(fā)火災(zāi)，勢必會對周邊鋰電池的安全構(gòu)成威脅，導(dǎo)致熱失控向多個范圍蔓延。本文所研究的儲能電站使用的電池以磷酸鐵鋰電池為主，這種電池安全性較好，即便鋰電池產(chǎn)生了熱失控現(xiàn)象，一些諸如甲烷、一氧化碳、碳酸二甲酯等易燃易爆氣體也會通過電解液被釋放出來。但需要注意的是，這些氣體一旦與空氣混合便會產(chǎn)生爆炸性的混合物，遇到火源會引發(fā)劇烈的爆炸。

2、儲能電站的火災(zāi)危險性

電化學(xué)儲能電站主要是借助可充放電的電池來進(jìn)行電能儲存的。近年來，伴隨著電池技術(shù)的進(jìn)步，以鋰離子電池為主的電化學(xué)儲能系統(tǒng)得以迅猛發(fā)展并普及。不同于鉛酸或鈉硫等電池儲能系統(tǒng)，鋰離子電池儲能系統(tǒng)除了具備較高的能量密度及轉(zhuǎn)換效率以外，其使用壽命也比較長。然而由于鋰離子電池所采用的有機(jī)電解液沸點比較低，易燃性較強(qiáng)，并且材料體系的熱值偏高，一旦電池本體或者電氣設(shè)備等出現(xiàn)故障，極易促使電池材料的放熱副反應(yīng)被觸發(fā)，造成電池?zé)崾Э噩F(xiàn)象，更有甚者還會因儲能系統(tǒng)的燃燒爆炸引發(fā)更大的安全隱患。鋰離子電池在具體使用環(huán)節(jié)，一般是以鋰離子在正負(fù)兩極之間的嵌入與脫出來完成電能儲存的，倘若鋰離子電池的使用出現(xiàn)差錯，那么當(dāng)處于高溫或碰撞等環(huán)境下時，就有可能觸發(fā)電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而引起熱失控。如果熱失控在電池模組內(nèi)不斷進(jìn)行傳播，還容易導(dǎo)致儲能系統(tǒng)發(fā)生燃燒爆炸等危險事故。

二、儲能電站消防安全現(xiàn)狀及成因

1、儲能電站消防安全管理的現(xiàn)狀

電化學(xué)儲能中電池組的安全問題一直備受關(guān)注，并逐漸成為儲能電站中的主要安全問題之一。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，截止到2020年年底，在全球范圍內(nèi)，電化學(xué)儲能裝機(jī)規(guī)模累計達(dá)到14.2GW，其中，僅我國新增的裝機(jī)規(guī)模就達(dá)到1.56GW，總規(guī)模約為3.27GW，在全國總增長規(guī)模中所占比重高達(dá)86%。預(yù)計到2025年，我國的電化學(xué)儲能裝機(jī)規(guī)模將達(dá)到24GW。然而伴隨電化學(xué)儲能電站的快速發(fā)展，一系列消防安全問題隨之而來。由于在電化學(xué)儲能裝機(jī)規(guī)模中，鋰離子電池裝機(jī)所占比重達(dá)到82%以上，電池組（堆）已然成為儲能電站消防安全中最大的隱患。雖然早在2014年，我國便制定了國家標(biāo)準(zhǔn)GB 51048—2014《電化學(xué)儲能電站設(shè)計規(guī)范》（以下簡稱為《規(guī)范》），但《規(guī)范》中僅僅提到了對站內(nèi)建筑物的火災(zāi)加以防范，并沒有專門針對鋰電池等儲能單元進(jìn)行自動消防設(shè)施的設(shè)置。相較于電動汽車行業(yè)近100項國家標(biāo)準(zhǔn)，我國針對儲能行業(yè)所推出的國家標(biāo)準(zhǔn)不足20項，有關(guān)消防安全方面的國家標(biāo)準(zhǔn)至今仍舊處于空白。

相關(guān)資料顯示，我國于2014年正式開始進(jìn)行新能源汽車的發(fā)展，但由于新能源汽車不斷出現(xiàn)安全事故，對此，我國針對新能源電動汽車的消防安全與管理問題相繼制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)。到了2017年，我國制定出具有強(qiáng)制性的國家標(biāo)準(zhǔn)GB 7258—2017《機(jī)動車運行安全技術(shù)條件》（以下簡稱為《條件》），明確規(guī)定，在汽車報警后的五分鐘之內(nèi)，不應(yīng)起火爆炸。2019年，我國又針對城市公共汽電車車輛專用安全設(shè)施出臺了JT/T1240—2019《城市公共汽電車車輛專用安全設(shè)施技術(shù)要求》，2020年又提出GB 38031—2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》，再一次對五分鐘的預(yù)警問題做出了明確規(guī)定，要求當(dāng)出現(xiàn)熱事故時，應(yīng)第一時間為駕乘人員提供報警信號。就當(dāng)前來看，真正與鋰電池火災(zāi)防控相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)只有《電動客車鋰離子動力電池箱火災(zāi)防控裝置通用技術(shù)要求》，這條標(biāo)準(zhǔn)也是應(yīng)急管理部消防產(chǎn)品合格評定中心針對產(chǎn)品所提出的標(biāo)準(zhǔn)，即便一些產(chǎn)品獲取到技術(shù)鑒定證書（非三元體系鋰電池），但也僅僅只能在體量比較小的車用鋰電池箱中適用，很難滿足容量較大的電化學(xué)儲能裝置火災(zāi)防控的相關(guān)要求。直到2019年8月，我國才相繼出臺了一系列諸如《動力電池梯次利用儲能電站火災(zāi)風(fēng)險評估指南》、《動力電池梯次利用儲能系統(tǒng)消防安全技術(shù)條件》等與儲能系統(tǒng)有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，首次提出應(yīng)在儲能系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行火災(zāi)探測器的設(shè)置，并將其與儲能系統(tǒng)內(nèi)的斷電裝置聯(lián)動使用等要求。旨在確保當(dāng)鋰離子電池出現(xiàn)熱失控等故障時，儲能系統(tǒng)可以自行進(jìn)行斷電，并對外發(fā)出報警信號。

2、儲能電站安全事故的成因

對于鋰離子儲能系統(tǒng)而言，其之所以產(chǎn)生安全隱患，很大一方面原因在于以下幾點：

一是受到電池本體的影響。通常來講，電池在制造過程中倘若出現(xiàn)瑕疵，或者電池因長期使用老化失效等，都可能會導(dǎo)致儲能系統(tǒng)的安全性遭到退化。

二是運行環(huán)境。當(dāng)電池受到非常規(guī)運行環(huán)境與管理因素等方面的影響時，電池內(nèi)部老化的過程會逐步趨于復(fù)雜，從而引發(fā)安全事故。

三是管理系統(tǒng)。當(dāng)前，我國的儲能產(chǎn)業(yè)尚處于大規(guī)模應(yīng)用的初級階段，電池的性能指標(biāo)還不清晰，規(guī)劃設(shè)計相對單一，也沒有完善的消防技術(shù)作為支撐，以致于電化學(xué)儲能電站在性能和安全等方面還存在著諸多問題，構(gòu)建完善的儲能技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與管理系統(tǒng)尤為必要。

三、儲能電站火災(zāi)防控措施

儲能電站的安全問題并不僅僅局限于鋰電池，儲能系統(tǒng)的任何一個環(huán)節(jié)如果發(fā)生故障，都可能引發(fā)安全事故，其中，安全風(fēng)險與安全處置是儲能電站安全問題的核心所在，安全風(fēng)險主要涵蓋儲能系統(tǒng)和部件的電氣安全、化學(xué)安全以及火災(zāi)爆炸安全等方面的風(fēng)險;安全處置包括對消防安全的設(shè)計、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計以及應(yīng)急處置的設(shè)計等等。本文重點對以鋰離子電池為主的電化學(xué)儲能系統(tǒng)的火災(zāi)防控措施進(jìn)行研究。

1、建立健全火災(zāi)預(yù)警控制系統(tǒng)

鋰電池火災(zāi)從爆發(fā)到迅速蔓延，一般都是因首節(jié)單體電池出現(xiàn)熱失控后，相鄰的電池受到熱傳導(dǎo)或熱輻射等作用后出現(xiàn)熱失控的連鎖反應(yīng)，而造成整個儲能系統(tǒng)故障。電池出現(xiàn)事故通常經(jīng)歷了泄露、起火到最終爆炸這三個過程，電池溫度出現(xiàn)異常升高現(xiàn)象、電壓掉落等等，都有可能觸發(fā)熱失控。對此，儲能電站的火災(zāi)自動報警系統(tǒng)可以結(jié)合單個集裝箱進(jìn)行獨立的報警區(qū)域的設(shè)置，利用鋰電池火災(zāi)專用的探測報警器，對早期的電池泄露等現(xiàn)象進(jìn)行檢測，并實時接收到火災(zāi)報警和聯(lián)動控制信號，從而第一時間采取相應(yīng)的火災(zāi)防控措施。

2、合理設(shè)置自動滅火系統(tǒng)

為了有效防止儲能電站火災(zāi)事故的發(fā)生，除了應(yīng)根據(jù)GB 51048—2014《電化學(xué)儲能電站設(shè)計規(guī)范》，將站內(nèi)建筑物的火災(zāi)防控問題充分考慮在內(nèi)以外，還應(yīng)在儲能電站的電池集裝箱內(nèi)部進(jìn)行自動滅火系統(tǒng)的配置，并結(jié)合儲能電站鋰電池火災(zāi)的特征，合理進(jìn)行火災(zāi)報警及滅火邏輯的設(shè)置，必要時可以按照探測器所探測出的電池參數(shù)，進(jìn)行完善的火災(zāi)預(yù)警機(jī)制的構(gòu)建。一般來講，儲能電站的消防控制室應(yīng)具備啟動滅火系統(tǒng)的權(quán)利，倘若發(fā)出一級報警動作信號，相關(guān)人員應(yīng)在第一時間內(nèi)將電池一側(cè)與外部電氣之間的連接切斷，觸發(fā)聲光報警按鈕;如果發(fā)出二級火災(zāi)探測器或者感溫探測器的動作信號，則應(yīng)啟動自動滅火系統(tǒng)。

儲能電站鋰電池自動滅火系統(tǒng)在選擇滅火劑方面一直是一大難題。以往在面對鋰電池?zé)崾Э噩F(xiàn)象時，所采用的滅火劑大多都以氣體或者干粉等為主，但這種滅火劑由于降溫效果比較差，很難從根本上抑制鋰電池火災(zāi)的爆發(fā)。之后雖然出現(xiàn)了一系列相對成熟的滅火劑，如水噴淋系統(tǒng)技術(shù)等，但快速滅火后很容易引發(fā)儲能電站內(nèi)電池的短路甚至損壞電池。如部分學(xué)者進(jìn)行了水霧滅火試驗，結(jié)果顯示，當(dāng)鋰離子電池處于完全自由燃燒的狀態(tài)下滅火，能夠快速抑制火焰的噴發(fā)，電池的溫度會不斷升高，此時在電池上施加適量的水霧，可以使熱失控蔓延的時間進(jìn)一步延長，但一旦停止了噴射，又會產(chǎn)生新的火花，導(dǎo)致火焰復(fù)燃，引發(fā)電池的二次熱失控。也有一些學(xué)者利用七氟丙烷進(jìn)行滅火試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，七氟丙烷在釋放時會因壓力過大對火焰產(chǎn)生一定的沖擊，達(dá)到較好的滅火效果，同時還具有隔離氧氣的作用，但之后還是存在復(fù)燃的可能性。還有少數(shù)學(xué)者進(jìn)行了全氟己酮滅火試驗，結(jié)果顯示，在沒有使用全氟己酮之前，會有明顯的射流火出現(xiàn)，使用后電池沒有再出現(xiàn)明火，可卻有大量的煙氣被釋放出來，并沒有起到很好的降溫效果。但通過將全氟己酮與細(xì)水霧相結(jié)合展開試驗，結(jié)果表明，電池的峰值溫度大大降低，能夠起到快速降溫效果?？傊?，儲能系統(tǒng)在發(fā)生火災(zāi)后，倘若無法第一時間滅火，勢必會加劇損失，更有甚者還會威脅到人們的生命健康。因此，在選用滅火裝置時，應(yīng)重點考慮是否能夠快速滅火、是否具備良好的降溫效果等因素。

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