儲能電站消防安全系統(tǒng)的早期預(yù)警

盧夢華

摘要：近年來，在社會經(jīng)濟(jì)飛速增長的同時，工業(yè)體量不斷增加，電力需求與電力供給的矛盾日益突出，儲能電站的出現(xiàn)，很大程度上緩解了電力緊張的狀態(tài)。儲能電站的基本原理：在供電負(fù)荷低時能存儲電網(wǎng)多余的電能，在供電負(fù)荷高峰時，通過釋放存儲的電能，增加電能供應(yīng)，滿足供電高峰的需要。同時，電力儲能設(shè)備具有靈活、啟動快等優(yōu)點(diǎn)，因此成為當(dāng)前電能儲存的最佳介質(zhì)。但是，隨著儲能電站大量投入使用，由于自身設(shè)計(jì)缺陷、技術(shù)不成熟、日常管理不規(guī)范，導(dǎo)致不斷出現(xiàn)消防安全事故，造成了重大人員傷亡和巨額財(cái)產(chǎn)損失，因此，對儲能電站事故早期預(yù)警機(jī)制開展探索研究，并提出具體可行的措施，可以最大限度將事故隱患消滅在萌芽狀態(tài)，有效遏制事故災(zāi)害的進(jìn)一步擴(kuò)大。消防預(yù)警技術(shù)在儲能電站中的應(yīng)用，能夠?qū)崟r監(jiān)測系統(tǒng)中各設(shè)備的運(yùn)行狀況，一旦發(fā)現(xiàn)故障問題，便能第一時間告知相關(guān)工作人員，極大地保證了儲能系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。鑒于此，文章將重點(diǎn)圍繞鋰離子電池儲能電站系統(tǒng)安全早期預(yù)警展開探究。

關(guān)鍵詞：儲能電站;系統(tǒng)安全;早期預(yù)警

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷更新和發(fā)展，計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)的出現(xiàn)，使電力行業(yè)朝著自動化、智能化的方向不斷邁進(jìn)。其中，儲能電站的應(yīng)用在電力行業(yè)的發(fā)展中起著十分重要的作用。但由于儲能電站在實(shí)際應(yīng)用的過程中，安全防護(hù)工作存在缺失，可能會導(dǎo)致設(shè)備及系統(tǒng)的運(yùn)行出現(xiàn)問題，嚴(yán)重影響了電力供應(yīng)的安全與穩(wěn)定。為了避免這種情況的發(fā)生，有必要加大消防預(yù)警技術(shù)的引進(jìn)力度，以此來進(jìn)一步提升儲能電站系統(tǒng)的防護(hù)程度。

一、儲能電站現(xiàn)狀和前景

儲能電站是新型電力系統(tǒng)建設(shè)中重要的一環(huán)，但其大規(guī)模的應(yīng)用及推廣卻受到了安全問題的制約。就以鋰離子電池儲能電站來說，其由于安全防護(hù)措施不到位，導(dǎo)致火災(zāi)事故頻發(fā)，不僅為電力企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還嚴(yán)重威脅著人們的生命安全。鋰離子電池儲能系統(tǒng)火災(zāi)事故的發(fā)生，主要原因有：（1）電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)失效;（2）電池設(shè)計(jì)缺陷;（3）管理過程中的不規(guī)范行為;（4）儲能系統(tǒng)運(yùn)維管理缺失。儲能電站起火或爆炸的關(guān)鍵因素在于儲能電池聚熱失控。鑒于鋰離子電池儲能電站在應(yīng)用和推廣中所面臨的消防安全問題，需要建立電池儲能研發(fā)及應(yīng)用全流程機(jī)制，加快推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化工作，大力開展運(yùn)維體系和消防體系建設(shè)，以便從多環(huán)節(jié)、多方面技術(shù)對鋰離子儲能系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。

隨著可再生能源的持續(xù)增加，電網(wǎng)能夠調(diào)用的調(diào)節(jié)電源需求將持續(xù)增強(qiáng)，而火電機(jī)組持續(xù)關(guān)停，電網(wǎng)需要的調(diào)節(jié)電源容量也在不斷減少。因此，輔助服務(wù)市場放開后，勢必會在發(fā)電廠、可再生能源電站、電網(wǎng)側(cè)或用戶側(cè)引入儲能[1]。在電力市場改革不斷深化的今天，儲能可參與的市場也會越來越廣泛，可獲得的收益方向也會越來越多。可預(yù)知的是，儲能在未來電力輔助服務(wù)市場中將會有廣泛的應(yīng)用和發(fā)展前景。

二、事故案例

自從鋰離子電池儲能這一技術(shù)被提出后，其安全問題便受到了社會各界人士的廣泛關(guān)注。據(jù)相關(guān)調(diào)查顯示，截至2021年6月，因鋰離子電池儲能引起的火災(zāi)事故在全球范圍內(nèi)總共有34起。近幾年國內(nèi)及國外出現(xiàn)的儲能電站起火爆炸事件，可詳見表1。

韓國曾經(jīng)對發(fā)生火災(zāi)事故的23座儲能電站進(jìn)行了調(diào)研。其中，發(fā)生在放電過程中的有6起，發(fā)生在充電后的有14起，發(fā)生在施工和安裝過程中的有3起。據(jù)調(diào)查顯示，引起多起火災(zāi)發(fā)生的原因主要有以下幾方面：

第一，電擊保護(hù)系統(tǒng)不良。在測試外部電力沖擊等過程中，電池保護(hù)裝置內(nèi)大部分的元件存在受損情況，電池保護(hù)裝置內(nèi)的直流接觸器出現(xiàn)爆炸，碳化痕跡出現(xiàn)在內(nèi)部交流過濾器之上。測試表明，電池表面一旦被電沖擊，很可能會導(dǎo)致火災(zāi)的發(fā)生。

第二，電池系統(tǒng)缺陷。通過拆解電池，發(fā)現(xiàn)部分電池質(zhì)量并未達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，主要表現(xiàn)在部分電池存在活性物質(zhì)涂層不良、切斷和翻折不良等缺陷。

第三，環(huán)境影響。在沿海地區(qū)及山區(qū)安裝的儲能系統(tǒng)，受冷凝水、灰塵等自然環(huán)境的影響，會導(dǎo)致電池的絕緣性能不斷降低。這樣的話，短路現(xiàn)象難免會在電池內(nèi)部發(fā)生，從而導(dǎo)致火災(zāi)的發(fā)生。

第四，儲能系統(tǒng)管理不善。從企業(yè)面談?wù){(diào)查、事故調(diào)查、試驗(yàn)論證等多個方面予以綜合分析，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)不能將電池和PCS（儲能變流器）等部件完美結(jié)合，進(jìn)而也無法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)層面的保護(hù)和管理。

上文已經(jīng)說過：引起儲能站爆炸或起火的關(guān)鍵因素在于儲能電池聚熱失控，但就熱失控本身而言，促使其形成的原因卻不僅是電池本體制造這一個原因，還有可能是因?yàn)殡姵亻L時間運(yùn)行致使散熱不足，從而造成電池過放或過充，或者是電源管理系統(tǒng)均衡功能較差而引起的電池過放或過充。

三、儲能電站系統(tǒng)安全早期預(yù)警

（一）人防

建立健全標(biāo)準(zhǔn)化操作規(guī)程。無論是哪種行業(yè)，哪類工作，都需要一套完備的制度，對相關(guān)的部門以及工作人員進(jìn)行有效的制約，使其能夠在現(xiàn)有章程的約束下，高效地完成管理者所安排的任務(wù)。當(dāng)然，針對電池儲能電站的安全預(yù)警工作也不例外。要想盡可能地確保儲能系統(tǒng)運(yùn)行中的安全和穩(wěn)定，就必須根據(jù)技術(shù)要求，制定出合理的規(guī)章，使工作人員明確自身職責(zé)，嚴(yán)格落實(shí)好工作制度，從而降低因人為過失導(dǎo)致安全隱患或意外事故發(fā)生的概率。另外，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，各種先進(jìn)技術(shù)及高新設(shè)備被不斷的應(yīng)用于儲能電站系統(tǒng)之中，這在很大程度上提升了儲能電站的信息化、智能化水平。但鑒于很多工作人員專業(yè)能力不足，對于引進(jìn)的新技術(shù)和新設(shè)備不能做到充分的了解和掌握。因此，作為有關(guān)部門，需要針對有關(guān)技術(shù)人員定期開展理論知識以及專業(yè)技能方面的培訓(xùn)，特別是安全防護(hù)方面的教育，幫助其增強(qiáng)安全防范意識的同時，提升工作人員的專業(yè)素養(yǎng)，使其能有足夠的能力勝任當(dāng)前的崗位，并能夠充分的掌握各種高新設(shè)備，熟練地運(yùn)用各種先進(jìn)技術(shù)。如此一來，當(dāng)儲能系統(tǒng)運(yùn)行中出現(xiàn)任何異常情況，工作人員便能及時察覺，并采取相應(yīng)的舉措予以妥善處理，從而有效地避免火災(zāi)及爆炸事故的發(fā)生。

（二）物防

1.高穩(wěn)定熱失控隔離材料

當(dāng)鋰離子電池有熱失控情況發(fā)生時，往往會釋放出大量煙霧、熱量以及可燃電解質(zhì)氣體，使電池的封裝材料受到嚴(yán)重破壞。針對此種問題，可在電池間放置高熱阻材料，以提高電池的被動安全性。同時，還可在電池表面涂上一層膨脹材料，以此來有效控制熱失控傳播[2]。為了避免在相鄰電池間發(fā)生連鎖熱失控反應(yīng)，應(yīng)在電池間插入熱障材料。這種熱障材料主要由氮化硅、二氧化硅等導(dǎo)熱系數(shù)較小的物質(zhì)組成，具有良好的隔離保護(hù)作用，能夠?qū)﹄姵亻g的熱傳遞進(jìn)行合理抑制。當(dāng)然，電池?zé)崾Э氐倪B鎖反應(yīng)也會隨之中斷。

2.高效能的滅火藥劑

在對鋰離子電池采用的不同滅火介質(zhì)中，水是最便宜且應(yīng)用最為廣泛的滅火劑。但是，考慮到電池與水會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生大量的HF，這對人體是有害的。同時，還會造成電池外部短路，使鋰離子電池的熱失控進(jìn)一步加劇。因此，在鋰離子電池儲能系統(tǒng)發(fā)生了火災(zāi)后，水作為滅火藥劑必須謹(jǐn)慎使用，除非火災(zāi)通過其他措施不能有效控制住。目前，處置國內(nèi)外儲能電站火災(zāi)，主要使用以下幾種滅火系統(tǒng)：

七氟丙烷滅火系統(tǒng)：采取全淹沒式的滅火方式，其主要滅火藥劑為七氟丙烷。在鋰離子電池儲能系統(tǒng)火災(zāi)中，七氟丙烷具有一定的實(shí)際效果，但不具備滅火和降溫的雙重功能。

氣溶膠滅火系統(tǒng)：目前我國主要使用的是熱氣溶膠，該系統(tǒng)屬于全淹沒系統(tǒng)，在控制火源的情況下逐步全淹沒式滅火，使人員有足夠的時間進(jìn)行疏散逃生，適用于相對封閉、空間較小的場所。同時，氣溶膠是以固態(tài)形式存放的，且自身又不具有揮發(fā)性，所以不會存在泄露等問題，具有較長的保存年限，對保護(hù)區(qū)的設(shè)施也能便于實(shí)時監(jiān)控。但目前不能用于管網(wǎng)輸送系統(tǒng)，而且滅火結(jié)束后清潔度不高，殘留物對精密儀器、電子設(shè)備會存在一定影響。

超細(xì)干粉滅火系統(tǒng)：超細(xì)干粉滅火系統(tǒng)由干粉滅火系統(tǒng)轉(zhuǎn)變而來，粉粒徑小、流動性好，能在空氣中懸浮一定的時間，適用于相對封閉的空間全淹沒自動滅火和開放場所局部保護(hù)自動滅火。同時，超細(xì)干粉自動滅火裝置安裝簡便，工程量小，無需穿墻打孔和安裝大量的管道及附屬設(shè)施。

氣液復(fù)合方式：該系統(tǒng)是代表未來的一種主流技術(shù)方向，同時具備降溫和滅火的功能，但目前該技術(shù)尚未成熟，還處于完善階段，尚未廣泛應(yīng)用。主要原理是使用全氟己酮滅火系統(tǒng)與細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的聯(lián)合作用快速熄滅電池明火，并在滅火后細(xì)水霧能夠迅速對電池進(jìn)行降溫，從而抑制電池復(fù)燃和熱失控傳播。

（三）技防

1.建立鋰離子電池儲能系統(tǒng)研發(fā)及應(yīng)用全流程機(jī)制

以電池材料作為切入點(diǎn)，針對性地開發(fā)出穩(wěn)定安全的高阻燃電解液、正負(fù)極材料，以便使儲能系統(tǒng)的安全性得以進(jìn)一步提升。同時，在儲能電站建設(shè)上，應(yīng)從設(shè)備選型、設(shè)備抽檢、質(zhì)量驗(yàn)收、檢修試驗(yàn)等全過程質(zhì)量安全防控體系予以不斷完善，從而有效提升儲能電站的安全管理水平。

2.推進(jìn)儲能標(biāo)準(zhǔn)化體系建設(shè)工作

目前，鋰電池儲能系統(tǒng)在安全技術(shù)方面還沒有制定相關(guān)的技術(shù)準(zhǔn)則。因此，在后期需要制定儲能電站安全技術(shù)導(dǎo)則、儲能電站安全設(shè)計(jì)規(guī)范以及儲能電站應(yīng)急預(yù)案等。

3.應(yīng)用高精度預(yù)警裝置

在鋰離子電池發(fā)生發(fā)熱失控的過程中，通常會有異常情況產(chǎn)生。比如產(chǎn)生氣體、電流和電壓異常、溫度增高等。因此，可通過對多種先進(jìn)技術(shù)及高新設(shè)備的充分應(yīng)用，來對這些特征信號進(jìn)行捕捉以及相應(yīng)的測量，以便有效監(jiān)控初期的熱失控，從而盡可能避免儲能電站中火災(zāi)或爆炸事故的發(fā)生。在儲能電站中，常用的監(jiān)控和檢測手段有電池管理系統(tǒng)、電壓和溫度傳感器、超聲波檢測方法、電化學(xué)阻抗譜（EIS）法、氣體探測器等。

四、結(jié)語

總的來說，安全防護(hù)措施的制定與落實(shí)，對于儲能電站故障發(fā)生率的降低、設(shè)備運(yùn)行的安全和穩(wěn)定、企業(yè)生產(chǎn)水平以及經(jīng)濟(jì)效益的提升來說，具有重大意義。因此，作為現(xiàn)代化企業(yè)，應(yīng)予以高度重視，并針對當(dāng)前存在問題，結(jié)合相關(guān)技術(shù)要求，制定出切實(shí)可行的安全防護(hù)措施，全力落實(shí)下去，以此來為儲能電站系統(tǒng)的安全運(yùn)行奠定良好的基礎(chǔ)。

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