化學儲能電站消防安全風險分析

梁運華，潘志敏，肖 勇，代文良

(國網(wǎng)湖南省電力有限公司檢修公司，湖南 長沙 410004)

0 引言

隨著電化學儲能電站規(guī)?；ㄔO投運，儲能電站火災事故時有發(fā)生，儲能電站消防問題日益突出。2017 年8 月到2019 年10 月，韓國共發(fā)生27 起儲能電站火災，其中13 %的事故是在充放電期間發(fā)生的，61 %的事故是在充電后休止期間發(fā)生的；僅2018 年11 月就發(fā)生了4 起火災。2019 年10 月，挪威渡船公司客船蓄電池室發(fā)生氣體爆炸。2019年美國亞利桑那州發(fā)生一起儲能系統(tǒng)起火和爆炸事件。此外，2017 年3 月，山西某火電廠儲能系統(tǒng)輔助機組AGC 調(diào)頻項目發(fā)生火災，火災燒毀了鋰離子電池儲能單元以及其他相關設施。2018 年8月江蘇一用戶側(cè)儲能項目磷酸鐵鋰集裝箱起火后燒毀。2021-04-16，北京豐臺區(qū)南四環(huán)永外大紅門西馬廠甲14 號院內(nèi)儲能電站發(fā)生火災和爆炸。相比其他類型電池，鋰離子電池雖不易燃燒，但一旦燃燒，火焰強度更高、起火規(guī)模更大，還會引起連環(huán)爆炸事故，因此電化學儲能電站大規(guī)模應用急需解決儲能電池的消防問題。

1 鋰電池安全性分析

當前儲能電站通常采用磷酸鐵鋰電池，其火災主要是由于鋰電池內(nèi)部產(chǎn)熱遠高于散熱速率，在鋰離子電池的內(nèi)部積攢了大量的熱量，從而引起了連鎖反應，導致電池起火和爆炸。磷酸鐵鋰電池熱失控根本原因主要分為3 類：一是機械濫用，由于擠壓或針刺導致機械變形甚至隔膜部分破裂引發(fā)內(nèi)短路；二是電濫用，如過充過放等導致電池內(nèi)部產(chǎn)生鋰枝晶，鋰枝晶穿破隔膜引發(fā)正負極短路；三是熱濫用，溫度過高導致隔膜和正極材料等發(fā)生分解，隔膜大規(guī)模崩潰導致正負極短路。3 類引發(fā)熱失控誘因的共同環(huán)節(jié)為內(nèi)短路，造成電池內(nèi)部溫度積累過快，觸發(fā)熱失控，引發(fā)火災。

2 儲能電站消防系統(tǒng)存在不足

2.1 消防設備設施不滿足現(xiàn)場需求

(1) 傳統(tǒng)傳感器熱失控監(jiān)測能力不足。普通感煙和感溫火災探測器無法滲透到電池模塊內(nèi)部，無法及時探測到電池組熱失控風險，不適用于鋰離子電池熱失控早期預警。當常規(guī)探測器監(jiān)測到火警信號時，電池組已處于熱失控狀態(tài)，火災已經(jīng)蔓延，滅火效率降低。

(2) 未配置可燃氣體探測器。電池泄壓閥打開所釋放的電解液分解產(chǎn)生的可燃氣體，在密閉空間形成聚集，容易形成閃爆。現(xiàn)場如果缺乏可燃氣體探測裝置，無法有效檢測出可燃氣體和做出及時預警，極有可能導致發(fā)生可燃氣體爆炸事故。

(3) 固定滅火系統(tǒng)持續(xù)滅火能力不強。前期投運預制艙式儲能站，通常僅配置了七氟丙烷氣體自動滅火系統(tǒng)，由于七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)僅能短時抑制火災，但無法對電池組進行有效降溫，容易造成電池火災二次復燃。

(4) 儲能站消防水源不足。由于新建儲能站選址受已投運變電站場地、消防水源等現(xiàn)有條件限制，而部分投運站暫時無消防水源或消防用水不足。

(5) 消防水泵房不符合相關規(guī)范。有些儲能站尚未安裝防火門，不滿足GB 50016—2014《建筑設計防火規(guī)范》“6.2.7 設備用房，通風空氣調(diào)節(jié)機房和變配電室開向建筑內(nèi)的門應采用甲級防火門，消防控制室和其他設備房開向建筑內(nèi)的門應采用乙級防火門”的要求。

(6) 預制艙之間(含電池艙與其他設備艙)消防安全間距不足3 m，且中間無防火墻。不滿足《預制艙式磷酸鐵鋰電池儲能電站消防技術規(guī)范》“6.3.2 電池預制艙之間的防火間距不應小于3 m，尤其消防控制艙與電池艙間的距離也是如此；當采用防火墻時，防火間距不限。防火墻長度、高度應超出預制艙外廓各1 m”的要求。

(7) 室外消防栓配置不足。部分預制艙式儲能站室外未配置消防栓，不滿足《建筑設計防火規(guī)范》“8.1.2 室外消火栓 民用建筑、廠房、倉庫、儲罐(區(qū))和堆場周圍應設置室外消火栓系統(tǒng)”的要求。

(8) 應急疏散標識缺失。樓梯、設備房間內(nèi)消防應急疏散標志、應急照明和安全出口均尚未設置，影響事故狀態(tài)下相關人員應急疏散。

2.2 消防設備設施運維管理不規(guī)范

(1) 消防水泵處于“手動”方式。不滿足GB 50974—2014《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術規(guī)范》“1 1.0.1 消防水泵控制柜應設置在消防水泵房或?qū)Ｓ孟浪每刂剖覂?nèi)，并應符合下列要求：消防水泵控制柜在平時應使消防水泵處于自動啟泵狀態(tài)”的要求。

(2) 消防器材配置不全。現(xiàn)場僅配置過濾式呼吸器，未配置正壓式空氣呼吸器。不滿足《電力設備典型消防規(guī)程》“14.4.1 設置固定式氣體滅火系統(tǒng)的發(fā)電廠和變電站等場所應配置正壓式消防空氣呼吸器，數(shù)量宜按每座氣體滅火系統(tǒng)的建筑物各設置2 套”的要求。

(3) 消防車通道不暢，救援場地太窄。儲能電站內(nèi)消防通道堆放雜物或其他設備，消防車通道不暢。同時，救援場地與設備艙安全距離太近，容易帶來次生災害。

(4) 消防運維管理不到位。外委值班人員未參與消防安全培訓，并未持證上崗；消防系統(tǒng)未按要求開展年度全面檢測。不滿足《消防法》“第十六條 機關、團體、企業(yè)、事業(yè)等單位應當履行下列消防安全職責：(三)對建筑消防設施每年至少進行一次全面檢測，確保完好有效，檢測記錄應當完整準確，存檔備查”，“第二十一條，……自動消防系統(tǒng)的操作人員，必須持證上崗，并遵守消防安全操作規(guī)程”的要求。

(5) 電力電纜與控制電纜混合施放，且未設置層間耐火隔板。不滿足《電力設備典型消防規(guī)程》“10.5.12 施工中動力電纜與控制電纜不應混放，分布不均及堆積亂放。在動力電纜與控制電纜之間，應設置層間耐火隔板”的要求。

2.3 主要消防風險

(1) 火災引發(fā)鋼架結(jié)構(gòu)樓面垮塌。鋼架建筑結(jié)構(gòu)的安全等級為二級，蓄電池采取分層存放方式。屋面梁、樓面梁及鋼混底板設計耐火極限滿足1 h，一旦蓄電池熱失控演變成火災，蓄電池燃燒產(chǎn)生大量熱量容易讓樓面梁受熱變形，加上電池自身重量，可能發(fā)生樓面垮塌事故。

(2) 預制艙“火燒聯(lián)營”。部分預制艙僅安裝了氣體滅火系統(tǒng)(七氟丙烷)，無法持續(xù)降溫滅火，電池組火災極易復燃。預制艙之間(含電池艙與其他設備艙)消防安全間距不足3 m，且中間無防火墻，容易引發(fā)相鄰設備艙火災。

(3) 可燃氣體引發(fā)爆炸。目前，電池室(艙)內(nèi)未安裝可燃氣體探測器，歷次儲能電站事故和科研結(jié)論表明，電池泄壓閥打開釋放電解液分解產(chǎn)生的可燃氣體，在密閉空間形成聚集，加上電池房間電器(如照明燈)不具備防爆功能，會增加可燃氣體爆炸的風險。

(4) 持續(xù)滅火能力不強。戶外消防栓數(shù)量不夠或安裝位置不科學，一旦需要消防車在戶外進行火災撲救，消防車消防補水非常困難，嚴重影響消防車持續(xù)滅火能力。

3 儲能電站消防技術分析及比較

3.1 火災探測系統(tǒng)

3.1.1 傳統(tǒng)火災探測系統(tǒng)

傳統(tǒng)的溫感、煙感、可燃氣體探測器難以在極早期發(fā)現(xiàn)火情隱患，都是在火情發(fā)生到一定階段后，燃燒產(chǎn)生了大量濃煙的情況下才能探測到，此時已經(jīng)錯過了最佳處理時機，給設備造成了不可挽回的損失。

3.1.2 極早期火災探測器

極早期火災探測器可極早探測物體燃燒產(chǎn)生的熱釋離子，在燃燒初期未產(chǎn)生可見煙的時候就可以探測到火災，為處理火情隱患爭取了4 ～11 h 的極早期預警，可為即將熱失控的電池組提供更多緊急處置(停運、降溫等)機會，避免異常演變成火災。

3.2 消防技術分析比較

3.2.1 近期期刊論文研究

(1) 劉昱君、段強領等研究發(fā)現(xiàn)：對于38 A·h 單體動力電池火災，ABC 干粉、七氟丙烷(HFC)、水、全氟己酮和CO2滅火劑均能快速熄滅電池明火，但CO2滅火劑滅火后電池出現(xiàn)了復燃；電池滅火過程中，不同的滅火劑在抑制電池溫度上升表現(xiàn)出明顯差異，其中，抑制溫升效果優(yōu)劣依次為水、全氟己酮、HFC、ABC 干粉和CO2[1]。

(2) 黃強、陶風波等研究發(fā)現(xiàn)：六氟丙烷無法在短時間內(nèi)撲滅明火；Novec1230 和七氟丙烷2 種氣體滅火劑能快速撲滅明火，但降溫效果不徹底，容易發(fā)生復燃，均不適合作為磷酸鐵鋰電池模組滅火劑；中壓細水霧能迅速撲滅明火，持續(xù)噴射可防止復燃，是較為理想的滅火材料[2]。

(3) 郭莉、吳靜云等研究發(fā)現(xiàn)：10 MPa 以下的細水霧壓強與滅火時間呈反比關系，隨著壓強增大，滅火速率和降溫速率均提高。針對大容量磷酸鐵鋰電池模組的消防設計，選擇6 MPa 及以上細水霧作為滅火劑比較經(jīng)濟高效[3]。

3.2.2 國網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)應用案例

首先，近幾年是行業(yè)政策出臺密集期。2015年，原農(nóng)業(yè)部提出到2020年我國農(nóng)業(yè)要實現(xiàn)“一控、兩減、三基本”的目標，實施《到2020年化肥使用量零增長行動方案》。2016年，農(nóng)業(yè)供給側(cè)改革，化肥“去產(chǎn)能、調(diào)結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)方式”成為未來發(fā)展方向。2017年，原農(nóng)業(yè)部關于印發(fā)《開展果菜茶有機肥替代化肥行動方案》的通知。同時，專家認為，我國人多地少決定了高投入高產(chǎn)出的集約化生產(chǎn)模式，為確保糧食持續(xù)高產(chǎn)、肥料養(yǎng)分高效、生態(tài)環(huán)境安全多重目標的實現(xiàn)，必須研發(fā)化肥減施增效關鍵技術。

國網(wǎng)江蘇省電力有限公司《關于印發(fā)預制艙式磷酸鐵鋰電池儲能電站消防技術措施(試行)的通知》(蘇電安〔2019〕33 號)，明確采用了細水霧自動滅火系統(tǒng)，另外艙外配置了消防栓水系統(tǒng)。

3.2.3 技術規(guī)范

中華人民共和國電力企業(yè)聯(lián)合會標準T/CEC 373—2020《預制艙式磷酸鐵鋰電池儲能電站消防技術規(guī)范》規(guī)定：儲能電站中建(構(gòu))筑物的耐火等級不應低于二級；電池預制艙內(nèi)應設置模塊級分布式細水霧滅火系統(tǒng)；儲能電站室外消火栓系統(tǒng)，消火栓設置數(shù)量應滿足滅火救援要求，且不少于2 個，設計流量不應小于20 L/s。

3.3 消防技術比較結(jié)論

3.3.1 火災探測器選用

綜上所述，儲能電站火災探測器宜在傳統(tǒng)煙感、溫感火災探測器和可燃氣體探測器基礎上增加極早期火災探測器，便于提前感知監(jiān)測電池組熱失控狀況，為后續(xù)熱失控應急處置及火災撲救提供強力技術支撐。

3.3.2 固定自動滅火系統(tǒng)選用

4 儲能電站消防提升建議

4.1 健全鋰電池組熱失控探測及控制方式

借鑒換流站閥廳火災監(jiān)測及預控模式，可增配最新的極早期火災探測(如熱釋離子火災探測器)，用于超前探測電池組熱失控前的狀態(tài)異常，并將極早期火災探測器火災告警聯(lián)動BNM 切除電源，啟動細水霧自動滅火系統(tǒng)，實施噴水霧降溫。

4.2 蓄電池室(艙)增配可燃氣體探測器

在蓄電池室或預制艙增配H2，CO 等可燃氣體探測，其中蓄電池室采集點數(shù)不少于4 個；預制艙采集點不少2 個?？扇細怏w探測器宜選用紅外光學型，采用防爆隔爆技術，具有硬接點、RS485 等至少兩路通信接口。每個可燃氣體探測器一路信號傳輸給BMS，其進行判斷，發(fā)出告警、跳閘，啟動風機和預制艙外警示燈，并上送至監(jiān)控系統(tǒng)；另一路信號傳輸給火災報警控制器，用于啟動滅火系統(tǒng)。

4.3 增強預制艙式儲能電站持續(xù)滅火能力

目前儲能電站預制艙主要依靠一罐七氟丙烷自動滅火系統(tǒng)，由于其容量和滅火特性影響，可以抑制電池火災，但不能完全撲滅火災，容易出現(xiàn)復燃，因此需要增強持續(xù)滅火能力，可在預制艙式儲能電站加裝細水霧自動滅火系統(tǒng)，并在預制艙內(nèi)增加細水霧噴頭。細水霧滅火系統(tǒng)的啟動應符合“先斷電、后滅火”的要求。滅火系統(tǒng)控制組件在接收到預警信號或火災信號后，根據(jù)既定滅火策略，自動啟動滅火系統(tǒng)。

4.4 健全儲能電站消防設施

增裝室外消防栓，便于在發(fā)生儲能電站火災時救援消防滅火車能及時補水；在預制艙式儲能電站的預制艙之間(含電池艙與其他設備艙)增加防火墻，增強設備艙之間防火安全距離，避免“火燒連營”的情況發(fā)生。每個站增配置2 套正壓式消防空氣呼吸器，用于火災應急處置。

4.5 排查消防安全管理合規(guī)性

排查儲能電站工程實施部門是否完成儲能站消防審核、驗收與備案工作。消防設施工程設計和施工企業(yè)，是否具有國家建設部門頒發(fā)的相應的消防設施工程設計和施工資質(zhì)。儲能電站消防值班人員應持有初級以上等級的消防設施操作員資格證書，能熟練操作消防設施。委托具有專業(yè)消防檢測資質(zhì)的單位，對儲能電站的消防設施每年至少進行一次全面檢查測試，并出具消防設施檢測報告。

4.6 明確相關方消防系統(tǒng)運維責任

明確儲能電站消防設施的維護管理歸口部門、管理人員及其工作職責，嚴格按照相關規(guī)定開展消防設施日常維護管理工作，確保消防設施完好有效。明確儲能電站外包運維廠家的消防運維責任，要求值班運維人員參與消防安全培訓，并應持有初級以上等級的消防設施操作員資格證書。消防設施投入使用后，應設定為“自動運行”方式，各閥門、組件處于正常工作狀態(tài)，不應擅自關停消防設施。積極開展滅火、應急預案與演練工作，應制定滅火系統(tǒng)操作規(guī)程和應急預案，并組織應急預案演練。

4.7 建立健全配套檢修運維制度

為更好地規(guī)范和指導電網(wǎng)側(cè)儲能電站的運行、檢修、驗收等工作，有必要組織編制儲能電站通用運行規(guī)程、檢修規(guī)程、設備驗收和消防安全管理等方面的運維檢修制度，健全儲能電站安全生產(chǎn)管理制度。

5 結(jié)束語

當前, 磷酸鐵鋰電池熱控性能不夠健全和化學儲能站消防安全存在不足，但化學儲能電站是實現(xiàn)“碳中和”重要技術手段，值得進行相關研究。通過健全鋰電池組熱失控探測(如配置極早期熱釋離子探測器)、可燃氣體探測及其控制方式，選用可持續(xù)滅火降溫主流滅火技術(如細水霧自動滅火系統(tǒng))及加強配套消防安全管理，可有效改善化學儲能電站消防安全預防及撲救效果，提升化學儲能電站的安全水平。