鋰離子電池儲能電站消防救援的預(yù)防措施

董銀航 (上海化學(xué)工業(yè)區(qū)消防救援隊，上海 201507)

0 引言

進入新時代以來，電力儲能應(yīng)用領(lǐng)域，鋰離子電池技術(shù)發(fā)展迅速，在電力儲能、通信基站、數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但在實際應(yīng)用中，由于電池的自身特性如安全性能、可靠性和壽命等因素，以及儲能電站本身結(jié)構(gòu)特點導(dǎo)致其消防安全問題也較為突出，需要加強合理運用防控技術(shù)，避免消防火災(zāi)等安全事故發(fā)生。

1 鋰離子電池儲能電站火災(zāi)特征

1.1 燃燒速度快

鋰離子電池儲能電站火災(zāi)起火初期多為白煙，由于燃燒速度快且伴隨著較強的熱輻射，火勢蔓延速度也很快。煙霧和輻射溫度隨時間變化：火災(zāi)初期，煙霧量少，主要是由火焰在空氣中傳播蔓延造成，而輻射溫度則隨時間逐漸升高?；馂?zāi)初期的溫度極高，會導(dǎo)致周圍人員的體感溫度升高，同時，煙霧彌漫時對現(xiàn)場人員會產(chǎn)生強烈的熱輻射，使人感到異常悶熱。

1.2 火災(zāi)溫度高

在鋰離子電池儲能站火災(zāi)中，鋰離子電池的燃燒溫度均超過了500 ℃，鋰離子電池在使用過程中，隨著溫度的升高，會發(fā)生一系列熱物理和熱化學(xué)反應(yīng)。在熱反應(yīng)過程中會產(chǎn)生大量的熱量，鋰離子電池本身在高溫下可能已經(jīng)出現(xiàn)膨脹，產(chǎn)生大量的熱應(yīng)力，高溫下鋰離子電池內(nèi)部的電解液也可能發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生新的化學(xué)物質(zhì)，進而產(chǎn)生熱量。

1.3 持續(xù)時間長

在燃燒初期階段，鋰離子電池溫度升高快，且持續(xù)時間長，一般情況下，燃燒初期溫度會隨著熱蔓延的速度而升高，但鋰離子電池的高溫持續(xù)時間通常很短。

例如，某鋰離子電池儲能電站在發(fā)生火災(zāi)后，初始燃燒溫度僅為600 ℃左右，燃燒持續(xù)時間只有10 min左右。但在后續(xù)的燃燒過程中，鋰離子電池熱失控速度較快，而火災(zāi)煙氣持續(xù)增加導(dǎo)致熱量迅速聚集擴散到整個儲能電站，溫度快速升高至800 ℃以上。在起火后10 min左右，熱輻射強度達到峰值。鋰離子電池火災(zāi)事故中，熱輻射強度峰值通常出現(xiàn)在電池的內(nèi)部，并且峰值往往會隨著輻射溫度升高而增強。

1.4 產(chǎn)生有毒氣體

鋰離子電池儲能站火災(zāi)還伴有大量的有毒氣體產(chǎn)生，從一些火災(zāi)案例看，鋰離子電池儲能電站火災(zāi)事故中的有毒氣體主要包括二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫、硫化氫等，其中二氧化碳是鋰離子電池儲能電站火災(zāi)的主要有害氣體，其含量高達15%～40%。在火災(zāi)中，鋰離子電池儲能電站的煙氣具有高溫、高毒氣體濃度大及其腐蝕性強等特點，這使得滅火人員在現(xiàn)場處置時面臨著巨大的風險。為了降低此類危險性，有效滅火需要掌握如下幾個關(guān)鍵環(huán)節(jié)：首先要快速查明可燃氣體的來源與數(shù)量，其次要迅速隔離危險源，最后要及時控制有毒氣體的擴散蔓延過程。

2 鋰離子電池儲能電站火災(zāi)原因及防控措施

2.1 常見鋰電儲能電站故障及原因

部分鋰電儲能電站由于其采用了高功率密度的鉛酸蓄電池作為儲能裝置，具有電壓高、壽命長、維護方便等優(yōu)點，在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。在實際的鋰電儲能電站建設(shè)過程中也存在著各種各樣的安全隱患。如：高壓直流配電箱，容易產(chǎn)生短路或者過負荷等危險故障。高壓直流配電柜是直流電纜供電系統(tǒng)中較為關(guān)鍵和重要的組成部分，一旦發(fā)生火災(zāi)，將會對系統(tǒng)運行造成較大影響。儲能站采用直流母線供電方式，當采用多路供電時，若其中一處出現(xiàn)故障，則會導(dǎo)致整個系統(tǒng)癱瘓?，F(xiàn)場儲能設(shè)備為大功率電氣設(shè)備和電氣儀表等，發(fā)生火災(zāi)將可能造成更大范圍的危害和損失。因此，傳統(tǒng)儲能電站設(shè)計方案和電氣控制程序存在一定欠缺和不足，火災(zāi)將會給電池及消防安全帶來嚴重威脅。在上述幾種鋰電儲能電站常見故障中可以看出主要原因包括：鋰電池自身發(fā)熱、熱失控、過電流、短路以及直流母線故障等。

2.2 鋰電儲能電站火災(zāi)防控技術(shù)

鋰電儲能電站采用的均為免維護型，不需要對電池系統(tǒng)進行定期維護。但目前大部分鋰電儲能電站仍存在大量可燃物，如：鋰電、電池板支架或電纜等，一旦發(fā)生火災(zāi)爆炸事故將會嚴重影響電站的安全運行。針對鋰電儲能電站消防安全，在技術(shù)上提出了三種防護方案：(1)防排煙系統(tǒng)：該技術(shù)可將站內(nèi)所有可燃物排出站外，防止爆炸或火災(zāi)蔓延。(2)消防水炮：該方法可以在不影響滅火效果的情況下，降低消防系統(tǒng)耗水量，降低消防用水壓力。(3)氣體滅火系統(tǒng)：該方案利用壓縮空氣或氮氣與二氧化碳混合氣作為滅火劑進行滅火。

通過對火災(zāi)事故案例的分析發(fā)現(xiàn)，鋰電儲能電站發(fā)生火災(zāi)時由于其內(nèi)部可燃物較多且不容易及時發(fā)現(xiàn)，往往導(dǎo)致火勢蔓延迅速造成人員傷亡。針對鋰電儲能電站火災(zāi)特點及現(xiàn)有的火災(zāi)防控技術(shù)特點，目前鋰電儲能電站的防煙方法主要包括：煙感探測器、防火門以及煙感系統(tǒng)(報警閥)幾種，其中煙感及防火門能有效控制明火燃燒蔓延，但在實際應(yīng)用中受施工工藝、使用材料等因素影響，無法實現(xiàn)全部安裝或不能完全安裝，只能采取部分加裝或者局部安裝的措施。但這些措施不僅造價較高、耗時較長且難以保證消防安全。因此，下一步，相關(guān)科研機構(gòu)或企業(yè)要針對鋰電儲能電站的火災(zāi)防控技術(shù)進一步研究與探討。

2.3 建筑防火設(shè)計

消防通道寬度不宜小于4 m，每個房間不應(yīng)少于兩個逃生出口，各出口距離不應(yīng)小于5 m，每個房間內(nèi)設(shè)有消防設(shè)備箱，室內(nèi)走道每側(cè)應(yīng)至少有一個出入口。建筑各部分火災(zāi)危險性分析表明，蓄電池房的火災(zāi)危險性最大，防火設(shè)計時重點考慮該因素，消防控制中心的設(shè)計應(yīng)符合GB 50016—2014 《建筑設(shè)計規(guī)范》第6.2.1條和第6.2.3條的要求。蓄電池房與公共建筑之間的防火間距宜按實際情況考慮，當無法滿足時，應(yīng)采用耐火極限不低于2.00 h的防火隔墻與建筑其他部分隔開[1]。

2.4 建筑消防設(shè)施配置及運行維護管理措施

規(guī)模型儲能電站應(yīng)設(shè)置專職消防隊，負責人員培訓(xùn)、滅火及應(yīng)急救援工作，制定滅火方案，應(yīng)明確消防人員、車輛及器材的配置要求。設(shè)計和建設(shè)單位應(yīng)按有關(guān)規(guī)范及規(guī)程規(guī)定設(shè)置消防水池，設(shè)計單位對建筑平面布局應(yīng)考慮消防系統(tǒng)設(shè)置的合理性，按相應(yīng)規(guī)范要求進行設(shè)計。當鋰電池儲能電站具有火災(zāi)危險性時，應(yīng)設(shè)置可靠的消防安全疏散通道和避難場所，當建筑物耐火等級較低時，可采用防火墻分隔。儲能電站可根據(jù)實際情況增設(shè)火災(zāi)自動報警系統(tǒng)(探測器)或增設(shè)具有火災(zāi)報警功能和獨立火災(zāi)探測報警功能的電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)(感煙探測器)等。消防給水方式采用消防水源混合供水，消防水池蓄水量應(yīng)滿足40 L/S。電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)符合GB 50082—2010 《建筑電氣設(shè)計規(guī)范》有關(guān)要求，當采用自動噴水滅火系統(tǒng)時，建筑外圍的消防用水設(shè)施與建筑內(nèi)部的自動噴水滅火系統(tǒng)共用一個噴淋管網(wǎng)系統(tǒng)，當采用其他類型滅火設(shè)施時，應(yīng)滿足《消防法》相關(guān)規(guī)定。室外消火栓供水不少于2個，室外消火栓箱應(yīng)設(shè)在室外醒目位置，并有明顯的標識。當設(shè)置室外消火栓時，至少應(yīng)有一具備用水泵和一個備用水泵房。在有特殊要求的場所內(nèi)，可配置一定數(shù)量具備相應(yīng)技能和知識的人員負責維護管理該場所內(nèi)電氣防火安全。根據(jù)《電力設(shè)施保護條例》規(guī)定，建設(shè)單位需定期對儲能電站進行巡視檢查，記錄電池類型和數(shù)量、電池管理系統(tǒng)運行狀況等，保證鋰離子電站能夠最大限度避免火災(zāi)發(fā)生，推動行業(yè)可持續(xù)發(fā)展和進步[2]。

2.5 應(yīng)急處置與救援措施

(1)火災(zāi)初期：發(fā)現(xiàn)火災(zāi)時，要及時報警并迅速組織人員撤離至安全區(qū)域。(2)初期狀態(tài)：通過現(xiàn)場檢查、視頻監(jiān)控、溫濕度監(jiān)測等手段確定火災(zāi)發(fā)展階段，采取相應(yīng)的處置措施。(3)撲滅初期：利用消防水帶、水槍控制火情蔓延。(4)撲滅后期：對已無火勢的設(shè)備或儲配站進行清理和保護，防止火勢進一步蔓延，防止起火后火勢失控。

鋰電儲能電站在發(fā)生火災(zāi)時，為了快速有效地對電池進行處置以及保證人員生命安全，需要迅速將電池轉(zhuǎn)移至安全區(qū)域，從而有利于對火災(zāi)進行控制[3]。

2.6 鋰空氣電池的安全防護技術(shù)

目前，在傳統(tǒng)鋰離子電池儲能電站中，主要采用了以下幾種技術(shù)手段：第一，熱釋電技術(shù)。該技術(shù)利用空氣對蓄電池的熱分解作用，實現(xiàn)快速降溫，從而避免或減少蓄電池與電解液發(fā)生熱化學(xué)反應(yīng)。第二，冷卻循環(huán)技術(shù)。冷卻降溫是電池內(nèi)冷的主要方法之一，其原理是在電池內(nèi)部產(chǎn)生一定熱量后，將電池內(nèi)部電解液中的電解質(zhì)氣化、帶走熱量，從而降低內(nèi)壓，通過電池外部散熱設(shè)備進行散熱降溫，實現(xiàn)電池冷卻循環(huán)。第三，抑制腐蝕反應(yīng)的化學(xué)防護措施。如：在蓄電池、極片表面涂覆抗腐蝕材料和涂覆防腐涂層等方式防止鋰離子電池氧化反應(yīng)和腐蝕性液體侵蝕電池內(nèi)部，另外還可在極板表面涂布一層化學(xué)防護膜以抑制腐蝕反應(yīng)。第四，通過控制蓄電池正極材料、負極材料和電解液的接觸電阻，達到抑制電流通過的目的，在充放電時將正負極接觸面積增大，從而降低因電流沖擊造成的電荷積累效應(yīng)對電池造成的危害，同時也可防止電解液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而導(dǎo)致短路或熱失控等危險情況產(chǎn)生。第五，智能火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)技術(shù)。該技術(shù)可通過在整個電池池內(nèi)部安裝溫度傳感器實現(xiàn)智能火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)功能，一旦發(fā)現(xiàn)局部溫升過高或過熱時立即發(fā)出報警信號、啟動消防泵滅火和啟動消防廣播設(shè)施疏散人員等。第六，火災(zāi)探測與響應(yīng)技術(shù)。當火情發(fā)生時，可根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)的故障報警信號或消防設(shè)施反饋回路等信息迅速啟動安全疏散程序、應(yīng)急廣播及滅火系統(tǒng)進行疏散和滅火處理，也可通過火災(zāi)探測器等檢測到起火后迅速啟動消防車趕赴現(xiàn)場進行滅火處理，還可以通過火災(zāi)監(jiān)控中心對火情進行監(jiān)測并發(fā)出指令進行火災(zāi)防控處理。

2.7 新型鋰離子電池保護系統(tǒng)設(shè)計

儲能系統(tǒng)的火災(zāi)風險不僅取決于單體電池的安全性能，還取決于整個系統(tǒng)的安全性能，對鋰離子電池進行保護是防止鋰離子電池火災(zāi)事故發(fā)生的關(guān)鍵。隨著新能源汽車的普及，越來越多地應(yīng)用于儲能領(lǐng)域。儲能系統(tǒng)具有儲能密度高、能量轉(zhuǎn)換效率高、便于調(diào)度等優(yōu)點，但也存在容量小、功率密度低、單體性能差異大等缺點。根據(jù)以上分析，針對鋰離子電池在儲能過程中出現(xiàn)的問題和隱患，本文提出了一種新型全絕緣式鋰離子電池保護系統(tǒng)(NCSP)。其中 NCSP由保護艙、保護箱和控制系統(tǒng)組成。NCSP內(nèi)部有兩個獨立的絕緣體和本體連接，分別是兩個獨立的保護器，其作用是將絕緣艙內(nèi)氣體的熱量進行收集并傳輸?shù)酵獠靠諝庵腥?，保護箱內(nèi)設(shè)有獨立密封箱體可以防止火災(zāi)時產(chǎn)生有毒氣體進入到艙內(nèi)。保護裝置由三組電流互感器組成具有信號處理功能，電池單體間為防止正負極短路電流引起電池內(nèi)部溫度過高時采取了短路保護措施。當發(fā)生火災(zāi)時，NCSP保護艙內(nèi)產(chǎn)生的熱量會通過電纜和箱體上所設(shè)置的通道將鋰離子電池與外界隔離開，另外 NCSP可以根據(jù)火災(zāi)場景選擇不同類型和功能的保護器配合使用。在具體設(shè)計過程中，根據(jù)具體火災(zāi)工況對保護裝置種類和性能參數(shù)進行了優(yōu)化選擇，該方案采用全絕緣式方式，通過一套保護系統(tǒng)可以實現(xiàn)兩個單體之間、單體內(nèi)部氣體與本體間以及單體間溫度與電容量之間關(guān)系的隔離和監(jiān)測功能。

2.8 案例分析

以鋰離子電池儲能電站為例，根據(jù)儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點，將鋰離子電池作為重點防護對象，采用了全絕緣式電池組保護結(jié)構(gòu)，以確保鋰空電池組能夠正常運行。對于具有熱蔓延風險的鋰空電池，則需要采用多點觸發(fā)保護機制。在進行全絕緣式鋰電電池組和傳統(tǒng)鋰電電池組的對比實驗中發(fā)現(xiàn)：全絕緣式鋰離子電池所需安裝空間更小、工作溫度范圍更廣，在火災(zāi)蔓延初期能夠快速撲滅火災(zāi)。傳統(tǒng)鋰電電池組則不能實現(xiàn)有效的熱蔓延控制。另外，全絕緣式鋰離子電池保護系統(tǒng)還可以通過對溫度和時間的智能判斷和管理，及時處理可能出現(xiàn)的突發(fā)狀況。

3 結(jié)語

在新時代背景下，鋰離子電池儲能電站合理運用火災(zāi)防控技術(shù)有著重要的意義所在，需要結(jié)合當?shù)氐膶嶋H情況，了解火災(zāi)的特點，并針對不同的問題采取相應(yīng)的防控技術(shù)和方法，保證在發(fā)生火災(zāi)時，能夠快速做出反應(yīng)，對火災(zāi)進行控制，減少人員傷亡的同時，最大程度上減少財產(chǎn)損失，為行業(yè)可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。