儲能電站消防安全風(fēng)險分析與防控

摘要：電化學(xué)儲能電站作為調(diào)節(jié)能源供需、提升電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵設(shè)施，在江蘇等地呈現(xiàn)出快速增長的態(tài)勢，與之相關(guān)的火災(zāi)安全隱患問題也逐漸凸顯，給企業(yè)安全生產(chǎn)帶來了嚴峻挑戰(zhàn)。基于此，詳細分析了儲能電站的消防安全風(fēng)險，通過構(gòu)建“預(yù)防-監(jiān)測-控制-撲救”一體化防控體系，從7個方面闡述了儲能電站消防安全風(fēng)險防控策略，為儲能電站的安全設(shè)計、運營管理及標準制定提供參考。

關(guān)鍵詞：儲能電站；鋰離子電池；熱失控；消防安全；滅火技術(shù)

中圖分類號：D035.36" " " 文獻標識碼：A" " " "文章編號：2096-1227（2025）03-0092-03

近年來，全球能源結(jié)構(gòu)加速向可再生能源轉(zhuǎn)型，電化學(xué)儲能電站作為調(diào)節(jié)能源供需、提升電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵設(shè)施，在江蘇等地呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長態(tài)勢。然而，伴隨儲能電站數(shù)量的增多以及規(guī)模的擴張，其火災(zāi)安全隱患問題也逐漸凸顯，給企業(yè)安全生產(chǎn)帶來了一定挑戰(zhàn)。深入剖析儲能電站消防安全風(fēng)險，構(gòu)建科學(xué)有效的防控體系，對保障能源系統(tǒng)安全運行、推動儲能行業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 儲能電站的消防安全風(fēng)險

1.1" 電池引發(fā)火災(zāi)風(fēng)險

當前，鋰離子電池（尤其是磷酸鐵鋰電池）憑借其高能量密度、長循環(huán)壽命等優(yōu)勢，成為儲能電站的主流選擇。然而，即便磷酸鐵鋰電池相對穩(wěn)定，在面對過充、短路、機械損傷或高溫環(huán)境（特別是夏季高溫時段，部分地區(qū)室外溫度可達40℃以上），儲能電站若散熱不佳，電池工作環(huán)境溫度極易突破安全閾值，內(nèi)部會觸發(fā)一系列復(fù)雜的連鎖放熱反應(yīng)。以過充為例，當充電電壓超過電池額定電壓，正極材料晶格結(jié)構(gòu)會發(fā)生不可逆變化，導(dǎo)致大量Li+嵌入負極，造成負極鋰枝晶生長。鋰枝晶一旦刺穿隔膜，便會引發(fā)正負極短路，瞬間釋放出巨大能量，促使電池內(nèi)部溫度急劇攀升。在高溫作用下，電池內(nèi)部的電解液（通常為碳酸酯類有機溶劑）會發(fā)生分解，釋放出H2、CO、CH4等可燃氣體。這些可燃氣體與空氣混合后，一旦遇到火源，如電池內(nèi)部短路產(chǎn)生的電火花，便會引發(fā)劇烈燃燒，進而導(dǎo)致火災(zāi)。

1.2" 電氣設(shè)備故障引發(fā)火災(zāi)

PCS（變流器）作為儲能電站實現(xiàn)交直流轉(zhuǎn)換的核心設(shè)備，運行過程中會產(chǎn)生大量熱量。若散熱系統(tǒng)設(shè)計不合理，或長期運行后散熱部件積塵嚴重，導(dǎo)致散熱效率下降，PCS內(nèi)部功率器件溫度將持續(xù)升高，當超過器件耐受溫度時，會發(fā)生熱擊穿，產(chǎn)生電火花，引燃周邊絕緣材料及可燃氣體。BMS（電池管理系統(tǒng)）負責(zé)監(jiān)測電池狀態(tài)、均衡電池電壓、控制充放電過程，對電池安全運行至關(guān)重要。一旦BMS失效，無法準確監(jiān)測電池電壓、電流、溫度等參數(shù)，便可能導(dǎo)致電池過充、過放，引發(fā)電池?zé)崾Э?，進而引發(fā)火災(zāi)。此外，電纜作為電能傳輸?shù)妮d體，若選型不當、長期過載運行或受到外力擠壓、腐蝕，會導(dǎo)致電纜絕緣層老化、破損，引發(fā)短路，產(chǎn)生高溫與電火花，進而引發(fā)火災(zāi)。

1.3" 散熱與布局問題

儲能電站內(nèi)部設(shè)備布置需充分考慮散熱需求。實際工程中，部分儲能電站為追求空間利用率，設(shè)備布置過于緊湊，導(dǎo)致空氣流通不暢，熱量無法及時散發(fā)，在局部區(qū)域積聚。以電池模組為例，模組間距離過小，會阻礙自然對流散熱，模組內(nèi)部產(chǎn)生的熱量難以排出，使電池工作溫度升高。同時，Pack/集裝箱作為電池的封裝載體，若設(shè)計不合理，如通風(fēng)口位置不當、數(shù)量不足，會導(dǎo)致內(nèi)部熱堆積嚴重。水冷機長期運行一旦供水壓力或流量不足也會導(dǎo)致系統(tǒng)過熱。特別是在夏季高溫時段，熱堆積效應(yīng)加劇，電池溫度持續(xù)上升，會加速電池老化，增加熱失控及火災(zāi)風(fēng)險。

1.4" 防火間距不足

儲能電站多選址于紡織廠、電子材料廠等丙類工業(yè)廠區(qū)。這些廠區(qū)本身可燃物品堆積如山，從紡織原料到電子元器件生產(chǎn)過程中的有機溶劑，均為易燃物，火災(zāi)荷載非常大。儲能電站與周圍可燃物堆場及廠房倉庫的防火間距是保障消防安全的重要防線。然而，在現(xiàn)實中，由于廠區(qū)規(guī)劃不合理、土地資源稀缺等原因，防火間距不足的問題時有發(fā)生。當周圍可燃物堆場發(fā)生火災(zāi)時，熱輻射、飛火等因素可能引燃儲能電站；反之，儲能電站起火后，火焰與高溫也會迅速波及周邊廠房倉庫，擴大火災(zāi)范圍，造成更為嚴重的損失。

2 火災(zāi)發(fā)展機理

電池在正常充放電過程中，會發(fā)生一系列電化學(xué)反應(yīng)，不可避免地產(chǎn)生CO、H2、HF等氣體。這些氣體在電池內(nèi)部少量積聚時，一般不會引發(fā)安全問題。但當系統(tǒng)局部過熱，如電池內(nèi)部短路、散熱不良導(dǎo)致溫度超過150℃時，電池材料的熱穩(wěn)定性被破壞，就會觸發(fā)熱失控反應(yīng)[1]。當電池受到外部力量的碰撞、擠壓、針刺等，導(dǎo)致電池結(jié)構(gòu)破壞，引發(fā)內(nèi)部電路短路，或者電池的過充、過放等導(dǎo)致大電流超過電池承受能力，以及電池受到超過安全閾值的加熱，如冷卻系統(tǒng)失效、相鄰設(shè)備引起過熱等，會觸發(fā)鋰電池?zé)崾Э劓準椒磻?yīng)。

首先，固態(tài)電解質(zhì)界面膜（SEI膜）分解。當電池溫度升高到一定程度（通常在90℃左右），負極表面的SEI膜開始分解，使負極以及負極內(nèi)包含的嵌鋰碳成分直接暴露在電解液里。SEI膜分解后，電池內(nèi)部溫度進一步升高，引發(fā)電解液的還原/氧化反應(yīng)，產(chǎn)生氣體并釋放熱量，加速電池溫度的上升。

其次，當溫度達到150～160℃時，隔膜開始收縮和熔化，一旦隔膜熔化，正負極就會直接連通，造成內(nèi)部短路，電池溫度繼續(xù)升高，負極的活性鋰會與電解液反應(yīng)并產(chǎn)生巨大的熱量。同時，對于某些正極材料（如磷酸鐵鋰），高溫會觸發(fā)正極釋放氧氣并與電解液發(fā)生反應(yīng)，進一步釋放熱量。

最后，連鎖反應(yīng)會導(dǎo)致電池內(nèi)部的溫度急劇上升，形成惡性循環(huán)。在鋰電池?zé)崾Э氐倪^程中，電解液的分解會產(chǎn)生氧氣和高度可燃的氣體，導(dǎo)致電池內(nèi)部的壓力迅速增加。如果電池外殼受損或壓力不斷增加，可能導(dǎo)致電池外殼破裂，釋放出高溫的火焰和有害氣體，引發(fā)火災(zāi)和爆炸。

電池著火后，由于內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)持續(xù)進行，普通滅火手段，如干粉滅火器、水基滅火器，只能撲滅表面火焰，難以深入電池內(nèi)部阻斷電化學(xué)反應(yīng)，復(fù)燃風(fēng)險極高。同時，燃燒過程中會釋放大量有毒氣體，如HF具有強腐蝕性，CO會導(dǎo)致人體中毒窒息，對現(xiàn)場救援人員和周邊環(huán)境構(gòu)成嚴重威脅。

3 消防安全風(fēng)險防控策略

3.1" 儲能電站設(shè)置

儲能電站不建議設(shè)置在室內(nèi)，如果設(shè)置在室內(nèi)，室內(nèi)應(yīng)通風(fēng)良好，頂部應(yīng)平整不應(yīng)有可燃氣體存留。與周圍廠房、倉庫、可燃物品的堆垛保持安全距離，儲能電站附近不應(yīng)有壓力容器和甲乙類管道穿過。防火間距不足時，采用耐火極限不低于3.00h防火墻分隔，防火墻應(yīng)高于儲能裝置1m。

3.2" 電池質(zhì)量把控

儲能電站的電池應(yīng)嚴格選用具備良好信譽、先進生產(chǎn)工藝的正規(guī)廠家產(chǎn)品，并確保每批次電池均附帶完整的出廠合格檢驗報告。檢驗報告應(yīng)涵蓋電池容量、充放電性能、熱穩(wěn)定性、安全性等多維度檢測數(shù)據(jù)。同時，行業(yè)應(yīng)加快完善電池生產(chǎn)標準建設(shè)，從原材料采購、生產(chǎn)工藝控制、質(zhì)量檢測等全流程，制定更為嚴格、細致的標準規(guī)范。例如，在原材料環(huán)節(jié)，對正負極材料、電解液純度與雜質(zhì)含量設(shè)定更高標準；在生產(chǎn)工藝上，規(guī)范電極涂覆、卷繞、封裝等關(guān)鍵工序參數(shù)，確保電池質(zhì)量一致性與穩(wěn)定性，從源頭降低火災(zāi)風(fēng)險。

3.3" 多參數(shù)融合預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用

傳統(tǒng)煙感/溫感探測器在儲能電站火災(zāi)探測中存在明顯延遲性。具體而言，煙感探測器主要通過檢測煙霧濃度觸發(fā)報警，然而，儲能電站火災(zāi)初期產(chǎn)生的煙霧可能被通風(fēng)系統(tǒng)稀釋，難以在短時間內(nèi)達到煙感探測器的報警閾值。溫感探測器則依靠感知環(huán)境溫度變化報警，由于電池?zé)崾Э爻跗跓崃考性陔姵貎?nèi)部，外部環(huán)境溫度上升緩慢，溫感探測器無法及時響應(yīng)。為彌補傳統(tǒng)探測技術(shù)的不足，視頻監(jiān)控、遠紅外溫度探測等多參數(shù)融合預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)運而生。視頻監(jiān)控可實時監(jiān)測儲能電站內(nèi)部設(shè)備外觀變化，如電池模組是否冒煙、變形，設(shè)備是否有明火出現(xiàn)。遠紅外溫度探測技術(shù)則能精準捕捉電池表面及關(guān)鍵部位的溫度異常升高，通過算法對多源數(shù)據(jù)進行分析處理，提前預(yù)判火災(zāi)風(fēng)險，將報警時間大幅縮短至數(shù)十秒，為火災(zāi)撲救爭取寶貴時間。

3.4" 模塊化分區(qū)與熱管理優(yōu)化

采用模塊化分區(qū)隔離設(shè)計理念，將儲能電站劃分為多個相對獨立的電池倉。每個電池倉設(shè)置相對獨立的防火措施，有效阻斷火災(zāi)蔓延路徑。在熱管理系統(tǒng)優(yōu)化方面，一方面，優(yōu)化電池模組內(nèi)部結(jié)構(gòu)，增加散熱通道，采用高效散熱材料，如石墨散熱片，提高電池模組自身散熱能力；另一方面，完善儲能電站整體通風(fēng)散熱系統(tǒng)，根據(jù)電池倉布局與設(shè)備發(fā)熱量，合理設(shè)置通風(fēng)口位置與數(shù)量，安裝智能通風(fēng)控制設(shè)備，根據(jù)環(huán)境溫度與電池溫度實時調(diào)節(jié)通風(fēng)量，確保電池工作在適宜溫度區(qū)間，降低熱失控風(fēng)險。

3.5" 滅火系統(tǒng)改進

七氟丙烷、全氟己酮等氣體滅火劑具有滅火效率高、清潔無污染、對設(shè)備損害小等優(yōu)點，在儲能電站滅火中得到廣泛應(yīng)用。這些氣體滅火劑能迅速降低燃燒區(qū)域的氧氣濃度，抑制燃燒反應(yīng)。同時，配合消火栓噴灑水霧冷卻，可有效降低設(shè)備溫度，防止火災(zāi)蔓延。消火栓水壓需嚴格控制，確保水霧水槍能充分霧化，形成細密水霧，均勻覆蓋設(shè)備表面，增強冷卻效果。此外，增設(shè)高壓水噴霧系統(tǒng)，其高壓作用下形成的微小水霧顆粒，蒸發(fā)吸熱能力更強，可在短時間內(nèi)大幅降低火場溫度，提高滅火效能。

創(chuàng)新研發(fā)滅火系統(tǒng)的組合應(yīng)用模式，例如，氣溶膠滅火與水噴淋自動啟動相結(jié)合的滅火系統(tǒng)。氣溶膠滅火劑在火災(zāi)發(fā)生時，能迅速生成固體微粒，通過化學(xué)抑制、冷卻、窒息等多重作用滅火，滅火速度快、效率高。水噴淋系統(tǒng)則在氣溶膠滅火后，持續(xù)噴水冷卻，防止復(fù)燃。針對每個電池組，配備獨立的靶向精準滅火裝置，如微型干粉滅火彈、細水霧噴頭，根據(jù)電池組位置與特性，精確布置滅火設(shè)備，確保在火災(zāi)初期，能夠迅速、準確地對起火電池組實施滅火，提高滅火效果[2]。

3.6" 智慧消防技術(shù)應(yīng)用

借助智慧消防技術(shù)，構(gòu)建儲能電站消防安全大數(shù)據(jù)平臺。通過在電池、電氣設(shè)備、消防設(shè)施等關(guān)鍵部位安裝傳感器，實時采集電池內(nèi)阻、溫度、電壓、電流等運行參數(shù)，以及消防設(shè)施狀態(tài)數(shù)據(jù)。利用大數(shù)據(jù)分析算法，對這些數(shù)據(jù)進行深度挖掘與分析，建立火災(zāi)風(fēng)險預(yù)測模型。當監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常趨勢，如電池內(nèi)阻在短時間內(nèi)急劇增大、溫度持續(xù)上升且超出正常波動范圍時，系統(tǒng)自動發(fā)出預(yù)警，提示運維人員及時排查處理，實現(xiàn)早期火災(zāi)隱患的精準識別與防控。

3.7" 制定與完善相應(yīng)行業(yè)標準規(guī)范

現(xiàn)行消防安全標準在電池管理、火災(zāi)預(yù)防及撲救等方面尚有完善空間。例如，針對不同類型電池的熱失控特性及相應(yīng)的防火措施，現(xiàn)行標準尚未形成細致、全面的規(guī)范要求；在火災(zāi)撲救方面，針對儲能電站復(fù)雜的火災(zāi)場景，標準中滅火系統(tǒng)的選型與配置指導(dǎo)不夠精準，這在一定程度上影響了實際工程中滅火系統(tǒng)效能的充分發(fā)揮。鑒于此，有必要結(jié)合行業(yè)現(xiàn)狀與技術(shù)發(fā)展，對現(xiàn)有標準進行系統(tǒng)性的修訂與補充，以構(gòu)建更加科學(xué)、完善的消防安全規(guī)范體系。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文通過對儲能電站消防安全風(fēng)險及火災(zāi)發(fā)展機理的深入剖析，明確了儲能電站面臨的嚴峻消防安全挑戰(zhàn)，并針對性提出了多層級防控策略，旨在構(gòu)建一套系統(tǒng)、全面的儲能電站消防安全保障體系，有效降低火災(zāi)風(fēng)險，保障其安全穩(wěn)定運行。

參考文獻

[1]李正力，李肖輝，王京，等.鋰離子電池儲能電站熱失控預(yù)警與防護研究進展[J].高壓電器，2024，60（1）：87-99.

[2]蔡晶菁.鋰離子電池儲能電站火災(zāi)防控技術(shù)研究綜述[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2022，41（4）：472-477.