儲(chǔ)能電站消防安全相關(guān)措施探討

郭海筱

（寧波市消防救援支隊(duì)鄞州區(qū)大隊(duì)，浙江寧波 315000）

0.引言

所謂儲(chǔ)能電站，可將其看作是一個(gè)大號(hào)的充電寶，商用性質(zhì)為兆瓦級(jí)別，家用則容量小一些。為了方便安裝運(yùn)輸，通常會(huì)以標(biāo)準(zhǔn)集裝箱的規(guī)格制作外包箱體。儲(chǔ)能電站并不完全是鋰電池，也有鉛酸電池、液流電池、納硫電池等，抽水蓄能理論上也屬于一種儲(chǔ)能方式，只是近些年鋰電池風(fēng)頭正勁，所以占比較高。建設(shè)儲(chǔ)能電站的根本目的是為清潔能源提供蓄水池，一方面隨著清潔能源需求不斷增加，以太陽(yáng)能、風(fēng)能、水電為代表的清潔能源，是降低碳排放的主力軍，但因?yàn)檫@些清潔能源穩(wěn)定性不足，電無(wú)法存儲(chǔ)，所以需要建設(shè)儲(chǔ)能電站來(lái)滿足供電需求；另一方面隨著鋰電池價(jià)格不斷下降，且用于儲(chǔ)能系統(tǒng)中能顯著降低系統(tǒng)體積大小，于是使得大規(guī)模使用鋰電池存儲(chǔ)電能成為了可能[1]。

總體上看，目前我國(guó)儲(chǔ)能電站雖然得到了一定的發(fā)展，但是對(duì)于儲(chǔ)能電站的研究和投入還不足，應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)還比較少，尤其是儲(chǔ)能電池的消防安全方面的研究，更是少之又少，從而導(dǎo)致儲(chǔ)能電站在運(yùn)行過(guò)程中存有較大安全隱患。

1.儲(chǔ)能電站的火災(zāi)危險(xiǎn)特性分析

目前儲(chǔ)能電站多為磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能，但是由于大規(guī)模電廠在充放電過(guò)程中納米顆粒極其容易從電極上脫落，使得電池內(nèi)部出現(xiàn)短路故障，導(dǎo)致電廠組發(fā)熱及著火。另外，電池過(guò)充、長(zhǎng)時(shí)間大電流放電、通風(fēng)不良等，也會(huì)引發(fā)線路過(guò)熱從而引起火災(zāi)發(fā)生。具體而言，電池在充放過(guò)程中，若外部遇到明火、撞擊、雷電短路等意外，就會(huì)有發(fā)生火災(zāi)爆炸的可能性；由于過(guò)壓或過(guò)流，使得設(shè)備溫度較高，會(huì)形成引燃源；電解液溫度較高，換熱系統(tǒng)存有故障，如風(fēng)險(xiǎn)損壞、通風(fēng)道堵塞、外界溫度過(guò)高等，使得設(shè)備長(zhǎng)時(shí)期處于高溫狀態(tài)運(yùn)行，就很有可能引發(fā)火災(zāi)[2]。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外儲(chǔ)能電站火災(zāi)爆炸事故屢屢發(fā)生，全球電化學(xué)儲(chǔ)能電站起火或爆炸事故統(tǒng)計(jì)情況（僅列舉幾項(xiàng)），見(jiàn)表1。

從表1可看出，引起儲(chǔ)能電站起火爆炸事故的原因主要包括兩點(diǎn)：一是儲(chǔ)能電站火災(zāi)事故多發(fā)生在充電中或充電后休止中，此時(shí)電池電壓較高，電池活性較大，并聯(lián)電池簇間形成環(huán)流，容易到電芯處于過(guò)充狀態(tài)，隨著電壓升高內(nèi)部短路，從而引發(fā)火災(zāi)事故；二是儲(chǔ)能電站起火后，采用七氟丙烷等氣體滅火裝置主要是通過(guò)隔絕氧氣的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)滅火，但并不能實(shí)現(xiàn)電池降溫，一旦外部氧氣進(jìn)入，就會(huì)引起電池復(fù)燃，且電池燃燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生甲烷、一氧化碳等易燃易爆的氣體，這樣就會(huì)容易引起氣體爆炸。

表1 全球電化學(xué)儲(chǔ)能電站起火或爆炸事故統(tǒng)計(jì)

2.儲(chǔ)能電站消防安全相關(guān)措施

2.1 一般性措施

對(duì)于儲(chǔ)能電站的消防安全設(shè)計(jì)，具體需要針對(duì)不同建筑物和設(shè)施，采取不同的消防安全措施，包括工藝設(shè)計(jì)、設(shè)備及材料選用、平面布置、消防通道等方面。通常情況，儲(chǔ)能電站會(huì)與光伏、太陽(yáng)能及輸變電站等聯(lián)合建造，因此儲(chǔ)能電站內(nèi)一般不設(shè)立單獨(dú)的生活建筑。依據(jù)電池特性，多數(shù)是按照全戶內(nèi)布置方式來(lái)布置儲(chǔ)能電池房，占地面積大，且為單層建筑。按照火災(zāi)危險(xiǎn)性分類，體積超過(guò)3000m3的儲(chǔ)能電池房，就需要在室外設(shè)置消防系統(tǒng)和消火栓，但依照規(guī)范室內(nèi)可不設(shè)置消火栓。另外，考慮儲(chǔ)能電池設(shè)備及配電設(shè)施具有怕水的特性，所以在設(shè)置滅火器時(shí)，應(yīng)選擇干粉型和氣體型的移動(dòng)式滅火器，不宜采用水型滅火器。與此同時(shí)，在儲(chǔ)能電池建筑內(nèi)，還需要設(shè)置消防砂箱，尤其是鈉硫電池房，要在內(nèi)部設(shè)置適當(dāng)數(shù)量的黃砂，并配置相應(yīng)的消防鏟、消防桶、消防斧等輔助性設(shè)施[3]。

2.2 特殊性措施

目前國(guó)內(nèi)儲(chǔ)能電池的特殊消防設(shè)施布置要求，主要是依據(jù)日本《電力貯存用電規(guī)程》規(guī)定來(lái)進(jìn)行，即電池設(shè)置在專用的建筑物內(nèi)，裝設(shè)面積超過(guò)200m2的則需要設(shè)計(jì)自動(dòng)氣體滅火系統(tǒng)。但考慮到單座儲(chǔ)能室設(shè)備造價(jià)較昂貴，一旦發(fā)生火災(zāi)會(huì)造成巨大的損失，且建筑面積均較大，所以即便建筑內(nèi)的電池裝設(shè)面積未超過(guò)200m2，但整體也仍然需要采用氣體滅火系統(tǒng)。目前我國(guó)政策允許使用的氣體滅火技術(shù)較為程度，如七氟丙烷、三氟甲烷、六氟丙烷、二氧化碳等。在儲(chǔ)能電池室中采用的氣體滅火系統(tǒng)主要為管網(wǎng)式全淹沒(méi)系統(tǒng)，系統(tǒng)一般分為2～8個(gè)防火分區(qū)，以最大的滅火區(qū)域來(lái)設(shè)計(jì)用量，以此來(lái)滿足滅火要求，并降低系統(tǒng)的造價(jià)。另外，在氣體滅火系統(tǒng)中，還設(shè)有火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警功能，裝設(shè)有智能型感煙探測(cè)器和感溫探測(cè)器、火災(zāi)報(bào)警控制器、氣體滅火控制盤等。

3.優(yōu)化及改進(jìn)建議

目前行業(yè)內(nèi)也大力開展了熱失控提前預(yù)警和消防安全技術(shù)，但并不能夠從根本上避免儲(chǔ)能電池系統(tǒng)的安全事故，要想達(dá)成“零事故”的絕對(duì)安全目標(biāo)，就需要改變固有的思維模式，從電池安全狀態(tài)實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)方面著手，針對(duì)電池本體及運(yùn)行條件等因素長(zhǎng)期演化的特性，加強(qiáng)電池安全風(fēng)險(xiǎn)早期預(yù)警系統(tǒng)的研發(fā)，以此從源頭上降低電池系統(tǒng)熱失控而引起火災(zāi)事故的概率。

以鋰電池儲(chǔ)能電站為例，應(yīng)依據(jù)鋰電池失控特性建立起相應(yīng)的消防安全系統(tǒng)，并保證系統(tǒng)設(shè)置的獨(dú)立性，能夠?qū)蝹€(gè)電池發(fā)生熱失控時(shí)，及時(shí)快速的預(yù)警。同時(shí)，電池?zé)崾Э卦缙谧钣行У氖侄问菍?duì)氣體進(jìn)行監(jiān)控，那么氣體探測(cè)器的設(shè)計(jì)是重點(diǎn)需要思考的問(wèn)題。通過(guò)合理設(shè)置氣體探測(cè)器，以此對(duì)儲(chǔ)能電站中的氣體、煙霧和溫度等關(guān)鍵參數(shù)變化進(jìn)行采集，當(dāng)參數(shù)超過(guò)實(shí)現(xiàn)事先設(shè)定的限值后，系統(tǒng)及時(shí)對(duì)熱失控電池異常狀態(tài)發(fā)出警報(bào)，提升系統(tǒng)的預(yù)防和預(yù)警性能。另外，考慮鋰電池在發(fā)生熱失控時(shí)，還會(huì)伴隨著電解液泄漏問(wèn)題，電解液泄漏會(huì)引發(fā)電網(wǎng)設(shè)備高壓、絕緣失效、起火等危險(xiǎn)，因此在設(shè)計(jì)應(yīng)用消防安全系統(tǒng)時(shí)，也要建立多級(jí)防護(hù)機(jī)制，即利用消防安全系統(tǒng)、動(dòng)力環(huán)境系統(tǒng)等各系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合作用，以此對(duì)電池發(fā)生電解液泄漏、熱失控等電池異常狀態(tài)的及時(shí)預(yù)警，且出現(xiàn)險(xiǎn)情時(shí)，防護(hù)設(shè)施能迅速對(duì)目標(biāo)區(qū)域作出有效的反應(yīng)，以便及時(shí)控制險(xiǎn)情，進(jìn)而保障電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

對(duì)于儲(chǔ)能電站消防安全管理，除了要在系統(tǒng)方面加以完善，也需要在制度方面予以優(yōu)化。首先，應(yīng)加強(qiáng)安全培訓(xùn)教育方面的關(guān)注，要對(duì)消防員、指揮員等人員進(jìn)行儲(chǔ)能系統(tǒng)安全性的培訓(xùn)，培訓(xùn)內(nèi)容包括電池?zé)崾Э?、燃爆和爆炸波傳播?dòng)力學(xué)、儲(chǔ)能系統(tǒng)火災(zāi)典例分析等，以此增強(qiáng)他們的安全意識(shí)，并保證他們的安全。其次，儲(chǔ)能系統(tǒng)的所有者和經(jīng)營(yíng)者，應(yīng)加強(qiáng)與當(dāng)?shù)叵廊藛T和業(yè)主授權(quán)的單位制定應(yīng)急行動(dòng)計(jì)劃，全面了解與儲(chǔ)能電池技術(shù)相關(guān)的危害，然后按照相關(guān)消防法規(guī)規(guī)范要求，配備適當(dāng)?shù)姆阑鸱辣Ｗo(hù)裝置。最后，各儲(chǔ)能電站要建立完善的安全管理制度，出臺(tái)切實(shí)可行的工程安全管理辦法，同時(shí)從源頭上把控工程建設(shè)的質(zhì)量，針對(duì)消防安全要求，制定專項(xiàng)的實(shí)施方案，將相關(guān)技術(shù)安全負(fù)責(zé)人批準(zhǔn)后實(shí)施，從而降低儲(chǔ)能電站火災(zāi)發(fā)生的概率。