固定式電化學儲能系統(tǒng)消防技術(shù)規(guī)范標準研究

■ 羅斯 鐘園軍 樂山市消防救援支隊綜合指導科

近年來，電化學儲能設施發(fā)展迅速，截至2019 年底，我國已投運電化學儲能累計裝機規(guī)模為1709.6MW，同比增長59.4%。隨著固定式電化學儲能系統(tǒng)（下簡稱儲能系統(tǒng)）的迅速推廣，儲能系統(tǒng)火災不斷涌現(xiàn)，2017年8 月至2019 年10 月，韓國已發(fā)生了27 起ESS 火災事故。此外，美國亞利桑那州West Valley 的亞利桑那州公共服務公用事業(yè)公司（APS）儲能設施發(fā)生過起火事故，北京也發(fā)生過儲能系統(tǒng)火災并爆炸造成人員傷亡。文章通過分析現(xiàn)行儲能系統(tǒng)消防技術(shù)規(guī)范標準存在的問題，結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范與文獻，有針對性地提出下一步儲能系統(tǒng)消防技術(shù)規(guī)范標準的相關(guān)建議。

一、儲能系統(tǒng)消防技術(shù)規(guī)范標準現(xiàn)狀分析

（一）電池火災危險性的定義不準確

GB 51048-2014 規(guī)定了儲電站內(nèi)電池室和屋外電池設備的火災危險性分類：鋰離子電池、鉛酸電池、液流電池為戊類，鈉硫電池為甲類。與實際鋰離子電池儲能系統(tǒng)火災爆炸的危險性不符合（2021 年4 月16 日，北京集美大紅門儲能電站發(fā)生火災后爆炸，造成兩名消防員死亡），磷酸鐵鋰電池相比三元鋰電池在熱失控時不易燃燒，但仍會釋放可燃氣體，導致爆炸。王青松等人也建議將鋰離子電池倉庫或廠房歸類為甲類火災危險。

（二）儲能系統(tǒng)等級分類不準確

電化學儲能系統(tǒng)是以電化學電池為儲能載體，通過儲能變流器進行可循環(huán)電能存儲、釋放的系統(tǒng)。GB/T 36558-2018 規(guī)定適用范圍為額定功率不小于100kW 且儲能時間不小于15min 的儲能系統(tǒng)?，F(xiàn)有國家標準規(guī)范GB 51048-2014 僅對電化學儲能電站（范圍為功率500kW 且容量500kWh 以上的儲能系統(tǒng)設計）分類有相應要求，對不在上述容量閾值范圍的非儲能電站或合建多功能儲能系統(tǒng)的等級分類、消防設計尚無國家標準。

（三）儲能系統(tǒng)電池分類不完善

現(xiàn)有規(guī)范對鉛酸電池、鋰離子電池、鈉硫電池、液流電池儲能電站的選址規(guī)劃、建筑結(jié)構(gòu)、消防安全、火災風險明確了相應規(guī)定和分析，但對鎳電池、鈉氯化鎳電池、鉛碳電池等多類型、新材料儲電系統(tǒng)未明確相應規(guī)定。

（四）儲能系統(tǒng)設計不符合實際消防安全要求

電池生產(chǎn)或儲存的火災危險性定性不準確導致了防火間距設置不安全。儲電系統(tǒng)尤其是電池室的平面布置、防爆設計標準不明確，疏散方式簡單、安全性低，影響人員疏散和建筑結(jié)構(gòu)安全。儲電站消防給水要求低，自動滅火系統(tǒng)設置要求不準確，簡單認為設置自動滅火系統(tǒng)時可僅設置氣體滅火系統(tǒng)?；馂淖詣訄缶到y(tǒng)設置方式不妥當，儲能系統(tǒng)價值高昂，為防止誤觸發(fā)滅火系統(tǒng)造成損失，部分團體標準[6-7]的三級、四級等多級報警聯(lián)動滅火方式描述不準確，要求通過溫度、可燃氣體和煙霧傳感器同時報警動作作為啟動滅火系統(tǒng)的控制信號，不僅降低了系統(tǒng)聯(lián)動滅火的可靠性，也不符合國家規(guī)范要求。使用密閉式電池架導致發(fā)生火災后滅火劑難以第一時間控制火勢。儲能系統(tǒng)存儲電能的最大閾值、儲能單元（電池簇）的排列分布間距未有相關(guān)明確要求，電池組燃燒的火焰熱輻射易會迅速引燃周邊的電池和電池簇，加快火勢蔓延速度，增加火災損失。

（五）滅火方式設置不合理

電池火災風險判斷不全面會影響消防救援任務的順利進行。例如，對鋰離子電池火災撲救方式認識不全面，現(xiàn)有團體標準要求明火撲滅后30min 內(nèi)不出現(xiàn)復燃，不符合實際滅火救援所需時間情況。一旦復燃鋰離子電池釋放的可燃氣體可能導致爆炸。饒慧等人已證明，氣體滅火系統(tǒng)能撲滅初期電池火災，但防止鋰離子電池復燃效果較差，無法持續(xù)抑制電池熱失控而導致熱量積聚，產(chǎn)生的熱量使電解液迅速膨脹并發(fā)生自爆，遇空氣后（自身也可產(chǎn)生氧氣、氫氣）發(fā)生燃燒并引燃相鄰的電池，從而形成電池堆垛的連鎖燃燒反應，宜增加細水霧滅火系統(tǒng)冷卻控制，防止復燃。大量的中小型儲能電站參考GB 50229-2019 設計消防給水設施，甚至不需設置消防給水和室內(nèi)消火栓系統(tǒng)，與儲能電站和火力發(fā)電廠的實際情況不符。

二、儲能系統(tǒng)消防技術(shù)規(guī)范標準建議

針對儲能系統(tǒng)消防安全現(xiàn)狀分析，建議修改相應的消防技術(shù)標準，形成完善的儲能系統(tǒng)消防保護措施，筆者參照國內(nèi)外規(guī)范文獻，提出以下建議：

（一）電化學儲能系統(tǒng)火災危險性分類

建議在公共安全行業(yè)標準中增加物質(zhì)組合復雜系統(tǒng)的相關(guān)標準或制定電池火災危險性等級標準。本文根據(jù)電池火災危險性，將各種儲能系統(tǒng)建、構(gòu)筑物或設備做如下歸類：鋰離子電池、鈉硫電池、鈉氯化鎳電池歸為甲類，鎳（鎳氫、鎳鋅、鎳鎘）、鉛酸電池、鉛碳電池、液流電池歸為戊類，其他新技術(shù)電池應通過實驗分析確定其火災危險性。

（二）儲能系統(tǒng)分類

按儲能系統(tǒng)的工作類型和容量閾值，分為專用儲能系統(tǒng)和非專用儲能系統(tǒng)。

（1）專用儲能系統(tǒng)指電化學儲能電站，包括控制室、工作間等輔助用房不超過建筑總面積10% 且電池總?cè)萘浚?00kWh 的電化學儲能系統(tǒng)，可分為大型（總?cè)萘俊?0MWh）、中型（1MWh ≤總?cè)萘浚?0MWh）、小型（500kWh ≤總?cè)萘浚?MWh）三種類型。

（2）非專用儲能系統(tǒng)指為IDC 數(shù)據(jù)中心、充電站等不限于儲能功能的多功能建筑服務的電化學儲能系統(tǒng)，可以分為三種類型：一級，甲類電池總?cè)萘俊?00kWh且每個防火單元容量不宜大于500kWh；二級，其他電池類型總?cè)萘俊?00kWh 且每個防火單元容量不宜大于500kWh；三級，鉛酸、鎳等電池總?cè)萘俊?00kWh 且每個防火單元容量不限制。

（三）存儲電量和電池布置

（1）專用儲能系統(tǒng)不限制電池裝置防火單元內(nèi)最大存儲容量，儲能單元（儲能電池預制艙）宜分組布置，每組存儲容量室內(nèi)外布置不宜大于30MWh；室外布置總?cè)萘看笥?0MWh 的儲能組與其他儲能組組間距應大于4m，甲類電池總?cè)萘看笥?0MWh 的多個儲能組與其他儲能組、站內(nèi)建構(gòu)筑物之間應設置隔離吸能設施，甲類電池預制艙門宜設置為泄壓口；電池預制艙之間的防火間距不應小于3m；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1m。預制艙與站內(nèi)其他建、構(gòu)筑物相鄰外墻采用防火墻時，防火間距不限。

（2）非專用儲能系統(tǒng)電池裝置防火單元中最大容量閾值鉛酸電池和鎳電池不限、甲類電池不宜大于500kWh，其他電池類型不宜大于500kWh。非專用儲能系統(tǒng)電池裝置防火單元中甲類電池簇應分組布置，每組不宜大于50kWh，與其他防火單元用耐火極限不應低于2h 隔墻分隔，且應設計泄壓口；電池室隔墻耐火極限不應低于3h，電池室與其他非儲能區(qū)域之間應設置隔離吸能設施。

（3）儲能系統(tǒng)內(nèi)電池簇箱體設計開孔不能影響滅火劑迅速進入并發(fā)揮作用，確保細水霧有效噴射空間且水霧溢出率不低于25%，溢出的水霧用于撲滅模塊外部火焰和降溫控火。

（四）平面布置、安全疏散和通風防爆

儲能系統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)應滿足GB 50016、GB 50058 和GB 50174 中防爆泄壓和事故通風的相應設計要求。儲能系統(tǒng)室內(nèi)任一點至最近安全出口的直線距離應符合GB 50016 第3.7.4 條相關(guān)要求。電池室不應緊鄰樓梯間，電池室疏散門應采用甲級防火門，電池室樓層樓梯間應設置前室或門斗等防火防爆措施。相鄰的非儲能功能區(qū)域，應設有防火防爆隔離保護措施。專用儲能系統(tǒng)室內(nèi)電池預制艙裝置防火分區(qū)宜按30mWh布置面積進行設計，每個預制艙為一個防火單元，且符合GB 50016 的3.3.1 防火分區(qū)面積要求，并滿足GB 50370 和GB 50898 防護面積要求；非專用儲能系統(tǒng)室內(nèi)電池裝置防火分區(qū)不宜大于800m2，且體積不宜大于3600m3。

（五）火災自動報警及BMS 系統(tǒng)

（1）儲能系統(tǒng)宜按每個分組中布置的電池簇設定為一個探測報警單元，以快速、準確發(fā)現(xiàn)起火部位。在安裝點型感煙探測器、吸氣式感煙探測器、感溫火災探測器、線型火災探測器和可燃氣體探測報警系統(tǒng)等多個報警設備時，嚴格按照GB 50116 第4.4.2 條相關(guān)規(guī)定的聯(lián)動邏輯關(guān)系進行設計。

（2）電池簇密閉式箱體內(nèi)宜安裝偵測設施，檢測箱內(nèi)可燃氣體、溫度，增強發(fā)現(xiàn)火災隱患的能力。

（3）電池的BMS（電池管理系統(tǒng)）系統(tǒng)應能接收火災報警系統(tǒng)和可燃氣體探測系統(tǒng)信號，聯(lián)動停止相應報警區(qū)域電池運行；且能實時向火災報警系統(tǒng)傳輸信號，向火災報警系統(tǒng)提示電池安全狀態(tài)。

（4）電池室內(nèi)應安裝視頻監(jiān)控系統(tǒng)，且消防聯(lián)動控制器應具有開啟相關(guān)區(qū)域攝像機監(jiān)視火災現(xiàn)場的功能，將報警信號和周邊視頻圖像傳送到控制中心大屏，第一時間查看火情，高效處理火災事件，同時為開展儲能系統(tǒng)火災事故深度調(diào)查與分析、缺陷風險評估與判定等工作提供參考。

（六）自動滅火系統(tǒng)及消火栓系統(tǒng)

儲能系統(tǒng)電池裝置防火分區(qū)宜同時設置氣體滅火系統(tǒng)和細水霧滅火系統(tǒng)等多類型自動滅火系統(tǒng)。宜將每個電池簇設定為一個細水霧滅火系統(tǒng)滅火單元，水霧應覆蓋整個電池簇。氣體防護區(qū)應設置事故排風裝置，滅火后通風換氣。鈉硫電池等遇水會發(fā)生劇烈反應甚至爆炸，應配置氣體滅火系統(tǒng)和沙池滅火。所有的儲能系統(tǒng)電池裝置均需設置室內(nèi)外消火栓系統(tǒng)，用于控制電池熱失控狀態(tài)下的滅火及冷卻，室內(nèi)消火栓應配備直流-噴霧水槍。

（七）收集設施及靜電防護

儲能系統(tǒng)宜安裝漏液監(jiān)測設施，儲能系統(tǒng)應參照GB 50511 和GB 50174 做好靜電防護設計，并考慮滅火救援任務中的靜電安全，防止靜電引發(fā)爆炸。

三、結(jié)語

綜上所述，一旦儲能系統(tǒng)發(fā)生火災爆炸事故，會嚴重威脅人民群眾的生命財產(chǎn)安全。政府部門和社會各界應高度重視儲能系統(tǒng)火災危險性，加強消防救援機構(gòu)與電力部門的交流協(xié)作，強化滅火救援能力水平和單位日常安全管理，查清儲能系統(tǒng)火災原因，為規(guī)范設計提供經(jīng)驗教訓。