儲能電站電池系統(tǒng)火災(zāi)特點(diǎn)及消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)

齊文瑾

（中國能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力設(shè)計(jì)院有限公司，南京 211106）

儲能是建設(shè)未來可再生能源高占比能源系統(tǒng)、推動能源綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要裝備基礎(chǔ)和關(guān)鍵支撐技術(shù)，其具有的雙向功率特性和靈活調(diào)節(jié)能力可以有效解決大規(guī)?？稍偕茉床⒕W(wǎng)對系統(tǒng)帶來的諸多問題，能夠顯著提高風(fēng)、光等可再生能源的消納水平，未來將在電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

與其他常規(guī)儲能技術(shù)相比，電池儲能能量密度高、響應(yīng)時(shí)間快、布置靈活方便，近年來受國家政策等推動，特別是受益于電動汽車發(fā)展和動力電池產(chǎn)能擴(kuò)張，電池儲能尤其是鋰離子電池儲能成本持續(xù)下降，開始進(jìn)入規(guī)?；⑸虡I(yè)化發(fā)展階段，并成為電儲能重要發(fā)展方向。截至2022 年底，全國已投運(yùn)新型儲能項(xiàng)目裝機(jī)規(guī)模達(dá)870 萬kW，平均儲能時(shí)長約2.1 h，鋰離子電池儲能占比94.5%、壓縮空氣儲能2.0%、液流電池儲能1.6%、鉛酸（炭）電池儲能1.7%，以及其他技術(shù)路線0.2%。從2022 年新增裝機(jī)技術(shù)占比來看，鋰離子電池儲能技術(shù)占比達(dá)94.2%，仍處于絕對主導(dǎo)地位，新增壓縮空氣儲能、液流電池儲能技術(shù)占比分別達(dá)3.4%、2.3%，占比增速明顯加快。此外，飛輪、重力、鈉離子等多種儲能技術(shù)也已進(jìn)入工程化示范階段。

然而目前電池型儲能因其本身結(jié)構(gòu)特性，其在使用過程中仍存在較大安全風(fēng)險(xiǎn)，這在一定程度上限制了儲能在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用與發(fā)展。因此，明確電池型儲能電站火災(zāi)特點(diǎn)并根據(jù)特點(diǎn)完善相應(yīng)的消防設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的實(shí)際意義。

1 電池類儲能電站安全問題

電池儲能一旦起火，其火勢蔓延速度非?？欤覔錅珉y度很大，給消防救援也帶來非常大的挑戰(zhàn)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)信息顯示，近幾年來全球電池類儲能電站起火、爆炸事故頻發(fā)（表1）。以韓國為例，2016—2018 年總共發(fā)生16 起電池儲能電站起火事件。2018 年7 月，韓國靈巖某風(fēng)場儲能設(shè)備發(fā)生重大火災(zāi)事故，火災(zāi)迅速蔓延，當(dāng)?shù)毓餐度?0 多輛消防車歷經(jīng)3 個(gè)多小時(shí)才成功撲滅，事故最終造成超700 m2建筑和3 000 塊以上鋰電池全部燒毀。而國內(nèi)在2021 年4 月16 日，北京市豐臺區(qū)南四環(huán)永外大紅門西馬廠甲14 號院內(nèi)儲能電站起火，隨后突發(fā)爆炸，造成2 名消防員犧牲。

表1 全球電化學(xué)儲能電站起火或爆炸部分事故

除常規(guī)電池系統(tǒng)引發(fā)火災(zāi)外，電池系統(tǒng)的冷卻方式同樣帶來了火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。目前電池系統(tǒng)冷卻方式主要分為風(fēng)冷和液冷2 種方式。國內(nèi)外暫未發(fā)生因風(fēng)冷系統(tǒng)故障導(dǎo)致的火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)事故。而當(dāng)采用液冷方式時(shí)，因液冷系統(tǒng)通常安裝在電池模組內(nèi)部，當(dāng)設(shè)備發(fā)生老化或密封性不滿足運(yùn)行要求時(shí)，將會導(dǎo)致電池模組內(nèi)部發(fā)生短路，進(jìn)而引發(fā)火災(zāi)危險(xiǎn)事故。2021 年7 月，位于澳大利亞特斯拉儲能電站的火災(zāi)事故調(diào)查報(bào)告顯示，儲能系統(tǒng)內(nèi)部的液冷系統(tǒng)發(fā)生泄漏，導(dǎo)致電池系統(tǒng)短路，進(jìn)而引發(fā)電子元件起火，而局部過熱造成了電池?zé)崾Э兀M(jìn)而導(dǎo)致大規(guī)?；馂?zāi)爆炸。

2 各類電池特點(diǎn)

目前電池儲能電站的技術(shù)路線主要包括鋰電池、鉛酸蓄電池、液流電池（鋅-溴、全釩、鋅-溴）、鈉硫電池、鎳鎘電池、鎳氫蓄電池和鋅空氣電池等，不同種類的電池特性差別較大。其中，鎳鎘電池由于金屬鎘會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染已基本被淘汰。鎳氫蓄電池、鋅空氣電池分別受制于成本過高和壽命過短，目前應(yīng)用范圍很小。

國家能源局綜合司發(fā)布的《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求（2022 年版）（征求意見稿）》內(nèi)提出，中大型電化學(xué)儲能電站不得選用三元鋰電池、鈉硫電池。此規(guī)定應(yīng)是出于安全考慮。在以往發(fā)生的儲能電站火災(zāi)，以上2 種電池系統(tǒng)引起的火災(zāi)更為嚴(yán)重，并難以撲滅。

2.1 鋰電池

與其他類電池相比，鋰電池具有相對較高轉(zhuǎn)換效率以及較長可使用的壽命。得益于技術(shù)的快速發(fā)展以及成本的下降，目前鋰電池新增應(yīng)用規(guī)模遠(yuǎn)高于其他種類的電池。但是鋰電池技術(shù)的安全問題仍未很好解決，不當(dāng)?shù)厥褂脮斐呻姵責(zé)崾Э亍ｄ囯x子電池?zé)崾Э睾?，電解液?dǎo)電率升高，內(nèi)阻減小，發(fā)生劇烈的電化學(xué)反應(yīng)，分解出的可燃?xì)怏w如CO、CH4等，進(jìn)一步與空氣混合形成爆炸性混合氣體，遇鋰電池噴射出的高溫顆粒，在局部空間會發(fā)生爆燃，導(dǎo)致起火初期經(jīng)常伴有爆炸聲響，最終造成火災(zāi)甚至爆炸。如圖1 所示。

圖1 鋰電池起火過程

鋰電池現(xiàn)階段受到關(guān)注較多的是磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池。與磷酸鐵鋰電池相比，三元鋰電池?zé)崾Э販囟容^低，發(fā)生火災(zāi)時(shí)電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)更為劇烈，反應(yīng)過程中會產(chǎn)生氧分子，進(jìn)而加劇易燃?xì)怏w的燃燒，甚至可能在極短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生爆燃。韓國多采用三元鋰電池系統(tǒng)，而國內(nèi)的鋰電池儲能電站基本均為磷酸鐵鋰電池。

2.2 鉛酸蓄電池

鉛酸蓄電池具有低溫耐受度好、價(jià)格便宜等優(yōu)勢。缺點(diǎn)主要包括高溫耐受性差、不可深度放電、充放電循環(huán)次數(shù)少、循環(huán)壽命短、維護(hù)成本高和能量密度低等。鉛酸電池在充電末期，會因?yàn)檫^度充電引起電解液分解，產(chǎn)生大量H2和O2，當(dāng)蓄電池內(nèi)或空氣中H2的積累量達(dá)到爆炸極限時(shí)，遇到高溫會發(fā)生爆炸。另外，鉛酸蓄電池的排氣孔發(fā)生堵塞時(shí)，電池內(nèi)部壓力快速升高，引起蓄電池變形，進(jìn)而造成蓄電池外殼薄弱處發(fā)生爆裂，引起電池震動，有可能會因?yàn)槟Σ廉a(chǎn)生火花，進(jìn)而引發(fā)爆炸。

鉛酸蓄電池投入使用后，須定期進(jìn)行充電和放電。充放電的目的是檢查蓄電池的運(yùn)行參數(shù)，并促進(jìn)電極的活化反應(yīng)。

2.3 全釩液流電池

全釩液流電池通過正、負(fù)極電解質(zhì)溶液活性物質(zhì)發(fā)生的可逆的氧化還原反應(yīng)實(shí)現(xiàn)電能的充放，其具備深度充放電能力，能夠?qū)崿F(xiàn)快速響應(yīng)并耐受超負(fù)荷工作狀態(tài)。液流電池系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換過程中發(fā)生著火或爆炸的危險(xiǎn)性遠(yuǎn)低于其他電池類儲能，安全性高。及時(shí)正負(fù)極電解液完全混合，電池系統(tǒng)也難以發(fā)生燃燒起火。

但液流電池的缺點(diǎn)同樣明顯，一是能量密度較低，實(shí)際工程中占地面積較大；二是電池液具有一定毒性，為防止電池液滲漏造成污染須額外配套自動檢測裝置；三是液流電池要求的運(yùn)行溫度較為苛刻，一般要控制在5~40 ℃之間；四是液流電池為液流系統(tǒng)，一旦安裝完成，不可輕易搬運(yùn)。

2.4 鈉硫電池

鈉硫電具有能量密度高，充放電效率高，并能夠承受高功率放電等諸多優(yōu)點(diǎn)。但是目前鈉硫電池的安全性能仍不太理想，這是由于鈉硫電池實(shí)際工作溫度較高（在300 ℃左右），一旦電池內(nèi)部電介質(zhì)發(fā)生破損造成處于高溫狀態(tài)的液態(tài)鈉和硫發(fā)生接觸，將引起劇烈的化學(xué)反應(yīng)最終引發(fā)爆炸。2011 年9 月21 日，日本茨城縣的鈉硫電池系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重火災(zāi)，大火持續(xù)2 周時(shí)間才被撲滅。這使得鈉硫電池技術(shù)路線受到質(zhì)疑，其發(fā)展被嚴(yán)重限制。

3 電池系統(tǒng)火災(zāi)特點(diǎn)

儲能電站電池系統(tǒng)的火災(zāi)特點(diǎn)如下。

燃燒速度快、溫度高，撲滅后復(fù)燃性高[1]。電池內(nèi)部存在大量易燃高能量密度物質(zhì)，內(nèi)部一旦出現(xiàn)熱失控，易引起連鎖反應(yīng)最終引發(fā)火災(zāi)爆炸。以鋰電池為例，發(fā)生火災(zāi)后電池的燃燒速度及溫度高于一般電氣設(shè)備，最高溫度甚至能夠超過1 000 ℃。撲滅明火后由于電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)可能未被終止，出現(xiàn)復(fù)燃現(xiàn)象的幾率較高。

電池燃燒過程中伴隨大量氣體產(chǎn)生，一方面逸出氣體成分復(fù)雜，根據(jù)美國消防協(xié)會（NFPA）發(fā)布的試驗(yàn)結(jié)果表明，在火災(zāi)初期電池將釋放包括H2、CO、CH4、苯等在內(nèi)的大量氣體[2]。其中部分氣體如H2、CH4將加速火災(zāi)發(fā)展，而CO、苯等有毒氣體將威脅救援人員人身安全。另外以上氣體的逸出速度極快，如果無法得到有效釋放將引起電池包爆炸。

火災(zāi)被撲滅過程中，即使切斷外界電源，由于電池內(nèi)部能量的存在，部分電池2 端將仍存在電壓，對撲救人員人身安全造成威脅。根據(jù)NFPA 實(shí)驗(yàn)室公布的部分磷酸鐵鋰和三元鋰電池在著火試驗(yàn)前后電壓測試結(jié)果（表2），可看到有的電池在著火后仍保持較高電壓，影響火災(zāi)的撲救。

表2 部分鋰電池點(diǎn)火試驗(yàn)前后電壓變化V

4 電池系統(tǒng)消防系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

儲能電站電池系統(tǒng)火災(zāi)過程可劃分為3 個(gè)階段，分別為預(yù)警階段、遏制階段以及滅火階段。如圖2 所示。消防系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)應(yīng)更根據(jù)3 個(gè)階段各自的特點(diǎn)制定具體措施。預(yù)警階段應(yīng)充分利用監(jiān)控裝置信息提供可靠的事故預(yù)警。遏制階段則是通過預(yù)設(shè)的多級防護(hù)措施在電池系統(tǒng)發(fā)生熱失控等初期問題后，盡量將事故控制在小范圍內(nèi)。而滅火階段則需要依靠提前制定的最為有效的滅火手段降低事故危害及損失。

圖2 火災(zāi)階段劃分

以下從安全預(yù)警、多級防護(hù)、火災(zāi)撲滅3 個(gè)方面對消防系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)具體討論?？紤]到不同種類電池系統(tǒng)具有一定差別，而目前鋰電池應(yīng)用最為廣泛并且發(fā)展最快，本節(jié)以鋰電池系統(tǒng)為例說明消防方案設(shè)計(jì)。

4.1 安全預(yù)警

對電池箱內(nèi)電解液泄露、熱失控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行全天候、連續(xù)性檢測，形成電池系統(tǒng)工作狀況的完整監(jiān)控，為事故預(yù)警提供詳細(xì)數(shù)據(jù)，做到問題早發(fā)現(xiàn)，并有效防止事故誤報(bào)與漏報(bào)的發(fā)生。目前市場上針對儲能消防預(yù)警系統(tǒng)的傳感器，除了對常規(guī)的煙霧、一氧化碳、溫度、火焰監(jiān)測外，還可對電池系統(tǒng)熱失控早期預(yù)警特殊類氣體如氫氣、苯類氣體進(jìn)行探測，后臺分析程序則一方面根據(jù)傳感器實(shí)時(shí)探測結(jié)果，判斷當(dāng)前是否有熱失控發(fā)生的可能；另一方面，則通過對比電池防爆閥打開前后一氧化碳、氫氣等氣體濃度的變化情況，判斷已發(fā)生熱失控電池的狀態(tài)，為儲能電站人員下一步?jīng)Q策行動提供依據(jù)，降低對儲能電站內(nèi)人員人身安全的威脅。

4.2 多級防護(hù)

儲能電站內(nèi)的消防系統(tǒng)可采用多級防護(hù)設(shè)計(jì)形式，分別對電池單元體、電池柜體、儲能集裝箱防護(hù)和外部消防防護(hù)設(shè)置4 級消防防護(hù)。對電池單元體，利用巡檢裝置對每個(gè)電池單元體當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行檢測，一旦發(fā)生過充或溫度過高可能，防護(hù)系統(tǒng)能及時(shí)將信息上報(bào)至運(yùn)維人員，判斷是否需采取應(yīng)急措施防止情況惡化。對電池柜整體，可將預(yù)警系統(tǒng)接入電池管理系統(tǒng)后臺，采用聯(lián)動式策略，一旦發(fā)生火災(zāi)及時(shí)切斷電池柜內(nèi)外電源聯(lián)系，并利用柜內(nèi)滅火裝置阻止火災(zāi)發(fā)展。儲能集裝箱防護(hù)則在電池單元體、電池柜體內(nèi)部火災(zāi)未得到有效控制，火情在集裝箱內(nèi)部進(jìn)一步擴(kuò)大時(shí)，及時(shí)關(guān)閉空調(diào)、排風(fēng)等系統(tǒng)，啟動集裝箱內(nèi)預(yù)先裝設(shè)的氣體滅火裝置，阻止火災(zāi)進(jìn)一步蔓延。外部消防防護(hù)則在火災(zāi)蔓延趨勢已形成并存在繼續(xù)擴(kuò)大的情況下，以大量雨淋式水消防來控制火情，為下一步消防救援爭取時(shí)間。

4.3 火災(zāi)撲滅

根據(jù)我國現(xiàn)行GB/T 4968—2008《火災(zāi)分類》標(biāo)準(zhǔn)可知，鋰電池系統(tǒng)起火主要表現(xiàn)為C 類氣體火災(zāi)。我國尚未形成針對撲滅電池類火災(zāi)的滅火劑的有效性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及方法。目前使用較多的滅火劑包括干粉滅火劑、凝膠滅火劑、惰性氣體滅火劑（如二氧化碳）等。很多國家機(jī)構(gòu)對不同類型滅火劑在電池類火災(zāi)中發(fā)揮作用進(jìn)行了試驗(yàn)研究，各類滅火劑滅火特性差別較大（表3）[3]。

表3 各類滅火劑滅火特性

電池系統(tǒng)一旦出現(xiàn)明火后，宜針對火災(zāi)發(fā)展的各個(gè)階段采取不同的撲滅措施?；馂?zāi)初始階段一般是整個(gè)電池火災(zāi)過程中火焰溫度最高的階段，利用自動滅火裝置噴放氣體滅火劑（如七氟丙烷）降低鋰電池的火焰強(qiáng)度，將有效控制火災(zāi)范圍并減小火災(zāi)損失。此過程需注意適當(dāng)打開泄壓口，防止由于氣體大量產(chǎn)生造成環(huán)境壓強(qiáng)過大而引起危險(xiǎn)[4]。電池起火采用水淹沒的方式可以有效冷卻電池并中和熱威脅，因此，在火災(zāi)發(fā)生中后期利用大量水或水基型滅火劑進(jìn)行滅火降溫是較為有效的措施，如果現(xiàn)場條件允許，也可采用水浸沒方式來控制電池火災(zāi)。

5 結(jié)束語

當(dāng)前中國可再生能源正處于快速大規(guī)模發(fā)展時(shí)期。而在可再生能源發(fā)展中，儲能占據(jù)極其重要的地位。但是目前儲能的安全問題尚未得到妥善解決，國內(nèi)也尚未形成針對電池類儲能系統(tǒng)消防安全的具體檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)以及規(guī)范。本文著重探討了儲能電站電池系統(tǒng)火災(zāi)特點(diǎn)以及相應(yīng)的消防設(shè)計(jì)要點(diǎn)，為儲能電站未來的建設(shè)與安全運(yùn)行提供一定的參考意見。