儲(chǔ)能電站消防安全現(xiàn)狀與火災(zāi)防控措施探析

余曉玲

摘要：近年來(lái)，隨著儲(chǔ)能市場(chǎng)的逐步升溫，一系列諸如光伏儲(chǔ)能電站、電化學(xué)儲(chǔ)能電站等迅速發(fā)展起來(lái)。然而盡管儲(chǔ)能電站擁有著較大的市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿Γ捎诨瘜W(xué)電池一旦起火，極易引發(fā)爆炸，造成嚴(yán)重的人員傷亡或損失，如何確保消防安全已然成為時(shí)下建設(shè)新儲(chǔ)能電站時(shí)亟需思考的問(wèn)題。對(duì)此，本文主要從儲(chǔ)能電站的火災(zāi)危險(xiǎn)性及儲(chǔ)能電站事故產(chǎn)生的原因等方面著手，就當(dāng)前儲(chǔ)能電站消防安全現(xiàn)狀加以分析，并有針對(duì)性的提出火災(zāi)防控策略。

關(guān)鍵詞：儲(chǔ)能電站;消防安全;火災(zāi);防控

一、儲(chǔ)能電站基本概述

1、儲(chǔ)能電站的構(gòu)成

儲(chǔ)能電站所采用的電池主要由兩種材料構(gòu)成，一種是三元電池，另一種是磷酸鐵鋰電池。由多種單體電池以并聯(lián)或串聯(lián)等方式構(gòu)成一個(gè)電池模組，產(chǎn)生電池包，許多個(gè)電池包便構(gòu)成了儲(chǔ)能系統(tǒng)。由此可見(jiàn)，儲(chǔ)能系統(tǒng)的構(gòu)成涵蓋多個(gè)單體電池，但這也在無(wú)形中加劇了鋰電池安全隱患的發(fā)生。如果某一個(gè)單體電池因受到自身或者外界等諸多因素的影響而失控，引發(fā)火災(zāi)，勢(shì)必會(huì)對(duì)周邊鋰電池的安全構(gòu)成威脅，導(dǎo)致熱失控向多個(gè)范圍蔓延。本文所研究的儲(chǔ)能電站使用的電池以磷酸鐵鋰電池為主，這種電池安全性較好，即便鋰電池產(chǎn)生了熱失控現(xiàn)象，一些諸如甲烷、一氧化碳、碳酸二甲酯等易燃易爆氣體也會(huì)通過(guò)電解液被釋放出來(lái)。但需要注意的是，這些氣體一旦與空氣混合便會(huì)產(chǎn)生爆炸性的混合物，遇到火源會(huì)引發(fā)劇烈的爆炸。

2、儲(chǔ)能電站的火災(zāi)危險(xiǎn)性

電化學(xué)儲(chǔ)能電站主要是借助可充放電的電池來(lái)進(jìn)行電能儲(chǔ)存的。近年來(lái)，伴隨著電池技術(shù)的進(jìn)步，以鋰離子電池為主的電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)得以迅猛發(fā)展并普及。不同于鉛酸或鈉硫等電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)除了具備較高的能量密度及轉(zhuǎn)換效率以外，其使用壽命也比較長(zhǎng)。然而由于鋰離子電池所采用的有機(jī)電解液沸點(diǎn)比較低，易燃性較強(qiáng)，并且材料體系的熱值偏高，一旦電池本體或者電氣設(shè)備等出現(xiàn)故障，極易促使電池材料的放熱副反應(yīng)被觸發(fā)，造成電池?zé)崾Э噩F(xiàn)象，更有甚者還會(huì)因儲(chǔ)能系統(tǒng)的燃燒爆炸引發(fā)更大的安全隱患。鋰離子電池在具體使用環(huán)節(jié)，一般是以鋰離子在正負(fù)兩極之間的嵌入與脫出來(lái)完成電能儲(chǔ)存的，倘若鋰離子電池的使用出現(xiàn)差錯(cuò)，那么當(dāng)處于高溫或碰撞等環(huán)境下時(shí)，就有可能觸發(fā)電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而引起熱失控。如果熱失控在電池模組內(nèi)不斷進(jìn)行傳播，還容易導(dǎo)致儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)生燃燒爆炸等危險(xiǎn)事故。

二、儲(chǔ)能電站消防安全現(xiàn)狀及成因

1、儲(chǔ)能電站消防安全管理的現(xiàn)狀

電化學(xué)儲(chǔ)能中電池組的安全問(wèn)題一直備受關(guān)注，并逐漸成為儲(chǔ)能電站中的主要安全問(wèn)題之一。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，截止到2020年年底，在全球范圍內(nèi)，電化學(xué)儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模累計(jì)達(dá)到14.2GW，其中，僅我國(guó)新增的裝機(jī)規(guī)模就達(dá)到1.56GW，總規(guī)模約為3.27GW，在全國(guó)總增長(zhǎng)規(guī)模中所占比重高達(dá)86%。預(yù)計(jì)到2025年，我國(guó)的電化學(xué)儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模將達(dá)到24GW。然而伴隨電化學(xué)儲(chǔ)能電站的快速發(fā)展，一系列消防安全問(wèn)題隨之而來(lái)。由于在電化學(xué)儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模中，鋰離子電池裝機(jī)所占比重達(dá)到82%以上，電池組（堆）已然成為儲(chǔ)能電站消防安全中最大的隱患。雖然早在2014年，我國(guó)便制定了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 51048—2014《電化學(xué)儲(chǔ)能電站設(shè)計(jì)規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱為《規(guī)范》），但《規(guī)范》中僅僅提到了對(duì)站內(nèi)建筑物的火災(zāi)加以防范，并沒(méi)有專門針對(duì)鋰電池等儲(chǔ)能單元進(jìn)行自動(dòng)消防設(shè)施的設(shè)置。相較于電動(dòng)汽車行業(yè)近100項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)針對(duì)儲(chǔ)能行業(yè)所推出的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)不足20項(xiàng)，有關(guān)消防安全方面的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)至今仍舊處于空白。

相關(guān)資料顯示，我國(guó)于2014年正式開(kāi)始進(jìn)行新能源汽車的發(fā)展，但由于新能源汽車不斷出現(xiàn)安全事故，對(duì)此，我國(guó)針對(duì)新能源電動(dòng)汽車的消防安全與管理問(wèn)題相繼制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)。到了2017年，我國(guó)制定出具有強(qiáng)制性的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 7258—2017《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》（以下簡(jiǎn)稱為《條件》），明確規(guī)定，在汽車報(bào)警后的五分鐘之內(nèi)，不應(yīng)起火爆炸。2019年，我國(guó)又針對(duì)城市公共汽電車車輛專用安全設(shè)施出臺(tái)了JT/T1240—2019《城市公共汽電車車輛專用安全設(shè)施技術(shù)要求》，2020年又提出GB 38031—2020《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求》，再一次對(duì)五分鐘的預(yù)警問(wèn)題做出了明確規(guī)定，要求當(dāng)出現(xiàn)熱事故時(shí)，應(yīng)第一時(shí)間為駕乘人員提供報(bào)警信號(hào)。就當(dāng)前來(lái)看，真正與鋰電池火災(zāi)防控相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)只有《電動(dòng)客車鋰離子動(dòng)力電池箱火災(zāi)防控裝置通用技術(shù)要求》，這條標(biāo)準(zhǔn)也是應(yīng)急管理部消防產(chǎn)品合格評(píng)定中心針對(duì)產(chǎn)品所提出的標(biāo)準(zhǔn)，即便一些產(chǎn)品獲取到技術(shù)鑒定證書（非三元體系鋰電池），但也僅僅只能在體量比較小的車用鋰電池箱中適用，很難滿足容量較大的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置火災(zāi)防控的相關(guān)要求。直到2019年8月，我國(guó)才相繼出臺(tái)了一系列諸如《動(dòng)力電池梯次利用儲(chǔ)能電站火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指南》、《動(dòng)力電池梯次利用儲(chǔ)能系統(tǒng)消防安全技術(shù)條件》等與儲(chǔ)能系統(tǒng)有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，首次提出應(yīng)在儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行火災(zāi)探測(cè)器的設(shè)置，并將其與儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)的斷電裝置聯(lián)動(dòng)使用等要求。旨在確保當(dāng)鋰離子電池出現(xiàn)熱失控等故障時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以自行進(jìn)行斷電，并對(duì)外發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

2、儲(chǔ)能電站安全事故的成因

對(duì)于鋰離子儲(chǔ)能系統(tǒng)而言，其之所以產(chǎn)生安全隱患，很大一方面原因在于以下幾點(diǎn)：

一是受到電池本體的影響。通常來(lái)講，電池在制造過(guò)程中倘若出現(xiàn)瑕疵，或者電池因長(zhǎng)期使用老化失效等，都可能會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全性遭到退化。

二是運(yùn)行環(huán)境。當(dāng)電池受到非常規(guī)運(yùn)行環(huán)境與管理因素等方面的影響時(shí)，電池內(nèi)部老化的過(guò)程會(huì)逐步趨于復(fù)雜，從而引發(fā)安全事故。

三是管理系統(tǒng)。當(dāng)前，我國(guó)的儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)尚處于大規(guī)模應(yīng)用的初級(jí)階段，電池的性能指標(biāo)還不清晰，規(guī)劃設(shè)計(jì)相對(duì)單一，也沒(méi)有完善的消防技術(shù)作為支撐，以致于電化學(xué)儲(chǔ)能電站在性能和安全等方面還存在著諸多問(wèn)題，構(gòu)建完善的儲(chǔ)能技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與管理系統(tǒng)尤為必要。

三、儲(chǔ)能電站火災(zāi)防控措施

儲(chǔ)能電站的安全問(wèn)題并不僅僅局限于鋰電池，儲(chǔ)能系統(tǒng)的任何一個(gè)環(huán)節(jié)如果發(fā)生故障，都可能引發(fā)安全事故，其中，安全風(fēng)險(xiǎn)與安全處置是儲(chǔ)能電站安全問(wèn)題的核心所在，安全風(fēng)險(xiǎn)主要涵蓋儲(chǔ)能系統(tǒng)和部件的電氣安全、化學(xué)安全以及火災(zāi)爆炸安全等方面的風(fēng)險(xiǎn);安全處置包括對(duì)消防安全的設(shè)計(jì)、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)以及應(yīng)急處置的設(shè)計(jì)等等。本文重點(diǎn)對(duì)以鋰離子電池為主的電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的火災(zāi)防控措施進(jìn)行研究。

1、建立健全火災(zāi)預(yù)警控制系統(tǒng)

鋰電池火災(zāi)從爆發(fā)到迅速蔓延，一般都是因首節(jié)單體電池出現(xiàn)熱失控后，相鄰的電池受到熱傳導(dǎo)或熱輻射等作用后出現(xiàn)熱失控的連鎖反應(yīng)，而造成整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)故障。電池出現(xiàn)事故通常經(jīng)歷了泄露、起火到最終爆炸這三個(gè)過(guò)程，電池溫度出現(xiàn)異常升高現(xiàn)象、電壓掉落等等，都有可能觸發(fā)熱失控。對(duì)此，儲(chǔ)能電站的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)可以結(jié)合單個(gè)集裝箱進(jìn)行獨(dú)立的報(bào)警區(qū)域的設(shè)置，利用鋰電池火災(zāi)專用的探測(cè)報(bào)警器，對(duì)早期的電池泄露等現(xiàn)象進(jìn)行檢測(cè)，并實(shí)時(shí)接收到火災(zāi)報(bào)警和聯(lián)動(dòng)控制信號(hào)，從而第一時(shí)間采取相應(yīng)的火災(zāi)防控措施。

2、合理設(shè)置自動(dòng)滅火系統(tǒng)

為了有效防止儲(chǔ)能電站火災(zāi)事故的發(fā)生，除了應(yīng)根據(jù)GB 51048—2014《電化學(xué)儲(chǔ)能電站設(shè)計(jì)規(guī)范》，將站內(nèi)建筑物的火災(zāi)防控問(wèn)題充分考慮在內(nèi)以外，還應(yīng)在儲(chǔ)能電站的電池集裝箱內(nèi)部進(jìn)行自動(dòng)滅火系統(tǒng)的配置，并結(jié)合儲(chǔ)能電站鋰電池火災(zāi)的特征，合理進(jìn)行火災(zāi)報(bào)警及滅火邏輯的設(shè)置，必要時(shí)可以按照探測(cè)器所探測(cè)出的電池參數(shù)，進(jìn)行完善的火災(zāi)預(yù)警機(jī)制的構(gòu)建。一般來(lái)講，儲(chǔ)能電站的消防控制室應(yīng)具備啟動(dòng)滅火系統(tǒng)的權(quán)利，倘若發(fā)出一級(jí)報(bào)警動(dòng)作信號(hào)，相關(guān)人員應(yīng)在第一時(shí)間內(nèi)將電池一側(cè)與外部電氣之間的連接切斷，觸發(fā)聲光報(bào)警按鈕;如果發(fā)出二級(jí)火災(zāi)探測(cè)器或者感溫探測(cè)器的動(dòng)作信號(hào)，則應(yīng)啟動(dòng)自動(dòng)滅火系統(tǒng)。

儲(chǔ)能電站鋰電池自動(dòng)滅火系統(tǒng)在選擇滅火劑方面一直是一大難題。以往在面對(duì)鋰電池?zé)崾Э噩F(xiàn)象時(shí)，所采用的滅火劑大多都以氣體或者干粉等為主，但這種滅火劑由于降溫效果比較差，很難從根本上抑制鋰電池火災(zāi)的爆發(fā)。之后雖然出現(xiàn)了一系列相對(duì)成熟的滅火劑，如水噴淋系統(tǒng)技術(shù)等，但快速滅火后很容易引發(fā)儲(chǔ)能電站內(nèi)電池的短路甚至損壞電池。如部分學(xué)者進(jìn)行了水霧滅火試驗(yàn)，結(jié)果顯示，當(dāng)鋰離子電池處于完全自由燃燒的狀態(tài)下滅火，能夠快速抑制火焰的噴發(fā)，電池的溫度會(huì)不斷升高，此時(shí)在電池上施加適量的水霧，可以使熱失控蔓延的時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)，但一旦停止了噴射，又會(huì)產(chǎn)生新的火花，導(dǎo)致火焰復(fù)燃，引發(fā)電池的二次熱失控。也有一些學(xué)者利用七氟丙烷進(jìn)行滅火試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，七氟丙烷在釋放時(shí)會(huì)因壓力過(guò)大對(duì)火焰產(chǎn)生一定的沖擊，達(dá)到較好的滅火效果，同時(shí)還具有隔離氧氣的作用，但之后還是存在復(fù)燃的可能性。還有少數(shù)學(xué)者進(jìn)行了全氟己酮滅火試驗(yàn)，結(jié)果顯示，在沒(méi)有使用全氟己酮之前，會(huì)有明顯的射流火出現(xiàn)，使用后電池沒(méi)有再出現(xiàn)明火，可卻有大量的煙氣被釋放出來(lái)，并沒(méi)有起到很好的降溫效果。但通過(guò)將全氟己酮與細(xì)水霧相結(jié)合展開(kāi)試驗(yàn)，結(jié)果表明，電池的峰值溫度大大降低，能夠起到快速降溫效果。總之，儲(chǔ)能系統(tǒng)在發(fā)生火災(zāi)后，倘若無(wú)法第一時(shí)間滅火，勢(shì)必會(huì)加劇損失，更有甚者還會(huì)威脅到人們的生命健康。因此，在選用滅火裝置時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮是否能夠快速滅火、是否具備良好的降溫效果等因素。

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