基于磷酸鐵鋰電池預制艙的儲能電站安全建設管理流程探析

陳祺煒 王曉峰 劉洪亮 高 飛 蔡可慶

（國網江蘇省電力有限公司南京供電分公司，江蘇 南京 210019）

0 引言

2021年，“碳達峰、碳中和”首次進入政府工作報告，國家電網公司積極響應，率先垂范，推動建設以新能源為主體的新型電力系統，大力發展綜合能源、港口岸電等儲能關聯業務以穩定和優化用戶用能服務，同時大規模投入儲能系統參與電網調峰調頻，實現毫秒級功率調節，保障電網安全穩定運行。但是，隨著電化學儲能的規模化應用，其消防安全問題愈發引人注目，如2021年4月16日，北京豐臺區一儲能電站在調試階段起火爆炸，造成2人死亡。因此，本文從建設流程入手，重點把握施工圖階段的平面布置和消防配置“兩個要點”，出廠檢驗階段的短路、過充、過放試驗“三個合格”以及施工階段的應急預案、開箱檢查、安裝調試和三級自檢“四個關鍵”，打造了一套重點突出、可執行性強、適用性廣的安全建設管理流程。

1 施工圖會審定基調

1.1 儲能電站基本情況

金牛湖（桂山變）綜合能源站配置了100 kW/200 kW·h儲能、20 kW光伏和240 kW充電樁，其中儲能電池和儲能變流器（PCS）系統放置在預制艙內部，并同場地放置控制機柜存放工控機和電池監控系統，采集和記錄電池運行數據并對電池進行管理。該綜合能源工程儲能單元配置與傳統儲能電站相似，故安全建設管理流程具有適用性。

1.2 總平布置要求

考慮到電池預制艙火災危險性較大，圖紙會審時應當結合GB 50016—2014《建筑設計防火規范》[1-2]，根據儲能電站的規模、地理位置和變電站的關系，對施工圖紙中儲能艙的總平布置提出如下要求：

（1）儲能站站址經過初步設計評審后已經定型，應復核周邊是否有新建的甲、乙類廠房。

（2）電池預制艙應集中單層布置，與其他功能區分開，避免造成大范圍火災損失。

（3）電池預制艙與站內其他構筑物防火間距應不小于表1的規定，如果用地緊張，應考慮建設實體圍墻和防火墻，其長度和高度應該超過預制艙外廓各1 m。

表1 電池預制艙與站內其他建（構）筑物、設備的間距

根據上述要求，金牛湖（桂山變）綜合能源站總平布置如圖1所示。

1.3 防火設計要求

艙體內防火應當根據T/CEC 373—2020《預制艙式磷酸鐵鋰電池儲能電站消防技術規范》配置足夠數量的消防報警、探測和滅火裝置[3-5]。

（1）電池預制艙內應設置可燃氣體探測器、溫感探測器和煙感探測器，每種探測器不應小于2個。

（2）電池預制艙內應設置固定式自動滅火系統。

（3）電池預制艙應設置凈寬度不小于0.9 m的外開門。

（4）艙內應設置至少2套防爆型通風裝置，排風口至少上下各1處。

（5）室外消火栓采用地上式，數量不少于2個，設計流量不應小于20 L/s。

金牛湖（桂山變）綜合能源站儲能艙內部的總平面布置如圖2所示。

圖2 金牛湖（桂山變）綜合能源站儲能艙總平圖

儲能預制艙被分割為兩部分，一個房間安裝儲能機柜及蓄電池組機柜，另一個房間安裝光伏逆變器，兩個房間均配置了煙感探測器、手動報警按鈕和聲光報警器，滅火器箱布置于儲能艙角落。艙內配置了一套無管網七氟丙烷氣體滅火系統，能夠在68 ℃高溫條件下自動噴灑滅火，也可以接收火災報警控制主機的控制信號。消防設備信號已接至控制艙內的消防主機，通過智能輔助信號上傳至遠端監控平臺。整站的滅火控制原理如圖3所示。

圖3 金牛湖（桂山變）綜合能源站滅火控制原理

2 出廠試驗強基礎

磷酸鐵鋰儲能電池在遭遇長時間過熱、短路或過度充放電等濫用工況時，會在熱行為、電化學行為上發生一系列副反應，并同步推高電池溫度，最終導致電池熱失控和燃燒。因此，電池出廠前應當要求廠家提供型式試驗報告或在廠內抽樣做過充、過放和短路試驗，在確保合格的情況下運輸至現場安裝。本章簡要介紹三種出廠試驗的試驗方法和判斷標準。工程采購的電池模塊具體參數如表2所示。

表2 磷酸鐵鋰電池單體技術規格

2.1 過充、過放試驗

當電池過充時，鋰離子大量脫出，形成較大的極化電阻和電勢，使電池電壓快速升高，釋放大量的氧氣和熱量，使電解液分解和集流體腐蝕，產生的氣體和熱量會使電池發生燃燒甚至爆炸[6]。

電池單體過充試驗按照下列步驟進行：

（1）電池單體初始化充電；

（2）電池單體以271 A恒流充電至電壓達到電池充電終止電壓的1.5倍或時間達到1 h時停止充電；

（3）觀察1 h，記錄是否有膨脹、漏液、冒煙、起火、爆炸現象。

如未起火和爆炸，試驗合格，過放電試驗步驟類似，第二步調整為電池單體以恒流271 A放電至時間達到90 min或電壓達到0 V時停止放電，如未起火和爆炸，試驗合格。

2.2 短路試驗

電池模組短路后，短接線或模組內部金屬連接件易在短時間內被大電流熔斷，各串聯節點電壓出線驟減，使電池模組積聚熱量，進一步造成熱失控與燃燒[7]。

電池單體短路試驗按照下列步驟進行：

（1）電池單體初始化充電；

（2）將電池單體正、負極經外部短路10 min，外部線路電阻應小于5 mΩ；

（3）觀察1 h，記錄是否有膨脹、漏液、冒煙、起火、爆炸現象。

如未起火和爆炸，試驗合格。

以上三種試驗是模擬環境和人為因素導致磷酸鐵鋰電池內部熱失控的情況，也是現有的儲能電站燃燒、爆炸事故的根本原因。因為金牛湖（桂山變）綜合能源工程采購的電池容量較小，廠家安排出廠試驗和定期抽檢合并，抽樣后的單體樣品在過充試驗后如圖4所示，未發生膨脹、漏液、冒煙、起火、爆炸現象。

圖4 過充電試驗后的樣品圖片

在保證檢測合格的同時，也要加強電池管理系統的風險預警監測和對電池充放電的可靠控制。

3 施工安全管控補漏洞

當施工圖審核通過、電池出廠試驗合格，施工項目部將組織設備、器材、人員進場按圖施工。考慮到現場施工人員的素質和態度良莠不齊，因為安裝調試失誤而造成的儲能電站安全事故屢見不鮮。為了便于現場施工標準化管理，本章提出了一套標準化施工安全管控措施。

3.1 應急預案

進場前由施工項目部技術員因地制宜地制定火災等事故應急預案，經過施工、監理、業主項目部負責人審批合格后執行。

金牛湖（桂山變）綜合能源站施工應急預案中對工作場所、事故特征、崗位職責、處置措施和注意事項進行了明確闡述，提出了諸如發生火災和冒煙時第一時間拉開箱式變壓器低壓側開關，使用現場配置的滅火器站在上風側滅火，送醫路線等內容。

3.2 開箱檢查

電池經過裝卸車、運輸等過程，存在跌落、碰撞、擠壓的可能性，為了避免電池損傷，監理項目部應組織現場電池模塊的開箱檢查，如有條件宜邀請廠家技術服務人員共同開箱見證。檢查過程中應注意：

（1）電池模塊外殼無穿透性損傷；

（2）固定螺釘及預埋螺母處塑膠件無破損和裂紋；

（3）電池正負極引出極耳處無短路燒傷，正負極引出預埋螺母無松動、脫落、短路燒傷；

（4）檢查電池模塊開路電壓是否正常，是否存在漏液等現象。

上述注意事項由監理項目部編制開箱檢查卡片，專業監理和施工項目部質檢員填寫后簽字確認。

3.3 安裝調試

安裝調試是整個施工流程中風險最高的環節，大量的儲能站火災爆炸事故均發生于此階段。因此，除了站班會和技術交底等常規組織措施外，在安裝過程中應當引入操作復驗制度，由專業監理和安全員對當日安裝成果進行復驗糾偏；在帶電調試過程中應當引入唱票復誦制度，由調試人員對下一個工作日的工作內容和注意事項提前擬票，經過工作負責人審核通過后，在安全員監護下執行。執行過程中，操作人員對操作步驟和安全措施進行誦讀，安全員確認無誤后方可操作。

安裝調試的技術和安全方面應當注意如下事項：

（1）保證安裝環境干凈，無污水、滴水，避免陽光直射，溫度宜為5～45 ℃，濕度宜為5%～75%。

（2）安裝人員應經過專業培訓合格，做好安全防護，佩戴絕緣手套，穿勞保鞋，摘下金屬佩戴物。

（3）安裝前應檢查電池模塊開路電壓是否正常。

（4）電池模組因為空間限制而無法采用吊裝設備，30 kg以上的模塊應兩人搬抬，安裝高度不宜超過1.5 m。

（5）注意電池模塊極性，保證極性安裝正確。

（6）電池模塊連接線不宜留有裕度，不得強扯、擠壓、扭轉線束。

（7）嚴禁使用金屬工具對接插件處進行操作。

（8）嚴禁把不同容量、不同性能的電池模塊連接在一起使用。

（9）并聯前應測試每個模塊電壓，壓差在500 mV內方可并聯；多電池模塊并聯時，遵循先串聯后并聯的連接方式。

（10）投運前重點檢查電池簇的總電壓及正負極，確保安裝正確。

3.4 三級自檢

參照《國家電網有限公司輸變電工程施工分包安全管理辦法》要求[8]，儲能電站安裝調試結束后由施工承包商組織班組自檢、施工項目部復檢和公司級專檢。儲能電站在帶電調試前和交付資產接收方驗收前應該分別組織開展三級自檢，驗收檢查結果組卷留存。

4 結束語

本文結合時下通用的磷酸鐵鋰儲能電池消防技術規范，以金牛湖（桂山變）綜合能源站示范工程的管理流程為例證，提出了一套基于磷酸鐵鋰電池預制艙的儲能電站安全建設管理流程。本流程旨在面向不確定性的設計、設備和施工質量，通過施工圖會審杜絕消防和平面布置的設計失誤，通過出廠試驗見證保障電池模塊基本質量，通過施工現場管控規范化施工流程和彌補施工缺漏，把控建設關鍵節點，為儲能電站的標準化建設提供理論依據和實施方案。