電化學儲能站消防系統解析及應用研究

摘要：隨著新能源技術的快速發展，儲能系統在電力、交通、通信等多個領域的應用日益廣泛。然而，儲能系統的安全問題，尤其是鋰電池儲能系統的火災風險，一直是行業關注的焦點。本文將對市場上常見的電化學儲能站消防系統進行解析，并通過真實的案例，探討如何通過科學合理的設計，確保儲能系統安全運行。

關鍵詞：電化學儲能站；消防設計；消防系統

引言

當前，我國可再生能源正處于快速發展時期。在可再生能源發展中，儲能占據極其重要的地位。目前儲能安全問題尚未得到妥善解決，儲能柜排布緊湊，結構定制化，常規的消防設計方案并不適用。本文著重探討了儲能電站電池系統火災特點以及相應的消防設計要點，針對儲能系統的特點和需求，通過分析早期預警、快速響應和精準滅火等技術特點，旨在最大限度減少火災風險并保障系統運行的安全性，使可再生能源、低碳經濟及離網電力具有更高的價值，為儲能電站未來的建設與安全運行提供參考。

一、儲能系統火災成因及危害特性

（一）電池熱失控

鋰離子電池等常用儲能電池在過充、過放、短路、高溫等異常條件下易發生熱失控，產生大量熱量和可燃氣體，是引發火災的直接原因[1]。

（二）管理維護不當

缺乏有效的定期檢查、維護以及不合理的布局設計，如電池間未設置足夠的防火間距、通風不良等，均可能增加火災風險。

（三）外部環境因素

極端天氣條件（如高溫、雷擊）或外部火源（如電氣短路、人為縱火）也可能觸發儲能站火災。

（四）火勢蔓延迅速

電池熱失控后釋放的可燃氣體一旦被引燃，將迅速形成猛烈燃燒，加之電池密集排列，火勢極易在短時間內蔓延。

（五）高溫與毒性氣體

火災中產生的高溫不僅威脅人員安全，還能加速電池材料分解，釋放有毒有害氣體（如氟化氫、一氧化碳等），增加救援難度和人員傷亡風險。

（六）爆炸風險

電池內部壓力積累到一定程度時可能發生爆炸，進一步加劇火勢，擴大破壞范圍。

二、儲能系統火災隱患

（一）電氣類火災隱患

電氣火災主要源自鋰電池儲能系統中存在的大量電氣設備，包括PCS、變壓器直流回路、配電系統等。系統中的高電壓、大電流勢必對儲能系統影響很大，同時也會對儲能系統的保護元器件造成損壞，導致無法進行保護動作甚至引起火災[2]。

（二）電池類火災隱患

電池火災通常源于其內部材料和結構特性。在生產、運輸、安裝及使用等環節，若質量控制不當或操作不規范，將顯著增加電池發生熱失控的風險。熱失控是指電池內自發的放熱連鎖反應導致溫度急劇升高的一種無法控制的狀態[3]。一旦由此產生的熱量超過了電池外部能夠有效散發的量，可能導致過熱現象，并伴隨氣體釋放，嚴重時甚至會造成起火或爆炸事故。鋰電池儲能系統的電池模組是將多個電池組串聯一起的設計，這無疑也增加了鋰電池的安全隱患。

三、消防預警、報警及滅火控制策略

由于電池預熱艙具有帶電特性，火災發生時導致儲能電池在密閉環境中燃燒，目前的消防反應動作為“先斷電，后滅火”，因此電池預制艙在成組布置時，需要考慮火災蔓延，必須保留足夠的防火間隔空間[4]。滅火系統控制組件在接收到預警信號或火災信號后，根據既定滅火策略，自動啟動滅火系統，同時關閉運行中的電氣設備。當巡視人員發現火情但滅火系統未自動啟動時，人員應手動啟動滅火設備。當艙內斷路器拒跳時，經維護人員人工監控視頻判斷火災，通過電池管理系統（BMS）給控制主機發出斷路器跳開信號，控制主機啟動，對應瓶組容器閥及選擇閥實現遠程啟動滅火。

四、電化學儲能站消防系統總體設計

（一）站址選擇與平面布置

電化學儲能站站址選擇應因地制宜、合理利用，同時考慮交通運輸、防洪防澇，遠離歷史文物保護區、水源保護地、危險區域等場所。儲能電站的平面布置分為兩種方式。一種將儲能電池艙設置于建筑內，耐火等級不應低于二級，另一種將電池艙布置在室外機中，采用豎向布置。兩種布置方式與站內其他建（構）筑物、設備的防火間距及與站外其他建（構）筑物的防火間距均應符合GB51048的規定。電池預制艙應單層布置，單個防火單元內所有電池艙的電池額定能量之和不宜大于10mW·h。相鄰防火單元的電池艙防火間距不應小于3m，電池艙開門側防火間距還應滿足檢修和滅火救援要求。當采用防火墻時，防火間距不限。防火墻的耐火極限應不小于3h，防火墻長度、高度均應超出預制艙外廓各1m。儲能電站應設置圍欄或圍墻，電池預制艙與圍墻或圍欄的間距不宜小于5m。當小于5m時，可采用實體圍墻，高度不低于電池預制艙外廓。儲能電站站區應至少設置一個供消防車輛進出的出入口，出入口凈寬、凈高不小于5m。站區內宜設置環形消防車道，如確有困難時應設置回車場。消防車道其他要求還應符合GB50016、GB55037的相關規定[5]。

（二）消防設施設置與配備

消防給水和消火栓系統：消防水源應有可靠的保證，用水量應按同一時間內的火災起數和一起火災滅火所需最大用水量計算；室外消火栓應考慮數量、出水量及配件量。固定自動滅火系統：滅火系統應滿足撲滅模塊級電池明火且不復燃的要求，系統應根據“先斷電、后滅火”的原則。防爆措施：電池艙應設置可燃氣體探測裝置，報警和故障信息應上傳到監控系統，響應信號應能同時接入通風和火災自動報警系統，通風系統應采用防爆型[6]。火災自動報警及其聯動控制系統：聯動控制裝置宜設置在設備室，電池艙外應設置手動報警按鈕，艙內設置可燃氣體探測器、感溫探測器和感煙探測器。消防用電：儲能電站消防用電應采用一級負荷供電，線路應滿足火災時連續供電的需要，應急照明應符合GB51309的規定。消防器材與其他：在設備室及艙外配置滅火器及其他滅火器材，設備室應設置防止雨雪、風沙、小動物進入的設施。

（三）儲能箱體消防系統設計

1.全淹沒滅火系統

全淹沒滅火系統指在系統設定時間內，向防護區噴放設計規定用量的氣體滅火劑，并使其均勻地充滿整個防護區的滅火系統。通常電化學儲能站消防系統會選擇七氟丙烷，實驗表明鋰電池在密閉情況下起火，七氟丙烷能夠迅速滅火，在密閉環境下不會復燃。此外，超細干粉、全氟乙酮及二氧化碳也能夠迅速滅火。七氟丙烷因其快速響應能力和防復燃特性而受到青睞。全氟己酮作為一種新興選擇，雖然在密閉環境下不會引發復燃，但由于認證限制，其應用尚不普遍。

2.氣體滅火系統與噴淋系統的結合

電化學儲能站消防系統設計了氣體滅火系統，同時加裝噴淋。如果火勢兇猛，噴淋啟動，在供水比較充足的情況下，正常是可以將火災完全抑制的；如果供水不充分，也能給消防人員處理爭取到更多寶貴時間。氣體滅火系統與噴淋系統的結合，考慮了鋰電池在明火被快速熄滅后還需要水進行冷卻的特點。在火災發生初期，氣體滅火系統迅速響應，控制火勢；在火勢較大時，啟動噴淋系統以完全撲滅火情。

3.PACK級滅火方案

PACK級防護是指以電池模塊為單位進行消防保護的方案。電化學儲能站PACK級滅火，通過復合探測器、管路電磁閥、滅火裝置、霧化噴頭等，探測和保護每個電池包，在電氣火災初始階段，有效監測與抑制火災。這種設計通常包括在每個電池模塊中安裝可燃氣體探測器和滅火介質噴頭，結合電池管理系統（BMS）來識別電池的早期熱失控狀態，并在單體電池熱失控后通過配置的滅火裝置實現快速滅火，實現對每個電池包的精準監測與點對點噴放滅火劑，有效抑制和撲滅電氣火災。PACK級滅火技術雖然成本較高，但在高風險的儲能應用場景中，這種針對性強的滅火設計顯得尤為重要。

五、電化學儲能站消防系統的關鍵要素

（一）滅火裝置

選擇合適的滅火劑和裝置是確保滅火效率和防復燃的關鍵。七氟丙烷因其在密閉環境下的優異表現而成為優選。

（二）探測系統

采用多種探測技術進行全方位監控，包括溫度探測器、煙霧探測器以及可燃氣體、一氧化碳和氫氣探測器等，以及時感知火情并啟動滅火程序。

（三）滅火劑傳輸

管網式七氟丙烷系統因其均勻分布滅火劑的能力而成為電化學儲能站消防系統的優選方案。

（四）啟動方式

自動啟動、手動啟動和機械應急啟動三種方式，以適應不同的火災情況和安全需求。

六、實際案例應用

江蘇某50MW/100MWh獨立儲能電站位于江蘇某燃氣熱電有限公司西側圍墻外新征地塊，占地面積共約1153畝。場地平整，自然地坪標高240m—320m，場地地勢平緩。進站道路由東側廠內現有道路引入，運輸主變道路路面寬度為45m，其余道路為4m，如圖1所示。

（一）總平面布局

儲能站總體布局分為二大板塊，從南向北依次為升壓區和儲能區。其中，升壓區和儲能區以中間道路間隔分開。升壓區自北向南依次布置主控制艙、35kV配電裝置預制艙、GIS、主變壓器、事故油池等。儲能區共布置11座儲能艙和11座PCS升壓艙，布置在站區南部，總平面布局如下圖2所示。

（二）儲能站消防系統設計說明

儲能電池艙消防設施采用整體集成設置，艙內消防采用模塊級全氟己酮氣體滅火系統；電池艙預留二次水噴淋系統接口，每個接口與1只SQD150-16型水泵接合器相連，如下圖3所示。

主控制艙、35kV配電裝置預制艙內均設置火災自動報警系統，包括火災報警控制器、聲光警報器、火災報警按鈕、探測器，同時將電池艙全氟己酮滅火裝置信號傳輸至主控制艙，火災報警控制器信號傳輸至電廠消防總機，方案如圖4所示。

升壓區及儲能區設室外消火栓系統，選用SSF150/65-16防撞減壓型地上式消火栓。從該電廠已建消防給水管網的不同段上接出2路干管至儲能站室外消防給水管網，并沿站內道路呈環狀布置。消防給水系統包括2×1500m3消防水池、消防水泵（2臺，單泵Q=485m3/h，H=78m）、穩壓泵（2臺，單泵Q=9m3/h，H=80m），增設隔膜式氣壓罐1只（Φ=1000，V=15m3，PN=16MPa）。

升壓區配置消防箱，每組消防箱配置1臺50kg推車式滅火器、2具5kg手提式干粉滅火器、6把消防鏟、6只消防斧、6個消防鉛桶。儲能區配置消防砂箱，每套砂箱內設1m3滅火砂、5把消防鏟、2只消防斧、3個消防鉛桶。儲能電站設消火栓箱，其中儲能區箱內配4根25m水帶、1支噴霧水槍、1把消火栓扳手。升壓區箱內配25根25m水帶、5只直流水槍。

結語

電化學儲能站的消防安全需要形成一個完善、系統的消防解決方案體系。從前期的選址布局、設計選型、施工安裝到后期的運維管理，每一個環節都至關重要。通過精心設計的消防系統，不僅能在火災發生時及時響應，還能最大限度地減少損失，保障人員和財產安全。隨著“十四五”時期儲能行業的規模化發展，確保安全成為支撐產業健康持續發展的重中之重。建設儲能電站時必須將安全置于首位，才能促進儲能行業蓬勃發展。

參考文獻

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[3]邢志祥，劉敏，吳潔，等.鋰離子電池火災危險性的研究現狀分析[J].消防科學與技術，2019，38（06）：880-884.

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[5]齊文瑾.儲能電站電池系統火災特點及消防系統設計[J].科技創新與應用，2023，13（36）：124-127.

[6]朱秀錦，王秀利，陳卓新.鋰電池化學儲能電站消防安全淺析[J].廣東化工，2023，50（16）：58-61.