梁運(yùn)華，潘志敏，肖 勇，代文良

(國網(wǎng)湖南省電力有限公司檢修公司，湖南 長沙 410004)

0 引言

隨著電化學(xué)儲能電站規(guī)?；ㄔO(shè)投運(yùn)，儲能電站火災(zāi)事故時有發(fā)生，儲能電站消防問題日益突出。2017 年8 月到2019 年10 月，韓國共發(fā)生27 起儲能電站火災(zāi)，其中13 %的事故是在充放電期間發(fā)生的，61 %的事故是在充電后休止期間發(fā)生的；僅2018 年11 月就發(fā)生了4 起火災(zāi)。2019 年10 月，挪威渡船公司客船蓄電池室發(fā)生氣體爆炸。2019年美國亞利桑那州發(fā)生一起儲能系統(tǒng)起火和爆炸事件。此外，2017 年3 月，山西某火電廠儲能系統(tǒng)輔助機(jī)組AGC 調(diào)頻項(xiàng)目發(fā)生火災(zāi)，火災(zāi)燒毀了鋰離子電池儲能單元以及其他相關(guān)設(shè)施。2018 年8月江蘇一用戶側(cè)儲能項(xiàng)目磷酸鐵鋰集裝箱起火后燒毀。2021-04-16，北京豐臺區(qū)南四環(huán)永外大紅門西馬廠甲14 號院內(nèi)儲能電站發(fā)生火災(zāi)和爆炸。相比其他類型電池，鋰離子電池雖不易燃燒，但一旦燃燒，火焰強(qiáng)度更高、起火規(guī)模更大，還會引起連環(huán)爆炸事故，因此電化學(xué)儲能電站大規(guī)模應(yīng)用急需解決儲能電池的消防問題。

1 鋰電池安全性分析

當(dāng)前儲能電站通常采用磷酸鐵鋰電池，其火災(zāi)主要是由于鋰電池內(nèi)部產(chǎn)熱遠(yuǎn)高于散熱速率，在鋰離子電池的內(nèi)部積攢了大量的熱量，從而引起了連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致電池起火和爆炸。磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э馗驹蛑饕譃? 類：一是機(jī)械濫用，由于擠壓或針刺導(dǎo)致機(jī)械變形甚至隔膜部分破裂引發(fā)內(nèi)短路；二是電濫用，如過充過放等導(dǎo)致電池內(nèi)部產(chǎn)生鋰枝晶，鋰枝晶穿破隔膜引發(fā)正負(fù)極短路；三是熱濫用，溫度過高導(dǎo)致隔膜和正極材料等發(fā)生分解，隔膜大規(guī)模崩潰導(dǎo)致正負(fù)極短路。3 類引發(fā)熱失控誘因的共同環(huán)節(jié)為內(nèi)短路，造成電池內(nèi)部溫度積累過快，觸發(fā)熱失控，引發(fā)火災(zāi)。

2 儲能電站消防系統(tǒng)存在不足

2.1 消防設(shè)備設(shè)施不滿足現(xiàn)場需求

(1) 傳統(tǒng)傳感器熱失控監(jiān)測能力不足。普通感煙和感溫火災(zāi)探測器無法滲透到電池模塊內(nèi)部，無法及時探測到電池組熱失控風(fēng)險，不適用于鋰離子電池?zé)崾Э卦缙陬A(yù)警。當(dāng)常規(guī)探測器監(jiān)測到火警信號時，電池組已處于熱失控狀態(tài)，火災(zāi)已經(jīng)蔓延，滅火效率降低。

(2) 未配置可燃?xì)怏w探測器。電池泄壓閥打開所釋放的電解液分解產(chǎn)生的可燃?xì)怏w，在密閉空間形成聚集，容易形成閃爆。現(xiàn)場如果缺乏可燃?xì)怏w探測裝置，無法有效檢測出可燃?xì)怏w和做出及時預(yù)警，極有可能導(dǎo)致發(fā)生可燃?xì)怏w爆炸事故。

(3) 固定滅火系統(tǒng)持續(xù)滅火能力不強(qiáng)。前期投運(yùn)預(yù)制艙式儲能站，通常僅配置了七氟丙烷氣體自動滅火系統(tǒng)，由于七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)僅能短時抑制火災(zāi)，但無法對電池組進(jìn)行有效降溫，容易造成電池火災(zāi)二次復(fù)燃。

(4) 儲能站消防水源不足。由于新建儲能站選址受已投運(yùn)變電站場地、消防水源等現(xiàn)有條件限制，而部分投運(yùn)站暫時無消防水源或消防用水不足。

(5) 消防水泵房不符合相關(guān)規(guī)范。有些儲能站尚未安裝防火門，不滿足GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》“6.2.7 設(shè)備用房，通風(fēng)空氣調(diào)節(jié)機(jī)房和變配電室開向建筑內(nèi)的門應(yīng)采用甲級防火門，消防控制室和其他設(shè)備房開向建筑內(nèi)的門應(yīng)采用乙級防火門”的要求。

(6) 預(yù)制艙之間(含電池艙與其他設(shè)備艙)消防安全間距不足3 m，且中間無防火墻。不滿足《預(yù)制艙式磷酸鐵鋰電池儲能電站消防技術(shù)規(guī)范》“6.3.2 電池預(yù)制艙之間的防火間距不應(yīng)小于3 m，尤其消防控制艙與電池艙間的距離也是如此；當(dāng)采用防火墻時，防火間距不限。防火墻長度、高度應(yīng)超出預(yù)制艙外廓各1 m”的要求。

(7) 室外消防栓配置不足。部分預(yù)制艙式儲能站室外未配置消防栓，不滿足《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》“8.1.2 室外消火栓 民用建筑、廠房、倉庫、儲罐(區(qū))和堆場周圍應(yīng)設(shè)置室外消火栓系統(tǒng)”的要求。

(8) 應(yīng)急疏散標(biāo)識缺失。樓梯、設(shè)備房間內(nèi)消防應(yīng)急疏散標(biāo)志、應(yīng)急照明和安全出口均尚未設(shè)置，影響事故狀態(tài)下相關(guān)人員應(yīng)急疏散。

2.2 消防設(shè)備設(shè)施運(yùn)維管理不規(guī)范

(1) 消防水泵處于“手動”方式。不滿足GB 50974—2014《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》“1 1.0.1 消防水泵控制柜應(yīng)設(shè)置在消防水泵房或?qū)Ｓ孟浪每刂剖覂?nèi)，并應(yīng)符合下列要求：消防水泵控制柜在平時應(yīng)使消防水泵處于自動啟泵狀態(tài)”的要求。

(2) 消防器材配置不全?，F(xiàn)場僅配置過濾式呼吸器，未配置正壓式空氣呼吸器。不滿足《電力設(shè)備典型消防規(guī)程》“14.4.1 設(shè)置固定式氣體滅火系統(tǒng)的發(fā)電廠和變電站等場所應(yīng)配置正壓式消防空氣呼吸器，數(shù)量宜按每座氣體滅火系統(tǒng)的建筑物各設(shè)置2 套”的要求。

(3) 消防車通道不暢，救援場地太窄。儲能電站內(nèi)消防通道堆放雜物或其他設(shè)備，消防車通道不暢。同時，救援場地與設(shè)備艙安全距離太近，容易帶來次生災(zāi)害。

(4) 消防運(yùn)維管理不到位。外委值班人員未參與消防安全培訓(xùn)，并未持證上崗；消防系統(tǒng)未按要求開展年度全面檢測。不滿足《消防法》“第十六條 機(jī)關(guān)、團(tuán)體、企業(yè)、事業(yè)等單位應(yīng)當(dāng)履行下列消防安全職責(zé)：(三)對建筑消防設(shè)施每年至少進(jìn)行一次全面檢測，確保完好有效，檢測記錄應(yīng)當(dāng)完整準(zhǔn)確，存檔備查”，“第二十一條，……自動消防系統(tǒng)的操作人員，必須持證上崗，并遵守消防安全操作規(guī)程”的要求。

(5) 電力電纜與控制電纜混合施放，且未設(shè)置層間耐火隔板。不滿足《電力設(shè)備典型消防規(guī)程》“10.5.12 施工中動力電纜與控制電纜不應(yīng)混放，分布不均及堆積亂放。在動力電纜與控制電纜之間，應(yīng)設(shè)置層間耐火隔板”的要求。

2.3 主要消防風(fēng)險

(1) 火災(zāi)引發(fā)鋼架結(jié)構(gòu)樓面垮塌。鋼架建筑結(jié)構(gòu)的安全等級為二級，蓄電池采取分層存放方式。屋面梁、樓面梁及鋼混底板設(shè)計(jì)耐火極限滿足1 h，一旦蓄電池?zé)崾Э匮葑兂苫馂?zāi)，蓄電池燃燒產(chǎn)生大量熱量容易讓樓面梁受熱變形，加上電池自身重量，可能發(fā)生樓面垮塌事故。

(2) 預(yù)制艙“火燒聯(lián)營”。部分預(yù)制艙僅安裝了氣體滅火系統(tǒng)(七氟丙烷)，無法持續(xù)降溫滅火，電池組火災(zāi)極易復(fù)燃。預(yù)制艙之間(含電池艙與其他設(shè)備艙)消防安全間距不足3 m，且中間無防火墻，容易引發(fā)相鄰設(shè)備艙火災(zāi)。

(3) 可燃?xì)怏w引發(fā)爆炸。目前，電池室(艙)內(nèi)未安裝可燃?xì)怏w探測器，歷次儲能電站事故和科研結(jié)論表明，電池泄壓閥打開釋放電解液分解產(chǎn)生的可燃?xì)怏w，在密閉空間形成聚集，加上電池房間電器(如照明燈)不具備防爆功能，會增加可燃?xì)怏w爆炸的風(fēng)險。

(4) 持續(xù)滅火能力不強(qiáng)。戶外消防栓數(shù)量不夠或安裝位置不科學(xué)，一旦需要消防車在戶外進(jìn)行火災(zāi)撲救，消防車消防補(bǔ)水非常困難，嚴(yán)重影響消防車持續(xù)滅火能力。

3 儲能電站消防技術(shù)分析及比較

3.1 火災(zāi)探測系統(tǒng)

3.1.1 傳統(tǒng)火災(zāi)探測系統(tǒng)

傳統(tǒng)的溫感、煙感、可燃?xì)怏w探測器難以在極早期發(fā)現(xiàn)火情隱患，都是在火情發(fā)生到一定階段后，燃燒產(chǎn)生了大量濃煙的情況下才能探測到，此時已經(jīng)錯過了最佳處理時機(jī)，給設(shè)備造成了不可挽回的損失。

3.1.2 極早期火災(zāi)探測器

極早期火災(zāi)探測器可極早探測物體燃燒產(chǎn)生的熱釋離子，在燃燒初期未產(chǎn)生可見煙的時候就可以探測到火災(zāi)，為處理火情隱患爭取了4 ～11 h 的極早期預(yù)警，可為即將熱失控的電池組提供更多緊急處置(停運(yùn)、降溫等)機(jī)會，避免異常演變成火災(zāi)。

3.2 消防技術(shù)分析比較

3.2.1 近期期刊論文研究

(1) 劉昱君、段強(qiáng)領(lǐng)等研究發(fā)現(xiàn)：對于38 A·h 單體動力電池火災(zāi)，ABC 干粉、七氟丙烷(HFC)、水、全氟己酮和CO2滅火劑均能快速熄滅電池明火，但CO2滅火劑滅火后電池出現(xiàn)了復(fù)燃；電池滅火過程中，不同的滅火劑在抑制電池溫度上升表現(xiàn)出明顯差異，其中，抑制溫升效果優(yōu)劣依次為水、全氟己酮、HFC、ABC 干粉和CO2[1]。

(2) 黃強(qiáng)、陶風(fēng)波等研究發(fā)現(xiàn)：六氟丙烷無法在短時間內(nèi)撲滅明火；Novec1230 和七氟丙烷2 種氣體滅火劑能快速撲滅明火，但降溫效果不徹底，容易發(fā)生復(fù)燃，均不適合作為磷酸鐵鋰電池模組滅火劑；中壓細(xì)水霧能迅速撲滅明火，持續(xù)噴射可防止復(fù)燃，是較為理想的滅火材料[2]。

(3) 郭莉、吳靜云等研究發(fā)現(xiàn)：10 MPa 以下的細(xì)水霧壓強(qiáng)與滅火時間呈反比關(guān)系，隨著壓強(qiáng)增大，滅火速率和降溫速率均提高。針對大容量磷酸鐵鋰電池模組的消防設(shè)計(jì)，選擇6 MPa 及以上細(xì)水霧作為滅火劑比較經(jīng)濟(jì)高效[3]。

3.2.2 國網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)用案例

首先，近幾年是行業(yè)政策出臺密集期。2015年，原農(nóng)業(yè)部提出到2020年我國農(nóng)業(yè)要實(shí)現(xiàn)“一控、兩減、三基本”的目標(biāo)，實(shí)施《到2020年化肥使用量零增長行動方案》。2016年，農(nóng)業(yè)供給側(cè)改革，化肥“去產(chǎn)能、調(diào)結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)方式”成為未來發(fā)展方向。2017年，原農(nóng)業(yè)部關(guān)于印發(fā)《開展果菜茶有機(jī)肥替代化肥行動方案》的通知。同時，專家認(rèn)為，我國人多地少決定了高投入高產(chǎn)出的集約化生產(chǎn)模式，為確保糧食持續(xù)高產(chǎn)、肥料養(yǎng)分高效、生態(tài)環(huán)境安全多重目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，必須研發(fā)化肥減施增效關(guān)鍵技術(shù)。

國網(wǎng)江蘇省電力有限公司《關(guān)于印發(fā)預(yù)制艙式磷酸鐵鋰電池儲能電站消防技術(shù)措施(試行)的通知》(蘇電安〔2019〕33 號)，明確采用了細(xì)水霧自動滅火系統(tǒng)，另外艙外配置了消防栓水系統(tǒng)。

3.2.3 技術(shù)規(guī)范

中華人民共和國電力企業(yè)聯(lián)合會標(biāo)準(zhǔn)T/CEC 373—2020《預(yù)制艙式磷酸鐵鋰電池儲能電站消防技術(shù)規(guī)范》規(guī)定：儲能電站中建(構(gòu))筑物的耐火等級不應(yīng)低于二級；電池預(yù)制艙內(nèi)應(yīng)設(shè)置模塊級分布式細(xì)水霧滅火系統(tǒng)；儲能電站室外消火栓系統(tǒng)，消火栓設(shè)置數(shù)量應(yīng)滿足滅火救援要求，且不少于2 個，設(shè)計(jì)流量不應(yīng)小于20 L/s。

3.3 消防技術(shù)比較結(jié)論

3.3.1 火災(zāi)探測器選用

綜上所述，儲能電站火災(zāi)探測器宜在傳統(tǒng)煙感、溫感火災(zāi)探測器和可燃?xì)怏w探測器基礎(chǔ)上增加極早期火災(zāi)探測器，便于提前感知監(jiān)測電池組熱失控狀況，為后續(xù)熱失控應(yīng)急處置及火災(zāi)撲救提供強(qiáng)力技術(shù)支撐。

3.3.2 固定自動滅火系統(tǒng)選用

4 儲能電站消防提升建議

4.1 健全鋰電池組熱失控探測及控制方式

借鑒換流站閥廳火災(zāi)監(jiān)測及預(yù)控模式，可增配最新的極早期火災(zāi)探測(如熱釋離子火災(zāi)探測器)，用于超前探測電池組熱失控前的狀態(tài)異常，并將極早期火災(zāi)探測器火災(zāi)告警聯(lián)動BNM 切除電源，啟動細(xì)水霧自動滅火系統(tǒng)，實(shí)施噴水霧降溫。

4.2 蓄電池室(艙)增配可燃?xì)怏w探測器

在蓄電池室或預(yù)制艙增配H2，CO 等可燃?xì)怏w探測，其中蓄電池室采集點(diǎn)數(shù)不少于4 個；預(yù)制艙采集點(diǎn)不少2 個?？扇?xì)怏w探測器宜選用紅外光學(xué)型，采用防爆隔爆技術(shù)，具有硬接點(diǎn)、RS485 等至少兩路通信接口。每個可燃?xì)怏w探測器一路信號傳輸給BMS，其進(jìn)行判斷，發(fā)出告警、跳閘，啟動風(fēng)機(jī)和預(yù)制艙外警示燈，并上送至監(jiān)控系統(tǒng)；另一路信號傳輸給火災(zāi)報警控制器，用于啟動滅火系統(tǒng)。

4.3 增強(qiáng)預(yù)制艙式儲能電站持續(xù)滅火能力

目前儲能電站預(yù)制艙主要依靠一罐七氟丙烷自動滅火系統(tǒng)，由于其容量和滅火特性影響，可以抑制電池火災(zāi)，但不能完全撲滅火災(zāi)，容易出現(xiàn)復(fù)燃，因此需要增強(qiáng)持續(xù)滅火能力，可在預(yù)制艙式儲能電站加裝細(xì)水霧自動滅火系統(tǒng)，并在預(yù)制艙內(nèi)增加細(xì)水霧噴頭。細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的啟動應(yīng)符合“先斷電、后滅火”的要求。滅火系統(tǒng)控制組件在接收到預(yù)警信號或火災(zāi)信號后，根據(jù)既定滅火策略，自動啟動滅火系統(tǒng)。

4.4 健全儲能電站消防設(shè)施

增裝室外消防栓，便于在發(fā)生儲能電站火災(zāi)時救援消防滅火車能及時補(bǔ)水；在預(yù)制艙式儲能電站的預(yù)制艙之間(含電池艙與其他設(shè)備艙)增加防火墻，增強(qiáng)設(shè)備艙之間防火安全距離，避免“火燒連營”的情況發(fā)生。每個站增配置2 套正壓式消防空氣呼吸器，用于火災(zāi)應(yīng)急處置。

4.5 排查消防安全管理合規(guī)性

排查儲能電站工程實(shí)施部門是否完成儲能站消防審核、驗(yàn)收與備案工作。消防設(shè)施工程設(shè)計(jì)和施工企業(yè)，是否具有國家建設(shè)部門頒發(fā)的相應(yīng)的消防設(shè)施工程設(shè)計(jì)和施工資質(zhì)。儲能電站消防值班人員應(yīng)持有初級以上等級的消防設(shè)施操作員資格證書，能熟練操作消防設(shè)施。委托具有專業(yè)消防檢測資質(zhì)的單位，對儲能電站的消防設(shè)施每年至少進(jìn)行一次全面檢查測試，并出具消防設(shè)施檢測報告。

4.6 明確相關(guān)方消防系統(tǒng)運(yùn)維責(zé)任

明確儲能電站消防設(shè)施的維護(hù)管理歸口部門、管理人員及其工作職責(zé)，嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)定開展消防設(shè)施日常維護(hù)管理工作，確保消防設(shè)施完好有效。明確儲能電站外包運(yùn)維廠家的消防運(yùn)維責(zé)任，要求值班運(yùn)維人員參與消防安全培訓(xùn)，并應(yīng)持有初級以上等級的消防設(shè)施操作員資格證書。消防設(shè)施投入使用后，應(yīng)設(shè)定為“自動運(yùn)行”方式，各閥門、組件處于正常工作狀態(tài)，不應(yīng)擅自關(guān)停消防設(shè)施。積極開展滅火、應(yīng)急預(yù)案與演練工作，應(yīng)制定滅火系統(tǒng)操作規(guī)程和應(yīng)急預(yù)案，并組織應(yīng)急預(yù)案演練。

4.7 建立健全配套檢修運(yùn)維制度

為更好地規(guī)范和指導(dǎo)電網(wǎng)側(cè)儲能電站的運(yùn)行、檢修、驗(yàn)收等工作，有必要組織編制儲能電站通用運(yùn)行規(guī)程、檢修規(guī)程、設(shè)備驗(yàn)收和消防安全管理等方面的運(yùn)維檢修制度，健全儲能電站安全生產(chǎn)管理制度。

5 結(jié)束語

當(dāng)前, 磷酸鐵鋰電池?zé)峥匦阅懿粔蚪∪突瘜W(xué)儲能站消防安全存在不足，但化學(xué)儲能電站是實(shí)現(xiàn)“碳中和”重要技術(shù)手段，值得進(jìn)行相關(guān)研究。通過健全鋰電池組熱失控探測(如配置極早期熱釋離子探測器)、可燃?xì)怏w探測及其控制方式，選用可持續(xù)滅火降溫主流滅火技術(shù)(如細(xì)水霧自動滅火系統(tǒng))及加強(qiáng)配套消防安全管理，可有效改善化學(xué)儲能電站消防安全預(yù)防及撲救效果，提升化學(xué)儲能電站的安全水平。