陳瑞 唐淼 卜建軍 邊彥軍

摘要：隨著新能源發(fā)電占比的提高，電化學儲能在電力系統(tǒng)中的重要性越來越高，近幾年隨著政策引導及市場發(fā)展需求，電化學儲能系統(tǒng)的裝機量呈爆發(fā)趨勢。電化學儲能系統(tǒng)的消防安全問題是當前電力行業(yè)需要面對的重大挑戰(zhàn)之一。為了預防和減少電化學儲能火災事故的發(fā)生，需要加強對儲能系統(tǒng)的安全監(jiān)管，采用更可靠的電池技術，制定更嚴格的消防標準，并加強火災風險管理與應急響應能力，確保儲能系統(tǒng)的安全運行。

關鍵詞：鋰電池；儲能系統(tǒng)；熱失控；消防安全

中圖分類號：D631.6? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ?文章編號：2096-1227（2023）11-0066-03

伴隨可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中的加速滲透，能源供需之間的差異需要平衡，儲能作為實現(xiàn)碳中和的穩(wěn)定器迎來爆發(fā)式增長。目前，電化學儲能系統(tǒng)主要應用鋰離子電池、鈉硫電池、液流電池等技術。然而電化學儲能技術基于其本身屬性，具有一定的危險性，若沒有科學的技術加持，容易發(fā)生火災或者爆炸。電化學儲能火災事故在近年來呈現(xiàn)出明顯的增長趨勢。特別是三元鋰電池體系存在著較高的火災風險，并且充電過程中及充電后的休止期間是容易發(fā)生火災的關鍵時期。

1 電化學儲能系統(tǒng)火災案例分析

本文以2021年發(fā)生在北京的“4·16”大紅門儲能火災事件為例進行儲能事故復盤。

2021年4月16日11時50分許，位于豐臺區(qū)西馬場甲14號的北京福威斯油氣技術有限公司光儲充一體化項目發(fā)生火災爆炸，12時17分，北京市119指揮中心接報儲能電站起火的警情，調(diào)派15個消防站47輛消防車235名指戰(zhàn)員到場處置。14時15分許，在對電站南區(qū)進行處置過程中，電站北區(qū)在毫無征兆的情況下突發(fā)爆炸，導致電站內(nèi)1名員工死亡，2名消防員犧牲，1名消防員受傷，火災直接財產(chǎn)損失1660.81萬元[1]。經(jīng)過調(diào)查和分析，事故的直接原因是南樓電池間的磷酸鐵鋰電池發(fā)生內(nèi)短路故障，導致電池熱失控起火。而北樓發(fā)生爆炸的原因則是由于南樓電池間的電池和電池模組熱失控擴散起火，在電纜溝中形成了易燃易爆氣體，遇到電氣火花引發(fā)了爆炸。事故的間接原因包括涉事企業(yè)安全責任不落實、存在未備案先建設問題、安全隱患未完全排除等；以及相關單位安全監(jiān)督檢查不到位、對新能源項目安全問題關注不足等。

電化學儲能火災不僅具備高破壞性，而且往往具有復雜多變的特點，給人們的生命財產(chǎn)安全帶來了巨大的潛在風險。以上儲能系統(tǒng)火災事故引發(fā)的主要原因如下：①電池滅火系統(tǒng)未能阻止故障電池熱失控，故障電池將熱量向周圍電池傳遞，從而導致熱失控連鎖反應；②電池熱失控產(chǎn)生可燃氣體聚集，可燃氣體導致了爆炸；③儲能系統(tǒng)的電池間空間不足、可燃氣體通風不足以及缺乏對應急工作人員的適當培訓。

2 電化學儲能系統(tǒng)火災機理及特征

目前主流的鋰離子電池儲能系統(tǒng)主要包括電池系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng) （BMS）、變流器系統(tǒng)（PCS）、冷卻系統(tǒng)、消防系統(tǒng)以及照明和監(jiān)控系統(tǒng)等，且因并入電壓等級不同而配置變壓升壓系統(tǒng)。電池系統(tǒng)的構(gòu)成，目前大型儲能電池艙一般由多個電池簇構(gòu)成，每個電池簇由多個電池模組并聯(lián)而成，電池模組內(nèi)由多個電芯串并聯(lián)構(gòu)成。從溫控方式來分，電池艙一般有液冷和風冷兩種冷卻方式。

儲能電站的火災事故主要有兩大類：一類是電氣類火災，一類是電池熱失控引發(fā)的火災。其中，電氣類火災主要由于短路、過載、老化等電氣類原因引發(fā)，目前儲能系統(tǒng)中的自動消防系統(tǒng)基本已經(jīng)可以防控此類火災。目前已經(jīng)對熱失控進行了大量研究，熱失控是一個涉及化學、材料科學和工程學的非常復雜的過程。一般來說，當放熱反應失控時，即由于溫度升高導致反應速率增加，從而進一步升高溫度，進而增加反應速率，可能導致爆炸[2]。有人提出，在80℃以上熱失控可能會自發(fā)地導致火災或爆炸。鋰離子電池的失控，是由電解液、陽極和陰極之間的放熱反應引起的，隨著電池內(nèi)溫度和壓力的增加，最終電池將破裂[3]。

究其原因，引發(fā)鋰離子電池熱失控根本原因主要分為三類：一是機械濫用，比如擠壓或針刺導致機械變形甚至隔膜部分破裂引發(fā)內(nèi)短路；二是電濫用，如過充過放等導致電池內(nèi)部產(chǎn)生鋰枝晶，鋰枝晶穿破隔膜引發(fā)正負極短路；三是熱濫用，溫度過高導致負極材料與電解液發(fā)生反應，產(chǎn)生熱累積進而隔膜和正極材料等發(fā)生分解，隔膜大規(guī)模崩潰導致正負極短路。三類引發(fā)熱失控誘因的共同環(huán)節(jié)均為電芯內(nèi)部短路，造成電池內(nèi)部溫度積累。

3 電化學儲能系統(tǒng)火災預防與安全策略

電化學儲能系統(tǒng)防火設計應遵循“預防為主，防消結(jié)合”的方針，電化學儲能系統(tǒng)的消防安全管理應從選址到系統(tǒng)自身硬件配置、到現(xiàn)場系統(tǒng)布局均需遵循相關安全規(guī)范或標準。

3.1? 電站設計層面

電化學儲能電站在規(guī)劃設計階段應編制項目可行性研究報告，選址、布局應合理，應充分評估發(fā)生安全事故對所在場所的建筑結(jié)構(gòu)安全、人員生命安全以及應急救援處置可能造成的影響。

電站的設計要參考GB 51048—2014《電化學儲能電站設計規(guī)范》，GB 50016—2014（2018年版）《建筑設計防火規(guī)范》，中國電力企業(yè)聯(lián)合會在2020年6月30日發(fā)布的T/CEC 373—2020《預制艙式磷酸鐵鋰電池儲能電站消防技術規(guī)范》（以下稱規(guī)范），GB/T 40248—2021《人員密集場所消防安全管理》等。通過以上標準，關于站址選擇應滿足防火防爆、防洪防澇、防塵防腐的要求。站址不得貼鄰或設置在生產(chǎn)、儲存、經(jīng)營易燃易爆危險品的場所。不得設置在具有粉塵、腐蝕性氣體的場所。不得設置在可能積水的場所，必要時應設置擋水排水設施或采取抬高措施。不得設置在重要電力設施保護區(qū)內(nèi)。另鋰離子電池設備間（艙）不得設置在人員密集場所，不得設置在（經(jīng)常有人生產(chǎn)生活的）建筑物內(nèi)部或其地下空間。電化學儲能電站宜設置在市政消防管網(wǎng)覆蓋區(qū)域或靠近可靠水源。

為減小儲能設備對周邊生產(chǎn)生活建筑類的安全隱患，參考標準設計時，電池設備艙（室）與生產(chǎn)建筑、生活建筑之間的防火間距不應小于下列值：與甲類生產(chǎn)建筑距離不小于12m；與乙類生產(chǎn)建筑距離不小于10m；與丙、丁、戊類生產(chǎn)建筑且耐火等級為一、二級的距離不小于10m；與丙、丁、戊類生產(chǎn)建筑且耐火等級為三級的距離不小于12m；與其他生活建筑耐火等級為一、二級的距離不小于10m，耐火等級為三級的距離不小于12m。相鄰兩座建筑兩面的外墻為非燃燒體且無門窗洞口、無外露的燃燒屋檐的其防火間距可減少25％；相鄰兩座建筑較高一面的外墻為防火墻且兩座建筑物門窗之間的凈距不小于5m時其防火間距不限，但甲類建筑之間不應小于4m；電池設備艙（室）與丙、丁、戊類生產(chǎn)建筑之間采用防火墻時，防火間距不限。儲能電站的應急車道、事故處置場地應滿足需求，科學評估爆炸當量及影響范圍，標識疏散避險區(qū)域范圍。

3.2? 在系統(tǒng)設計層面

儲能系統(tǒng)的安全性，可以概括為一方面是從電氣設計角度的安全性，一方面是電池本體安全性。電氣方面的安全性目前相對比較成熟，目前儲能系統(tǒng)的電氣保護基本能在火災時或熱失控發(fā)生時發(fā)揮保護機制達到其安全設計的目的。電池本體的安全，需要從熱管理、熱失控預警以及熱失控控制方面來設計。

Yang Peng等人[4]對電池點火后的穩(wěn)定燃燒階段進行了詳細的分析和討論，在入射熱流密度為11.1kW·m?2的條件下，電池從點火到熱失控需要201s。這樣的時間間隔有利于對電池熱失控進行預警。鋰離子電池熱失控是一個過程，有一個比較長的時間段，在這個過程前期會釋放大量的CO、H2、烷烴類氣[5]，通過氣體探測器探測，可以及早發(fā)現(xiàn)故障電池，進行處理和更換。

在消防介質(zhì)的選擇上，考慮電池熱失控特征，在達到滅火的同時要對電池進行降溫。如果不對電池降溫，熱失控將不會停止，因此需要配套到電池組或電池箱定向滅火系統(tǒng)，熱失控發(fā)生時，其作用是：一方面撲滅火災，另一方面持續(xù)不斷地對電池進行降溫，以達到中止熱失控的目的。Shuai Yuan[6]等討論了氣體滅火劑、干粉滅火劑、水基滅火劑和氣溶膠等幾種滅火劑。這些滅火劑在撲救鋰電池火災時存在著用量大、時間長、易重燃等缺陷。為了迅速撲滅鋰電池火災，需要研制一種有效的鋰電池滅火劑。哈龍、HFC-227ea、CO2、Novec1230等氣體滅火劑有利于在滅火過程中保護電池系統(tǒng)的完整性。但氣體滅火劑不能有效降低電池溫度。與上述氣體滅火劑類似，干粉和氣溶膠不導電，而這些藥劑會污染電池系統(tǒng)。此外，它們的熱容量也不容樂觀。水基滅火劑具有高潤濕性、低粘度、高熱容量、環(huán)保、吸煙性好等綜合性能。高熱容量的滅火劑可以冷卻電池，降低電池重燃的可能性。然而，其適用性有待進一步驗證，因為其可能導致電池系統(tǒng)短路。因此，一種具有高潤濕性、低黏度、絕緣性能好、熱容量大、環(huán)境友好、吸煙性好的新型滅火劑是值得開發(fā)的，是學術界和工業(yè)界非常需要的。Lin Zhang等[7]通過實驗研究得出了“與單一滅火劑相比，在相同的釋放方式和釋放時間下，氣體滅火劑與水霧協(xié)同使用具有更好的滅火和冷卻效果。”的結(jié)論。

因此在設計儲能系統(tǒng)時應從電芯選型，模組到簇的搭建設計，需遵循相關標準，確保電池段自身的安全性能以及確保電氣安全[8]；應根據(jù)具體電池的類型對檢測氣體的成分進行合理選擇，安裝火災監(jiān)測系統(tǒng)，包括煙霧探測器、溫度傳感器和火焰探測器等，及時監(jiān)測儲能系統(tǒng)中的火災跡象或異常情況。在電池艙內(nèi)設置多級電氣應急熔斷保護機制、艙體排風裝置、主動換風系統(tǒng)快速消除相關安全隱患，通過防爆泄壓系統(tǒng)降低內(nèi)部壓力，避免可燃性氣體聚集；并為儲能系統(tǒng)的單元模塊配備復合滅火裝置，并在發(fā)生熱失控時進行持續(xù)的噴射降溫，以防溫度過高引起燃燒或者復燃。

4 電化學儲能系統(tǒng)火災應急響應與處置

當電化學儲能系統(tǒng)發(fā)生火災時，其應急響應與處置對策應從以下方面進行防治：

火災監(jiān)測與報警：建立有效的火災監(jiān)測系統(tǒng)，包括溫度、煙霧、氣體等傳感器，并與監(jiān)控系統(tǒng)相連。當監(jiān)測到火災跡象時，及時觸發(fā)報警裝置，以便進行及時應對。

系統(tǒng)切斷與隔離：在發(fā)生火災時，及時切斷電力供應，包括斷開電池組與電力網(wǎng)絡之間的連接，并迅速隔離受影響的區(qū)域，防止火勢蔓延。

滅火與遏制火勢：采取適當?shù)臏缁鹗侄芜M行撲救，如干粉滅火器、二氧化碳滅火系統(tǒng)等。同時，采取措施遏制火勢蔓延，如關閉通風口、噴灑消防水等[9]。

應急演練與培訓：作為儲能項目的運營者應建立完善的應急預案，并定期組織應急演練，提高工作人員的應急響應能力。進行相關培訓，使工作人員熟悉正確的火災處置程序與操作技能。

安全設施與防護：確保現(xiàn)場安全設施完善，包括滅火器、防火門、疏散通道等。同時，定期檢查維護設施的狀態(tài)，確保其正常運行。

事故調(diào)查與分析：對發(fā)生的火災事故進行調(diào)查與分析，從事故原因、火災擴散機制、應急響應效果等方面進行評估，為今后的應急預案改進提供依據(jù)。

宣傳與意識培養(yǎng)：加強電化學儲能系統(tǒng)火災應急的宣傳與教育，提高人們對火災風險的認識與防范意識。通過開展培訓、發(fā)布宣傳資料等方式，提高公眾和從業(yè)人員的火災應急意識。

5 未來展望與研究方向

當前電化學儲能系統(tǒng)火災研究面臨一些不足和挑戰(zhàn)。首先，電化學儲能技術種類繁多，每種技術的火災風險具有針對性，需要建立相應的火災防范措施。目前尚缺乏基于不同電化學儲能技術單元的火災預測模型和實驗數(shù)據(jù)，使得對其火災風險評估和防范措施的制定存在一定的困難。其次，電化學儲能系統(tǒng)內(nèi)部的化學反應機理復雜，火災導火索眾多、隱蔽性強。目前尚缺乏系統(tǒng)性的電化學儲能系統(tǒng)內(nèi)部異常情況監(jiān)測與診斷方法、技術和工具，難以及時預警和發(fā)現(xiàn)火災風險。再次，電化學儲能技術正處于快速發(fā)展階段，新技術、新材料、新模式的出現(xiàn)給火災風險的控制和防范帶來了新的挑戰(zhàn)。目前缺乏快速、準確、可靠的檢測和診斷技術，很難及時發(fā)現(xiàn)小規(guī)模火災事故，避免其擴大爆發(fā)。最后，電化學儲能系統(tǒng)火災事故的整個過程十分復雜，需要全方位、多角度的研究，包括火災成因、熱學反應過程、氣體釋放和擴散，以及火場撲救等方面。目前仍需要加強各領域之間的合作與交流，提高整個研究水平。

綜上所述，電化學儲能系統(tǒng)火災研究尚存在一定的不足和挑戰(zhàn)，需要通過多學科融合、技術創(chuàng)新、合作交流等方式提高技術和理論水平，為實現(xiàn)電化學儲能系統(tǒng)火災風險的有效控制和防范提供有力保障。提出未來研究的重點和方向，如火災模型的建立、防火材料的開發(fā)等。

參考文獻：

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Study on fire protection strategy of electrochemical energy storage system

Chen Rui1，Tang Miao2， Bu Jianjun2， Bian Yanjun2

（1. Zhejiang Chint Electric co.，ltd.， Zhejiang Wenzhou 325603; 2. Songjiang District Fire and Rescue Brigade of Shanghai， Shanghai 201620）

AbstraCt： With the increase in the proportion of new energy power generation， the importance of electrochemical energy storage in the power system is getting higher and higher. In recent years， with the policy guidance and market development demand， the installed capacity of electrochemical energy storage systems has shown an explosive trend. The fire safety of electrochemical energy storage systems is one of the major challenges that the current power industry needs to face. In order to prevent and reduce the occurrence of electrochemical energy storage fire accidents， it is necessary to strengthen the safety supervision of energy storage systems， adopt more reliable battery technology， formulate stricter fire protection standards， and strengthen fire risk management and emergency response capabilities to ensure the safe operation of energy storage systems.

Keywords： lithium battery; energy storage system; thermal runaway; fire safety