儲能電站消防安全相關措施探討

郭海筱

（寧波市消防救援支隊鄞州區大隊，浙江寧波 315000）

0.引言

所謂儲能電站，可將其看作是一個大號的充電寶，商用性質為兆瓦級別，家用則容量小一些。為了方便安裝運輸，通常會以標準集裝箱的規格制作外包箱體。儲能電站并不完全是鋰電池，也有鉛酸電池、液流電池、納硫電池等，抽水蓄能理論上也屬于一種儲能方式，只是近些年鋰電池風頭正勁，所以占比較高。建設儲能電站的根本目的是為清潔能源提供蓄水池，一方面隨著清潔能源需求不斷增加，以太陽能、風能、水電為代表的清潔能源，是降低碳排放的主力軍，但因為這些清潔能源穩定性不足，電無法存儲，所以需要建設儲能電站來滿足供電需求；另一方面隨著鋰電池價格不斷下降，且用于儲能系統中能顯著降低系統體積大小，于是使得大規模使用鋰電池存儲電能成為了可能[1]。

總體上看，目前我國儲能電站雖然得到了一定的發展，但是對于儲能電站的研究和投入還不足，應用經驗還比較少，尤其是儲能電池的消防安全方面的研究，更是少之又少，從而導致儲能電站在運行過程中存有較大安全隱患。

1.儲能電站的火災危險特性分析

目前儲能電站多為磷酸鐵鋰電池儲能，但是由于大規模電廠在充放電過程中納米顆粒極其容易從電極上脫落，使得電池內部出現短路故障，導致電廠組發熱及著火。另外，電池過充、長時間大電流放電、通風不良等，也會引發線路過熱從而引起火災發生。具體而言，電池在充放過程中，若外部遇到明火、撞擊、雷電短路等意外，就會有發生火災爆炸的可能性；由于過壓或過流，使得設備溫度較高，會形成引燃源；電解液溫度較高，換熱系統存有故障，如風險損壞、通風道堵塞、外界溫度過高等，使得設備長時期處于高溫狀態運行，就很有可能引發火災[2]。近年來國內外儲能電站火災爆炸事故屢屢發生，全球電化學儲能電站起火或爆炸事故統計情況（僅列舉幾項），見表1。

從表1可看出，引起儲能電站起火爆炸事故的原因主要包括兩點：一是儲能電站火災事故多發生在充電中或充電后休止中，此時電池電壓較高，電池活性較大，并聯電池簇間形成環流，容易到電芯處于過充狀態，隨著電壓升高內部短路，從而引發火災事故；二是儲能電站起火后，采用七氟丙烷等氣體滅火裝置主要是通過隔絕氧氣的方式來實現滅火，但并不能實現電池降溫，一旦外部氧氣進入，就會引起電池復燃，且電池燃燒過程中會產生甲烷、一氧化碳等易燃易爆的氣體，這樣就會容易引起氣體爆炸。

表1 全球電化學儲能電站起火或爆炸事故統計

2.儲能電站消防安全相關措施

2.1 一般性措施

對于儲能電站的消防安全設計，具體需要針對不同建筑物和設施，采取不同的消防安全措施，包括工藝設計、設備及材料選用、平面布置、消防通道等方面。通常情況，儲能電站會與光伏、太陽能及輸變電站等聯合建造，因此儲能電站內一般不設立單獨的生活建筑。依據電池特性，多數是按照全戶內布置方式來布置儲能電池房，占地面積大，且為單層建筑。按照火災危險性分類，體積超過3000m3的儲能電池房，就需要在室外設置消防系統和消火栓，但依照規范室內可不設置消火栓。另外，考慮儲能電池設備及配電設施具有怕水的特性，所以在設置滅火器時，應選擇干粉型和氣體型的移動式滅火器，不宜采用水型滅火器。與此同時，在儲能電池建筑內，還需要設置消防砂箱，尤其是鈉硫電池房，要在內部設置適當數量的黃砂，并配置相應的消防鏟、消防桶、消防斧等輔助性設施[3]。

2.2 特殊性措施

目前國內儲能電池的特殊消防設施布置要求，主要是依據日本《電力貯存用電規程》規定來進行，即電池設置在專用的建筑物內，裝設面積超過200m2的則需要設計自動氣體滅火系統。但考慮到單座儲能室設備造價較昂貴，一旦發生火災會造成巨大的損失，且建筑面積均較大，所以即便建筑內的電池裝設面積未超過200m2，但整體也仍然需要采用氣體滅火系統。目前我國政策允許使用的氣體滅火技術較為程度，如七氟丙烷、三氟甲烷、六氟丙烷、二氧化碳等。在儲能電池室中采用的氣體滅火系統主要為管網式全淹沒系統，系統一般分為2～8個防火分區，以最大的滅火區域來設計用量，以此來滿足滅火要求，并降低系統的造價。另外，在氣體滅火系統中，還設有火災自動報警功能，裝設有智能型感煙探測器和感溫探測器、火災報警控制器、氣體滅火控制盤等。

3.優化及改進建議

目前行業內也大力開展了熱失控提前預警和消防安全技術，但并不能夠從根本上避免儲能電池系統的安全事故，要想達成“零事故”的絕對安全目標，就需要改變固有的思維模式，從電池安全狀態實時評價和預測方面著手，針對電池本體及運行條件等因素長期演化的特性，加強電池安全風險早期預警系統的研發，以此從源頭上降低電池系統熱失控而引起火災事故的概率。

以鋰電池儲能電站為例，應依據鋰電池失控特性建立起相應的消防安全系統，并保證系統設置的獨立性，能夠對單個電池發生熱失控時，及時快速的預警。同時，電池熱失控早期最有效的手段是對氣體進行監控，那么氣體探測器的設計是重點需要思考的問題。通過合理設置氣體探測器，以此對儲能電站中的氣體、煙霧和溫度等關鍵參數變化進行采集，當參數超過實現事先設定的限值后，系統及時對熱失控電池異常狀態發出警報，提升系統的預防和預警性能。另外，考慮鋰電池在發生熱失控時，還會伴隨著電解液泄漏問題，電解液泄漏會引發電網設備高壓、絕緣失效、起火等危險，因此在設計應用消防安全系統時，也要建立多級防護機制，即利用消防安全系統、動力環境系統等各系統協調配合作用，以此對電池發生電解液泄漏、熱失控等電池異常狀態的及時預警，且出現險情時，防護設施能迅速對目標區域作出有效的反應，以便及時控制險情，進而保障電池儲能系統的安全運行。

對于儲能電站消防安全管理，除了要在系統方面加以完善，也需要在制度方面予以優化。首先，應加強安全培訓教育方面的關注，要對消防員、指揮員等人員進行儲能系統安全性的培訓，培訓內容包括電池熱失控、燃爆和爆炸波傳播動力學、儲能系統火災典例分析等，以此增強他們的安全意識，并保證他們的安全。其次，儲能系統的所有者和經營者，應加強與當地消防人員和業主授權的單位制定應急行動計劃，全面了解與儲能電池技術相關的危害，然后按照相關消防法規規范要求，配備適當的防火防爆保護裝置。最后，各儲能電站要建立完善的安全管理制度，出臺切實可行的工程安全管理辦法，同時從源頭上把控工程建設的質量，針對消防安全要求，制定專項的實施方案，將相關技術安全負責人批準后實施，從而降低儲能電站火災發生的概率。