儲能站電池艙自動滅火系統方案研究

林伯江

（中國電建集團福建省電力勘測設計院有限公司，福州350001）

1 引言

隨著風、光等新能源在電網中的占比逐漸增大，配套建設儲能電站的需求逐步提升。 電池儲能得益于其響應快、能量密度高等優勢，是目前發展最為迅速的儲能型式。 隨著電池儲能電站的規模不斷擴大， 將蓄電池成組布置于集裝箱內形成電池艙的布置型式，正逐步成為主流電池儲能電站布置型式。 隨著艙內蓄電池布置密度加大， 電池艙體的火災危險性較高是不可忽視的問題。 近年來，電池儲能站火災事故在國內、外均有發生[1]，且部分爆炸事故造成人員傷亡，以4·16 北京儲能電站火災事故為例，事故造成2 死1 傷1 失聯，直接經濟損失達1 600 余萬元。 鑒于慘痛的事實教訓和對蓄電池的深入研究，在電池儲能艙中布置自動消防滅火系統已經是業界的共識。

2 電池儲能艙的火災特點

絕大多數的電池儲能艙火災， 是由內部蓄電池的熱失控引發的。 目前，主流的儲能電池采用磷酸鐵鋰蓄電池，雖然單具蓄電池不易燃燒， 但一個電池儲能艙內布置有上百具蓄電池，火災危險性較高。 電池艙內若干具單體蓄電池集成一在個儲能柜中，稱為一個電池簇，作為火災研究中的基本單體。 一個艙體內通常有數十個電池簇，成排布置，當2 個及以電池簇處于火災中可判定為艙體空間級火災。

蓄電池在過充、過載等各種不利因素影響下，電池內部的化學熱無法及時排出，熱量聚集，容易失控起火，因此，艙體的火災危險高。 在沒有滅火系統干預的情況下[2]，一般電池儲能艙體火災過程表現為艙體內某具單體蓄電池熱失控冒煙，隨后產生明火，進而引發同一電池簇內的其他電池熱失控，大量可燃氣體生成，火勢急劇擴大，最后整個艙體陷入火災，并存在爆炸風險，火災危險性較大。

電池儲能艙的火災特點主要表現為：

1）火災發展迅速，從單體電池熱失控冒煙，產生明火，再到簇級燃燒，最終整個電池艙陷入火災，可能發生在十幾分鐘內；

2）電池火災過程中會產生大量氫氣、一氧化碳和烴類等可燃氣體，艙體存在爆炸風險[3]；

3）火災溫度較高單體電池燃燒時溫度可達700 ℃，火災蔓延后可達1 000 ℃以上；

4）蓄電池內部化學反應很難直接打斷，艙內明火撲滅火后，復燃的可能性很高。

3 電池儲能艙自動滅火設計方案

3.1 自動滅火措施設計要點

電池儲能艙屬于空間封閉場所，布置緊湊，并且內部布置有大量蓄電池，火災危險性較高。 所采用的艙體結構一般為集裝箱，箱體的耐火性和抗爆能力也較差。 因此，在艙體內設置自動滅火措施是必要的。

結合相關電池儲能艙火災試驗結果[4]，在滅火系統設計時，應注意以下幾方面。

1）艙內聯合設置局部應用的簇級滅火系統和全淹沒的空間滅火系統是必要， 否則難以同時滿足快速滅火和有效防止復燃的需求。

2）務必重視初期滅火效率，由于蓄電池一旦產生明火，火情發展迅速，因此，初期滅火至關重要。 局部應用的簇級滅火系統，能將滅火噴頭布置在儲能柜內，結合感溫感煙探測器，對明火點進行精準覆蓋，是合適的初期滅火系統。 滅火系統迅速將明火撲滅，能有效控制火情。

3）必須有效防止復燃，由于蓄電池內部的化學反應難以被直接打斷，因此艙內明火撲滅火后，不可馬上打開艙門，應保持長時間的火災抑制或冷卻降溫，防止復燃。

4）務必防止火災擴大，若初期滅火失敗，火勢蔓延，應啟動空間級滅火措施，此時防止火熱失控造成爆炸。

3.2 滅火劑選擇

目前， 實際工程中采用的電池儲能艙自動滅火系統有氣體消防和水基滅火系統。

氣體消防的滅火原理是化學抑制、部分冷卻，優點是對明火的撲滅效率高，啟動迅速，并且誤動不會對電氣設備造成損傷；缺點是冷卻效果不佳，不能打斷蓄電池內部反應，容易復燃[5]。水基滅火劑的滅火原理是冷卻、窒息，優點是對蓄電池周邊進行持續冷卻，可以有效防止艙內復燃[6]；缺點是對電池艙內的明火撲滅效率不如氣體滅火劑， 并且水基滅火系統誤動可能對未起火電氣設備造成損傷，災后的處理也較為麻煩。

考慮到電池儲能艙及內部設備屬于電氣設備并且造價較高，單座電池造價超過400 萬元。 火災初期，火情尚處于可控范圍，為避免滅火時對其他未受影響的設備造成損害，簇級滅火系統的滅火劑宜選用氣體滅火劑，可將災后代價降為最低。當初期滅火失敗，火勢蔓延，啟動空間級滅火系統，此時宜選用水基型滅火劑，對艙內進行持續冷卻降溫，達到滅火和防止復燃雙重目的。

3.3 簇級滅火系統

簇級滅火系統宜選用氣體消防，氣體消防系統能快速、高效撲滅電池明火，并且技術成熟，特別適合用為電池艙火災初期滅火。 七氟丙烷、全氟己酮是兩種高效的氣體滅火劑，且常溫下為液態有利于存儲運輸， 適用于電池儲能艙簇級滅火系統。對全氟己酮的相關滅火試驗表明[7-8]，全氟己酮較七氟丙烷最主要的優勢是不可見濃度與滅火濃的安全余量在67%～150%，而七氟丙烷的相關安全余量僅3%～20%，因此，全氟己酮是一種更為安全的滅火劑。 此外，全氟己酮在大氣中的存時間很短，而七氟丙烷在大氣中將存在數十年之久，因此，全氟己酮還是一種更為綠色環保的滅火劑。 相較于七氟丙烷，全氟己酮是一種更有前景的電池儲能艙簇級滅火系統。

3.4 空間級滅火系統

空間級消防宜采用水基滅火系統， 常見的水基滅火系統有細水霧、水噴霧滅火系統。 兩者的滅火原理相似，主要區別在于細水霧的霧化顆粒更低，有窒息作用，滅火效率更高，耗水量更低，且具有良好的電氣絕緣性，缺點在于細水霧需配置高壓水泵等設備，系統整體造價較高；水噴霧滅火系統是一種廣泛運用，技術成熟的水基型自動滅火系統，只需要普通消防泵組即可，文獻[9]通過試驗對比了細水霧和水噴霧滅火系統，結果表現兩種滅火系統均可達到有效滅火和防止復燃的作用。 考慮到電池艙內的空間級滅火系統，首要任務是進行持續火災控制，達到降溫冷卻，防止艙體整體失控。 因此，從經濟適用性角度出發， 選用水噴霧滅火系統作為空間級滅火系統較容易為業主方接受。

4 電池儲能艙自動滅火控制策略

在以氣體作為簇級滅火系統滅火劑和以水作為空間級滅火系統滅火劑的混合滅火方案中， 科學的滅火系統啟動策略可以很好地平衡火災損失和消防安全。

考慮電池儲能艙火災由絕大多數為某一電池簇電池熱失控引起的，而蓄電池的熱失控過程發展迅速，從冒煙到起火不過數十秒，所供消防處置時間不足。 另一方面，即便電池艙內簇級氣體消防誤動，誤動對艙內設備也不會造成實質性損害，經濟損失較小。 因此，電池艙火災初期應確保滅火系統及時、精確啟動關系到整體艙體的安全， 在設定簇級滅火系統啟動邏輯時應側重“及時原則”，即簇級滅火系統的啟動條件判斷不應過于謹慎，避免因設定過多啟動條件，造成簇級滅火系統不能及時啟動。 根據相關試驗研究，艙內火災初期故障電池很快會產生大量濃煙，因此，在每個電池柜內頂部布置感煙探測器，感煙探測器報警信號作為簇滅火系統的動作信號，可保證火情判斷和定位，確保簇級滅火系統及時打開相應電磁閥，進行滅火。

若初期火災滅火失敗，火勢蔓延，此階段艙體內多個電池簇失火，產生大量可燃氣體，艙體的整體安全受到嚴重威脅，應啟動空間級滅火系統。 但空間級水基滅火系統的啟動會對艙體內蓄電池及其他電器設備造成嚴重影響， 災后的經濟損失很大，因此，在啟動空間級滅火系統時，應強調“謹慎原則”，不容許空間級滅火系統的誤動。 在空間級滅火系統的啟動邏輯應設定多種判斷條件， 可采用簇級滅火系統啟動+ 增加在布置在艙體頂部的2 處以上感煙探測器發出報警信號+ 艙體內感溫探測器溫度在700 ℃以上， 否則應進行人工判斷是否啟動。簇級+空間級的組合電池艙滅火系統的具體滅火策略，見圖1。

圖1 滅火系統控制策略

5 結語

電池儲能艙內布置有上百具單體蓄電池， 火災危險性較大，在艙內布置自動滅火系統是及時滅火的重要手段。 儲能電池艙內宜同時配置簇級滅火系統和空間級滅火系統， 確保在艙內不同火災階段可實現針對性滅火。 在艙體火災初期階段，進行及時、準確的高效滅火可實現快速阻止火災蔓延，將火災控制在簇級內，以減小火災造成的經濟損失，宜采用氣體滅火劑的滅火系統。 當艙內火災蔓延時，為保證艙體的整體安全，空間級滅火宜采用水基型滅火系統， 不僅能持續進行冷卻降溫滅火，并能有效防止復燃。 兩套滅火系統的啟動順序，應根據不同火災判斷依據進行，以達到在保證消防安全的前提下，將火災經濟損失降至最低的目的。 在初次接收到火災報警信號，應確保簇級滅火系統的快速啟動，強調“及時原則”；若初期火災滅火失敗，火勢蔓延，則應啟動空間級滅火系統，但此時應防止火災報警系統誤報情況，在確保消防安全的前提下，強調“謹慎原則”。