LFP儲能電站消防滅火設施設計與研究

長沙市消防救援支隊 向 峰

1 引言

在“雙碳”背景下，風能、太陽能等可再生能源逐漸成為電力系統發電技術的重要能源。工程建設過程中，消防安全一直非常重要，如果儲能電站行業尚未建立統一的安全標準、安全措施也不夠健全可靠，會導致不良后果。所以，相關部門必須密切關注消防安全，制定更加嚴格的規章制度，推行全面安全管理，確保儲能電力行業的穩步發展。因此，只有通過采取切實有效的安全措施，儲能電功率行業才能實現長遠可持續發展的目標。

2 項目案例

2021年5月，L 地區電力有限公司承建的200kV分布式儲能電站正式投入運用，占地約2000m2，該儲能電站額定功率為200kW，儲存電量700kWh，電力類型采用的是LFP（磷酸鐵鋰，簡稱鋰電池）作為儲能材料，運行年限可達25年，日發電量可達640kWh，是目前我國較大規模的電化學儲能電力系統項目。該儲能電站共建有二十多個電池儲能預制艙[1]，1棟配電控制樓如圖1所示。其中，配電控制樓的占地面積約480m2，高21.5m，建筑物為丙類建筑一級耐火等級，而電池儲能預制艙則分布于配電控制樓的周圍，同時每2座電池儲能預制艙之間設置有間隔距離為3m 的防火分區。當前，該儲能電站內部的消防滅火設施配置包括：22座電池艙內的七氟丙烷滅火裝置以及干粉滅火器，站外配置有配滅火砂箱。

圖1 儲能電站架構

3 消防滅火設施設計

針對LFP 鋰電池、儲能預制艙一級配電控制樓進行分析后，必須遵循相關設計規范，以確保安全性和滅火介質的合理選擇。為此，在該儲能電站的電池艙內部應設立適當的滅火系統，并在室內外設置冷卻水系統滿足需求，同時還需要配置適量滅火器具，采用5G 智慧消防技術，從而能夠全方位地做好消防安全防護工作。

3.1 電池預制艙滅火系統

由于LFP 鋰電池溫度過高時的風險較高，因此應當結合企業生產的實際情況，設定各類建筑的火災危險等級，并以此為依據選擇消防噴水滅火系統的出水強度[2]。

一是該儲能電站設計的細水霧滅火系統，主要是以每一座儲能電池艙作為一個防護區，實現分區控制，共計設有20個防護區及1個水泵，儲能電站和預制艙火災的滅火措施主要包括細水霧。細水霧是一種針對電池預制艙火災的有效方法，能夠通過表面冷卻、阻止輻射、隔離熱量和濕潤等方式進行滅火。此外，細水霧噴灑還會伴隨乳化作用，在實際的滅火過程中，可以產生多種化學反應，進一步加強滅火效果。通過采用這種先進的滅火技術，可以快速、高效地控制并撲滅火災，確保儲能電站和預制艙的安全。該系統原理是依據1個水霧噴頭保護1塊電池模塊，所以需要在20個儲能預制艙內均安裝水霧噴頭，共計200個噴頭。

二是試驗結果表明，當水霧系統的噴嘴壓力為6MPa 時，罩面兩側的罩紋呈圓弧形，同時，水霧的噴射速度不斷增大，從而增大了水霧的射程。因此，該系統降低了水霧噴嘴的壓力。調整為6MPa，根據磷酸鐵鋰電池暴露于火焰時的測試結果確定噴霧強度。設計噴嘴用水量約為2.8L/min，最終該水霧滅火系統設計的用水量約560L/min。相較于傳統的水霧噴頭結構，LFP 鋰電池儲能預制艙的水霧系統噴頭結構更加扁平化[3]，并且在表面還設置相應的噴嘴噴頭，確保噴出的水霧能夠呈現水平垂直狀態準確攝入到電池模塊內以達到滅火的目的。儲能電站水霧滅火系統如圖2所示。

圖2 儲能電站水霧滅火系統

三是當水霧系統正式啟動到預制艙內電池組模塊火勢基本被撲滅，整個時長約為28s，不過在水霧系統停止噴射后約8min 后，該預先準備好艙內的電池組模塊就再一次產生了復燃現象，而此時的水霧系統及時探測并開啟了噴射設備，并在6s 時間內將火勢全部熄滅，此后水霧系統又繼續噴射約10min，電池組模塊就再無復燃現象。這項試驗結果表明，盡管電池的起火被熄滅，但是因為電池里面仍然存在著化學物質，所以必須繼續冷卻整個滅火流程，以確保對火勢的完全控制。儲能電站中的電池艙以及電池模塊中的空間位置有限，因此火災風險系數更高，所以水霧系統的持續噴霧時間需要盡可能地延長，再考慮到LFP 鋰電池發生的電化學反應會導致二次復燃現象，所以整個水霧系統持續噴霧的時間可設置為100min 以上，具體精準的時間需要視現場實際情況而定。

四是當該儲能電站的電池預制艙內電池模塊發生火災后，該水霧滅火系統能夠根據溫度傳感器、煙霧傳感器等，第一時間啟動系統裝置，向存在著火區域的電池模塊組噴射水霧以進行撲救。該系統除可以對著火的電池模組進行大火熄滅以外，還能夠對剩余火電池模塊組件進行冷卻保溫，為避免由于環境溫度過高所引起的因內部電化學反應強烈而導致起火，該系統可以對未著火的電池模塊組件噴灑水霧后，不干擾其正常應用。

五是本系統將配置4種不同的開關控制方式，即自動控制、手動控制、遠程控制以及緊急制動。由于考慮到LFP 鋰電池本身會受到溫度過高導致出現大量白煙，同時還伴隨著大量CO、CH4等易燃氣體產生[4]。因此，在系統裝置設計過程中除了配置有傳統的溫度傳感器、煙霧報警器外，還需要在預制艙內部增設易燃氣體報警器，用于感應預制艙內電池模塊出現熱失控時所產生的易燃氣體的濃度。

六是針對電池預制艙的消防排水系統而言，首先需要保證艙內的各組電池模塊的每一塊電池側面都留有適當的縫隙，確保能夠將火災時所產生的煙霧氣體及時排出，同時也能夠有助于水霧的及時排出，其次還需要確保整個電池預制艙的底部位置設有相應的地漏，保障地漏的間隔為1.5m，總通流量控制在10L/s 左右。

3.2 冷卻水系統

由于LFP 鋰電池在發生火災時的溫度較高，而在熱失控時的溫度較低，進一步增加了火災的嚴重性和擴散風險。因此，在使用細水霧系統進行電池艙滅火時，需要通過對艙體外部進行溫度冷卻來應對火勢。同時，在控制已著火的電池艙火勢時，必須降低附近電池艙的溫度，以防止火勢進一步蔓延。電池艙發生火災屬于固體及電解液火災，因此，可以設置相應的冷卻水系統，假設火災發生的時間為5h，為了保證電池艙的安全運行，可以考慮在內部配置專門的冷卻水系統。同時，需要在電池艙外面設置室外消防栓，以便使用消防水槍對電池艙進行移動式冷卻操作。依據消防用水相關條例規定，其用水量見表1。

表1 電池艙冷卻系統用水量

4 儲能電站消防保障措施

4.1 建筑耐火級別

為了杜絕火災和防止火勢擴大，廠房都有特定的防火分區，并嚴格規定了面積、材質等。針對高層分租式廠房而言，每個防火分區的最大允許建筑面積為3000m2，防火等級為一級。通過明確廠房防火分區以及合理規劃建筑耐火級別和建筑面積，能夠科學防范火災，有效地將火勢控制在一定范圍內，減少火災的損失。

4.2 滅火器材配置

一是個人防護裝備配置。鑒于電化學儲能電站的火災風險特征，必須認真考慮保障電站內外所需個人防護裝備的安全性，包括防火、防電擊以及有毒氣體的防護，并確保供應充足的數量。

二是滅火器具配置。根據《電化學儲能電站設計規范》所規定的電力設備防護要求，儲能電池預制艙和配電控制樓應當全面配置干粉型滅火器。

三是輔助器材配置。在儲能電站的內外部配置中，需要使用各種輔助器材確保安全。這些輔助器材包括電絕緣裝具、絕緣剪斷鉗、漏電監測儀、溫度探測儀以及有毒氣體探測儀等專業設備。設備的主要作用是在滅火之前對現場有毒氣體、溫度以及漏電等情況進行檢測。這些設備的應用能夠提高儲能電站的安全性，保護人員和設備免受潛在風險的威脅。

4.3 5G 智慧消防技術

信息化技術在電化學儲能電站的消防建設過程中能夠有效地提升滅火效率，保障生命及財產安全。將先進的信息化技術應用到儲能消防安全建設與管理中，能夠充分發揮信息技術的優勢與價值。當前5G 智慧消防技術推動著新能源儲能產業的轉型升級，使消防技術從扁平化轉變成為立體化。通過對電站各個區域內所安裝的監控視頻進行智能化分析，并且能夠在原有的智能報警系統基礎上增加可視化監測，進而能夠有效實現現場火勢情況動態感知、智能化研判以及精準布點防控，從而進一步保證電站電力設施設備以及人員的安全。

5 結語

隨著儲能技術發展及生產應用，新能源發電規模不斷擴大，電力系統中的電化學儲能對于其承載力的提升同樣也發揮著重要的作用。因此，對電化學儲能消防提出加強消防自動滅火建設、消防安全設施設備優化以及構建信息化消防水源等消防安全防范措施，能夠在一定程度上降低電站儲能火災發生概率，有效提升電站儲能消防安全性能。