電化學(xué)儲能站消防系統(tǒng)解析及應(yīng)用研究

摘要：隨著新能源技術(shù)的快速發(fā)展，儲能系統(tǒng)在電力、交通、通信等多個領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。然而，儲能系統(tǒng)的安全問題，尤其是鋰電池儲能系統(tǒng)的火災(zāi)風(fēng)險，一直是行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。本文將對市場上常見的電化學(xué)儲能站消防系統(tǒng)進(jìn)行解析，并通過真實(shí)的案例，探討如何通過科學(xué)合理的設(shè)計，確保儲能系統(tǒng)安全運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：電化學(xué)儲能站；消防設(shè)計；消防系統(tǒng)

引言

當(dāng)前，我國可再生能源正處于快速發(fā)展時期。在可再生能源發(fā)展中，儲能占據(jù)極其重要的地位。目前儲能安全問題尚未得到妥善解決，儲能柜排布緊湊，結(jié)構(gòu)定制化，常規(guī)的消防設(shè)計方案并不適用。本文著重探討了儲能電站電池系統(tǒng)火災(zāi)特點(diǎn)以及相應(yīng)的消防設(shè)計要點(diǎn)，針對儲能系統(tǒng)的特點(diǎn)和需求，通過分析早期預(yù)警、快速響應(yīng)和精準(zhǔn)滅火等技術(shù)特點(diǎn)，旨在最大限度減少火災(zāi)風(fēng)險并保障系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，使可再生能源、低碳經(jīng)濟(jì)及離網(wǎng)電力具有更高的價值，為儲能電站未來的建設(shè)與安全運(yùn)行提供參考。

一、儲能系統(tǒng)火災(zāi)成因及危害特性

（一）電池?zé)崾Э?/p>

鋰離子電池等常用儲能電池在過充、過放、短路、高溫等異常條件下易發(fā)生熱失控，產(chǎn)生大量熱量和可燃?xì)怏w，是引發(fā)火災(zāi)的直接原因[1]。

（二）管理維護(hù)不當(dāng)

缺乏有效的定期檢查、維護(hù)以及不合理的布局設(shè)計，如電池間未設(shè)置足夠的防火間距、通風(fēng)不良等，均可能增加火災(zāi)風(fēng)險。

（三）外部環(huán)境因素

極端天氣條件（如高溫、雷擊）或外部火源（如電氣短路、人為縱火）也可能觸發(fā)儲能站火災(zāi)。

（四）火勢蔓延迅速

電池?zé)崾Э睾筢尫诺目扇細(xì)怏w一旦被引燃，將迅速形成猛烈燃燒，加之電池密集排列，火勢極易在短時間內(nèi)蔓延。

（五）高溫與毒性氣體

火災(zāi)中產(chǎn)生的高溫不僅威脅人員安全，還能加速電池材料分解，釋放有毒有害氣體（如氟化氫、一氧化碳等），增加救援難度和人員傷亡風(fēng)險。

（六）爆炸風(fēng)險

電池內(nèi)部壓力積累到一定程度時可能發(fā)生爆炸，進(jìn)一步加劇火勢，擴(kuò)大破壞范圍。

二、儲能系統(tǒng)火災(zāi)隱患

（一）電氣類火災(zāi)隱患

電氣火災(zāi)主要源自鋰電池儲能系統(tǒng)中存在的大量電氣設(shè)備，包括PCS、變壓器直流回路、配電系統(tǒng)等。系統(tǒng)中的高電壓、大電流勢必對儲能系統(tǒng)影響很大，同時也會對儲能系統(tǒng)的保護(hù)元器件造成損壞，導(dǎo)致無法進(jìn)行保護(hù)動作甚至引起火災(zāi)[2]。

（二）電池類火災(zāi)隱患

電池火災(zāi)通常源于其內(nèi)部材料和結(jié)構(gòu)特性。在生產(chǎn)、運(yùn)輸、安裝及使用等環(huán)節(jié)，若質(zhì)量控制不當(dāng)或操作不規(guī)范，將顯著增加電池發(fā)生熱失控的風(fēng)險。熱失控是指電池內(nèi)自發(fā)的放熱連鎖反應(yīng)導(dǎo)致溫度急劇升高的一種無法控制的狀態(tài)[3]。一旦由此產(chǎn)生的熱量超過了電池外部能夠有效散發(fā)的量，可能導(dǎo)致過熱現(xiàn)象，并伴隨氣體釋放，嚴(yán)重時甚至?xí)斐善鸹鸹虮ㄊ鹿省ｄ囯姵貎δ芟到y(tǒng)的電池模組是將多個電池組串聯(lián)一起的設(shè)計，這無疑也增加了鋰電池的安全隱患。

三、消防預(yù)警、報警及滅火控制策略

由于電池預(yù)熱艙具有帶電特性，火災(zāi)發(fā)生時導(dǎo)致儲能電池在密閉環(huán)境中燃燒，目前的消防反應(yīng)動作為“先斷電，后滅火”，因此電池預(yù)制艙在成組布置時，需要考慮火災(zāi)蔓延，必須保留足夠的防火間隔空間[4]。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)，同時關(guān)閉運(yùn)行中的電氣設(shè)備。當(dāng)巡視人員發(fā)現(xiàn)火情但滅火系統(tǒng)未自動啟動時，人員應(yīng)手動啟動滅火設(shè)備。當(dāng)艙內(nèi)斷路器拒跳時，經(jīng)維護(hù)人員人工監(jiān)控視頻判斷火災(zāi)，通過電池管理系統(tǒng)（BMS）給控制主機(jī)發(fā)出斷路器跳開信號，控制主機(jī)啟動，對應(yīng)瓶組容器閥及選擇閥實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程啟動滅火。

四、電化學(xué)儲能站消防系統(tǒng)總體設(shè)計

（一）站址選擇與平面布置

電化學(xué)儲能站站址選擇應(yīng)因地制宜、合理利用，同時考慮交通運(yùn)輸、防洪防澇，遠(yuǎn)離歷史文物保護(hù)區(qū)、水源保護(hù)地、危險區(qū)域等場所。儲能電站的平面布置分為兩種方式。一種將儲能電池艙設(shè)置于建筑內(nèi)，耐火等級不應(yīng)低于二級，另一種將電池艙布置在室外機(jī)中，采用豎向布置。兩種布置方式與站內(nèi)其他建（構(gòu)）筑物、設(shè)備的防火間距及與站外其他建（構(gòu)）筑物的防火間距均應(yīng)符合GB51048的規(guī)定。電池預(yù)制艙應(yīng)單層布置，單個防火單元內(nèi)所有電池艙的電池額定能量之和不宜大于10mW·h。相鄰防火單元的電池艙防火間距不應(yīng)小于3m，電池艙開門側(cè)防火間距還應(yīng)滿足檢修和滅火救援要求。當(dāng)采用防火墻時，防火間距不限。防火墻的耐火極限應(yīng)不小于3h，防火墻長度、高度均應(yīng)超出預(yù)制艙外廓各1m。儲能電站應(yīng)設(shè)置圍欄或圍墻，電池預(yù)制艙與圍墻或圍欄的間距不宜小于5m。當(dāng)小于5m時，可采用實(shí)體圍墻，高度不低于電池預(yù)制艙外廓。儲能電站站區(qū)應(yīng)至少設(shè)置一個供消防車輛進(jìn)出的出入口，出入口凈寬、凈高不小于5m。站區(qū)內(nèi)宜設(shè)置環(huán)形消防車道，如確有困難時應(yīng)設(shè)置回車場。消防車道其他要求還應(yīng)符合GB50016、GB55037的相關(guān)規(guī)定[5]。

（二）消防設(shè)施設(shè)置與配備

消防給水和消火栓系統(tǒng)：消防水源應(yīng)有可靠的保證，用水量應(yīng)按同一時間內(nèi)的火災(zāi)起數(shù)和一起火災(zāi)滅火所需最大用水量計算；室外消火栓應(yīng)考慮數(shù)量、出水量及配件量。固定自動滅火系統(tǒng)：滅火系統(tǒng)應(yīng)滿足撲滅模塊級電池明火且不復(fù)燃的要求，系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)“先斷電、后滅火”的原則。防爆措施：電池艙應(yīng)設(shè)置可燃?xì)怏w探測裝置，報警和故障信息應(yīng)上傳到監(jiān)控系統(tǒng)，響應(yīng)信號應(yīng)能同時接入通風(fēng)和火災(zāi)自動報警系統(tǒng)，通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)采用防爆型[6]?；馂?zāi)自動報警及其聯(lián)動控制系統(tǒng)：聯(lián)動控制裝置宜設(shè)置在設(shè)備室，電池艙外應(yīng)設(shè)置手動報警按鈕，艙內(nèi)設(shè)置可燃?xì)怏w探測器、感溫探測器和感煙探測器。消防用電：儲能電站消防用電應(yīng)采用一級負(fù)荷供電，線路應(yīng)滿足火災(zāi)時連續(xù)供電的需要，應(yīng)急照明應(yīng)符合GB51309的規(guī)定。消防器材與其他：在設(shè)備室及艙外配置滅火器及其他滅火器材，設(shè)備室應(yīng)設(shè)置防止雨雪、風(fēng)沙、小動物進(jìn)入的設(shè)施。

（三）儲能箱體消防系統(tǒng)設(shè)計

1.全淹沒滅火系統(tǒng)

全淹沒滅火系統(tǒng)指在系統(tǒng)設(shè)定時間內(nèi)，向防護(hù)區(qū)噴放設(shè)計規(guī)定用量的氣體滅火劑，并使其均勻地充滿整個防護(hù)區(qū)的滅火系統(tǒng)。通常電化學(xué)儲能站消防系統(tǒng)會選擇七氟丙烷，實(shí)驗(yàn)表明鋰電池在密閉情況下起火，七氟丙烷能夠迅速滅火，在密閉環(huán)境下不會復(fù)燃。此外，超細(xì)干粉、全氟乙酮及二氧化碳也能夠迅速滅火。七氟丙烷因其快速響應(yīng)能力和防復(fù)燃特性而受到青睞。全氟己酮作為一種新興選擇，雖然在密閉環(huán)境下不會引發(fā)復(fù)燃，但由于認(rèn)證限制，其應(yīng)用尚不普遍。

2.氣體滅火系統(tǒng)與噴淋系統(tǒng)的結(jié)合

電化學(xué)儲能站消防系統(tǒng)設(shè)計了氣體滅火系統(tǒng)，同時加裝噴淋。如果火勢兇猛，噴淋啟動，在供水比較充足的情況下，正常是可以將火災(zāi)完全抑制的；如果供水不充分，也能給消防人員處理爭取到更多寶貴時間。氣體滅火系統(tǒng)與噴淋系統(tǒng)的結(jié)合，考慮了鋰電池在明火被快速熄滅后還需要水進(jìn)行冷卻的特點(diǎn)。在火災(zāi)發(fā)生初期，氣體滅火系統(tǒng)迅速響應(yīng)，控制火勢；在火勢較大時，啟動噴淋系統(tǒng)以完全撲滅火情。

3.PACK級滅火方案

PACK級防護(hù)是指以電池模塊為單位進(jìn)行消防保護(hù)的方案。電化學(xué)儲能站PACK級滅火，通過復(fù)合探測器、管路電磁閥、滅火裝置、霧化噴頭等，探測和保護(hù)每個電池包，在電氣火災(zāi)初始階段，有效監(jiān)測與抑制火災(zāi)。這種設(shè)計通常包括在每個電池模塊中安裝可燃?xì)怏w探測器和滅火介質(zhì)噴頭，結(jié)合電池管理系統(tǒng)（BMS）來識別電池的早期熱失控狀態(tài)，并在單體電池?zé)崾Э睾笸ㄟ^配置的滅火裝置實(shí)現(xiàn)快速滅火，實(shí)現(xiàn)對每個電池包的精準(zhǔn)監(jiān)測與點(diǎn)對點(diǎn)噴放滅火劑，有效抑制和撲滅電氣火災(zāi)。PACK級滅火技術(shù)雖然成本較高，但在高風(fēng)險的儲能應(yīng)用場景中，這種針對性強(qiáng)的滅火設(shè)計顯得尤為重要。

五、電化學(xué)儲能站消防系統(tǒng)的關(guān)鍵要素

（一）滅火裝置

選擇合適的滅火劑和裝置是確保滅火效率和防復(fù)燃的關(guān)鍵。七氟丙烷因其在密閉環(huán)境下的優(yōu)異表現(xiàn)而成為優(yōu)選。

（二）探測系統(tǒng)

采用多種探測技術(shù)進(jìn)行全方位監(jiān)控，包括溫度探測器、煙霧探測器以及可燃?xì)怏w、一氧化碳和氫氣探測器等，以及時感知火情并啟動滅火程序。

（三）滅火劑傳輸

管網(wǎng)式七氟丙烷系統(tǒng)因其均勻分布滅火劑的能力而成為電化學(xué)儲能站消防系統(tǒng)的優(yōu)選方案。

（四）啟動方式

自動啟動、手動啟動和機(jī)械應(yīng)急啟動三種方式，以適應(yīng)不同的火災(zāi)情況和安全需求。

六、實(shí)際案例應(yīng)用

江蘇某50MW/100MWh獨(dú)立儲能電站位于江蘇某燃?xì)鉄犭娪邢薰疚鱾?cè)圍墻外新征地塊，占地面積共約1153畝。場地平整，自然地坪標(biāo)高240m—320m，場地地勢平緩。進(jìn)站道路由東側(cè)廠內(nèi)現(xiàn)有道路引入，運(yùn)輸主變道路路面寬度為45m，其余道路為4m，如圖1所示。

（一）總平面布局

儲能站總體布局分為二大板塊，從南向北依次為升壓區(qū)和儲能區(qū)。其中，升壓區(qū)和儲能區(qū)以中間道路間隔分開。升壓區(qū)自北向南依次布置主控制艙、35kV配電裝置預(yù)制艙、GIS、主變壓器、事故油池等。儲能區(qū)共布置11座儲能艙和11座PCS升壓艙，布置在站區(qū)南部，總平面布局如下圖2所示。

（二）儲能站消防系統(tǒng)設(shè)計說明

儲能電池艙消防設(shè)施采用整體集成設(shè)置，艙內(nèi)消防采用模塊級全氟己酮?dú)怏w滅火系統(tǒng)；電池艙預(yù)留二次水噴淋系統(tǒng)接口，每個接口與1只SQD150-16型水泵接合器相連，如下圖3所示。

主控制艙、35kV配電裝置預(yù)制艙內(nèi)均設(shè)置火災(zāi)自動報警系統(tǒng)，包括火災(zāi)報警控制器、聲光警報器、火災(zāi)報警按鈕、探測器，同時將電池艙全氟己酮滅火裝置信號傳輸至主控制艙，火災(zāi)報警控制器信號傳輸至電廠消防總機(jī)，方案如圖4所示。

升壓區(qū)及儲能區(qū)設(shè)室外消火栓系統(tǒng)，選用SSF150/65-16防撞減壓型地上式消火栓。從該電廠已建消防給水管網(wǎng)的不同段上接出2路干管至儲能站室外消防給水管網(wǎng)，并沿站內(nèi)道路呈環(huán)狀布置。消防給水系統(tǒng)包括2×1500m3消防水池、消防水泵（2臺，單泵Q=485m3/h，H=78m）、穩(wěn)壓泵（2臺，單泵Q=9m3/h，H=80m），增設(shè)隔膜式氣壓罐1只（Φ=1000，V=15m3，PN=16MPa）。

升壓區(qū)配置消防箱，每組消防箱配置1臺50kg推車式滅火器、2具5kg手提式干粉滅火器、6把消防鏟、6只消防斧、6個消防鉛桶。儲能區(qū)配置消防砂箱，每套砂箱內(nèi)設(shè)1m3滅火砂、5把消防鏟、2只消防斧、3個消防鉛桶。儲能電站設(shè)消火栓箱，其中儲能區(qū)箱內(nèi)配4根25m水帶、1支噴霧水槍、1把消火栓扳手。升壓區(qū)箱內(nèi)配25根25m水帶、5只直流水槍。

結(jié)語

電化學(xué)儲能站的消防安全需要形成一個完善、系統(tǒng)的消防解決方案體系。從前期的選址布局、設(shè)計選型、施工安裝到后期的運(yùn)維管理，每一個環(huán)節(jié)都至關(guān)重要。通過精心設(shè)計的消防系統(tǒng)，不僅能在火災(zāi)發(fā)生時及時響應(yīng)，還能最大限度地減少損失，保障人員和財產(chǎn)安全。隨著“十四五”時期儲能行業(yè)的規(guī)模化發(fā)展，確保安全成為支撐產(chǎn)業(yè)健康持續(xù)發(fā)展的重中之重。建設(shè)儲能電站時必須將安全置于首位，才能促進(jìn)儲能行業(yè)蓬勃發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]張永強(qiáng)，于勇，陳曉飛，等.鋰離子電池儲能系統(tǒng)火災(zāi)防控技術(shù)研究[J].機(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2023（12）：37-40.

[2]嚴(yán)娟.鋰電池儲能電站火災(zāi)危險及對策研究[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2023，22（06）：38-39.

[3]邢志祥，劉敏，吳潔，等.鋰離子電池火災(zāi)危險性的研究現(xiàn)狀分析[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2019，38（06）：880-884.

[4]禹進(jìn)，郭川鈺，張偉闊，等.磷酸鐵鋰電池在儲能預(yù)制艙中的火災(zāi)模擬及其消防應(yīng)急技術(shù)仿真研究[J].高電壓技術(shù)，2023，49（12）：5187-5195.

[5]齊文瑾.儲能電站電池系統(tǒng)火災(zāi)特點(diǎn)及消防系統(tǒng)設(shè)計[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2023，13（36）：124-127.

[6]朱秀錦，王秀利，陳卓新.鋰電池化學(xué)儲能電站消防安全淺析[J].廣東化工，2023，50（16）：58-61.