储能电站消防安全相关措施探讨

郭海筱

（宁波市消防救援支队鄞州区大队，浙江宁波 315000）

0.引言

所谓储能电站，可将其看作是一个大号的充电宝，商用性质为兆瓦级别，家用则容量小一些。为了方便安装运输，通常会以标准集装箱的规格制作外包箱体。储能电站并不完全是锂电池，也有铅酸电池、液流电池、纳硫电池等，抽水蓄能理论上也属于一种储能方式，只是近些年锂电池风头正劲，所以占比较高。建设储能电站的根本目的是为清洁能源提供蓄水池，一方面随着清洁能源需求不断增加，以太阳能、风能、水电为代表的清洁能源，是降低碳排放的主力军，但因为这些清洁能源稳定性不足，电无法存储，所以需要建设储能电站来满足供电需求；另一方面随着锂电池价格不断下降，且用于储能系统中能显著降低系统体积大小，于是使得大规模使用锂电池存储电能成为了可能[1]。

总体上看，目前我国储能电站虽然得到了一定的发展，但是对于储能电站的研究和投入还不足，应用经验还比较少，尤其是储能电池的消防安全方面的研究，更是少之又少，从而导致储能电站在运行过程中存有较大安全隐患。

1.储能电站的火灾危险特性分析

目前储能电站多为磷酸铁锂电池储能，但是由于大规模电厂在充放电过程中纳米颗粒极其容易从电极上脱落，使得电池内部出现短路故障，导致电厂组发热及着火。另外，电池过充、长时间大电流放电、通风不良等，也会引发线路过热从而引起火灾发生。具体而言，电池在充放过程中，若外部遇到明火、撞击、雷电短路等意外，就会有发生火灾爆炸的可能性；由于过压或过流，使得设备温度较高，会形成引燃源；电解液温度较高，换热系统存有故障，如风险损坏、通风道堵塞、外界温度过高等，使得设备长时期处于高温状态运行，就很有可能引发火灾[2]。近年来国内外储能电站火灾爆炸事故屡屡发生，全球电化学储能电站起火或爆炸事故统计情况（仅列举几项），见表1。

从表1可看出，引起储能电站起火爆炸事故的原因主要包括两点：一是储能电站火灾事故多发生在充电中或充电后休止中，此时电池电压较高，电池活性较大，并联电池簇间形成环流，容易到电芯处于过充状态，随着电压升高内部短路，从而引发火灾事故；二是储能电站起火后，采用七氟丙烷等气体灭火装置主要是通过隔绝氧气的方式来实现灭火，但并不能实现电池降温，一旦外部氧气进入，就会引起电池复燃，且电池燃烧过程中会产生甲烷、一氧化碳等易燃易爆的气体，这样就会容易引起气体爆炸。

表1 全球电化学储能电站起火或爆炸事故统计

2.储能电站消防安全相关措施

2.1 一般性措施

对于储能电站的消防安全设计，具体需要针对不同建筑物和设施，采取不同的消防安全措施，包括工艺设计、设备及材料选用、平面布置、消防通道等方面。通常情况，储能电站会与光伏、太阳能及输变电站等联合建造，因此储能电站内一般不设立单独的生活建筑。依据电池特性，多数是按照全户内布置方式来布置储能电池房，占地面积大，且为单层建筑。按照火灾危险性分类，体积超过3000m³的储能电池房，就需要在室外设置消防系统和消火栓，但依照规范室内可不设置消火栓。另外，考虑储能电池设备及配电设施具有怕水的特性，所以在设置灭火器时，应选择干粉型和气体型的移动式灭火器，不宜采用水型灭火器。与此同时，在储能电池建筑内，还需要设置消防砂箱，尤其是钠硫电池房，要在内部设置适当数量的黄砂，并配置相应的消防铲、消防桶、消防斧等辅助性设施[3]。

2.2 特殊性措施

目前国内储能电池的特殊消防设施布置要求，主要是依据日本《电力贮存用电规程》规定来进行，即电池设置在专用的建筑物内，装设面积超过200m2的则需要设计自动气体灭火系统。但考虑到单座储能室设备造价较昂贵，一旦发生火灾会造成巨大的损失，且建筑面积均较大，所以即便建筑内的电池装设面积未超过200m2，但整体也仍然需要采用气体灭火系统。目前我国政策允许使用的气体灭火技术较为程度，如七氟丙烷、三氟甲烷、六氟丙烷、二氧化碳等。在储能电池室中采用的气体灭火系统主要为管网式全淹没系统，系统一般分为2～8个防火分区，以最大的灭火区域来设计用量，以此来满足灭火要求，并降低系统的造价。另外，在气体灭火系统中，还设有火灾自动报警功能，装设有智能型感烟探测器和感温探测器、火灾报警控制器、气体灭火控制盘等。

3.优化及改进建议

目前行业内也大力开展了热失控提前预警和消防安全技术，但并不能够从根本上避免储能电池系统的安全事故，要想达成“零事故”的绝对安全目标，就需要改变固有的思维模式，从电池安全状态实时评价和预测方面着手，针对电池本体及运行条件等因素长期演化的特性，加强电池安全风险早期预警系统的研发，以此从源头上降低电池系统热失控而引起火灾事故的概率。

以锂电池储能电站为例，应依据锂电池失控特性建立起相应的消防安全系统，并保证系统设置的独立性，能够对单个电池发生热失控时，及时快速的预警。同时，电池热失控早期最有效的手段是对气体进行监控，那么气体探测器的设计是重点需要思考的问题。通过合理设置气体探测器，以此对储能电站中的气体、烟雾和温度等关键参数变化进行采集，当参数超过实现事先设定的限值后，系统及时对热失控电池异常状态发出警报，提升系统的预防和预警性能。另外，考虑锂电池在发生热失控时，还会伴随着电解液泄漏问题，电解液泄漏会引发电网设备高压、绝缘失效、起火等危险，因此在设计应用消防安全系统时，也要建立多级防护机制，即利用消防安全系统、动力环境系统等各系统协调配合作用，以此对电池发生电解液泄漏、热失控等电池异常状态的及时预警，且出现险情时，防护设施能迅速对目标区域作出有效的反应，以便及时控制险情，进而保障电池储能系统的安全运行。

对于储能电站消防安全管理，除了要在系统方面加以完善，也需要在制度方面予以优化。首先，应加强安全培训教育方面的关注，要对消防员、指挥员等人员进行储能系统安全性的培训，培训内容包括电池热失控、燃爆和爆炸波传播动力学、储能系统火灾典例分析等，以此增强他们的安全意识，并保证他们的安全。其次，储能系统的所有者和经营者，应加强与当地消防人员和业主授权的单位制定应急行动计划，全面了解与储能电池技术相关的危害，然后按照相关消防法规规范要求，配备适当的防火防爆保护装置。最后，各储能电站要建立完善的安全管理制度，出台切实可行的工程安全管理办法，同时从源头上把控工程建设的质量，针对消防安全要求，制定专项的实施方案，将相关技术安全负责人批准后实施，从而降低储能电站火灾发生的概率。