储能电站消防安全现状与火灾防控措施探析

余晓玲

摘要：近年来，随着储能市场的逐步升温，一系列诸如光伏储能电站、电化学储能电站等迅速发展起来。然而尽管储能电站拥有着较大的市场发展潜力，但由于化学电池一旦起火，极易引发爆炸，造成严重的人员伤亡或损失，如何确保消防安全已然成为时下建设新储能电站时亟需思考的问题。对此，本文主要从储能电站的火灾危险性及储能电站事故产生的原因等方面着手，就当前储能电站消防安全现状加以分析，并有针对性的提出火灾防控策略。

关键词：储能电站;消防安全;火灾;防控

一、储能电站基本概述

1、储能电站的构成

储能电站所采用的电池主要由两种材料构成，一种是三元电池，另一种是磷酸铁锂电池。由多种单体电池以并联或串联等方式构成一个电池模组，产生电池包，许多个电池包便构成了储能系统。由此可见，储能系统的构成涵盖多个单体电池，但这也在无形中加剧了锂电池安全隐患的发生。如果某一个单体电池因受到自身或者外界等诸多因素的影响而失控，引发火灾，势必会对周边锂电池的安全构成威胁，导致热失控向多个范围蔓延。本文所研究的储能电站使用的电池以磷酸铁锂电池为主，这种电池安全性较好，即便锂电池产生了热失控现象，一些诸如甲烷、一氧化碳、碳酸二甲酯等易燃易爆气体也会通过电解液被释放出来。但需要注意的是，这些气体一旦与空气混合便会产生爆炸性的混合物，遇到火源会引发剧烈的爆炸。

2、储能电站的火灾危险性

电化学储能电站主要是借助可充放电的电池来进行电能储存的。近年来，伴随着电池技术的进步，以锂离子电池为主的电化学储能系统得以迅猛发展并普及。不同于铅酸或钠硫等电池储能系统，锂离子电池储能系统除了具备较高的能量密度及转换效率以外，其使用寿命也比较长。然而由于锂离子电池所采用的有机电解液沸点比较低，易燃性较强，并且材料体系的热值偏高，一旦电池本体或者电气设备等出现故障，极易促使电池材料的放热副反应被触发，造成电池热失控现象，更有甚者还会因储能系统的燃烧爆炸引发更大的安全隐患。锂离子电池在具体使用环节，一般是以锂离子在正负两极之间的嵌入与脱出来完成电能储存的，倘若锂离子电池的使用出现差错，那么当处于高温或碰撞等环境下时，就有可能触发电池内部的化学反应，进而引起热失控。如果热失控在电池模组内不断进行传播，还容易导致储能系统发生燃烧爆炸等危险事故。

二、储能电站消防安全现状及成因

1、储能电站消防安全管理的现状

电化学储能中电池组的安全问题一直备受关注，并逐渐成为储能电站中的主要安全问题之一。根据相关数据显示，截止到2020年年底，在全球范围内，电化学储能装机规模累计达到14.2GW，其中，仅我国新增的装机规模就达到1.56GW，总规模约为3.27GW，在全国总增长规模中所占比重高达86%。预计到2025年，我国的电化学储能装机规模将达到24GW。然而伴随电化学储能电站的快速发展，一系列消防安全问题随之而来。由于在电化学储能装机规模中，锂离子电池装机所占比重达到82%以上，电池组（堆）已然成为储能电站消防安全中最大的隐患。虽然早在2014年，我国便制定了国家标准GB 51048—2014《电化学储能电站设计规范》（以下简称为《规范》），但《规范》中仅仅提到了对站内建筑物的火灾加以防范，并没有专门针对锂电池等储能单元进行自动消防设施的设置。相较于电动汽车行业近100项国家标准，我国针对储能行业所推出的国家标准不足20项，有关消防安全方面的国家标准至今仍旧处于空白。

相关资料显示，我国于2014年正式开始进行新能源汽车的发展，但由于新能源汽车不断出现安全事故，对此，我国针对新能源电动汽车的消防安全与管理问题相继制定了一系列标准。到了2017年，我国制定出具有强制性的国家标准GB 7258—2017《机动车运行安全技术条件》（以下简称为《条件》），明确规定，在汽车报警后的五分钟之内，不应起火爆炸。2019年，我国又针对城市公共汽电车车辆专用安全设施出台了JT/T1240—2019《城市公共汽电车车辆专用安全设施技术要求》，2020年又提出GB 38031—2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》，再一次对五分钟的预警问题做出了明确规定，要求当出现热事故时，应第一时间为驾乘人员提供报警信号。就当前来看，真正与锂电池火灾防控相关的标准只有《电动客车锂离子动力电池箱火灾防控装置通用技术要求》，这条标准也是应急管理部消防产品合格评定中心针对产品所提出的标准，即便一些产品获取到技术鉴定证书（非三元体系锂电池），但也仅仅只能在体量比较小的车用锂电池箱中适用，很难满足容量较大的电化学储能装置火灾防控的相关要求。直到2019年8月，我国才相继出台了一系列诸如《动力电池梯次利用储能电站火灾风险评估指南》、《动力电池梯次利用储能系统消防安全技术条件》等与储能系統有关的标准，首次提出应在储能系统内部进行火灾探测器的设置，并将其与储能系统内的断电装置联动使用等要求。旨在确保当锂离子电池出现热失控等故障时，储能系统可以自行进行断电，并对外发出报警信号。

2、储能电站安全事故的成因

对于锂离子储能系统而言，其之所以产生安全隐患，很大一方面原因在于以下几点：

一是受到电池本体的影响。通常来讲，电池在制造过程中倘若出现瑕疵，或者电池因长期使用老化失效等，都可能会导致储能系统的安全性遭到退化。

二是运行环境。当电池受到非常规运行环境与管理因素等方面的影响时，电池内部老化的过程会逐步趋于复杂，从而引发安全事故。

三是管理系统。当前，我国的储能产业尚处于大规模应用的初级阶段，电池的性能指标还不清晰，规划设计相对单一，也没有完善的消防技术作为支撑，以致于电化学储能电站在性能和安全等方面还存在着诸多问题，构建完善的储能技术标准与管理系统尤为必要。

三、储能电站火灾防控措施

储能电站的安全问题并不仅仅局限于锂电池，储能系统的任何一个环节如果发生故障，都可能引发安全事故，其中，安全风险与安全处置是储能电站安全问题的核心所在，安全风险主要涵盖储能系统和部件的电气安全、化学安全以及火灾爆炸安全等方面的风险;安全处置包括对消防安全的设计、产品标准的设计以及应急处置的设计等等。本文重点对以锂离子电池为主的电化学储能系统的火灾防控措施进行研究。

1、建立健全火灾预警控制系统

锂电池火灾从爆发到迅速蔓延，一般都是因首节单体电池出现热失控后，相邻的电池受到热传导或热辐射等作用后出现热失控的连锁反应，而造成整个储能系统故障。电池出现事故通常经历了泄露、起火到最终爆炸这三个过程，电池温度出现异常升高现象、电压掉落等等，都有可能触发热失控。对此，储能电站的火灾自动报警系统可以结合单个集装箱进行独立的报警区域的设置，利用锂电池火灾专用的探测报警器，对早期的电池泄露等现象进行检测，并实时接收到火灾报警和联动控制信号，从而第一时间采取相应的火灾防控措施。

2、合理设置自动灭火系统

为了有效防止储能电站火灾事故的发生，除了应根据GB 51048—2014《电化学储能电站设计规范》，将站内建筑物的火灾防控问题充分考虑在内以外，还应在储能电站的电池集装箱内部进行自动灭火系统的配置，并结合储能电站锂电池火灾的特征，合理进行火灾报警及灭火逻辑的设置，必要时可以按照探测器所探测出的电池参数，进行完善的火灾预警机制的构建。一般来讲，储能电站的消防控制室应具备启动灭火系统的权利，倘若发出一级报警动作信号，相关人员应在第一时间内将电池一侧与外部电气之间的连接切断，触发声光报警按钮;如果发出二级火灾探测器或者感温探测器的动作信号，则应启动自动灭火系统。

储能电站锂电池自动灭火系统在选择灭火剂方面一直是一大难题。以往在面对锂电池热失控现象时，所采用的灭火剂大多都以气体或者干粉等为主，但这种灭火剂由于降温效果比较差，很难从根本上抑制锂电池火灾的爆发。之后虽然出现了一系列相对成熟的灭火剂，如水喷淋系统技术等，但快速灭火后很容易引发储能电站内电池的短路甚至损坏电池。如部分学者进行了水雾灭火试验，结果显示，当锂离子电池处于完全自由燃烧的状态下灭火，能够快速抑制火焰的喷发，电池的温度会不断升高，此时在电池上施加适量的水雾，可以使熱失控蔓延的时间进一步延长，但一旦停止了喷射，又会产生新的火花，导致火焰复燃，引发电池的二次热失控。也有一些学者利用七氟丙烷进行灭火试验，结果发现，七氟丙烷在释放时会因压力过大对火焰产生一定的冲击，达到较好的灭火效果，同时还具有隔离氧气的作用，但之后还是存在复燃的可能性。还有少数学者进行了全氟己酮灭火试验，结果显示，在没有使用全氟己酮之前，会有明显的射流火出现，使用后电池没有再出现明火，可却有大量的烟气被释放出来，并没有起到很好的降温效果。但通过将全氟己酮与细水雾相结合展开试验，结果表明，电池的峰值温度大大降低，能够起到快速降温效果。总之，储能系统在发生火灾后，倘若无法第一时间灭火，势必会加剧损失，更有甚者还会威胁到人们的生命健康。因此，在选用灭火装置时，应重点考虑是否能够快速灭火、是否具备良好的降温效果等因素。

参考文献

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