固定式电化学储能系统消防技术规范标准研究

2022-04-16罗斯钟园军乐山市消防救援支队综合指导科

消防界(电子版) 2022年20期

■ 罗斯钟园军乐山市消防救援支队综合指导科

近年来，电化学储能设施发展迅速，截至2019 年底，我国已投运电化学储能累计装机规模为1709.6MW，同比增长59.4%。随着固定式电化学储能系统（下简称储能系统）的迅速推广，储能系统火灾不断涌现，2017年8 月至2019 年10 月，韩国已发生了27 起ESS 火灾事故。此外，美国亚利桑那州West Valley 的亚利桑那州公共服务公用事业公司（APS）储能设施发生过起火事故，北京也发生过储能系统火灾并爆炸造成人员伤亡。文章通过分析现行储能系统消防技术规范标准存在的问题，结合国内外相关规范与文献，有针对性地提出下一步储能系统消防技术规范标准的相关建议。

一、储能系统消防技术规范标准现状分析

（一）电池火灾危险性的定义不准确

GB 51048-2014 规定了储电站内电池室和屋外电池设备的火灾危险性分类：锂离子电池、铅酸电池、液流电池为戊类，钠硫电池为甲类。与实际锂离子电池储能系统火灾爆炸的危险性不符合（2021 年4 月16 日，北京集美大红门储能电站发生火灾后爆炸，造成两名消防员死亡），磷酸铁锂电池相比三元锂电池在热失控时不易燃烧，但仍会释放可燃气体，导致爆炸。王青松等人也建议将锂离子电池仓库或厂房归类为甲类火灾危险。

（二）储能系统等级分类不准确

电化学储能系统是以电化学电池为储能载体，通过储能变流器进行可循环电能存储、释放的系统。GB/T 36558-2018 规定适用范围为额定功率不小于100kW 且储能时间不小于15min 的储能系统。现有国家标准规范GB 51048-2014 仅对电化学储能电站（范围为功率500kW 且容量500kWh 以上的储能系统设计）分类有相应要求，对不在上述容量阈值范围的非储能电站或合建多功能储能系统的等级分类、消防设计尚无国家标准。

（三）储能系统电池分类不完善

现有规范对铅酸电池、锂离子电池、钠硫电池、液流电池储能电站的选址规划、建筑结构、消防安全、火灾风险明确了相应规定和分析，但对镍电池、钠氯化镍电池、铅碳电池等多类型、新材料储电系统未明确相应规定。

（四）储能系统设计不符合实际消防安全要求

电池生产或储存的火灾危险性定性不准确导致了防火间距设置不安全。储电系统尤其是电池室的平面布置、防爆设计标准不明确，疏散方式简单、安全性低，影响人员疏散和建筑结构安全。储电站消防给水要求低，自动灭火系统设置要求不准确，简单认为设置自动灭火系统时可仅设置气体灭火系统。火灾自动报警系统设置方式不妥当，储能系统价值高昂，为防止误触发灭火系统造成损失，部分团体标准[6-7]的三级、四级等多级报警联动灭火方式描述不准确，要求通过温度、可燃气体和烟雾传感器同时报警动作作为启动灭火系统的控制信号，不仅降低了系统联动灭火的可靠性，也不符合国家规范要求。使用密闭式电池架导致发生火灾后灭火剂难以第一时间控制火势。储能系统存储电能的最大阈值、储能单元（电池簇）的排列分布间距未有相关明确要求，电池组燃烧的火焰热辐射易会迅速引燃周边的电池和电池簇，加快火势蔓延速度，增加火灾损失。

（五）灭火方式设置不合理

电池火灾风险判断不全面会影响消防救援任务的顺利进行。例如，对锂离子电池火灾扑救方式认识不全面，现有团体标准要求明火扑灭后30min 内不出现复燃，不符合实际灭火救援所需时间情况。一旦复燃锂离子电池释放的可燃气体可能导致爆炸。饶慧等人已证明，气体灭火系统能扑灭初期电池火灾，但防止锂离子电池复燃效果较差，无法持续抑制电池热失控而导致热量积聚，产生的热量使电解液迅速膨胀并发生自爆，遇空气后（自身也可产生氧气、氢气）发生燃烧并引燃相邻的电池，从而形成电池堆垛的连锁燃烧反应，宜增加细水雾灭火系统冷却控制，防止复燃。大量的中小型储能电站参考GB 50229-2019 设计消防给水设施，甚至不需设置消防给水和室内消火栓系统，与储能电站和火力发电厂的实际情况不符。

二、储能系统消防技术规范标准建议

针对储能系统消防安全现状分析，建议修改相应的消防技术标准，形成完善的储能系统消防保护措施，笔者参照国内外规范文献，提出以下建议：

（一）电化学储能系统火灾危险性分类

建议在公共安全行业标准中增加物质组合复杂系统的相关标准或制定电池火灾危险性等级标准。本文根据电池火灾危险性，将各种储能系统建、构筑物或设备做如下归类：锂离子电池、钠硫电池、钠氯化镍电池归为甲类，镍（镍氢、镍锌、镍镉）、铅酸电池、铅碳电池、液流电池归为戊类，其他新技术电池应通过实验分析确定其火灾危险性。

（二）储能系统分类

按储能系统的工作类型和容量阈值，分为专用储能系统和非专用储能系统。

（1）专用储能系统指电化学储能电站，包括控制室、工作间等辅助用房不超过建筑总面积10% 且电池总容量＞500kWh 的电化学储能系统，可分为大型（总容量≥30MWh）、中型（1MWh ≤总容量＜30MWh）、小型（500kWh ≤总容量＜1MWh）三种类型。

（2）非专用储能系统指为IDC 数据中心、充电站等不限于储能功能的多功能建筑服务的电化学储能系统，可以分为三种类型：一级，甲类电池总容量≥100kWh且每个防火单元容量不宜大于500kWh；二级，其他电池类型总容量≥200kWh 且每个防火单元容量不宜大于500kWh；三级，铅酸、镍等电池总容量≥500kWh 且每个防火单元容量不限制。

（三）存储电量和电池布置

（1）专用储能系统不限制电池装置防火单元内最大存储容量，储能单元（储能电池预制舱）宜分组布置，每组存储容量室内外布置不宜大于30MWh；室外布置总容量大于30MWh 的储能组与其他储能组组间距应大于4m，甲类电池总容量大于30MWh 的多个储能组与其他储能组、站内建构筑物之间应设置隔离吸能设施，甲类电池预制舱门宜设置为泄压口；电池预制舱之间的防火间距不应小于3m；当采用防火墙时，防火间距不限，防火墙长度、高度应超出预制舱外廓各1m。预制舱与站内其他建、构筑物相邻外墙采用防火墙时，防火间距不限。

（2）非专用储能系统电池装置防火单元中最大容量阈值铅酸电池和镍电池不限、甲类电池不宜大于500kWh，其他电池类型不宜大于500kWh。非专用储能系统电池装置防火单元中甲类电池簇应分组布置，每组不宜大于50kWh，与其他防火单元用耐火极限不应低于2h 隔墙分隔，且应设计泄压口；电池室隔墙耐火极限不应低于3h，电池室与其他非储能区域之间应设置隔离吸能设施。

（3）储能系统内电池簇箱体设计开孔不能影响灭火剂迅速进入并发挥作用，确保细水雾有效喷射空间且水雾溢出率不低于25%，溢出的水雾用于扑灭模块外部火焰和降温控火。

（四）平面布置、安全疏散和通风防爆

储能系统建筑结构应满足GB 50016、GB 50058 和GB 50174 中防爆泄压和事故通风的相应设计要求。储能系统室内任一点至最近安全出口的直线距离应符合GB 50016 第3.7.4 条相关要求。电池室不应紧邻楼梯间，电池室疏散门应采用甲级防火门，电池室楼层楼梯间应设置前室或门斗等防火防爆措施。相邻的非储能功能区域，应设有防火防爆隔离保护措施。专用储能系统室内电池预制舱装置防火分区宜按30mWh布置面积进行设计，每个预制舱为一个防火单元，且符合GB 50016 的3.3.1 防火分区面积要求，并满足GB 50370 和GB 50898 防护面积要求；非专用储能系统室内电池装置防火分区不宜大于800m2，且体积不宜大于3600m³。

（五）火灾自动报警及BMS 系统

（1）储能系统宜按每个分组中布置的电池簇设定为一个探测报警单元，以快速、准确发现起火部位。在安装点型感烟探测器、吸气式感烟探测器、感温火灾探测器、线型火灾探测器和可燃气体探测报警系统等多个报警设备时，严格按照GB 50116 第4.4.2 条相关规定的联动逻辑关系进行设计。

（2）电池簇密闭式箱体内宜安装侦测设施，检测箱内可燃气体、温度，增强发现火灾隐患的能力。

（3）电池的BMS（电池管理系统）系统应能接收火灾报警系统和可燃气体探测系统信号，联动停止相应报警区域电池运行；且能实时向火灾报警系统传输信号，向火灾报警系统提示电池安全状态。

（4）电池室内应安装视频监控系统，且消防联动控制器应具有开启相关区域摄像机监视火灾现场的功能，将报警信号和周边视频图像传送到控制中心大屏，第一时间查看火情，高效处理火灾事件，同时为开展储能系统火灾事故深度调查与分析、缺陷风险评估与判定等工作提供参考。

（六）自动灭火系统及消火栓系统

储能系统电池装置防火分区宜同时设置气体灭火系统和细水雾灭火系统等多类型自动灭火系统。宜将每个电池簇设定为一个细水雾灭火系统灭火单元，水雾应覆盖整个电池簇。气体防护区应设置事故排风装置，灭火后通风换气。钠硫电池等遇水会发生剧烈反应甚至爆炸，应配置气体灭火系统和沙池灭火。所有的储能系统电池装置均需设置室内外消火栓系统，用于控制电池热失控状态下的灭火及冷却，室内消火栓应配备直流-喷雾水枪。