化学储能电站消防安全风险分析

梁运华，潘志敏，肖 勇，代文良

(国网湖南省电力有限公司检修公司，湖南 长沙 410004)

0 引言

随着电化学储能电站规模化建设投运，储能电站火灾事故时有发生，储能电站消防问题日益突出。2017 年8 月到2019 年10 月，韩国共发生27 起储能电站火灾，其中13 %的事故是在充放电期间发生的，61 %的事故是在充电后休止期间发生的；仅2018 年11 月就发生了4 起火灾。2019 年10 月，挪威渡船公司客船蓄电池室发生气体爆炸。2019年美国亚利桑那州发生一起储能系统起火和爆炸事件。此外，2017 年3 月，山西某火电厂储能系统辅助机组AGC 调频项目发生火灾，火灾烧毁了锂离子电池储能单元以及其他相关设施。2018 年8月江苏一用户侧储能项目磷酸铁锂集装箱起火后烧毁。2021-04-16，北京丰台区南四环永外大红门西马厂甲14 号院内储能电站发生火灾和爆炸。相比其他类型电池，锂离子电池虽不易燃烧，但一旦燃烧，火焰强度更高、起火规模更大，还会引起连环爆炸事故，因此电化学储能电站大规模应用急需解决储能电池的消防问题。

1 锂电池安全性分析

当前储能电站通常采用磷酸铁锂电池，其火灾主要是由于锂电池内部产热远高于散热速率，在锂离子电池的内部积攒了大量的热量，从而引起了连锁反应，导致电池起火和爆炸。磷酸铁锂电池热失控根本原因主要分为3 类：一是机械滥用，由于挤压或针刺导致机械变形甚至隔膜部分破裂引发内短路；二是电滥用，如过充过放等导致电池内部产生锂枝晶，锂枝晶穿破隔膜引发正负极短路；三是热滥用，温度过高导致隔膜和正极材料等发生分解，隔膜大规模崩溃导致正负极短路。3 类引发热失控诱因的共同环节为内短路，造成电池内部温度积累过快，触发热失控，引发火灾。

2 储能电站消防系统存在不足

2.1 消防设备设施不满足现场需求

(1) 传统传感器热失控监测能力不足。普通感烟和感温火灾探测器无法渗透到电池模块内部，无法及时探测到电池组热失控风险，不适用于锂离子电池热失控早期预警。当常规探测器监测到火警信号时，电池组已处于热失控状态，火灾已经蔓延，灭火效率降低。

(2) 未配置可燃气体探测器。电池泄压阀打开所释放的电解液分解产生的可燃气体，在密闭空间形成聚集，容易形成闪爆。现场如果缺乏可燃气体探测装置，无法有效检测出可燃气体和做出及时预警，极有可能导致发生可燃气体爆炸事故。

(3) 固定灭火系统持续灭火能力不强。前期投运预制舱式储能站，通常仅配置了七氟丙烷气体自动灭火系统，由于七氟丙烷气体灭火系统仅能短时抑制火灾，但无法对电池组进行有效降温，容易造成电池火灾二次复燃。

(4) 储能站消防水源不足。由于新建储能站选址受已投运变电站场地、消防水源等现有条件限制，而部分投运站暂时无消防水源或消防用水不足。

(5) 消防水泵房不符合相关规范。有些储能站尚未安装防火门，不满足GB 50016—2014《建筑设计防火规范》“6.2.7 设备用房，通风空气调节机房和变配电室开向建筑内的门应采用甲级防火门，消防控制室和其他设备房开向建筑内的门应采用乙级防火门”的要求。

(6) 预制舱之间(含电池舱与其他设备舱)消防安全间距不足3 m，且中间无防火墙。不满足《预制舱式磷酸铁锂电池储能电站消防技术规范》“6.3.2 电池预制舱之间的防火间距不应小于3 m，尤其消防控制舱与电池舱间的距离也是如此；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1 m”的要求。

(7) 室外消防栓配置不足。部分预制舱式储能站室外未配置消防栓，不满足《建筑设计防火规范》“8.1.2 室外消火栓 民用建筑、厂房、仓库、储罐(区)和堆场周围应设置室外消火栓系统”的要求。

(8) 应急疏散标识缺失。楼梯、设备房间内消防应急疏散标志、应急照明和安全出口均尚未设置，影响事故状态下相关人员应急疏散。

2.2 消防设备设施运维管理不规范

(1) 消防水泵处于“手动”方式。不满足GB 50974—2014《消防给水及消火栓系统技术规范》“1 1.0.1 消防水泵控制柜应设置在消防水泵房或专用消防水泵控制室内，并应符合下列要求：消防水泵控制柜在平时应使消防水泵处于自动启泵状态”的要求。

(2) 消防器材配置不全。现场仅配置过滤式呼吸器，未配置正压式空气呼吸器。不满足《电力设备典型消防规程》“14.4.1 设置固定式气体灭火系统的发电厂和变电站等场所应配置正压式消防空气呼吸器，数量宜按每座气体灭火系统的建筑物各设置2 套”的要求。

(3) 消防车通道不畅，救援场地太窄。储能电站内消防通道堆放杂物或其他设备，消防车通道不畅。同时，救援场地与设备舱安全距离太近，容易带来次生灾害。

(4) 消防运维管理不到位。外委值班人员未参与消防安全培训，并未持证上岗；消防系统未按要求开展年度全面检测。不满足《消防法》“第十六条 机关、团体、企业、事业等单位应当履行下列消防安全职责：(三)对建筑消防设施每年至少进行一次全面检测，确保完好有效，检测记录应当完整准确，存档备查”，“第二十一条，……自动消防系统的操作人员，必须持证上岗，并遵守消防安全操作规程”的要求。

(5) 电力电缆与控制电缆混合施放，且未设置层间耐火隔板。不满足《电力设备典型消防规程》“10.5.12 施工中动力电缆与控制电缆不应混放，分布不均及堆积乱放。在动力电缆与控制电缆之间，应设置层间耐火隔板”的要求。

2.3 主要消防风险

(1) 火灾引发钢架结构楼面垮塌。钢架建筑结构的安全等级为二级，蓄电池采取分层存放方式。屋面梁、楼面梁及钢混底板设计耐火极限满足1 h，一旦蓄电池热失控演变成火灾，蓄电池燃烧产生大量热量容易让楼面梁受热变形，加上电池自身重量，可能发生楼面垮塌事故。

(2) 预制舱“火烧联营”。部分预制舱仅安装了气体灭火系统(七氟丙烷)，无法持续降温灭火，电池组火灾极易复燃。预制舱之间(含电池舱与其他设备舱)消防安全间距不足3 m，且中间无防火墙，容易引发相邻设备舱火灾。

(3) 可燃气体引发爆炸。目前，电池室(舱)内未安装可燃气体探测器，历次储能电站事故和科研结论表明，电池泄压阀打开释放电解液分解产生的可燃气体，在密闭空间形成聚集，加上电池房间电器(如照明灯)不具备防爆功能，会增加可燃气体爆炸的风险。

(4) 持续灭火能力不强。户外消防栓数量不够或安装位置不科学，一旦需要消防车在户外进行火灾扑救，消防车消防补水非常困难，严重影响消防车持续灭火能力。

3 储能电站消防技术分析及比较

3.1 火灾探测系统

3.1.1 传统火灾探测系统

传统的温感、烟感、可燃气体探测器难以在极早期发现火情隐患，都是在火情发生到一定阶段后，燃烧产生了大量浓烟的情况下才能探测到，此时已经错过了最佳处理时机，给设备造成了不可挽回的损失。

3.1.2 极早期火灾探测器

极早期火灾探测器可极早探测物体燃烧产生的热释离子，在燃烧初期未产生可见烟的时候就可以探测到火灾，为处理火情隐患争取了4 ～11 h 的极早期预警，可为即将热失控的电池组提供更多紧急处置(停运、降温等)机会，避免异常演变成火灾。

3.2 消防技术分析比较

3.2.1 近期期刊论文研究

(1) 刘昱君、段强领等研究发现：对于38 A·h 单体动力电池火灾，ABC 干粉、七氟丙烷(HFC)、水、全氟己酮和CO2灭火剂均能快速熄灭电池明火，但CO2灭火剂灭火后电池出现了复燃；电池灭火过程中，不同的灭火剂在抑制电池温度上升表现出明显差异，其中，抑制温升效果优劣依次为水、全氟己酮、HFC、ABC 干粉和CO2[1]。

(2) 黄强、陶风波等研究发现：六氟丙烷无法在短时间内扑灭明火；Novec1230 和七氟丙烷2 种气体灭火剂能快速扑灭明火，但降温效果不彻底，容易发生复燃，均不适合作为磷酸铁锂电池模组灭火剂；中压细水雾能迅速扑灭明火，持续喷射可防止复燃，是较为理想的灭火材料[2]。

(3) 郭莉、吴静云等研究发现：10 MPa 以下的细水雾压强与灭火时间呈反比关系，随着压强增大，灭火速率和降温速率均提高。针对大容量磷酸铁锂电池模组的消防设计，选择6 MPa 及以上细水雾作为灭火剂比较经济高效[3]。

3.2.2 国网系统内应用案例

首先，近几年是行业政策出台密集期。2015年，原农业部提出到2020年我国农业要实现“一控、两减、三基本”的目标，实施《到2020年化肥使用量零增长行动方案》。2016年，农业供给侧改革，化肥“去产能、调结构、转方式”成为未来发展方向。2017年，原农业部关于印发《开展果菜茶有机肥替代化肥行动方案》的通知。同时，专家认为，我国人多地少决定了高投入高产出的集约化生产模式，为确保粮食持续高产、肥料养分高效、生态环境安全多重目标的实现，必须研发化肥减施增效关键技术。

国网江苏省电力有限公司《关于印发预制舱式磷酸铁锂电池储能电站消防技术措施(试行)的通知》(苏电安〔2019〕33 号)，明确采用了细水雾自动灭火系统，另外舱外配置了消防栓水系统。

3.2.3 技术规范

中华人民共和国电力企业联合会标准T/CEC 373—2020《预制舱式磷酸铁锂电池储能电站消防技术规范》规定：储能电站中建(构)筑物的耐火等级不应低于二级；电池预制舱内应设置模块级分布式细水雾灭火系统；储能电站室外消火栓系统，消火栓设置数量应满足灭火救援要求，且不少于2 个，设计流量不应小于20 L/s。

3.3 消防技术比较结论

3.3.1 火灾探测器选用

综上所述，储能电站火灾探测器宜在传统烟感、温感火灾探测器和可燃气体探测器基础上增加极早期火灾探测器，便于提前感知监测电池组热失控状况，为后续热失控应急处置及火灾扑救提供强力技术支撑。

3.3.2 固定自动灭火系统选用

4 储能电站消防提升建议

4.1 健全锂电池组热失控探测及控制方式

借鉴换流站阀厅火灾监测及预控模式，可增配最新的极早期火灾探测(如热释离子火灾探测器)，用于超前探测电池组热失控前的状态异常，并将极早期火灾探测器火灾告警联动BNM 切除电源，启动细水雾自动灭火系统，实施喷水雾降温。

4.2 蓄电池室(舱)增配可燃气体探测器

在蓄电池室或预制舱增配H2，CO 等可燃气体探测，其中蓄电池室采集点数不少于4 个；预制舱采集点不少2 个。可燃气体探测器宜选用红外光学型，采用防爆隔爆技术，具有硬接点、RS485 等至少两路通信接口。每个可燃气体探测器一路信号传输给BMS，其进行判断，发出告警、跳闸，启动风机和预制舱外警示灯，并上送至监控系统；另一路信号传输给火灾报警控制器，用于启动灭火系统。

4.3 增强预制舱式储能电站持续灭火能力

目前储能电站预制舱主要依靠一罐七氟丙烷自动灭火系统，由于其容量和灭火特性影响，可以抑制电池火灾，但不能完全扑灭火灾，容易出现复燃，因此需要增强持续灭火能力，可在预制舱式储能电站加装细水雾自动灭火系统，并在预制舱内增加细水雾喷头。细水雾灭火系统的启动应符合“先断电、后灭火”的要求。灭火系统控制组件在接收到预警信号或火灾信号后，根据既定灭火策略，自动启动灭火系统。

4.4 健全储能电站消防设施

增装室外消防栓，便于在发生储能电站火灾时救援消防灭火车能及时补水；在预制舱式储能电站的预制舱之间(含电池舱与其他设备舱)增加防火墙，增强设备舱之间防火安全距离，避免“火烧连营”的情况发生。每个站增配置2 套正压式消防空气呼吸器，用于火灾应急处置。

4.5 排查消防安全管理合规性

排查储能电站工程实施部门是否完成储能站消防审核、验收与备案工作。消防设施工程设计和施工企业，是否具有国家建设部门颁发的相应的消防设施工程设计和施工资质。储能电站消防值班人员应持有初级以上等级的消防设施操作员资格证书，能熟练操作消防设施。委托具有专业消防检测资质的单位，对储能电站的消防设施每年至少进行一次全面检查测试，并出具消防设施检测报告。

4.6 明确相关方消防系统运维责任

明确储能电站消防设施的维护管理归口部门、管理人员及其工作职责，严格按照相关规定开展消防设施日常维护管理工作，确保消防设施完好有效。明确储能电站外包运维厂家的消防运维责任，要求值班运维人员参与消防安全培训，并应持有初级以上等级的消防设施操作员资格证书。消防设施投入使用后，应设定为“自动运行”方式，各阀门、组件处于正常工作状态，不应擅自关停消防设施。积极开展灭火、应急预案与演练工作，应制定灭火系统操作规程和应急预案，并组织应急预案演练。

4.7 建立健全配套检修运维制度

为更好地规范和指导电网侧储能电站的运行、检修、验收等工作，有必要组织编制储能电站通用运行规程、检修规程、设备验收和消防安全管理等方面的运维检修制度，健全储能电站安全生产管理制度。

5 结束语

当前, 磷酸铁锂电池热控性能不够健全和化学储能站消防安全存在不足，但化学储能电站是实现“碳中和”重要技术手段，值得进行相关研究。通过健全锂电池组热失控探测(如配置极早期热释离子探测器)、可燃气体探测及其控制方式，选用可持续灭火降温主流灭火技术(如细水雾自动灭火系统)及加强配套消防安全管理，可有效改善化学储能电站消防安全预防及扑救效果，提升化学储能电站的安全水平。