储能站电池舱自动灭火系统方案研究

林伯江

（中国电建集团福建省电力勘测设计院有限公司，福州350001）

1 引言

随着风、光等新能源在电网中的占比逐渐增大，配套建设储能电站的需求逐步提升。 电池储能得益于其响应快、能量密度高等优势，是目前发展最为迅速的储能型式。 随着电池储能电站的规模不断扩大， 将蓄电池成组布置于集装箱内形成电池舱的布置型式，正逐步成为主流电池储能电站布置型式。 随着舱内蓄电池布置密度加大， 电池舱体的火灾危险性较高是不可忽视的问题。 近年来，电池储能站火灾事故在国内、外均有发生[1]，且部分爆炸事故造成人员伤亡，以4·16 北京储能电站火灾事故为例，事故造成2 死1 伤1 失联，直接经济损失达1 600 余万元。 鉴于惨痛的事实教训和对蓄电池的深入研究，在电池储能舱中布置自动消防灭火系统已经是业界的共识。

2 电池储能舱的火灾特点

绝大多数的电池储能舱火灾， 是由内部蓄电池的热失控引发的。 目前，主流的储能电池采用磷酸铁锂蓄电池，虽然单具蓄电池不易燃烧， 但一个电池储能舱内布置有上百具蓄电池，火灾危险性较高。 电池舱内若干具单体蓄电池集成一在个储能柜中，称为一个电池簇，作为火灾研究中的基本单体。 一个舱体内通常有数十个电池簇，成排布置，当2 个及以电池簇处于火灾中可判定为舱体空间级火灾。

蓄电池在过充、过载等各种不利因素影响下，电池内部的化学热无法及时排出，热量聚集，容易失控起火，因此，舱体的火灾危险高。 在没有灭火系统干预的情况下[2]，一般电池储能舱体火灾过程表现为舱体内某具单体蓄电池热失控冒烟，随后产生明火，进而引发同一电池簇内的其他电池热失控，大量可燃气体生成，火势急剧扩大，最后整个舱体陷入火灾，并存在爆炸风险，火灾危险性较大。

电池储能舱的火灾特点主要表现为：

1）火灾发展迅速，从单体电池热失控冒烟，产生明火，再到簇级燃烧，最终整个电池舱陷入火灾，可能发生在十几分钟内；

2）电池火灾过程中会产生大量氢气、一氧化碳和烃类等可燃气体，舱体存在爆炸风险[3]；

3）火灾温度较高单体电池燃烧时温度可达700 ℃，火灾蔓延后可达1 000 ℃以上；

4）蓄电池内部化学反应很难直接打断，舱内明火扑灭火后，复燃的可能性很高。

3 电池储能舱自动灭火设计方案

3.1 自动灭火措施设计要点

电池储能舱属于空间封闭场所，布置紧凑，并且内部布置有大量蓄电池，火灾危险性较高。 所采用的舱体结构一般为集装箱，箱体的耐火性和抗爆能力也较差。 因此，在舱体内设置自动灭火措施是必要的。

结合相关电池储能舱火灾试验结果[4]，在灭火系统设计时，应注意以下几方面。

1）舱内联合设置局部应用的簇级灭火系统和全淹没的空间灭火系统是必要， 否则难以同时满足快速灭火和有效防止复燃的需求。

2）务必重视初期灭火效率，由于蓄电池一旦产生明火，火情发展迅速，因此，初期灭火至关重要。 局部应用的簇级灭火系统，能将灭火喷头布置在储能柜内，结合感温感烟探测器，对明火点进行精准覆盖，是合适的初期灭火系统。 灭火系统迅速将明火扑灭，能有效控制火情。

3）必须有效防止复燃，由于蓄电池内部的化学反应难以被直接打断，因此舱内明火扑灭火后，不可马上打开舱门，应保持长时间的火灾抑制或冷却降温，防止复燃。

4）务必防止火灾扩大，若初期灭火失败，火势蔓延，应启动空间级灭火措施，此时防止火热失控造成爆炸。

3.2 灭火剂选择

目前， 实际工程中采用的电池储能舱自动灭火系统有气体消防和水基灭火系统。

气体消防的灭火原理是化学抑制、部分冷却，优点是对明火的扑灭效率高，启动迅速，并且误动不会对电气设备造成损伤；缺点是冷却效果不佳，不能打断蓄电池内部反应，容易复燃[5]。水基灭火剂的灭火原理是冷却、窒息，优点是对蓄电池周边进行持续冷却，可以有效防止舱内复燃[6]；缺点是对电池舱内的明火扑灭效率不如气体灭火剂， 并且水基灭火系统误动可能对未起火电气设备造成损伤，灾后的处理也较为麻烦。

考虑到电池储能舱及内部设备属于电气设备并且造价较高，单座电池造价超过400 万元。 火灾初期，火情尚处于可控范围，为避免灭火时对其他未受影响的设备造成损害，簇级灭火系统的灭火剂宜选用气体灭火剂，可将灾后代价降为最低。当初期灭火失败，火势蔓延，启动空间级灭火系统，此时宜选用水基型灭火剂，对舱内进行持续冷却降温，达到灭火和防止复燃双重目的。

3.3 簇级灭火系统

簇级灭火系统宜选用气体消防，气体消防系统能快速、高效扑灭电池明火，并且技术成熟，特别适合用为电池舱火灾初期灭火。 七氟丙烷、全氟己酮是两种高效的气体灭火剂，且常温下为液态有利于存储运输， 适用于电池储能舱簇级灭火系统。对全氟己酮的相关灭火试验表明[7-8]，全氟己酮较七氟丙烷最主要的优势是不可见浓度与灭火浓的安全余量在67%～150%，而七氟丙烷的相关安全余量仅3%～20%，因此，全氟己酮是一种更为安全的灭火剂。 此外，全氟己酮在大气中的存时间很短，而七氟丙烷在大气中将存在数十年之久，因此，全氟己酮还是一种更为绿色环保的灭火剂。 相较于七氟丙烷，全氟己酮是一种更有前景的电池储能舱簇级灭火系统。

3.4 空间级灭火系统

空间级消防宜采用水基灭火系统， 常见的水基灭火系统有细水雾、水喷雾灭火系统。 两者的灭火原理相似，主要区别在于细水雾的雾化颗粒更低，有窒息作用，灭火效率更高，耗水量更低，且具有良好的电气绝缘性，缺点在于细水雾需配置高压水泵等设备，系统整体造价较高；水喷雾灭火系统是一种广泛运用，技术成熟的水基型自动灭火系统，只需要普通消防泵组即可，文献[9]通过试验对比了细水雾和水喷雾灭火系统，结果表现两种灭火系统均可达到有效灭火和防止复燃的作用。 考虑到电池舱内的空间级灭火系统，首要任务是进行持续火灾控制，达到降温冷却，防止舱体整体失控。 因此，从经济适用性角度出发， 选用水喷雾灭火系统作为空间级灭火系统较容易为业主方接受。

4 电池储能舱自动灭火控制策略

在以气体作为簇级灭火系统灭火剂和以水作为空间级灭火系统灭火剂的混合灭火方案中， 科学的灭火系统启动策略可以很好地平衡火灾损失和消防安全。

考虑电池储能舱火灾由绝大多数为某一电池簇电池热失控引起的，而蓄电池的热失控过程发展迅速，从冒烟到起火不过数十秒，所供消防处置时间不足。 另一方面，即便电池舱内簇级气体消防误动，误动对舱内设备也不会造成实质性损害，经济损失较小。 因此，电池舱火灾初期应确保灭火系统及时、精确启动关系到整体舱体的安全， 在设定簇级灭火系统启动逻辑时应侧重“及时原则”，即簇级灭火系统的启动条件判断不应过于谨慎，避免因设定过多启动条件，造成簇级灭火系统不能及时启动。 根据相关试验研究，舱内火灾初期故障电池很快会产生大量浓烟，因此，在每个电池柜内顶部布置感烟探测器，感烟探测器报警信号作为簇灭火系统的动作信号，可保证火情判断和定位，确保簇级灭火系统及时打开相应电磁阀，进行灭火。

若初期火灾灭火失败，火势蔓延，此阶段舱体内多个电池簇失火，产生大量可燃气体，舱体的整体安全受到严重威胁，应启动空间级灭火系统。 但空间级水基灭火系统的启动会对舱体内蓄电池及其他电器设备造成严重影响， 灾后的经济损失很大，因此，在启动空间级灭火系统时，应强调“谨慎原则”，不容许空间级灭火系统的误动。 在空间级灭火系统的启动逻辑应设定多种判断条件， 可采用簇级灭火系统启动+ 增加在布置在舱体顶部的2 处以上感烟探测器发出报警信号+ 舱体内感温探测器温度在700 ℃以上， 否则应进行人工判断是否启动。簇级+空间级的组合电池舱灭火系统的具体灭火策略，见图1。

图1 灭火系统控制策略

5 结语

电池储能舱内布置有上百具单体蓄电池， 火灾危险性较大，在舱内布置自动灭火系统是及时灭火的重要手段。 储能电池舱内宜同时配置簇级灭火系统和空间级灭火系统， 确保在舱内不同火灾阶段可实现针对性灭火。 在舱体火灾初期阶段，进行及时、准确的高效灭火可实现快速阻止火灾蔓延，将火灾控制在簇级内，以减小火灾造成的经济损失，宜采用气体灭火剂的灭火系统。 当舱内火灾蔓延时，为保证舱体的整体安全，空间级灭火宜采用水基型灭火系统， 不仅能持续进行冷却降温灭火，并能有效防止复燃。 两套灭火系统的启动顺序，应根据不同火灾判断依据进行，以达到在保证消防安全的前提下，将火灾经济损失降至最低的目的。 在初次接收到火灾报警信号，应确保簇级灭火系统的快速启动，强调“及时原则”；若初期火灾灭火失败，火势蔓延，则应启动空间级灭火系统，但此时应防止火灾报警系统误报情况，在确保消防安全的前提下，强调“谨慎原则”。