LFP储能电站消防灭火设施设计与研究

2023-12-21长沙市消防救援支队

电力设备管理 2023年21期

长沙市消防救援支队向峰

1 引言

在“双碳”背景下，风能、太阳能等可再生能源逐渐成为电力系统发电技术的重要能源。工程建设过程中，消防安全一直非常重要，如果储能电站行业尚未建立统一的安全标准、安全措施也不够健全可靠，会导致不良后果。所以，相关部门必须密切关注消防安全，制定更加严格的规章制度，推行全面安全管理，确保储能电力行业的稳步发展。因此，只有通过采取切实有效的安全措施，储能电功率行业才能实现长远可持续发展的目标。

2 项目案例

2021年5月，L 地区电力有限公司承建的200kV分布式储能电站正式投入运用，占地约2000m2，该储能电站额定功率为200kW，储存电量700kWh，电力类型采用的是LFP（磷酸铁锂，简称锂电池）作为储能材料，运行年限可达25年，日发电量可达640kWh，是目前我国较大规模的电化学储能电力系统项目。该储能电站共建有二十多个电池储能预制舱[1]，1栋配电控制楼如图1所示。其中，配电控制楼的占地面积约480m2，高21.5m，建筑物为丙类建筑一级耐火等级，而电池储能预制舱则分布于配电控制楼的周围，同时每2座电池储能预制舱之间设置有间隔距离为3m 的防火分区。当前，该储能电站内部的消防灭火设施配置包括：22座电池舱内的七氟丙烷灭火装置以及干粉灭火器，站外配置有配灭火砂箱。

图1 储能电站架构

3 消防灭火设施设计

针对LFP 锂电池、储能预制舱一级配电控制楼进行分析后，必须遵循相关设计规范，以确保安全性和灭火介质的合理选择。为此，在该储能电站的电池舱内部应设立适当的灭火系统，并在室内外设置冷却水系统满足需求，同时还需要配置适量灭火器具，采用5G 智慧消防技术，从而能够全方位地做好消防安全防护工作。

3.1 电池预制舱灭火系统

由于LFP 锂电池温度过高时的风险较高，因此应当结合企业生产的实际情况，设定各类建筑的火灾危险等级，并以此为依据选择消防喷水灭火系统的出水强度[2]。

一是该储能电站设计的细水雾灭火系统，主要是以每一座储能电池舱作为一个防护区，实现分区控制，共计设有20个防护区及1个水泵，储能电站和预制舱火灾的灭火措施主要包括细水雾。细水雾是一种针对电池预制舱火灾的有效方法，能够通过表面冷却、阻止辐射、隔离热量和湿润等方式进行灭火。此外，细水雾喷洒还会伴随乳化作用，在实际的灭火过程中，可以产生多种化学反应，进一步加强灭火效果。通过采用这种先进的灭火技术，可以快速、高效地控制并扑灭火灾，确保储能电站和预制舱的安全。该系统原理是依据1个水雾喷头保护1块电池模块，所以需要在20个储能预制舱内均安装水雾喷头，共计200个喷头。

二是试验结果表明，当水雾系统的喷嘴压力为6MPa 时，罩面两侧的罩纹呈圆弧形，同时，水雾的喷射速度不断增大，从而增大了水雾的射程。因此，该系统降低了水雾喷嘴的压力。调整为6MPa，根据磷酸铁锂电池暴露于火焰时的测试结果确定喷雾强度。设计喷嘴用水量约为2.8L/min，最终该水雾灭火系统设计的用水量约560L/min。相较于传统的水雾喷头结构，LFP 锂电池储能预制舱的水雾系统喷头结构更加扁平化[3]，并且在表面还设置相应的喷嘴喷头，确保喷出的水雾能够呈现水平垂直状态准确摄入到电池模块内以达到灭火的目的。储能电站水雾灭火系统如图2所示。

图2 储能电站水雾灭火系统

三是当水雾系统正式启动到预制舱内电池组模块火势基本被扑灭，整个时长约为28s，不过在水雾系统停止喷射后约8min 后，该预先准备好舱内的电池组模块就再一次产生了复燃现象，而此时的水雾系统及时探测并开启了喷射设备，并在6s 时间内将火势全部熄灭，此后水雾系统又继续喷射约10min，电池组模块就再无复燃现象。这项试验结果表明，尽管电池的起火被熄灭，但是因为电池里面仍然存在着化学物质，所以必须继续冷却整个灭火流程，以确保对火势的完全控制。储能电站中的电池舱以及电池模块中的空间位置有限，因此火灾风险系数更高，所以水雾系统的持续喷雾时间需要尽可能地延长，再考虑到LFP 锂电池发生的电化学反应会导致二次复燃现象，所以整个水雾系统持续喷雾的时间可设置为100min 以上，具体精准的时间需要视现场实际情况而定。

四是当该储能电站的电池预制舱内电池模块发生火灾后，该水雾灭火系统能够根据温度传感器、烟雾传感器等，第一时间启动系统装置，向存在着火区域的电池模块组喷射水雾以进行扑救。该系统除可以对着火的电池模组进行大火熄灭以外，还能够对剩余火电池模块组件进行冷却保温，为避免由于环境温度过高所引起的因内部电化学反应强烈而导致起火，该系统可以对未着火的电池模块组件喷洒水雾后，不干扰其正常应用。

五是本系统将配置4种不同的开关控制方式，即自动控制、手动控制、远程控制以及紧急制动。由于考虑到LFP 锂电池本身会受到温度过高导致出现大量白烟，同时还伴随着大量CO、CH4等易燃气体产生[4]。因此，在系统装置设计过程中除了配置有传统的温度传感器、烟雾报警器外，还需要在预制舱内部增设易燃气体报警器，用于感应预制舱内电池模块出现热失控时所产生的易燃气体的浓度。

六是针对电池预制舱的消防排水系统而言，首先需要保证舱内的各组电池模块的每一块电池侧面都留有适当的缝隙，确保能够将火灾时所产生的烟雾气体及时排出，同时也能够有助于水雾的及时排出，其次还需要确保整个电池预制舱的底部位置设有相应的地漏，保障地漏的间隔为1.5m，总通流量控制在10L/s 左右。

3.2 冷却水系统

由于LFP 锂电池在发生火灾时的温度较高，而在热失控时的温度较低，进一步增加了火灾的严重性和扩散风险。因此，在使用细水雾系统进行电池舱灭火时，需要通过对舱体外部进行温度冷却来应对火势。同时，在控制已着火的电池舱火势时，必须降低附近电池舱的温度，以防止火势进一步蔓延。电池舱发生火灾属于固体及电解液火灾，因此，可以设置相应的冷却水系统，假设火灾发生的时间为5h，为了保证电池舱的安全运行，可以考虑在内部配置专门的冷却水系统。同时，需要在电池舱外面设置室外消防栓，以便使用消防水枪对电池舱进行移动式冷却操作。依据消防用水相关条例规定，其用水量见表1。

表1 电池舱冷却系统用水量

4 储能电站消防保障措施

4.1 建筑耐火级别

为了杜绝火灾和防止火势扩大，厂房都有特定的防火分区，并严格规定了面积、材质等。针对高层分租式厂房而言，每个防火分区的最大允许建筑面积为3000m2，防火等级为一级。通过明确厂房防火分区以及合理规划建筑耐火级别和建筑面积，能够科学防范火灾，有效地将火势控制在一定范围内，减少火灾的损失。

4.2 灭火器材配置

一是个人防护装备配置。鉴于电化学储能电站的火灾风险特征，必须认真考虑保障电站内外所需个人防护装备的安全性，包括防火、防电击以及有毒气体的防护，并确保供应充足的数量。

二是灭火器具配置。根据《电化学储能电站设计规范》所规定的电力设备防护要求，储能电池预制舱和配电控制楼应当全面配置干粉型灭火器。

三是辅助器材配置。在储能电站的内外部配置中，需要使用各种辅助器材确保安全。这些辅助器材包括电绝缘装具、绝缘剪断钳、漏电监测仪、温度探测仪以及有毒气体探测仪等专业设备。设备的主要作用是在灭火之前对现场有毒气体、温度以及漏电等情况进行检测。这些设备的应用能够提高储能电站的安全性，保护人员和设备免受潜在风险的威胁。

4.3 5G 智慧消防技术

信息化技术在电化学储能电站的消防建设过程中能够有效地提升灭火效率，保障生命及财产安全。将先进的信息化技术应用到储能消防安全建设与管理中，能够充分发挥信息技术的优势与价值。当前5G 智慧消防技术推动着新能源储能产业的转型升级，使消防技术从扁平化转变成为立体化。通过对电站各个区域内所安装的监控视频进行智能化分析，并且能够在原有的智能报警系统基础上增加可视化监测，进而能够有效实现现场火势情况动态感知、智能化研判以及精准布点防控，从而进一步保证电站电力设施设备以及人员的安全。