預(yù)制艙式磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能電站防火設(shè)計(jì)
預(yù)制艙式儲(chǔ)能系統(tǒng)通常采用集裝箱作為外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，將儲(chǔ)能電池、支架、空調(diào)通風(fēng)等輔助設(shè)置在工廠中預(yù)制成一體，具有便于安裝、占地面積小、移動(dòng)靈活、建設(shè)周期短等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)外應(yīng)用十分廣泛，江蘇電網(wǎng)預(yù)制艙式磷酸鐵鋰儲(chǔ)能電站如圖1和圖2所示。
在電池預(yù)制艙內(nèi)，儲(chǔ)能電池模塊密集堆砌，多采用全淹沒柜式七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)。近年來，儲(chǔ)能電站火災(zāi)頻發(fā)，尤其是韓國，自2017年8月至2019年5月累計(jì)發(fā)生了23起儲(chǔ)能電站火災(zāi)事故，引起社會(huì)廣泛關(guān)注。隨著儲(chǔ)能行業(yè)的發(fā)展，如何從防火設(shè)計(jì)角度保障儲(chǔ)能電站的消防安全是一項(xiàng)亟待解決的重要課題。
1、磷酸鐵鋰儲(chǔ)能電池模塊燃燒特性
預(yù)制艙式儲(chǔ)能電站多處于無人值守狀態(tài)，艙內(nèi)儲(chǔ)能電池模塊最可能的致災(zāi)原因是過充。本研究以磷酸鐵鋰儲(chǔ)能電池模塊作為研究對象，重點(diǎn)考察其在電池管理系統(tǒng)（BMS）故障條件下發(fā)生過充而引發(fā)火災(zāi)的燃燒特性。試驗(yàn)采用的儲(chǔ)能電池模塊試樣如圖3所示，該模塊由32塊單體電池四并八串組成，模塊額定電壓25.6V，額定容量2752Ah，額定電量8.8kWh。試驗(yàn)時(shí)將單個(gè)儲(chǔ)能電池模塊試樣放置于12m長、2.4m寬、2.6m高的電池預(yù)制艙中部，采用0.5C倍率、172A對模塊進(jìn)行恒流過充，試驗(yàn)現(xiàn)象如圖4所示，表1給出了具體試驗(yàn)情況說明。
根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)現(xiàn)象分析可知，從儲(chǔ)能電池模塊開始充電到整個(gè)模塊發(fā)生燃燒，過程大致可以分為以下三個(gè)階段：
第一階段為初期熱失控階段，試驗(yàn)開始至第一個(gè)儲(chǔ)能電池安全閥打開，如圖4（a）所示。安全閥打開瞬間釋放出極少量煙氣，可通過特定氣體探測裝置實(shí)現(xiàn)預(yù)制艙內(nèi)早期火災(zāi)探測預(yù)警。
第二階段為部分儲(chǔ)能電池發(fā)生劇烈熱失控階段，大量可燃?xì)怏w、電解液和固體殘?jiān)幕旌衔飶亩鄠€(gè)單體電池的安全閥急劇噴出，預(yù)制艙內(nèi)被白色濃稠煙氣混合物籠罩，如圖4（b）、（c）所示。此時(shí)艙內(nèi)感煙探測器報(bào)警，但煙氣溫度較低，感溫探測器不會(huì)報(bào)警。
第三階段為儲(chǔ)能電池模塊燃燒階段，燃燒初期瞬時(shí)火焰形態(tài)為爆燃，如圖4（d）所示。反復(fù)多次爆燃后形成穩(wěn)定燃燒，整個(gè)燃燒階段持續(xù)30min以上。此時(shí)艙內(nèi)感溫探測器報(bào)警。
針對同樣的儲(chǔ)能電池模塊試樣采用相同過充倍率過充，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)安全閥打開，特征氣體探測器（H2、CO等特征氣體）報(bào)警后立即停止過充，試驗(yàn)表明后續(xù)僅發(fā)生4個(gè)電池安全閥打開現(xiàn)象，未出現(xiàn)電池劇烈熱失控急劇噴射可燃物質(zhì)的情況，未發(fā)生火災(zāi)。
2、儲(chǔ)能電站防火設(shè)計(jì)重點(diǎn)問題研究
2.1磷酸鐵鋰儲(chǔ)能電池火災(zāi)危險(xiǎn)性
火災(zāi)危險(xiǎn)性分類是儲(chǔ)能電站防火設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。GB51048-2014《電化學(xué)儲(chǔ)能電站設(shè)計(jì)規(guī)范》中將鋰離子電池的火災(zāi)危險(xiǎn)性分類為戊類，而根據(jù)GB50016-2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》，戊類指的是“常溫下使用或加工不燃燒物質(zhì)的生產(chǎn)”。
電池預(yù)制艙中，儲(chǔ)能電池模塊作為基本單元，其過充試驗(yàn)也表明，BMS故障時(shí)可能因?yàn)檫^充而發(fā)生爆燃。盡管關(guān)于鋰離子電池的火災(zāi)危險(xiǎn)性分類仍需要展開系統(tǒng)的研究，然而筆者認(rèn)為可以初步判定磷酸鐵鋰的火災(zāi)危險(xiǎn)性大于常規(guī)丙類“可燃固體”的火災(zāi)危險(xiǎn)性。
2.2電池預(yù)制艙防火間距
美國儲(chǔ)能柜、儲(chǔ)能電池預(yù)制艙的應(yīng)用較為廣泛，NFPA在2016年發(fā)布的《鋰離子儲(chǔ)能系統(tǒng)危險(xiǎn)評估》中，結(jié)合針對特斯拉100kW的商用儲(chǔ)能系統(tǒng)開展的外部引燃和內(nèi)部引燃試驗(yàn)，提出了儲(chǔ)能柜之間保持6英尺（1.83m）的防火間距，同時(shí)儲(chǔ)能柜上方保持5英尺（1.52m）的凈空。值得注意的是，相對于電池預(yù)制艙，特斯拉的商用儲(chǔ)能系統(tǒng)規(guī)模較小，且電池系統(tǒng)也非磷酸鐵鋰電池。FM在2017年頒布了財(cái)產(chǎn)防損數(shù)據(jù)表5-33《電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)》，要求儲(chǔ)能系統(tǒng)安裝在建筑物中時(shí)，建筑物的墻體、樓板等需要滿足1h耐火極限，儲(chǔ)能建（構(gòu)）筑物之間防火間距不小于6m，當(dāng)小于6m時(shí)，可采用耐火極限至少為1h的防火隔離帶進(jìn)行分隔。
結(jié)合儲(chǔ)能電站內(nèi)不同電力設(shè)備的布置情況，防火間距的設(shè)計(jì)需要從三個(gè)層級考慮：
一是儲(chǔ)能電站與站外其他建筑之間的防火間距；
二是儲(chǔ)能電站內(nèi)預(yù)制艙集中布置區(qū)域與站內(nèi)其他建筑物、電力設(shè)備之間的防火間距；
三是電池預(yù)制艙集中布置區(qū)域內(nèi)艙體之間的防火間距。當(dāng)前我國電池預(yù)制艙外圍護(hù)結(jié)構(gòu)多為6m或12m集裝箱殼體，作為電力設(shè)備未對設(shè)備殼體的耐火極限提出要求。為避免其傳播火焰，一般要求采用不燃材料制造，且鋪地材料、保溫材料等均需選用不燃材料。
結(jié)合前期儲(chǔ)能電池模塊燃燒特性試驗(yàn)結(jié)果及相關(guān)火災(zāi)案例分析，儲(chǔ)能電池模塊燃燒后，由于受到艙體保護(hù)，火焰僅在爆燃瞬間可能從位于艙體短邊端的門洞口躥出艙外形成火災(zāi)蔓延，一般情況下多在艙體內(nèi)部燃燒，而預(yù)制艙長邊之間多以熱輻射為主。
因此，建議適當(dāng)加大預(yù)制艙短邊端的防火間距。隨著儲(chǔ)能電站規(guī)模的不斷擴(kuò)大，當(dāng)預(yù)制艙數(shù)量較多時(shí)，為節(jié)約土地資源，提高儲(chǔ)能電站的經(jīng)濟(jì)性，需要進(jìn)一步研究考慮預(yù)制艙的成組布置問題。由于電池預(yù)制艙屬于帶電設(shè)備，火災(zāi)發(fā)生后儲(chǔ)能電池在艙內(nèi)燃燒，現(xiàn)階段消防救援采取的策略為儲(chǔ)能電站斷電后，在著火預(yù)制艙外部持續(xù)遠(yuǎn)距離噴水降溫，因而在成組布置時(shí)一方面應(yīng)盡可能避免預(yù)制艙之間的火災(zāi)蔓延，另一方面需保留足夠的消防救援空間。
2.3火災(zāi)探測報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)
結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果可知，電池預(yù)制艙火災(zāi)防控的關(guān)鍵在于早期預(yù)警，一旦在少數(shù)電池安全閥打開、特征氣體探測器報(bào)警時(shí)立即聯(lián)動(dòng)斷電，可有效避免火災(zāi)發(fā)生。
由此，建議磷酸鐵鋰電池預(yù)制艙火災(zāi)探測報(bào)警聯(lián)動(dòng)實(shí)行分級機(jī)制：第一級策略為火災(zāi)預(yù)警，即通過特征氣體如H2、CO探測報(bào)警，在第一時(shí)間感知儲(chǔ)能電池模塊發(fā)生少量電池安全閥打開時(shí)，采取立即斷電的方式阻止電池內(nèi)部進(jìn)一步發(fā)生反應(yīng)，可以有效避免火災(zāi)的形成；第二級策略在感煙火災(zāi)探測器探測到艙內(nèi)儲(chǔ)能電池發(fā)生急劇熱失控、噴射大量可燃煙氣時(shí)，需聯(lián)動(dòng)關(guān)閉空調(diào)，啟動(dòng)排煙風(fēng)機(jī)，避免艙體內(nèi)可燃?xì)怏w濃度過高形成超壓；第三級策略為火災(zāi)報(bào)警，當(dāng)感溫、感煙等火災(zāi)探測器探知艙內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，應(yīng)立即聯(lián)動(dòng)斷電，確認(rèn)斷電后聯(lián)動(dòng)啟動(dòng)艙內(nèi)固定滅火系統(tǒng)進(jìn)行滅火。
2.4艙內(nèi)滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)
預(yù)制艙內(nèi)儲(chǔ)能電池模塊的布置方式和燃燒特性表明其火災(zāi)類型為固體深位火災(zāi)、氣體火災(zāi)、液體火災(zāi)和電氣火災(zāi)，較為復(fù)雜的火災(zāi)類型使得如何在預(yù)制艙中選用合適的滅火方式成為難題。
當(dāng)前國內(nèi)外均圍繞這一問題開展大量研究，但究竟延續(xù)采用氣體滅火系統(tǒng)還是可以選用水滅火系統(tǒng)尚存在爭議，同時(shí)如何有效避免初期火災(zāi)撲滅后儲(chǔ)能電池自身持續(xù)反應(yīng)引發(fā)的復(fù)燃是研究的熱點(diǎn)。
根據(jù)調(diào)研，早期電池預(yù)制艙內(nèi)多采用全淹沒柜式七氟丙烷滅火裝置，然而國內(nèi)電池預(yù)制艙火災(zāi)案例表明，柜式七氟丙烷滅火裝置可以撲滅艙內(nèi)初期火災(zāi)，但無法抑制復(fù)燃。
2019年NFPA發(fā)布《鋰離子儲(chǔ)能系統(tǒng)自動(dòng)噴水保護(hù)》指南，針對三元鋰離子電池儲(chǔ)能柜和磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能柜開展了自動(dòng)噴水滅火試驗(yàn)。結(jié)果表明，對于并排布置的儲(chǔ)能柜，自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)僅能起到延緩火焰蔓延的效果，但無法完全撲滅火災(zāi)，尤其是對三元鋰離子電池儲(chǔ)能柜，持續(xù)噴水未能有效阻止儲(chǔ)能柜全面燃燒,如圖5所示。
儲(chǔ)能電站固定滅火系統(tǒng)的啟動(dòng)必須遵循“先斷電、后滅火”的原則。當(dāng)前我國針對電池預(yù)制艙內(nèi)固定滅火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)路線，一方面正在開展模塊級別細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的研發(fā)，通過細(xì)水霧的窒息、持續(xù)冷卻和隔絕熱輻射的多重作用，有效撲滅初期火災(zāi)并防止發(fā)生復(fù)燃；另一條路線是研發(fā)多級噴射的氣體滅火系統(tǒng)，如多次能形成艙內(nèi)全淹沒的七氟丙烷滅火系統(tǒng)以及冷卻效果更好的全氟己酮滅火系統(tǒng)。由于當(dāng)前針對電池預(yù)制艙內(nèi)固定滅火系統(tǒng)的研究尚處于初期階段，建議先開展儲(chǔ)能電池模塊、儲(chǔ)能電池簇的實(shí)體滅火試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，在確保滅火且不發(fā)生復(fù)燃的情況下，可在預(yù)制艙內(nèi)設(shè)置與試驗(yàn)參數(shù)一致的滅火系統(tǒng)，同時(shí)應(yīng)保證該固定滅火系統(tǒng)在實(shí)際工程應(yīng)用中的可靠性。
2.5消防水源及消防車道
由于GB51048-2014《電化學(xué)儲(chǔ)能電站設(shè)計(jì)規(guī)范》中未對鋰離子電池儲(chǔ)能電站的消防用水提出明確要求，我國早期建設(shè)的預(yù)制艙式磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能電站周邊存在無給水管網(wǎng)或消防水源的情況。結(jié)合儲(chǔ)能電站火災(zāi)案例及消防救援實(shí)際情況，建議儲(chǔ)能電站周圍設(shè)置室外消防給水系統(tǒng)。消防用水宜由市政給水管網(wǎng)供給，也可采用消防水池或天然水源供給，相關(guān)要求應(yīng)符合GB50974-2014《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》。同時(shí)，儲(chǔ)能電站內(nèi)宜設(shè)置環(huán)形消防車道，消防車道的相關(guān)要求應(yīng)符合GB50016-2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》。
3展望
當(dāng)前，儲(chǔ)能電站的安全問題受到社會(huì)廣泛關(guān)注，GB51048-2014《電化學(xué)儲(chǔ)能電站設(shè)計(jì)規(guī)范》已于2020年啟動(dòng)整體修編工作，T/CEC373-2020《預(yù)制艙式磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能電站消防技術(shù)規(guī)范》已經(jīng)發(fā)布，更多電力行業(yè)、消防行業(yè)的科研院所和相關(guān)企業(yè)積極投入到儲(chǔ)能電站消防安全的研究當(dāng)中。伴隨著更多新產(chǎn)品、新技術(shù)的問世，以及儲(chǔ)能電站運(yùn)行維護(hù)、消防安全管理的進(jìn)一步提升，儲(chǔ)能電站必將朝著更加安全的方向健康發(fā)展。
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