朱 江,張宏亮
(山西省消防總隊,山西 太原 030001)
2017年3月7日,山西某電廠鋰電池儲能電站1組鋰電池集裝箱發(fā)生火災。該起火災過火面積約28 m2,火災燒毀1號儲能集裝箱。同年12月21日該鋰電池儲能電站再次發(fā)生火災,燒毀2號儲能集裝箱。兩起火災事故發(fā)生后,引起社會各界廣泛關(guān)注。因此,探討鋰電池儲能系統(tǒng)的火災危險性及防范措施具有現(xiàn)實意義。
電力系統(tǒng)的頻率反映了發(fā)電有功功率與負荷之間的平衡關(guān)系,為滿足發(fā)電廠設備、用戶設備和電力系統(tǒng)正常運行的需要,電力系統(tǒng)設置了頻率的控制要求,例如我國要求電力系統(tǒng)頻率控制在50±0.2 Hz范圍內(nèi)的時間應達到98%以上。在頻率發(fā)生變化時,電力系統(tǒng)會調(diào)整發(fā)電機組功率的基準值,改變發(fā)電機組的輸出功率,從而實現(xiàn)發(fā)電機組的功率和負荷實時保持平衡。這一過程即為本文所述的電力系統(tǒng)調(diào)頻。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的調(diào)頻由火電、水電等常規(guī)發(fā)電機組提供,但隨著儲能技術(shù)的出現(xiàn),近年來越來越多的電化學儲能電池(主要為鋰電池)系統(tǒng)開始為電力系統(tǒng)提供服務。鋰電池儲能系統(tǒng),能很好地避免傳統(tǒng)機組的調(diào)節(jié)延遲、調(diào)節(jié)反向、調(diào)節(jié)偏差大等缺點,能快速精確地響應電網(wǎng)的調(diào)頻指令,因此近年來在國內(nèi)外的應用呈上升趨勢。據(jù)中關(guān)村儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟的統(tǒng)計數(shù)據(jù),截至2017年底,全球范圍內(nèi)儲能調(diào)頻系統(tǒng)累計裝機規(guī)模達到1 005.7 MW,其中鋰電池的裝機規(guī)模超過90%。我國范圍內(nèi),這一規(guī)模為35 MW,全部為鋰電池儲能系統(tǒng)。2018年,我國新增(包括新投運、在建、簽訂合同的系統(tǒng))儲能調(diào)頻系統(tǒng)總計超200 MW,呈快速發(fā)展態(tài)勢。
我國的新一輪電力體制市場化改革正在全面推進,在此過程中,調(diào)頻輔助服務市場作為首要的改革領(lǐng)域已經(jīng)在山西、廣東、山東等地開始試點運行,并且華東、西北等區(qū)域電網(wǎng)也正在陸續(xù)修改相關(guān)市場規(guī)則,醞釀市場化改革。這一改革過程中,調(diào)頻資源性能好壞將是決定其市場競爭力的關(guān)鍵點,性能優(yōu)越的調(diào)頻資源將在市場競爭中獲得更多的機會,這將進一步刺激全國范圍內(nèi)投用儲能系統(tǒng)為電網(wǎng)提供調(diào)頻輔助服務,會有越來越多的鋰電池儲能系統(tǒng)進入我國電力調(diào)頻輔助服務市場。
鋰電池儲能系統(tǒng)的火災危險性主要包括鋰電池的火災危險性和電氣設備的火災危險性等方面。
研究發(fā)現(xiàn),涉及鋰電池的火災主要是電解液分解、燃燒的結(jié)果,是一種碳氫化合物氣體燃燒火災。美國消防協(xié)會(NFPA)針對鋰電池燃燒火災的研究中指出:鋰電池的火災危險主要來自其構(gòu)造,與電池的物質(zhì)組成直接相關(guān),在濫用情況下,比如電池過熱、過度充放電、電池設計缺陷及原材料瑕疵造成的短路等導致內(nèi)部的電池材料之間發(fā)生化學反應,電解液分解產(chǎn)生大量的熱和氣體,引起電池的熱失控。研究認為快速釋放能量的熱失控是引起電解液燃燒的主要原因,一旦發(fā)生熱失控,電池溫度迅速升高,其結(jié)果直接導致電池材料燃燒。當鋰電池電解液分解、燃燒產(chǎn)生的可燃性氣體濃度達到一定程度后,遇明火會發(fā)生爆炸。在大型鋰電池儲能系統(tǒng)中,電池組具有高密度、集中式分布的特點,鋰電池模塊通過串聯(lián)形成單個電池組,多個電池組通過并聯(lián)形成一個大容量儲能單元。這樣不僅增加了鋰電池出現(xiàn)故障的概率,而且一旦發(fā)生火災,也會因為電池之間無法切斷電路,而增加火災蔓延渠道。
鋰電池儲能系統(tǒng)中存在大量的附屬電氣設備,這些設備的不安全使用也增加了儲能系統(tǒng)整體的火災危險性,如意外的高電壓、大電流(雷電、浪涌)侵入。造成鋰電池儲能系統(tǒng)高電壓、大電流侵入,一方面是因為鋰電池儲能系統(tǒng)中的電子設備高度集成化,從而降低了其對高電壓、大電流的抵御能力;另一方面是因為系統(tǒng)中使用的通信線路數(shù)量較多,也造成高電壓、大電流侵入的渠道增加。同時,保護元件失效也是引發(fā)火災的重要原因之一[1]。比如,通過對一起鋰電池儲能系統(tǒng)火災監(jiān)控錄像的觀察發(fā)現(xiàn),在起火后的3 s內(nèi)多處Rack BMS(電池管理單元)先后發(fā)生爆燃,隨后蔓延至電池端面發(fā)生拉弧爆燃。可以確定電池內(nèi)過流保護、直流熔斷器與電池內(nèi)過流熔斷器未能有效隔離短路故障,是造成火災蔓延擴大的主要原因。通過對未燃燒的Rack BMS柜勘查發(fā)現(xiàn),長期發(fā)熱超溫造成柜體內(nèi)部分電氣元件氧化腐蝕、部分絕緣材料老化,不能滿足其原設計的電阻、絕緣要求,致使鋰電池儲能系統(tǒng)整體在電氣安全方面存在較大隱患。
通常情況下,鋰電池燃燒時會產(chǎn)生大量氣體,主要有氫氣、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、苯和甲苯等有機氣體以及氯化氫、氟化氫等有毒氣體。鋰電池儲能系統(tǒng)一般安裝在電廠主要設備附近,其一旦發(fā)生火災,集裝箱內(nèi)部的鋰電池在高溫情況下釋放的氫氣、一氧化碳等可燃氣體,得不到有效控制極易造成火勢迅速蔓延甚至發(fā)生爆炸,危及空冷平臺或者主電設備,進而造成巨大財產(chǎn)損失。
安全性是鋰電池制造廠商重點考慮的內(nèi)容。下面從火災自動報警系統(tǒng)、自動滅火裝置、電氣設計、現(xiàn)場設計及消防安全管理等方面探討鋰電池儲能系統(tǒng)的火災防范措施。
一般情況下,鋰電池儲能系統(tǒng)的火災發(fā)生過程可分為初起階段、發(fā)展階段、猛烈燃燒階段、熄滅階段。前兩個階段的時間相對較長,火情還沒有蔓延擴散,火災自動報警系統(tǒng)在此刻及時探測到火情,實現(xiàn)早期報警,可對火災進行防控。根據(jù)《火力發(fā)電廠與變電站設計防火規(guī)范》(GB 50229—2006)、《火災自動報警系統(tǒng)設計規(guī)范》(GB 50116—2013)等行業(yè)相關(guān)標準及規(guī)范,集裝箱式鋰電池儲能系統(tǒng)中每個集裝箱為一個報警區(qū)域,配備區(qū)域火災自動報警系統(tǒng)。每個報警區(qū)域根據(jù)集裝箱內(nèi)空間布置設置對應的探測區(qū)域,探測區(qū)域內(nèi)設置一定數(shù)量的點型火災探測器。在此基礎(chǔ)上,增加吸入式感煙探測器,能夠?qū)崿F(xiàn)早期報警并將該區(qū)域的報警信號統(tǒng)一發(fā)送至電廠的消防控制中心。根據(jù)不同鋰電池的特性,有針對性地增設可燃氣體探測器,能夠提前捕捉到因鋰電池故障而擴散出來的可燃氣體。在增加報警信號采集的同時還應考慮所采集信號的處理方式,例如增加聲光報警器的數(shù)量,并將其布置在經(jīng)常有人員巡邏、值守的場所,并將該區(qū)域的報警信號統(tǒng)一發(fā)送至電廠的消防控制中心。
根據(jù)《氣體滅火系統(tǒng)設計規(guī)范》(GB 50370—2005),自動滅火系統(tǒng)要求采用無導電性的七氟丙烷為滅火劑,并依據(jù)惰化設計濃度來設置七氟丙烷滅火劑配備量,同時利用電廠的氮氣生產(chǎn)系統(tǒng)布置一套氮氣滅火系統(tǒng)。自動滅火系統(tǒng)應具備自動運行、自動監(jiān)測、自動滅火功能。七氟丙烷滅火劑噴灑持續(xù)時間為10 s,噴灑完畢后使電池集裝箱保持10 min密封狀態(tài),使滅火劑充分擴散和滅火。當鋰電池集裝箱內(nèi)氣體滅火裝置無法撲滅箱內(nèi)火災時,大量、持續(xù)噴水是針對鋰電池火災最有效的撲滅方法。通常情況下,鋰電池集裝箱設備現(xiàn)場水滅火系統(tǒng)可利用發(fā)電廠或變電站原有消防給水設施,給水壓力應保證消防用水總量達到最大時,水槍充實水柱不應小于13 m,并保證外集裝箱端部安全位置噴水滅火時水柱可達箱內(nèi)各處。
針對鋰電池儲能系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的高電壓、大電流侵入問題,可以從電氣線路防雷防浪涌、通信線路防雷防浪涌、合理的布線與屏蔽、綜合接地與等電位連接四個方面綜合考慮,合理利用電廠現(xiàn)有的防雷及接地設施,同時增加防浪涌設備器件,以提高其抵御高電壓、大電流侵入的能力。針對系統(tǒng)內(nèi)部可能出現(xiàn)超溫失控的元件、部位、場所應增加超溫控制系統(tǒng),及時觀察、監(jiān)測該部位的溫度變化情況,發(fā)現(xiàn)溫度超出預定范圍、溫度變化速率異?;驕囟乳L期處于某處不合理的區(qū)域等情況,及時發(fā)出警報,采取控制該部位的設備退出工作狀態(tài),系統(tǒng)整體停機等措施,以保證系統(tǒng)安全可靠[2]。
鋰電池集裝箱采用戶外安裝方式,作為電廠或變電站輔助生產(chǎn)設備可滿足快速布置需求。目前全球還缺乏針對鋰電池集裝箱系統(tǒng)的設計規(guī)范,因此設計排布方式多種多樣??紤]到合格鋰電池產(chǎn)品的火災危險等級不高、集裝箱耐火等級高等因素,建議鋰電池集裝箱與相關(guān)儲能系統(tǒng)設備間布置距離可按照生產(chǎn)工藝的需求來確定,不做防火間距要求。但鋰電池集裝箱、雙向功率變換裝置(PCS)集裝箱、配電集裝箱(E-House)均應滿足相關(guān)戶外防護等級、耐火等級要求。單臺設備發(fā)生火災時,應注意對其他設備采取噴水等降溫措施,避免由于熱輻射造成火災擴散。鋰電池集裝箱與電廠或變電站內(nèi)原有建筑、設備間防火間距建議參照油浸變壓器等戶外電氣設備布置要求,與生產(chǎn)建筑間距應不小于10 m。在有生產(chǎn)工藝或場地限制等要求時,鋰電池集裝箱可與電廠或變電站內(nèi)原有建筑、設備采用相對緊密的布置方式,但應對原生產(chǎn)建筑朝向鋰電池集裝箱側(cè)的門、窗進行封堵,或設置甲級防火門(窗),墻面與防火門(窗)耐火極限不應小于1 h[3]。
應依法建立消防安全責任制,通過建立防火檢查巡查制度、應急處置制度,明確各級、各崗位的消防安全職責,負責組織實施日常消防安全管理工作。加強對移動儲能電站內(nèi)用火、用電和易燃可燃物的管理,采取防火措施,有效控制火災危險源。移動儲能電站設備安裝區(qū)域出入口不應少于2個,其周圍應設置消防車道,消防車道可利用交通道路實現(xiàn)。要定期開展消防實戰(zhàn)演練,不斷增強員工消防安全素質(zhì)。將電廠志愿消防隊納入自動報警體系,進一步提高消防隊伍快速反應和聯(lián)合作戰(zhàn)能力。