白曉飛 余莎

摘要：荊門(mén)新港儲(chǔ)能電站為國(guó)內(nèi)首座電網(wǎng)側(cè)大型構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能電站，采用預(yù)制艙式磷酸鐵鋰電池。磷酸鐵鋰電池憑借其低成本、高安全性、長(zhǎng)壽命的自身優(yōu)勢(shì)在儲(chǔ)能系統(tǒng)廣泛應(yīng)用，但熱失控風(fēng)險(xiǎn)大，火災(zāi)隱患不容小覷。本文結(jié)合荊門(mén)新港儲(chǔ)能電站工程實(shí)例論述了儲(chǔ)能電站電池艙消防設(shè)計(jì)方案，為以后儲(chǔ)能電站工程消防設(shè)計(jì)提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：新港儲(chǔ)能電站；磷酸鐵鋰電池；預(yù)制艙；消防

一、荊門(mén)新港儲(chǔ)能電站概況

隨著國(guó)家雙碳戰(zhàn)略的提出，可再生能源占比不斷提高，分布式電源大規(guī)模發(fā)展，但同時(shí)導(dǎo)致系統(tǒng)潮流分布狀態(tài)變化更為頻繁，未來(lái)新能源電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行將面臨巨大挑戰(zhàn)。為推動(dòng)新型電力系統(tǒng)建設(shè)和湖北電網(wǎng)轉(zhuǎn)型發(fā)展，荊門(mén)沙洋縣新港儲(chǔ)能電站先行示范工程應(yīng)時(shí)而生，該電站已于2023年11月完成消防驗(yàn)收，并于2023年12月17日全容量成功并網(wǎng)。作為國(guó)內(nèi)首座電網(wǎng)側(cè)大型構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能電站，為研究電網(wǎng)側(cè)大型電化學(xué)儲(chǔ)能的規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)維管理等技術(shù)積累經(jīng)驗(yàn)，將加快推動(dòng)建設(shè)新型能源體系，助力國(guó)家“雙碳”目標(biāo)落地。

新港儲(chǔ)能電站建設(shè)規(guī)模50兆瓦/100兆瓦時(shí)，采用預(yù)制艙式磷酸鐵鋰電池，配置16座6.709MWh電池艙。磷酸鐵鋰電池憑借其低成本、高安全性、長(zhǎng)壽命的自身優(yōu)勢(shì)在儲(chǔ)能系統(tǒng)廣泛應(yīng)用，但熱失控風(fēng)險(xiǎn)大，目前儲(chǔ)能電站常見(jiàn)的安全因素有火災(zāi)、爆炸、中毒等，火災(zāi)是其中最典型的安全風(fēng)險(xiǎn)。近年來(lái)，儲(chǔ)能電站火災(zāi)頻發(fā)，火災(zāi)隱患不容小覷，而其消防措施研究尚不完善，現(xiàn)行相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)也偏低。因此，儲(chǔ)能電站電池艙消防措施是整個(gè)工程非常重要一環(huán)[1]。

二、儲(chǔ)能電站消防設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)消防相關(guān)的國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)主要有如下：

《電化學(xué)儲(chǔ)能電站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB51048-2014）發(fā)行時(shí)間較早，未能充分考慮儲(chǔ)能電站的火災(zāi)防控風(fēng)險(xiǎn)，標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)滯后，現(xiàn)該標(biāo)準(zhǔn)正在修編征求意見(jiàn)稿，尚未正式發(fā)布；針對(duì)國(guó)內(nèi)儲(chǔ)能電站市場(chǎng)的迅速發(fā)展，企標(biāo)、團(tuán)標(biāo)陸續(xù)修訂，2020年10月中國(guó)電力出版社出版《電化學(xué)儲(chǔ)能電站典型設(shè)計(jì)》（國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司經(jīng)研院組編），2021年5月國(guó)家電網(wǎng)也針對(duì)電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能電站發(fā)布文件《電網(wǎng)側(cè)電化學(xué)儲(chǔ)能電站消防提升措施》（試行），以上均為新港儲(chǔ)能電站消防設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

三、電池預(yù)制艙消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

（一）電池預(yù)制艙消防措施

1.預(yù)制艙布置型式

本站儲(chǔ)能系統(tǒng)采用預(yù)制艙式布置方式，按照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》規(guī)定，預(yù)制艙間短邊方向不小于4m、長(zhǎng)邊方向3m，因本工程電池預(yù)制艙采用外維護(hù)方案，其長(zhǎng)邊、短邊方向均有開(kāi)門(mén)，根據(jù)規(guī)范并結(jié)合工程實(shí)際情況，本工程電池預(yù)制艙間距按3m考慮[2]。

根據(jù)電網(wǎng)側(cè)電化學(xué)儲(chǔ)能電站消防提升措施（試行）-國(guó)網(wǎng)設(shè)備部（2021年05）3.2.4條鋰電池預(yù)制艙宜考慮分區(qū)布置，每個(gè)區(qū)域設(shè)備放電容量總和不宜超過(guò)30MWh。相鄰分區(qū)之間的防火間距不應(yīng)小于10m，防火間距不滿足時(shí)，應(yīng)設(shè)置防火墻。電池艙區(qū)中間設(shè)兩道防火墻，防火墻寬度為15m，高度為4.5m，耐火極限不低于3h。

2.電池預(yù)制艙特性

新港儲(chǔ)能電站儲(chǔ)能電池預(yù)制艙采用40尺預(yù)制艙，容量為3.0MW/6.696MWh，共包含18面電柜、2個(gè)匯流柜、1個(gè)控制柜、水冷裝置、消防系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等。艙內(nèi)布局上對(duì)電池消防進(jìn)行嚴(yán)格要求，電池柜背對(duì)背布置，最小隔離單元為9面電池柜，9面電柜之間以及電池柜與控制柜、水冷裝置處均設(shè)置防火隔離墻，耐火極限不小于2個(gè)小時(shí)。艙體耐火等級(jí)不應(yīng)低于二級(jí)，艙內(nèi)的保溫、鋪地、裝飾材料的燃燒性能等級(jí)均采用A級(jí)。

3.電池預(yù)制艙內(nèi)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)

根據(jù)T/CEC373-2020《預(yù)制能艙式磷酒鐵鋰電池儲(chǔ)能電站消防技術(shù)規(guī)范》，電池艙內(nèi)設(shè)置可燃?xì)怏w探測(cè)器、感溫感煙探測(cè)器，每種探測(cè)器不少于2個(gè)。電池艙內(nèi)火災(zāi)子系統(tǒng)與電池BMS系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，當(dāng)聯(lián)動(dòng)策略動(dòng)作時(shí)，關(guān)閉空調(diào)、啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，跳開(kāi)PCS斷路器并啟動(dòng)自動(dòng)滅火系統(tǒng)[3]。

4.電池預(yù)制艙內(nèi)滅火系統(tǒng)

考慮電池的消防安全，除了優(yōu)化鋰電池本身的安全配置方面外，還配備必要的火災(zāi)報(bào)警設(shè)施和滅火設(shè)施，及時(shí)發(fā)現(xiàn)火情，把火災(zāi)消滅在初期階段，防止火災(zāi)蔓延造成更大損失。本站使用七氟丙烷全淹沒(méi)式氣體固體消防和水噴淋消防組合，每個(gè)電池艙為獨(dú)立的防護(hù)區(qū)。

（二）電池預(yù)制艙防爆措施

根據(jù)國(guó)網(wǎng)設(shè)備部《電網(wǎng)側(cè)電化學(xué)儲(chǔ)能電站消防提升措施》（試行）4.1.3條規(guī)定，電池預(yù)制艙設(shè)置獨(dú)立的事故機(jī)械通風(fēng)設(shè)施，且其空氣不循環(huán)使用。機(jī)械通風(fēng)應(yīng)使用消防電源或不間斷備用電源，排風(fēng)、空調(diào)等設(shè)備采用防爆型。預(yù)制艙設(shè)置泄壓裝置，設(shè)在艙體2/3的高度，設(shè)置數(shù)量滿足《氣體滅火設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]。

（三）消防給水系統(tǒng)

根據(jù)國(guó)網(wǎng)設(shè)備部《電網(wǎng)側(cè)電化學(xué)儲(chǔ)能電站消防提升措施》（試行）5.3條以及《預(yù)制艙式磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能電站消防技術(shù)規(guī)范》（T/CEC373-2020）第4.7條規(guī)定，新港儲(chǔ)能電站設(shè)置消防給水系統(tǒng)，含室外消火栓；戶外消火栓宜采用地上式，消火栓的布置間距不大于60m，每個(gè)消火栓的保護(hù)半徑不大于150m。

艙內(nèi)自動(dòng)水消防：根據(jù)《電力儲(chǔ)能系統(tǒng)建設(shè)運(yùn)行規(guī)范》（DB11∕T1893-2021）5.7.4.5：火災(zāi)危險(xiǎn)性為甲、乙類(lèi)的集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)，其電池布置區(qū)域應(yīng)設(shè)置消防水泵接合器和浸沒(méi)式水冷卻裝置，確保淹沒(méi)儲(chǔ)能單元或電池單元的時(shí)間不超過(guò)10min。

四、滅火系統(tǒng)對(duì)比分析

現(xiàn)階段儲(chǔ)能站滅火系統(tǒng)分為七氟丙烷、全氟己酮、細(xì)水霧、全淹沒(méi)式水消防以及水噴淋系統(tǒng)。本站設(shè)計(jì)階段對(duì)以上幾種滅火系統(tǒng)也進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比分析，詳見(jiàn)下表：

關(guān)于細(xì)水霧噴頭布置到電池模組內(nèi)產(chǎn)生的影響：本電站采用液冷設(shè)備，電池模組均為密封狀態(tài)，若采用噴頭到模組，前期電池廠家需要配合消防廠家對(duì)密封模組開(kāi)口裝噴頭及通風(fēng)口（排除水蒸氣），該措施影響能量密度等電氣性能指標(biāo)[5]；新方案需重新設(shè)計(jì)冷卻管路和電池架，模具設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)；經(jīng)市場(chǎng)咨詢(xún)調(diào)查，目前大部分廠家無(wú)法滿足上述要求。

因七氟丙烷具有反應(yīng)快速、滅火性能高且造價(jià)經(jīng)濟(jì)，但對(duì)熱失控產(chǎn)生的二次復(fù)燃有一定隱患，故本電站電池預(yù)制艙采用七氟丙烷滅火及水噴淋消防相結(jié)合，能有效撲滅初期火災(zāi)及防止火災(zāi)復(fù)燃。

吸取北京某儲(chǔ)能電站起火爆炸致2名消防人員犧牲的教訓(xùn)，本站將每個(gè)艙外支管總閥門(mén)設(shè)電動(dòng)閥帶手動(dòng)開(kāi)關(guān)，自動(dòng)水消防系統(tǒng)可就地操作，也可經(jīng)站級(jí)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方手動(dòng)及自動(dòng)控制，大大提高了人員安全性。同時(shí)，亦能減少其他艙體誤動(dòng)作造成的損失。

本消防系統(tǒng)應(yīng)遵循“預(yù)防為主、防消結(jié)合”的原則。電池本身質(zhì)量控制：電池模組應(yīng)充分考慮電芯散熱、防火隔離。布局盡量減少電芯及電池簇的并聯(lián)數(shù)量，提高散熱效果及減少火災(zāi)蔓延[6]。

本站設(shè)置室內(nèi)自動(dòng)水消防系統(tǒng)，火災(zāi)報(bào)警主機(jī)可采用以下3種方式。手動(dòng)允許、自動(dòng)允許：手動(dòng)可操作，在滿足聯(lián)動(dòng)邏輯條件時(shí)自動(dòng)聯(lián)動(dòng)輸出；手動(dòng)允許、自動(dòng)禁止：手動(dòng)可操作，自動(dòng)不聯(lián)動(dòng)，但可設(shè)置聯(lián)動(dòng)對(duì)應(yīng)的手動(dòng)按鍵閃爍提示燈；手動(dòng)禁止、自動(dòng)允許：手動(dòng)不可操作，在滿足聯(lián)動(dòng)邏輯條件時(shí)自動(dòng)聯(lián)動(dòng)輸出。說(shuō)明：手動(dòng)操作時(shí)，控制器需要處于手動(dòng)允許狀態(tài)、輸入正確密碼時(shí)才能啟動(dòng)[7]。

結(jié)語(yǔ)

電化學(xué)儲(chǔ)能電站是解決新能源消納、增強(qiáng)電網(wǎng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，但是不能忽視的一點(diǎn)就是儲(chǔ)能電站與其他電站相比有更高的火災(zāi)危險(xiǎn)。國(guó)內(nèi)儲(chǔ)能電站以預(yù)制艙式磷酸鐵鋰電池形式居多，新港儲(chǔ)能電站就是其一。在本工程設(shè)計(jì)過(guò)程中，在滿足國(guó)內(nèi)最新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的前提下，和電池廠家、消防廠家和火災(zāi)報(bào)警廠家多次溝通協(xié)調(diào)消防方案，結(jié)合近幾年儲(chǔ)能電站火災(zāi)事故原因，盡可能完善電池預(yù)制艙消防措施，減少因消防設(shè)計(jì)缺陷造成的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。隨著儲(chǔ)能電站持續(xù)發(fā)展和經(jīng)驗(yàn)積累，相信不管是儲(chǔ)能電池的安全性能還是儲(chǔ)能電站的消防安全標(biāo)準(zhǔn)都會(huì)不斷優(yōu)化提高，為助力國(guó)家發(fā)展新型能源系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)提供有力支撐[8]。

參考文獻(xiàn)

[1]陳秉安.預(yù)制艙式磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)安全性分析研究[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2022，7（41）：997-1000.

[2]趙智興.預(yù)制艙式鋰離子電池儲(chǔ)能電站氣體爆炸特性研究[A].鄭州大學(xué)，2021.

[3]趙洪強(qiáng).磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能預(yù)制艙消防給水設(shè)施及設(shè)計(jì)參數(shù)[J].中國(guó)給水排水，2022，38（18）：9.

[4]王雪.淺談儲(chǔ)能電站安全生產(chǎn)隱患[J].機(jī)電信息，2017（09）：112-113.

[5]李首頂，李艷，田杰，等.鋰離子電池電力儲(chǔ)能系統(tǒng)消防安全現(xiàn)狀分析[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)，2020，9（05）：1505-1516.

[6]卓萍，倪照鵬，楊凱，等.鋰離子儲(chǔ)能系統(tǒng)消防安全研究現(xiàn)狀[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2019，38（07）：1023-1027.

[7]朱江，張宏亮.鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)火災(zāi)危險(xiǎn)性及防范措施[J].武警學(xué)院學(xué)報(bào)，2018，34（12）：43-45.

[8]李小東.淺談某電池裝配車(chē)間消防設(shè)計(jì)[J].消防界（電子版），2018，4（23）：65-66.